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生物强化方式对生物转盘处理养殖废水效果
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2020-01-06 16:16:24 浏览次数:

  摘要:畜禽养殖废水污染物浓度高、生物毒性大,导致传统生物处理工艺难以满足达标排放要求.为探究高效的畜禽养殖废水处理工艺,采用生物转盘作为主体工艺,利用异养硝化-好氧反硝化菌(HeterotrophicNitrification-AerobicDenitrification菌,简称“HN-AD菌”)为生物强化菌剂,对比了污泥挂膜+菌剂强化(简称“强化污泥挂膜”)和菌剂挂膜两种不同生物强化方式下该工艺在启动时间、碳耗、能耗、真实废水处理效果及微生物多样性方面的差异,以确定最佳生物强化方式.结果表明:①模拟废水试验中,菌剂挂膜反应器启动时间(19d)明显短于强化污泥挂膜(33d),参数优化后发现,在相同处理效果下,前者碳耗、能耗分别较后者少48.22%、33.33%.②真实废水处理试验中,菌剂挂膜反应器的CODCr、NH4+-N、TN平均去除率较后者分别高出4.77%、26.97%、29.23%.③在微生物多样性方面,菌剂挂膜体系中Comamonas(丛毛单胞菌属)丰度是强化污泥挂膜体系的10倍左右,推测Comamonas可能是在异养硝化好氧反硝化过程中发挥关键作用的菌属.④SEM观察发现菌剂挂膜生物转盘盘片上的生物膜更薄,但HN-AD优势菌富集程度更高.研究显示,菌剂挂膜反应器对模拟废水、真实废水的处理效果均优于强化污泥挂膜反应器,且效果更稳定.

  关键词:生物强化方式;生物转盘;异养硝化-好氧反硝化;畜禽养殖废水;生物多样性

  畜禽养殖污染已经成为农业面源污染的主要来源[1].其中,畜禽养殖废水属于ρ(SS)、ρ(CODCr)和ρ(NH4+-N)“三高”的有机废水[2],由于其处理成本高,处理难度大,大量未经处理的畜禽养殖废水直接排放,对农村生态和环境造成严重破坏[3-4].如何高效处理该类废水,已成为制约畜禽养殖业绿色生态发展的瓶颈.对于规模化畜禽养殖废水,目前国内外采用的成熟处理工艺主要是厌氧-好氧联合或厌氧-自然处理联合工艺[5-9],养殖废水经过厌氧发酵处理后,虽然大部分CODCr被去除,但NH4+-N只是形态发生变化,浓度仍然很高,造成了低碳高ρ(NH4+-N)沼液的产生,导致C/N严重失调,脱氮效果差[10].好氧工艺发展已经成熟,但其在处理沼液时由于微生物耐高ρ(NH4+-N)性能差、碳源不足而导致后续工艺流程复杂、处理成本高和脱氮效果差等实际问题[11-12],鉴于此,该研究提出基于异养硝化-好氧反硝化脱氮技术(简称“HN-AD技术”)的新型脱氮工艺.

  HN-AD技术通过易培养的异养型单一菌种(HN-AD菌)使得异养硝化和好氧反硝化在好氧条件下同时进行,实现CODCr、NH4+-N、NO2--N和NO3--N的同步有效去除.与现有的一些传统及新型脱氮技术[13-16]相比,其具有生长速率快、培养周期短、极端环境耐受性能强、运行条件单一、运维控制简单、适应范围广、处理效率高等优点[17-18],因此更适用于养猪废水处理.但目前该技术的研究主要集中在HN-AD菌的分离筛选、鉴定及性能验证等方面[19-22],而关于该菌工程应用方面的研究却鲜见报道,同时,HN-AD菌在自然环境中数量少、功能单一以及难以在传统处理系统中富集等问题进一步限制了HN-AD技术的应用.

  针对上述问题,该研究采用前期筛选出的兼具高ρ(NH4+-N)耐受性和高脱氮效率的HN-AD菌对生物转盘工艺[23-24]进行生物强化,重点考察了强化污泥挂膜和菌剂挂膜两种不同生物强化方式对该工艺启动时间、碳耗、能耗及其对真实畜禽养殖废水处理效果的影响.在上述研究基础上,分别采用SEM(扫描电镜)和IlluminaMiSeq测序技术分析对比了生物膜表面微观形态和生物膜中微生物多样性的差异,以期为HN-AD技术的工程化应用提供理论及实践基础.

  1.材料与方法

  1.1试验装置

  如图1所示,强化污泥挂膜反应器和菌剂挂膜反应器均采用相同的试验装置,反应器所用盘片由重庆川仪环境科技有限公司提供[25],反应器池体由厚度5mm的有机玻璃构成,有效体积18.5L,盘片分为4级,每级盘片直径为30cm,厚7cm,材质为聚丙烯,浸没率为40%,反应器由低速电机启动.

  1.2试验用水

  如表1所示,试验用水采用自来水配置,均以无水乙酸钠为碳源,以硫酸铵为氮源,以磷酸氢二钾为磷源,同时添加微量元素以保证反应器内细菌的正常生长,每升配水添加5mL微量元素,微量元素成分为MgSO4·7H2O2g/L,MnSO4·H2O0.1g/L,CaCl21.5g/L,FeSO4·7H2O0.1g/L.

  1.3研究方法

  试验过程分为三个阶段:挂膜启动阶段;参数优化阶段;处理真实废水阶段.

  第Ⅰ阶段,挂膜启动阶段.条件控制在温度25~30℃,盘片线速度7.5m/min,HRT(水力停留时间)为24h,ρ(DO)为3mg/L,pH范围为7.5~8.0.菌剂挂膜方式:前1~15d为序批式运行,第1天向生物转盘反应器中接种OD600nm(表征菌液浓度的吸光度值)为1.2的HN-AD菌液18.5L,分别在第2、6、11、15天间歇补加5%有效体积菌液的方式实现挂膜,菌液ρ(NH4+-N)为500mg/L,期间检测NH4+-N去除率及OD600nm的变化;第16~19天为连续流稳定运行,条件保持不变.强化污泥挂膜方式:向反应器中接种活性污泥18.5L,前2d进行闷曝;第3天开始改成连续流运行,并按梯度增大进水浓度,第3、9、15、23天进水ρ(NH4+-N)梯度分别为50、100、300、450mg/L,第24~33天进行生物强化,每天接种5%有效体积HN-AD菌液,菌液OD600nm为1.2,进水ρ(NH4+-N)保持在500~600mg/L,检测强化期间ρ(NH4+-N)变化.

  第Ⅱ阶段,参数优化阶段.条件控制在温度为25~30℃,HRT为24h,pH范围为7.5~8.0.两个反应器均采用连续方式运行,探究在不同C/N(5、8、10)、线速度(5、7.5、15m/min)参数下该工艺的处理效果.

  第Ⅲ阶段,处理真实废水阶段.条件控制在温度为25~30℃,HRT为24h,ρ(DO)为4mg/L,pH范围为7.5~8.0.对比分析二者最优工况下(C/N为10,线速度为15m/min)真实畜禽养殖废水的处理效果.分别选择菌剂挂膜反应器、强化污泥挂膜反应器的挂膜完成时期、运行时期在不同盘片上选取生物膜,分别标记为A、B、C、D样品,于-80℃条件下保存1h后提取DNA后进行微生物多样性分析,另取两个反应器挂膜后的盘片样,于-4℃条件下保存1h后脱水预处理,并分别进行SEM镜检.

  1.4分析项目及方法

  水样经过4μm膜片过滤后,ρ(DO)采用HQ-30d便携式溶解氧测定仪检测,ρ(CODCr)采用快速消解分光光度法,ρ(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法[26],OD600nm采用紫外分光光度法.SEM分析先冷冻干燥做脱水预处理,由武汉铄思百检测技术有限公司进行TESCANMIRA3热场发射扫描电镜观察生物膜表面微观形态结构.DNA提取和高通量测序采用购自天根生化科技(北京)有限公司的MobioPowerSoil.DNAIsolationKit提取固定化菌液总基因组DNA.Miseq平台对16SrRNA基因高变区序列进行测序,测序区域选择V3+V4区,测序片段为468bp,测序引物为338F-806R,使用Trimmomatic、FLASH软件对Miseq测序数据进行处理获得干净数据,在Usearch软件平台中使用uparse方法将序列按照彼此相似性为97%分归为许多小组,一个小组为一个OUT(operationaltaxonomicunits),从而得到OTU的代表序列.然后,使用uchime检测PCR扩增中产生的嵌合体序列并从OTU中去除,再用usearch_global方法将优化序列map比对回OTU代表序列,最终得到OTU各样品序列丰度统计表[27].