水產(chǎn)養(yǎng)殖與加工廢水生物絮體資源化技術(shù)研究.pdf

1、隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口總量持續(xù)增長(zhǎng)與優(yōu)質(zhì)蛋白需求逐步提升等因素，水產(chǎn)養(yǎng)殖與加工行業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大，生產(chǎn)廢水排放急劇增加。然而，由于工藝技術(shù)、過(guò)程控制、生產(chǎn)成本乃至經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等諸多復(fù)雜原因，導(dǎo)致水產(chǎn)類(lèi)廢水處理形勢(shì)嚴(yán)峻，所造成的環(huán)境壓力不容小覷。
　　 目前，傳統(tǒng)水產(chǎn)廢水處理技術(shù)通常將水體中有機(jī)物、氮磷等物質(zhì)均作為污染物而加以去除，系統(tǒng)運(yùn)行不僅面臨污泥處置成本高，其可持續(xù)性也值得商榷。鑒于該類(lèi)廢水基質(zhì)源自飼料與養(yǎng)殖對(duì)象自身物質(zhì)，可生化

2、性良好等特點(diǎn)，研究者開(kāi)發(fā)了以強(qiáng)化處理過(guò)程同化作用，促使異養(yǎng)菌增殖并被養(yǎng)殖對(duì)象再利用的水產(chǎn)廢水生物絮體資源化技術(shù)。然而，鑒于廢水組分復(fù)雜，C/N/P比例失調(diào)，工藝操控受限等技術(shù)屏障，導(dǎo)致現(xiàn)有操作實(shí)踐仍面臨運(yùn)行效能不穩(wěn)，碳源投加成本高、基質(zhì)利用不合理及技術(shù)普適性弱等弊端，研究涉及面主要強(qiáng)調(diào)絮體產(chǎn)能與養(yǎng)殖效果，難以全面兼顧水質(zhì)處理性能。為此，研究開(kāi)發(fā)適宜養(yǎng)殖需求的水產(chǎn)類(lèi)廢水生物絮體資源化技術(shù)，滿足耦合絮體生產(chǎn)與運(yùn)行效能的雙重目的，尤為迫切。<

3、br>　　 論文針對(duì)上述問(wèn)題，圍繞有限基質(zhì)合理分配，以促進(jìn)基質(zhì)利用歸趨多樣化、產(chǎn)絮過(guò)程絮體營(yíng)養(yǎng)效能(PHB益生元)挖掘等為目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)室與中試規(guī)模條件下，開(kāi)展了水產(chǎn)類(lèi)廢水生物絮體資源化技術(shù)的相關(guān)研究:
　　 1、針對(duì)原位生物絮體技術(shù)實(shí)施過(guò)程影響因素復(fù)雜，工況參數(shù)有待優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)需求，以開(kāi)發(fā)的響應(yīng)曲面性能模型為基礎(chǔ)，獲得了系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)與目標(biāo)響應(yīng)值間的定量數(shù)學(xué)模型關(guān)系，并進(jìn)一步優(yōu)化了相應(yīng)的工況運(yùn)行范圍。
　　 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)

4、模型試驗(yàn)分析，表明原位生物絮體技術(shù)系統(tǒng)的氨氮去除效率與關(guān)鍵參數(shù)C/N比及絮體污泥濃度呈顯著相關(guān)，且可用特定二階多項(xiàng)式描述其定量數(shù)學(xué)模型關(guān)系。方差分析(ANOVA)結(jié)果揭示所獲模型確認(rèn)與擬合程度良好。因素檢驗(yàn)表明，絮體污泥濃度與運(yùn)行C/N比及兩者交互作用對(duì)系統(tǒng)氨氮去除效率均有顯著影響。模型參數(shù)范圍內(nèi)，單變量及交互效果與響應(yīng)值呈正相關(guān)關(guān)系。
　　 基于模型優(yōu)化結(jié)果，系統(tǒng)在絮體污泥濃度2.0-2.5g/L、C/N比13-16條件下可獲

5、得最佳運(yùn)行工況，其氨氮去除效率可確保大于90％，出水水質(zhì)滿足養(yǎng)殖需求。
　　 綜上，基于模型理論分析結(jié)果表明，絮體污泥濃度與運(yùn)行C/N比的聯(lián)合調(diào)控工藝可確保原位生物絮體技術(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，結(jié)合不同養(yǎng)殖對(duì)象水質(zhì)可耐受性的種間差異前提下，實(shí)際生產(chǎn)中具體工況參數(shù)的選擇可以模型優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，并基于養(yǎng)殖種類(lèi)、密度及水質(zhì)需求等進(jìn)行適度修正。
　　 2、針對(duì)原位生物絮體技術(shù)適用養(yǎng)殖對(duì)象少，工況調(diào)控受限等弊端，以提高技術(shù)普適性與處

6、理過(guò)程資源化為目的，開(kāi)發(fā)了非原位序批式生物絮體技術(shù)，研究了其在厭-好氧運(yùn)行模式下處理模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的運(yùn)行性能、絮體特性及絮體PHB富集的工況參數(shù)優(yōu)化。
　　 反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果表明，在進(jìn)水NH4+-N和COD濃度分別為28.22±1.83mg/L與627±35mg/L條件下，相應(yīng)出水濃度分別為1.23±1.38mg/L與17±13mg/L，去除率達(dá)95.69±4.92％與97.27±1.89％，出水水質(zhì)適宜養(yǎng)殖回用，長(zhǎng)期運(yùn)行工況穩(wěn)

7、定性良好。
　　 反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)階段絮體特性分析表明，絮體形態(tài)呈穩(wěn)定顆?；嗨蛛x性佳，有利于提高飼料制備便利性。營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定顯示絮體粗蛋白CP(Crude Protein)含量高達(dá)43.89％，氨基酸AA(Amino Acid)配比合理，養(yǎng)殖對(duì)象必需氨基酸EAA(Essential Amino Acid)蘇氨酸THR(Threonine)、賴(lài)氨酸LYS(Lysine)及蛋氨酸MET(Methionine)含量分別為1.2836g

8、/100g、3.3965g/100g與1.4699g/100g。重要益生元物質(zhì)維生素E和多糖(Polysaccharide)的含量分別為145.23mg/kg及251.32mg/kg。結(jié)合水產(chǎn)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)需求分析，認(rèn)為所獲絮體營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高。
　　 反應(yīng)器典型周期過(guò)程特性揭示厭氧-好氧交替運(yùn)行模式有利于絮體PHB(Poly-β-hydroxybutyrate)積累?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)模型的批實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絮體污泥濃度、C/N比和厭氧時(shí)間均對(duì)絮

9、體PHB含量呈顯著影響。最優(yōu)化絮體PHB含量150-200mg/g的變量范圍為絮體污泥濃度4-7g/L、C/N比15-18及厭氧時(shí)間50-85min。結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)PHB應(yīng)用效果分析，提出了以飼料成本及飼料轉(zhuǎn)換系數(shù)FCR(Feed Conversion Rate)為參考的碳源分配策略，以平衡絮體生產(chǎn)與PHB合成間的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)利用。
　　 3、針對(duì)非原位生物絮體技術(shù)實(shí)施過(guò)程外碳源添加成本高，過(guò)度強(qiáng)化同化作用所致基質(zhì)利用不合理等問(wèn)題，以絮

10、體產(chǎn)能調(diào)控(SRT控制)促進(jìn)基質(zhì)利用歸趨多樣化，明晰不同SRT階段(2-15d)的基質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律為目的，研究了中試規(guī)模的非原位生物絮體技術(shù)反應(yīng)器在厭-好氧條件下處理實(shí)際水產(chǎn)加工廢水的運(yùn)行性能、基質(zhì)利用途徑及相關(guān)絮體特性。
　　 反應(yīng)器SRT2-15d運(yùn)行階段，在進(jìn)水COD、NH4+-N、TN、PO43--p分別為801.5±201.3mg/L，40.82±12.62mg/L，42.85±14.03mg/L，24.86±5.96mg

11、/L的條件下，其相應(yīng)去除率分別為88.77±1.69％-92.74±1.45％;66.07±3.91％-90.40±2.02％;41.09±2.04％-63.20±3.10％;41.81±6.71％-78.27±4.80％。
　　 結(jié)合工況運(yùn)行性能與基質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程特性發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器SRT變化主要影響N、P轉(zhuǎn)化途徑與去除效率，對(duì)COD去除性能影響不明顯。短SRT條件下基質(zhì)去除以同化作用為主，且TN的去除性能優(yōu)于P。但是，短SRT限制系

12、統(tǒng)硝化性能，SRT2-5d條件下，出水NO2--N濃度積累至4.06±1.15mg/L與9.93±3.11 mg/L。延長(zhǎng)SRT可提升系統(tǒng)硝化-反硝化性能，并利于PAOs富集從而改善除磷性能，SRT為10d可獲最大PO43--p去除效率為78.27±4.80％。
　　 研究表明SRT變化同樣對(duì)絮體表觀產(chǎn)率系數(shù)具有明顯影響。反應(yīng)器SRT2-15d運(yùn)行階段，絮體表觀產(chǎn)率系數(shù)Yobs隨SRT延長(zhǎng)由0.539±0.092(mgVSS/m

13、g COD)下降至0.144±0.019(mg VSS/mg COD)，相應(yīng)的系統(tǒng)絮體生產(chǎn)性能由1115 gVSS/m3/d降至270 gVSS/m3/d，且絮體VSS含量由67.31±3.57％降至57.92±0.96％，但絮體SVI30值差異不明顯，對(duì)其制備飼料的便利性不構(gòu)成影響。
　　 綜上，針對(duì)非原位生物絮體技術(shù)處理實(shí)際水產(chǎn)加工廢水，其系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中水質(zhì)N、P去除與絮體生物量間存有明顯的SRT選擇矛盾。短SRT運(yùn)行所致的

14、同化作用對(duì)P去除性能不佳，且出水NH4+-N，NO2--N等物質(zhì)積累明顯，易對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象造成脅迫。鑒于有機(jī)質(zhì)供給受限、滿足養(yǎng)殖回用與提升基質(zhì)利用合理性等現(xiàn)實(shí)需求，其實(shí)際運(yùn)行中適宜選擇較長(zhǎng)SRT，以促使系統(tǒng)基質(zhì)利用歸趨多樣化。同時(shí)，針對(duì)延長(zhǎng)SRT所致的氮磷去除間的碳源基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)利用，尚可基于技術(shù)非原位應(yīng)用的便利操控條件，采用如反應(yīng)過(guò)程增設(shè)缺氧段并強(qiáng)化反硝化除磷等策略，提升碳源利用效率并降低氮磷去除過(guò)程的有機(jī)物消耗量，達(dá)到無(wú)外碳源添加條件下，基

15、質(zhì)合理利用與提升處理性能的目的。
　　 4、針對(duì)耦合水質(zhì)處理性能與絮體營(yíng)養(yǎng)效能挖掘的雙重目的，以提升系統(tǒng)內(nèi)碳源分配合理性與強(qiáng)化反硝化除磷入手，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)絮過(guò)程同步富集PHB。研究了中試規(guī)模非原位生物絮體技術(shù)反應(yīng)器在不同絮體收獲節(jié)點(diǎn)（厭氧-缺氧段末、缺氧段末）與模式(A/O/A-SBR、A2O2-SBR)條件下處理實(shí)際水產(chǎn)加工廢水的運(yùn)行性能。
　　 反應(yīng)器工況運(yùn)行結(jié)果表明，在進(jìn)水COD、NH4+-N、TN、PO43--p分別為

16、479±136mg/L，35.57±9.76mg/L，37.28±9.38mg/L，15.57±5.42mg/L的條件下，各階段相應(yīng)去除率為90.08±4.62％-92.95±1.72％;85.33±6.82％-90.44±3.17％;69.05±2.61％-82.96±4.54％;72.05±2.91％-87.16±4.77％。不同絮體收獲節(jié)點(diǎn)與運(yùn)行模式對(duì)有機(jī)物去除差異不明顯，但對(duì)氮磷去除性能有明顯影響。
　　 基質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程分

17、析表明，反應(yīng)器TN去除主要由反硝化脫氮與反硝化除磷貢獻(xiàn)，TP去除則由好氧除磷與反硝化除磷途徑實(shí)現(xiàn)。根據(jù)NH4+-N硝化與NO3--N形成化學(xué)計(jì)量關(guān)系推算分析，好氧段同化作用對(duì)基質(zhì)去除貢獻(xiàn)較小。
　　 基于物料衡算分析，不同運(yùn)行模式及絮體收獲節(jié)點(diǎn)對(duì)單位N、P去除所需有機(jī)物的量有明顯影響。A/O/A-SBR相同運(yùn)行模式下，不同絮體收獲節(jié)點(diǎn)所致的COD/P與COD/N的需求值分別為33.92±1.44 mg COD/mg TP，19.

18、23±3.4mgCOD/mg NO3--N與23.51±3.33 mg COD/mg TP,16.78±0.92mg COD/mg NO3--N,表明相同N、P去除性能下，厭氧-缺氧段末絮體收獲雖可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)絮同步富集PHB，但其較缺氧段末絮體收獲的有機(jī)物需求量高，無(wú)外碳源添加條件下，易致有機(jī)質(zhì)供給拮據(jù)。然而，同為厭氧-缺氧段末進(jìn)行絮體收獲，將運(yùn)行模式由A/O/A-SBR變更為(AO)2-SBR，其值下降為19.32±1.53 mg COD

19、/mg TP與14.28±0.50mgCOD/mg NO3--N，表明運(yùn)行工況調(diào)控可有效降低單位N、P去除所需有機(jī)物量，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)高效利用。
　　 內(nèi)碳源利用衡算表明，相同A-O-A/SBR運(yùn)行模式下，不同厭氧-缺氧段末與缺氧段末的絮體收獲節(jié)點(diǎn)所致的PHB周期內(nèi)好氧段與缺氧段的消耗質(zhì)量百分比分別為73.21±2.73％、24.53±1.36％與77.76±1.44％、24.72±4.52％。同為厭氧-缺氧段末絮體收獲，而運(yùn)行模式變

20、更為(AO)2-SBR，其PHB在相應(yīng)時(shí)期的消耗質(zhì)量百分比分別為63.06±9.94％與35.60±9.16％，表明該運(yùn)行模式下缺氧段可消耗的PHB量明顯提升，推測(cè)其可為強(qiáng)化系統(tǒng)反硝化除磷性能提供內(nèi)碳源物質(zhì)基礎(chǔ)。在均實(shí)現(xiàn)產(chǎn)絮過(guò)程同步富集PHB的前提下，比較A/O/A-SBR與(AO)2-SBR運(yùn)行性能發(fā)現(xiàn)，其缺氧段氮磷去除物質(zhì)計(jì)量關(guān)系由初始的1.75±0.23mg TP/mg NO3-N升至2.13±1.03mg TP/mg NO3--

21、N。進(jìn)一步基于絮體好氧與缺氧吸磷速率分批實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，其反硝化除磷菌DNPAOs占好氧除磷菌PAOs的比例由初始的11.90％升至45.14±2.24％，表明系統(tǒng)反硝化除磷性能得到有效強(qiáng)化。
　　 綜上，為滿足產(chǎn)絮過(guò)程同步富集PHB，克服過(guò)程碳源利用瓶頸，可基于縮短初次好氧段的工況調(diào)控策略提升系統(tǒng)內(nèi)碳源分配與利用效率，以增加缺氧段PHB可消耗量強(qiáng)化系統(tǒng)反硝化除磷性能。通過(guò)降低單位N、P去除所需有機(jī)質(zhì)，彌補(bǔ)無(wú)外碳源添加條件下絮體P

22、HB收獲所致的碳源損失，從而達(dá)到強(qiáng)化處理性能與絮體營(yíng)養(yǎng)效能挖掘的雙重目的。
　　 5.基于挖掘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)自身碳源潛力，削減外碳源添加成本，促進(jìn)廢水生物絮體資源化利用，提升運(yùn)行可持續(xù)性為目標(biāo)。研究了非原位生物絮體技術(shù)反應(yīng)器處理準(zhǔn)商業(yè)規(guī)模的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)廢水的運(yùn)行性能，比較了A/O/A-SBR運(yùn)行條件下，系統(tǒng)在不添加與好氧段初、缺氧段初添加系統(tǒng)自身廉價(jià)內(nèi)碳源（魚(yú)糞）的基質(zhì)轉(zhuǎn)化效率與性能差異。
　　 反應(yīng)器整體工況運(yùn)行結(jié)果

23、表明，在進(jìn)水COD，NH4+-N與PO43--p分別為444±98mg/L，43.22±8.90mg/L及17.67±3.92mg/L的條件下，各階段相應(yīng)去除率分別為86.87±2.89％-90.49±1.02％，74.19±4.39％-89.26±4.74％與76.49±1.60％-89.45±3.00％。好氧段添加內(nèi)碳源調(diào)控策略可獲運(yùn)行過(guò)程最佳處理性能，在NH4+-N與PO43--p濃度分別為41.59±6.49mg/L與17.08

24、±2.05mg/L的條件下，相應(yīng)出水濃度為4.69±1.32mg/L及1.78±0.48mg/L，去除率高達(dá)88.33±3.91％及89.45±3.00％，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)已可滿足養(yǎng)殖回用需求。
　　 內(nèi)碳源利用特征表明，好氧段添加碳源條件下其PHAs消耗速率為2.70±0.21mgPHAs/gVSS/h，低于不添加及缺氧段初添加的3.26±0.22 mgPHAs/gVSS/h與4.04±1.07 mgPHAs/gVSS/h，表明好氧段

25、投加碳源可顯著減緩PHAs在該時(shí)期的消耗速率，降低總PHAs消耗量，從而使缺氧段可供利用PHAs總量提升?；谌毖醵蜳HAs消耗速率計(jì)算表明，好氧段投加碳源條件下，其缺氧段PHAs消耗速率為1.88±0.20 mgPHAs/gVSS/h，高于不添加與缺氧段添加條件下的1.52±0.42mgPHAs/gVSS/h及1.02±0.23 mgPHAs/gVSS/h，推測(cè)其缺氧段可供利用的PHAs量較充裕，可對(duì)實(shí)現(xiàn)反硝化除磷性能提供內(nèi)碳源物質(zhì)基

26、礎(chǔ)。由絮體吸磷速率分批實(shí)驗(yàn)亦可表明，反應(yīng)不同階段好氧除磷菌PAOs中反硝化除磷菌DNPAOs的比例分別為27.62±4.14％，46.45±5.38％與24.90±2.16％，表明好氧段初添加碳源可有效提升系統(tǒng)反硝化除磷性能，從而利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)絮同步富集PHB。
　　 基于構(gòu)建的絮體生物量估算模型計(jì)算，在基質(zhì)COD及TN流入分別為6.98±0.87g COD/d,0.97±0.11g TN/d;7.28±0.23g COD/d,1.

27、13±0.10g TN/d;8.50±0.37g COD/d，1.13±0.01g TN/d的條件下，不同階段有機(jī)質(zhì)及N的絮體轉(zhuǎn)化率分別為44.92％，25.36％;54.59％，24.89％;50.89％，27.04％。以基于模型的各階段微生物生長(zhǎng)量占產(chǎn)絮總量計(jì)算，推測(cè)好氧段添加碳源條件下其反應(yīng)器內(nèi)普通異養(yǎng)菌與硝化菌的比例分別為34.08±2.02％及3.47±0.31％，與不添加及缺氧段添加碳源比例27.09±2.13％，4.35±

28、0.91％;9.02±0.88％，4.45±0.59％相比，其普通異養(yǎng)菌占比明顯增高，自養(yǎng)硝化菌比例降低，以絮體生物量為考量，表明其基質(zhì)利用途徑合理。
　　 綜上，針對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程N(yùn)O3--N含量豐富的水質(zhì)特點(diǎn)，采用魚(yú)糞為碳源添加的運(yùn)行策略可有效提升系統(tǒng)運(yùn)行性能與基質(zhì)利用率。綜合絮體生物量與出水水質(zhì)指標(biāo)為考量，以好氧段添加碳源為最佳調(diào)控手段，可對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)廢水生物絮體資源化技術(shù)處理提供工程化應(yīng)用依據(jù)。