畜禽粪便消化液的部分短程硝化和厌氧氨氧化 及其微生物群的分析.docx

畜禽粪便消化液的部分短程硝化和厌氧氨氧化
及其微生物群的分析
摘要：运用混凝剂处理的部分短程硝化摇床和厌氧氨氧化UASB反应器来处理畜禽粪便消化液。部分短程硝化在1.6kgN/m3/d的氮负荷（NLR），平均转化效率是51%的条件下保持了32天，在2.58N/m3/d的NLR下得到了1.65N/m3/d的最大亚硝酸盐生成率。尽管部分短程硝化反应器的出水中仍有200mg/L的TOC，厌氧氨氧化脱氮率没有明显减小，并且在2.2N/m3/dNLR下得到了一个相对较高的2.0N/m3/d的NLR。16SrRNA基因分析显示，亚硝化单胞菌和KSU-1在部分短程硝化和厌氧氨氧化反应器里分别占大多数。实验结果证明了部分短程硝化-厌氧氨氧化工艺可能应用于畜禽粪便消化液的脱氮。

关键字：部分短程硝化、厌氧氨氧化、畜禽粪便、消化液、微生物群落

1引言
从能量回收的观点看，畜禽粪便的厌氧甲烷发酵近期已经引起了人们的注意。但是甲烷厌氧发酵不能有效去除氮和磷，因此消化液既可以作为液体废料回收也可以进一步做深度处理。厌氧消化液深度处理的利用，需要投资和高昂的操作费用，这就决定了在日本，消化液会被主要用做肥料。然而，由于消化液中尚存高浓度的氮，其过度用作肥料会导致地下水污染。因此，找到一种可供选择的方式来有效处理消化液，从而用一种对环境安全的方式利用畜禽粪便甲烷发酵是极为重要的。
硝化-反硝化是通常用于消化液脱氮的方式。当应用这个工艺时，需要大量的氧气、适合硝化的碱度和外加碳源，比如反硝化需要的甲醇。通过比较得出，自2002年发展起来的部分短程硝化-厌氧氨氧化工艺是一种有成本效益的工艺。厌氧氨氧化反应由以下过程组成：在厌氧环境下，以亚硝酸盐作为电子受体，氨气被氧化为氮气的过程。这个自养过程产生极少的污泥，也不需要补充碳源。因为预处理只需要氨转化为氮的转化率在60%左右的部分短程硝化（PN），而不需要完全硝化，所以硝化所需的氧和碱度都可以减少。
部分短程硝化-厌氧氨氧化工艺最适合用于治理含高浓度铵盐的废水，还可以用于治理污水污泥消化液，畜禽废水、垃圾渗滤液体和电厂废水。近来，逐步有这种技术被应用到畜禽废水的报道。实验采用摇床反应器进行PN，使用过滤系统做前处理，用固定床反应器进行厌氧氨氧化反应，以此来处理养猪废水消化液。我们的报告指出，PN在长时间内保持稳定，但用有机混凝剂处理PN出水时，厌氧氨氧化脱氮效率却显著降低。Furukawaetal.(2009)证明利用被截留在聚乙二醇（PEG）凝胶载体上的硝化活性污泥的PN反应器和利用被截留在PEG凝胶载体上的厌氧氨氧化污泥的厌氧氨氧化反应器可以被用来处理畜禽粪便消化液。Qiaoetal.(2010a)也证明了利用被截留在PEG凝胶载体上的硝化活性污泥的PN反应器和持续搅拌细粒度的厌氧氨氧化反应器可以被用来处理畜禽粪便消化液。但是，Furukawaetal.(2009)和Qiaoetal.(2010a)都没有在PN之前去除悬浮固体。他们的报告指出，流入的悬浮固体经常引起空气扩散器的堵塞，导致PN处理效率的退化。
在以前的研究中，已经对PN和厌氧氨氧化过程中微生物群进行了分析。许多研究者称，在短程硝化反应器中检测到了属于亚硝化单胞菌属的细菌。Qiaoetal.(2010b)和Ganigueetal.(2009)也发文说在治理NH4–N浓度分别为500mg/L和2700mg/L的污水的PN反应器中，亚硝化单胞菌占大多数。此外，对治理合成无机废水的厌氧氨氧化反应器中的微生物群的分析表明，绿弯菌门细菌和厌氧氨氧化细菌是共生的。然而，直到现在，还没有对PN和厌氧氨氧化反应器治理畜禽废水的微生物群分析，哪种微生物占主导地位也还不清楚。
本研究的目的在于将摇床反应器应用到用有机混凝剂处理的PN中，将UASB反应器应用到厌氧氨氧化反应中，以此来治理畜禽粪便消化液，并通过16rRNA基因分析来检测PN和厌氧氨氧化中的细菌群落。

2.实验方法
2.1畜禽粪便消化液
废水取自日本熊本山鹿市的一个沼气厂的消化液储罐。在这个沼气厂里，包括畜禽粪便（62.8t/d）、生垃圾（3t/d）和活性污泥（2t/d）的混合垃圾被分成固体和液体两部分，然后液体垃圾用甲烷发酵（发酵温度为37℃）处理。废水的各项参数如下：pH为8.5，SS为2000-3000mg/L，COD为8000-10,000mg/L，BOD5为1000-1500mg/L，氨氮为1400-1600mg/L，总氮为1600-2000mg/L，NO2–N和NO3–N忽略不计。该畜禽粪便消化液的总氮浓度很高，其中73-88%都是氨氮。因此，在消化液排入天然水体之前，需要对其进行脱氮处理。并且，因为高浓度的氨氮会通过氨的气提造成大气污染，通过渗透也会污染地下水，所以在将消化液用作液体肥