低溫厭氧發(fā)酵對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水沉降特征的影響

朱瑞清，牛永艷，毛　婷，王治業(yè)，楊　濤，季　彬，劉美玲，穆永松，白慧慧

低溫厭氧發(fā)酵對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水沉降特征的影響

朱瑞清1，牛永艷1，毛婷1，王治業(yè)1※，楊濤1，季彬1，劉美玲2，穆永松3，白慧慧4

（1.甘肅省科學(xué)院生物研究所，甘肅省微生物資源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000；3. 甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司，張掖 734500；4. 蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730000）

為了降低養(yǎng)殖廢水處理成本，增加有機(jī)肥水在噴滴灌系統(tǒng)中的透過(guò)性能，該研究以不同低溫（10~25 ℃）條件對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，并與傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵進(jìn)行比較分析研究。結(jié)果表明：低溫（15 ℃）條件下駐留時(shí)間4 d進(jìn)行厭氧發(fā)酵能夠改變養(yǎng)殖廢水的沉降特征，養(yǎng)殖廢水出現(xiàn)分層沉降現(xiàn)象，上清液濁度為1.4，上清液沉降情況可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，干物質(zhì)含量在2.3 %左右，75m篩濾渣含量接近0 %，可以通過(guò)噴灌滴灌系統(tǒng)；處理后的上清液CODCr降低至（2627.8± 548.1）mg/L，總氮降低至（565.2± 79.5）mg/L，糞大腸菌群降至360個(gè)/L，無(wú)害化程度達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。16S全長(zhǎng)rRNA高通量測(cè)序結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)顆粒狀厭氧污泥207個(gè)otu相比，低溫厭氧污泥中檢測(cè)到199個(gè)otu，其中96個(gè)屬于共有菌株，低溫厭氧污泥菌群主要由厚壁菌門(mén)（）19.2 %、擬桿菌門(mén)（）18.9%、21.2%、10.6%和變形菌門(mén)（）6.3%組成，種水平以為優(yōu)勢(shì)菌屬；在顆粒狀厭氧污泥中門(mén)水平以為特有菌門(mén)，種水平以為優(yōu)勢(shì)菌屬。因此在寒冷地區(qū)低溫（15 ℃）厭氧處理能夠減少?gòu)U水處理能耗，實(shí)現(xiàn)廢水無(wú)害化、總養(yǎng)分循環(huán)、水肥一體化、水資源回收利用，為循環(huán)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展提供研究基礎(chǔ)。

發(fā)酵；有機(jī)質(zhì)；濁度；低溫厭氧；奶牛養(yǎng)殖廢水；有機(jī)液肥；循環(huán)農(nóng)業(yè)

0 引 言

隨著規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖廢水的污染問(wèn)題日益突出[1]。按照國(guó)家《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596－2001）中30 m3/100 頭牛?d的水量消耗標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，則一個(gè)中型奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)（按5 000頭計(jì)）每天產(chǎn)生廢水量可達(dá)1 500 m3。而按照傳統(tǒng)三段式廢水處理方式，即沉淀-厭氧-好氧法[1]處理要求需要將廢水加熱到36 ℃，根據(jù)熱能公式計(jì)算將1 500 m3水由7 ℃升溫至36 ℃需耗4.7×104kW·h/d能量，能耗巨大，難以回收利用。

養(yǎng)殖廢水亦為肥水，經(jīng)濟(jì)可循環(huán)的處理方法是將種植養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行結(jié)合，將廢水無(wú)害化成為有機(jī)肥水進(jìn)行還田[2-3]，使得大體量的淡水資源和氮磷鉀等養(yǎng)分資源得以再利用[2]。噴滴灌設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)水肥一體化，節(jié)省人工，并可以通過(guò)作物的水肥需求規(guī)律及時(shí)按需供給[3]。肥料進(jìn)入噴滴灌系統(tǒng)需滿(mǎn)足能夠通過(guò)150m篩的要求[4]，無(wú)機(jī)水溶性肥料通過(guò)水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行灌溉技術(shù)已經(jīng)趨于成熟[3]，但有機(jī)肥料水肥一體化尚未見(jiàn)報(bào)道。

如何對(duì)大體量的養(yǎng)殖廢水進(jìn)行低能耗的，可進(jìn)入大型農(nóng)業(yè)滴噴灌設(shè)施的處理是實(shí)現(xiàn)水肥一體化的基本應(yīng)用研究。生物厭氧處理過(guò)程不需要氧源，運(yùn)行費(fèi)用低，能夠滅活病原體[5]，適用于處理高濃度的有機(jī)廢水[6]，并且在養(yǎng)殖廢水的處理上已有很多工程實(shí)例[7-9]。本文對(duì)低溫厭氧發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行研究觀測(cè)低溫厭氧過(guò)程對(duì)廢水的沉降特征變化，通過(guò)高通量測(cè)定奶牛養(yǎng)殖廢水的低溫厭氧處理厭氧污泥微生物群分析，通過(guò)響應(yīng)面方法優(yōu)化廢水處理工藝，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水無(wú)害化肥水化處理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地與材料

試驗(yàn)地位于張掖市民樂(lè)縣甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司的奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)及沼氣站（100°40′9.9″E，38°44′3.1″N），民樂(lè)縣年平均氣溫為4.1 ℃，氣候條件較為寒冷。該公司的奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)在欄頭數(shù)為5 000頭，每天產(chǎn)生肥水約1 000 m3，試驗(yàn)用廢水均來(lái)自甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)廢水，該奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)采用水清糞工藝，廢水主要由墊圈沙土、尿液、糞便和飼料殘?jiān)?、圈舍沖洗水、擠奶廳沖洗水組成，其中沖洗水占絕大部分，經(jīng)過(guò)前處理后進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)初沉、固液分離等前期處理后，排放的養(yǎng)殖廢水由CODCr濃度30 000～60 000 mg/L左右降低至（8 316.2±779.3）mg/L左右。

1.2 厭氧發(fā)酵設(shè)備及運(yùn)行情況

厭氧發(fā)酵設(shè)備來(lái)自于甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司的沼氣站，該沼氣站共有3個(gè)厭氧發(fā)酵罐，每個(gè)厭氧發(fā)酵罐容積1 600 m3，埋深0 m，均為UASB（Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket）反應(yīng)器，3罐獨(dú)立發(fā)酵，3罐從左至右分別為1號(hào)罐、2號(hào)罐、3號(hào)罐，見(jiàn)圖1。罐內(nèi)部下方的進(jìn)料口處，罐體中間位置，上方的溢流出料口處皆配備有溫度傳感器。罐側(cè)壁和頂部設(shè)有保溫夾層，保溫層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。3個(gè)厭氧發(fā)酵設(shè)備（UASB）內(nèi)部均設(shè)有加熱盤(pán)管，可以通過(guò)加熱的方式對(duì)發(fā)酵液溫度進(jìn)行控制。

表1 厭氧發(fā)酵設(shè)備保溫層設(shè)計(jì)表

1號(hào)罐長(zhǎng)期延用36 ℃的發(fā)酵條件，其內(nèi)部接種的厭氧活性污泥是購(gòu)買(mǎi)的顆粒狀污泥，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期馴化能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的保持黑色顆粒狀，較一般厭氧污泥具有較高的厭氧發(fā)酵活性。2號(hào)罐和3號(hào)罐由于沼氣站產(chǎn)甲烷氣量不足，無(wú)法滿(mǎn)足加熱需求，發(fā)酵溫度由環(huán)境溫度決定，在8.5～18.3 ℃之間浮動(dòng)。

1.3 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)利用UASB厭氧發(fā)酵罐在不同溫度下對(duì)該養(yǎng)殖場(chǎng)的前處理后的奶牛養(yǎng)殖廢水進(jìn)行連續(xù)進(jìn)出料厭氧發(fā)酵處理，試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間從2018年4月20日至2020年8月20日。試驗(yàn)分為3組處理，各組分別進(jìn)行連續(xù)進(jìn)出料方式發(fā)酵。

第1組為對(duì)照組采用1號(hào)罐，按照傳統(tǒng)方法發(fā)酵溫度對(duì)廢水進(jìn)行36 ℃厭氧處理，試驗(yàn)開(kāi)始前接種有顆粒狀厭氧污泥。

第2組采用沼氣站2號(hào)厭氧發(fā)酵罐，未接種任何污泥，直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，利用加熱盤(pán)管對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行加熱控溫，使之保持在10、15、20、25 ℃的4個(gè)梯度的恒溫條件下，進(jìn)料方式為批次進(jìn)料，當(dāng)溫度上升到要求溫度后開(kāi)始計(jì)時(shí)，進(jìn)行12 d時(shí)間的厭氧處理，分別于0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 d取樣檢測(cè)。所有處理組處理完畢后，靜置12 h后觀測(cè)料液的沉降特征，對(duì)于分層明顯的廢水，分別對(duì)上清液和下層液體固體混合層進(jìn)行生物物理化學(xué)等檢測(cè)分析。長(zhǎng)期觀測(cè)2號(hào)罐15 ℃恒溫厭氧發(fā)酵條件下的CODCr和總氮變化情況。

第3組未接種任何污泥，采用3號(hào)厭氧發(fā)酵罐，直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，延續(xù)3號(hào)罐長(zhǎng)期自然溫度下發(fā)酵狀況，連續(xù)進(jìn)出料駐留時(shí)間視罐內(nèi)溫度而定，將罐內(nèi)溫度控制在8.5 ℃以上，長(zhǎng)期以來(lái)不加熱條件下達(dá)到的最高溫度為18.3 ℃。

1.4 檢測(cè)方法

75m孔徑篩濾渣干質(zhì)量是以75m孔徑篩對(duì)廢水進(jìn)行過(guò)濾，將濾渣80 ℃烘箱進(jìn)行烘干至質(zhì)量恒定后稱(chēng)質(zhì)量除以濾前廢水質(zhì)量，以百分比表示。干物質(zhì)含量（%）是將廢水80 ℃烘箱進(jìn)行烘干至質(zhì)量恒定后稱(chēng)質(zhì)量除以烘干前廢水質(zhì)量，以百分比表示。

廢水的濁度按照GB 13200-1991用分光光度法測(cè)定，CODCr按照GB/T 11914-1989用重鉻酸鉀法測(cè)定；廢水懸浮物含量用GB/T 11901-1989質(zhì)量法測(cè)定；總磷按照GB/T 11893-1989鉬氨酸分光光度法檢測(cè)；廢水中鉀按照GB 11904-89 水質(zhì)鉀和鈉的測(cè)定火焰原子吸收分光光度法，總氮按照HJ 636-2012堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外的分光光度法檢測(cè)，糞大腸菌群數(shù)按GB/T 19524.1-2004測(cè)定；蛔蟲(chóng)卵死亡率按GB/T 19524.2-2004測(cè)定。

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化

在15 ℃厭氧條件下以濁度（）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別選取pH值（）、進(jìn)水CODCr（）、時(shí)間（）為考察因素，根據(jù) Box-Behnken 進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化最佳工藝條件，變量的編碼和水平表見(jiàn)表2。

表2 變量的編碼和水平表

1.6 分析方法

原核微生物群落組成采用16S全長(zhǎng) rRNA高通量測(cè)序，OTUs分類(lèi)采用 Illumina Miseq 平臺(tái)（Illumina, USA）測(cè)序分析。使用Design-Expert V8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 能耗分析

在相同的駐留時(shí)間（4 d）、相同日進(jìn)水量（370 m3）、同時(shí)期下對(duì)2罐發(fā)酵情況進(jìn)行觀測(cè)，不同的厭氧污泥（顆粒狀厭氧污泥和低溫厭氧污泥）和不同的溫度（以36和15 ℃為設(shè)定溫度）處理廢水均能產(chǎn)生沼氣。1號(hào)罐實(shí)際達(dá)到的平均溫度為34.4 ℃，從2019年6月18日至2019年7月12日期間平均產(chǎn)出沼氣886.6 m3/d，其中產(chǎn)氣全部通過(guò)沼氣鍋爐燃燒用于自身廢水加熱，在消耗完自身產(chǎn)氣后平均耗電2 997.7 kW·h/d。2號(hào)罐實(shí)際達(dá)到溫度平均為15 ℃，恒溫條件下平均產(chǎn)出沼氣21 m3/d，同樣在消耗完自身產(chǎn)氣后平均日耗電132.7 kW·h/d，比36 ℃平均節(jié)約電能2.865 kW·h/d（詳見(jiàn)表3）。本試驗(yàn)低溫厭氧條件下可以產(chǎn)出甲烷，王世偉等[10]的低溫厭氧發(fā)酵具有相似報(bào)道。

表3 不同日期廢水發(fā)酵性質(zhì)及能耗比較

2.2 廢水沉降特征變化

在10、15、20、25 ℃恒溫條件下，2號(hào)罐不同駐留時(shí)間的廢水進(jìn)行靜置，靜置6 h后觀測(cè)厭氧發(fā)酵處理后料液的沉降特征變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示在10～25 ℃的溫度變化下，隨著厭氧溫度的增加，廢水達(dá)到分層的時(shí)間越短，其中在25 ℃時(shí)，廢水在2 d就出現(xiàn)顯著的分層狀況。分層后上清液與下層沉淀的體積比約為1∶1，上清液的濁度隨著厭氧時(shí)間的增加先降低，到低谷后又隨著時(shí)間的增加而略有上升。

測(cè)量各溫度下處理完畢的具有明顯的分層沉降特征的廢水濁度，其中濁度為0.6～1.4的上清液在常溫下靜置20 d未觀測(cè)到顯著的絮凝、沉淀、濁度及色澤變化，視為成功處理的穩(wěn)定狀態(tài)；濁度>1.4的上清液隨著靜置時(shí)間的增加會(huì)進(jìn)一步發(fā)生絮凝、沉淀及色澤變淺現(xiàn)象，視為不穩(wěn)定的分層狀態(tài)。隨著濁度的增加不穩(wěn)定性增加。以濁度為指標(biāo)，厭氧發(fā)酵處理時(shí)間有最佳時(shí)長(zhǎng)，在10、15、20和25 ℃的條件下最佳處理時(shí)長(zhǎng)分別為11、5、4和2 d。但同時(shí)以節(jié)能和生產(chǎn)效率和處理完畢上清液的穩(wěn)定性做考量以15 ℃4 d為佳，詳見(jiàn)表4。

將不同溫度組處理好的濁度為0.6~1.4的上清液取出，做理化性質(zhì)和養(yǎng)分檢測(cè)，結(jié)果如表5。與進(jìn)料原液相比，用75m孔徑篩過(guò)濾后的上清液中濾渣干重接近0，是變化最明顯的理化性質(zhì)。上清液干物質(zhì)含量下降了87.8%，是變化比較明顯的理化性質(zhì)之一。上清液中的CODCr濃度為（2627.8±548.1）mg/L，相較于進(jìn)料原液下降了68.4%。處理后的上清液N含量下降了44.3%，P2O5和K2O含量分別降低了13.7%和6.3%。計(jì)算上清液中總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）濃度為1.744 9 g/L。

表4 厭氧發(fā)酵處理后料液的沉降特征和濁度變化

注：“NA”指無(wú)分層現(xiàn)象，無(wú)上清液樣。

Note: “NA” means no delamination occurred either no supernatant sample available.

表5 進(jìn)料原液與上清液基本理化性質(zhì)對(duì)比

對(duì)濁度為0.6～1.4的上清液的糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲(chóng)卵死亡率進(jìn)行檢測(cè)，糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲(chóng)卵死亡率均能達(dá)到《禽畜養(yǎng)殖業(yè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)GB18596-2001》[11]無(wú)害化要求，可以直接還田。結(jié)果見(jiàn)表6。

2.3 奶牛養(yǎng)殖廢水的低溫厭氧處理效果

對(duì)2號(hào)罐連續(xù)進(jìn)出料，料液駐留時(shí)間4 d，15 ℃低溫厭氧處理過(guò)程進(jìn)行20 d連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間自2020年7月1日至7月20日，該方法去除污染物的效果如圖2。圖2記錄了低溫厭氧發(fā)酵中去除廢水中CODCr的效果，廢水的進(jìn)料CODCr濃度為（8 393.4±426.6）mg/L，出料上清液CODCr濃度為（2 531.7±410.6）mg/L，去除率為69.9%±4.0%。

表6 進(jìn)料原液與上清液環(huán)境無(wú)害化指標(biāo)

2.4 奶牛養(yǎng)殖廢水的低溫厭氧處理厭氧污泥微生物群分析

對(duì)長(zhǎng)期以自然發(fā)酵溫度（8.5～18.3 ℃）發(fā)酵的3號(hào)罐的厭氧污泥（Lowtemp）和長(zhǎng)期以36 ℃為發(fā)酵溫度發(fā)酵的1號(hào)罐的馴化的購(gòu)買(mǎi)的顆粒狀污泥（Granu）進(jìn)行微生物群落分析。表7為Alpha多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)表，表中Granu組Chao1和Ace指數(shù)均高于Lowtemp組，說(shuō)明1號(hào)罐的顆粒狀污泥物種數(shù)量較高，Granu組的Shannon指數(shù)大于Lowtemp組，而Simpson指數(shù)小于Lowtemp組，說(shuō)明1號(hào)罐的顆粒狀污泥物種多樣性較高。在低溫厭氧污泥中檢測(cè)到199個(gè)otu，在顆粒狀厭氧污泥中檢測(cè)到207個(gè)otu，其中96個(gè)otu屬于共有菌株。在不同運(yùn)行溫度下，厭氧發(fā)酵池的微生物群落結(jié)構(gòu)門(mén)水平表征如圖3所示，低溫厭氧污泥菌群主要由厚壁菌門(mén)（）19.2%、擬桿菌門(mén)（）18.9 %、21.2%、10.6 %和變形菌門(mén)（）6.3%等組成；顆粒狀厭氧污泥菌群主要由11.4%、擬桿菌門(mén)（）8.5%、4.7%、16.3%和變形菌門(mén)（）4.1%等組成。2者在門(mén)水平主要差異表現(xiàn)在顆粒狀厭氧污泥菌群含有，而低溫厭氧污泥不含有，有報(bào)道[12]認(rèn)為該菌門(mén)具有硫氧化、有機(jī)物降解功能并可能和嗜甲烷菌的氧化代謝甲烷產(chǎn)物有關(guān)。

表7 Alpha多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：Lowtemp為厭氧污泥組，Granu為顆粒狀污泥組。

Note: Lowtemp is anaerobic sludge group, Granu is granular sludge group.

為了深入研究奶牛養(yǎng)殖廢水厭氧處理工藝中的微生物群落組成，在屬水平上進(jìn)行了豐度分析。低溫厭氧污泥中為優(yōu)勢(shì)菌屬，有報(bào)道[13-14]稱(chēng)該菌在牛羊糞便厭氧發(fā)酵中參與酸化、產(chǎn)甲烷等代謝活動(dòng)，并有隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間的增長(zhǎng)（59 d）會(huì)逐漸變成發(fā)酵菌群優(yōu)勢(shì)菌群的趨勢(shì)，本試驗(yàn)結(jié)果可能是由于長(zhǎng)期低溫厭氧處理而形成。顆粒狀厭氧污泥中硫脲菌屬（）為優(yōu)勢(shì)菌屬，多個(gè)研究顯示屬以深海熱泉口為生境[15-18]。這和本文試驗(yàn)中長(zhǎng)期保持36 ℃溫度環(huán)境較為吻合，并有研究顯示[19]此屬菌以三羧酸循環(huán)方式固定碳源，以硫氧化過(guò)程獲得能量，以硝酸鹽為電子受體，因此可能在高濃度有機(jī)廢水處理中具有重要意義。

低溫污泥對(duì)廢水沉降效果較好，提示低溫污泥中含有分解和合成代謝活性的菌群，可能是由于96個(gè)共有otu中菌株的功能所致，其中高豐度菌為_(kāi)sp和。有報(bào)道[20]稱(chēng)屬的一株菌可以與一種甲烷螺菌屬的菌株互養(yǎng)，參與丙酸鹽代謝。另有報(bào)道[21]屬菌株通過(guò)延胡索酸途徑參與降解石蠟產(chǎn)甲烷代謝。報(bào)道較少。本研究觀測(cè)到低溫發(fā)酵產(chǎn)氣量顯著減少，提示在顆粒厭氧污泥特有的111個(gè)otu中可能含有高產(chǎn)甲烷的菌株，其中高豐度的菌株有sp、sp、和。其中被[22]報(bào)道稱(chēng)分離自熱泉口，分泌胞外多糖，最適溫度47～50℃。被報(bào)道稱(chēng)[23]屬于嗜溫菌、嚴(yán)格厭氧，最適溫度30～37 ℃，分離自UASB顆粒狀厭氧污泥，與本文吻合。

2.5 pH值、進(jìn)水CODCr濃度、時(shí)間對(duì)處理好上清液濁度的響應(yīng)面分析

利用Design-Expert軟件中Box-Behnken 模型進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，中心復(fù)合設(shè)計(jì)處理選項(xiàng)及結(jié)果見(jiàn)表8，濁度的回歸模型及方差分析如表9，濁度的響應(yīng)面見(jiàn)圖4。濁度（）對(duì)pH值（）、進(jìn)水CODCr（）、時(shí)間（）的二次多向回歸方程為：=0.70?0.15?0.11+0.19? 0.25?0.15+0.075+0.312+0.842+0.592。模型F值為25.10，值<0.01，表明響應(yīng)面回歸模型達(dá)到了極顯著水平；失擬項(xiàng)值＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間擬合度好；模型的確定系數(shù)2=0.969 9，說(shuō)明該回歸模型能解釋96.99%響應(yīng)值的變化，以分析和預(yù)測(cè)此模型對(duì)濁度的影響。由回歸模型和方差分析可知，方程一次項(xiàng)、，方程二次項(xiàng)、2、2、2對(duì)濁度的影響達(dá)到極顯著水平。根據(jù)值大小可以判斷出各因素對(duì)濁度的影響的主次順序?yàn)椋簳r(shí)間、pH值、進(jìn)水CODCr。

表8 中心復(fù)合設(shè)計(jì)處理選項(xiàng)及結(jié)果

表9 濁度的回歸模型和方差分析

注：“*”表示差異顯著（＜0.05）；“**”表示差異極顯著（＜0.01）。

Note: “*” indicates a significant difference (<0.05), “**" indicates an extreme significant difference (<0.01).

根據(jù)Design-Expert 軟件對(duì)建立的回歸方程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，可以得出在pH值、進(jìn)水CODCr、時(shí)間理論上分別取6.54、19 265 mg/L、5.48 d時(shí)，可得理論上的最小濁度為0.68。結(jié)合實(shí)際操作條件修正pH值為6.5、進(jìn)水CODCr為19 200 mg/L、時(shí)間為5 d進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)測(cè)濁度為0.70。實(shí)測(cè)值與回歸方程所預(yù)測(cè)值相差不大，說(shuō)明響應(yīng)面優(yōu)化的研究合理。

3 結(jié) 論

厭氧處理是一種常見(jiàn)的生物處理方法，研究低溫條件下厭氧發(fā)酵對(duì)中國(guó)廣大寒冷地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)廢水處理具有現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)低溫下廢水有機(jī)成分的沉降特征，處理效果以及厭氧污泥微生物群落特征進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）能耗與環(huán)境溫度、廢水CODCr等多種因素相關(guān)，水的比熱高，大體量的36 ℃廢水含有的巨大內(nèi)能，排放是造成能耗損失的主要原因之一。本文證明低溫（15 ℃）厭氧和常溫36 ℃厭氧均能產(chǎn)生甲烷和改進(jìn)廢水的沉降特性，在本試驗(yàn)條件及運(yùn)行工況下36 ℃發(fā)酵所產(chǎn)生的甲烷不足以使料溫上升到36 ℃，需要進(jìn)一步耗費(fèi)能源，15 ℃厭氧能耗比36 ℃情況下平均節(jié)約電能2 865 kW·h/d，若以肥料化為目的則低溫發(fā)酵更為節(jié)能和經(jīng)濟(jì)。

2）低溫條件下厭氧發(fā)酵對(duì)養(yǎng)殖廢水的沉降特征具有顯著的影響，10 ℃駐留9 d的條件下養(yǎng)殖廢水出現(xiàn)沉降分層現(xiàn)象，上清液濁度在5左右。試驗(yàn)證明在常年平均氣溫為4.1 ℃的地區(qū)，沒(méi)有外源加熱的情況下，奶牛養(yǎng)殖廢水的厭氧發(fā)酵處理對(duì)廢水的沉降、分層效果仍有一定作用。最節(jié)能并高效的低溫厭氧處理?xiàng)l件為15 ℃駐留時(shí)間4 d。

3）低溫條件下厭氧發(fā)酵的上清液可以通過(guò)75m孔徑篩，濾渣含量接近0%，干物質(zhì)含量在2.3%左右，糞大腸菌群數(shù)為360個(gè)/L，蛔蟲(chóng)卵死亡率>95%，可規(guī)模化處理養(yǎng)殖廢水并可通過(guò)噴灌滴灌系統(tǒng)進(jìn)行施肥、澆水，實(shí)現(xiàn)化肥減量化、有機(jī)肥料水肥一體化、淡水資源再利用。

4）低溫自然形成的厭氧污泥和長(zhǎng)期以36 ℃發(fā)酵條件馴化的購(gòu)買(mǎi)的顆粒狀污泥均具有產(chǎn)甲烷活性和對(duì)廢水進(jìn)行沉降的功能，但處理效率和活性具有顯著不同。微生物群落在門(mén)水平主要差別為門(mén)，在屬水平存在較大差異，可能受污泥環(huán)境溫度影響較大。

5）響應(yīng)面分析結(jié)果顯示15 ℃厭氧情況下，各因素對(duì)濁度的影響的主次順序?yàn)椋簳r(shí)間、pH值、進(jìn)水CODCr。

[1] 金要勇，孟海玲，劉再亮，等.奶牛養(yǎng)殖廢水厭氧出水的吹脫混凝處理試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，2(2)：384-390.

Jin Yaoyong, Meng Hailing, Liu Zailiang, et al. Treatment of anaerobic effluent of dairy wastewater by ammonia stripping-coagulation combination[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 2(2): 384-390. (in Chinese with English abstract)

[2] 范道春. 富油脂微藻和奶牛養(yǎng)殖廢水處理微藻的選育及研究[D]. 石家莊：河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)，2018.

Fan Daochun. Breeding and Research of Lipid-Enriched Microalgae and Microalgae Treating for the Dairy Cows Aquaculture Wastewater[D]. Shijiazhuang City: Hebei University of Economics and Business, 2018.

[3] 李慧卿，孫國(guó)龍，王桂鋒，等. 小麥玉米水肥一體化噴灌技術(shù)應(yīng)用效果初探[J]. 現(xiàn)代農(nóng)村科技，2018，6：49，88.

[4] 瞿小微，馮協(xié)壽，陳曉華，等. 微噴灌技術(shù)在機(jī)插水稻大棚育秧上的應(yīng)用[J]. 南方農(nóng)業(yè)，2019，13(3)：10-12.

[5] Chen Xiaojuan, Tang Rui, Wang Yulan, et al. Effect of ultrasonic and ozone pretreatment on the fate of enteric indicator bacteria and antibiotic resistance genes, and anaerobic digestion of dairy wastewater[J]. Bioresource Technology, 2021, 320: 124356.

[6] 周若琛. 規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖廢水處理研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Zhou Ruochen. Investigation of Scalable Wastewater Treatment of Diary Industry[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2016.

[7] 王兆凱，許光宇，紀(jì)榮平. 奶牛養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 污染防治技術(shù)，2019，32(4)：40-42，56.

Wang Zhaokai, Xu Guangyu, Ji Rongping. Research progress on treatment technology of dairy farm wastewater[J]. Pollution Control Technology, 2019, 32(4): 40-42, 56. (in Chinese with English abstract)

[8] Paulo Andr′e Cremonez, Joel Gustavo Teleken, Thompson Ricardo Weiser Meier, et al. Two-stage anaerobic digestion in agroindustrial waste treatment: A review[J]. Journal of Environmental Management, 2021, 281: 111854.

[9] Ji Siping, Ma Wuyi, Wei Qianwen, et al. Integrated ABR and UASB system for dairy wastewater treatment: Engineering design and practice[J]. Science of the Total Environment, 2020, 749: 142267.

[10] 王世偉，馬放，麻微微，等. 中低溫條件下牛糞秸稈混合沼氣發(fā)酵的研究[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2019，45(5)：20-24.

Wang Shiwei, Ma Fang, Ma Weiwei, et al. Study on mixed fermentation of straw and cattle manure under medium and low temperature[J]. Environmental Protection Science, 2019, 45(5): 20-24. (in Chinese with English abstract)

[11] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局, 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn): GB 18596-2001[S]. 北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1991.

[12] Carrier Vincent, Svenning Mette M, Grundger Friederike, et al. The impact of methane on microbial communities at marine arctic gas hydrate bearing sediment[J]. Frontiers in Microbiology, 2020, 11: 1932.

[13] Li Yu, Achinas Spyridon, Zhao Jing, et al. Co-digestion of cow and sheep manure: Performance evaluation and relative microbial activity[J]. Renewable Energy, 2020, 153: 553-563.

[14] Linn Solli, Othilde Elise H?velsrud, Svein Jarle Horn, et al. A metagenomic study of the microbial communities in four parallel biogas reactors[J]. Biotechnology for Biofuels, 2014, 7(1): 146.

[15] Alief Moulana, Rika E Anderson, Caroline S Fortunato, et al. Selection is a significant driver of gene gain and loss in the pangenome of the bacterial genus sulfurovum in geographically distinct deep-sea hydrothermal vents[J]. mSystems, 2020, 5(2): e00673-19.

[16] Koji Mori, Kaoru Yamaguchi, Satoshi Hanada. Sulfurovum denitrificans sp. nov., an obligately chemolithoautotrophic sulfur-oxidizing epsilonproteobacterium isolated from a hydrothermal field[J]. Microbiology Society, 2018, 68(7): 2183-2187.

[17] Dimitri V Meier, Petra Pjevac, Wolfgang Bach. Niche partitioning of diverse sulfur-oxidizing bacteria at hydrothermal vents[J]. The ISME Journal: Multidisciplinary Journal of Microbial Ecology, 2017, 11: 1545-1558.

[18] 代金平，陳競(jìng)，古麗·艾合買(mǎi)提，等. 羊糞低溫沼氣發(fā)酵細(xì)菌群落多樣性分析[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，53(10)：1885-1893.

[19] Sun Qinglei, Zhang Jian, Wang Minxiao. High-throughput sequencing reveals a potentially novel sulfurovum species dominating the microbial communities of the seawater-sediment interface of a deep-sea cold seep in South China Sea[J]. Microorganisms, 2020, 8(5): 687.

[20] Bok F A M, Stams A J M, Dijkema C, et al. Pathway of propionate oxidation by a syntrophic culture of Smithella propionica and Methanospirillum hungatei[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2001, 67(4): 1800-1804.

[21] Wawrik B, Marks C R, Davidova I A, et al. Methanogenic paraffin degradation proceeds via alkane addition to fumarate by “Smithella” spp. mediated by a syntrophic coupling with hydrogenotrophic methanogens[J]. Environmental Microbiology, 2016, 18(8): 2604-2619.

[22] Kovaleva O L, Merkel A Y, Novikov A A, et al. Tepidisphaera mucosa gen. nov., sp. nov., a moderately thermophilic member of the classin the phylum, and proposal of a new family, Tepidisphaeraceae fam. nov., and a new order, Tepidisphaerales ord. nov[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2015, 65: 549-555.

[23] Liwei S, Toyonaga Mayu, Ohashi Akiko, et al. Lentimicrobium saccharophilum gen. nov., sp. nov., a strictly anaerobic bacterium representing a new family in the phylum Bacteroidetes, and proposal of Lentimicrobiaceae fam. nov[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2016, 66: 2635-2642.

Influence of low-temperature anaerobic fermentation on sedimentation characteristics of dairy wastewater

Zhu Ruiqing1, Niu Yongyan1, Mao Ting1, Wang Zhiye1※, Yang Tao1, Ji Bin1, Liu Meiling2, Mu Yongsong3, Bai Huihui4

(1.,,,730000,; 2.,,730000,; 3..,.,734500,; 4.,,730000,)

Large volume of dairy wastewater has caused a great threat to the ecological environment, due to the difficulty to treat it. Traditional treatment requires more heating energy at the least temperature of 36℃. Alternatively, non-hazardous fertilizers are widely expected to treat wastewater, particularly easy soluble in water to transfer through dripping or spraying irrigation. However, the chemical fertilizers derived from wastewater contain many organic matters and nutrients, resulting in the blockage of spray nozzles. In this study, a feasible bio-treatment of dairy wastewater was proposed using the low-temperature anaerobic fermentation, thereby lowering energy consumption, while increasing the fluid permeability through dripping or spraying irrigation. The treated dairy wastewater was observed in the anaerobic fermentation at low temperatures (10-25 ℃) through an array of time points by no inoculants, as well as at a normal temperature of 36 ℃ by inoculants of granular anaerobic sludges. A full-length 16S rRNA gene sequencing was used to detect microbiological compositions. Response surface analysis was performed on fermentation parameters. The results showed that there was a significant influence of anaerobic fermentation under low temperature on the sediment characteristics of dairy wastewater. The sedimentation and layering performance of wastewater were significant under the condition of 9 days at 10 ℃, where the turbidity of supernatant was about 5. The most energy-efficient and economical condition was at 15 ℃ in the 4 d for the low-temperature anaerobic treatment. There was an average energy saving of 2 865 kW·h/d by l5 ℃ anaerobic fermentation with ambient temperature around 7.8 ℃, compared with fermentation at 36 ℃. Low-temperature anaerobic fermentation changed the sedimentation characteristics of wastewater over a longer time but with equal quality, where supernatant CODCrwas reduced to (2 627.8±548.1) mg/L, nitrogen to (565.2±79.5) mg/L, fecal coliforms to around 360 g/L, the residue ratio of the dry filter by mesh diameter 75m filters approximately to 0 %. The dry matter ratio of supernatant dropped from 18.9% to 2.3% after treatment, while a part of of wastewater was recycled as irrigation water, where the total nutrients (N+P2O5+K2O) content of supernatants were 1.744 9 g/L. The number of fecal coliforms reduced down to 360 g/L, while, the mortality ratio of ascarid egg was above 95%. Both granular and low-temperature sludges showed the treating functions of wastewater (methanogenesis and wastewater turbidity change), but with different efficiency, where 199 otu were detected in the anaerobic sludges via the full-length 16S rRNA gene sequencing, while 207 otu in the acclimatized granular anaerobic sludges, and 96 otu were common in both sludges.was a dominant species in the long-term (over 6 mon) low-temperature conditioned anaerobic sludges, while genus Sulfurovum dominated in inoculated granular anaerobic sludges. In the study site with the mean annual temperature of 4.1 ℃, low-temperature (15 ℃) anaerobic fermentation saved much more energy consumption than the thermal anaerobic fermentation (36 ℃). The supernatant could transmit through to the nuzzle irrigation, the environmental non-hazardous proxies met with the discharge requirements of the national standard. The finding can provide a potential application for future recycling in agriculture and sustainable development.

fermentation; organic substance; turbidity; low-temperature anaerobic fermentation; dairy wastewater; organic liquid fertilizer; circular agriculture

朱瑞清，牛永艷，毛婷，等. 低溫厭氧發(fā)酵對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水沉降特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：224-230.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.026 http://www.tcsae.org

Zhu Ruiqing, Niu Yongyan, Mao Ting, et al. Influence of low-temperature anaerobic fermentation on sedimentation characteristics of dairy wastewater[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 224-230. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.026 http://www.tcsae.org

2020-11-23

2021-02-10

甘肅省科學(xué)院應(yīng)用研發(fā)項(xiàng)目（2018JK-04）；甘肅省科學(xué)院產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（2019CY-04）；甘肅省自然科學(xué)基金（20JR10RA027）

朱瑞清，博士，副研究員，研究方向?yàn)榄h(huán)境微生物相關(guān)。 Email：153380101@qq.com

王治業(yè)，研究員，研究方向?yàn)槲⑸镔Y源開(kāi)發(fā)。 Email：zhiye_wang@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.026

X713

A

1002-6819(2021)-05-0224-07