豬糞秸稈沼液短程硝化反硝化快速啟動及穩(wěn)定運行研究

高興東，陳楊武，付世玉，董世陽，周后珍，羅婭君，譚周亮*

（1.中國科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041；2.綿陽師范學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，四川 綿陽 621000）

隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一[1]。2014 年，我國豬場糞污的排放總量達到了1.1×107t[2]，這些污染物若不經(jīng)妥善處理就直接排放，會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，其中NH3-N 污染尤其突出[3-4]。同時，作為農(nóng)業(yè)大國，每年有超過7 億t 的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生，近年來，秸稈綜合利用受到廣泛關(guān)注，但依舊存在秸稈收集困難、還田成本高、利用率低、收儲體系不健全等問題[5]。研究表明，畜禽糞便與農(nóng)作物秸稈混合發(fā)酵可使有機物降解更徹底，從而提高甲烷產(chǎn)量[6-7]。因此，將畜禽糞污與農(nóng)作物秸稈進行聯(lián)合發(fā)酵已逐漸成為近年來的研究熱點[8-10]。通過畜禽糞污與農(nóng)作物秸稈的混合發(fā)酵，一方面可實現(xiàn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，另一方面發(fā)酵產(chǎn)生的沼液沼渣具有豐富氮、磷、鉀及有機質(zhì)養(yǎng)分，可用作農(nóng)田灌溉，這樣既可再利用能源，又解決了環(huán)境污染問題。

盡管畜禽糞污與農(nóng)作物秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)生的沼液可用于農(nóng)田灌溉，但土地利用對沼液的需求具有周期性，而畜禽糞便的產(chǎn)生是連續(xù)的，因此存在沼液供需不平衡問題。四川省是我國畜禽養(yǎng)殖大省，糞污產(chǎn)量大，導(dǎo)致其耕地氮污染負荷達202.98 kg·hm-2，遠高于全國平均水平[11]。通過農(nóng)田灌溉尚不能有效解決沼液的消納問題。近年來，異位發(fā)酵床以其無排污、異味輕、占地少、效率高等特點在畜禽養(yǎng)殖糞污處理中獲得了廣泛應(yīng)用，這一定程度上提升了畜禽糞污無害化處理與綜合利用率。然而，目前關(guān)于異位發(fā)酵床在墊料高度、發(fā)酵時間與重金屬富集、鹽漬化、抗生素殘留等方面的研究十分缺乏，對于其發(fā)酵產(chǎn)物是否可直接還田利用仍存在較大爭議[12]。因此，在當(dāng)前集約化養(yǎng)殖的現(xiàn)狀條件下，對部分沼液廢水進行無害化處理顯得十分必要。沼液的達標(biāo)處理以生化法為主，處理工藝包括厭氧、好氧以及厭氧-好氧組合處理等工藝。然而，傳統(tǒng)的生化處理工藝存在運行不穩(wěn)定、脫氮效率低、運行成本高等問題[13-15]，對于低成本、運行穩(wěn)定、可操作性強的生物脫氮技術(shù)的探索迫在眉睫。

近年來，短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等一批新型高效脫氮技術(shù)受到廣泛關(guān)注并成為研究熱點。其中，短程硝化反硝化技術(shù)是將硝化反應(yīng)控制在 NO-2-N 階段，不進行 NO-2-N 至 NO-3-N 的轉(zhuǎn)化，直接進行反硝化反應(yīng)[16]，縮短了反應(yīng)歷程，因此較傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，如降低25%曝氣量、節(jié)省40%碳源、減小污泥產(chǎn)量、降低堿度投加量以及縮短反應(yīng)時間等[17]。一般認為，大于50%的NO-2-N積累率是短程硝化成功的標(biāo)志。當(dāng)前，國內(nèi)外利用氨氧化細菌（AOB）與亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的生長性狀差異，通過控制運行條件逐漸淘汰NOB，富集AOB等策略，已經(jīng)成功實現(xiàn)短程硝化反硝化的啟動[18-24]。短程硝化的實現(xiàn)關(guān)鍵在于富集AOB、淘汰或抑制NOB 的生長，但在自然環(huán)境中，NOB 相比 AOB 更易于生長[21]，難以形成短程硝化，因此需對微生物生長環(huán)境進行適當(dāng)調(diào)控，短程硝化反硝化才能得以實現(xiàn)。目前的主要調(diào)控策略為直接向系統(tǒng)接種活性污泥然后通過溶解氧（DO）、pH、氨濃度等條件控制，逐漸實現(xiàn)亞硝態(tài)氮的積累，從而實現(xiàn)短程硝化反硝化,但啟動時間普遍較長，如趙晴等[25]對垃圾滲濾液中試短程硝化工藝的啟動時間為60 d；穆劍楠[26]以厭氧污泥為種泥，29 d內(nèi)實現(xiàn)了短程硝化啟動；Blackburne 等[27]通過曝氣和抑制劑雙重控制，經(jīng)70 d實現(xiàn)了短程硝化。生物強化是通過向系統(tǒng)投加優(yōu)勢菌種，以提高系統(tǒng)處理能力的方法，具有縮短微生物馴化培養(yǎng)時間、強化污染物去除等優(yōu)點，在廢水處理中已顯示出其獨特的作用[28]。本實驗室前期利用生物強化技術(shù)在煉油廢水、苯胺廢水等難降解有機廢水處理中也取得了良好的效果[29-30]。基于此，本文采用泥膜一體化處理系統(tǒng)（IFAS，主體工藝為A/O 工藝）處理豬糞秸稈厭氧沼液，考察了實驗室自制菌劑（氨氧化菌劑、反硝化菌劑）在沼液短程硝化反硝化快速啟動過程中的應(yīng)用效果，探究了整個運行期間系統(tǒng)的硝化菌豐度變化情況，并評估了生物強化作用下系統(tǒng)的短程硝化反硝化性能，旨在為實際廢水的短程硝化反硝化快速啟動及穩(wěn)定運行提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 短程硝化反硝化菌劑制備

1.1.1 菌劑培養(yǎng)裝置及接種物來源

氨氧化菌劑、反硝化菌劑的制備均在SBR 反應(yīng)器（有效容積50 L）中完成。其中，氨氧化菌劑制備裝置配有曝氣泵，反硝化菌劑制備裝置配有攪拌器。制備氨氧化菌劑的接種物為四川省綿陽市某生活污水處理廠好氧處理單元中的活性污泥，制備反硝化菌劑的接種物由實驗室已馴化獲得的反硝化菌劑經(jīng)活化而來。

1.1.2 菌劑的制備

分別采用人工合成硝化培養(yǎng)基[31]、反硝化培養(yǎng)基[32]來制備氨氧化菌劑與反硝化菌劑，微量元素的配制參考Chen等[33]的方法。

氨氧化菌劑制備：控制SBR 反應(yīng)器運行條件為pH 7.5～8.5、DO 0.5～7.0 mg· L-1，培養(yǎng)溫度 15～20 ℃，NH3-N 濃度保持在80～150 mg·L-1。菌劑制備過程可分為3 個階段，分別為：1～5 d，活性恢復(fù)；6～7 d，NOB活性抑制；8～12 d，AOB 快速生長。最終，在第12 d，氨氧化速率達到積累率達到了69.6%，意味著氨氧化菌劑的制備成功（圖1A）。

反硝化菌劑制備：控制SBR 反應(yīng)器運行條件為pH 8.0～8.5、DO＜0.2 mg·L-1，培養(yǎng)溫度15～20 ℃，進水濃度隨其降解效果逐漸提高，濃度范圍為50～600 mg·L-1。原反硝化菌劑效果較好，在第1 d 時去除速率即達到23.24 mg·L-1·h-1，整個馴化過程中平均去除速率為平均去除率達到98.85%（圖1B）。

1.2 一體化IFAS工藝啟動運行

1.2.1 一體化裝置組成及工藝流程

試驗所用裝置為長4.6 m、寬1.8 m、高2.0 m 的泥膜一體化反應(yīng)器（IFAS），其主體工藝為A/O 工藝，裝置主要包括主箱體和設(shè)備間。主箱體主要是工藝流程中各個階段的反應(yīng)池；反應(yīng)池主要包括調(diào)節(jié)池、初沉池、缺氧池、好氧池和豎流沉淀池，缺氧池有效容積為2.7 m3，好氧池有效容積為4.3 m3，缺氧池和好氧池掛有組合填料，缺氧池攪拌方式為穿孔曝氣攪拌。設(shè)備間放置進水泵、回流泵、風(fēng)機與電控柜；電控柜可對各用電設(shè)備進行自動化控制，工藝流程見圖2。

1.2.2 一體化裝置的啟動及穩(wěn)定運行

短程硝化反硝化啟動策略為缺氧池、好氧池先獨立啟動，后聯(lián)合運行。分別將120 L 氨氧化菌劑和40 L 反硝化菌劑潑灑到好氧池和缺氧池的填料上，控制好氧池 DO 6.0～8.0 mg· L-1，pH 6.9～7.8；缺氧池 DO 0.2～0.5 mg·L-1，pH 7.8～8.6，進水由人工培養(yǎng)基逐漸向?qū)嶋H秸稈豬糞混合發(fā)酵沼液廢水轉(zhuǎn)變，最后實現(xiàn)連續(xù)進水并開啟混合液回流，完成啟動；系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，進豬糞秸稈沼液水0.7 m3·d-1，控制混合液回流比300%，水力停留時間為10 d，污泥齡為10 d，好氧池 DO 0.5～2.0 mg·L-1，缺氧池 DO 0.2～0.5 mg·L-1，好氧池、缺氧池pH 為7.5～8.0，整個運行期間，水溫為25～30 ℃。秸稈豬糞混合發(fā)酵沼液廢水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 沼液水質(zhì)（mg·L-1）Table 1 Characteristics of slurry（mg·L-1）

一體化裝置缺氧池、好氧池中單位體積的污染物去除量計算：

式中：ro、rA分別為缺氧池、好氧池單位體積污染物去除量，mg·L-1；CI為進水污染物濃度，mg·L-1；CA為好氧池污染物濃度，mg·L-1；CO為缺氧池污染物濃度，mg·L-1；R為回流比。

1.3 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

活性污泥和生物膜樣品均取自一體化裝置的中間位置，活性污泥取樣后立即在5 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min，棄上清液，將污泥樣品轉(zhuǎn)移到10 mL 滅菌離心管，置于冰盒中送至實驗室-80 ℃冰箱保存；生物膜樣品從填料上剪取后置于10 mL 滅菌離心管，然后置于冰盒中送至實驗室-80 ℃冰箱保存。樣品總細菌DNA 的提取采用MoBio 土壤基因組DNA 強力提取試劑盒進行提取，提取過程嚴(yán)格按照試劑盒說明書進行操作。在此基礎(chǔ)之上，取20 μL基因組DNA樣品進行高通量測序。高通量測序序列結(jié)果采用QIIME Pipeline-Version 1.7.0 進行處理，測序序列經(jīng)過序列拼接、質(zhì)量控制、去嵌合體和重抽樣等過程處理后進行后續(xù)處理過程，對高質(zhì)量序列進行OTU 挑選、OTU 代表性序列的物種注釋等生成OTU 表，用于下游物種的相對豐度分析。

1.4 檢測指標(biāo)及分析方法

COD、NH3-NTN 等指標(biāo)測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[34-35]，pH、DO、溫度用哈希便攜式多功能水質(zhì)測定儀（HQ40D）進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 一體化裝置的快速啟動

本研究短程硝化反硝化啟動時間為17 d，由于前期菌劑制備階段就已經(jīng)完成了AOB 的富集，獲得高濃度的高效菌劑，因此本研究啟動時間短于類似研究。如陳曉軒等[36]采用SBR 工藝在第61 d 完成了模擬廢水的短程硝化啟動。張昭等[37]對小試規(guī)模的SBR短程硝化反硝化研究中，啟動第20 d，系統(tǒng)積累率達到80%，氨氧化率超過70%。Gu等[20]通過中試規(guī)模SBR 反應(yīng)器，采用控制曝氣和pH 的策略，在40 d內(nèi)完成了短程硝化啟動。因此，相比直接接種活性污泥來實現(xiàn)反應(yīng)器的啟動，投加菌劑可有效縮短短程硝化反硝化工藝的啟動時間。

2.2 一體化裝置穩(wěn)定運行效果

穩(wěn)定運行期間，系統(tǒng)平均進水COD 11 302.0 mg·L-1，平均出水COD 889.1 mg·L-1（圖4A）。COD 平均去除率為92.1%，平均有機負荷為1 040.0 mg·L-1·d-1。小試研究證明，即使延長水力停留時間出水COD 值也不再降低（數(shù)據(jù)未給出），說明出水中較高的COD主要由難降解有機物組成，這是因為沼液發(fā)酵原料主要為玉米秸稈，含有大量的木質(zhì)素、纖維素等難降解有機物，不易被微生物利用[38]。研究指出，白腐霉等真菌對秸稈中木質(zhì)素等難降解有機物具有良好的降解效果[39-40]，因此，對此類廢水，可嘗試在啟動階段接種白腐菌，以提高COD去除率。

如圖4B 所示，系統(tǒng)平均進水NH3-N 670.5 mg·L-1，平均出水 NH3-N 20.4 mg·L-1，NH3-N 平均去除率為 97.0%，好氧池平均 NH3-N 負荷為110 mg·L-1·d-1，氨氮去除效果良好。進水NH3-N 濃度總體呈現(xiàn)上升趨勢，而出水NH3-N 濃度則隨進水COD、NH3-N 的波動而產(chǎn)生波動，如第2～4 d 進水NH3-N 上升明顯，導(dǎo)致出水NH3-N 從第3 d 開始上升，到第5 d 達到最高值66.8 mg·L-1，但出水NH3-N 仍可滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596—2001）中氨氮的限值（80 mg·L-1），說明IFAS 系統(tǒng)在處理沼液廢水時抗沖擊能力較強。

系統(tǒng)進水 TN 濃度平均為 751.2 mg·L-1，出水 TN濃度平均為72.3 mg·L-1（圖4C），系統(tǒng)對TN 的去除率呈現(xiàn)上升趨勢，由最初81.8%上升到最后的93.0%，平均去除率達到90.1%。穩(wěn)定階段進水碳氮比為15，反硝化碳源充足，所以系統(tǒng)對TN 的去除效果良好。本系統(tǒng)在穩(wěn)定階段并沒有污泥回流，則A/O 工藝的理論脫氮率應(yīng)為r/（1+r），r為混合液回流比，%。本階段r為300%，則理論脫氮率應(yīng)為75%，但是實際脫氮率90.1%，遠高于理論脫氮率，這與吳昌永[41]的研究一致，可能的原因有：微生物同化，一部分氮被固定到微生物體內(nèi)；同步硝化反硝化途徑去除，而本階段好氧池 DO 0.5～2.0 mg·L-1，缺氧池 DO 小于 0.5 mg·L-1，此外系統(tǒng)填充的填料可為不同微生物創(chuàng)造不同生態(tài)位，缺氧池與好氧池均滿足同步硝化反硝化脫氮條件。盧陽陽[42]的研究表明，控制溶解在1.4～1.6 mg·L-1范圍內(nèi)，可取得良好的同步硝化反硝化效果。

目前，國內(nèi)外針對高氨氮廢水的短程硝化反硝化開展了較為廣泛的研究。如趙明[44]采用A/O-MBR 工藝對養(yǎng)豬沼液的處理研究中，COD、NH3-N 的去除率分別為70.6%和99.4%，但TN 去除率則低于30%。Hou 等[45]實現(xiàn)了模擬廢水的短程硝化反硝化處理，NH3-N和TN的去除率分別是94.6%和82.6%，且證明短程硝化反硝化與同等條件的全程硝化反硝化相比，TN 去除率提高55%。由上可知，本研究與同類研究相比具有更高效的污染物去除效果，說明IFAS 工藝與生物強化適用于沼液廢水中污染物的強化處理。

在整個運行過程中，IFAS 系統(tǒng)的混合液回流比為300%，污泥回流未開啟，如圖5 所示，缺氧池、好氧池對 NH3-N 的平均去除量分別為 109.5、56.9 mg·L-1·d-1，缺氧池、好氧池對NH3-N 去除貢獻分別為65.8%和34.2%，尤其到運行后期（7～10 d）系統(tǒng)90%以上的NH3-N 去除發(fā)生在缺氧池。該結(jié)果與A/O 工藝的缺氧反硝化、好氧硝化理論不相符。一方面，本系統(tǒng)缺氧池生物量高于好氧池。另一方面，雖然缺氧池DO基本都小于0.5 mg·L-1，但缺氧池攪拌方式為曝氣攪拌，曝氣過程中給缺氧池帶進去大量溶解氧，使得NH3-N 在AOB 作用下發(fā)生了短程硝化反應(yīng)，這使缺氧池AOB 得到大量繁殖，而到后期缺氧池AOB 數(shù)量越來越多，導(dǎo)致在缺氧池NH3-N降解基本完成；TN去除方面，缺氧池、好氧池對TN 的平均去除量分別為137.3、37.1 mg·L-1·d-1，兩者對 TN 去除的貢獻分別占比78.6%和21.4%。整體而言，TN 的去除發(fā)生在缺氧池，可能是由于缺氧池中反硝化、同步硝化反硝化甚至微生物同化共同作用的結(jié)果。此外，好氧池中填充有填料，填料生物膜厚度較大，氧氣傳遞存在梯度，導(dǎo)致膜內(nèi)部溶解氧濃度較低，滿足了同步硝化反硝化微觀理論的條件，故好氧池中也貢獻了部分TN的去除。這與潘松青等[46]采用A/O 生物膜-活性污泥法處理養(yǎng)豬廢水時發(fā)現(xiàn)缺氧池好氧池均存在TN 的去除，且同步硝化反硝化作用主要發(fā)生在缺氧池的研究結(jié)論一致。

2.3 啟動過程中硝化細菌豐度變化

IFAS 系統(tǒng)啟動前后硝化細菌（AOB、NOB）的相對豐度如表2 所示。裝置啟動第1 d，缺氧池硝化細菌相對豐度均為0，即缺氧池中不存在硝化細菌，這是因為缺氧池采用培養(yǎng)的反硝化菌劑進行啟動，所以初始的菌群中無AOB 及NOB 的存在；裝置啟動成功后，16 d 混合液回流完全開啟，好氧池的硝化菌群會有部分轉(zhuǎn)移至缺氧池，但缺氧池污泥和膜上均未檢測到NOB 的存在，說明缺氧池中的運行條件能夠很好的維持短程硝化過程。

表2 啟動階段硝化細菌相對豐度（%）Table 2 Nitrifier abundance in anoxic and aerobic tanks during start-up stage（%）

好氧池通過添加氨氧化菌劑啟動，啟動初期菌劑中除了 AOB（Nitrosomonas 和 Nitrosococcus），還檢測到了 NOB（Nitrospira），且 NOB 豐度比 AOB 豐度更高[NOB（/AOB+NOB）=57.1%]，推測氨氧化菌劑制備過程中NOB 只是活性被抑制，并未被淘汰；裝置啟動成功后，好氧池中未檢測到NOB，表明此時NOB 在裝置中被完全淘汰；與此同時，生物膜上AOB 的豐度由0.003 6%上升至0.014 3%，增長至原來的4 倍，而污泥中AOB 的豐度僅為0.003 1%，說明硝化作用主要在生物膜上完成。此外，缺氧池與好氧池濃度平均值分別為 3.7、4.4 mg·L-1，且好氧池 NH3-N 濃度16～23 d由190.5 mg·L-1下降至20.7 mg·L-1，表明裝置短程硝化效果較好。

3 結(jié)論

（1）本研究采用泥膜一體化反應(yīng)器系統(tǒng)處理豬糞與秸稈混合發(fā)酵沼液，通過添加氨氧化菌劑與反硝化菌劑，缺氧池與好氧池先分別獨立啟動，后聯(lián)合運行的策略，17 d 內(nèi)實現(xiàn)短程硝化反硝化的啟動，證實了生物強化在沼液短程硝化反硝化快速啟動過程中的應(yīng)用潛力。

（3）分子生物學(xué)結(jié)果表明，亞硝酸鹽氧化細菌存在于氨氧化菌劑中，僅是活性被抑制，在反應(yīng)器連續(xù)運行后，亞硝酸鹽氧化細菌逐漸被淘洗出系統(tǒng)。綜上，本研究中采用的泥膜一體化反應(yīng)器工藝及其運行條件利于沼液短程硝化反硝化過程的穩(wěn)定維持，可為實際沼液短程硝化反硝化處理提供技術(shù)支撐。