劉向陽,張 千*,吳 恒,陳 旺,盛小紅,念海明,肖芃穎,趙天濤

HN-AD菌強(qiáng)化3D-RBC處理養(yǎng)豬廢水及微生物特性研究

劉向陽1,張 千1*,吳 恒1,陳 旺1,盛小紅1,念海明2,肖芃穎1,趙天濤1

(1.重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 400054；2.重慶川儀環(huán)境科技有限公司,重慶 401121)

針對(duì)現(xiàn)有養(yǎng)豬廢水處理工藝中普遍存在的高氨氮(NH4+-N)生物毒性大、工藝流程長、運(yùn)行成本高和脫氮效果差等問題,采用耐受性強(qiáng)的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌掛膜啟動(dòng)三維結(jié)構(gòu)生物轉(zhuǎn)盤(3D-RBC)預(yù)處理養(yǎng)豬廢水,僅需15d就完成了3D-RBC反應(yīng)器的快速掛膜.采用調(diào)節(jié)盤片線速度和C/N的方式,僅65d實(shí)現(xiàn)了HN-AD菌在反應(yīng)器中的富集及養(yǎng)豬廢水預(yù)處理工藝的啟動(dòng).采用該工藝對(duì)實(shí)際養(yǎng)豬廢水進(jìn)行處理,結(jié)果表明,HN-AD菌劑掛膜的3D-RBC工藝耐受高氨氮性能強(qiáng),原水中COD、NH4+-N、TN的去除率高達(dá)69.8%、87.9%和79.5%,污染物削減效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝.采用高通量測(cè)序技術(shù)研究了功能菌優(yōu)勢(shì)化構(gòu)建過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,結(jié)果表明,生物膜內(nèi)具有HN-AD功能的優(yōu)勢(shì)菌由鹽單胞菌屬()、不動(dòng)桿菌屬()逐漸變?yōu)閰裁珕伟鷮?)、嗜氫菌屬()等,且后者的相對(duì)豐度逐漸上升.掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示,生物膜以絲狀菌為骨架,緊密附著在盤片上的生物膜層表面聚集了以桿狀和球狀為主的微生物,這與生物多樣性分析得出的結(jié)論較一致.

養(yǎng)豬廢水；3D-RBC預(yù)處理工藝；HN-AD菌；微生物群落結(jié)構(gòu)

當(dāng)前,畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[1].其中,養(yǎng)豬廢水屬于懸浮物、有機(jī)污染物和氨氮“三高”的有機(jī)廢水[2],由于其處理成本高,處理難度大,大量未經(jīng)處理的養(yǎng)豬廢水直接排放,對(duì)農(nóng)村生態(tài)和環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[3-4].如何高效處理該類廢水,已成為制約畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸.對(duì)于規(guī)?；B(yǎng)豬廢水,目前國內(nèi)外采用的主要處理工藝主要是厭氧-自然處理聯(lián)合或厭氧-好氧聯(lián)合工藝[5-7],養(yǎng)殖廢水經(jīng)過厭氧發(fā)酵處理后,雖然大部分COD被去除,但氨氮只是形態(tài)發(fā)生變化,濃度仍然很高,造成了低碳、高氨氮沼液的產(chǎn)生,導(dǎo)致C/N嚴(yán)重失調(diào),脫氮效果差[8-9].傳統(tǒng)脫氮工藝處理沼液時(shí),由于高氨氮對(duì)微生物的毒害作用,使得傳統(tǒng)脫氮微生物生長及活性受到抑制.同時(shí),沼液碳源不足,造成反硝化過程受阻,最終導(dǎo)致工藝流程復(fù)雜、處理成本高和脫氮效果差等系列問題.鑒于此,本研究基于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化(HN-AD)脫氮原理提出了一種新型的養(yǎng)豬廢水預(yù)處理工藝.

該新型工藝以具有高效HN-AD性能的功能菌為接種菌劑,借助生物膜反應(yīng)器內(nèi)載體的吸附實(shí)現(xiàn)菌劑的固定,借助自然接觸復(fù)氧的方式獲得好氧環(huán)境,通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件優(yōu)化,最終以生物膜的形式實(shí)現(xiàn)HN-AD菌的富集,形成好氧生物膜脫氮工藝.和傳統(tǒng)組合工藝相比[9],該工藝具有耐高COD (>10000mg/L)、耐高NH4+-N(>800mg/L)以及NH4+- N和TN去除效率高等優(yōu)勢(shì),直接在好氧條件下就能實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢水原水中有機(jī)物和NH4+-N濃度的大幅削減,同時(shí)原水中殘留有機(jī)物的可生化性能也未發(fā)生改變,縮短工藝流程的同時(shí)為后續(xù)工藝的穩(wěn)定高效運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件.采用菌劑掛膜的方式結(jié)合三維結(jié)構(gòu)生物轉(zhuǎn)盤(3D-RBC)的巨大比表面積可顯著縮短啟動(dòng)時(shí)間,并且有利于HN-AD菌的優(yōu)勢(shì)化構(gòu)建.此外,生物轉(zhuǎn)盤在低功率電機(jī)帶動(dòng)下就可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)的好氧環(huán)境,顯著降低了工藝的運(yùn)行成本.

近年來,國內(nèi)外對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水厭氧預(yù)處理的研究較多,而采用好氧生物膜反應(yīng)器預(yù)處理養(yǎng)殖廢水的研究則鮮有報(bào)道.因此,本研究以課題組前期獲得的HN-AD菌接種并掛膜啟動(dòng)3D-RBC反應(yīng)器,重點(diǎn)考察了3D-RBC預(yù)處理工藝的啟動(dòng)運(yùn)行情況及其對(duì)養(yǎng)豬廢水原水的預(yù)處理效果.在上述研究基礎(chǔ)上,采用掃描電鏡(SEM)觀察分析了生物膜表面的微觀形態(tài),并結(jié)合Illumina MiSeq測(cè)序技術(shù),分析預(yù)處理工藝啟動(dòng)階段生物膜中微生物多樣性的變化規(guī)律,以期為畜禽養(yǎng)殖廢水處理提供新的工藝解決策略和微生物理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 預(yù)處理工藝實(shí)驗(yàn)裝置

預(yù)處理工藝的實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)流程如圖1所示.生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器所用盤片[10-11]由重慶川儀環(huán)境科技有限公司提供,材質(zhì)為改性PP,盤片設(shè)計(jì)為三維結(jié)構(gòu)可提高生物膜附著力且有利于氣水流通.池體由厚度為5mm的有機(jī)玻璃制成五邊形凹槽,有效容積為2.4L,啟動(dòng)前直接向反應(yīng)器中接種HN-AD菌,同時(shí)添加營養(yǎng)物質(zhì)以供菌劑生長.轉(zhuǎn)軸串聯(lián)帶動(dòng)4級(jí)表面凸起的三維結(jié)構(gòu)盤片,其中,第一級(jí)、第二級(jí)和第三極、第四級(jí)盤片分別定義為生物轉(zhuǎn)盤的前端、中端、后端.盤片浸沒率為40%,每級(jí)盤片厚度為7cm,各級(jí)盤片間相距2cm,盤片直徑為14cm,盤片用低速電機(jī)驅(qū)動(dòng).

圖1 HN-AD菌強(qiáng)化3D-RBC預(yù)處理高氨氮養(yǎng)豬廢水系統(tǒng)圖

1.2 HN-AD菌

HN-AD菌由課題組前期從養(yǎng)豬廢水環(huán)境樣品中活化傳代培養(yǎng)、分離、篩選得到.所述菌劑由貪銅菌SWA1(sp.SWA1)、糞產(chǎn)堿桿菌()、不動(dòng)桿菌(和蒼白桿菌TAC-2(sp.TAC-2)等復(fù)配而成.該菌劑具有耐高NH4+-N、耐高COD、生長周期短和易于培養(yǎng)等性能,并在性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了NH4+-N和TN的去除分別由異養(yǎng)硝化和好氧反硝化完成,表明該菌劑具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能.

1.3 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為人工配水和真實(shí)養(yǎng)豬廢水原水.序批式掛膜啟動(dòng)階段,為人工配制的模擬養(yǎng)豬廢水,COD濃度為2500~8000mg/L,NH4+-N濃度為500(±50)mg/L.其COD:TN=(5~15):1,以無水乙酸鈉為碳源,以硫酸銨為氮源,以磷酸氫二鉀為磷源,同時(shí)添加微量元素以保證菌液的正常生長,其中微量元素成分為MgSO4·7H2O 2g/L,MnSO4·H2O 0.1g/L, CaCl21.5g/L,FeSO4·7H2O 0.1g/L;系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,連續(xù)流處理真實(shí)養(yǎng)豬廢水原水(取自重慶市巴南區(qū)某生豬養(yǎng)殖場固液分離后廢水,對(duì)其進(jìn)行過濾預(yù)處理后進(jìn)反應(yīng)器系統(tǒng)).其原水中COD、NH4+-N和TN的平均濃度分別為7773.1,687.9和790.3mg/L.

1.4 研究方法

生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器啟動(dòng)分為2個(gè)階段.序批式掛膜啟動(dòng)階段,在溫度為25~30℃,盤片線速度為1m/min,HRT=24h條件下,通過向生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器中接種培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期的高活性HN-AD菌,并采用間歇補(bǔ)加營養(yǎng)液的運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)菌液掛膜,檢測(cè)NH4+-N及表征菌液濃度吸光度值(OD600nm)的變化;連續(xù)流啟動(dòng)階段,采用連續(xù)方式運(yùn)行反應(yīng)器,主要分為6階段進(jìn)行,每個(gè)階段均運(yùn)行2個(gè)周期(4d/周期).第1,2,3階段保持C/N=5不變,調(diào)節(jié)盤片線速度分別為1, 7.5,15m/min.第4,5,6階段保持盤片線速度為15m/ min不變,調(diào)節(jié)C/N分別為8,10,15;分別選擇反應(yīng)器序批式掛膜啟動(dòng)完成,連續(xù)流啟動(dòng)初期,后期不同盤片的生物膜混合樣及連續(xù)流啟動(dòng)中期盤片沿程(前端,中端,后端)生物膜樣品于-4℃低溫保存,樣品脫水預(yù)處理后進(jìn)行SEM鏡檢及提取DAN進(jìn)行微生物多樣性分析.成功啟動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器后,保持盤片線速度為15m/min,考察預(yù)處理工藝對(duì)真實(shí)養(yǎng)豬廢水的前處理效果.

1.5 分析方法

本實(shí)驗(yàn)的水質(zhì)指標(biāo)均采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法,樣品均采用平行測(cè)定[12],DO使用HQ-30d便攜式溶解氧測(cè)定儀直接檢測(cè),COD指標(biāo)使用LH-16K型標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)需氧量消解儀,采用重鉻酸鉀法測(cè)定, NH4+-N采用納氏試劑分光光度法,TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定,OD600nm采用紫外分光光度法測(cè)定.

反應(yīng)器啟動(dòng)階段中的生物樣品先采用冷凍干燥做脫水預(yù)處理[13],然后采用TESCAN MIRA3熱場發(fā)射掃描電鏡觀察生物膜表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu).DNA提取和高通量測(cè)序采用MobioPowerSoil? DNA Isolation Kit提取固定化菌液總基因組DNA[14]. MiSeq平臺(tái)對(duì)16S rRNA基因高變區(qū)序列進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序區(qū)域選擇V3+V4區(qū),測(cè)序片段為468bp,測(cè)序引物為338F-806R,使用Trimmomatic、FLASH軟件對(duì)MiSeq測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得干凈數(shù)據(jù)(如表1).在Usearch軟件平臺(tái)中使用uparse方法將序列按照彼此相似性為97%分歸為許多小組,一個(gè)小組為一個(gè)OTU,從而得到OTU的代表序列.然后,使用uchime檢測(cè)PCR擴(kuò)增中產(chǎn)生的嵌合體序列并從OTU中去除,再用usearch_global方法將優(yōu)化序列map比對(duì)回OTU代表序列,最終得到OTU各樣品序列豐度統(tǒng)計(jì)表[15-16].

表1 樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2 結(jié)果與分析

2.1 序批式掛膜啟動(dòng)階段NH4+-N、COD、TN及OD600nm的去除

如圖2所示,菌液接種掛膜期間預(yù)處理工藝經(jīng)歷了3個(gè)階段:第Ⅰ階段(1~5d)為菌液吸附階段.序批式菌液接種掛膜第3d,菌液OD600nm值急劇減小,NH4+-N、COD和TN平均去除率分別達(dá)98.3%, 83.8%和81.4%.菌液快速吸附在盤片上,盤片上可逐漸觀察到一層微黃色的生物膜形成.第Ⅱ階段(6~ 10d)為菌液富集階段.待菌液NH4+-N、COD、TN濃度及OD600nm穩(wěn)定至一定值時(shí),添加營養(yǎng)液以供菌液生長富集.僅經(jīng)過3d,菌液NH4+-N、COD、TN濃度分別降至30,250.8,108.3mg/L,去除率可分別達(dá)到94.3%,90.7%,81.4%;OD600nm升高至1.33,說明菌液已完成生長,盤片上的生物膜厚度逐漸增加,顏色由微黃色變?yōu)榈S色.第Ⅲ階段(11~15d)為生物膜富集階段.當(dāng)菌液生長到一定濃度時(shí),繼續(xù)添加營養(yǎng)液后菌液不生長,其OD600nm呈先升高再降低至穩(wěn)定值,其NH4+-N、COD、TN濃度仍然可分別降解至6.6, 258.9,73.1mg/L并保持穩(wěn)定,各污染物的去除率較高,菌液快速富集并掛膜成功,可明顯觀察到盤片上富集一層黃褐色生物膜,同時(shí)鏡檢發(fā)現(xiàn)生物膜表面存在很多桿狀和球形狀原生動(dòng)物.

為了比較傳統(tǒng)活性污泥掛膜啟動(dòng)運(yùn)行情況,本研究同時(shí)建立了相同參數(shù)的3D-RBC反應(yīng)系統(tǒng),以生活污水廠活性污泥為接種污泥,研究結(jié)果表明,經(jīng)活性污泥掛膜的3D-RBC需要經(jīng)過33d盤片表面才能形成生物膜層.活性污泥掛膜的3D-RBC的NH4+-N濃度耐受極限值為400mg/L,當(dāng)NH4+-N濃度大于400mg/L時(shí),嚴(yán)重抑制系統(tǒng)內(nèi)微生物的生長,導(dǎo)致污染物去除率迅速降低.采用HN-AD菌對(duì)生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器接種掛膜啟動(dòng),歷時(shí)15d,盤片上成功富集一層黃褐色生物膜,相比于傳統(tǒng)活性污泥掛膜法[17]{孫藝齊, 2017 #163;李衛(wèi)平, 2015 #164},其掛膜啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短.且菌劑掛膜完成后,向系統(tǒng)內(nèi)添加一定量的營養(yǎng)基質(zhì),菌液的OD600nm保持穩(wěn)定不再生長且對(duì)NH4+-N具有較好的去除效果,表明菌液接種掛膜成功.

圖2 菌液序批式掛膜啟動(dòng)過程中各水質(zhì)指標(biāo)的變化情況

2.2 連續(xù)流啟動(dòng)階段NH4+-N、COD和TN的去除

如圖3和表2所示,根據(jù)盤片線速度及C/N的變化將啟動(dòng)過程分為6階段.

第1階段(1~18d),容積負(fù)荷(以COD計(jì))設(shè)定為2.51kg/(m3·d),進(jìn)水COD為2510.9mg/L,NH4+-N濃度為535.3mg/L,第1階段后期,可觀察到盤片表面絲狀菌的產(chǎn)生.由于處于連續(xù)流啟動(dòng)初期,盤片上固定的脫氮菌劑主要對(duì)污染物進(jìn)行生物吸附及降解,工藝出水中COD、NH4+-N和TN去除率均在70%左右.第2階段(19~34d),盤片線速度由1m/min升高到7.5m/min,系統(tǒng)DO升高,觀察到盤片表面絲狀菌逐漸脫落,有利于有機(jī)物及NH4+-N的去除.線速度為1m/min時(shí),絲狀菌快速生長,與HN-AD菌及其他脫氮菌呈競爭優(yōu)勢(shì);線速度提高至7.5m/min后,系統(tǒng)內(nèi)DO濃度提高,絲狀菌明顯減少,可能是絲狀菌競爭處于劣勢(shì),系統(tǒng)內(nèi)HN-AD菌及其他脫氮菌獲得了更多的有機(jī)物和DO導(dǎo)致出水中COD和NH4+-N去除率均呈升高趨勢(shì).而絲狀菌減少,導(dǎo)致TN去除率略有降低,推測(cè)是由于盤片生物膜層變薄,DO濃度提高,生物膜層內(nèi)缺氧區(qū)變小,異養(yǎng)反硝化菌的反硝化能力降低所致.第3階段(35~41d),將盤片線速度調(diào)至15m/min后,受線速度的抑制,盤片表面絲狀菌進(jìn)一步減少,且系統(tǒng)DO濃度增大,有利于有機(jī)污染的去除,COD去除率增加到86.3%.而線速度進(jìn)一步增大,使NH4+-N和TN去除率均下降至70%以下.導(dǎo)致這一現(xiàn)象發(fā)生有2種可能,一種可能是線速度過大,液相中的污染物還未進(jìn)入生物膜層內(nèi)部,就隨著盤片轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)入廢水中,縱向進(jìn)入生物膜中的停留時(shí)間變短;另外一種可能是由于盤片剪切力增大,導(dǎo)致附著在盤片上部分生物膜脫落,使脫氮速率有所降低.

第4階段(42~49d),C/N由5調(diào)整至8,COD去處率降低至71.2%,NH4+-N去除率升高至96.1%,TN去除率出現(xiàn)回升趨勢(shì).第5階段(50~57d),調(diào)整C/N為10,COD和NH4+-N去除率均升高,TN去除率幾乎不變.C/N提高后,可為微生物提供足夠的碳源以降解污染物且DO濃度升高有利于碳源的消耗及NH4+-N的降解[18].第6階段(58~65d),調(diào)整C/N為15,COD去除率升至89.3%,NH4+-N和TN去除率幾乎保持不變.C/N過高,降解有機(jī)物所需氧含量增多,導(dǎo)致DO濃度降低.

由圖3和表2可知,隨著連續(xù)流啟動(dòng)階段的進(jìn)行,C/N低時(shí)(5),COD去除率隨DO增加而增加,在DO濃度為2.3~4.7mg/L時(shí),COD去除率可達(dá)71.3%~86.3%,當(dāng)DO為4.7mg/L時(shí),TN去除率降低. C/N過低,抑制反硝化過程,影響TN去除;C/N過高,去除效果變化不明顯且增加了碳源補(bǔ)加的成本[19].另外盤片線速度可有效控制絲狀菌的產(chǎn)生,當(dāng)盤片線速度為15m/min時(shí)絲狀菌明顯減少且去除效果均有所上升.因此,為獲得理想的硝化和脫氮效果,同時(shí)降低能耗,節(jié)約成本,預(yù)處理工藝連續(xù)流啟動(dòng)階段應(yīng)控制C/N為8~10,DO濃度為1.7~3.1mg/L,調(diào)整盤片線速度為15m/min.

a. COD去除效果; b. NH4+-N去除效果; c. TN去除效果; d. 原水去除效果

表2 預(yù)處理工藝在連續(xù)流啟動(dòng)過程中各階段進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

2.3 預(yù)處理工藝對(duì)養(yǎng)豬廢水原水的前處理效果

工藝穩(wěn)定運(yùn)行5個(gè)周期后,原水中各指標(biāo)均能實(shí)現(xiàn)較好的處理效果.具體運(yùn)行情況如表3所示:其原水中COD、NH4+-N和TN的平均濃度分別從7773.1,687.9和790.3mg/L降低至2346.4,82.6和162.4mg/L,其平均去除率可分別達(dá)到69.8%,87.9%和79.5%,可在很大程度上實(shí)現(xiàn)污染物濃度的削減.采用該預(yù)處理工藝處理年出欄量5000頭生豬的養(yǎng)豬廢水原水,工程投資42萬元,按照廢水處理量45m3/d計(jì)算,折合藥劑費(fèi)(含菌劑)0.70元/m3、電費(fèi)0.20元/m3和人工成本0.35元/m3,預(yù)處理綜合成本為1.25元/m3,低于現(xiàn)有物化+厭氧預(yù)處理綜合成本的2.43元/m3,降低了工藝運(yùn)行和處理成本.

表3 預(yù)處理工藝對(duì)養(yǎng)豬廢水原水的前處理效果

2.4 預(yù)處理工藝序批式掛膜啟動(dòng)階段微生物群落結(jié)構(gòu)變化分析

菌液接種掛膜前后優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度如圖4所示.接種菌液時(shí)主要菌群為:產(chǎn)堿桿菌屬() (55.69%)[20]、假蒼白桿菌屬()(1.36%)[21]、不動(dòng)桿菌屬() (1.33%)[22-23]等具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能的菌屬;與接種菌液掛膜前相比,經(jīng)過15d菌液掛膜后的主要的優(yōu)勢(shì)菌屬為:黃桿菌屬()[24](19.15%)、不動(dòng)桿菌屬()(11.39%)、鹽單胞菌屬() (16.39%)[25-26]、根瘤菌屬()(15.53%)[27]、叢毛單胞菌屬()(0.3%)[28].可見,在生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器中接種菌液掛膜前后,系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度存在一定的差異,不僅不動(dòng)桿菌屬的相對(duì)豐度顯著增加,而且還出現(xiàn)了新的HN-AD功能優(yōu)勢(shì)菌屬.

從圖4可以看出,生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器接種掛膜完成后的生物樣中,具有HN-AD功能的菌屬種類豐富且相對(duì)豐度明顯高于接種菌液前,主要是由于隨著接種掛膜過程的進(jìn)行,系統(tǒng)內(nèi)的AOB菌逐漸成為系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌,有利于亞硝酸鹽的積累.在硝化反應(yīng)階段,異養(yǎng)硝化細(xì)菌在反應(yīng)器中快速生長;同時(shí)在盤片線速度過低的條件下,DO濃度下降.好氧反硝化菌在低DO濃度的情況下,以硝酸鹽、亞硝酸鹽為電子受體,反硝化能力增強(qiáng),其含量增加,因此導(dǎo)致HN-AD菌屬的種類及相對(duì)豐度均增加.如、、、等菌屬的相對(duì)豐度均在菌劑掛膜后增加.結(jié)果表明,生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器有利于功能微生物的富集,可保持菌液濃度的連續(xù)增長.生物盤片掛膜完成后,系統(tǒng)內(nèi)起主要HN-AD作用的優(yōu)勢(shì)菌屬分別為、、和菌,有助于實(shí)現(xiàn)NH4+-N的高效降解.

2.5 預(yù)處理工藝連續(xù)流啟動(dòng)階段微生物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空變化

連續(xù)流啟動(dòng)階段系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空變化如圖5所示.從時(shí)間層面對(duì)比分析連續(xù)流啟動(dòng)前期、后期生物膜混合樣品的群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)內(nèi)具有HN-AD功能的脫氮優(yōu)勢(shì)菌屬的種類及相對(duì)豐度發(fā)生變化.菌[29]、嗜氫菌屬()[30]、的相對(duì)豐度分別從0.01%,0.005%,0.21%升高至2.18%,1.53%,3.41%,、、和菌的相對(duì)豐度分別從4.92%,2.15%, 1.78%,1.48%降低至0.27%,0.14%,0.044%,0.07%.結(jié)合圖3可推測(cè),連續(xù)流啟動(dòng)初期盤片線速度較小,絲狀菌富集,和菌為主的HN-AD菌屬相對(duì)豐度較小,因而去除效果不理想;連續(xù)流啟動(dòng)后期將盤片線速度提高至15m/ min后,生物膜表面絲狀菌減少,且屬于HN-AD功能的優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度明顯增多,污染物去除率也隨之上升.

同時(shí)從空間層面上對(duì)連續(xù)流啟動(dòng)中期盤片沿程的生物膜樣品進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析,結(jié)果表明,盤片前端和中端的HN-AD功能優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度及種類相似,而盤片后端某些種類的HN-AD功能優(yōu)勢(shì)菌屬并不存在或相對(duì)豐度明顯劣于盤片前端和中端,但菌僅在盤片后端出現(xiàn).綜合對(duì)比連續(xù)流啟動(dòng)階段群落變化可見,在連續(xù)流啟動(dòng)過程中,生物群落結(jié)構(gòu)及生物多樣性呈現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)間及盤片沿程空間變化,并在生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了HN-AD功能菌屬的優(yōu)勢(shì)化構(gòu)建,這同時(shí)也驗(yàn)證了在連續(xù)流啟動(dòng)過程中的不同階段,其污染物去除效果均呈現(xiàn)不同程度的改善.

圖5 連續(xù)流啟動(dòng)階段系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空變化

2.6 HN-AD菌掛膜啟動(dòng)完成前后的SEM表征

(a)原始盤片 (b)HN-AD菌劑掛膜啟動(dòng)完成后

如圖6所示,在盤片接種HN-AD菌前(圖6a),可觀察到生物盤片表面呈規(guī)則排列的凸起狀條紋,這種特殊的盤片材質(zhì)及結(jié)構(gòu)有利于生物膜的穩(wěn)定附著;由HN-AD菌掛膜啟動(dòng)完成后的SEM照片可見,在HN-AD菌接種掛膜完成后,可形成比表面積較大的生物膜層,其生物膜以絲狀菌為骨架,具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能的菌屬以桿狀和球狀為主固定在盤片的表面.結(jié)合圖5可推斷,盤片表面的桿狀菌和球狀菌為序批式掛膜啟動(dòng)成功后的優(yōu)勢(shì)菌,分別為叢毛單胞菌屬()、嗜氫菌屬()和菌屬.

3 結(jié)論

3.1 采用HN-AD菌對(duì)生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器進(jìn)行序批式掛膜啟動(dòng),啟動(dòng)周期(15d)明顯低于活性污泥掛膜法(33d).

3.2 盤片線速度是控制絲狀菌產(chǎn)生的關(guān)鍵因素.為了保證處理效果同時(shí)能有效抑制絲狀菌的生長,線速度應(yīng)保持在7.5~15m/min范圍內(nèi).

3.3 高通量測(cè)序結(jié)果表明,生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器有利于功能微生物的富集與優(yōu)勢(shì)化構(gòu)建.SEM觀察結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí),反應(yīng)器啟動(dòng)完成后,盤片上的優(yōu)勢(shì)菌主要以桿狀和球狀的HN-AD菌為主.

3.4 真實(shí)養(yǎng)豬廢水原水經(jīng)預(yù)處理工藝后,污染物濃度削減效果明顯.原水中COD、NH4+-N和TN的平均濃度從7773.1,687.9和790.3mg/L分別降低至2346.4,82.6和162.4mg/L,出水水質(zhì)完全滿足后續(xù)處理工藝的設(shè)計(jì)要求.

[1] 王 亮,陳重軍,陳英旭,等.規(guī)?；i場養(yǎng)殖廢水UASB-SFSBR- MAP處理工藝中試研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2013,34(3):979-985. Wang L, Chen C J, Chen Y X, et al. Effect of pilot UASB-SFSBR- MAP process for the large scale swine wastewater treatment [J]. Environmental Science, 2013,34(3):979-985.

[2] 趙 麗,王毅力.AMBR-MABR耦合工藝處理模擬畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動(dòng)和運(yùn)行[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017,11(11):5799-5809. Zhao L, Wang Y L. Start-up and operation of anaerobic migrating blanket reactor-membrane biofilm bioreactor (AMBR-MABR) coupling process treating synthetic livestock wastewater [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2017,11(11):5799-5809.

[3] Meng J, Li J, Li J, et al. Enhanced nitrogen removal from piggery wastewater with high NH4+and low COD/TN ratio in a novel upflow microaerobic biofilm reactor [J]. Bioresource Technology, 2018,249: 935-942.

[4] Zhao B W, Li J Z, Leu S Y. An innovative wood-chip-framework soil infiltrator for treating anaerobic digested swine wastewater and analysis of the microbial community [J]. Bioresource Technology, 2014,173:384-391.

[5] 聶麗君,李德豪,何京東,等.ABR-MAP-MBR組合工藝處理高濃度養(yǎng)殖廢水研究[J]. 化工學(xué)報(bào), 2018,69(6):2722-2729. Nie L J, Li D H, He J D, et al. Treatment of high concentration piggery wastewater by ABR-MAP-MBR process [J]. CIESC Journal, 2018, 69(6):2722-2729.

[6] 魏啟航,王小龍,李龍偉,等.電絮凝-半短程硝化-厭氧氨氧化組合工藝處理裂化催化劑廢水[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015,66(11):4669-4675. Wei Q H, Wang X L, Li L W, et al. Treatment of cracking catalyst wastewater with electrocoagulation-partial nitritation-Anammox process [J]. CIESC Journal, 2015,66(11):4669-4675.

[7] Wang J L, Chen G F, Liu F X, et al. Combined ozonation and aquatic macrophyte (Vallisnerianatans) treatment of piggery effluent: Water matrix and antioxidant responses [J]. Ecological Engineering, 2017, 102:39-45.

[8] Meng J, Li J L, Li J Z, et al. Efficiency and bacterial populations related to pollutant removal in an upflow microaerobic sludge reactor treating manure-free piggery wastewater with low COD/TN ratio [J]. Bioresource Technology, 2016,201:166.

[9] 萬金保,付 煜,余郭龍.改良UASB—兩級(jí)A/O—混凝工藝處理豬場沼液[J]. 工業(yè)水處理, 2017,37(12):94-97. Wan J B, Fu Y, Yu G L. Improved UASB-two stage A/O-coagulation process for the treatment of hogpen biogas slurry [J]. Industrial Water Treatment, 2017,37(12):94-97.

[10] 林 麗,念海明,楊建華,等.TDS三維結(jié)構(gòu)生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理中的調(diào)試運(yùn)行優(yōu)勢(shì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2016,(5): 221-222+225. Lin L, Nian H M, Yang J H, et al. Advantages of TDS three- dimensional structure of rotating biological contactor technology in debugging operation in township sewage treatment [J]. Automation and Instrumentation, 2016,(5):221-222+225.

[11] 徐官安.三維結(jié)構(gòu)生物轉(zhuǎn)盤處理生活污水的試驗(yàn)研究[D]. 重慶:重慶大學(xué), 2015. Xu G A. Treatment of domestic wastewater by ESROTAE [D]. Chong Qing: ChongQing University, 2015.

[12] 《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1989. Editorial Board of Water and Wastewater Monitoring and Analysis Methods. Water and wastewater monitoring and analysis methods [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1989.

[13] 符 波,廖瀟逸,丁麗麗,等.環(huán)境掃描電鏡對(duì)廢水生物樣品形態(tài)結(jié)構(gòu)的表征研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(1):93-98. Fu B, Liao X Y, Ding L L, et al. Application of ESEM in the visualization of microbial community of granule sludge and suspended carrier biofilm [J]. China Environmental Science, 2010,30(1):93-98.

[14] 芮俊鵬,李吉進(jìn),李家寶,等.豬糞原料沼氣工程系統(tǒng)中的原核微生物群落結(jié)構(gòu)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2014,65(5):1868-1875. Rui J P, Li J J, Li J B, et al. Prokaryotic community structures in biogas plants with swine manure [J]. CIESC Journal, 2014,65(5): 1868-1875.

[15] 艾 鑠,趙天濤,張麗杰,等.雙塞頭固定化細(xì)胞反應(yīng)器降解TCE [J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2017,23(5):900-906. Ai S, Zhao T T, Zhang L J, et al. TCE biodegradation in reactor with two openings with immobilized cells [J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2017,23(5):900-906.

[16] 趙天濤,邢志林,張麗杰,等.氯代烯烴脅迫下菌群SWA1的降解活性及群落結(jié)構(gòu)[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017,37(12):4637-4648. Zhao T T, Xing Z L, Zhang L J, et al. Biodegrading activity and community structure of microbial consortium SWA1 acclimatized on chloroalkene [J]. China Environmental Science, 2017,37(12):4637- 4648.

[17] 孫藝齊,卞 偉,王 盟,等.活性污泥法和生物膜法SBR工藝亞硝化啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行性能對(duì)比[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017,38(12):5222-5228. Sun Y Q, Bian W, Wang M, et al. Comparison of start-up and stable performance of nitritation in activated sludge and biofilm processes in a SBR [J]. Environmental Science, 2017,38(12):5222-5228.

[18] 趙海燕.序批式反應(yīng)器同步硝化反硝化處理生活污水試驗(yàn)研究[D]. 西安:長安大學(xué), 2009. Zhao H Y. Study on Domestic wastewater treatment by simultaneous nitrification-denitrification in SBR reactors [D]. Xi An:Chang’An University, 2009.

[19] 李治陽.畜禽廢水生物除碳脫氮耦合新工藝及機(jī)理研究[D]. 重慶:重慶大學(xué), 2012. Li Z Y. Study on new coupling technology in biological removal of nitrogen and carbon from livestock wastewater and its mechanism [D]. Chong Qing:ChongQing University, 2012.

[20] 王順成,劉幽燕,李青云,等.產(chǎn)堿桿菌DN25的氰降解代謝途徑分析與產(chǎn)酶條件優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報(bào), 2011,62(2):482-489. Wang S C, Liu Y Y, Li Q Y, et al. Analysis of cyanide-degrading metabolism and optimization of culture condition for cyanide- degrading enzyme production fromsp. DN25 [J]. CIESC Journal, 2011,62(2):482-489.

[21] 李 冬,何永平,張肖靜,等.MBR系統(tǒng)CANON工藝的快速啟動(dòng)及微生物種群特征[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(11):2788-2795. Li D, He Y P, Zhang X J, et al. The fast start-up of CANON process in MBR system and the characterization of microbes [J]. China Environmental Science, 2014,34(11):2788-2795.

[22] Huang X F, Li W G, Zhang D Y, et al. Ammonium removal by a novel oligotrophicsp. Y16 capable of heterotrophic nitrification-aerobic denitrification at low temperature [J]. Bioresource Technology, 2013,146(10):44-50.

[23] 辛玉峰,曲曉華,袁夢(mèng)冬,等.一株異養(yǎng)硝化-反硝化不動(dòng)桿菌的分離鑒定及脫氮活性[J]. 微生物學(xué)報(bào), 2011,51(12):1646-1654. Xin Y F, Qu X H, Yuan M D, et al. Isolation and identification of a heterotrophic nitrifying and aerobic denitrifyingsp. YF14 and its denitrification activity [J]. Acta Microbiologica Sinica, 2011,51(12):1646-1654.

[24] 王書永,錢飛躍,王建芳,等.有機(jī)物對(duì)亞硝化顆粒污泥中功能菌活性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017,38(1):269-275. Wang S Y, Qian F Y, Wang J F, et al. Impact of biodegradable organic matter on the functional microbe activities in partial nitrification granules [J]. Environmental Science, 2017,38(1):269-275.

[25] Cai H, He W, Yanan W, et al.sp. nov., an orange-pigmented bacterium isolated from cyanobacterial aggregates in a eutrophic lake [J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2018,68(10):1839–1844.

[26] Guo Y, Zhou X, Li Y, et al. Heterotrophic nitrification and aerobic denitrification by a novel[J]. Biotechnology Letters, 2013,35(12):2045-2049.

[27] 孫雪梅,李秋芬,張 艷,等.一株海水異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌系統(tǒng)發(fā)育及脫氮特性[J]. 微生物學(xué)報(bào), 2012,52(6):687-695. Sun X M, Li Q F, Zhang Y, et al. Phylogenetic analysis and nitrogen removal characteristics of a heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria strain from marine environment [J]. Acta Microbiologica Sinica, 2012,52(6):687-695.

[28] 肖繼波,江惠霞,褚淑祎.不同氮源下好氧反硝化菌str.DN7的脫氮特性[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012,32(20):6463-6470. Xiao J B, Jiang H X, Chu S W. Denitrification characteristics of an aerobic denitrifying bacteriumstr. DN7 using different sources of nitrogen [J]. Acta Ecologica Sinica, 2012,32(20): 6463-6470.

[29] 許 濤,王國英,岳秀萍sp.PDB3菌好氧反硝化脫氮特性 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2018,38(6):2321-2328. Xu T, Wang G Y, Yue X P, et al. The nitrogen removal characteristics of aerobic denitrification bysp. PDB3. [J]. China Environmental Science, 2018,38(6):2321-2328.

[30] 王國英,崔 杰,岳秀萍,等.異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌脫氮同時(shí)降解苯酚特性[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(9):2644-2649. Wang G Y, Cui J, Yue X P, et al. Simultaneous removal of phenol and ammonium by a heterotrophic nitrifiying-aerobic denitrifying bacterium [J]. China Environmental Science, 2015,35(9):2644-2649.

Study on treatment of raw swine wastewater by enhanced 3D-RBC with HN-AD bacteria and its microbial characteristics.

LIU Xiang-yang1, ZHANG Qian1*, WU Heng1, CHEN Wang1, SHENG Xiao-hong1, NIAN Hai-ming2, XIAO Peng-ying1, ZHAO Tian-tao1

(1.Chongqing University of Technology School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing 40054, China；2.Chongqing Chuanyi Environmental Technology Co., Ltd, Chongqing 401121, China)., 2019,39(9)：3848~3856

Aiming at the problems of high ammonia nitrogen bio-toxicity, complex process, high cost and poor nitrogen removal in the currently available process for the treatment of raw swine wastewater from intensive livestock farms, a three-dimensional structure rotating biological contactor (3D-RBC) using heterotrophic nitrification-aerobic denitrification (HN-AD) functional bacteria as the microbial inoculants, was proposed for the treatment of raw swine wastewater. The rapid biofilm culturing in the 3D-RBC reactor was achieved in only 15days by using HN-AD bacteria agent as the microbial inoculants. By controlling linear velocity of the rotating disc and changing the influent C/N, the enrichment of the dominant HN-AD bacteria in the reactor and the start-up of the pretreatment process were completed in 65days. The raw swine wastewater was then treated by this process. Due to the strong tolerance of high ammonia nitrogen of the HN-AD bacteria, the removal efficiency of COD, NH4+-N and TN was 69.8%, 87.9% and 79.5%, respectively, indicating significant reduction of the pollutants in the raw wastewater. The high-throughput sequencing technology was used to study the changes of microbial community structure during the superiority construction process of the functional bacteria. The results showed that, the dominant HN-AD bacteria within the biofilm gradually changed fromandtoand, and the relative abundance of which increases obviously. The SEM results further confirmed the enrichment of functional microorganisms, the biofilm uses Filamentous bacteria as the skeleton and the surface of the biofilm layer tightly attached to the filler was enriched in rod-like and globular bacteria, which was in consistent with the results of the biodiversity analysis.

raw swine wastewater；3D-RBC pretreatment process; HN-AD agent；microbial community structure

X703.1

A

1000-6923(2019)09-3848-09

劉向陽(1994-),男,重慶豐都人,重慶理工大學(xué)碩士研究生,主要從事生物膜反應(yīng)器脫氮工藝研究.發(fā)表論文3篇.

2019-02-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51708077);重慶市社會(huì)事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項(xiàng)(cstc2018jscx-msybX0134);重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范(資助項(xiàng)目)(cstc2018jscx-mszd0600)

* 責(zé)任作者, 博士, zhangqianswu2005@163.com