畜禽养殖废水甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化除碳脱氮探讨

段 庄，孙竹龙，张 智,*，陈诗浩

(1.珠海市规划设计研究院，广东珠海 519000；2.重庆大学环境与生态学院, 重庆 400045)

[通信作者] 张智，教授，博士生导师，E-mail：zhangzhicq@126.com。

中国是世界上最大的畜禽养殖国，近年来随着我国经济社会的发展，人们对肉制品的需求量不断增加，我国规模化畜禽养殖业飞速发展。以我国畜禽养殖业中最普遍的养猪业为例，2012年—2018年我国肉猪出栏头数均保持在7亿头左右，2010年—2018年猪肉产量均在5 000万t以上[1-2]。我国养殖业飞速发展的同时也带来了养殖废水的大量排放。据估计，2018年我国猪场产生的废水总量约为1.6亿t[3]。养殖废水中含大量有机污染物和氮磷等植物性营养元素。大量排放的养殖废水，给环境带来了巨大压力。

目前，养殖废水常用的主要处理工艺有还田处理、自然处理和工业化处理几种模式，还田处理和自然处理对土地资源的高需求和处理效率的低下已经难以满足规模化养殖所产生废水的处理需求，传统除碳脱氮的物理化学等方法也存在曝气能耗高、需外加碳源、污泥产量高等问题，在养殖业成本控制和污染排放标准要求逐渐提高的境遇下，迫切需要将更先进合理的除碳脱氮技术应用于养殖废水处理。

1 甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化反应机理

甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化是3个主要的反应过程。甲烷化是厌氧生物处理除碳的最后一步，通过厌氧微生物和兼氧微生物的作用，以氢和二氧化碳、乙酸或甲基化合物为原料合成甲烷[4]。自然界中最主要的2种甲烷生物合成反应如式(1)和式(2)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2 甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化影响因素及其耦合的可行性

甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的功能菌群，特别是厌氧氨氧化菌对环境条件的要求很高。探究温度、pH、DO、底物等环境条件对产甲烷菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌的生长繁殖及其除碳脱氮作用的影响机制，得到3个反应过程同时稳定运行的合适的环境条件，以期实现甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的稳定除碳脱氮。

2.1 温度

合适的温度是保持甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化功能菌群活性和生长繁殖的重要环境因素，甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的高效稳定运行需综合考虑3种功能菌各自及其相互作用的特性，控制体系温度在合适范围内。

(1)对甲烷化过程的影响。中温(35～38 ℃)和高温(52～55 ℃)厌氧消化过程中均存在产甲烷作用，一般来说，反应器内产甲烷菌的最佳温度为30 ℃～35 ℃[8]。试验表明，发酵温度为35 ℃条件下，厌氧发酵的产甲烷量大于30 ℃和45℃[9]。水稻土中，甲烷产量在15～37 ℃呈正线性相关，在37～50 ℃呈负线性相关，在37 ℃达到峰值[10]。

(3)对厌氧氨氧化反应的影响。大多数种类的厌氧氨氧化菌为中温菌，需在相对较高的温度下才能进行稳定脱氮。厌氧氨氧化的最佳反应温度[14]为30～35 ℃，温度降低会影响厌氧氨氧化菌脱氮。在低氮负荷下，温度下降在造成脱氮效果下降的同时，还会改变厌氧氨氧化菌的群落结构[15]。降温方式也会影响厌氧氨氧化的脱氮性能。低温将抑制厌氧氨氧化反应，但也存在能在低温条件下进行稳定脱氮的厌氧氨氧化菌。研究发现，在10 ℃低温条件下，颗粒污泥流化床中存在厌氧氨氧化菌，也可进行稳定脱氮，且效果与传统脱氮的速率相当，甚至更高[16]。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化三者的最适温度存在微小差异，即反硝化的最适温度相对较低，厌氧氨氧化较高，甲烷化过程则相对更高，但其差异极微，可以认为，三者需要的温度条件相近。对于三者的联合作用，通常应将温度控制在31～35 ℃，为厌氧氨氧化的最佳反应温度，略低于甲烷化过程最适温度、高于反硝化最适温度，该工况下除碳作用有所减弱。若要对高碳氮比污(废)水进行处理，可适当提高温度，以加强甲烷化作用，从而增强耦合反应的除碳能力。

2.2 pH

pH也是影响甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化功能菌群活性和生长繁殖的重要环境因素。甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化过程都会发生pH的动态变化，需要控制pH在合适的范围内。

(1)对甲烷化过程的影响。甲烷化反应是pH降低的过程，而产甲烷菌在酸性条件下却极难存活[17]，通常甲烷化过程适宜的pH值为6.8～7.2。研究表明，在进水CODCr为20 000 mg/L、HRT为8 h、UASB系统进水pH值分阶段由6.9降至5.4时，COD去除率降低23.3%[18]，而半连续流反应器中不同初始pH变化对产甲烷量影响不大。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化过程的最适pH虽然存在微小差异，即甲烷化过程基本需要中性环境，厌氧氨氧化稍偏碱性，反硝化比厌氧氨氧化又稍偏碱性，但差异极微，可以认为三者拥有相近的最适pH条件。对于三者的联合作用，适宜的pH值应在7.5左右，此时厌氧氨氧化和反硝化基本处于最适pH，而甲烷化过程则pH略高，该pH下除碳作用也有所减弱。若要对高碳氮比污(废)水进行处理，可适当降低pH使甲烷化作用加强，以增强耦合反应的除碳能力。

2.3 DO

甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化细菌均是厌氧细菌，DO存在会抑制功能菌群活性，甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化过程通常都需要在低DO条件下进行。

(1)对甲烷化过程的影响。一般认为，进水中的DO会抑制产甲烷菌的活性。研究显示，DO浓度从0.00 mg/L上升到7.00 mg/L时，最大比产甲烷速率(SMA)先后两次分别在原来75.9、91.1 mL/(g·d)的基础上下降37.29%、21.62%[25]。但也有研究表明，有氧存在的反应器没有显示出对甲烷化的不利影响[26]。

(3)对厌氧氨氧化的影响。DO通常会抑制厌氧氨氧化过程。厌氧氨氧化菌生长缓慢，且对环境条件要求十分严格[29]，高DO条件下与其他菌种竞争处于劣势。研究显示，在DO浓度为0.4～1.0 mg/L时，厌氧氨氧化菌受到了抑制[30]；颗粒污泥态的厌氧氨氧化菌脱氮效果最佳的DO浓度为0.1～0.2 mg/L[31]。短期内，一定幅度范围的DO变化对厌氧氨氧化反应的抑制作用是可逆的，只是DO浓度增加越多，需要的恢复时间就越长。但是，如果DO浓度过高(空气饱和度>18%)，厌氧氨氧化菌的活性将不可恢复[32]。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化过程均需在低DO条件下进行，三者菌种对DO的耐受度存在些许差异。其中，反硝化过程对DO最为敏感，其次是厌氧氨氧化，而甲烷化过程对DO的耐受度相对较好。对于三者的联合作用，进水DO通常需控制在0.2 mg/L以下，才能使甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性均不受抑制。

2.4 底物

充足的底物是保证生化反应高效进行的基础，足量和比例合适的底物对甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化过程同样十分重要。

2.5 抗生素

抗生素是一类预防和治疗细菌感染疾病最为重要的药物，抗生素在养殖业中广泛用作饲料添加剂，以控制疾病并促进生长[40]。污(废)水中大量存在的抗生素会对产甲烷菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌产生毒害作用。

(1)对甲烷化过程的影响。泰乐菌素、青霉素、四环素等抗生素通过抑制产甲烷菌蛋白质和细胞壁合成抑制甲烷化作用。浓度低至0.01 mg/L的泰乐菌素抑制甲烷的产生，高于0.5 mg/L时几乎不产生甲烷[41]；添加0.2、10 mg/L的青霉素分别可以对产甲烷活性产生44.78%、88.28%的抑制[42]；四环素的存在使猪粪中甲烷产量减少了25%[43]。

以上研究表明，甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化均会不同程度地受到抗生素的影响。对于三者的联合作用，应尽量避免抗生素的存在干扰除碳脱氮效果，但也可通过驯化使功能菌群对抗生素产生抗性，降低抗生素对耦合体系除碳脱氮的影响，甚至产生代谢抗生素的能力，以对养殖废水等一些含较多抗生素的污(废)水进行高效除碳脱氮。

3 甲烷化、反硝化、厌氧氨氧化的耦合

甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化微生物种群不同，生理代谢存在差异，如何实现甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化反应稳定耦合仍是需要深入研究的问题。对于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的耦合，国内外学者开展了大量研究。

3.1 同时甲烷化反硝化

3.2 同时厌氧氨氧化甲烷化

3.3 厌氧氨氧化耦合反硝化

4 结语

甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化是实现对养殖废水等一些高碳氮污(废)水除碳脱氮的优良途径，具有广阔的应用前景。研究表明，反应适宜的温度应在31～35 ℃，适宜的pH值应在7.5左右，进水DO通常需控制在0.2 mg/L以下。目前，学者对甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化两两耦合和抗生素对三者分别的影响也进行了一些研究。

综上，后续对甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的研究需要探究其在同一反应器中耦合的可能性，并对同一反应器中甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化整个反应体系的影响因素进行研究，提出针对不同污(废)水水质的环境条件调节方向，同时研究抗生素对甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化整个反应体系的影响，得到抗生素浓度限值，以期优化运行环境条件，规避抗生素影响，为甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化更好地应用于养殖废水等一些高碳氮污(废)水处理提供参考。