畜禽養(yǎng)殖廢水厭氧氨氧化脫氨處理

杜 明

（上海新農(nóng)科技股份有限公司，上海 201600）

中國是世界上最早發(fā)展畜牧業(yè)的國家，根據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，中國的野生動(dòng)物馴化起源于大約1 萬年前的中石器時(shí)代。新中國成立50 多年來，我國畜牧業(yè)發(fā)展的成績斐然。尤其是20 多年來，隨著國家和國務(wù)院的各項(xiàng)方針政策的深入實(shí)施，我國畜牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，主要畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量連續(xù)20 年保持10%左右的速度增長。1980～1998 年，全國肉品、蛋品、奶的年均增長8.7%、12.1%、9.9%。2004 年，中國畜牧業(yè)克服了諸多不利因素，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。

1 畜禽養(yǎng)殖廢水氧氨氧化脫氨處理的背景

隨著養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖污水對(duì)環(huán)境的影響越來越大，但目前對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水的治理仍停留在有機(jī)物的脫除上，目前最常見的處理方式是厭氧- 好氧復(fù)合技術(shù)，該技術(shù)基本滿足了畜禽養(yǎng)殖廢水的排放要求；但是，從環(huán)保角度來說，這種方法并不能完全消除它對(duì)環(huán)境的污染，因?yàn)樗粫?huì)把NH4+-N 變成NO3--N，而不會(huì)從污水中真正地除去。目前還沒有一種經(jīng)濟(jì)高效的方法來消除造成水體富營養(yǎng)化的N、P 等營養(yǎng)物質(zhì)。傳統(tǒng)的硝化/反硝化技術(shù)在一定程度上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于對(duì)硝化、反硝化等環(huán)境的不同需要，處理工藝復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高；此外，反硝化工藝需要有機(jī)碳，這與前續(xù)厭氧好氧工藝對(duì)有機(jī)物的降解程度是背道而馳的，在反硝化工藝中加入碳源不僅會(huì)提高生產(chǎn)成本，而且隨著有機(jī)碳源的增多，也會(huì)導(dǎo)致出水中CODcr含量達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。研究出一條能夠高效地去除有機(jī)碳和氮?dú)獾酿B(yǎng)殖污水治理技術(shù)，是解決畜牧業(yè)快速發(fā)展和環(huán)境污染問題的關(guān)鍵。

2 畜禽養(yǎng)殖廢水氧氨氧化脫氮處理的研究內(nèi)容

2.1 ANAMMOX 反應(yīng)器啟動(dòng)研究 以養(yǎng)殖污水作為種泥，采用模擬污水進(jìn)行了厭氧氨氧化反應(yīng)器的研究。通過調(diào)節(jié)入水NH4+- N 與NO2w-N 的比例，以進(jìn)行厭氧氨氧化，再將養(yǎng)殖污水經(jīng)厭氧一次硝化處理后，再添加相同濃度的有機(jī)物，探討在一定濃度的有機(jī)碳情況下，厭氧氨氧化脫氮的最佳效果和操作條件。

2.2 SHARON 反應(yīng)器的運(yùn)行條件研究 采用水解酸化一厭氧工藝，對(duì)養(yǎng)殖污水進(jìn)行了預(yù)處理，并對(duì)其進(jìn)行了操作條件和滯留時(shí)間的調(diào)節(jié)，以使出水達(dá)到了厭氧氨氧化啟動(dòng)試驗(yàn)所需的最佳NO2--N/NH4+-N比。

2.3 ANAMMOX 反應(yīng)器處理養(yǎng)殖廢水馴化研究

通過對(duì)養(yǎng)殖污水進(jìn)行亞硝化處理，調(diào)節(jié)NO2--N/NH4+- N 的配比，然后進(jìn)行人工模擬污水培養(yǎng)成熟的厭氧氨氧化反應(yīng)器。

2.4 亞硝化、反硝化、硝化、厭氧氨氧化細(xì)菌群落研究 根據(jù)微生物手冊，可以識(shí)別出不同的微生物類型，并在不同的階段發(fā)揮重要作用，從而選擇合適的操作條件。

3 畜禽養(yǎng)殖廢水中實(shí)驗(yàn)工藝的優(yōu)化

3.1 畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的問題 目前，在養(yǎng)殖污水的設(shè)計(jì)與施工中，對(duì)有機(jī)污染物的脫除已經(jīng)達(dá)到了不會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響的水平，但是缺少一種經(jīng)濟(jì)、高效的脫氮技術(shù)。大多數(shù)養(yǎng)殖廢水的脫氮工藝采用常規(guī)的硝化/反硝化技術(shù)，由于好氧和缺氧的交替進(jìn)行，處理過程復(fù)雜，操作成本較高，常規(guī)的養(yǎng)殖企業(yè)難以承擔(dān)其高昂的運(yùn)營成本，導(dǎo)致現(xiàn)有的污水處理設(shè)施不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；另一方面，反硝化工藝要求有機(jī)物質(zhì)作為碳源，在處理前續(xù)厭氧、好氧處理后，廢水中可生物利用的有機(jī)物數(shù)量較少，難以進(jìn)行后續(xù)的反硝化，導(dǎo)致出水的硝態(tài)氮含量較高。目前，針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水脫氮、脫氮的新技術(shù)進(jìn)行了大量的探索，為解決目前我國畜禽養(yǎng)殖污水脫氮、反硝化技術(shù)存在的問題，目前尚處在探索階段，尚需進(jìn)一步研究。

3.2 養(yǎng)殖廢水處理工藝的優(yōu)化 傳統(tǒng)的養(yǎng)殖廢水處理方法主要是對(duì)廢水中的有機(jī)物、NH3-N 進(jìn)行脫除，而對(duì)深度惡化營養(yǎng)鹽的去除則很少；隨著水體環(huán)境的惡化，資源的匱乏，水體中N、P 營養(yǎng)鹽的去除是水體治理中必不可少的環(huán)節(jié)。

工藝1：采用常規(guī)硝化法和反硝法相結(jié)合的方法，對(duì)畜禽養(yǎng)殖污水進(jìn)行了預(yù)厭氧- 好氧處理，使其能夠生物利用的有機(jī)物得到充分的利用，為了確保反硝化的進(jìn)行，在進(jìn)入低氧階段的同時(shí)，添加一定數(shù)量的可生物利用的有機(jī)物質(zhì)。該技術(shù)在正常條件下可以有效地解決養(yǎng)殖污水對(duì)水體的污染，但是由于兩個(gè)階段的好氧處理和低氧階段的生物碳源的補(bǔ)充，使得養(yǎng)殖污水的處理成本較高，不是普通養(yǎng)殖場能夠負(fù)擔(dān)得起的。

工藝2：采用前持續(xù)低氧- 好氧技術(shù)，可以充分去除有機(jī)物，同時(shí)采用好氧反應(yīng)器的混合污泥回流，不但可以降低污泥的產(chǎn)生量，還可以在充分利用入水的有機(jī)物的情況下，脫氮、磷等。一部分好氧后的混合液回流到低氧區(qū)域進(jìn)行反硝化，另一部分經(jīng)過污泥和水的分離，再進(jìn)入下一步的工藝過程。

3.3 畜禽養(yǎng)殖廢水的實(shí)驗(yàn)研究說明 由于養(yǎng)殖廢水在有機(jī)污染物的去除方面已經(jīng)取得了很好的效果，尤其是厭氧處理后，出水的生物利用率已經(jīng)很低了，所以，就并沒有考慮上一次的水解酸化和UASB 厭氧反應(yīng)器的操作。目前，關(guān)于SHARON 和ANAMMOX 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)很多，但是在實(shí)際中的應(yīng)用并不多，尤其是在有有機(jī)物的環(huán)境中，關(guān)于這兩種方法的研究更是寥寥無幾，所以我們選擇了在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行小試操作。

4 畜禽養(yǎng)殖廢水中厭氧氨氧化啟動(dòng)及運(yùn)行研究

4.1 ANAMMOX 啟動(dòng)階段對(duì)氨氮的去除 在啟動(dòng)初期，污水NH4+- N 并沒有被除去，而是增加了，這是因?yàn)榻臃N的污泥是反硝化污泥，而反硝化污泥是一種異養(yǎng)性的微生物，進(jìn)入?yún)捬醢毖趸瘑?dòng)后，進(jìn)水沒有任何有機(jī)物，異養(yǎng)菌可以降解污泥中的有機(jī)物，也可以通過內(nèi)源呼吸來維持生命。從第18 天起，出水NH4+- N 的濃度下降，在后續(xù)的培養(yǎng)期間，NH4+- N 的脫除率持續(xù)上升，75d 后，NH4+- N 的脫除率約為80%，并且NH2--N、NH4+- N 的濃度相對(duì)穩(wěn)定，說明該反應(yīng)器已經(jīng)成功地啟動(dòng)了。為確定反應(yīng)器的脫氮負(fù)載，在接下來的一段時(shí)間內(nèi)，連續(xù)提高入水中NH2--N 和NH4+- N 的濃度，并隨入水中NH2--N 和NH4+- N 濃度的升高而提高。在連續(xù)30d后，出水NH4+- N 的濃度低于35mg/L 以下，NH4+-N 的去除率為93%。

4.2 ANAMMOX 啟動(dòng)階段對(duì)亞硝氮的去除 在開始操作的15d 中，排放的NH2--N 的濃度很低，最低為4mg/L，這可能是由于接種的淤泥不完全，淤泥中的有機(jī)物含量很高，此外，由于底板的變化，一部分自養(yǎng)菌會(huì)產(chǎn)生內(nèi)源呼吸分解產(chǎn)生的碳源，而反硝化菌則有足夠的碳源來分解NH2--N，而在反應(yīng)器中，隨著有機(jī)物質(zhì)的完全分解，NH2--N 的去處率也隨之下降，直到第18 天，反應(yīng)器中的NH2--N 的去除率只有25%，這主要是由于操作期間反應(yīng)器中的厭氧氨氧化細(xì)菌數(shù)量不多，反硝化菌由于碳源不足而導(dǎo)致的。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，反應(yīng)器內(nèi)的厭氧細(xì)菌數(shù)目增多，NH2--N 的去除量也隨之增大，在第123 天時(shí)，NH2--N 的濃度為490mg/L，30d 后，其去除率約為95%，并比較穩(wěn)定。

4.3 有機(jī)碳存在條件下AAMMOX 反應(yīng)器的運(yùn)行AMAMMOX 反應(yīng)器在有機(jī)碳環(huán)境下的操作穩(wěn)定性、脫除污染物的規(guī)律是一個(gè)不確定因素，為了解有機(jī)物對(duì)AMAMOX 反應(yīng)的影響、去除規(guī)律和操作條件，在AMAMMOX 反應(yīng)器成功啟動(dòng)后，將葡葡糖加入倒進(jìn)水中，將CODcr 提高至180mg/L（理論上，CODcr 要達(dá)到180 mg/L，理論上需要在水中加入葡萄糖168.75mg/L)，從而使反應(yīng)器工作。為了測定最優(yōu)進(jìn)水NH2--N/NH4+- N 的比值，首先根據(jù)理論上的計(jì)算，假設(shè)進(jìn)水的溶解氧/ 氧濃度為0.5 mg/L，所有的溶解氧都會(huì)被氨氮和氨氮分解，而進(jìn)入水中的葡萄糖則會(huì)被反硝化菌用來反硝化，好氧氨氧化反應(yīng)式為：

4.4 ANAMMOX 反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物去除情況 當(dāng)進(jìn)入水體時(shí)，有機(jī)污染物的去除率較低，但是COD的去除率迅速上升，145d 時(shí)，CODcr 濃度為92.5%，出水CODcr 值為13.5mg/L。在進(jìn)入水體之前，反應(yīng)器是在有機(jī)物質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而當(dāng)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入水體后，短時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到很高的去除率，這表明在生物多樣性不足的情況下，微生物可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)活力。在210d 時(shí)，由于反應(yīng)器進(jìn)水增加了水力滯留時(shí)間，因此，在進(jìn)水之前，反應(yīng)器出水CODcr 基本保持不變，這表明，在進(jìn)入反應(yīng)器之前，有機(jī)物被除去，而剩余的有機(jī)物大多為難降解的有機(jī)物，在這種情況下，再過一段時(shí)間也不會(huì)下降。

5 畜禽養(yǎng)殖廢水亞硝化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

5.1 溶解氧變化對(duì)亞硝化反應(yīng)的影響 反應(yīng)器在30℃、pH7.0、水力停留時(shí)間1d、反應(yīng)溶解氧濃度0.6mg/L 時(shí)能成功地啟動(dòng)，且NH2--N 的累積率保持在很高水平，但這并不是最好的反應(yīng)條件。在不同的條件下，控制反應(yīng)液溶氧可以有效地抑制硝化反應(yīng)，促進(jìn)NH2--N 的高積累，這將直接影響到后續(xù)的厭氧氨氧化的發(fā)生，所以，在反應(yīng)器啟動(dòng)后，在其它條件不變的前提下，調(diào)整曝氣量，以達(dá)到亞硝化反應(yīng)的最佳溶氧濃度。

5.2 pH 變化對(duì)亞硝化反應(yīng)的影響 在30℃，pH7.0，水力停留1d，曝氣量0.04m3/h（溶解氧濃度0.3mg/L）的情況下，調(diào)節(jié)反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性。優(yōu)化的反應(yīng)pH 是通過增加反應(yīng)器的pH 值而進(jìn)行的。目前已有的研究表明，最佳的亞硝化反應(yīng)條件是在中性偏堿性環(huán)境下進(jìn)行的，故本實(shí)驗(yàn)從pH7.0 起，每增加0.5%，調(diào)節(jié)連續(xù)工作4d，以確保反應(yīng)器的穩(wěn)定工作。通過測定出水NH2--N、NO3--N 的濃度以及NH2--N/NO3--N 的比值，可以反映出不同的pH 值對(duì)亞硝化的影響。

5.3 溫度對(duì)亞硝化反應(yīng)的影響 硝化菌的最佳反應(yīng)溫度與其最佳反應(yīng)溫度相差較大，應(yīng)盡量將硝化反應(yīng)控制在亞硝化反應(yīng)中，而限制了硝化反應(yīng)的進(jìn)行。結(jié)果表明：在5～20℃內(nèi)硝化菌比亞硝化菌的生長速度更快，氨氮被完全氧化成氨態(tài)氨，而在溫度升高時(shí)，其生長速度會(huì)比硝化菌的生長速度更快，而在30℃以上，硝化菌的生長速度和活力都會(huì)被抑制，會(huì)在水體中產(chǎn)生NH2--N。5～30℃時(shí)，硝化率隨10℃的上升而增大。在40℃的條件下，氨氮的去除率逐漸降低，通常認(rèn)為30～40℃是最好的反應(yīng)溫度。

6 畜禽養(yǎng)殖廢水處理過程中污泥的細(xì)菌群落

6.1 亞硝化反應(yīng)污泥顯微觀察 亞硝酸菌是一種以無機(jī)能為主要養(yǎng)分的革藍(lán)氏陰性菌。亞硝酸菌按其表型特征、細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞膜的分布、16 sRNA 序列的同源性等進(jìn)行了分類?！恫苁霞?xì)菌系統(tǒng)分類學(xué)》于1984～1989 年出版，將硝化菌分成九屬：硝化菌屬、硝化刺菌屬、硝化球菌屬、硝化螺菌屬、亞硝化單胞菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化對(duì)菌屬和亞硝化弧菌屬等。亞硝化細(xì)菌是亞硝化細(xì)菌中最典型的一種，另外，亞硝化球菌屬、亞硝化螺旋菌屬、亞硝化弧菌屬和亞硝化葉菌屬等也能使氧氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽細(xì)菌是一種具有遺傳多樣性的微生物，它們均為B 型變體。

6.2 好氧氨氧化反應(yīng)污泥顯微觀察 進(jìn)入反應(yīng)器的污泥是一種呈黑色的厭氧生物，在培養(yǎng)過程中，污泥的顏色發(fā)生了變化，而在反應(yīng)器的底部，則是由深灰色變成了黃色，而當(dāng)反應(yīng)器的高度越高，顏色就會(huì)變成黃色，而在填料的孔洞中，則會(huì)有更多的懸浮淤泥，少數(shù)會(huì)變成顆粒狀的淤泥。在反應(yīng)完成后，對(duì)懸浮的淤渣進(jìn)行過濾，可獲得了顆粒狀的淤渣。通過電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其表面有大量的菌絲。在反應(yīng)器進(jìn)水處，溶解氧的存在和進(jìn)水孔的引入，主要是好氧、氨氣和好氧的好氧分解，其中以絲狀菌為主，對(duì)懸浮污泥進(jìn)行了解剖，并對(duì)其進(jìn)行了掃描電鏡觀察，結(jié)果表明，大部分的顆粒污泥都是由絲狀菌形成的，在交聯(lián)間隙處有少量的球菌和短桿菌。

6.3 厭氧氨氧化反應(yīng)污泥顯微觀察 反應(yīng)器頂端的淤泥呈淡淡的紅色。對(duì)培養(yǎng)后的反應(yīng)器進(jìn)行了上層淤泥的實(shí)驗(yàn)。污泥及生物膜為淡紅色，與以往已有的典型厭氧氨氧化污泥的色澤一致。

實(shí)驗(yàn)后期，將淤渣、生物膜等分離出來，用電子顯微鏡觀察了掛膜前后填料纖維的形貌。為空白填充纖維，長條纖維交織、重疊，形成了理想的粘附微生物載體。將其置于反應(yīng)器內(nèi)，可使其與纖維結(jié)合，并與纖維結(jié)合，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而填料纖維則作為橋梁，將有關(guān)微生物保留在其中。通過對(duì)吸附在反應(yīng)器上的淤泥樣品進(jìn)行SEM分析，結(jié)果表明，該樣品中存在大量的微生物，且分布緊密，主要以球菌和短桿菌為主。

在常規(guī)條件下，將厭氧氨氧化細(xì)菌包裹在細(xì)胞外多聚體中，在細(xì)胞外多聚體的空隙中可以發(fā)現(xiàn)具有代表性的厭氧氨氧化細(xì)菌。SEM結(jié)果顯示，厭氧氧化菌多為1μm 直徑的圓形或卵形，其表面可見明顯的漏斗形凹槽，與未充分充氣的球體相似。厭氧氨氧化細(xì)菌以胞外聚合體的方式進(jìn)行聚合，以促進(jìn)其協(xié)同效應(yīng)。