海泡石与生物质炭强化厌氧处理养猪废水宿程远

中国环境科学2017,37(10)：3764~3772ChinaEnvironmentalScience海泡石与生物质炭强化厌氧处理养猪废水宿程远1,2*,郑鹏2,卢宇翔2,谢莲2,黄纯萍2,黄智2,陈孟林2(1.岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室,广西桂林541004；2.广西师范大学环境与资源学院,广西桂林541004)摘要：探讨了海泡石与生物质炭投加对于厌氧技术处理养猪废水效能的影响,并通过三维荧光光谱(EEM)与傅里叶红外光谱(FTIR)分析了海泡石与生物质炭对于厌氧污泥溶解性微生物产物(SMP)及胞外聚合物(EPS)组分的影响.结果表明,投加海泡石与生物质炭后,提高了厌氧反应器对COD与氨氮的去除效果,对COD的平均去除率分别提高了10.1%与15.4%,对氨氮的去除率最高分别达到了50.9%和71.5%.对于厌氧污泥SMP而言,投加海泡石后,其FTIR光谱中2930cm-1、1460cm-1处的吸收峰减弱,表明其对养猪废水中大分子有机物的去除效果有一定程度增强;而投加生物质炭后,其EEM光谱中类富里酸(Ex/Em=340nm/420nm)的吸收峰强度降低,从而提高了厌氧反应器出水水质.对于厌氧污泥EPS而言,通过EEM分析可知,投加生物质炭后厌氧污泥中简单类蛋白(Ex/Em=225nm/340nm)吸收峰、色氨酸类蛋白(Ex/Em=280/340nm)吸收峰强度增大,蛋白含量的提高有利于厌氧污泥的絮凝;同时出现了辅酶F420(Ex/Em=420nm/470nm)的吸收峰,这表明加入生物质炭后,厌氧反应器内产甲烷菌活性更佳,为厌氧反应器对养猪废水的高效处理提供了保障.关键词：养猪废水；厌氧反应器；生物质炭；海泡石；污泥特性中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)10-3764-09Enhancedefficiencyofananaerobicreactorcontainingsepioliteorbiocharfortreatmentswinewastewater.SUCheng-yuan1,2*,ZHENGPeng2,LUYu-xiang1,XIELian1,HUANGChun-ping1,HUANGZhi2,CHENMeng-lin2(1.KeyLaboratoryofKarstEcologyandEnvironmentChangeofGuangxiDepartmentofEducation,Guilin541004,China；2.SchoolofEnvironmentandResources,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(10)：3764~3772Abstract：Inthisstudy,theenhancedefficiencyofananaerobicreactorcontainingsepioliteandbiocharfortreatmentswinewastewaterwasinvestigated,respectively.Theimpactsofsepioliteandbiocharonthecomponentsofsolublemicrobialproducts(SMP)andextracellularpolymericsubstances(EPS)ofanaerobicsludgewerealsoevaluatedusingexcitation-emissionmatrix(EEM)andfouriertransforminfrared(FTIR)spectra.TheresultsshowedthattheanaerobicreactorcontainingsepioliteorbiocharcouldimprovetheremovalofbothCODandammonianitrogen.Usingsepioliteandbiochar,theaverageremovalrateofCODincreasedby10.1%and15.4%,respectively.Meanwhile,themaximalremovalefficiencyofammonianitrogenreachedto50.9%and71.5%,respectively.WithregardtotheSMPofthesludge,theabsorptionpeaksat2930cm-1,1460cm-1abatedintheFTIRspectra.Itwasindicatedthatsepioliteeffectivelyremovedgreatmoleculeorganicsubstancesintheswinewastewater.Ontheotherhand,theintensityoftheabsorptionpeakoffulvicacid-like(Ex/Em=340nm/420nm)wasreducedintheEEMspectrausingbiochar.Itwasdemonstratedthatbiocharimprovedthequalityofthereactoreffluent.IntermsoftheEPSofthesludge,theintensityoftheabsorptionpeaksofprotein-like(Ex/Em=225nm/340nm)andtryptophanPN-like(Ex/Em=340nm/420nm)increasedintheEEMspectracontainingbiochar.Itwasdenotedthattheaugmentoftheproteincontentwasinfavouroftheanaerobicgranularsludgeflocculation.Besides,theabsorptionpeakofcoenzymeF420(Ex/Em=420nm/470nm)alsoappearedintheEEMspectra.Itwasillustratedthattheactivityofmethanogensintheanaerobicreactorwasintensified,whichensuredtheenhancedefficiencyoftheanaerobicreactorfortreatmentswinewastewater.Keywords：swinewastewater；anaerobicreactor；biochar；sepiolite；sludgecharacteristics收稿日期：2017-03-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(51641803);岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室资助项目(YRHJ16Z007)*责任作者,副教授,[e-mail]10期宿程远等：海泡石与生物质炭强化厌氧处理养猪废水3765养猪废水中富含氮、有机物、悬浮物等,是一种成分复杂的高氨氮、高负荷有机废水;如不经妥善处理后排放,其会通过地表径流污染地表水与地下水,导致水体环境恶化,影响人体健康[1-2],因此,当前养猪废水的有效处理引起了人们的关注.而根据养猪废水的水质特点,厌氧生物处理成为首选技术之一.厌氧生物处理技术具有能耗低、污泥产量少、抗冲击负荷能力,并可产生能源等优点,其将环境保护与产能有机地结合在一起[3-4].但现有厌氧生物处理工艺多针对有机物的去除,高浓度氨氮废水的有效处理是厌氧生物处理中常遇到的难题之一[5].对于养殖废水处理而言,由于其废水中含有较多的尿素、蛋白质等成分,高浓度的氨氮会使厌氧微生物的活动受到一定程度的抑制,造成细胞内pH值变化,增加维护能源需求;同时抑制酶促反应,从而对厌氧反应器的处理效能造成影响[6].针对废水中高氨氮的去除,国内外诸多学者进行了积极探索,如在厌氧反应器中投加零价铁(ZVI)、沸石等,ZVI可提高厌氧反应器对COD的去除率及甲烷产量,而沸石通过吸附及离子交换作用,提高厌氧反应器对废水中氨氮的去除效果[7-8].但当ZVI过量投加,会对厌氧微生物造成潜在的影响,而费用问题也是限制其应用的关键因素[7].虽然沸石的加入提高了氨氮与COD的去除效果,但污染物仅靠沸石本身去除,其能力有限,且多需要对沸石进行一定的改性或修饰[8].海泡石作为一种硅酸盐的矿物材料具有绿色无毒的特点,将其应用于废水处理时安全可靠,且具有很强的吸附性能与分子筛功能[9].生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的条件下热解而产生的一类含碳量较高的高度芳香化物质,具有很好的热稳定性和抗生物化学分解特性;同时生物质炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积,且表面富有多种官能团使其具有较强的化学吸附能力[10-11].鉴于此,本文探讨了海泡石与生物质炭投加对于厌氧生物技术处理养猪废水效能的影响,并通过三维荧光光谱(EEM)与傅里叶红外光谱(FTIR)分析了海泡石与生物质炭对于厌氧污泥溶解性微生物产物(SMP)以及胞外聚合物(EPS)组分的影响,以期为养猪废水的有效处理以及海泡石、生物质炭的有效利用提供科学的借鉴.1材料与方法1.1试验装置与试验过程试验装置参考文献[12]加工,如图1所示,试验利用4个广口瓶作为厌氧反应器,其体积为2000mL.2个反应器内不放置海泡石与生物质炭,分别标签为B1与R1;用细绳将一尼龙多孔袋捆绑并固定悬挂于反应器内部,尼龙多孔袋内装有80g海泡石,标签为B2;另一尼龙多孔袋内放有20g生物质炭,标签为R2.4个反应器均在35℃下恒温水浴进行试验[12-13].首先进行海泡石投加影响试验,试验开始前,分别向B1与B2反应器中加入适量厌氧污泥,约占反应器总体积的1/3.试验期间每24h更换一次进水,每天记录B1与B2反应器进、出水COD、NH4+-N浓度与pH值,计算COD与NH4+-N去除率,从而考察海泡石投加对厌氧反应器处理效能的影响.试验结束后,分别对厌氧污泥SMP、EPS进行分析.继而又探讨了生物质炭投加影响试验,其试验过程与海泡石试验一致.35℃尼龙多孔带海泡石/生物质炭水浴图1装置示意Fig.1Schematicdiagramofthereactor1.2试验材料本试验用水为实际养猪废水,取自广西桂林3766中国环境科学37卷市某养猪场调节池,该废水COD与NH4+-N浓度分别为1745~2154mg/L和416.5~516.0mg/L,pH值平均为8.28.厌氧反应器所用颗粒污泥取自广西桂林某啤酒厂运行稳定的UASB厌氧反应器,其污泥性质为:VSS/SS=0.6~0.7,SS为25g/L.海泡石购置于河北省某海泡石加工厂.通过坚果果壳制备所需生物质炭,将夏威夷果果壳先剔除砂砾等杂物后,装于不锈钢桶内,置于马弗炉中,隔绝空气,在500℃的温度下炭化2h,制得所需生物质炭.试验过程中,所用海泡石与生物质炭的粒径为2.0~5.0mm.1.3分析方法COD:采用快速消解分光光度法测定.NH4+-N:采用纳氏试剂分光光度法测定.厌氧污泥SMP与EPS的提取参考文献[14]与[15],获得所需样品后,其EEM光谱利用荧光光谱仪(HITACHI,F7000)进行分析,分析条件为[16]:发射波长和激发波长的下限为220nm,两者上限分别为550nm和500nm,狭缝为5nm;其FTIR光谱利用傅里叶红外光谱仪(ThermoNicolet)进行分析,测量范围为4000~400cm-1[17].2结果与讨论2.1COD去除情况分析本文首先考察了海泡石与生物质炭投加对厌氧反应器去除养猪废水中COD的影响,结果如图2所示.0246810121416182022242628302030405060708090100COD去除率(%)运行天数(d)B1B2海泡石0246810121416