畜禽養(yǎng)殖廢水甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化除碳脫氮探討

段 莊，孫竹龍，張 智,*，陳詩浩

(1.珠海市規(guī)劃設(shè)計研究院，廣東珠海 519000；2.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 重慶 400045)

[通信作者] 張智，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zhangzhicq@126.com。

中國是世界上最大的畜禽養(yǎng)殖國，近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們對肉制品的需求量不斷增加，我國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展。以我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)中最普遍的養(yǎng)豬業(yè)為例，2012年—2018年我國肉豬出欄頭數(shù)均保持在7億頭左右，2010年—2018年豬肉產(chǎn)量均在5 000萬t以上[1-2]。我國養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展的同時也帶來了養(yǎng)殖廢水的大量排放。據(jù)估計，2018年我國豬場產(chǎn)生的廢水總量約為1.6億t[3]。養(yǎng)殖廢水中含大量有機(jī)污染物和氮磷等植物性營養(yǎng)元素。大量排放的養(yǎng)殖廢水，給環(huán)境帶來了巨大壓力。

目前，養(yǎng)殖廢水常用的主要處理工藝有還田處理、自然處理和工業(yè)化處理幾種模式，還田處理和自然處理對土地資源的高需求和處理效率的低下已經(jīng)難以滿足規(guī)?；B(yǎng)殖所產(chǎn)生廢水的處理需求，傳統(tǒng)除碳脫氮的物理化學(xué)等方法也存在曝氣能耗高、需外加碳源、污泥產(chǎn)量高等問題，在養(yǎng)殖業(yè)成本控制和污染排放標(biāo)準(zhǔn)要求逐漸提高的境遇下，迫切需要將更先進(jìn)合理的除碳脫氮技術(shù)應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水處理。

1 甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)機(jī)理

甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化是3個主要的反應(yīng)過程。甲烷化是厭氧生物處理除碳的最后一步，通過厭氧微生物和兼氧微生物的作用，以氫和二氧化碳、乙酸或甲基化合物為原料合成甲烷[4]。自然界中最主要的2種甲烷生物合成反應(yīng)如式(1)和式(2)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2 甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化影響因素及其耦合的可行性

甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的功能菌群，特別是厭氧氨氧化菌對環(huán)境條件的要求很高。探究溫度、pH、DO、底物等環(huán)境條件對產(chǎn)甲烷菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌的生長繁殖及其除碳脫氮作用的影響機(jī)制，得到3個反應(yīng)過程同時穩(wěn)定運行的合適的環(huán)境條件，以期實現(xiàn)甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的穩(wěn)定除碳脫氮。

2.1 溫度

合適的溫度是保持甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化功能菌群活性和生長繁殖的重要環(huán)境因素，甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的高效穩(wěn)定運行需綜合考慮3種功能菌各自及其相互作用的特性，控制體系溫度在合適范圍內(nèi)。

(1)對甲烷化過程的影響。中溫(35～38 ℃)和高溫(52～55 ℃)厭氧消化過程中均存在產(chǎn)甲烷作用，一般來說，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的最佳溫度為30 ℃～35 ℃[8]。試驗表明，發(fā)酵溫度為35 ℃條件下，厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷量大于30 ℃和45℃[9]。水稻土中，甲烷產(chǎn)量在15～37 ℃呈正線性相關(guān)，在37～50 ℃呈負(fù)線性相關(guān)，在37 ℃達(dá)到峰值[10]。

(3)對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響。大多數(shù)種類的厭氧氨氧化菌為中溫菌，需在相對較高的溫度下才能進(jìn)行穩(wěn)定脫氮。厭氧氨氧化的最佳反應(yīng)溫度[14]為30～35 ℃，溫度降低會影響厭氧氨氧化菌脫氮。在低氮負(fù)荷下，溫度下降在造成脫氮效果下降的同時，還會改變厭氧氨氧化菌的群落結(jié)構(gòu)[15]。降溫方式也會影響厭氧氨氧化的脫氮性能。低溫將抑制厭氧氨氧化反應(yīng)，但也存在能在低溫條件下進(jìn)行穩(wěn)定脫氮的厭氧氨氧化菌。研究發(fā)現(xiàn)，在10 ℃低溫條件下，顆粒污泥流化床中存在厭氧氨氧化菌，也可進(jìn)行穩(wěn)定脫氮，且效果與傳統(tǒng)脫氮的速率相當(dāng)，甚至更高[16]。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化三者的最適溫度存在微小差異，即反硝化的最適溫度相對較低，厭氧氨氧化較高，甲烷化過程則相對更高，但其差異極微，可以認(rèn)為，三者需要的溫度條件相近。對于三者的聯(lián)合作用，通常應(yīng)將溫度控制在31～35 ℃，為厭氧氨氧化的最佳反應(yīng)溫度，略低于甲烷化過程最適溫度、高于反硝化最適溫度，該工況下除碳作用有所減弱。若要對高碳氮比污(廢)水進(jìn)行處理，可適當(dāng)提高溫度，以加強(qiáng)甲烷化作用，從而增強(qiáng)耦合反應(yīng)的除碳能力。

2.2 pH

pH也是影響甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化功能菌群活性和生長繁殖的重要環(huán)境因素。甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化過程都會發(fā)生pH的動態(tài)變化，需要控制pH在合適的范圍內(nèi)。

(1)對甲烷化過程的影響。甲烷化反應(yīng)是pH降低的過程，而產(chǎn)甲烷菌在酸性條件下卻極難存活[17]，通常甲烷化過程適宜的pH值為6.8～7.2。研究表明，在進(jìn)水CODCr為20 000 mg/L、HRT為8 h、UASB系統(tǒng)進(jìn)水pH值分階段由6.9降至5.4時，COD去除率降低23.3%[18]，而半連續(xù)流反應(yīng)器中不同初始pH變化對產(chǎn)甲烷量影響不大。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化過程的最適pH雖然存在微小差異，即甲烷化過程基本需要中性環(huán)境，厭氧氨氧化稍偏堿性，反硝化比厭氧氨氧化又稍偏堿性，但差異極微，可以認(rèn)為三者擁有相近的最適pH條件。對于三者的聯(lián)合作用，適宜的pH值應(yīng)在7.5左右，此時厭氧氨氧化和反硝化基本處于最適pH，而甲烷化過程則pH略高，該pH下除碳作用也有所減弱。若要對高碳氮比污(廢)水進(jìn)行處理，可適當(dāng)降低pH使甲烷化作用加強(qiáng)，以增強(qiáng)耦合反應(yīng)的除碳能力。

2.3 DO

甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化細(xì)菌均是厭氧細(xì)菌，DO存在會抑制功能菌群活性，甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化過程通常都需要在低DO條件下進(jìn)行。

(1)對甲烷化過程的影響。一般認(rèn)為，進(jìn)水中的DO會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。研究顯示，DO濃度從0.00 mg/L上升到7.00 mg/L時，最大比產(chǎn)甲烷速率(SMA)先后兩次分別在原來75.9、91.1 mL/(g·d)的基礎(chǔ)上下降37.29%、21.62%[25]。但也有研究表明，有氧存在的反應(yīng)器沒有顯示出對甲烷化的不利影響[26]。

(3)對厭氧氨氧化的影響。DO通常會抑制厭氧氨氧化過程。厭氧氨氧化菌生長緩慢，且對環(huán)境條件要求十分嚴(yán)格[29]，高DO條件下與其他菌種競爭處于劣勢。研究顯示，在DO濃度為0.4～1.0 mg/L時，厭氧氨氧化菌受到了抑制[30]；顆粒污泥態(tài)的厭氧氨氧化菌脫氮效果最佳的DO濃度為0.1～0.2 mg/L[31]。短期內(nèi)，一定幅度范圍的DO變化對厭氧氨氧化反應(yīng)的抑制作用是可逆的，只是DO濃度增加越多，需要的恢復(fù)時間就越長。但是，如果DO濃度過高(空氣飽和度>18%)，厭氧氨氧化菌的活性將不可恢復(fù)[32]。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化過程均需在低DO條件下進(jìn)行，三者菌種對DO的耐受度存在些許差異。其中，反硝化過程對DO最為敏感，其次是厭氧氨氧化，而甲烷化過程對DO的耐受度相對較好。對于三者的聯(lián)合作用，進(jìn)水DO通常需控制在0.2 mg/L以下，才能使甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化活性均不受抑制。

2.4 底物

充足的底物是保證生化反應(yīng)高效進(jìn)行的基礎(chǔ)，足量和比例合適的底物對甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化過程同樣十分重要。

2.5 抗生素

抗生素是一類預(yù)防和治療細(xì)菌感染疾病最為重要的藥物，抗生素在養(yǎng)殖業(yè)中廣泛用作飼料添加劑，以控制疾病并促進(jìn)生長[40]。污(廢)水中大量存在的抗生素會對產(chǎn)甲烷菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌產(chǎn)生毒害作用。

(1)對甲烷化過程的影響。泰樂菌素、青霉素、四環(huán)素等抗生素通過抑制產(chǎn)甲烷菌蛋白質(zhì)和細(xì)胞壁合成抑制甲烷化作用。濃度低至0.01 mg/L的泰樂菌素抑制甲烷的產(chǎn)生，高于0.5 mg/L時幾乎不產(chǎn)生甲烷[41]；添加0.2、10 mg/L的青霉素分別可以對產(chǎn)甲烷活性產(chǎn)生44.78%、88.28%的抑制[42]；四環(huán)素的存在使豬糞中甲烷產(chǎn)量減少了25%[43]。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化均會不同程度地受到抗生素的影響。對于三者的聯(lián)合作用，應(yīng)盡量避免抗生素的存在干擾除碳脫氮效果，但也可通過馴化使功能菌群對抗生素產(chǎn)生抗性，降低抗生素對耦合體系除碳脫氮的影響，甚至產(chǎn)生代謝抗生素的能力，以對養(yǎng)殖廢水等一些含較多抗生素的污(廢)水進(jìn)行高效除碳脫氮。

3 甲烷化、反硝化、厭氧氨氧化的耦合

甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化微生物種群不同，生理代謝存在差異，如何實現(xiàn)甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)穩(wěn)定耦合仍是需要深入研究的問題。對于甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的耦合，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。

3.1 同時甲烷化反硝化

3.2 同時厭氧氨氧化甲烷化

3.3 厭氧氨氧化耦合反硝化

4 結(jié)語

甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化是實現(xiàn)對養(yǎng)殖廢水等一些高碳氮污(廢)水除碳脫氮的優(yōu)良途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。研究表明，反應(yīng)適宜的溫度應(yīng)在31～35 ℃，適宜的pH值應(yīng)在7.5左右，進(jìn)水DO通常需控制在0.2 mg/L以下。目前，學(xué)者對甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化兩兩耦合和抗生素對三者分別的影響也進(jìn)行了一些研究。

綜上，后續(xù)對甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的研究需要探究其在同一反應(yīng)器中耦合的可能性，并對同一反應(yīng)器中甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化整個反應(yīng)體系的影響因素進(jìn)行研究，提出針對不同污(廢)水水質(zhì)的環(huán)境條件調(diào)節(jié)方向，同時研究抗生素對甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化整個反應(yīng)體系的影響，得到抗生素濃度限值，以期優(yōu)化運行環(huán)境條件，規(guī)避抗生素影響，為甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化更好地應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水等一些高碳氮污(廢)水處理提供參考。