HNAD菌生物强化接触氧化工艺处理猪场沼液刘向阳

1HN-AD菌生物强化接触氧化工艺处理猪场沼液刘向阳1，张千1*，吴恒1，李宸1，唐健泓1，封丽2，肖芃颖1，赵天涛1(1.重庆理工大学化学化工学院，重庆400054；2.重庆市环境科学研究院，重庆401147)摘要:针对养猪废水采用传统工艺经厌氧发酵处理后，形成高氨氮低碳氮比沼液，导致脱氮效果差、工艺流程复杂、启动周期较长等问题。本研究以异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌为生物强化剂，以PAN活性炭纤维作为填料的生物接触氧化池（BCO）为生物膜反应器，形成生物强化BCO工艺处理猪场沼液。前期污泥驯化阶段发现，NH4+-N浓度高于500mg·L−1时，污染物去除率明显降低，经HN-AD菌剂生物强化后，耐受NH4+-N浓度可高于600mg·L−1且能保持污染物的高效去除。采用HN-AD生物强化的BCO工艺处理真实猪场沼液，对NH4+-N、TN和COD的平均去除率分别为86.9%、70.5%和74.4%，分别高于传统处理工艺的57.6%、50.3%和50.0%，出水浓度均低于相关污染物排放标准。采用高通量测序技术研究了功能菌富集过程中微生物群落结构的变化规律，结果表明，生物膜内属于HN-AD菌的优势菌由Alcaligenes这一种菌属增加为生物强化后的Diaphorobacter、Acinetobacter和Thauer等多种菌属，且Acinetobacter菌属的相对丰度明显高于接种菌剂。扫描电子显微镜结果也进一步证实了生物强化的存在，紧密附着在填料上的生物膜层表面富集了以杆状和球状为主的HN-AD功能菌。关键词:HN-AD菌剂；生物强化；生物接触氧化（BCO）工艺；猪场沼液；微生物群落结构中图分类号:文献标识码:A文章编号:0250-3301（2019）DOI:10.13227/j.hjkx.201811106TreatmentofPiggeryBiogasSlurrybyEnhancedBiologicalContactOxidationwithHN-ADBacteriaLIUXiang-yang1,ZHANGQian1*,WUHeng1,LIChen1,TANGJian-hong1,FENGLi2,XIAOPeng-ying1,ZHAOTian-tao1(1.SchoolofChemicalEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing40054,China;2.ChongqingAcademyofEnvironmentalScience,Chongqing401147,China)Abstract:Theconventionalpretreatmentprocessforswinewastewaterisanaerobicfermentation,theformationofhighammonianitrogen,lowcarbonpiggerybiogasslurryfromwhichusuallyresultsinpoordenitrificationeffect,complicatedprocessflowandlongstartupperiodforthesubsequenttreatmentprocess.Inthisstudy,anovelbiologicalenhancedBiologicalContactOxidation(BCO)processusingHN-ADbacteriaasmicrobialinoculants,andPANactivatedcarbonfiberfillerasbiofilmcarrierwasproposedforthetreatmentofpiggerybiogasslurry.Intheearlystageofsludgeacclimation,itwasfoundthatwhenNH4+-Nconcentrationwashigherthan500mg·L−1,thenitrificationandCODremovalinBCOwasseverelyinhibited.WhentheBCOwasenhancedbyHN-ADbacteria,however,thetoleranceconcentrationofNH4+-NforbacteriainBCOcouldreached600mg·L−1andtheremovalefficiencyofNH4+-N,CODandTNcouldstillberemainedathighlevel.Then,thebio-enhancedBCOprocesswasusedtotreatthepiggerybiogasslurry.TheaverageremovalratesofNH4+-N,TNandCODwere86.9%,70.5%and74.4%,respectively,whichwerehigherthanthe57.6%,50.3%and50.0%ofthetraditionaltreatmentprocess.Theconcentrationofthepollutantsmentionedaboveintheeffluentwasbelowtherelevantdischargestandards.Thechangesofmicrobialcommunitystructureduringtheenrichmentprocessoffunctionalbacteriawerestudiedbyhigh-throughputsequencingtechnique.TheresultsshowedthatthedominantbacteriabelongingtoHN-ADinbiofilmwasAlcaligenesduringthesludgeacclimationprocess.AftertheadditionofHN-ADagent,however,thedominantbacteriabelongingtoHN-ADinbiofilmwereDiaphorobacter,Acinetobacter,Thauer,respectively,andtherelativeabundanceofAcinetobacterwasmuchhigherthanthatinthemicrobialinoculants.Theresultsofscanningelectronmicroscopyfurtherconfirmedtheexistenceofbio-enhancement,thesurfaceofthebiofilmlayertightlyattachedtothefillerisenrichedinrod-likeandglobularHN-ADfunctionalbacteria.收稿日期:2018-11-15；修订日期:2018-12-07基金项目:国家自然科学基金项目(51708077)；重庆市社会事业与民生保障科技创新专项(cstc2018jscx-msybX0134)作者简介:刘向阳(1994~)，男，硕士研究生，主要研究方向为生物膜反应器脱氮工艺，E-mail:[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]2018-12-2007:04:12:HN-ADagent;biologicalenhancement;biologicalcontactoxidation（BCO）process;piggerybiogasslurry;microbialcommunitystructure随着规模化养猪场的迅速发展，排放量不断增加的富含有机质、N、P等营养物及致病菌等污染物的猪场沼液会带来严重的健康和环境危害[1~3]。猪场沼液普遍特征为高氨氮（NH4+-N≥200mg·L−1）、低碳氮比(C/N3），其带来的两大处理技术难点为：高氨氮具有生物毒性，抑制微生物生长；沼液有机物浓度较低，可生化性差，导致C/N失调，不能为微生物提供充足的碳源，使得废水脱氮效果差[4,5]。为提高沼液的NH4+-N去除效率，当前研究主要采用以下几种方式：采用氨吹脱法[6]、磷酸铵镁结晶法[7]等物化方法大幅度降低沼液中NH4+-N浓度；添加原水或补加碳源调整碳氮比[8]；用臭氧氧化和微电解[9,10]等方法提高沼液可生化性能。虽然上述方法可有效降低沼液中的NH4+-N浓度，提高其C/N及可生化性，但以上方式存在工艺复杂且后续处理成本提高等实际问题。部分研究人员采用CANNON等新型脱氮工艺处理猪场沼液[11]，虽然该工艺在低C/N条件下可对高氨氮取得较好的去除效果，但由于启动时间太长（210d），限期了其工程化应用。因此，开发新型工艺高效处理猪场沼液势在必行。生物接触氧化（biologicalcontactoxidation，BCO）工艺由于对高氨氮具有一定的耐受性、抗冲击负荷能力强等特点[12]，被广泛应用于处理畜禽养殖沼液等低碳氮比有机废水[13,14]，但受碳源不足，NH4+-N浓度高的影响，脱氮及有机物去除效果不理想[15]。鉴于此，本研究采用课题组前期筛选的异养硝化-好氧反硝化菌（heterotrophicnitrification-aerobicdenitrification，HN-AD）对BCO工艺进行生物强化，前期研究发现，该HN-AD菌能高效处理低碳氮比高氨氮废水。采用HN-AD菌生物强化的BCO工艺用于猪场沼液的脱氮处理，借助BCO内载体较大的比表面积实现菌剂的固定，并在好氧环境下，通过运行条件优化实现系统内功能菌的富集和优势化构建，强化氨氮和有机物的去除。前期研究表明HN-AD菌可耐高氨氮且Yang等[16]和Chen等[17]发现在低C/N条件下也能高效脱氮，打破了人们对HN-AD菌只有在高碳氮比条件下才能获得高效脱氮的固有观念。此外，采用生物强化的BCO工艺启动时间短、工艺流程简单（一个反应器同时实现有机物和“三氮”的同步去除），有望成为经济、简洁、高效的新型生物脱氮工艺。目前，国内外HN-AD菌的工程化应用较少，以HN-AD菌生物强化的BCO工艺进行猪场沼液处理的研究更是鲜见报道[18]。本研究采用逐步增大NH4+-N负荷的策略启动BCO工艺，稳定运行后接种HN-AD菌剂对BCO进行生物强化，启动生物强化的BCO工艺后，通过高通量测序技术分析生物强化前后微生物多样性的变化规律，并结合扫描电镜(SEM)考察了填料表面生物膜的微观形态。同时考察了生物强化的BCO工艺对猪场沼液的实际脱氮效果，以期为该技术的优化和实际应用提供理论依据。1材料与方法1.1BCO系统实验装置BCO工艺流程图如图1所示。系统中采用10mm厚的长方体有机玻璃池体作为生物接触氧化池的主体，池长500mm，池宽300mm，池高850mm，反应器有效容积为90L。BCO工艺采用上流式进水、曝气、停留、出水的间歇循环运行方式。1.调节池；2.进水泵；3.液体流量计；4.进气泵；5.气体流量计；6.微孔曝气头；7.组合软性填料；8.出水口；9.取样口；10.出水箱3图1BCO工艺流程示意Fig.1BCOprocessflowchart1.2实验材料生物接触氧化池内所用载体为PAN活性炭纤维填料，购置于南通森友炭纤维有限公司，其主要技术参数如表1所示[19]。填料层在BCO系统中的填充高度为750mm。表1PAN活性碳纤维填料主要技术参数Table1MaintechnicalparametersofPANactivatedcarbonfiberpacking项目单丝直径/μm束间距/mm比表面积/m2·m−3堆积密度/g·m−3挂膜时间/d参数11~18100