厌氧氨氧化技术处理低碳氮比养猪废水研究

刘东斌　言海燕　陈亚利　王喜　曹文娟

摘   要：采用厌氧氨氧化技术对低碳氮比养猪废水进行生化处理。考察厌氧氨氧化技术对低碳氮比养猪废水中氨氮和COD的去除效果，并确定最佳的反应参数。结果表明最佳反应条件为初始pH 7.80，DO为0.5～1.0mg/L，温度35℃，HRT为48h。在此条件下，废水氨氮、CODCr浓度分别由初始的459.6～760.3mg/L、936.1～1352.7mg/L降至57.3～62.7mg/L、466.2～580.6mg/L，去除率分别为87.53%～91.75%、50.20%～57.08%。说明厌氧氨氧化技术对低碳氮比养猪废水具有良好的处理效果。

关键词：厌氧氨氧化技术  低碳氮比养猪废水  去除效果

中图分类号：X71                                    文献标识码：A                       文章編号：1674-098X（2020）06（b）-0070-03

规模化养猪场废水一直是农村水污染的主要来源，废水若不经处理直接排放，可导致水质恶化、人畜传染病蔓延，给生态环境带来严重危害[1]。处理猪场废水的关键技术是脱氮，因为猪场废水中含有高浓度的氨氮，而碳氮比（C/N） 却很低，如果采用以往的硝化反硝化技术去处理，会增加处理成本、处理后的效率也很低。采用短程硝化反硝化能够降低硝化过程中的耗氧量、投碱量以及减少反硝化过程中必需的碳源，并能够缩短过程反应时间，因此这种处理技术被广泛用于废水生物脱氮中[2]。但是在短程硝化反硝化技术处理中碳源紧缺依然是影响厌氧处理后的C/N 猪场废水效果的重要因素[3]。同样，进水中的有机物和溶解氧很容易抑制厌氧氨氧化过程和效果，因此对进水有很高的要求。当前，多被应用的厌氧氨氧化前置工艺的重点为短程硝化，此项处理技术的关键是充分实现亚硝化、严格控制出水氨氮与亚硝态氮比例。目前相关研究多采用添加单种有机物质的方式进行，Pathak等、Chamchoi等和朱静平等分别以己内酯、全脂牛奶和葡萄糖为有机碳源，考察有机物对厌氧氨氧化的影响，其各项研究中得出在加入有机碳源的情况下，厌氧氨氧化菌能够与反硝化菌共同存在，但是厌氧氨氧化菌的竞争能力比后者要小。厌氧氨氧化程度是否能够受到抑制，主要取决于其中有机物的浓度以及CPN;Guven等。因此得出，加入甲醇和乙醇能够抑制厌氧氨氧化菌，而加入葡萄糖、甲酸和丙胺酸则对厌氧氨氧化菌的抑制影响不明显。但是，以成分复杂的低碳氮比养猪废水为对象的研究尚少见报道.

本研究应用对象为处理低碳氮猪场废水，主要是对猪场污泥进行厌氧氨氧化来实现处理目的，严格控制观察处理试验过程中的pH值、DO、温度以及HRT几项指标，并作详细的数据记录，以便从中分析出厌氧氨氧化工艺应用于低碳氮比养猪废水处理过程的最优技术条件。

1  实验部分

1.1 实验仪器

PHS-3E型精密pH计，恒温振荡器，电子天平，便携式溶氧仪，COD微波消解仪，紫外可见分光光度计，电热鼓风干燥箱。

1.2 实验药品

分析测定过程中用来配制标准溶液的药剂为优级纯药剂，其余实验药剂均为分析纯药剂。厌氧氨氧化污泥采自某垃圾填埋场渗滤液处理厂。

1.3 分析方法

温度采用GB 13195-91《水质水温的测定温度计或颠倒温度计测定法》测定;pH值采用GB 6920-86《水质 pH值的测定玻璃电极法》测定;DO采用HJ 506—2009《水质溶解氧的测定电化学探头法》测定;氨氮采用HJ 535-2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》测定;硝酸盐氮采用GB 7480-87《水质硝酸盐氮的测定酚二磺酸分光光度法》测定;亚硝酸盐氮采用GB 7493-87《水质亚硝酸盐氮的测定分光光度法》测定;CODCr采用GB 11914-89《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》测定。

1.4 废水水质

废水取自永清水务公司某养猪废水处理项目沼气池出水，主要水质指标如表1所示。

1.5 实验步骤

（1）厌氧氨氧化污泥的选取：厌氧氨氧化菌种体积小，生长缓慢，因此在选取厌氧氨氧化污泥时应该尽取红色颗粒菌种多的污泥，这样，以低碳氮比养猪废水为对象的探索性试验才能具有代表性。

（2）实验设计：取150mL低碳氮比养猪废水放置于250mL锥形瓶中，用0.1mol/L HCl或者0.1mol/L NaOH溶液将废水调节至所需要的pH值，在锥形瓶中加入适量的厌氧氨氧化污泥，放置于恒温振荡器中进行厌氧氨氧化过程，通过恒温振荡器控制温度，同时，通过控制振荡速度控制锥形瓶内DO的浓度。每隔一段时间进行取样，并测定水样的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮及CODCr等指标。通过以上实验设计探究厌氧氨氧化技术处理低碳氮比养猪废水的最佳工艺条件。

2  结果与讨论

2.1 HRT对氨氮和CODCr去除效果的影响

在室温条件下，低碳氮比养猪废水的pH为7.33，向废水中加入适量的厌氧氨氧化污泥，在恒温振荡器中，以保证锥形瓶处于缺氧状态下的速度分别振荡11.5h，23.5h，35.5h，47.5h，59.5h，71.5h，83.5h，95.5h，在静止0.5h后，按照上述分析方法测定氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和CODCr，探究不同HRT对废水中氨氮和CODCr去除效果的影响。

实验结果得出，随着HRT的增加，废水中氨氮和CODCr的去除率是逐渐升高，并且在48h达到最高，分别为88.61%、50.20%，而硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的浓度并没有随之增加，这说明氨氮被厌氧氨氧化菌种转化为氮气，从根本上降低了废水中的氨氮浓度。但是当HRT随之再增加后，因为废水中提供给污泥的营养物质减少，供需平衡体系被打破，导致氨氮和CODCr的去除率出现小幅降低。再综合考虑氨氮、CODCr去除率及投资建设成本，48h的HRT为厌氧氨氧化技术处理低碳氮比养猪废水的最佳工艺条件之一。

2.2 pH对氨氮和CODCr去除效果的影响

在室温条件下，用0.1mol/LHCl或0.1mol/L NaOH将低碳氮比养猪废水的pH调整至6.35、6.81、7.33、7.80、8.35，取适量的厌氧氨氧化污泥，以保证锥形瓶处于缺氧状态下的速度恒温振荡47.5h，静止0.5h后，按照上述分析方法测定废水中的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和CODCr。

实验结果得出：随着养猪废水pH值的不断升高，氨氮和CODCr的去除率先由逐渐增加再迅速降低，但是氨氮和CODCr去除率最高时的pH值却不同，氨氮去除率在废水pH为7.80时达到最高，为90.15%，CODCr去除率在废水pH为7.33时达到最高，为50.11%。厌氧氨氧化菌与COD菌种的菌种不同是其中原因，同时，根据Schalk和Graaf等人提出的羟氨厌氧氨氧化反应机理再结合本实验的结果分析，pH过低不利于NO2--N向NH2OH的转化，pH过高又促使NH4+-N向NH2OH反应方向进行，过高或过低的pH值都不利于羟氨的生成，从而有可能使厌氧氨氧化反应的速率下降。考虑到低碳氮比养猪废水的处理难点是氨氮的去除，因此，pH值为7.80是厌氧氨氧化技术处理低碳氮比养猪废水最佳工艺条件之一。

2.3 温度对氨氮和CODCr去除效果的影响

用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH調整低碳氮比养猪废水pH值至7.80，取适量的厌氧氨氧化污泥，温度分别设置为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，以保证锥形瓶处于缺氧状态下的速度恒温振荡47.5h，静止0.5h后，按照上述分析方法测定废水中的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和CODCr。

实验结果得出，当温度在35℃时，氨氮和CODCr的去除率达到最大，分别为89.14%、56.17%。因为温度能够对生物酶活性产生直接影响。实验表明，当温度控制在小于20℃时，低温能够明显抑制微生物的生命活动，降低新陈代谢的速度，其自身的降解能力也会受到很大限制;当温度控制在大于35℃时，高温能够降低微生物内含的酶活性， 同时降低氨氮和CODCr去除率。因此，温度为35℃是厌氧氨氧化技术处理低碳氮比养猪废水最佳工艺条件之一。

2.4 DO对氨氮和CODCr去除效果的影响

用0.1mol/LHCl或0.1mol/L NaOH调整低碳氮比养猪废水pH值至7.80，取适量的厌氧氨氧化污泥，将恒温振荡器的温度设定在35℃，通过调整振荡器的速度以及对锥形瓶采取密封措施，将锥形瓶内低碳氮比养猪废水的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，在恒温振荡器中振荡47.5h，静止0.5h后，按照上述分析方法测定废水中的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和CODCr。

实验结果得出：当DO在2.0～4.0mg/L时，低碳氮比养猪废水中氨氮的去除率是最高的，达到98.66%，同时，也可以很清楚的看到硝酸盐氮和亚硝酸盐氮出现高达45.09%和82.96%的负增长，这说明此时并不是发生厌氧氨氧化反应将氨氮转化为氮气，而是将氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮，这并没有从根本上去除废水中的氨氮，同理当DO在1.0～2.0mg/L时，也发生相同的状况。只有当DO控制在0.5～1.0mg/L时，氨氮去除率为91.75%的同时，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮都是一定的正相关，这说明此时废水中的氨氮被厌氧氨氧化污泥转化为氮气，从根本上将低碳氮比养猪废水中的氨氮去除，并且，此时CODCr的去除率能够保持在57.08%。因此，DO控制在0.5～1.0mg/L时，低碳氮比养猪废水处理效果呈现出最优工艺条件之一。

3  结论

通过实验分析，可以得出以下结论：

（1）厌氧氨氧化技术能够对低碳氮比养猪废水中的氨氮去除具有较好的效果，对低碳氮比养猪废水中的CODCr具有一定的去除效果，能够将厌氧氨氧化技术应用于低碳氮比养猪废水的处理;

（2）当将低碳氮比养猪废水的pH调节至7.80，DO控制在0.5～1.0mg/L，温度控制在35℃，HRT控制在48h，经过处理的低碳氮比养猪废水氨氮浓度由459.6～760.3mg/L降低为57.3～62.7mg/L，CODCr浓度由936.1～1352.7mg/L降低为466.2～580.6mg/L，去除率分别达到87.53%～91.75%、50.20%～57.08%。

参考文献

[1] 张克强，高怀友.畜禽养殖业污染物处理与处置[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2] 郑平，徐向阳，胡宝兰.新型生物脱氮理论与技术[M].北京：科学出版社，2004.

[3] 杨朝晖，高峰，曾光明，等.短程硝化反硝化去除高氨氮猪场废水中的氮[J].中国环境科学，2005，25（增刊）：43-46.