海水循环水养殖系统中生物滤料的微生物挂膜与水处理效果研究

摘要

本文以人工模拟海水养殖废水为处理对象，采用自制海水循环水模拟装置，对6种不同的滤料进行生物挂膜及净水效果分析，探讨了影响滤料水处理效果的因素，通过优化挂膜方案缩短挂膜时间，比较了黑鲷幼鱼在循环水养殖模式同流水养殖模式下生长及免疫指标的不同，并运用PCR-DGGE技术分析了挂膜成熟后陶环滤料表面的生物膜群落组成，以期对海水循环水养殖模式不同滤料在低氨氮负荷条件下的生物膜培养及生物净水方法提供数据参考。实验主要内容及结论如下：
　　 1.对3种不同材质和形状的生物滤料(聚乙烯滤球，珊瑚石，聚丙烯方便面净水板)做了氨氮动态吸附性能的实验，并探讨了3种滤料处理模拟海水养殖废水过程中的挂膜情况，对每种滤料均选择在31.6m3/(m2·h)、57.3m3/(m2·h)、82.8m3/(m2·h)三种水力负荷下进行氨氮吸附和挂膜实验，挂膜成熟后试验每种滤料在19 m3/(m2·h)、35 m3/(m2·h)、51m3/(m2·h)、67 m3/(m2·h)和83 m3/(m2·h)5种不同水力负荷下处理模拟海水养殖废水的情况，得出不同滤料对应的最佳水力负荷。实验结果显示，珊瑚石滤料的挂膜成熟时间明显短于聚乙烯和聚丙烯材质的滤料；水流速率与生物膜厚度呈负相关；在生物滤器稳定运行阶段，当水力负荷处于19 m3/(m2·h)～51 m3/(m2·h)时，不同滤料的滤器对水体溶解态无机氮和总有机碳具有较为理想的降解效果。
　　 2.采用微生态净水剂作为菌种，对3种不同材质和形状的生物滤料(陶环、弹性毛刷和爆炸棉)进行生物膜培养，挂膜成熟之后进行黑鲷幼鱼的养殖效果实验。结果显示：在相同挂膜条件下，三种滤料分别经过25d、32d和28d挂膜成熟。在本实验设计的简易循环水系统条件下，黑鲷幼鱼养殖效果良好，经过40d的饲喂，3个实验组鱼的体重与对照组相比，呈显著性差异(P<0.05)，成活率均达到95％以上；实验组鱼体血清LSZ酶活性和肝组织T-SOD酶活性均显著高于对照组(P<0.05)；实验组鱼体消化道内菌群数量及其多样性要明显高于对照组。结果表明：不同滤料在相同工况条件下挂膜成熟时间不同；微生态净水剂作为挂膜菌种效果良好；循环水系统养殖模式下不仅可以提高鱼体的生长速度，还能增强鱼体免疫性能。
　　 3.选择3种生物膜培养常用的有机物质-葡萄糖、蛋白胨和乙酸钠作为外加碳源，并采用微生态净水剂作为挂膜菌种，在初始总氨氮浓度为10mg/L的条件下对陶环滤料进行生物膜培养实验，直至反硝化系统完全建立，探究挂膜成熟的3组生物滤器在3种碳源及4种碳氮比条件下的同步硝化反硝化效果。结果显示：采用葡萄糖、蛋白胨和乙酸钠作为有机碳源生物膜成熟时间分别为31d、40d和128d；在初始总氨氮浓度为5mg/L的条件下，碳氮比为4:1时滤器去除溶解态无机氮的效果最佳，3组滤器在48h时的TN去除率均达到85％以上，碳氮比过高或过低时均显著影响滤器的硝化反硝化性能；添加乙酸钠在相同情况下具有最好的生物脱氮效果。
　　 4.采用PCR-DGGE技术从分子生物学水平上对硝化反硝化系统完全建立的陶环滤料表面的生物膜微生物群落构成进行了初步分析研究。结果显示：生物膜样品中的17株菌株分别属于α-Proteobacteria和β-Proteobacteria(变形菌纲)、Flavobacteria(黄杆菌纲)和Bacilli(芽孢菌纲)。黄杆菌(Flavobacteriaceaebacterium)、泥滩杆菌属(Gaetbulibacter.sp)和玫瑰杆菌属(Roseobacter.sp)等兼性厌氧细菌与其它好氧细菌共存于生物膜系统中，说明生物膜中同时存在硝化与反硝化细菌，共同完成对水体的脱氮净化。