畜禽養(yǎng)殖廢水生物脫氮工藝綜述

摘要：近年，隨著畜禽養(yǎng)殖廢水中的氮素等環(huán)境污染物導(dǎo)致的水體污染情況愈來(lái)愈嚴(yán)重，含氮廢水的處理已經(jīng)成為水污染控制領(lǐng)域熱點(diǎn)研究之一，該文綜述了生物脫氮法中傳統(tǒng)生物脫氮工藝和生物脫氮新工藝及其所運(yùn)用到的脫氮微生物的研究現(xiàn)狀，描述不同方法的特點(diǎn)和利弊。

關(guān)鍵詞：生物脫氮法；氨氮污染；脫氮微生物

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B doi：10.3969/j.issn.2096-3637.2022.22.069

Review on Biological Nitrogen Removal Process of Livestock and Poultry Wastewater

LI Siying

（College of Biological Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha Hunan 410128，China）

Abstract：In recent years，with more and more serious water pollution caused by environmental pollutants such as nitrogen in livestock and poultry wastewater，the treatment of nitrogen-containing wastewater has become one of the hot research in the field of water pollution control．This paper reviews the research status of traditional biological nitrogen removal process and new biological nitrogen removal process，and describes the characteristics，advantages and disadvantages of different methods．

Keywords：biological nitrogen removal，ammonia nitrogen pollution，denitrification microorganism

0" 引言

近年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模大幅提升。這也導(dǎo)致農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖廢水成為僅次于工業(yè)和城市生活污水的主要污染物。未經(jīng)處理的農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖廢水含有多種常規(guī)污染物，如氮、磷和有機(jī)碳，同時(shí)也含有多種細(xì)菌和病毒。在這些污染物中，氨氮污染問(wèn)題作為氮污染的代表最為突出，選擇合適的方法脫除脫除農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖廢水中的氨氮刻不容緩。目前化學(xué)脫氮法、物理脫氮法和生物脫氮法是處理廢水中氨氮的主要方法。其中生物脫氮法包括投加微生物和微生物制劑法、生物吸附法、生物固定化法以及投加微生物絮凝劑法等。本文綜述傳統(tǒng)生物脫氮工藝與生物脫氮新工藝的研究進(jìn)展及應(yīng)用和不同脫氮微生物的適用條件及利弊。

1" 農(nóng)業(yè)微生物脫氮工藝介紹

1.1" 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生物脫氮工藝

傳統(tǒng)生物脫氮系統(tǒng)為多級(jí)活性污泥系統(tǒng)，即氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)分別單獨(dú)進(jìn)行的系統(tǒng)，常用的工藝有“厭氧—缺氧—好氧”同步脫氮除磷工藝（A²/O）、“缺氧—好氧”（A/O）脫氮工藝和序批式活性污泥處理工藝（SBR）[1]。其中A/O和A²/O都是在空間上將缺氧區(qū)和好氧區(qū)分別置于2個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器中。在好氧環(huán)境中，自養(yǎng)微生物硝化菌以O(shè)₂作為電子受體，以無(wú)機(jī)化合物作為碳源，使氨氮在氨氧化細(xì)菌（AOB）的作用下進(jìn)行亞硝化，再由亞硝酸氧化菌（NOB）的參與，使其轉(zhuǎn)化為硝酸鹽[2]。A²/O是對(duì)A/O工藝進(jìn)行改良升級(jí)，增加1個(gè)厭氧區(qū)在A/O工藝前，實(shí)現(xiàn)反硝化過(guò)程和聚磷過(guò)程相互分離，該方法不僅解決了聚磷菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的相互影響，而且在保證脫氮效果的同時(shí)提高了系統(tǒng)中磷的脫除率[3]。A²/O工藝流程見(jiàn)圖1。

序批式活性污泥處理工藝（SBR）實(shí)現(xiàn)脫氮的原理跟其他工藝一樣，不同的是SBR通過(guò)改變運(yùn)行方式，利用時(shí)間上的交替使進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水排泥和閑置5個(gè)階段在同一空間內(nèi)間歇進(jìn)行。同其他處理工藝相比，序批式活性污泥法具有操作簡(jiǎn)便、占地少、不容易產(chǎn)生淤泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，是目前中小型廢水處理的一種主要方法。序批式活性污泥處理工藝流程見(jiàn)圖2。

1.2" 農(nóng)業(yè)生物脫氮新工藝

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝中硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)需要不同的反應(yīng)條件，2個(gè)反應(yīng)無(wú)法同步進(jìn)行，但由于新發(fā)現(xiàn)一些可以進(jìn)行好氧反硝化和異養(yǎng)硝化的細(xì)菌，該發(fā)現(xiàn)改變了對(duì)傳統(tǒng)生物脫氮工藝的認(rèn)知，近年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷創(chuàng)新，研制和開(kāi)發(fā)了多種生物脫氮工藝，主要有同步硝化/反硝化脫氮[4]，短程硝化/反硝化脫氮[5]，限氧自養(yǎng)硝化/厭氧反硝化脫氮[6]，厭氧氨氧化[7]及CANON等。

同步硝化/反硝化（SND）的相關(guān)機(jī)制科學(xué)家們給出了很多解釋，概括起來(lái)，可分為物理學(xué)解釋和生物學(xué)解釋2大類。物理的解釋是好氧區(qū)中的非均一曝氣，導(dǎo)致反應(yīng)器局部缺氧，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)；生物學(xué)解釋認(rèn)為是某些微生物具有特定生化途徑的作用而引起的。

短程硝化/反硝化脫氮（SCND）工藝就指通過(guò)控制硝化過(guò)程，將氨氮穩(wěn)定在大量生成亞硝態(tài)氮的階段，并將亞硝態(tài)氮直接作為電子受體進(jìn)行反硝化的方法。這種方法能夠生成N₂并減少氮污染物的釋放。SCND的反應(yīng)方程如下所示。

硝化反應(yīng)： 2NH₄⁺+3O2→2NO?^-+2H?O+4H⁺

反硝化反應(yīng)：2NO₂^-+CH₃OH→N₂↑+H₂O+CO₂+20H^-

相比與SND，SCND縮短了反應(yīng)過(guò)程，減少?gòu)U水的需氧量，降低廢水的能源消耗，同時(shí)節(jié)約了反硝化階段的附加碳源，降低了廢水的處理費(fèi)用[8]。

限氧自養(yǎng)硝化/厭氧反硝化脫氮（OLAND）工藝，該工藝為結(jié)合部分硝化和厭氧氨氧化的生物脫氮過(guò)程[9]。OLAND作為一種完全自養(yǎng)的硝化/反硝化工藝，由于其能耗低，脫氮效率高，占地面積少，尤其適合于低C/N比例的污水處理，是目前應(yīng)用最廣的一種生物脫氮技術(shù)[10]。

厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝在處理高氨氮含量的污水中，一直是最有創(chuàng)新性的研究成果之一。在降低污泥量、節(jié)約能源、降低投資、降低溫室效應(yīng)等方面，本技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性[11]。到目前為止，已建成110余套大型厭氧氨氧化廠，用于處理高氨氮含量的工業(yè)廢水[12]。厭氧氨氧化工藝主要依靠厭氧氨氧化菌（AAOB）進(jìn)行反應(yīng)，厭氧氨氧化菌利用亞硝態(tài)氮離子作為電子受體，氨氮離子為電子供體，將氨氮氧化成為N2逸出[13]。

2" 農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)研究脫氮微生物方法

傳統(tǒng)的研究微生物的方法主要有分離培養(yǎng)法、PLFA圖譜分析法和Biolog微平板法等[14]。傳統(tǒng)的研究方法操作簡(jiǎn)單且對(duì)早期研究活性污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)起到了非常重要的作用。但隨著研究的不斷深入，傳統(tǒng)方法就暴露出了很大的局限性。

分離培養(yǎng)法時(shí)由于細(xì)菌在自然環(huán)境中與在培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)條件不同，且培養(yǎng)基成分的不同對(duì)菌群多樣性影響很大；其次大多細(xì)菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特征十分相似，彼此之間難以區(qū)分；而且，在自然界中，也存在著許多無(wú)法被培養(yǎng)的微生物[15]，分離培養(yǎng)方法只能分離出種類有限的微生物，占微生物總數(shù)的0.1%～10%。

Biolog微平板法靈敏度高，分辨力強(qiáng)，且無(wú)需分離純化培養(yǎng)微生物，測(cè)定簡(jiǎn)單，用一塊微平板即可完成不同微生物碳源代謝能力測(cè)定，大大提高研究效率[16]。目前，已有超過(guò)2 000種病原體和環(huán)境微生物，其中包括細(xì)菌、酵母、霉菌等能夠被鑒定。Biolog微平板法對(duì)樣本中微生物群落結(jié)構(gòu)的解釋不夠全面，因此還需繼續(xù)探究其他的研究方法。

PLFA圖譜分析法又稱磷脂脂肪酸分析法，目前已被廣泛應(yīng)用于土壤樣品分析、沉積物樣品分析、營(yíng)養(yǎng)狀況研究和新陳代謝活動(dòng)研究等方面。PLFA圖譜分析法解決了原有分離培養(yǎng)微生物的限制，適合跟蹤研究微生物的動(dòng)態(tài)變化，能進(jìn)行精確的定量及半定量分析。但是該方法對(duì)微生物種類的確定上存在一定的局限性，只可鑒定到屬的水平。利用PLFA技術(shù)對(duì)特定菌種進(jìn)行識(shí)別也存在一定的局限性，因?yàn)樵诓煌纳L(zhǎng)階段和不同的環(huán)境壓力下，微生物體內(nèi)的磷脂脂肪酸含量會(huì)發(fā)生變化，使得對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)比較困難。

3" 分子生物學(xué)研究脫氮微生物方法

傳統(tǒng)研究微生物的方法所得結(jié)果誤差較大，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的分子生物學(xué)因其可以快速、有效對(duì)樣品中微生物進(jìn)行檢測(cè)，被廣泛應(yīng)用于污水生物脫氮過(guò)程的功能微生物作用機(jī)理的研究中。常用的分子生物學(xué)方法有宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、16SrRNA基因測(cè)序、宏基因組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和實(shí)時(shí)熒光定量PCR，各種方法的對(duì)比見(jiàn)表1。

4" 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前廢水脫氮技術(shù)繁多，而化學(xué)和物理脫氮法的應(yīng)用往往會(huì)產(chǎn)生二次污染，需要對(duì)處理后的廢液再次進(jìn)行處理，而且這些方法的大規(guī)模應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致高昂的成本。相比傳統(tǒng)的物理和化學(xué)脫氮方法，生物脫氮技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、高效、操作簡(jiǎn)單、不會(huì)產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)。其核心在于利用生物處理系統(tǒng)中微生物之間的相互作用，使廢水中的污染物分解或轉(zhuǎn)化，降低污染物的濃度。但隨之暴露出了很大的局限性。例如使用分離培養(yǎng)法時(shí)由于細(xì)菌在自然環(huán)境中與在培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)條件不同，且培養(yǎng)基成分的不同對(duì)菌群多樣性影響很大；其次還有大多細(xì)菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特征十分相似，彼此之間難以區(qū)分等。由于傳統(tǒng)研究微生物的方法所得結(jié)果誤差較大，分子生物學(xué)研究脫氮微生物的方法因其可以快速、有效對(duì)樣品中微生物進(jìn)行檢測(cè)，因此被廣泛應(yīng)用于污水生物脫氮過(guò)程的功能微生物作用機(jī)理的研究中。

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