富锰材料净化水产养殖水的过程及调控机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 冯文超 |
| 答辩日期 | 2023-11-29 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 吕剑 |
| 关键词 | 富锰材料 水产养殖水 抗菌活性 微生物特性 海水锰自养反硝化菌 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 英文摘要 | 水产品是人类饮食重要组成部分，工厂化养殖是未来水产养殖大趋势。养殖水净化是现代水产养殖工程必不可少的重要组成部分，高效水处理材料的研发是净化水产养殖水的重要手段。锰是一种典型过渡金属，具有多种可变价态，富锰材料有望在养殖水净化过程发挥重要作用。本研究对比了天然富锰材料与养殖水处理工艺常用填料对养殖水中典型污染物的处理性能，明确天然富锰材料污染物去除机制；揭示了富锰材料的微生物富集特性；获得了海水锰自养反硝化功能菌，考察其同步脱氮除锰特性并明确其反应机制；在对天然锰氧化物研究基础上开发获得新型富锰炭基材料。主要研究结果包括： （1）天然富锰材料锰砂可以有效去除海水中磷酸盐、氨氮、重金属 Mn2+ 和病原菌大肠杆菌。在 60 天的运行时间内，锰砂柱对 Mn2+去除效果稳定（>99%）且持续时间长；运行结束时对磷酸盐的去除率为 36.85%；在对氨氮的去除过程中伴随亚硝态氮和硝态氮的累积。锰砂主要成分为 MnO2和 Mn2O3，表面存在丰富的-OH、C=O、C-O 和 Mn-O 特性基团，锰砂渗滤系统对 Mn 2+的去除机制是活性基团的吸附作用和锰氧化物的氧化作用，对磷酸盐的去除机制主要为锰砂表面活性基团的化学吸附，对大肠杆菌的去除机制是产生的活性氧（ROS）基团对大肠杆菌的杀灭作用。 （2）锰砂渗滤柱内沿深度方向上氨氮的去除效果与柱内相关氮功能菌Nitrosomonas 丰度有关。随着运行时间延长，不同材料渗滤柱内富集的微生物量不断增加，但锰砂柱内微生物物种更丰富，富集到的主要参与硝化、反硝化过程的厚壁菌门（Firmicutes）和硝化菌门（Nitrospirota）占比之和最大（0.71%）；锰砂柱内属水平上微生物多样性更丰富，沿深度方向属水平丰度最大的分别为Marinobacter（14.95%）、Alcanivorax（14.07%）、Rhodococcus（16.82%），菌落演替彻底，菌落结构具有明显的分层现象。 （3）筛选获得两株效果较好的可同步脱氮除锰的海水锰自养反硝化菌Pseudomonas sp. S9 和 Ochrobactrum sp. S11。反应进行 10 d 时，S9、S11 硝态氮去除率分为 40.67%、53.30%，Mn 2+去除率分为 17.52%、21.85%，反应过程中亚硝态氮累积量少。S9 和 S11 适宜在弱酸性或中性条件下生存；S11 比 S9 具有更强的适温能力和耐盐能力；S9 以 Mn2+作为电子供体的能力强。S9 和 S11 脱氮除锰机制是硝酸盐的还原和锰离子的生物氧化过程，水中 Mn（II）被氧化形成无定型锰氧化物。菌株与锰砂复合组成的渗滤系统可以在一定程度上降低反应过程中硝态氮和亚硝态氮的累积，提高对磷酸盐的去除率。 （4）锰砂对模拟地热水中 Fe2+和 Mn2+有良好的去除性能。序批实验结果表明锰砂对高温水中 Mn2+的吸附过程以化学吸附为限速步骤，反应初始阶段主要为物理吸附；反应是一个可自发进行的吸热不可逆反应，升高温度有利于反应的进行；吸附反应去除率受温度、锰砂用量、粒径、初始浓度、共存阳离子影响，受共存阴离子和 pH 变化（pH 5-9）影响小。长期动态柱实验结果表明锰砂渗滤系统无需曝气能够长期有效去除地热水中的 Mn2+；动态去除效果受初始进水温度、Mn2+浓度和流量的影响；动态去除过程中吸附反应优先发生，锰氧化物的氧化作用为反应柱长期运行的控制步骤，反应后锰砂表面主要成分为 Mn2O3 和MnO2。锰砂对Fe2+的序批实验去除过程符合一级动力学模型（R2=0.9451-0.9911），去除速率受初始浓度、锰砂用量、温度和 pH 的影响，受共存离子和离子强度的影响较小。锰砂去除 Fe2+的固定床柱实验结果表明不同条件下出水浓度增长均符合 logistic 模型（R2>0.99），为 S 型增长；锰砂去除 Fe2+的主要机理是 Fe2+与锰氧化物发生氧化还原反应形成 FeO(OH)，并伴随锰的析出。 （5）研究获得了一种可以有效去除水中磷酸盐/Mn2+/Fe2+的新型富锰炭基材料。利用虾壳制备了具有良好吸附性能的生物炭材料，锰改性后可以显著提高虾壳炭对水中 Fe2+的吸附效果，平衡吸附量可达 546.62 mg/g；锰改性虾壳炭对磷酸盐和 Mn2+的吸附量分别为 9.32 mg/g 和 19.72 mg/g，与改性前相差不大。改性后虾壳生物炭表面新增锰氧化物，表面特性吸附位点增多，对 Fe2+的吸附除了均相位点也存在多层吸附。富锰炭基材料对 Fe2+的吸附反应为自发进行的吸热过程，且反应过程中熵增加，吸附反应过程受温度、炭添加量、溶液 pH、离子强度和溶液初始浓度影响。 本论文从富锰材料净化水产养殖水的过程和机理两方面研究了富锰材料去除养殖水中氮磷和重金属铁锰的可行性，证实了锰砂对大肠杆菌的抗菌活性，获得了海水锰自养反硝化功能菌和新型富锰炭基材料，为后续工厂化养殖水中污染物去除工艺的构建提供研究数据，同时也为高效环保材料的开发提供新思路。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 211 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/34397]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 冯文超. 富锰材料净化水产养殖水的过程及调控机制[D]. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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