畜禽養殖廢水生物脫氮工藝綜述

摘要：近年，隨著畜禽養殖廢水中的氮素等環境污染物導致的水體污染情況愈來愈嚴重，含氮廢水的處理已經成為水污染控制領域熱點研究之一，該文綜述了生物脫氮法中傳統生物脫氮工藝和生物脫氮新工藝及其所運用到的脫氮微生物的研究現狀，描述不同方法的特點和利弊。

關鍵詞：生物脫氮法；氨氮污染；脫氮微生物

中圖分類號：X703 文獻標識碼：B doi：10.3969/j.issn.2096-3637.2022.22.069

Review on Biological Nitrogen Removal Process of Livestock and Poultry Wastewater

LI Siying

（College of Biological Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha Hunan 410128，China）

Abstract：In recent years，with more and more serious water pollution caused by environmental pollutants such as nitrogen in livestock and poultry wastewater，the treatment of nitrogen-containing wastewater has become one of the hot research in the field of water pollution control．This paper reviews the research status of traditional biological nitrogen removal process and new biological nitrogen removal process，and describes the characteristics，advantages and disadvantages of different methods．

Keywords：biological nitrogen removal，ammonia nitrogen pollution，denitrification microorganism

0" 引言

近年，隨著經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，畜禽養殖規模大幅提升。這也導致農業畜禽養殖廢水成為僅次于工業和城市生活污水的主要污染物。未經處理的農業畜禽養殖廢水含有多種常規污染物，如氮、磷和有機碳，同時也含有多種細菌和病毒。在這些污染物中，氨氮污染問題作為氮污染的代表最為突出，選擇合適的方法脫除脫除農業畜禽養殖廢水中的氨氮刻不容緩。目前化學脫氮法、物理脫氮法和生物脫氮法是處理廢水中氨氮的主要方法。其中生物脫氮法包括投加微生物和微生物制劑法、生物吸附法、生物固定化法以及投加微生物絮凝劑法等。本文綜述傳統生物脫氮工藝與生物脫氮新工藝的研究進展及應用和不同脫氮微生物的適用條件及利弊。

1" 農業微生物脫氮工藝介紹

1.1" 傳統農業生物脫氮工藝

傳統生物脫氮系統為多級活性污泥系統，即氨化反應、硝化反應和反硝化反應分別單獨進行的系統，常用的工藝有“厭氧—缺氧—好氧”同步脫氮除磷工藝（A²/O）、“缺氧—好氧”（A/O）脫氮工藝和序批式活性污泥處理工藝（SBR）[1]。其中A/O和A²/O都是在空間上將缺氧區和好氧區分別置于2個獨立的反應器中。在好氧環境中，自養微生物硝化菌以O₂作為電子受體，以無機化合物作為碳源，使氨氮在氨氧化細菌（AOB）的作用下進行亞硝化，再由亞硝酸氧化菌（NOB）的參與，使其轉化為硝酸鹽[2]。A²/O是對A/O工藝進行改良升級，增加1個厭氧區在A/O工藝前，實現反硝化過程和聚磷過程相互分離，該方法不僅解決了聚磷菌、硝化細菌和反硝化細菌的相互影響，而且在保證脫氮效果的同時提高了系統中磷的脫除率[3]。A²/O工藝流程見圖1。

序批式活性污泥處理工藝（SBR）實現脫氮的原理跟其他工藝一樣，不同的是SBR通過改變運行方式，利用時間上的交替使進水、反應、沉淀、排水排泥和閑置5個階段在同一空間內間歇進行。同其他處理工藝相比，序批式活性污泥法具有操作簡便、占地少、不容易產生淤泥膨脹等優點，是目前中小型廢水處理的一種主要方法。序批式活性污泥處理工藝流程見圖2。

1.2" 農業生物脫氮新工藝

傳統的生物脫氮工藝中硝化反應和反硝化反應需要不同的反應條件，2個反應無法同步進行，但由于新發現一些可以進行好氧反硝化和異養硝化的細菌，該發現改變了對傳統生物脫氮工藝的認知，近年，國內外學者不斷創新，研制和開發了多種生物脫氮工藝，主要有同步硝化/反硝化脫氮[4]，短程硝化/反硝化脫氮[5]，限氧自養硝化/厭氧反硝化脫氮[6]，厭氧氨氧化[7]及CANON等。

同步硝化/反硝化（SND）的相關機制科學家們給出了很多解釋，概括起來，可分為物理學解釋和生物學解釋2大類。物理的解釋是好氧區中的非均一曝氣，導致反應器局部缺氧，導致反硝化反應；生物學解釋認為是某些微生物具有特定生化途徑的作用而引起的。

短程硝化/反硝化脫氮（SCND）工藝就指通過控制硝化過程，將氨氮穩定在大量生成亞硝態氮的階段，并將亞硝態氮直接作為電子受體進行反硝化的方法。這種方法能夠生成N₂并減少氮污染物的釋放。SCND的反應方程如下所示。

硝化反應： 2NH₄⁺+3O2→2NO?^-+2H?O+4H⁺

反硝化反應：2NO₂^-+CH₃OH→N₂↑+H₂O+CO₂+20H^-

相比與SND，SCND縮短了反應過程，減少廢水的需氧量，降低廢水的能源消耗，同時節約了反硝化階段的附加碳源，降低了廢水的處理費用[8]。

限氧自養硝化/厭氧反硝化脫氮（OLAND）工藝，該工藝為結合部分硝化和厭氧氨氧化的生物脫氮過程[9]。OLAND作為一種完全自養的硝化/反硝化工藝，由于其能耗低，脫氮效率高，占地面積少，尤其適合于低C/N比例的污水處理，是目前應用最廣的一種生物脫氮技術[10]。

厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝在處理高氨氮含量的污水中，一直是最有創新性的研究成果之一。在降低污泥量、節約能源、降低投資、降低溫室效應等方面，本技術具有明顯的優越性[11]。到目前為止，已建成110余套大型厭氧氨氧化廠，用于處理高氨氮含量的工業廢水[12]。厭氧氨氧化工藝主要依靠厭氧氨氧化菌（AAOB）進行反應，厭氧氨氧化菌利用亞硝態氮離子作為電子受體，氨氮離子為電子供體，將氨氮氧化成為N2逸出[13]。

2" 農業傳統研究脫氮微生物方法

傳統的研究微生物的方法主要有分離培養法、PLFA圖譜分析法和Biolog微平板法等[14]。傳統的研究方法操作簡單且對早期研究活性污泥中微生物群落結構起到了非常重要的作用。但隨著研究的不斷深入，傳統方法就暴露出了很大的局限性。

分離培養法時由于細菌在自然環境中與在培養基中的生長條件不同，且培養基成分的不同對菌群多樣性影響很大；其次大多細菌的形態結構和生理生化特征十分相似，彼此之間難以區分；而且，在自然界中，也存在著許多無法被培養的微生物[15]，分離培養方法只能分離出種類有限的微生物，占微生物總數的0.1%～10%。

Biolog微平板法靈敏度高，分辨力強，且無需分離純化培養微生物，測定簡單，用一塊微平板即可完成不同微生物碳源代謝能力測定，大大提高研究效率[16]。目前，已有超過2 000種病原體和環境微生物，其中包括細菌、酵母、霉菌等能夠被鑒定。Biolog微平板法對樣本中微生物群落結構的解釋不夠全面，因此還需繼續探究其他的研究方法。

PLFA圖譜分析法又稱磷脂脂肪酸分析法，目前已被廣泛應用于土壤樣品分析、沉積物樣品分析、營養狀況研究和新陳代謝活動研究等方面。PLFA圖譜分析法解決了原有分離培養微生物的限制，適合跟蹤研究微生物的動態變化，能進行精確的定量及半定量分析。但是該方法對微生物種類的確定上存在一定的局限性，只可鑒定到屬的水平。利用PLFA技術對特定菌種進行識別也存在一定的局限性，因為在不同的生長階段和不同的環境壓力下，微生物體內的磷脂脂肪酸含量會發生變化，使得對其進行檢測比較困難。

3" 分子生物學研究脫氮微生物方法

傳統研究微生物的方法所得結果誤差較大，近年來發展起來的分子生物學因其可以快速、有效對樣品中微生物進行檢測，被廣泛應用于污水生物脫氮過程的功能微生物作用機理的研究中。常用的分子生物學方法有宏轉錄組學、16SrRNA基因測序、宏基因組學、宏蛋白質組學、代謝組學和實時熒光定量PCR，各種方法的對比見表1。

4" 結束語

當前廢水脫氮技術繁多，而化學和物理脫氮法的應用往往會產生二次污染，需要對處理后的廢液再次進行處理，而且這些方法的大規模應用會導致高昂的成本。相比傳統的物理和化學脫氮方法，生物脫氮技術具有經濟、高效、操作簡單、不會產生二次污染等優點。其核心在于利用生物處理系統中微生物之間的相互作用，使廢水中的污染物分解或轉化，降低污染物的濃度。但隨之暴露出了很大的局限性。例如使用分離培養法時由于細菌在自然環境中與在培養基中的生長條件不同，且培養基成分的不同對菌群多樣性影響很大；其次還有大多細菌的形態結構和生理生化特征十分相似，彼此之間難以區分等。由于傳統研究微生物的方法所得結果誤差較大，分子生物學研究脫氮微生物的方法因其可以快速、有效對樣品中微生物進行檢測，因此被廣泛應用于污水生物脫氮過程的功能微生物作用機理的研究中。

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