水力负荷对内循环生物脱氮装置脱氮效能影响及其机理

循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture Systems,RAS)中高溶氧浓度、低碳氮比等特点限制生物滤池反硝化性能,造成NO_(3)^(-)-N累积,危害养殖动物健康,给水产养殖尾水达标排放带来挑战。本研究使用内循环生物脱氮装置对海水循环水养殖尾水进行处理,探究了水力负荷(HLR)分别为1、2和3 m^(3)/(m^(2)·d)条件下装置中水质指标的变化情况,并在每阶段试验结束后取PCL和K3填料样本进行高通量测序,对其微生物群落特征及功能基因预测结果进行统计分析。结果显示:装置稳定运行期间,HLR为2 m^(3)/(m^(2)·d)时,NO_(3)^(-)-N平均去除率最高,为67.31%±3.03%;NO_(3)^(-)-N去除负荷随HLR的升高而上升,在HLR为3 m^(3)/(m^(2)·d)时,达55.38±6.13 g·N/(m^(3)·d)。门水平上,PCL样本与K3样本中的优势菌群均为变形菌门(Proteobacteria);属水平上,具有反硝化功能的红杆菌科未知属( unclassified_f__Rhodobacteraceae )和鲁杰氏菌属( Ruegeria )在PCL填料与K3填料生物膜中均占据主导,这2种微生物为影响装置脱氮效能的关键属水平微生物。功能基因预测结果表明,当HLR升高时,参与反硝化作用的硝酸盐还原酶(EC 1.7.99.4)、亚硝酸盐还原酶(EC 1.7.2.1)、一氧化氮还原酶(EC 1.7.2.5)和一氧化二氮还原酶(EC 1.7.2.4)的丰度升高。研究表明,生物脱氮装置可将HLR定为2 m^(3)/(m^(2)·d),并在装置中定植、培养红杆菌科未知属和鲁杰氏菌属这2种细菌。该研究成果可为实际生产中生物脱氮装置HLR的设计提供参考,为相关脱氮效能的研究提供新思路。