畜禽養殖廢水在硝化反應器內的硝化性能研究

摘要：針對近年來中國規模化養殖場迅速發展所帶來的嚴重環境污染，特別是畜禽養殖廢水中氨氮污染物所產生的污染，采用硝化反應器對其進行處理。首先進行硝化細菌的培養馴化，然后通過連續運行試驗、間歇運行試驗，考察氨氮的去除效果和操作參數的影響。試驗結果表明：當溫度為25 ℃，pH為6~7，DO為4~6 mg·L-1， HRT為12 h，進水氨氮為200 mg·L-1時，出水氨氮濃度可以降低到1 mg·L-1左右，氨氮的去除率接近100 % 。

關鍵詞：畜禽養殖廢水；硝化反應器；氨氮污染物；硝化細菌

中圖分類號：X713 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2011.03.013

Livestock Poultry Wastewater Nitrification Performance

CHEN Qing-bin， SU Ya-xun， DAI Na， GENG Fang， ZHANG Kai

(Tianjin Ecological Science and Technology Institute of Northern Gardening， Tianjin 300300， China)

Ａｂｓｔｒａｃｔ: In recent years the environmental pollutions， especially NH4+-N pollution in livestock and poultry wastewater were becoming increasingly serious with the rapid development of the large-scale farms in China. NH4+-N removal rate from livestock and poultry farming wastewater was investigated by using nitrification reactor. Firstly， the nitrifying bacteria was cultivated in nitrification reactor， and then continuous experiment， the batch experiment were conducted to study the Ammonia removal effect and the influence of several operating parameters. The results showed that when the temperature， pH， DO， HRT and influent NH4+-N concentration were 25 ℃， 6~7， 4~6 mg·L-1， 12 h and 200 mg·L-1 respectively， the effluent NH4+-N concentration was about 1 mg·L-1 ，and NH4+-N removal efficiency neared to 100%.

Key words: livestock and poultry farming wastewater; nitrification reactor; NH4+-N pollutants; nitrifying bacteri

近年來，中國畜禽養殖業發展勢頭十分迅猛，在很短時間內已達到相當的規模，并呈高速發展趨勢。但在發展的同時向環境排放了大量的養殖廢水，在許多地區，畜禽養殖帶來的污染已經或正在成為當地主要的污染源[1-3]。

畜禽養殖場廢水主要由尿液、飼料殘渣、夾雜糞便及圈舍沖洗水組成，其中沖洗水及尿液占了絕大部分。畜禽養殖業廢水普遍具有COD高、臭味強的特點，其排放廢水污染濃度比生活污水濃度高很多，污染物排放負荷極大，其BOD5濃度高達上萬毫克每升[4-6]，廢水中氮含量較高，如果不經處理直接排進水體，極易對地表水、地下水、土壤和空氣造成嚴重的污染，甚至還會造成傳染病和寄生蟲病蔓延，是一種污染十分嚴重的廢水[6-8]。

然而，畜禽養殖廢水中除了含有高濃度的有機物，還有大量的氨氮污染物。這種高濃度的氨氮污染物將會對魚類等水生動物構成直接毒害，并且刺激藻類過度生長，出現赤潮等富營養化污染現象[9]。因此，在水污染控制中，氨氮的去除問題已日益受到重視，成為污水處理的研究熱點之一。

本研究通過對硝化細菌進行培養馴化，來去除畜禽養殖廢水中的氨氮。然后根據不同的進出水濃度所測定的氨氮濃度的不同，考察其去除污染物的效果，并考察不同因素對硝化效果的影響，如水力停留時間等。

1材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗污水 本試驗所用的畜禽養殖廢水來自天津市西青區第六埠某養豬場，原水已經過HBR反應器處理，試驗用水為HBR反應器出水，其主要性狀為水質渾濁含有一定的雜質，顏色呈棕色并帶有一定的臭味。本試驗污水主要水質指標如表1所示。

1.1.2試驗污泥本試驗所取污泥來自天津市紀莊子污水處理場二沉池。污泥性狀為：顏色呈灰褐色，絮狀，略微有些臭味。其主要參數如表2所示。

1.1.3硝化反應器的構造本試驗所用的硝化反應器用塑料制成，有效容積為1 L。向反應器內接入曝氣裝置，在硝化反應器內裝有活性污泥，每次注入模擬廢水，利用硝化細菌對廢水內的氨氮進行分解。每次換水時，撤去曝氣裝置，待污泥沉降后棄去上清液，然后倒入新配制的模擬廢水，再連接上曝氣裝置，以繼續進行硝化反應，并對每次進水、出水進行分析。

1.2 試驗設計

1.2.1 微生物培養（1）好氧條件下培養異養微生物。向自制反應器加入接種污泥（稀釋到500 mg·L-1），連續曝氣24 h后加入模擬廢水。剛開始2~3 d人工模擬廢水由蔗糖、氯化銨和磷酸二氫鉀加自來水配制，使COD∶N∶P = 100∶5∶1，COD濃度為300 mg·L-1；然后逐漸添加養殖廢水，廢水COD濃度保持在500 mg·L-1，采用間歇法培養微生物（但連續曝氣），每24 h換水1次，大約7 d培養結束。

（2）好氧條件下培養硝化細菌采用間歇法培養硝化細菌微生物，加入模擬廢水，（人工模擬廢水和少量養殖廢水混合而成），同時加大氯化銨數量提供NH4+-N，使廢水COD濃度不超過50 mg·L-1，NH4+-N濃度為100 mg·L-1左右，每24 h換水1次，大約8 d培養結束。

1.2.2 改變條件考察運行效果（1）水力停留時間（HRT）的影響。加入模擬廢水（自來水和處理后的養殖廢水混合而成，使廢水COD濃度不超過100 mg·L-1，同時加入氯化銨提供NH4+-N），使廢水NH4+-N濃度為200 mg·L-1左右，每天配水1次，每天分析進出水NH4+-N和COD，取HRT分別為24，18 h，12 h，每個大約運行5 d時間。

（2）進水濃度的影響加入模擬廢水（自來水和處理后的養殖廢水混合而成，使廢水COD濃度不超過100 mg·L-1，同時加入氯化銨提供NH4+-N），使廢水NH4+-N濃度分別為200 ，300 ，400 mg·L-1左右，每天配水1次，每天分析進出水COD和NH4+-N，取HRT為24 h，每個大約運行5 d時間。

2 結果與分析

2.1 污泥的培養與馴化

2.1.1 好氧條件下培養異養細菌使用活性污泥將微生物接種到反應器內，并在好氧條件下培養異養細菌。將200 mL污泥和800 mL自來水倒入反應器內進行曝氣。連續曝氣24 h后加入模擬廢水，每24 h換水1次，大約7 d培養結束。在此期間每天檢測進水及出水NH4+-N濃度，觀察這周內微生物對氨氮的去除效果。

由1圖可以看出，進水氨氮濃度在150 mg·L-1左右，出水濃度在7 d中逐漸降低，其最高值為138 mg·L-1，最低值為72 mg·L-1。氨氮去除率逐漸穩定并呈上升趨勢，最高值達51 %。說明微生物逐漸適應了周圍的環境條件，出水濃度呈降低趨勢，反應器內硝化細菌逐漸積累并有了一定去除氨氮的能力。

2.1.2好氧條件下培養硝化細菌由圖2可以看出，從進水濃度在150 mg·L-1左右，出水濃度在8 d中降低更為明顯，最低值僅為0.442 mg·L-1，說明硝化細菌已培養完成。

2.2連續運行氨氮的去除效果分析

經過微生物的馴化、培養，硝化細菌已培養完成，可以進行連續運行試驗階段。此階段通過改變HRT和進水濃度來分析氨氮去除效果。進水采用HBR反應器出水，HBR反應器是用來去除水中COD的反應器，其出水COD在200~400 mg·L-1， 加入碳酸氫鈉調節進水pH在6~7，DO控制在4~6 mg·L-1，水溫在27 ℃左右。每日檢測進水及出水NH4+-N、COD含量。

2.2.1 不同HRT硝化效果分析每次進水加入HBR反應器出水，COD濃度為不高于100 mg·L-1，氨氮濃度在200 mg·L-1左右，HRT分別為24，18，12 h，考察氨氮去除效果。

由圖3可以看出，出水氨氮濃度逐漸降低，由40 mg·L-1降低為0.235 mg·L-1。去除率增長到近100 % ，氨氮去除效果非常好。

由圖4可以看出，最初幾天出水氨氮濃度較低且較平穩，第5次取樣顯示出水氨氮濃度最低，氨氮去除效果最佳，從第6次取樣開始出水氨氮濃度有所增加。由COD變化曲線可以看出，在第6次取樣時，由于進水COD超過了110 mg·L-1，導致了氨氮去除率下降，COD的增加抑制了硝化細菌處理氨氮的能力，致使出水氨氮濃度增大，氨氮去除率降低。

由圖5可以看出，第5次進水COD為121.5 mg·L-1，抑制了硝化細菌對氨氮的分解轉化，這是導致此次出水氨氮濃度較大的原因。HRT為12 h時，氨氮去除效果良好，COD在50 mg·L-1以下時，氨氮去除率在90 %以上。

2.2.2 不同進水濃度硝化效果分析每次進水加入HBR反應器出水，COD濃度為100 mg·L-1以下，氨氮濃度在200 mg·L-1左右，HRT為24 h， 氨氮濃度依次為200，300，400 mg·L-1，考察氨氮去除效果。

由圖6可以看出，出水氨氮濃度逐漸降低，由40 mg·L-1降低為0.325 mg·L-1。去除率由80% 增長到近100%，說明該反應器在進水濃度為200 mg·L-1時去除效果良好。

圖7顯示了進水濃度為300 mg·L-1時氨氮進出水濃度及去除率變化。圖中顯示，出水氨氮濃度變化不大，平均值為110.747 mg·L-1。氨氮去除率保持在60 %以上，且維持穩定。隨著進水氨氮濃度的增加，去除率并沒有隨之增加。

圖8所示，進水濃度為400 mg·L-1時氨氮進出水濃度變化，可以看出，出水濃度逐漸降低，但變化不大，平均為211.796 mg·L-1，反應器處理能力仍為200 mg·L-1左右，與進水濃度為300 mg·L-1相比，處理能力相差不大。去除率呈上升趨勢但變化不大，去除率的增加說明硝化細菌正在逐漸適應高濃度氨氮環境，但處理氨氮能力仍為200 mg·L-1左右。

連續運行試驗表明，該反應器處理氨氮能力為200 mg·L-1左右，HRT為12 h即可，提高進水氨氮濃度和HRT并不能增加去除率。過高的COD會影響硝化細菌的活性，使其去除氨氮的能力受到抑制。

3結論

（1）由18 h和12 h連續試驗可以得出結論，COD對氨氮去除率是有影響的。本試驗證實，低有機物濃度時，進水有機物濃度變化對硝化自養菌去除氨氮的影響不大；高有機物濃度時，進水有機物濃度上升對氨氮的去除有抑制作用。此觀點與方振東等[10]在研究生物陶粒反應器內異養菌對有機物降解與硝化自養菌對氨氮氧化作用之間的相互關系時所得觀點近似。

（2）通過考察HRT為 12，18，24 h的氨氮去除情況，試驗表明，HRT的增加能讓硝化細菌更好的適應周圍環境，達到更好的氨氮去除效果，就本試驗而言，當HRT為12 h時，氨氮去除率已接近100 %，所以HRT為12 h即可。

（3）通過考察進水氨氮濃度為200，300 ，400 mg·L-1時的氨氮去除情況，隨著進水濃度的提高，氨氮去除率并沒有增加，受污泥負荷的影響，氨氮處理能力保持在200 mg·L-1左右。在進水濃度為200 mg·L-1時，氨氮去除率接近100 %，在進水濃度為300 mg·L-1和400 mg·L-1時，氨氮去除率分別為62%和48%左右。

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