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，隨著國家和國務院的各項方針政策的深入實施，我國畜牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，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)殖污水對環(huán)境的影響越來越大，但目前對畜禽養(yǎng)殖廢水的治理仍停留在有機物的脫除上，目前最常見的處理方式是厭氧-好氧復合技術(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環(huán)境的污染，因為它只會把NH4+-N變成NO3--N，而不會從污水中真正地除去。目前還沒有一種經(jīng)濟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)得到了廣泛的應用，但是由于對硝化、反硝化等環(huán)境的不同需要，處理工藝復雜，運行費用高；此外，反硝化工藝需要有機碳，這與前續(xù)厭氧好氧工藝對有機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提高生產(chǎn)成本，而且隨著有機碳源的增多，也會導致出水中CODcr含量達不到排放標準。研究出一條能夠高效地去除有機碳和氮氣的養(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反應器啟動研究
以養(yǎng)殖污水作為種泥，采用模擬污水進行了厭氧氨氧化反應器的研究。通過調(diào)節(jié)入水NH4+-N與NO2w-N的比例，以進行厭氧氨氧化，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物，探討在一定濃度的有機碳情況下，厭氧氨氧化脫氮的最佳效果和操作條件
2.2 SHARON反應器的運行條件研究
采用水解酸化一厭氧工藝，對養(yǎng)殖污水進行了預處理，并對其進行了操作條件和滯留時間的調(diào)節(jié)，以使出水達到了厭氧氨氧化啟動試驗所需的最佳NO2--N/NH4+-N比。
2.3 ANAMMOX反應器處理養(yǎng)殖廢水馴化研究
通過對養(yǎng)殖污水進行亞硝化處理，調(diào)節(jié)NO2--N/NH4+-N的配比，然后進行人工模擬污水培養(yǎng)成熟的厭氧氨氧化反應器。
2.4 亞硝化、反硝化、硝化、厭氧氨氧化細菌群落研究
根據(jù)微生物手冊，可以識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)殖廢水中實驗工藝的優(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)計與施工中，對有機污染物的脫除已經(jīng)達到了不會對環(huán)境造成不良影響的水平，但是缺少一種經(jīng)濟、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行，處理過程復雜，操作成本較高，常規(guī)的養(yǎng)殖企業(yè)難以承擔其高昂的運營成本，導致現(xiàn)有的污水處理設(shè)施不能正常運轉(zhuǎn)；另一方面，反硝化工藝要求有機物質(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物數(shù)量較少，難以進行后續(xù)的反硝化，導致出水的硝態(tài)氮含量較高。目前，針對畜禽養(yǎng)殖廢水脫氮、脫氮的新技術(shù)進行了大量的探索，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廢水中的有機物、NH3-N進行脫除，而對深度惡化營養(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，對畜禽養(yǎng)殖污水進行了預厭氧-好氧處理，使其能夠生物利用的有機物得到充分的利用，為了確保反硝化的進行，在進入低氧階段的同時，添加一定數(shù)量的可生物利用的有機物質(zhì)。該技術(shù)在正常條件下可以有效地解決養(yǎng)殖污水對水體的污染，但是由于兩個階段的好氧處理和低氧階段的生物碳源的補充，使得養(yǎng)殖污水的處理成本較高，不是普通養(yǎng)殖場能夠負擔得起的。
工藝2：采用前持續(xù)低氧-好氧技術(shù)，可以充分去除有機物，同時采用好氧反應器的混合污泥回流，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)域進行反硝化，另一部分經(jīng)過污泥和水的分離，再進入下一步的工藝過程。
3.3 畜禽養(yǎng)殖廢水的實驗研究說明
由于養(yǎng)殖廢水在有機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厭氧反應器的操作。目前，關(guān)于SHARON和ANAMMOX的實驗結(jié)果已經(jīng)很多，但是在實際中的應用并不多，尤其是在有有機物的環(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驗室中進行小試操作。
4、畜禽養(yǎng)殖廢水中厭氧氨氧化啟動及運行研究
4.1 ANAMMOX啟動階段對氨氮的去除
在啟動初期，污水NH4+-N并沒有被除去，而是增加了，這是因為接種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，進入?yún)捬醢毖趸瘑雍螅M水沒有任何有機物，異養(yǎng)菌可以降解污泥中的有機物，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的濃度相對穩(wěn)定，說明該反應器已經(jīng)成功地啟動了。為確定反應器的脫氮負載，在接下來的一段時間內(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啟動階段對亞硝氮的去除
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，淤泥中的有機物含量很高，此外，由于底板的變化，一部分自養(yǎng)菌會產(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，而在反應器中，隨著有機物質(zhì)的完全分解，NH2--N的去處率也隨之下降，直到第18天，反應器中的NH2--N的去除率只有25%，這主要是由于操作期間反應器中的厭氧氨氧化細菌數(shù)量不多，反硝化菌由于碳源不足而導致的。隨著培養(yǎng)時間的延長，反應器內(nèi)的厭氧細菌數(shù)目增多，NH2--N的去除量也隨之增大，在第123天時，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 有機碳存在條件下AAMMOX反應器的運行
AMAMMOX反應器在有機碳環(huán)境下的操作穩(wěn)定性、脫除污染物的規(guī)律是一個不確定因素，為了解有機物對AMAMOX反應的影響、去除規(guī)律和操作條件，在AMAMMOX反應器成功啟動后，將葡葡糖加入倒進水中，將CODcr提高至180mg/L（理論上，CODcr要達到180mg/L，理論上需要在水中加入葡萄糖168.75mg/L)，從而使反應器工作。為了測定最優(yōu)進水NH2--N/NH4+-N的比值，首先根據(jù)理論上的計算，假設(shè)進水的溶解氧/氧濃度為0.5mg/L，所有的溶解氧都會被氨氮和氨氮分解，而進入水中的葡萄糖則會被反硝化菌用來反硝化，好氧氨氧化反應式為：
（1）MH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+
（2）NO2-+0.5O2→NO3-以葡萄糖為有機物的一樣反硝化反應式為：
（3）C6H12O6+8NO2-→4N2+6CO2+2H2O+8OH-
（4）5C8H12O6+24NO3→12N2+30CO2+18H2O+24OH
4.4 ANAMMOX反應器對有機物去除情況
當進入水體時，有機污染物的去除率較低，但是COD的去除率迅速上升，145d時，CODcr濃度為92.5%，出水CODcr值為13.5mg/L。在進入水體之前，反應器是在有機物質(zhì)的基礎(chǔ)上進行的，而當有機物質(zhì)進入水體后，短時間內(nèi)就可以達到很高的去除率，這表明在生物多樣性不足的情況下，微生物可以在短時間內(nèi)恢復活力。在210d時，由于反應器進水增加了水力滯留時間，因此，在進水之前，反應器出水CODcr基本保持不變，這表明，在進入反應器之前，有機物被除去，而剩余的有機物大多為難降解的有機物，在這種情況下，再過一段時間也不會下降。
5、畜禽養(yǎng)殖廢水亞硝化反應實驗研究
5.1 溶解氧變化對亞硝化反應的影響
反應器在30℃、pH7.0、水力停留時間1d、反應溶解氧濃度0.6mg/L時能成功地啟動，且NH2--N的累積率保持在很高水平，但這并不是最好的反應條件。在不同的條件下，控制反應液溶氧可以有效地抑制硝化反應，促進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，在反應器啟動后，在其它條件不變的前提下，調(diào)整曝氣量，以達到亞硝化反應的最佳溶氧濃度。
5.2 pH變化對亞硝化反應的影響
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)反應器的操作穩(wěn)定性。優(yōu)化的反應pH是通過增加反應器的pH值而進行的。目前已有的研究表明，最佳的亞硝化反應條件是在中性偏堿性環(huán)境下進行的，故本實驗從pH7.0起，每增加0.5%，調(diào)節(jié)連續(xù)工作4d，以確保反應器的穩(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值對亞硝化的影響。
5.3 溫度對亞硝化反應的影響
硝化菌的最佳反應溫度與其最佳反應溫度相差較大，應盡量將硝化反應控制在亞硝化反應中，而限制了硝化反應的進行。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，其生長速度會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被抑制，會在水體中產(chǎn)生NH2--N。5～30℃時，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，通常認為30～40℃是最好的反應溫度。
6、畜禽養(yǎng)殖廢水處理過程中污泥的細菌群落
6.1 亞硝化反應污泥顯微觀察
亞硝酸菌是一種以無機能為主要養(yǎng)分的革藍氏陰性菌。亞硝酸菌按其表型特征、細胞內(nèi)細胞膜的分布、16sRNA序列的同源性等進行了分類�！恫苁霞毦到y(tǒng)分類學》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、亞硝化對菌屬和亞硝化弧菌屬等。亞硝化細菌是亞硝化細菌中最典型的一種，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 好氧氨氧化反應污泥顯微觀察
進入反應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，而在反應器的底部，則是由深灰色變成了黃色，而當反應器的高度越高，顏色就會變成黃色，而在填料的孔洞中，則會有更多的懸浮淤泥，少數(shù)會變成顆粒狀的淤泥。在反應完成后，對懸浮的淤渣進行過濾，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。在反應器進水處，溶解氧的存在和進水孔的引入，主要是好氧、氨氣和好氧的好氧分解，其中以絲狀菌為主，對懸浮污泥進行了解剖，并對其進行了掃描電鏡觀察，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 厭氧氨氧化反應污泥顯微觀察
反應器頂端的淤泥呈淡淡的紅色。對培養(yǎng)后的反應器進行了上層淤泥的實驗。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。
實驗后期，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。通過對吸附在反應器上的淤泥樣品進行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，將厭氧氨氧化細菌包裹在細胞外多聚體中，在細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。厭氧氨氧化細菌以胞外聚合體的方式進行聚合，以促進其協(xié)同效應。（來源：上海新農(nóng)科技股份有限公司）
