养殖尾水氮元素在海水人工湿地中的迁移转化过程

为深入探究养殖尾水中氮元素在海水人工湿地内的迁移转化过程,以牙鲆(Paralichthys olivaceous)养殖尾水为研究对象,利用氮稳定同位素技术示踪氮的迁移转化,并采用质量平衡法定量不同脱氮途径对人工湿地脱氮的贡献,以全面评估人工湿地系统的脱氮能力。结果表明,复合垂直流人工湿地对硝态氮有较好的处理效果。经21 d循环运行, NO3--N氮去除率可达(92.81±1.21)%,湿地各基质层中煤渣层δ15N值最低,为(203.58±2.87)‰,珊瑚石层δ15N值最高,为(303.66±2.22)‰;植物中氮含量显著高于各层基质氮含量,平均氮含量为(2.68±0.38)%,其单位质量吸收氮素的能力最强,绝对丰度平均值为(105.61±14.65)×10-3 mg/g,远高于各基质层。系统初期基质、植物及微生物转化对系统脱氮的贡献率分别为44.70%、21.90%、18.11%;稳定期微生物转化则成为主要脱氮途径,贡献率高达60.77%,基质贡献率为6.46%。本研究结果全面揭示了海水养殖尾水中氮元素的去除效率和迁移转化过程,可为氮稳定同位素技术在海水人工湿地系统中的应用提供有效的...     

海水人工湿地脱氮效果与系统内基质酶、微生物分析

利用人工湿地系统探讨了海水养殖外排水中不同形态氮的去除效果,分析了系统内部微生物空间分布、基质酶活性对氮去除效率的影响,深入研究了系统内部各微生物间相互作用、基质酶活性与微生物空间分布关系。选择互花米草为人工湿地植物,种植密度为64株/m2;基质填料选择细纱、高炉矿渣和珊瑚石。在3种不同工况条件下,研究人工湿地系统中氮的去除效果、微生物数量和基质酶活性。结果显示,系统对 TN、NH4-N 平均去除率分别为(25.02±12.69)%、(82.91±17.51)%;系统中不同基质层次的微生物数量和脲酶、脱氢酶活性不同,基质中、上层好氧微生物数量和脲酶、脱氢酶活性显著大于下层,系统下行池中、上层硝化细菌、亚硝化细菌显著高于下层,中、上层反硝化细菌数量明显低于下层;细菌总数与 TN(R2=0.50)和 NH4-N(R2=0.61)去除率存在一定正相关性,基质脲酶与 TN 去除率存在显著正相关性(R2=0.86)。研究结果将有助于理解海水人工湿地处理系统中氮的迁移转化机制。     

基于人工湿地的海水池塘循环水养殖系统构建与运行效果研究

为有效调控高密度海水养殖池塘的水环境状况,构建了以人工湿地为核心的"鱼-虾-贝-草"海水池塘循环水养殖系统。通过比较人工湿地连续流与间歇流,以及种植盐角草(Salicornia europaea)和互花米草(Spartina alterniflora)时的净化效率,研究适用于海水池塘养殖系统的人工湿地运行方式及植物种类。通过比较不同养殖模式下池塘水质及养殖对象生长情况,分析人工湿地对养殖池塘水体的调控效果,探讨循环养殖模式对池塘产量的提升效果。结果显示:人工湿地间歇运行时(水力负荷为300 mm/d),其净化效率相比于连续运行有显著提升;盐角草湿地出水中的氮、磷质量浓度显著低于互花米草湿地;虽然排、换水频率有较大差异,循环养殖模式与传统养殖模式下养殖池塘水体氨氮(NH~+_4-N)和亚硝酸盐氮(NO~-_2-N)质量浓度均处于较低水平;采用基于湿地循环水处理的文蛤(Meretrix meretrix)和脊尾白虾(Exopalaemon carinicauda)分池组合混养模式能进一步提高脊尾白虾的单位面积产量,并有效控制养殖废水排放。研究表明:基于人工湿地的海水池塘循环水养殖系统具有较强的环境效益,可为江苏地区海水池塘养殖业的健康发展提供参考。     

生物海绵铁复合填料曝气生物滤器处理养殖海水脱氮条件优化研究

为了提高海水循环养殖系统(RAS)中曝气生物滤器(BAF)系统脱氮效率，减少亚硝态氮(NO2–-N)积累和曝气量，将铁基复合生物填料引入BAF系统，以间歇式曝气营造BAF系统好氧、缺氧和厌氧的循环环境，采用扫描电子显微镜考察了填料表面形态，研究了不同复合填料配比及曝气运行方式下的氮污染物的处理效果，并利用单因素实验对生物滤器的各重要运行参数进行优化。结果显示，添加铁基填料可以提高约10%的脱氮效率，降低25%的NO2–-N积累并节省50%的曝气量；海水BAF系统在如下运行参数条件下有更优的去除性能，间歇曝气时长为12 h，聚碳酸亚丙酯(PPC)凝胶亲水填料与海绵铁复合配比为3∶1，温度为30℃，水力负荷率(HLR)为1.2 m3/(m2·d)，进水氨氮(NH4+-N)负荷为1 mg/L。研究表明，在RAS中引入铁基填料并以间歇曝气方式运行，能提高BAF系统处理氮污染物效率，明显降低NO2–-N积累和运行耗电量，为BAF在RAS中的生产应用提供理论依据。     

海水人工湿地氮降解动力学模拟及其影响因素分析

为研究复合垂直流人工湿地系统净化海水养殖尾水过程中氮的降解规律,利用一级动力学模型,模拟了总溶解性氮(TDN)、溶解性有机氮(DON)和3种溶解性无机氮(DIN)在人工湿地系统中的降解特征,并通过变形梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术分析了氮降解与系统中微生物的群落结构和组成的关系。结果显示:海水养殖尾水中各形态氮的降解均符合一级动力学特征(R~2≥0.70),去除速率依次为DINTDNDON,去除速率常数分别为0.10 h~(-1),0.09 h~(-1)和0.03 h~(-1);DIN各组分中,去除速率依次为NH~+_4-NNO~-_2-NNO~-_3-N,去除速率常数分别为0.15 h~(-1),0.11 h~(-1)和0.09 h~(-1)。基质层以及植物根部与脱氮相关的细菌组成丰富,说明在氮去除过程中微生物发挥着至关重要的作用。其中,主要的优势菌门为变形菌门(34.46%)、蓝细菌门(12.78%)、放线菌门(10.55%)、绿弯菌门(10.46%)和拟杆菌门(7.78%)。研究结果可为揭示海水人工湿地的除氮机理提供参考。     

不同水力负荷下人工湿地对海水养殖尾水污染物的净化特征

海水养殖尾水的达标排放是海水养殖产业面临的主要问题之一,人工湿地作为一种生态、综合水处理技术,可有效去除养殖尾水中的氮、磷等污染物,获得适宜的水力负荷条件是该技术推广和应用的前提。构建一套复合垂直流人工湿地处理系统,研究3种水力负荷条件(V1=0.50、V2=0.19、V3=0.10 m/d)对牙鲆(Paralichthys olivaceus)养殖尾水的处理效果的影响。结果显示,3种水力负荷状态下,该系统对于海水养殖尾水中主要污染物的处理效果差异显著。进水中的化学需氧量(COD)浓度相对较低时,去除率均较低(最高去除率为36.25%),水力负荷状态对COD的去除率影响不明显。水力负荷为0.50 m/d时,总氮(TN)的去除率为49.50%;在0.10 m/d时,TN去除率达到85.90%。活性磷酸盐(PO43–-P)的去除率受到水力负荷的影响较小,最低去除率为77.44%。水力负荷状态会影响系统内氮、磷的浓度变化：在不同水力负荷下,下行池中氮污染物去除率在80%以上;上行池则会在高水力负荷状态下产生硝酸盐氮(NO3–-N)或亚硝酸盐氮(NO2–-N)的累积,影响出水水质。PO43–-P的吸附转化主要发生在下行池的中上层,水力负荷越大,PO43–-P的吸附转化就越靠近系统后程。     

复合垂直流人工湿地植物与基质层微生物群落特征比较分析

为了解复合垂直流人工湿地系统对海水养殖尾水中各形态氮的处理效果, 以及植物与不同基质层微生物群落特征的相似性和差异性, 以互花米草(Spartina alterniflora)-细砂-煤渣-碎石构建的复合垂直流人工湿地系统为研究对象, 研究了该系统对海水石斑鱼养殖尾水中 COD、NO₃ ^– -N、NO₂ ^– -N、NH₄ ⁺ -N 和总氮(TN)的去除效果, 并采用高通量测序技术分析了植物根际和不同基质层微生物群落特征。结果表明, 复合垂直流人工湿地系统对污染物有较好的去除效果, 出水中 COD、NO₃ ^– -N、NO₂ ^– -N、NH₄ ⁺ -N 和 TN 的平均浓度分别为 4.00 mg/L, 0.15 mg/L, 0.16 mg/L, 0.04 mg/L, 0.64 mg/L。植物根际样品和细砂层样品的微生物群落丰富度和多样性较高, 与其他基质层样品具有明显差异; 在门分类水平上优势菌以变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、绿弯菌门和厚壁菌门为主, 相对丰度分别为 53.7%、11.5%、11.9%、6.4%、3.7%; 在纲分类水平优势菌以 α-变形菌纲、γ-变形菌纲、放线菌纲和拟杆菌纲为主, 相对丰度分别为 30.1%、20.9%、11.9%、10.3%; 人工湿地中丰度最高的脱氮功能菌包括亚硝化单胞菌属、硝化螺菌属、 芽孢杆菌属、假单胞菌属和不动杆菌属; 系统中微生物代谢功能丰富, 且所有样品功能组成相似; 相同基质层样品的微生物群落组成差异较小, 二级湿地单元各基质层样品微生物群落的差异程度与一级湿地单元相比较小。     

养殖尾水处理系统填料生物膜氮循环微生物功能特征

养殖尾水污染已成为制约水产养殖业发展的重要因素。填料生物膜养殖尾水处理系统是近年来开发的一种经济、高效去除养殖废水污染物的尾水处理设施。然而关于填料生物膜在氮素迁移转化中微生物生态效应及其功能知之甚少。为此,本研究利用宏基因组学方法剖析填料生物膜微生物群落氮循环过程及其潜在驱动机制。研究发现,填料生物膜微生物主要参与氮代谢活动。与水体相比,填料生物膜的碳代谢活动能力较强(P<0.05)；填料生物膜上硝化作用羟胺还原酶、反硝化作用氧化亚氮还原酶和一氧化氮还原酶及其编码功能基因nosZ和norB、异化硝酸盐还原作用亚硝酸盐还原酶及其功能基因napA、nrfA和nirB、以及固氮酶及功能基因nif HDK丰度相对较高(P<0.05),说明填料生物膜具有比周围水环境更强的氮周转能力。在属水平上,Pseudomonas菌、Spirochaeta菌、Opitutus菌和Syntrophus菌是填料生物膜氮素转化关键过程的重要功能微生物类群。上述研究结果表明,养殖尾水处理系统内复合填料生物膜主要通过关键功能物种介导的固氮和反硝化作用实现养殖尾水氮素的转化和迁移。本研究结果作为野外实验证据可为今后复合填料生物膜系统在水产养殖尾水治理实践提供理论依据。     

异养硝化―好氧反硝化细菌在海水养殖废水脱氮中的研究进展

异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification, HN-AD)脱氮技术可在好氧条件下同步实现硝化/反硝化过程，在海水养殖废水生物脱氮处理中具有显著的优势。文章梳理了海水环境中HN-AD菌的分离筛选研究，结合关键功能基因和酶系分析了HN-AD脱氮途径与机制，归纳了碳源、碳氮比、溶解氧、氮源、温度、pH以及新型污染物等主要环境因子对HN-AD菌脱氮效果的影响。今后需进一步通过常规和分子生物学手段获得高效脱氮菌株，借助多组学手段阐明脱氮途径机制，厘清环境因素影响HN-AD菌的分子生物机制以获得最优工艺参数。     

应用生物脱氮新技术处理循环养殖废水的研究

由于氨氮的传统去除在工艺运行上有多方面的局限性,寻求低价可靠的生物完全脱氮工艺,成为循环水养殖系统中亟待突破的关键技术,近年来迅速发展的一些生物脱氮新技术为解决这一难题提供了新的思路。综述了循环养殖废水脱氮研究现状及生物脱氮新技术,指出了将脱氮新技术应用于养殖废水处理具有的多方面的优点及存在的一些有待于研究解决的问题。     

硫铁矿人工湿地对微污染水源的水质净化效果

为进一步提升人工湿地在微污染水源条件下的同步脱氮除磷能力,以硫铁矿作为湿地填料设计构建了人工湿地装置,并采用挂膜法对硫铁矿进行硫自养型反硝化细菌表面负载,在此基础上研究硫铁矿人工湿地对水体中污染物的去除规律和去除机理,并通过高通量基因测序技术分析硫铁矿表面微生物的群落结构。结果显示,从UASB活性污泥中筛选出的硫自养型反硝化菌活性最高,脱氮效果最好;在微污染水源条件下,硫铁矿潜流人工湿地具有较好的同步脱氮除磷能力,在水力停留时间为60 h条件下,其对水体中的化学需氧量(COD_Cr)、氨氮(NH₃-N)、硝态氮(NO₃-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的平均去除率分别达到53.5%、60.9%、67.2%、49.2%、46.3%;矿石表面发现菌群群落达到13门以上,变形菌门(Proteobacteria)为矿石表面最为优势的功能微生物菌群,相对丰度比例占45%左右,硫杆菌属(Thiobacillus)为自养反硝化脱氮的主要功能菌属。研究表明,采用硫铁矿作为填料可显著提高人工湿地的脱氮除磷效果,对微污染水体有较好的水质净化效果,以硫源作为反硝化过程的电子供体可以提高低碳源条件下系统的反硝化效果。     

Denitrification in recirculating systems: Theory and applications

Profitability of recirculating systems depends in part on the ability to manage nutrient wastes. Nitrogenous wastes in these systems can be eliminated through nitrifying and denitrifying biofilters. While nitrifying filters are incorporated in most recirculating systems according to well-established protocols, denitrifying filters are still under development. By means of denitrification, oxidized inorganic nitrogen compounds, such as nitrite and nitrate are reduced to elemental nitrogen (N₂). The process is conducted by facultative anaerobic microorganisms with electron donors derived from either organic (heterotrophic denitrification) or inorganic sources (autotrophic denitrification). In recirculating systems and traditional wastewater treatment plants, heterotrophic denitrification often is applied using external electron and carbon donors (e.g. carbohydrates, organic alcohols) or endogenous organic donors originating from the waste. In addition to nitrate removal, denitrifying organisms are associated with other processes relevant to water quality control in aquaculture systems. Denitrification raises the alkalinity and, hence, replenishes some of the inorganic carbon lost through nitrification. Organic carbon discharge from recirculating systems is reduced when endogenous carbon sources originating from the fish waste are used to fuel denitrification. In addition to the carbon cycle, denitrifiers also are associated with sulfur and phosphorus cycles in recirculating systems. Orthophosphate uptake by some denitrifiers takes place in excess of their metabolic requirements and may result in a considerable reduction of orthophosphate from the culture water. Finally, autotrophic denitrifiers may prevent the accumulation of toxic sulfide resulting from sulfate reduction in marine recirculating systems. Information on nitrate removal in recirculating systems is limited to studies with small-scale experimental systems. Packed bed reactors supplemented with external carbon sources are used most widely for nitrate removal in these systems. Although studies on the application of denitrification in freshwater and marine recirculating systems were initiated some thirty years ago, a unifying concept for the design and operation of denitrifying biofilters in recirculating systems is lacking.     

不同曝气策略对SBBR处理模拟水产养殖废水净化效率的影响

为研究不同曝气策略对序批式生物膜反应器(SBBR)净化模拟的罗非鱼工厂化养殖废水的影响,实验设计构建了5个形态结构相同的SBBR反应器,探究在两个既定溶解氧(DO)水平下(即曝气段DO=2或3 mg/L)不同曝停比(1h/5h、2h/4h、3h/3h、4h/2h、5h/1h)对其净化效率的影响。研究结果显示:不同曝停比工况下氮素去除途径主要为同步硝化反硝化。总氨氮的去除率随曝停比的增大呈升高趋势。在曝气段DO=2 mg/L工况下,总无机磷氮的去除率随曝停比的增加呈升高趋势,硝化过程是影响氮素去除的主要因素。而在曝气段DO=3 mg/L工况下,总无机磷氮的去除率随曝停比的增加呈先升高后降低的趋势,在曝停比为4/2时达到最高。实验工况下不同溶解氧水平对COD的去除无显著影响,但是不同曝停比对COD的去除却有显著影响。在曝气段DO=2 mg/L工况下,出水磷浓度随曝停比的增加呈先积累后去除趋势,且磷素的去除率随曝停比的增加而增加。而在曝气段DO=3 mg/L工况下,磷素去除率均为正值,且随曝停比的增加先升高后降低,在曝停比为4/2时达到最高。     

不同植物配植人工湿地对废水中镉的去除和富集效应

重金属对水体的污染程度日益加重。人工湿地是一种人工建造的安全高效的生态处理技术,植物和基质都是其重要组成部分,其中的植物可以吸收污水中的营养物质、重金属及其他有毒、有害物质。为了研究植物对含Cd废水的处理效果,检验植物丰富度对人工湿地Cd去除能力的影响,探讨湿地植物对Cd的富集特性,本研究选用3种湿地植物灯心草（Juncaceae）、水葫芦（Eichhornia crassipes）和水芹菜（Oenanthe javanica）,按2种或3种混合方式,构建小型模拟人工湿地,测定分析其对低浓度（5 mg/L）含Cd废水中Cd的去除率、溶解氧（DO）浓度的影响及3种植物富集Cd含量、Cd在植物体内的亚细胞分布和化学形态。结果表明：水芹菜、灯芯草、水葫芦共同配植的湿地系统中,植物间发生协同作用,废水中DO浓度、Cd的去除率及3种植物对Cd的总富集量均最高;水芹菜的地下部分（根）富集量显著高于另外2种植物,灯芯草对Cd的抗性最强且转运系数最高,这2种植物属于优势湿地植物;Cd主要富集在3种植物细胞壁部分,以减轻对其它细胞器的毒害作用;植物体内的Cd以游离态为主,与有机配体结合较少,以减轻植物受害程度。在低浓度Cd污染下,水芹菜+灯芯草+水葫芦的组合对废水的净化效果最好,Cd去除率达到68.14%。     

三种微生物制剂对有机物废水中氨氮及亚硝酸盐的影响

实验采用复合净水菌、复合芽孢杆菌、光合细菌与空白对照比较了三种微生物制剂对有机物废水中氨氮及亚硝酸盐的处理效果。结果显示：清除氨氮方面：利用微生态制剂微生物制剂净化7d,三种微生物制剂对有机物污染水体中氨氮的清除率均极显著大于对照组（P〈0.01）,处理组之间复合芽孢杆菌的氨氮降解率56.58%,显著大于降解率分别为42.64%和44.02%的复合净水菌和光合细菌组（0.01〈P〈0.05）。清除亚硝酸盐方面：三种微生物制剂对亚硝酸的降解率均极显著大于对照组（P〈0.01）,而复合芽孢杆菌对亚硝酸的降解率68.84%,显著大于复合净水菌47.70%及光合细菌组37.17%（0.01〈P〈0.05）。结果表明：三种微生物制剂对有机物污染的水体中的氨氮及亚硝酸盐均具有降解效果,其中复合芽孢杆菌对于降低水体中氨氮和亚硝酸盐效果最佳。     

人工湿地植物的抗寒性研究进展

湿地植物是人工湿地的重要组成部分,具有吸收降解污染物、传输氧气、增强水力传输能力、美化景观等功能,但是到了寒冷的冬季,植物进入休眠期甚至枯萎死亡,从而降低人工湿地的净化效率。本文介绍了湿地植物在抗寒性上的相关研究进展,并为今后湿地植物的抗寒性研究上提供思路及参考。     

不同有机碳源及C/N对生物滤池净化效果的影响

利用生物滤池模拟装置,以实际养殖废水为处理对象,探讨了4种常见有机碳源(葡萄糖、乙醇、红糖和淀粉)及不同碳氮比对有机物去除、硝化反应和异养反硝化作用等生物滤池主要净化过程的影响.碳源初选结果显示,同种碳源下,当C/N从0升高至6过程中,生物滤池对TAN(总氨氮)的去除率呈先升高后降低趋势;当C/N较小时,各组对NO2--N的去除率差异性不显著(P＞0.05),随着C/N继续升高,NO2-N去除率则显著降低(P＜0.05);乙醇组除外,其他3组随着C/N升高,CODMn去除率先迅速增大然后趋于稳定;各组NO3-N和TN去除率呈先升高后降低趋势,且变化显著(P＜0.05),当C/N=4时,分别达到最高值.碳源复选结果显示,在C/N=4条件下,分别添加有机碳源(乙醇、淀粉、红糖和葡萄糖)的4组对TAN、NO3--N、TN和CODM的去除率显著高于对照组(P＜0.05);而对照组NO2--N的去除率最高,达到93.59％;添加乙醇,生物滤池对水体中TAN、NO2-N、NO3-N和TN的去除效果优于其他3种碳源.研究表明,当C/N=4时,乙醇作为外加碳源能很好地提高生物滤池的净化效率.     

常用渔药及水体pH对生物质炭填料系统硝化作用和微生物群落结构的影响

生物质炭膜架作为一种新型填料,具有较高的单位比表面积,利于脱氮微生物群落的附着,净化污水能力较强,在未来人工湿地的运用中具有广阔前景。然而,水产养殖过程中的环境变化和渔药的使用,是否会妨碍人工湿地中填料作用的充分发挥尚未明确。为研究外界因素对生物质炭膜架除污能力的影响,设置了不同pH（E1：6.5、E2：7.5和E3：8.5）和常用渔药（F1：氟苯尼考,6 mg/L;F2：土霉素,20 mg/L）处理组,研究生物质炭填料系统降氨氮效率及其附着生物膜微生物群落结构的变化。结果表明：（1）实验组与对照组中,脱氮微生物硝化螺旋菌门（Nitrospirae）相对丰度均为最高;（2）E1、E2、E3组降氨氮速率分别为0.247、0.249、0.305 mg/(L·h),均低于对照组（pH=8.2）：0.323 mg/(L·h);低pH条件下硝化螺旋菌的相对含量略有降低,而脱氮硫杆菌相对含量没有显著差异。（3）F1、F2组降氨氮速率一致,均为0.172 mg/(L·h),低于对照组0.323 mg/(L·h);与对照组相比,实验组硝化螺旋杆菌与脱氮硫杆菌相对含量无显著变化,推测氟苯尼考和土霉素抑制了菌的活性,致使氨氮降解速率下降。综上,弱碱性水体有助于提高生物质炭填料净化水质能力,而氟苯尼考或土霉素的使用会影响生物膜上脱氮微生物的群落丰度和活力并抑制降氨氮能力。因此,使用抗生素类渔药治疗时,应配合其它水质调节措施来控制养殖水体的氨氮含量,保证养殖对象安全,最大化发挥生物质填料的净化养殖尾水效果。