新中國成立50多年來(lái)，我國畜牧業(yè)發(fā)展的成績(jì)斐然。尤其是20多年來(lái)，隨著(zhù)國家和國務(wù)院的各項方針政策的深入實(shí)施，我國畜牧業(yè)生產(chǎn)規模不斷擴大，主要畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量連續20年保持10%左右的速度增長(cháng)。1980~1998年，全國肉品、蛋品、奶的年均增長(cháng)8.7%、12.1%、9.9%。2004年，中國畜牧業(yè)克服了諸多不利因素，實(shí)現了持續穩步發(fā)展。

1、畜禽養殖廢水氧氨氧化脫氨處理的背景

隨著(zhù)養殖業(yè)的迅速發(fā)展，養殖污水對環(huán)境的影響越來(lái)越大，但目前對畜禽養殖廢水的治理仍停留在有機物的脫除上，目前最常見(jiàn)的處理方式是厭氧-好氧復合技術(shù)，該技術(shù)基本滿(mǎn)足了畜禽養殖廢水的排放要求；但是，從環(huán)保角度來(lái)說(shuō)，這種方法并不能完全消除它對環(huán)境的污染，因為它只會(huì )把NH4+-N變成NO3--N，而不會(huì )從污水中真正地除去。目前還沒(méi)有一種經(jīng)濟高效的方法來(lái)消除造成水體富營(yíng)養化的N、P等營(yíng)養物質(zhì)。傳統的硝化/反硝化技術(shù)在一定程度上已經(jīng)得到了廣泛的應用，但是由于對硝化、反硝化等環(huán)境的不同需要，處理工藝復雜，運行費用高；此外，反硝化工藝需要有機碳，這與前續厭氧好氧工藝對有機物的降解程度是背道而馳的，在反硝化工藝中加入碳源不僅會(huì )提高生產(chǎn)成本，而且隨著(zhù)有機碳源的增多，也會(huì )導致出水中CODcr含量達不到排放標準。研究出一條能夠高效地去除有機碳和氮氣的養殖污水治理技術(shù)，是解決畜牧業(yè)快速發(fā)展和環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)鍵。

2、畜禽養殖廢水氧氨氧化脫氮處理的研究?jì)热?/span>

2.1 ANAMMOX反應器啟動(dòng)研究

以養殖污水作為種泥，采用模擬污水進(jìn)行了厭氧氨氧化反應器的研究。通過(guò)調節入水NH4+-N與NO2w-N的比例，以進(jìn)行厭氧氨氧化，再將養殖污水經(jīng)厭氧一次硝化處理后，再添加相同濃度的有機物，探討在一定濃度的有機碳情況下，厭氧氨氧化脫氮的最佳效果和操作條件

2.2 SHARON反應器的運行條件研究

采用水解酸化一厭氧工藝，對養殖污水進(jìn)行了預處理，并對其進(jìn)行了操作條件和滯留時(shí)間的調節，以使出水達到了厭氧氨氧化啟動(dòng)試驗所需的最佳NO2--N/NH4+-N比。

2.3 ANAMMOX反應器處理養殖廢水馴化研究

通過(guò)對養殖污水進(jìn)行亞硝化處理，調節NO2--N/NH4+-N的配比，然后進(jìn)行人工模擬污水培養成熟的厭氧氨氧化反應器。

2.4 亞硝化、反硝化、硝化、厭氧氨氧化細菌群落研究

根據微生物手冊，可以識別出不同的微生物類(lèi)型，并在不同的階段發(fā)揮重要作用，從而選擇合適的操作條件。

3、畜禽養殖廢水中實(shí)驗工藝的優(yōu)化

3.1 畜禽養殖廢水處理中的問(wèn)題

目前，在養殖污水的設計與施工中，對有機污染物的脫除已經(jīng)達到了不會(huì )對環(huán)境造成不良影響的水平，但是缺少一種經(jīng)濟、高效的脫氮技術(shù)。大多數養殖廢水的脫氮工藝采用常規的硝化/反硝化技術(shù)，由于好氧和缺氧的交替進(jìn)行，處理過(guò)程復雜，操作成本較高，常規的養殖企業(yè)難以承擔其高昂的運營(yíng)成本，導致現有的污水處理設施不能正常運轉；另一方面，反硝化工藝要求有機物質(zhì)作為碳源，在處理前續厭氧、好氧處理后，廢水中可生物利用的有機物數量較少，難以進(jìn)行后續的反硝化，導致出水的硝態(tài)氮含量較高。目前，針對畜禽養殖廢水脫氮、脫氮的新技術(shù)進(jìn)行了大量的探索，為解決目前我國畜禽養殖污水脫氮、反硝化技術(shù)存在的問(wèn)題，目前尚處在探索階段，尚需進(jìn)一步研究。

3.2 養殖廢水處理工藝的優(yōu)化

傳統的養殖廢水處理方法主要是對廢水中的有機物、NH3-N進(jìn)行脫除，而對深度惡化營(yíng)養鹽的去除則很少；隨著(zhù)水體環(huán)境的惡化，資源的匱乏，水體中N、P營(yíng)養鹽的去除是水體治理中必不可少的環(huán)節。

工藝1：采用常規硝化法和反硝法相結合的方法，對畜禽養殖污水進(jìn)行了預厭氧-好氧處理，使其能夠生物利用的有機物得到充分的利用，為了確保反硝化的進(jìn)行，在進(jìn)入低氧階段的同時(shí)，添加一定數量的可生物利用的有機物質(zhì)。該技術(shù)在正常條件下可以有效地解決養殖污水對水體的污染，但是由于兩個(gè)階段的好氧處理和低氧階段的生物碳源的補充，使得養殖污水的處理成本較高，不是普通養殖場(chǎng)能夠負擔得起的。

工藝2：采用前持續低氧-好氧技術(shù)，可以充分去除有機物，同時(shí)采用好氧反應器的混合污泥回流，不但可以降低污泥的產(chǎn)生量，還可以在充分利用入水的有機物的情況下，脫氮、磷等。一部分好氧后的混合液回流到低氧區域進(jìn)行反硝化，另一部分經(jīng)過(guò)污泥和水的分離，再進(jìn)入下一步的工藝過(guò)程。

3.3 畜禽養殖廢水的實(shí)驗研究說(shuō)明

由于養殖廢水在有機污染物的去除方面已經(jīng)取得了很好的效果，尤其是厭氧處理后，出水的生物利用率已經(jīng)很低了，所以，就并沒(méi)有考慮上一次的水解酸化和UASB厭氧反應器的操作。目前，關(guān)于SHARON和ANAMMOX的實(shí)驗結果已經(jīng)很多，但是在實(shí)際中的應用并不多，尤其是在有有機物的環(huán)境中，關(guān)于這兩種方法的研究更是寥寥無(wú)幾，所以我們選擇了在實(shí)驗室中進(jìn)行小試操作。

4、畜禽養殖廢水中厭氧氨氧化啟動(dòng)及運行研究

4.1 ANAMMOX啟動(dòng)階段對氨氮的去除

在啟動(dòng)初期，污水NH4+-N并沒(méi)有被除去，而是增加了，這是因為接種的污泥是反硝化污泥，而反硝化污泥是一種異養性的微生物，進(jìn)入厭氧氨氧化啟動(dòng)后，進(jìn)水沒(méi)有任何有機物，異養菌可以降解污泥中的有機物，也可以通過(guò)內源呼吸來(lái)維持生命。從第18天起，出水NH4+-N的濃度下降，在后續的培養期間，NH4+-N的脫除率持續上升，75d后，NH4+-N的脫除率約為80%，并且NH2--N、NH4+-N的濃度相對穩定，說(shuō)明該反應器已經(jīng)成功地啟動(dòng)了。為確定反應器的脫氮負載，在接下來(lái)的一段時(shí)間內，連續提高入水中NH2--N和NH4+-N的濃度，并隨入水中NH2--N和NH4+-N濃度的升高而提高。在連續30d后，出水NH4+-N的濃度低于35mg/L以下，NH4+-N的去除率為93%。

4.2 ANAMMOX啟動(dòng)階段對亞硝氮的去除

在開(kāi)始操作的15d中，排放的NH2--N的濃度很低，最低為4mg/L，這可能是由于接種的淤泥不完全，淤泥中的有機物含量很高，此外，由于底板的變化，一部分自養菌會(huì )產(chǎn)生內源呼吸分解產(chǎn)生的碳源，而反硝化菌則有足夠的碳源來(lái)分解NH2--N，而在反應器中，隨著(zhù)有機物質(zhì)的完全分解，NH2--N的去處率也隨之下降，直到第18天，反應器中的NH2--N的去除率只有25%，這主要是由于操作期間反應器中的厭氧氨氧化細菌數量不多，反硝化菌由于碳源不足而導致的。隨著(zhù)培養時(shí)間的延長(cháng)，反應器內的厭氧細菌數目增多，NH2--N的去除量也隨之增大，在第123天時(shí)，NH2--N的濃度為490mg/L，30d后，其去除率約為95%，并比較穩定。

4.3 有機碳存在條件下AAMMOX反應器的運行

AMAMMOX反應器在有機碳環(huán)境下的操作穩定性、脫除污染物的規律是一個(gè)不確定因素，為了解有機物對AMAMOX反應的影響、去除規律和操作條件，在AMAMMOX反應器成功啟動(dòng)后，將葡葡糖加入倒進(jìn)水中，將CODcr提高至180mg/L（理論上，CODcr要達到180mg/L，理論上需要在水中加入葡萄糖168.75mg/L)，從而使反應器工作。為了測定最優(yōu)進(jìn)水NH2--N/NH4+-N的比值，首先根據理論上的計算，假設進(jìn)水的溶解氧/氧濃度為0.5mg/L，所有的溶解氧都會(huì )被氨氮和氨氮分解，而進(jìn)入水中的葡萄糖則會(huì )被反硝化菌用來(lái)反硝化，好氧氨氧化反應式為：

（1）MH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+

（2）NO2-+0.5O2→NO3-以葡萄糖為有機物的一樣反硝化反應式為：

（3）C6H12O6+8NO2-→4N2+6CO2+2H2O+8OH-

（4）5C8H12O6+24NO3→12N2+30CO2+18H2O+24OH

4.4 ANAMMOX反應器對有機物去除情況

當進(jìn)入水體時(shí)，有機污染物的去除率較低，但是COD的去除率迅速上升，145d時(shí)，CODcr濃度為92.5%，出水CODcr值為13.5mg/L。在進(jìn)入水體之前，反應器是在有機物質(zhì)的基礎上進(jìn)行的，而當有機物質(zhì)進(jìn)入水體后，短時(shí)間內就可以達到很高的去除率，這表明在生物多樣性不足的情況下，微生物可以在短時(shí)間內恢復活力。在210d時(shí)，由于反應器進(jìn)水增加了水力滯留時(shí)間，因此，在進(jìn)水之前，反應器出水CODcr基本保持不變，這表明，在進(jìn)入反應器之前，有機物被除去，而剩余的有機物大多為難降解的有機物，在這種情況下，再過(guò)一段時(shí)間也不會(huì )下降。

5、畜禽養殖廢水亞硝化反應實(shí)驗研究

5.1 溶解氧變化對亞硝化反應的影響

反應器在30℃、pH7.0、水力停留時(shí)間1d、反應溶解氧濃度0.6mg/L時(shí)能成功地啟動(dòng)，且NH2--N的累積率保持在很高水平，但這并不是最好的反應條件。在不同的條件下，控制反應液溶氧可以有效地抑制硝化反應，促進(jìn)NH2--N的高積累，這將直接影響到后續的厭氧氨氧化的發(fā)生，所以，在反應器啟動(dòng)后，在其它條件不變的前提下，調整曝氣量，以達到亞硝化反應的最佳溶氧濃度。

5.2 pH變化對亞硝化反應的影響

在30℃，pH7.0，水力停留1d，曝氣量0.04m3/h（溶解氧濃度0.3mg/L）的情況下，調節反應器的操作穩定性。優(yōu)化的反應pH是通過(guò)增加反應器的pH值而進(jìn)行的。目前已有的研究表明，最佳的亞硝化反應條件是在中性偏堿性環(huán)境下進(jìn)行的，故本實(shí)驗從pH7.0起，每增加0.5%，調節連續工作4d，以確保反應器的穩定工作。通過(guò)測定出水NH2--N、NO3--N的濃度以及NH2--N/NO3--N的比值，可以反映出不同的pH值對亞硝化的影響。

5.3 溫度對亞硝化反應的影響

硝化菌的最佳反應溫度與其最佳反應溫度相差較大，應盡量將硝化反應控制在亞硝化反應中，而限制了硝化反應的進(jìn)行。結果表明：在5～20℃內硝化菌比亞硝化菌的生長(cháng)速度更快，氨氮被完全氧化成氨態(tài)氨，而在溫度升高時(shí)，其生長(cháng)速度會(huì )比硝化菌的生長(cháng)速度更快，而在30℃以上，硝化菌的生長(cháng)速度和活力都會(huì )被抑制，會(huì )在水體中產(chǎn)生NH2--N。5～30℃時(shí)，硝化率隨10℃的上升而增大。在40℃的條件下，氨氮的去除率逐漸降低，通常認為30～40℃是最好的反應溫度。

6、畜禽養殖廢水處理過(guò)程中污泥的細菌群落

6.1 亞硝化反應污泥顯微觀(guān)察

亞硝酸菌是一種以無(wú)機能為主要養分的革藍氏陰性菌。亞硝酸菌按其表型特征、細胞內細胞膜的分布、16sRNA序列的同源性等進(jìn)行了分類(lèi)?！恫苁霞毦到y分類(lèi)學(xué)》于1984~1989年出版，將硝化菌分成九屬：硝化菌屬、硝化刺菌屬、硝化球菌屬、硝化螺菌屬、亞硝化單胞菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化對菌屬和亞硝化弧菌屬等。亞硝化細菌是亞硝化細菌中最典型的一種，另外，亞硝化球菌屬、亞硝化螺旋菌屬、亞硝化弧菌屬和亞硝化葉菌屬等也能使氧氮轉化為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽細菌是一種具有遺傳多樣性的微生物，它們均為B型變體。

6.2 好氧氨氧化反應污泥顯微觀(guān)察

進(jìn)入反應器的污泥是一種呈黑色的厭氧生物，在培養過(guò)程中，污泥的顏色發(fā)生了變化，而在反應器的底部，則是由深灰色變成了黃色，而當反應器的高度越高，顏色就會(huì )變成黃色，而在填料的孔洞中，則會(huì )有更多的懸浮淤泥，少數會(huì )變成顆粒狀的淤泥。在反應完成后，對懸浮的淤渣進(jìn)行過(guò)濾，可獲得了顆粒狀的淤渣。通過(guò)電子顯微鏡觀(guān)察，發(fā)現其表面有大量的菌絲。在反應器進(jìn)水處，溶解氧的存在和進(jìn)水孔的引入，主要是好氧、氨氣和好氧的好氧分解，其中以絲狀菌為主，對懸浮污泥進(jìn)行了解剖，并對其進(jìn)行了掃描電鏡觀(guān)察，結果表明，大部分的顆粒污泥都是由絲狀菌形成的，在交聯(lián)間隙處有少量的球菌和短桿菌。

6.3 厭氧氨氧化反應污泥顯微觀(guān)察

反應器頂端的淤泥呈淡淡的紅色。對培養后的反應器進(jìn)行了上層淤泥的實(shí)驗。污泥及生物膜為淡紅色，與以往已有的典型厭氧氨氧化污泥的色澤一致。

實(shí)驗后期，將淤渣、生物膜等分離出來(lái)，用電子顯微鏡觀(guān)察了掛膜前后填料纖維的形貌。為空白填充纖維，長(cháng)條纖維交織、重疊，形成了理想的粘附微生物載體。將其置于反應器內，可使其與纖維結合，并與纖維結合，從而形成網(wǎng)狀結構，而填料纖維則作為橋梁，將有關(guān)微生物保留在其中。通過(guò)對吸附在反應器上的淤泥樣品進(jìn)行SEM分析，結果表明，該樣品中存在大量的微生物，且分布緊密，主要以球菌和短桿菌為主。

在常規條件下，將厭氧氨氧化細菌包裹在細胞外多聚體中，在細胞外多聚體的空隙中可以發(fā)現具有代表性的厭氧氨氧化細菌。SEM結果顯示，厭氧氧化菌多為1μm直徑的圓形或卵形，其表面可見(jiàn)明顯的漏斗形凹槽，與未充分充氣的球體相似。厭氧氨氧化細菌以胞外聚合體的方式進(jìn)行聚合，以促進(jìn)其協(xié)同效應。（來(lái)源：上海新農科技股份有限公司）