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6.6 悬浮固体和污泥

2 years ago

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在特定规模下操作水生鱼的参数 — — 包括水量、温度、饲料和流速、pH 值、鱼类和作物年龄和密度 — — 都影响到在其隔间内发展的微生物群落的时空分布,供审查:RAS (Blancheton 等人,2013 年);水培(李和李 2015 年)。

除了控制水生物中的溶解氧、二氧化碳水平和 pH 值外,还必须控制 RAS 系统中固体的积累,因为细悬浮颗粒可以粘附到鳃上,引起磨损和呼吸窘迫,并增加对疾病的敏感性(Yildiz 等人,2017 年)。 更重要的是,必须快速有效地从 RAS 系统中去除颗粒有机物 (POM),否则过度的异养生长将导致几乎所有单元过程失败。 必须仔细管理 RAS 喂料速率,以最大限度地减少系统上的固体负荷(例如,避免过量喂料并最大限度地降低喂料成本)。 饲料的生物物理特性 — — 颗粒大小、养分含量、消化率、感官吸引力、密度和沉降率 — — 决定摄入和同化率,这反过来又影响固体积聚,从而影响水质。 虽然水质经常在营养循环的背景下进行研究 (见 第 9 章),但同样重要的是要更好地了解微生物群落的构成和根据饲料构成的变化,颗粒载荷及其如何影响异养细菌和自营养细菌群落的生长.

RAS 系统设计的各种特点都是专门用于处理固体物质的(蒂蒙斯和埃伯林 2013 年);另见回顾:(Vilbergsson 等人,2016b)。 例如,一些生物过滤器的作用是保持大量废物悬浮,以便于降解,而另一些生物过滤器则通过筛网或颗粒介质进行机械过滤。 还有一些国家依靠沉积物来收集和清除污泥。 然而,这种方法在回收污泥内的养分和使其生物可用于植物使用方面并不特别有效。 从历史上看,这种污泥一直在生物反应器中进行处理,或者脱水作为土壤作物的肥料,但是各种较新的设计试图改善水培成分中使用的回收。 改善这种污泥的回收是一个重要的研究领域,因为植物生长所需的重要宏观营养素和微量营养素的相当一部分与颗粒有机物相关,如果丢弃,这些物质就会从系统中丢失。 通过在水生物系统中增加一个额外的污泥回收循环,固体废物可转化为溶解的营养物质,供植物再利用,而不是被丢弃(Goddek 等人,2018 年)。 消化器或再矿化生物反应器是实现这一目标的一种方式,但目前尚不发达的关键领域之一包括了解如何增强这些污泥消化器中的微生物群落(例如通过添加微生物)或更好地利用(例如通过更好的方式)连接反应堆的工程设计),将养分回收成植物的生物利用形式。 尽管污泥消化器内的实际微生物群落尚未得到很好的水生物学研究,但关于农业中污水和动物废物的污泥消化器微生物群,包括鱼类污水,可以进一步深入了解在水生系统中的污泥回收。 目前关于将污泥纳入水生生物系统的研究涉及位于 RAS 和水培装置之间的消化器的再矿化(Goddek 等人,2016a,2018 年)。 在有氧或厌氧生物反应器中,有利于废物降解的环境条件可以有效地将污泥分解为生物利用的营养物质,随后可以在没有土壤的情况下输送到水培系统(Monsee 等人,2017 年)。 许多单循环水生系统已经包括有氧(Rakocy 等人,2004 年)和厌氧(Yogev 等人,2016 年)消化器,用于转化被困在鱼类污泥中的营养物质,并使它们能够用于植物。 这些解耦的能力具有许多优点,在 [第 8 章] 中进一步讨论(/社区/文章/第 8 章解耦-水壶系统),似乎会导致更高的增长率(Goddek 和 Vermeulen 2018)。 然而,尽管取得了许多进展,但实现这一目标的实际技术仍然具有挑战性。 例如,在缺氧或甚至有氧条件下培养的某些异养性脱硝细菌将使用硝酸盐作为电子受体和氧化碳来源作为能量,同时将多余的 P 储存为多磷酸盐以及 CUSUP+2/SUP 或 CuP+2/SUP 等二价金属离子。 当碱性 pH 值时,这些细菌会降解多磷酸盐并释放正磷酸盐,这是植物同化磷酸盐的必要形式(Van Rijn 等人,2006 年)。 插入再矿化生物反应器单元,如 Goddek 等人(2018 年)中的再矿化生物反应器单元,可以提供一种更好地回收水耕作用 P 的方法。 例如,对 RAS 产生的鳟鱼污泥采用了类似的方法,该污泥处理过的硝酸盐和 P 含量超过允许处置限度(Goddek 等人,2015 年)。 然而,这些过程中涉及的微生物群落对 C: N 比、氧化、金属离子和 pH 值等培养条件很敏感,因此亚硝酸盐和其他有毒中间体可以累积。 尽管大量关于各种有机废物的消化器的文献,主要是厌氧生物气生产(Ibrahim 等人,2016 年),但关于处理 RAS 废物的研究要少得多(Van Rijn 2013),而在水生系统的情况下,关于营养物质之间的关系的研究更少。水培系统中的生物利用度和作物生长 (莫勒和穆勒 2012 年). 目前,对 RAS 污泥生物反应器的更多研究可以为微生物种群的培养条件提供重要的见解,从而产生有利的结果,例如 P 回收及其引入水培单元。

对厌氧和有氧消化器的试验进行比较时,评估污泥中 P 回收的工作面临的挑战之一就是当前挑战(Goddek 等人,2016b;Monsee 等人,2017 年)。 虽然这两项研究最初都使用了类似的污泥成分,但结果却截然不同。 在一项研究(Monsee 等人,2017 年)中,对有氧治疗中各种可溶性营养物质的测量结果导致 P 浓度增加 330%,硝酸盐浓度降低 16%,厌氧治疗中硝酸盐减少 97%。 相比之下,一项类似研究(Goddek 等人,2016b)的结果表明,使用厌氧上清剂,水培单元中的生菜生长比较优越,尽管厌氧和有氧处理只能使厌氧条件下的硝酸盐回收略有好,几乎完全损失(戈德克等人, 2016b). 显然,在这两项研究中,饲料成分和速率、悬浮液与固体沉降、pH 值(前者为 CaOHSub2/Sub 保持在 7 ± 1,后者为变量 8.2—8.65)、取样和鱼类菌株不同。 尽管如此,POSuB4/Sub 和 NOSuB3/Sub 的结果显示,需要进一步研究以优化营养回收,并增加元基因组学方法来确定微生物群落的特征,以便更好地了解其在这些过程中的作用。


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