硝酸盐氮(NO_3~–N)累积是影响海水循环水养殖系统(RAS)水质和水生生物生长的重要因素之一,去除循环水养殖尾水中硝酸盐氮对海水养殖业的高效绿色发展至关重要。反硝化技术在其他污水处理的研究中展现了优秀的脱氮能力,但应用于海水循环水养殖尾水处理时反硝化性能会因水体高盐度、低碳氮比(C/N)的特性受到限制。利用外加碳源解决水体低C/N反硝化碳源不足的问题是可行方法。但是目前海水RAS尾水中反硝化技术的应用研究较少,用于淡水反硝化的碳源能否在海水中保持其碳源释放能力和反硝化性能尚不明确。针对这一科学问题,本研究以两种农业废弃物:芦苇秸秆(RS)、玉米芯(CC)和两种人工高分子聚合物:聚己内酯(PCL)、聚3-羟基丁酸-羟基丙酸(PHBV)制备四种复合碳源作为反硝化外加碳源。利用柱式反应器,以海水循环水养殖尾水为研究对象,构建反硝化系统。通过考察复合碳源在海水养殖尾https://www.selleck.cn/products/emricasan-idn-6556-pf-03491390.html水中的释碳能力和反硝化性能,并探究三个影响因素:进水NO_3~–N浓度、水力停留时间(HRT)和温度(T)对反硝化系统脱氮性能的影响。以最佳碳源和最优影响因素条件构建实际海水循环水养殖尾水反硝化系统,探究反硝化系统实际脱氮能力及反硝化在海水循环水养殖尾水中的脱氮机理。以期为解决海水循环水养殖尾水C/N低,应用反硝化技术高效净化尾水受限制的问题提供解决思路。并探究由复合碳源构建的柱式反硝化系统应用于海水循环水养殖实际工程中的可行性,以期为促进海水循环水养殖系统效能提供支持。具体结果如下:1.CC+PCL因其拥有更稳定的碳释性能和更高的反硝化效率,被认为是海水循环水养殖尾水反硝化的理想外加碳源。碳源浸泡实验探究碳源的释碳性能表明四种复合碳源具有较高的碳释能力。能量色散x射线能谱、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱结果表明CC+PCL的碳释放性能更稳定。其中CC+PCL的反硝化效率最高(78.97%),其次为CC+PHBV(59.99%)、RS+PCL(45.93%)、RS+PHBV(44.80%)。实验后取反应器内碳源进行高通量测序和实时荧光定量(q-PCR)测定,结果表明CC+PCL中门变形菌门丰度最高,Q-PCR结果显示在四个体系的所有碳源中都检测到了反硝化过程的关键酶基因。2.由CC+PCL组成的复合碳源可以作为海水反硝化系统的外加碳源。三个进水NO_3~–N浓度梯度实验结果表明,进水NO_3~–N浓度对反硝化性能影响较小。实验结束后对不同系统内碳源生物膜进行高通量测序,结果表明较高的进水NO_3~–N浓度(40 mg/L)对群落物种多样性和物种均匀度产生不利影响。Q-PCR结果表明,进水NO_3~–N浓度过高,会显著抑制反硝化功能基因的表达。因此,进水NO_3~–N为30 mg/L是更为合适的进水NO_3~–N浓度。不同HRT系统反硝化性能结果证明较低的HRT不利于NO_3~–N的快速去除,且会产生NH_4~+-N累积问题。过多延长HRT(7 h)导致COD利用率降低,且会产生超出反硝化菌所需的SCFAs。高通量测序结果表明HRT为5 h是更有利于提高反硝化系统的物种丰富度。Q-PCR结果表明,多个反硝化基因(nar G、nir K、nir S和nor B)随HRT减小而升高。因此,HRT为5 h是最佳HRT。低温(T=20℃)会影响硝酸盐的高效去除,造成NO_2~–N浓度残余、降低SCFAs利用率。T=30℃和T=25℃丰度最高的门均为变形菌门,在T=20℃的系统中丰度最高的门为拟杆菌门。低温不利于反硝化功能基因的表达,T=25℃时可以满足氮功能基因的需要,将温度升高至30℃并不能显著提升脱氮性能。因此,温度为25℃足够满足此系统的高效脱氮和微生物生长需求。3.以CC+PCL作为外加碳源的柱式反应器,在实际海水循环水养鱼小试系统和海水循环水人工湿地养虾中试系统的尾水处理中,均表现出高效脱氮结果,证明其在海水养殖尾水的实际应用中具有可行性。将CC+PBrain Delivery and BiodistributionCL作为柱式反应器反硝化系统的外加碳源,利用反硝化系统去除海水循环水养鱼系统中累积的高浓度NO_3~–N(90-95 mg/L),实结果表明HRT=5 h的条件下反硝化反应器适应重组系统的时间更短(1 d-3 d),并能够维持高效脱氮作用(NRE>99%),实验过程中可以保证养殖池内鱼正常生长。利用宏基因组测序方法对实验后系统内碳源采样测定,结果表明物种丰度最高的门是变形菌门(50.76%)。在反硝化系统不同高度的碳源生物膜中均检测到了反硝化过程的基因。在养鱼尾水反硝化系统中丰度最高的通路为氨基酸的转运和代谢(7.86%),其次丰度较高的通路包括能量代谢(7.66%)、细胞生长(6.60%)、碳代谢(6.53%)等。CC+PCL作为外加碳源的柱式反硝化系统在净化海水循环水养虾尾水的应用中同样表现出高效脱氮作用。初始HRT为5 h的运行条件下,反硝化Galunisertib溶解度系统可以快速达到去除循环水养虾尾水NO_3~–N的作用(第5 d:NRE>90%),并保持高NRE状态(99.15%-99.67%)。海水循环水养虾尾水反硝化系统内生物膜宏基因测序结果与养鱼尾水反硝化结果相似,系统内丰度最高的门为变形菌门(58.57%),功能基因代谢通路结果与养鱼尾水反硝化系统结果相同,氨基酸的转运和代谢(7.64%)在养虾尾水反硝化系统中是丰度最高的通路。多种结果表明,实际应用中,以CC+PCL制备的复合碳源用于反硝化去除海水循环水养殖尾水中NO_3~–N时,可以得到较高的去除效率和合格出水指标。同时保证实际海水循环水养殖系统的高效脱氮和稳定运行,具有应用于实际海水养殖尾水反硝化处理的潜能。