论文部分内容阅读
水产养殖尾水直接排放将会破坏环境和威胁人体健康。农业废弃物作为反硝化外加碳源被认为是去除NO3--N经济环保的方法。HRT、INC和温度作为反硝化系统运行的重要参数,往往对反硝化性能产生深远影响。本研究探索了六种农业废弃物:香蕉秸秆、丝瓜络、高粱秸秆、红薯秸秆、西瓜皮和小麦壳作为养殖尾水反硝化碳源的可行性,之后将筛选的农业废弃物作为反硝化系统外加碳源,在流场环境下探究了HRT、INC和温度对其反硝化性能的影响,得到以下结果:1.农业废弃物强化水产养殖尾水生物脱氮的效果为了探究农业废弃物作为养殖尾水反硝化碳源的可行性,本研究对香蕉秸秆、丝瓜络、高粱秸秆、红薯秸秆、西瓜皮和小麦壳的碳释放能力和反硝化性能进行了分析比较。间歇实验结果表明,六种农业废弃物均具有良好的碳释放能力,累积COD为37.74–535.68 mg/g。在168 h内,它们的碳释放过程遵循二级动力学方程和Ritger-Peppas方程,通过扩散方式释碳。动力学方程拟合、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱结果表明,丝瓜络具有最低的cm值和最大的t1/2值且水解程度适中。此外,其二次污染物释放量和累积COD最低,对TP和TN的去除率最高。因此,认为丝瓜络的潜在过量碳释放风险最低且具有长期稳定碳释放的能力。相反,西瓜皮渗滤液中TN含量最高,红薯秸秆渗滤液中TP含量最高。在181 h反硝化反应中,6种农业废弃物均完全去除NO3--N和NO2--N,其中高粱秸秆的反硝化速率最高,其次是丝瓜络、麦壳、香蕉秸秆、红薯秸秆和西瓜皮,分别为2.16、1.35、1.35、1.34、1.34和1.01 mg/（L·h）,它们的反硝化过程遵循零级和一级动力学方程。综合分析认为香蕉秸秆、丝瓜络、高粱秸秆和麦壳更适合作为养殖尾水反硝化碳源。2.不同HRT下四种碳源的固相反硝化性能研究固相反硝化去除NO3--N具有广阔的应用前景,HRT作为影响反硝化系统运行的重要参数,需要对其最佳HRT进行优化。本研究分别以香蕉秸秆、丝瓜络、高粱秸秆和小麦壳为一维反硝化反应器的外加碳源,以毛巾为生物载体,在流场环境下,测定了不同HRT下各反硝化系统对NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、TP和COD的去除效果。并采用基于Illumina Miseq测序平台的高通量测序技术,对各反硝化系统运行初期及末期的细菌群落进行测序分析。结果表明HRT是影响反硝化性能的关键因素之一,在一定范围内,HRT越长,NO3--N去除率越高,然而过长的HRT并不能引起NO3--N去除率的显著提升。LS-DR、BS-DR、SS-DR和WH-DR的最佳HRT分别为24 h、20 h、32 h和32 h,对应NO3--N去除率分别为98.97±0.52%、96.71±1.36%、95.71±1.75%和97.37±2.68%,此时,均无NO2--N的积累,能够实现完全反硝化。此外,在整个实验期间,四种反应器都能完全去除NH4+-N。长期运行后,各反应器的细菌群落结构均发生改变,其中变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、弯曲杆菌门（Campilobacterota）和厚壁菌门（Firmicutes）被富集,相对丰度分别为33.46-31.20%、10.66-5.16%、0.33%-3.08%和1.60-5.69%,这些微生物促进了农业废弃物的降解和反硝化的进行。然而,在属水平上,四种反应器的优势菌属明显不同,但它们多数具有反硝化功能。3.不同INC下四种碳源的固相反硝化性能研究INC同样是影响反硝化的重要因素,因此有必要对不同INC下的反硝化性能进行探究。本研究同样以香蕉秸秆、丝瓜络、高粱秸秆和小麦壳为一维反硝化反应器的外加碳源,在最佳HRT分别为20 h（BS-DR）、24 h（LS-DR）、32 h（SS-DR）和32 h（WH-DR）的基础上,继续测定了不同INC（75、100和125 mg/L）下各反硝化系统对NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、TP和COD的去除效果。结果显示分别四种反应器的ENC和NRR均随INC的增加而显著增加（P＜0.05）。相反,各反应器出水COD随INC的增加而降低。其中,INC=125 mg/L时,各反应器的NRR分别为97.45±2.78 mg/（L·d）（LS-DR）、131.84±4.53 mg/（L·d）（BS-DR）、84.35±1.48 mg/（L·d）（SS-DR）和75.27±3.72 mg/（L·d）（WH-DR）。然而,在INC为75至125 mg/L时,四种反应器均有NO2--N积累,未实现完全反硝化。但在整个实验期间均能完全去除NH4+-N。此外,INC对四种反应器的TP去除效果影响不大,TP去除率在81-84%之间。结合第3章结果,认为四种反应器在各自最佳HRT的基础上,当INC为50mg/L时,NO3--N去除能力达到饱和。4.不同温度下四种碳源强化人工湿地反硝化性能的研究温度对反硝化性能同样有重要影响,本研究以香蕉秸秆、丝瓜络、小麦壳、高粱秸秆为人工湿地外加碳源,比较了它们在三个温度阶段（10、20和30℃）的反硝化性能和细菌群落组成,测定了COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN和TP等指标。结果表明,相比对照组,四种碳源均能显著提高人工湿地的反硝化性能,它们的出水COD、NO3--N去除率、NO2--N去除率、TN去除率和TP去除率均随温度的升高而提高,其中SS-CW的反硝化性能对温度敏感性最低,WH-CW最高。BS-CW和LS-CW在30℃时NO3--N去除率（98.64±2.60%和98.69±0.82%）和TN去除率（95.63±0.65%和95.31±0.43%）显著高于其它两种碳源,且无NO2--N积累。30℃时,四种人工湿地的TP去除率分别为78.75±4.48%（WH-CW）、72.63±6.71%（SS-CW）、82.21±5.79%（BS-CW）、79.82±6.46%（LS-CW）和77.28±5.39%（CK-CW）。高通量测序分析表明不同温度阶段各人工湿地的优势菌均为变形菌门、厚壁菌门、放线菌门（Actinobacteriota）和拟杆菌门等,这些细菌促进了农业废弃物的降解和反硝化的进行。