厭氧氨氧化技術處理低碳氮比養豬廢水研究

劉東斌　言海燕　陳亞利　王喜　曹文娟

摘? ?要：采用厭氧氨氧化技術對低碳氮比養豬廢水進行生化處理。考察厭氧氨氧化技術對低碳氮比養豬廢水中氨氮和COD的去除效果，并確定最佳的反應參數。結果表明最佳反應條件為初始pH 7.80，DO為0.5～1.0mg/L，溫度35℃，HRT為48h。在此條件下，廢水氨氮、CODCr濃度分別由初始的459.6～760.3mg/L、936.1～1352.7mg/L降至57.3～62.7mg/L、466.2～580.6mg/L，去除率分別為87.53%～91.75%、50.20%～57.08%。說明厭氧氨氧化技術對低碳氮比養豬廢水具有良好的處理效果。

關鍵詞：厭氧氨氧化技術? 低碳氮比養豬廢水? 去除效果

中圖分類號：X71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0070-03

規模化養豬場廢水一直是農村水污染的主要來源，廢水若不經處理直接排放，可導致水質惡化、人畜傳染病蔓延，給生態環境帶來嚴重危害[1]。處理豬場廢水的關鍵技術是脫氮，因為豬場廢水中含有高濃度的氨氮，而碳氮比（C/N） 卻很低，如果采用以往的硝化反硝化技術去處理，會增加處理成本、處理后的效率也很低。采用短程硝化反硝化能夠降低硝化過程中的耗氧量、投堿量以及減少反硝化過程中必需的碳源，并能夠縮短過程反應時間，因此這種處理技術被廣泛用于廢水生物脫氮中[2]。但是在短程硝化反硝化技術處理中碳源緊缺依然是影響厭氧處理后的C/N 豬場廢水效果的重要因素[3]。同樣，進水中的有機物和溶解氧很容易抑制厭氧氨氧化過程和效果，因此對進水有很高的要求。當前，多被應用的厭氧氨氧化前置工藝的重點為短程硝化，此項處理技術的關鍵是充分實現亞硝化、嚴格控制出水氨氮與亞硝態氮比例。目前相關研究多采用添加單種有機物質的方式進行，Pathak等、Chamchoi等和朱靜平等分別以己內酯、全脂牛奶和葡萄糖為有機碳源，考察有機物對厭氧氨氧化的影響，其各項研究中得出在加入有機碳源的情況下，厭氧氨氧化菌能夠與反硝化菌共同存在，但是厭氧氨氧化菌的競爭能力比后者要小。厭氧氨氧化程度是否能夠受到抑制，主要取決于其中有機物的濃度以及CPN;Guven等。因此得出，加入甲醇和乙醇能夠抑制厭氧氨氧化菌，而加入葡萄糖、甲酸和丙胺酸則對厭氧氨氧化菌的抑制影響不明顯。但是，以成分復雜的低碳氮比養豬廢水為對象的研究尚少見報道.

本研究應用對象為處理低碳氮豬場廢水，主要是對豬場污泥進行厭氧氨氧化來實現處理目的，嚴格控制觀察處理試驗過程中的pH值、DO、溫度以及HRT幾項指標，并作詳細的數據記錄，以便從中分析出厭氧氨氧化工藝應用于低碳氮比養豬廢水處理過程的最優技術條件。

1? 實驗部分

1.1 實驗儀器

PHS-3E型精密pH計，恒溫振蕩器，電子天平，便攜式溶氧儀，COD微波消解儀，紫外可見分光光度計，電熱鼓風干燥箱。

1.2 實驗藥品

分析測定過程中用來配制標準溶液的藥劑為優級純藥劑，其余實驗藥劑均為分析純藥劑。厭氧氨氧化污泥采自某垃圾填埋場滲濾液處理廠。

1.3 分析方法

溫度采用GB 13195-91《水質水溫的測定溫度計或顛倒溫度計測定法》測定;pH值采用GB 6920-86《水質 pH值的測定玻璃電極法》測定;DO采用HJ 506—2009《水質溶解氧的測定電化學探頭法》測定;氨氮采用HJ 535-2009《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法》測定;硝酸鹽氮采用GB 7480-87《水質硝酸鹽氮的測定酚二磺酸分光光度法》測定;亞硝酸鹽氮采用GB 7493-87《水質亞硝酸鹽氮的測定分光光度法》測定;CODCr采用GB 11914-89《水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》測定。

1.4 廢水水質

廢水取自永清水務公司某養豬廢水處理項目沼氣池出水，主要水質指標如表1所示。

1.5 實驗步驟

（1）厭氧氨氧化污泥的選取：厭氧氨氧化菌種體積小，生長緩慢，因此在選取厭氧氨氧化污泥時應該盡取紅色顆粒菌種多的污泥，這樣，以低碳氮比養豬廢水為對象的探索性試驗才能具有代表性。

（2）實驗設計：取150mL低碳氮比養豬廢水放置于250mL錐形瓶中，用0.1mol/L HCl或者0.1mol/L NaOH溶液將廢水調節至所需要的pH值，在錐形瓶中加入適量的厭氧氨氧化污泥，放置于恒溫振蕩器中進行厭氧氨氧化過程，通過恒溫振蕩器控制溫度，同時，通過控制振蕩速度控制錐形瓶內DO的濃度。每隔一段時間進行取樣，并測定水樣的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮及CODCr等指標。通過以上實驗設計探究厭氧氨氧化技術處理低碳氮比養豬廢水的最佳工藝條件。

2? 結果與討論

2.1 HRT對氨氮和CODCr去除效果的影響

在室溫條件下，低碳氮比養豬廢水的pH為7.33，向廢水中加入適量的厭氧氨氧化污泥，在恒溫振蕩器中，以保證錐形瓶處于缺氧狀態下的速度分別振蕩11.5h，23.5h，35.5h，47.5h，59.5h，71.5h，83.5h，95.5h，在靜止0.5h后，按照上述分析方法測定氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和CODCr，探究不同HRT對廢水中氨氮和CODCr去除效果的影響。

實驗結果得出，隨著HRT的增加，廢水中氨氮和CODCr的去除率是逐漸升高，并且在48h達到最高，分別為88.61%、50.20%，而硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的濃度并沒有隨之增加，這說明氨氮被厭氧氨氧化菌種轉化為氮氣，從根本上降低了廢水中的氨氮濃度。但是當HRT隨之再增加后，因為廢水中提供給污泥的營養物質減少，供需平衡體系被打破，導致氨氮和CODCr的去除率出現小幅降低。再綜合考慮氨氮、CODCr去除率及投資建設成本，48h的HRT為厭氧氨氧化技術處理低碳氮比養豬廢水的最佳工藝條件之一。

2.2 pH對氨氮和CODCr去除效果的影響

在室溫條件下，用0.1mol/LHCl或0.1mol/L NaOH將低碳氮比養豬廢水的pH調整至6.35、6.81、7.33、7.80、8.35，取適量的厭氧氨氧化污泥，以保證錐形瓶處于缺氧狀態下的速度恒溫振蕩47.5h，靜止0.5h后，按照上述分析方法測定廢水中的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和CODCr。

實驗結果得出：隨著養豬廢水pH值的不斷升高，氨氮和CODCr的去除率先由逐漸增加再迅速降低，但是氨氮和CODCr去除率最高時的pH值卻不同，氨氮去除率在廢水pH為7.80時達到最高，為90.15%，CODCr去除率在廢水pH為7.33時達到最高，為50.11%。厭氧氨氧化菌與COD菌種的菌種不同是其中原因，同時，根據Schalk和Graaf等人提出的羥氨厭氧氨氧化反應機理再結合本實驗的結果分析，pH過低不利于NO2--N向NH2OH的轉化，pH過高又促使NH4+-N向NH2OH反應方向進行，過高或過低的pH值都不利于羥氨的生成，從而有可能使厭氧氨氧化反應的速率下降。考慮到低碳氮比養豬廢水的處理難點是氨氮的去除，因此，pH值為7.80是厭氧氨氧化技術處理低碳氮比養豬廢水最佳工藝條件之一。

2.3 溫度對氨氮和CODCr去除效果的影響

用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH調整低碳氮比養豬廢水pH值至7.80，取適量的厭氧氨氧化污泥，溫度分別設置為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，以保證錐形瓶處于缺氧狀態下的速度恒溫振蕩47.5h，靜止0.5h后，按照上述分析方法測定廢水中的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和CODCr。

實驗結果得出，當溫度在35℃時，氨氮和CODCr的去除率達到最大，分別為89.14%、56.17%。因為溫度能夠對生物酶活性產生直接影響。實驗表明，當溫度控制在小于20℃時，低溫能夠明顯抑制微生物的生命活動，降低新陳代謝的速度，其自身的降解能力也會受到很大限制;當溫度控制在大于35℃時，高溫能夠降低微生物內含的酶活性， 同時降低氨氮和CODCr去除率。因此，溫度為35℃是厭氧氨氧化技術處理低碳氮比養豬廢水最佳工藝條件之一。

2.4 DO對氨氮和CODCr去除效果的影響

用0.1mol/LHCl或0.1mol/L NaOH調整低碳氮比養豬廢水pH值至7.80，取適量的厭氧氨氧化污泥，將恒溫振蕩器的溫度設定在35℃，通過調整振蕩器的速度以及對錐形瓶采取密封措施，將錐形瓶內低碳氮比養豬廢水的DO保持在0mg/L、0～0.5mg/L、0.5～1.0mg/L，1.0～2.0mg/L，2.0～4.0mg/L，在恒溫振蕩器中振蕩47.5h，靜止0.5h后，按照上述分析方法測定廢水中的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和CODCr。

實驗結果得出：當DO在2.0～4.0mg/L時，低碳氮比養豬廢水中氨氮的去除率是最高的，達到98.66%，同時，也可以很清楚的看到硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮出現高達45.09%和82.96%的負增長，這說明此時并不是發生厭氧氨氧化反應將氨氮轉化為氮氣，而是將氨氮轉化為硝態氮和亞硝態氮，這并沒有從根本上去除廢水中的氨氮，同理當DO在1.0～2.0mg/L時，也發生相同的狀況。只有當DO控制在0.5～1.0mg/L時，氨氮去除率為91.75%的同時，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮都是一定的正相關，這說明此時廢水中的氨氮被厭氧氨氧化污泥轉化為氮氣，從根本上將低碳氮比養豬廢水中的氨氮去除，并且，此時CODCr的去除率能夠保持在57.08%。因此，DO控制在0.5～1.0mg/L時，低碳氮比養豬廢水處理效果呈現出最優工藝條件之一。

3? 結論

通過實驗分析，可以得出以下結論：

（1）厭氧氨氧化技術能夠對低碳氮比養豬廢水中的氨氮去除具有較好的效果，對低碳氮比養豬廢水中的CODCr具有一定的去除效果，能夠將厭氧氨氧化技術應用于低碳氮比養豬廢水的處理;

（2）當將低碳氮比養豬廢水的pH調節至7.80，DO控制在0.5～1.0mg/L，溫度控制在35℃，HRT控制在48h，經過處理的低碳氮比養豬廢水氨氮濃度由459.6～760.3mg/L降低為57.3～62.7mg/L，CODCr濃度由936.1～1352.7mg/L降低為466.2～580.6mg/L，去除率分別達到87.53%～91.75%、50.20%～57.08%。

參考文獻

[1] 張克強，高懷友.畜禽養殖業污染物處理與處置[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2] 鄭平，徐向陽，胡寶蘭.新型生物脫氮理論與技術[M].北京：科學出版社，2004.

[3] 楊朝暉，高峰，曾光明，等.短程硝化反硝化去除高氨氮豬場廢水中的氮[J].中國環境科學，2005，25（增刊）：43-46.