随我国经济快速发展、人口总量持续增长与优质蛋白需求逐步提升等因素,水产养殖与加工行业规模日益扩大,生产废水排放急剧增加。然而,由于工艺技术、过程控制、生产成本乃至经济结构等诸多复杂原因,导致水产类废水处理形势严峻,所造成的环境压力不容小觑。目前,传统水产废水处理技术通常将水体中有机物、氮磷等物质均作为污染物而加以去除,系统运行不仅面临污泥处置成本高,其可持续性也值得商榷。鉴于该类废水基质源自饲料与养殖对象自身物质,可生化性良好等特点,研究者开发了以强化处理过程同化作用,促使异养菌增殖并被养殖对象再利用的水产废水生物絮体资源化技术。然而,鉴于废水组分复杂,C/N/P比例失调,工艺操控受限等技术屏障,导致现有操作实践仍面临运行效能不稳,碳源投加成本高、基质利用不合理及技术普适性弱等弊端,研究涉及面主要强调絮体产能与养殖效果,难以全面兼顾水质处理性能。为此,研究开发适宜养殖需求的水产类废水生物絮体资源化技术,满足耦合絮体生产与运行效能的双重目的,尤为迫切。论文针对上述问题,围绕有限基质合理分配,以促进基质利用归趋多样化、产絮过程絮体营养效能(PHB益生元)挖掘等为目标,在实验室与中试规模条件下,开展了水产类废水生物絮体资源化技术的相关研究：1、针对原位生物絮体技术实施过程影响因素复杂,工况参数有待优化的现实需求,以开发的响应曲面性能模型为基础,获得了系统关键运行指标与目标响应值间的定量数学模型关系,并进一步优化了相应的工况运行范围。应用统计学模型试验分析,表明原位生物絮体技术系统的氨氮去除效率与关键参数C/N比及絮体污泥浓度呈显著相关,且可用特定二阶多项式描述其定量数学模型关系。方差分析(ANOVA)结果揭示所获模型确认与拟合程度良好。因素检验表明,絮体污泥浓度与运行C/N比及两者交互作用对系统氨氮去除效率均有显著影响。模型参数范围内,单变量及交互效果与响应值呈正相关关系。基于模型优化结果,系统在絮体污泥浓度2.0-2.5g/L、C/N比13-16条件下可获得最佳运行工况,其氨氮去除效率可确保大于90%,出水水质满足养殖需求。综上,基于模型理论分析结果表明,絮体污泥浓度与运行C/N比的联合调控工艺可确保原位生物絮体技术系统稳定运行。同时,结合不同养殖对象水质可耐受性的种间差异前提下,实际生产中具体工况参数的选择可以模型优化结果为基础,并基于养殖种类、密度及水质需求等进行适度修正。2、针对原位生物絮体技术适用养殖对象少,工况调控受限等弊端,以提高技术普适性与处理过程资源化为目的,开发了非原位序批式生物絮体技术,研究了其在厌-好氧运行模式下处理模拟水产养殖废水的运行性能、絮体特性及絮体PHB富集的工况参数优化。反应器运行结果表明,在进水NH4+-N和COD浓度分别为28.22±1.83mg/L与627±35mg/L条件下,相应出水浓度分别为1.23±1.38mg/L与17±13mg/L,去除率达95.69±4.92%与97.274±1.89%,出水水质适宜养殖回用,长期运行工况稳定性良好。反应器稳态阶段絮体特性分析表明,絮体形态呈稳定颗粒化,泥水分离性佳,有利于提高饲料制备便利性。营养成分测定显示絮体粗蛋白CP(Crude Protein)含量高达43.89%,氨基酸AA(Amino Acid)配比合理,养殖对象必需氨基酸EAA(Essential Amino Acid)苏氨酸THR(Threonine)、赖氨酸LYS(Lysine)及蛋氨酸MET(Methionine)含量分别为1.2836g/100g、3.3965g/100g与1.4699g/100g。重要益生元物质维生素E和多糖(Polysaccharide)的含量分别为145.23mg/kg及251.32mg/kg.结合水产动物营养需求分析,认为所获絮体营养价值较高。反应器典型周期过程特性揭示厌氧-好氧交替运行模式有利于絮体PHB(Poly-β-hydroxybutyrate)积累。基于统计学模型的批实验结果表明,絮体污泥浓度、C/N比和厌氧时间均对絮体PHB含量呈显著影响。最优化絮体PHB含量150-200mg/g的变量范围为絮体污泥浓度4-7g/L、C/N比15-18及厌氧时间50-85min。结合领域内PHB应用效果分析,提出了以饲料成本及饲料转换系数FCR(Feed Conversion Rate)为参考的碳源分配策略,以平衡絮体生产与PHB合成间的基质竞争利用。3、针对非原位生物絮体技术实施过程外碳源添加成本高,过度强化同化作用所致基质利用不合理等问题,以絮体产能调控(SRT控制)促进基质利用归趋多样化,明晰不同SRT阶段(2-15d)的基质转化规律为目的,研究了中试规模的非原位生物絮体技术反应器在厌-好氧条件下处理实际水产加工废水的运行性能、基质利用途径及相关絮体特性。反应器SRT2-15d运行阶段,在进水COD、NH4+-N、TN、PO43-P分别为801.5±201.3mg/L,40.82±12.62mg/L,42.85±14.03mg/L,24.86±5.96mg/L的条件下,其相应去除率分别为88.77±1.69%-92.74±1.45%；66.07±3.91%-90.40±2.02%；41.09±2.04%-63.20±3.10%：41.81±6.71%-78.27±4.80%。结合工况运行性能与基质转化过程特性发现,反应器SRT变化主要影响N、P转化途径与去除效率,对COD去除性能影响不明显。短SRT条件下基质去除以同化作用为主,且TN的去除性能优于P。但是,短SRT限制系统硝化性能,SRT2-5d条件下,出水N02--N浓度积累至4.06±1.15mg/L与9.93±3.11mg/L。延长SRT可提升系统硝化-反硝化性能,并利于PAOs富集从而改善除磷性能,SRT为10d可获最大pO43--P去除效率为78.27±4.80%。研究表明SRT变化同样对絮体表观产率系数具有明显影响。反应器SRT2-15d运行阶段,絮体表观产率系数Yobs随SRT延长由0.539±0.092(mgVSS/mg COD)下降至0.144±0.019(mg VSS/mg COD),相应的系统絮体生产性能由1115gVSS/m3/d降至270gVSS/m3/d,且絮体VSS含量由67.31±3.57%降至57.92±0.96%,但絮体SVI30值差异不明显,对其制备饲料的便利性不构成影响。综上,针对非原位生物絮体技术处理实际水产加工废水,其系统运行过程中水质N、P去除与絮体生物量问存有明显的SRT选择矛盾。短SRT运行所致的同化作用对P去除性能不佳,且出水NH4+-N, NO2--N等物质积累明显,易对养殖对象造成胁迫。鉴于有机质供给受限、满足养殖回用与提升基质利用合理性等现实需求,其实际运行中适宜选择较长SRT,以促使系统基质利用归趋多样化。同时,针对延长SRT所致的氮磷去除间的碳源基质竞争利用,尚可基于技术非原位应用的便利操控条件,采用如反应过程增设缺氧段并强化反硝化除磷等策略,提升碳源利用效率并降低氮磷去除过程的有机物消耗量,达到无外碳源添加条件下,基质合理利用与提升处理性能的目的。4、针对耦合水质处理性能与絮体营养效能挖掘的双重目的,以提升系统内碳源分配合理性与强化反硝化除磷入手,实现产絮过程同步富集PHB。研究了中试规模非原位生物絮体技术反应器在不同絮体收获节点(厌氧-缺氧段末、缺氧段末)与模式(A/O/A-SBR、A2O2-SBR)条件下处理实际水产加工废水的运行性能。反应器工况运行结果表明,在进水COD、NH/-N、TN、PO43--P分别为479±136mg/L,35.57±9.76mg/L,37.28±9.38mg/L,15.57±5.42mg/L的条件下,各阶段相应去除率为90.08+4.62%-92.954±1.72%；85.33±6.82%-90.444±3.17%；69.05±2.61%-82.96±4.54%；72.05±2.91%-87.16±4.77%。不同絮体收获节点与运行模式对有机物去除差异不明显,但对氮磷去除性能有明显影响。基质转化过程分析表明,反应器TN去除主要由反硝化脱氮与反硝化除磷贡献,TP去除则由好氧除磷与反硝化除磷途径实现。根据NH4+-N硝化与N03--N形成化学计量关系推算分析,好氧段同化作用对基质去除贡献较小。基于物料衡算分析,不同运行模式及絮体收获节点对单位N、P去除所需有机物的量有明显影响。A/O/A-SBR相同运行模式下,不同絮体收获节点所致的COD/P与COD/N的需求值分别为33.92t1.44mg COD/mg TP,19.23±3.4mg COD/mg NO3--N与23.51±3.33mg COD/mg TP,16.78±0.92mg COD/mg NO3--N,表明相同N、P去除性能下,厌氧-缺氧段末絮体收获虽可实现产絮同步富集PHB,但其较缺氧段末絮体收获的有机物需求量高,无外碳源添加条件下,易致有机质供给拮据。然而,同为厌氧-缺氧段末进行絮体收获,将运行模式由A/O/A-SBR变更为(AO)2-SBR,其值下降为19.32±1.53mg COD/mg TP与14.28±0.50mg COD/mg NO3-N,表明运行工况调控可有效降低单位N、P去除所需有机物量,实现基质高效利用。内碳源利用衡算表明,相同A-O-A/SBR运行模式下,不同厌氧-缺氧段末与缺氧段末的絮体收获节点所致的PHB周期内好氧段与缺氧段的消耗质量百分比分别为73.21±2.73%、24.53±1.36%与77.76±1.44%、24.72±4.52%。同为厌氧-缺氧段末絮体收获,而运行模式变更为(AO)2-SBR,其PHB在相应时期的消耗质量百分比分别为63.06±9.94%与35.60±9.16%,表明该运行模式下缺氧段可消耗的PHB量明显提升,推测其可为强化系统反硝化除磷性能提供内碳源物质基础。在均实现产絮过程同步富集PHB的前提下,比较A/O/A-SBR与(AO)2-SBR运行性能发现,其缺氧段氮磷去除物质计量关系由初始的1.75±0.23mg TP/mg NO3--N升至2.13±1.03mg TP/mg NO3--N.进一步基于絮体好氧与缺氧吸磷速率分批实验结果推测,其反硝化除磷菌DNPAOs占好氧除磷菌PAOs的比例由初始的11.90%升至45.14+2.24%,表明系统反硝化除磷性能得到有效强化。综上,为满足产絮过程同步富集PHB,克服过程碳源利用瓶颈,可基于缩短初次好氧段的工况调控策略提升系统内碳源分配与利用效率,以增加缺氧段PHB可消耗量强化系统反硝化除磷性能。通过降低单位N、P去除所需有机质,弥补无外碳源添加条件下絮体PHB收获所致的碳源损失,从而达到强化处理性能与絮体营养效能挖掘的双重目的。5.基于挖掘循环水养殖系统自身碳源潜力,削减外碳源添加成本,促进废水生物絮体资源化利用,提升运行可持续性为目标。研究了非原位生物絮体技术反应器处理准商业规模的循环水养殖系统废水的运行性能,比较了A/O/A-SBR运行条件下,系统在不添加与好氧段初、缺氧段初添加系统自身廉价内碳源(鱼粪)的基质转化效率与性能差异。反应器整体工况运行结果表明,在进水COD, NH4+-N与P043--p分别为444±98mg/L,43.22±8.90mg/L及17.67±3.92mg/L的条件下,各阶段相应去除率分别为86.87±2.89%-90.49±1.02%,74.19±4.39%-89.26±4.74%与76.49±1.60%-89.45±3.00%。好氧段添加内碳源调控策略可获运行过程最佳处理性能,在NH4+-N与P043--p浓度分别为41.59+6.49mg/L与17.08±2.05mg/L的条件下,相应出水浓度为4.69±1.32mg/L及1.78±0.48mg/L,去除率高达88.33+3.91%及89.45±3.00%,水质标准已可满足养殖回用需求。内碳源利用特征表明,好氧段添加碳源条件下其PHAs消耗速率为2.70±0.21mgPHAs/gVSS/h,低于不添加及缺氧段初添加的3.26±0.22mgPHAs/gVSS/h与4.04±1.07mgPHAs/gVSS/h,表明好氧段投加碳源可显著减缓PHAs在该时期的消耗速率,降低总PHAs消耗量,从而使缺氧段可供利用PHAs总量提升。基于缺氧段PHAs消耗速率计算表明,好氧段投加碳源条件下,其缺氧段PHAs消耗速率为1.88±0.20mgPHAs/gVSS/h,高于不添加与缺氧段添加条件下的1.52±0.42mgPHAs/gVSS/h及1.02±0.23mgPHAs/gVSS/h,推测其缺氧段可供利用的PHAs量较充裕,可对实现反硝化除磷性能提供内碳源物质基础。由絮体吸磷速率分批实验亦可表明,反应不同阶段好氧除磷菌PAOs中反硝化除磷菌DNPAOs的比例分别为27.62±4.14%,46.45±5.38%与24.90±2.16%,表明好氧段初添加碳源可有效提升系统反硝化除磷性能,从而利于实现产絮同步富集PHB。基于构建的絮体生物量估算模型计算,在基质COD及TN流入分别为6.98±0.87g COD/d,0.97±0.11g TN/d;7.28±0.23g COD/d,1.13±0.10g TN/d;8.50±0.37g COD/d,1.13±0.01gTN/d的条件下,不同阶段有机质及N的絮体转化率分别为44.92%,25.36%；54.59%,24.89%；50.89%,27.04%。以基于模型的各阶段微生物生长量占产絮总量计算,推测好氧段添加碳源条件下其反应器内普通异养菌与硝化菌的比例分别为34.084±2.02%及3.474±0.31%,与不添加及缺氧段添加碳源比例27.0±2.13%,4.35+0.91%；9.02±0.88%,4.45±0.59%相比,其普通异养菌占比明显增高,自养硝化菌比例降低,以絮体生物量为考量,表明其基质利用途径合理。综上,针对循环水养殖系统生产过程NO3--N含量丰富的水质特点,采用鱼粪为碳源添加的运行策略可有效提升系统运行性能与基质利用率。综合絮体生物量与出水水质指标为考量,以好氧段添加碳源为最佳调控手段,可对循环水养殖系统废水生物絮体资源化技术处理提供工程化应用依据。