短程反硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合處理豬場(chǎng)廢水的研究

短程反硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合處理豬場(chǎng)廢水的研究

一體化養(yǎng)豬場(chǎng)的廢水一直是農(nóng)村污染的主要來(lái)源。如果廢水不經(jīng)處理直接排放，水質(zhì)惡化，人類(lèi)感染傳播，生態(tài)環(huán)境將面臨嚴(yán)重危害。對(duì)豬的良好處理的困難在于氮的去除。由于氨氮濃度高，碳氮比（c.n）低，傳統(tǒng)的硝硝反硝化法的處理成本高，效率低。短程硝化反硝化可以減少硝化作用后的低c-氨氮，這是硝化作用過(guò)程中必要的碳來(lái)源，縮短反應(yīng)時(shí)間，這是廢水生物脫氮研究的熱點(diǎn)。然而，對(duì)于耐氧分解后的低c-氮車(chē)間廢水，考慮到缺乏碳源，短期硝化反應(yīng)的主要原因是對(duì)厭氧氨酸的反應(yīng)。雖然它不需要提供有機(jī)碳源和氧氣，但由于水中的有機(jī)碳和溶解氧，對(duì)厭氧氨酸的處理效果很容易受到抑制，因此對(duì)進(jìn)水量的要求很高。目前，國(guó)內(nèi)外采用的預(yù)處理式消耗率為短程硝化。其研究的重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)亞硝化，以及控制廢水中氨氮和亞硝酸的反應(yīng)。然而，在許多研究中，我們研究了預(yù)處理后的廢水二氧化氮和亞硝酸鹽的反應(yīng)效果。然而，在許多研究中，我們只使用添加了一種單一的有機(jī)物質(zhì)。大多數(shù)研究表明，在有機(jī)碳源的條件下，厭氧氨酸可以與硝酸乙酸鈉一起發(fā)揮，但后者的比例低于后者。如果厭氧氨酸受到抑制，取決于化合物濃度和c-c1比值。根據(jù)guven等人的研究，甲醇和乙醇對(duì)厭氧氨酸的反應(yīng)起著抑制作用，葡萄糖、苯甲酸和丙胺酸可能沒(méi)有影響。然而，關(guān)于復(fù)雜豬廢水的研究很少。本研究以低C/N豬場(chǎng)廢水為對(duì)象,將短程硝化反硝化作為厭氧氨氧化的前置工藝,前者可為后者創(chuàng)造去除可降解COD、降低總氮負(fù)荷、控制基質(zhì)比例等進(jìn)水條件,而后者可在無(wú)需外加碳源的條件下進(jìn)一步脫氮,二者的結(jié)合可成為高氨氮、低C/N廢水脫氮的新途徑.此外,為了增強(qiáng)厭氧氨氧化工藝的實(shí)用性,實(shí)驗(yàn)在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中,均未對(duì)廢水進(jìn)行脫氧處理,利用微生物的共生作用使水中溶解氧得以去除.1材料和方法1.1厭氧氨氧化掛膜及啟動(dòng)階段豬場(chǎng)廢水取自四川簡(jiǎn)陽(yáng)某養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣池出水口,主要水質(zhì)指標(biāo)如表1.由表1可見(jiàn),經(jīng)過(guò)厭氧消化后的豬場(chǎng)廢水C/N在2左右,不能滿足傳統(tǒng)硝化反硝化的要求.厭氧氨氧化掛膜及啟動(dòng)階段采用模擬廢水,模擬廢水成分見(jiàn)文獻(xiàn),待啟動(dòng)成功以后,以經(jīng)短程硝化反硝化預(yù)處理后的豬場(chǎng)廢水為進(jìn)水.1.2厭氧氨氧化反應(yīng)器s1短程硝化反硝化反應(yīng)器(R1)和厭氧氨氧化反應(yīng)器(R2)均采用自制SBBR(sequencingbatchbiofilmreactor)反應(yīng)器,由有機(jī)玻璃制成.其中,R1高50cm,內(nèi)徑8cm,有效體積為2L;R2高52cm,內(nèi)徑13cm,有效體積為6L,反應(yīng)器表面固定黑色塑料紙以避光,反應(yīng)器內(nèi)置親水性軟性纖維填料.短程硝化反硝化反應(yīng)均在常溫(13～20℃)、不人為調(diào)節(jié)pH的條件下進(jìn)行;間歇換水,每次換水1L,每個(gè)周期停留時(shí)間為24h;操作方式為缺氧/曝氣交替進(jìn)行,缺氧時(shí)間范圍為15～20h,曝氣時(shí)間范圍為3.5～6.0h,根據(jù)豬場(chǎng)廢水原水濃度確定具體反應(yīng)時(shí)間.厭氧氨氧化反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制在30℃±2℃,不人為調(diào)節(jié)pH;間歇換水,每次換水3L,每個(gè)周期停留時(shí)間為24h;反應(yīng)產(chǎn)生的氣體由排氣管進(jìn)入液封瓶,根據(jù)液封瓶排出液體的體積估計(jì)排氣量.反應(yīng)器用模擬廢水啟動(dòng)成功以后,逐步過(guò)渡到以經(jīng)過(guò)短程硝化反硝化預(yù)處理的豬場(chǎng)廢水為進(jìn)水,穩(wěn)定運(yùn)行后的工藝流程如圖1.1.3檢測(cè)和分析方法1.3.1儀器和分析方法COD:重鉻酸鉀法+微波消解快速測(cè)定法(WC-I微波消解儀,長(zhǎng)沙湘藍(lán)科學(xué)儀器有限公司);溶解氧:HI2400型臺(tái)式溶解氧儀(HannaInstrument);氨氮:納氏試劑分光光度法(GB/T7479-1987);亞硝態(tài)氮:N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸分光光度法(GB/T7493-1987);硝態(tài)氮:紫外分光光度法(HJ/T346-2006);總氮:過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法(GB/T11894-1989);pH:PHSJ-3F型pH計(jì)(雷磁PHSJ-3F,上海精密科學(xué)儀器有限公司).1.3.2在相態(tài)分析中(1)載氣量的確定儀器型號(hào):GC-1690氣相色譜儀(杭州科曉化工儀器設(shè)備有限公司).載氣:氬氣,流速:30mL/min;色譜柱:TDX-01,3m×3mm;檢測(cè)器溫度:80℃,進(jìn)樣口溫度:60℃;柱溫:30℃.(2)氮氧混養(yǎng)液器反應(yīng)器儀器型號(hào):SP-1200氣相色譜儀(北京分析儀器廠).載氣:高純氮,流速:0.1MPa;色譜柱:TDX-01,1.5m×3mm;柱溫:90℃,進(jìn)樣口:120℃,檢測(cè)器:120℃.1.3.3gc/ms條件色譜/質(zhì)譜儀:HP6890/5973.毛細(xì)柱:AB-5MS(30m×0.25mm×0.25×μm).色譜條件:載氣(He)流速為0.8mL/min;進(jìn)樣口溫度為260℃,柱箱程序升溫:從50℃開(kāi)始,以8℃/min升至280℃;質(zhì)譜條件:電子轟擊能量為70eV;質(zhì)量掃描范圍:20～500u.1.3.4提取的微生物總dna微生物總DNA的提取按照文獻(xiàn)的方法進(jìn)行.1.3.5pcr的擴(kuò)展性和擴(kuò)展性厭氧氨氧化菌、亞硝化菌和硝化菌的特異性引物序列及擴(kuò)增條件見(jiàn)文獻(xiàn).所有擴(kuò)增產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物.2結(jié)果與討論2.1反硝化過(guò)程氨氮的去除在常溫(20℃)、不人為調(diào)節(jié)pH的條件下,以1.1所述的豬場(chǎng)廢水為對(duì)象,進(jìn)行基于厭氧氨氧化的短程硝化反硝化預(yù)處理研究,具體過(guò)程已另文討論.實(shí)驗(yàn)所得主要結(jié)果如下.(1)首先通過(guò)反硝化過(guò)程,上一周期殘留的亞硝態(tài)氮可以得到徹底去除;總氮和COD(按照每mg亞硝態(tài)氮產(chǎn)生1.1mgCOD,已從測(cè)得的COD值中扣除了亞硝態(tài)氮的貢獻(xiàn),下同)平均去除率分別為50%、42%;pH由進(jìn)水7.3上升至8左右;氨氮濃度在反硝化過(guò)程中幾乎不變.(2)接下來(lái)經(jīng)過(guò)亞硝化過(guò)程,廢水中氨氮與亞硝態(tài)氮濃度之比可控制在1∶1左右,亞硝化率為100%;COD平均去除率約為24.5%;pH由8.2下降至7.8左右.(3)穩(wěn)定運(yùn)行后,豬場(chǎng)廢水經(jīng)過(guò)短程硝化反硝化處理,COD和總氮的平均去除率分別為64.5%、49.1%,出水氨氮和亞硝態(tài)氮濃度范圍為80～120mg/L,出水pH在7.8左右.通過(guò)以上結(jié)論可知,經(jīng)過(guò)短程硝化反硝化,豬場(chǎng)廢水的總氮負(fù)荷可以得到明顯降低,易降解的COD可得以去除,出水氨氮與亞硝態(tài)氮濃度比例在1∶1左右、pH在7.8左右.可見(jiàn),短程硝化反硝化作為前處理,可為厭氧氨氧化創(chuàng)造良好的進(jìn)水條件.2.2厭氧氨氧化的啟動(dòng)和啟動(dòng)2.2.1厭氧氨氧化反應(yīng)器sbr污泥取自成都市三瓦窯城市污水處理廠污泥濃縮池.在SBR反應(yīng)器內(nèi)加入污泥、軟性纖維填料和模擬廢水,間歇曝氣.經(jīng)過(guò)30d污泥馴化,掛膜成功,將填料轉(zhuǎn)移至厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi).2.2.2氨氮和亞硝態(tài)氮采用模擬廢水,在溫度為30℃±2℃、不人為調(diào)節(jié)pH、進(jìn)水不作脫氧處理的條件下進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng).整個(gè)啟動(dòng)可分為3個(gè)階段.第1階段:遲滯期(第0～80d),進(jìn)水氨氮與亞硝態(tài)氮濃度在60mg/L左右,該階段厭氧氨氧化菌尚未占優(yōu)勢(shì),未見(jiàn)明顯效果;第2階段:負(fù)荷提高期(第80～100d),出水氨氮和亞硝態(tài)氮濃度逐漸降低,厭氧氨氧化特征開(kāi)始明顯,將進(jìn)水氨氮、亞硝氮濃度逐步提高到100mg/L;第3階段:穩(wěn)定期(第100～140d),該階段氨氮態(tài)與亞硝態(tài)氮均按比例穩(wěn)定得以去除,硝態(tài)氮伴隨增加,厭氧氨氧化啟動(dòng)成功.穩(wěn)定期主要指標(biāo)變化如圖2、圖3.如圖2、圖3,在穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi),氨氮和亞硝態(tài)氮進(jìn)水濃度比約為1∶1,經(jīng)過(guò)厭氧氨氧化反應(yīng),出水亞硝態(tài)氮濃度<1mg/L,出水氨氮濃度為10～15mg/L,硝態(tài)氮濃度保持在20mg/L左右;經(jīng)計(jì)算,氨氮去除率為78.1%～96.7%,亞硝態(tài)氮去除率均>99%,總氮去除率保持在79%～86%;氨氮去除量、亞硝態(tài)氮去除量和硝態(tài)氮生成量之比平均為1∶1.20∶0.24,與理論比例接近.2.3模擬廢水與模擬廢水耐化性指標(biāo)的比較在溫度為30℃±2℃、不人為調(diào)節(jié)pH、進(jìn)水不作脫氧處理的條件下,以經(jīng)過(guò)短程硝化反硝化預(yù)處理的豬場(chǎng)廢水為進(jìn)水,進(jìn)行厭氧氨氧化脫氮考察.經(jīng)過(guò)近1個(gè)月的運(yùn)行,主要水質(zhì)指標(biāo)的變化如圖4～圖6.如圖4～圖6,穩(wěn)定運(yùn)行25d內(nèi),氨氮和亞硝態(tài)氮進(jìn)水濃度為80～120mg/L,二者比例約為1∶1,進(jìn)水COD為90～140mg/L.反應(yīng)后,亞硝態(tài)氮出水濃度<1mg/L,氨氮出水濃度為5～20mg/L,COD濃度降低較小.經(jīng)計(jì)算,氨氮、亞硝態(tài)氮、總氮、COD的平均去除率分別為91.8%、99.3%、84.1%、18.1%,氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮平均變化量之比為1∶1.21∶0.24,與模擬廢水厭氧氨氧化相比,三者比例幾乎不變,總氮去除率接近.可見(jiàn),以經(jīng)過(guò)短程硝化反硝化預(yù)處理的豬場(chǎng)廢水為進(jìn)水,厭氧氨氧化過(guò)程仍然可以正常進(jìn)行.2.4系統(tǒng)氣體組分分析為分析模擬廢水厭氧氨氧化脫氮系統(tǒng)(系統(tǒng)Ⅰ)、豬場(chǎng)廢水厭氧氨氧化脫氮系統(tǒng)(系統(tǒng)Ⅱ)的主要反應(yīng)類(lèi)型,分別在系統(tǒng)Ⅰ、系統(tǒng)Ⅱ進(jìn)行氣體采樣(用5mL注射器在反應(yīng)器排氣管采樣,采樣后立即進(jìn)行分析),作氣相色譜分析.測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8.可以看出,系統(tǒng)Ⅰ、系統(tǒng)Ⅱ的氣體分析圖譜沒(méi)有明顯變化,主要成分均為氮?dú)?體積分?jǐn)?shù)分別約為94.9%、96.5%.同時(shí),2個(gè)系統(tǒng)的氣體中均含有少量氧氣,所占體積分?jǐn)?shù)分別約為5.1%、3.5%.樣品中氧氣的主要來(lái)源,一方面是由于反應(yīng)器存在輕微漏氣,另一方面可能是采樣過(guò)程中有空氣進(jìn)入,此外廢水中帶入的溶解氧,也可能有一定貢獻(xiàn).另外,2個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體中,均未檢出二氧化碳.產(chǎn)生該結(jié)果的原因,一方面是因?yàn)榻?jīng)過(guò)短程硝化反硝化預(yù)處理后,豬場(chǎng)廢水可生化性差,水中有機(jī)物難以被反硝化菌利用,系統(tǒng)中沒(méi)有發(fā)生明顯的反硝化;二是由于厭氧氨氧化反應(yīng)過(guò)程中,廢水pH范圍在7.8～8.5,系統(tǒng)中碳酸鹽主要以重碳酸鹽的形式存在,以二氧化碳形式存在的很少,在儀器靈敏度范圍內(nèi)不能檢出.測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了反應(yīng)器內(nèi)主要進(jìn)行的是厭氧氨氧化反應(yīng),反硝化反應(yīng)不明顯,由于反應(yīng)器內(nèi)殘留有少量氧氣,故可能有好氧硝化反應(yīng)伴隨發(fā)生.2.5廢水污染物成分分析根據(jù)氣相組成分析結(jié)果和圖6中COD的濃度變化可知,以經(jīng)過(guò)短程硝化反硝化預(yù)處理的豬場(chǎng)廢水為進(jìn)水,厭氧氨氧化反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有伴隨明顯的反硝化反應(yīng),因此廢水中有機(jī)物組成在反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)該不發(fā)生顯著變化.為了進(jìn)一步了解豬場(chǎng)廢水中殘留有機(jī)物成分以及在反應(yīng)過(guò)程中所發(fā)生的變化,對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)水、出水分別進(jìn)行色質(zhì)聯(lián)用(GC/MS)分析,測(cè)試及鑒定結(jié)果如圖9、圖10.由圖9、圖10可知,廢水在厭氧氨氧化處理前后,主要波峰未發(fā)生明顯變化,說(shuō)明廢水中殘留有機(jī)物成分在厭氧氨氧化過(guò)程中未發(fā)生顯著變化.經(jīng)鑒定,主要有機(jī)物成分為酯類(lèi)和烷烴類(lèi)化合物,未檢測(cè)出目前有關(guān)報(bào)道提到的對(duì)厭氧氨氧化菌有抑止作用的物質(zhì).由上述實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果可知,在本實(shí)驗(yàn)條件下,豬場(chǎng)廢水中大部分可生化有機(jī)物已經(jīng)通過(guò)短程硝化反硝化預(yù)處理得以去除,剩余有機(jī)物的可生化性很差,使反硝化菌的生長(zhǎng)受到抑止,從而為厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件.2.6特殊功能菌的檢測(cè)2.6.1活性污泥中微生物系統(tǒng)的篩選分別在模擬廢水厭氧氨氧化脫氮系統(tǒng)(系統(tǒng)Ⅰ)、豬場(chǎng)廢水厭氧氨氧化脫氮系統(tǒng)(系統(tǒng)Ⅱ)取活性污泥,進(jìn)行特殊功能菌種檢測(cè).鑒于本實(shí)驗(yàn)厭氧氨氧化進(jìn)水未進(jìn)行脫氧處理,反應(yīng)器內(nèi)可能有好養(yǎng)菌伴隨生長(zhǎng),故選擇檢測(cè)目標(biāo)菌種為:厭氧氨氧化菌、硝化菌和亞硝化菌.擴(kuò)增所選用引物均為各類(lèi)型中典型菌種16SrDNA特征片段,能很好地表征各類(lèi)型菌群的存在.按1.3.4的方法提取菌的DNA后,取樣進(jìn)行電泳檢測(cè),結(jié)果表明提取的DNA片斷>15kb,可以用于后續(xù)實(shí)驗(yàn).以提取的DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,結(jié)果用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖11.如圖11所示,系統(tǒng)Ⅰ、系統(tǒng)Ⅱ的活性污泥中厭氧氨氧化菌和硝化菌的特征條帶均比較明顯.厭氧氨氧化菌特異片段所顯示的條帶長(zhǎng)度均約為800bp,與文獻(xiàn)的結(jié)果一致;硝化菌特異片段所顯示的條帶長(zhǎng)度均約為130bp,也與文獻(xiàn)的結(jié)果一致.該結(jié)果進(jìn)一步證明,經(jīng)短程硝化反硝化后的豬場(chǎng)廢水對(duì)厭氧氨氧化菌無(wú)明顯抑制作用,對(duì)處理系統(tǒng)無(wú)明顯不利影響;實(shí)驗(yàn)條件下的微生物系統(tǒng)是一個(gè)厭氧氨氧化菌與好氧硝化菌共存的系統(tǒng).系統(tǒng)可通過(guò)位于膜表面的好氧硝化菌進(jìn)行好氧硝化反應(yīng),去除進(jìn)水中的溶解氧;位于膜內(nèi)部的厭氧氨氧化菌通過(guò)厭氧氨氧化反應(yīng)進(jìn)行脫氮.在好氧硝化菌和生物膜的雙重保護(hù)下,厭氧氨氧化過(guò)程得以穩(wěn)定進(jìn)行.2.6.2菌種組成對(duì)廢水脫氮系統(tǒng)活性的影響為進(jìn)一步了解系統(tǒng)內(nèi)厭氧氨氧化菌以外的微生物種類(lèi),采用MPN法考察亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌在系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)量.MPN計(jì)數(shù)方法參考文獻(xiàn),檢測(cè)結(jié)果如表2.由表2可見(jiàn),2個(gè)系統(tǒng)中硝化菌和亞硝化菌濃度較大,證實(shí)了在未經(jīng)脫氧處理的情況下,好氧細(xì)菌與厭氧氨氧化菌的共存.而硝化菌、亞硝化菌對(duì)氧的去除,又為厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件,二者形成了很好的共生關(guān)系.對(duì)于豬場(chǎng)廢水脫氮系統(tǒng)的活性污泥,反硝化菌濃度與硝化菌、亞硝化菌濃度相差2個(gè)數(shù)量級(jí),可見(jiàn)經(jīng)過(guò)短程硝化反硝化預(yù)處理的豬場(chǎng)廢水中有機(jī)物的可生化性差,反硝化菌無(wú)法獲得足夠碳源而受到抑制.模擬廢水脫氮系統(tǒng)(其中無(wú)有機(jī)碳源)的活性污泥中也檢測(cè)到微量的反硝化菌存在,可能是死亡的菌體細(xì)胞溶解為其提供了碳源.根據(jù)實(shí)驗(yàn)2.6可知,本實(shí)驗(yàn)條件下,模擬廢水脫氮系