（环境工程专业论文）甲鱼养殖废水厌氧氨氧化处理及其微生物机理研究.pdf

论 指 论文评阅人1 ： 评阅人2 ： 塞直塞数援土海童通太堂丕境抖堂皇王程堂院 评阅人3 ： 旌里明堑究旦虫国型堂医直立夔婴宜压 评阅人4 ： 强圭匮亟究员虫国型堂院生查丕境巫宜虫! 坠 评阅人5 ： 塞圭墙婴究员虫国型堂暄邀生物硒究压 答辩委员会主席： 塞松咽塾拯浙江太堂生王盒晶堂院 委员l ： 俭自圈熬拯逝江太堂巫缝皇资速堂院 委员2 ： 呈塞猩塾握逝江太堂丕撞量童速堂院 委员3 ： 吴焦搓教援逝江太堂丕埴墨童沤堂瞳 委员4 ： 旌塑煎熬援浙、江太堂还楚皇瓷遮堂瞳 m i c r o b i a lm e c h a n i s m a u t h o r ss i g n 一 s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e r n a lr e v i e w e r s ：曼i g i 望gx i 垒，里! q 鱼墨墨曼至q 坠萄i ! 也i y 鱼! 曼i 鲤 z h i m i nq i a n g , p r o f e s s e r , c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e z h i p e il i u , p r o f e s s e r , c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： d a t eo fo r a ld e f e n c e ： 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名- 惑毒孽签字日期：乙仁年位月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态茎可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储签名婉缛 新虢 剜 签字目期：西f2 年f 乏月r 日 签字目期：沙年夕月j 日 感谢 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2 0 0 8 z x 0 71o1 0 0 6 对本论文的资助! a c k n o w l e d g e m e n t s t h i sr e s e a r c hw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l c r i t i c a lp r o je c tf o rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yo n 鼢f e rp o l l u t i o np r e v e n t i o na n dc o n t r o l ( 2 0 0 8 z x 0 7 10 1 - - 0 0 6 ) 致谢 在博士生涯即将结束之际，回想在浙江大学求学期间的一千多个日日夜夜， 感慨良多。这四年中，在科学研究、工程建设、为人处世等方面，自己都收获颇 丰，在此有太多的人需要感谢。 首先要感谢我的恩师陈英旭教授，他不仅为我提供了良好的研究平台，在研 究选题、实验设计到具体实验、结果分析等方面都给予了极大的帮助。特别是在 水专项示范工程实施过程中，陈老师时常到现场指导，为我在现场克服困难、迎 头直上提供了最大的动力。陈老师严谨的工作方式、创新的思维、忘我的工作精 神，以及对材料撰写一丝不苟的态度都给我留下深刻的印象，并将使我受益终身。 衷心感谢陈英旭教授长期在我学习和生活上给予的无私帮助。 感谢我的合作导师吴伟祥教授，从论文开题、实验装置设计、现场联系采样、 实验过程答疑和试验结果总结等方面都倾注着吴老师的心血。特别是在我的文章 撰写和修改方面，吴老师不厌其烦，对语法、语气等都进行了反复斟酌，每次都 让我很受感动。难以忘怀跟吴老师一起挑灯夜战，工作到深夜的日子，吴老师的 工作激情和态度让我自愧不如，值得我终生学习。 感谢美国n e b r a s k a - l i n c o l n 大学张天成教授、n o r t hc a r o l i n as t a t e 大学成家 杨教授在文章结构和语言修改上所给予的帮助。 感谢现场采样过程中为我提供帮助的余杭区渔业渔政管理总站站长沈志刚、 余杭区农业局姚伟峰、浙江蓝天生态农业开发有限公司张建平书记和甲鱼养殖场 陈松旺场长以及其他养殖场的负责人。 感谢浙江大学环境保护研究所施积炎教授、沈超峰副教授、梁新强副教授以 及王云龙、梁志伟、吕豪豪等老师对我无微不至的关怀和教导。 感谢张蕊、黄孝肖和江西农业大学雷陈潇在我论文研究过程中的无私帮助； 感谢蔡传钰、李波、王亮和何起利等人在示范工程建设、运行维护过程中提供的 帮助，与你们共事让我受益良多；感谢固废组已毕业走向全国各地的黄向东、刘 微、吴松维、刘玉学、胡斌等人以及还在努力奋斗的杨敏、孙法迁、郭晓慧、王 t 成、邓辉、周曼曼、冯琪波、董达、潘逸凡、朱为静、屠巧萍、孙斌等人，给予 我科研和生活多方面的帮助和关心，为我提供了轻松欢快的学习和生活环境，与 你们共度的四年时光将是我人生最美好的记忆。 感谢我的挚友黄化刚、申燕、陈文然、唐设、赵风亮、张东彦等人在这四年 间的关怀- 9 帮助，祝愿你们万事如意。 衷心感谢我亲爱的父母对我二十多年来的养育之恩，他们为培养我，省吃俭 用，辛勤劳动，倾注了所有心血，每次看到他们日益老去的背影，我几乎哽咽。 祝愿他们能够身体健康。感谢我的姐姐和姐夫们，多年来在物质和精神上支持我。 最后，要特别感谢我的女友徐飞，默默陪伴着我近七年，为了我个人的追求和理 想，你放弃了许多，你温柔大方、善解人意，不仅是我生活上的伴侣，也是我人 生前进的知己。感谢我所有的亲人，浓浓亲情激励我演绎完美人生。 谨以此文，献给一直以来给予我鼓励和关怀的亲人和朋友，愿你们一生平安 幸福。感谢所有给予我指导、帮助和支持的老师和同学以及将要参加本论文评阅 和答辩的各位专家、教授在百忙中付出的辛勤工作! i i 陈重军 2 0 1 2 年1 0 月于浙大紫金港 摘要 温室甲鱼养殖业是我国长三角地区村镇经济的重要产业。工厂化温室甲鱼养 殖通常采用恒温密闭环境，以高蛋白鱼粉为主食。由于温室甲鱼饲料蛋白质含量 高，养殖模式粗旷，饲料蛋白利用率低，养殖废水具有氮磷含量高的特点。在温 室甲鱼养殖密集区，养殖废水的无序排放已经成为周边水体富营养化的重要成 因，严重影响了村镇居民生活和生产用水质量与安全，并成为制约甲鱼养殖业健 康可持续发展的限制性因素。本研究实地调研了典型温室甲鱼养殖场养殖方式及 其养殖废水水质特性，首次通过新型低温竹炭填料添加对厌氧氨氧化反应器启动 特性的影响研究，揭示了竹炭填料加速厌氧氨氧化反应器启动和促进a n a m m o x 茵选择性生长繁殖的机理，在此基础上设计了一套以厌氧氨氧化为主体的温室甲 鱼养殖废水处理工艺，并取得了良好的运行效果。论文研究结果为实现厌氧氨氧 化快速启动和a n a m m o x 菌选择性增长提供了理论依据，对温室甲鱼养殖废水的 深度脱氮处理技术研发具有重要的现实意义，论文主要研究结果如下： l 、通过对浙江省杭州市某区四个乡镇2 0 个温室甲鱼养殖场实地调研，发现 典型甲鱼养殖场普遍采用高温密闭大棚养殖，水温控制在3 04 - 1 ，养殖密度 2 5 3 0 只m 2 ，废水排放方式分为部分排水和整体排水两种。养殖废水总体呈黄 褐色或深绿色，p h4 8 9 8 9 0 ，s s 浓度6 0 0 1 2 0 0m gl 一，c o d 浓度1 8 1 6 1 2 0m gl ，氨氮浓度0 6 2 0 7 8m gl ，总氮浓度6 3 2 7 5 0m gl 1 ，总磷浓 度为o 。8 1 0 0 4m gl ，c n 比小于4 的水样占9 2 2 。因此，是一类典型的低 c n 比废水。 2 、以多面空心球和低温竹炭为填料，开展了u a s b 反应器厌氧氨氧化启动 特性的比较性研究，结果显示：仅接种污泥( c k ) 、污泥+ 多面空心球( s p ) 和 污泥+ 竹炭( b c ) 三种反应器均能成功启动厌氧氨氧化反应，启动过程可明显分 为4 个阶段，即a n a m m o x 菌活性迟滞、表现、提高和稳定阶段。启动过程中， 污泥颜色从暗黑色变为淡黄色，然后逐渐变为棕红色。稳定运行阶段三类反应器 对氨氮、亚硝态氮的去除率均可达到9 8 以上。c k 、s p 和b c 反应器启动成功 分别耗时1 1 7d ，9 7d 和8 5d ，竹炭添加可显著促进厌氧氨氧化反应器的快速启 动。c k 、s p 和b c 反应器稳定阶段亚硝态氮消耗量氨氮消耗量比值分别为1 1 2 士0 1 l 、1 1 44 - 0 1 1 和1 1 74 - 0 1 2 ，硝态氮生成量氨氮消耗量比值分别为0 1 14 - o 0 4 、0 0 2 士0 0 6 和0 0 44 - 0 0 6 ，均比厌氧氨氧化理论化学计量比值略低，推测 反应器中均存在厌氧氨氧化和反硝化耦合作用。 3 、采用荧光原位杂交( f i s h ) 和实时荧光定量p c r ( q - p c r ) 等生物学手 段，开展了三类反应器启动过程中a n a m m o x 菌富集情况的研究，结果显示：三 类反应器a n a m m o x 菌的数量均随着启动时间呈逐渐递增趋势，变化趋势与氨氮、 亚硝态氮的去除规律基本相符。在稳定阶段的第1 2 3 天，c k 、s p 和b c 反应器 a n a m m o x 菌分别占总细菌的2 3 3 ，3 2 6 和4 3 7 ，b c 反应器是c k 和s p 反 应器的1 8 6 倍和1 3 4 倍，a n a m m o x 茵1 6 sr r n a 基因拷贝数分别为2 5 6 44 - 2 7 6 x 1 0 7 、4 7 1 24 - 2 7 6 x1 0 7 和5 7 7 9 94 - 2 7 2 5 x1 0 7 拷贝数g - 1v s s ，b c 反应器是c k 和 s p 反应器的2 2 5 倍和1 2 3 倍。同时，b c 反应器中a n a m m o x 菌最大生长率和 最短倍增时间分别为0 0 6 4d 1 和l o 8d ，最大生长率分别是c k 和s p 反应器的 1 7 8 倍和1 8 8 倍。竹炭添加显著促进a n a m m o x 菌的选择性生长和繁殖，因而可 能是厌氧氨氧化反应器快速启动的主要成因。 4 、采用成功启动的厌氧氨氧化反应器s p 和b c ，开展了温室甲鱼养殖废水 厌氧氨氧化处理的效果及其生物膜微生物多样性分析研究。结果表明：两种反应 器均表现出良好的碳氮去除能力，其中氨氮去除率 8 5 ，总氮去除率 8 5 ，c o d 去除率 5 6 ；b c 反应器对氨氮和总氮的去除效率略高于s p 反应器。当进水c o d 浓度提升至5 7 7m gl 1 时，反应器对c o d 的去除率5 6 54 - 7 9 ，厌氧氨氧化对 氮素去除的贡献率达7 5 7 8 6 8 ，是反应器氮素去除的主要途径，高浓度c o d 未对a n a m m o x 菌的活性构成显著性抑制作用。通过p c r - d g g e 条带割胶测序 分析，发现反应器生物膜中的微生物主要属于变形菌门( p r o t e o b a c t e r i a ) 、浮霉 菌门( p l a n c t o m y c e t e s ) 、绿曲挠菌门( c h l o r o f l e x i ) 以及绿菌门( c h l o r o b i ) ；部 分浮霉菌门微生物能耐受高浓度有机碳源，推测本研究中涉及的a n a m m o x 菌可 利用和代谢有机物，值得进一步研究证实。 关键词：厌氧氨氧化；温室甲鱼养殖废水；脱氮；竹炭；微生物学机理 i i a b s t r a c tt u n l ea q m c u l t l i sam a j o rc h i n e s ea g r i c u l t u r a li n d u s t r yi nr u r a la r e ae s p e c i a l l yi nt h ey a n g t z er i v e rd e l t a u s i n gg r e e n h o u s et ob r e e dt u r t l ew a st h em a l nw a yo ft u r t l ea q u a c u l t u r ew h i c hc o n d u c t e di nt h ec l o s e da n dc o n s t 眦t e m p e r a t u r ee n v i l o m n e n t t h el l i g h - p r o t e i l lf i s hm e a lw a su s e da sm a i nf e e df o rt u r t l e st ok e e pt h e mg r o 讹gr a p i d l y h o w e v e r ，al o to fh i g h - p r o t e i nf e e dw a sd h c t l ya c c e s s e dt ot h ea q 吼c u l 眦删t e w a t e rb e c a u s eo fl o we f f i c i e n c yo fu t i l i z a t i o n t h e r e f o 佗，t h e哪e n h o u s e 似l eb r e e d i n gw a s t e w a t e rc o n t a i n e dr e l a t i v e l yh i g hc o n t e n to fm o g e n i nt h ei n t e n s i v ea r e a so ft u r t l ea q u a c u l t u r e ，t h eg r e e n h o u s et u r t l eb r e e d i n gw a s t e w a t e rr i c h e di nm g e nw a su s u a l l yd i s c h a r g e di n t or i v e r sa n dl a k e sw i t h o u ta n yt r e a t m e n t ，a i l dc a u s e dt h ee u t r o p m c a t i o no ft h er e c i v i n gw a t e rb o d i e s t h eu n o r d e r e dd i s c h a r g eo f 孵e n h o u s et u r t l eb r e e d i n gw a s t e w a t e rh a sb r o u g h th u r tt ot h ed a i l yl i f ea n dp r o d u c t i o ns 疵够o ft h es u r r o u n d i n gr e s i d e n t s a l s o ，t h ec u r r e n ts 1 似1 0 nc a u s e dl i r n i t ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h et u r t l ea q u a c u l t u r e a c c o r d i n gt ot h eo n _ t h e 。s p o ti n v e s t i g a ：t i o no ft h ef e e dw a ya n dw a s t e w a t e rq u a l i t yo fg r e e n h o u s et u n l e 即l a c l l l t u r ei nt h et y p i c a lr u r a lg r e e n h o u s et u r t l eb r e e d i n gf a r m s ，t h e nd e s i g n e dag r e e n h o u s e删1 eb r e e d i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yb a s e do na n a e r o b l ca m m o n i 啪o x i d a ：t i o n ( a n 锄m o x ) s o n e dt h ep r o b l e mi nl o n gs t a r t - u pt i m eo fa n 锄m o xr e a c t o r锄dl o ws p e c i f i c 铲o w mr a t eo fa n a m m o xb a c t e r i a , t h ea n a m m o xg r e e n h o u s et u n l eb r e e d i n gw a s t e w a t e r 仃e a 缸n e n tp r o c e s sw a sv a l i da n ds t a b l e p r i m a r yr e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：1 b a s e do nt h eo n - t h e - s p o ti n v e s t i g a t i o no ft w e n t yt y p i c a lr u r a lg r e e n h o u s et u r t l eb r e e d i n gf a n n si nf o u rt o w n so fh a n g z h o u , t h et u r t l ea q u a c u l t u r ea l m o s ta d o p t e d i n 龇i s o t h e m a l ( t h et e m p e r a t u r ew a sm a i n t a i n e da t3 0 士1 a 1 1 da l n i g h tg r e e n h o u s e t h ea q u a c u l t u r ed e n s i t yw a sa r o u n d2 5 _ 3 0t u r l e sp e rs q u a r em e t r e s 1 w 0删t e w a t e rd i s c 慨e dw a y sw e r eu s e di nt h ef a r m sw h i c hw e r ep 耐1 c l a l 蝴na n de n t i r ed m i n t h eg r e e n h o u s et u r t l eb r e e d i n gw a s t e w a t e rw a sy e l l o w i s h - 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u pt i m eo ft h eb ca m e n d m e n tr e a c t o rc o u l db e d r a m a t i c a l l ys h o r t e n e df o r3 2a n d12dc o m p a r e dw i t ht h ec ka n ds pr e a c t o r t h e s t o i c h i o m e t r i cr a t i oo fn 0 2 。- nc o n s u m p t i o nt on h 4 十- nc o n s u m p t i o ni nt h es t e a d y p h a s ew e r e1 1 2 士o 1 1 、1 1 44 - 0 1 1a n d1 1 74 - o 1 2i nc k ，s pa n db c r e c t o r ， r e s p e c t i v e l y a n dt h er a t i oo fn i t r a t ep r o d u c t i o nt oa m m o n i u mc o n s u m p t i o n w e r eo 11 士0 0 4 、0 0 2 士o 0 6a n d o 0 4 - 4 - 0 0 6i nc k s pa n db cr e c t o r ，r e s p e c t i v e l y b o t ho f t h er a t i ow e r es m a l l e rt h a nw e l l - a c c e p t e dv a l u e t h em a i nr e a s o nm i g h tb e n i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o na n da n a m m o xm i g h tc o e x i s ti nb c ，s pa n dc k r e a c t o r 3 t o t r a c ka n a m m o xb a c t e r i ai nt h et h r e er e a c t o r s ，f i s ha n dq p c ra n a l y s e sf o r a l la n a m m o xb a c t e r i aw e r ec a r d e do u to nt h eo p e r a t i o nd a y s t h en u m b e ro f a n a m m o xb a c t e r i ai na l lr e a c t o r si n c r e a s e dw i t ht i m ed u r i n gt h ew h o l es t a r t - u p p r o c e s s ，w h i c hw a sc o n s i s t e n tt ot h er e m o v a lr u l eo fa n m m o n i u ma n d n i t r i t e o nd a y 12 3o fs t e a d yp h a s e ，t h ea n a m m o xc e l l si nt h es l u d g eo fc k ，s pa n dc ka c c o u n t e d f o r2 3 3 ，3 2 6 a n d4 3 7 ，r e s p e c t i v e l y t h en u m b e ro fa n a m m o xb a c t e r i a1 6 s r r n ag e n ec o p i e sw a s2 5 6 4 士2 7 6 x1 07 4 7 1 2 士2 7 6 1 0 7 a n d5 7 7 9 9 士2 7 2 5 x1 0 7 c o p i e sg v s si nt h es l u d g eo fc k ，s pa n dc k ，r e s p e c t i v e l y o nd a y1 2 3 ，w h i c h r e p r e s e n t e dt h es t e a d yp h a s e ，t h ep e r c e n t a g eo fa n a m m o xb a c t e r i ai nb c r e a c t o rw a s 1 8 6t i m e sa n d1 3 4t i m e sh i g h e rt h a nt h a to fc ka n ds pr e a c t o r , r e s p e c t i v e l y t h e n u m b e ro fa n a m m o xb a c t e r i a16 sr r n ag e n ec o p i e si nb cr e a c t o rw a sa r o u n d2 2 5 t i m e sa n d1 2 3t i m e sg r e a t e rt h a nt h a ti nc ka n ds pr e a c t o r ，r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ， t h em a xs p e c i f i cg r o w t hr a t ea n dm i n i m u mt dw e r e0 0 6 4d a n d10 8di nb cr e a c t o r i v t h em a x s p e c i f i cg r o w t hr a t eo fa n a m m o xb a c t e r i ai nb c r e a c t o rw a s1 7 8t i m e sa n d 1 8 8t i m e sg r e a t e rt h a nt h a ti nc ka n ds pr e a c t o r , r e s p e c t i v e l y b ca d d i t i o n s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h ea n a m m o xb a c t e r i an u m b e ri nt h eu a s br e a c t o rw h i c h r e s u l t e di nt h ea c c e l e r a t i o no ft h ea n a m m o xs t a r t - u pp r o c e s s 4 t h ea n a e r o b i ca m m o n i u mr e m o v a lf r o mg r e e n h o u s et u r t l eb r e e d i n gw a s t e w a t e r w a si n v e s t i g a t e du s i n gs pa n db ca n a m m o xr e a c t o r t h er e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h e n i t r o g e nr e m o v a lf r o mg r e e n h o u s et u r t l eb r e e d i n gw a s t e w a t e rc o u l db ep e r f o r m e d s u c c e s s f u l l y d u r i n g t h ee n t i r e e x p e r i m e n t ，t h ea n m m o n i u ma n dt nr e m o v a l e f f i c i e n c yw a sa l m o s th i g h e rt h a n8 5 ，w h i l et h ec o d r e m o v a le f f i c i e n c yw a sh i g h e r t h a n5 6 t h et nr e m o v a le f f i c i e n c yo fb cr e a c t o rw a sal i t t l eh i g h e rt h a ns p r e a c t o r b a s e do nt h en i t r o g e na n dc a r b o nb a l a n c ei nt h ep r o c e s s ，t h ea v e r a g e a n a m l n o xc o n t r i b u t i o nt on i t r o g e nr e m o v a lw a s7 5 7 8 6 8 a n a m m o xw a sa l w a y s d o m i n a n tw h e nf e dw i t hc o dc o n c e n t r a t i o nv a r i e df r o m19 4 0m gl t o5 7 7 8m g l 一t h ef e r m e n t a t i o nw a st h em a i nw a yt or e m o v ec o da n dt h er e m o v a le f f i c i e n c y w a sa r o u n d6 7 2 2 7 6 9 2 b a s e do np c r - d g g ea n a l y s e s ，t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a t t h ep l a n c t o m y c e t e ，p r o t e o b a c t e r i a , c h l o r o f l e x i ，c h l o r o b ib a c t e r i ae t c w e r ec o e x i s t i n g i nt h eu a s br e a c t o r ap a r to fp l a n c t o m y c e t ec o u l db et o l e r a t e dh i g hc o n t e n to f o r g a n i cc a r b o n t h em a i nr e a s o nm i g h tb et h e s ep l a n c t o m y c e t ec o u l du t i l i z eo r m e t a b o l i z et h eo r g a n i cc a r b o n ，a n dt h a ts h o u l db ed i s c u s s e dc o n t i n u s l yi nf u t u r e r e s e a r c h k e y w o r d s ：a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ( a n a m m o x ) ；g r e e n h o u s et u r t l e b r e e d i n gw a s t e w a t e r ；n i t r o g e nr e m o v a l ；b a m b o oc h a r c o a l ( b c ) ；m i c r o b i o l o g i c a l m e c h a n i s m v 目录 致谢i 摘要i a b s t r a c t i i i 目录i 图表索引i i n d e xo f f i g u r e sa n dt a b l e s v 第一章绪论。1 1 1 集约化甲鱼养殖和污染现状1 1 2 传统生物脱氮工艺3 1 3 厌氧氨氧化反应的机理4 1 3 1 厌氧氨氧化反应的发现历程4 1 3 2 厌氧氨氧化生化反应式6 1 3 3 a n a m m o x 菌的特性和种群结构7 1 3 4 影响厌氧氨氧化的因素9