根據(jù)2020年發(fā)布的《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》，畜禽養(yǎng)殖業(yè)已成為農(nóng)業(yè)源水污染物的主要排放源。通常畜禽養(yǎng)殖廢水多采用生物組合工藝處理，但傳統(tǒng)生物脫氮處理技術(shù)存在處理能耗高、占地面積大、污泥負(fù)荷低等問題。厭氧消化液具有高氨氮、高有機(jī)物、低碳氮比等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)相比，厭氧氨氧化技術(shù)具有無需額外投加碳源、污泥產(chǎn)量少、耗氧量低等優(yōu)勢(shì)，更適合處理低碳氮比廢水。但由于厭氧氨氧化菌倍增速度緩慢，易受基質(zhì)濃度、溶解氧和有機(jī)碳源等因素影響，導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝運(yùn)行不穩(wěn)定、處理效果差、工程應(yīng)用難度較大。鑒于此，筆者以河北省某養(yǎng)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液處理廠的A2/O工藝為例，通過調(diào)控工藝關(guān)鍵參數(shù)，考察工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性和脫氮效果，并評(píng)估厭氧氨氧化脫氮貢獻(xiàn)比例，旨在為厭氧氨氧化的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
1、材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
河北省某養(yǎng)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液處理流程見圖1，采用A2/O工藝，厭氧區(qū)有效容積為189m³；缺氧區(qū)分為缺氧1區(qū)和2區(qū)，有效容積均為472.5m³；好氧區(qū)有效容積為4972.5m³。好氧區(qū)采用兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)用于供氧和泥水混合，微孔曝氣管交替排列布置，通過氣提方式實(shí)現(xiàn)污泥回流和混合液回流。
厭氧消化液處理廠日處理水量為600~900m3，進(jìn)水水質(zhì)見表1，采用分區(qū)進(jìn)水策略，厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)和缺氧2區(qū)的進(jìn)水分配比約為4∶4∶1，水力停留時(shí)間（HRT）為7~10d，整個(gè)處理過程不排泥。
1.2 A2/O工藝運(yùn)行調(diào)控試驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)A2/O工藝中碳源投加和鼓風(fēng)機(jī)啟停情況，將試驗(yàn)過程分為兩個(gè)階段。
第1階段（0~90d）：平均進(jìn)水COD/TN值為2.83±0.6，通過在進(jìn)水中投加碳源（工業(yè)碳源，COD為240~260g/L）來提高脫氮效率。隨著脫氮效率的提高，逐步降低碳源投加量。鼓風(fēng)機(jī)1和2每天同時(shí)運(yùn)行24h，好氧區(qū)DO濃度保持在0.3~0.5mg/L。
2階段（91~180d）：平均進(jìn)水COD/TN值為1.93±0.4，停止外加碳源。鼓風(fēng)機(jī)1每天僅運(yùn)行1h，鼓風(fēng)機(jī)2每天運(yùn)行24h。當(dāng)兩個(gè)鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，好氧區(qū)DO濃度為0.3~0.5mg/L；當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)1停止工作后，好氧區(qū)DO濃度降到0.1mg/L以下。
1.3 生物脫氮測(cè)試方法與計(jì)算
取缺氧1區(qū)混合液于100mL血清瓶中，控制氨氮和亞硝態(tài)氮濃度分別為40、50mg/L，氮吹除氧，將血清瓶置于搖床上，溫度控制在（30±2）℃。每隔1h取一次樣，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為7h。之后用0.45μm濾膜過濾，測(cè)定NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度。
厭氧氨氧化脫氮比例（An）的計(jì)算方法：
反硝化脫氮比例（De）的計(jì)算方法：
1.4 污水處理能耗計(jì)算方法
單位體積污水處理能耗（ESq）計(jì)算方法：
式中：E為處理污水所消耗的電量，kW·h；Q為污水處理量，m³。
單位質(zhì)量污染物去除能耗（ESN）計(jì)算方法：
式中：C進(jìn)、C出分別為污染物的進(jìn)水濃度和出水濃度，mg/L。
1.5 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法
常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)，如COD、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N等，均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定；MLSS采用過濾稱重法進(jìn)行測(cè)定；氧化還原電位（ORP）、pH值和DO濃度采用HACH在線電極進(jìn)行測(cè)定。
1.6 DNA提取和高通量測(cè)序
分別在第1階段（第90天）和第2階段（第166天）的各反應(yīng)區(qū)域（厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、缺氧2區(qū)和好氧區(qū)）采集污泥混合液樣品。樣品混合均勻后取1~5mL，10000r/min離心10min，棄上清液，使用試劑盒FastDNASpinKitforSoil提取DNA。然后采用IlluminaMiSeq平臺(tái)測(cè)序分析。優(yōu)化測(cè)序數(shù)據(jù)，樣品經(jīng)均一化后均含有40875條序列，有效序列采用RibosomalDatabaseProject（RDP）進(jìn)行物種分類。
1.7 熒光定量PCR(qPCR)分析
對(duì)提取的DNA樣品，采用qPCR法測(cè)定其中的細(xì)菌總量和氮轉(zhuǎn)化功能基因，所測(cè)定的氮轉(zhuǎn)化功能基因主要是硝化、反硝化和厭氧氨氧化過程涉及的相關(guān)功能基因，包括amoA、hao、nxrB、narG、nirS、norB、nosZ、hzo、hzsA。本研究通過溶解曲線和瓊脂糖凝膠電泳分析確保qPCR法的準(zhǔn)確性。
2、結(jié)果與討論
2.1 A2/O工藝的處理效果
A2/O工藝對(duì)厭氧消化液的處理效果見圖2。
在第1階段，為保證TN去除率，在進(jìn)水中投加工業(yè)碳源，進(jìn)水COD平均濃度由1393mg/L提升至1955mg/L，出水平均濃度為273mg/L，去除率為86%；TN的進(jìn)水和出水平均濃度分別為688、230mg/L，去除率為66.6%；氨氮的進(jìn)水和出水平均濃度分別為575、58.8mg/L，去除率為89.9%。在第2階段，隨著TN去除效果的提升，進(jìn)水停止投加碳源，COD的進(jìn)水、出水平均濃度分別為1074、194mg/L，與第1階段相比，其出水COD濃度波動(dòng)較大，導(dǎo)致去除率不穩(wěn)定，平均去除率降為81.9%；進(jìn)水TN平均濃度降至454mg/L，出水平均濃度降至75mg/L，平均去除率升至83.48%；氨氮的進(jìn)水和出水平均濃度分別為373、30mg/L，雖然氨氮去除率波動(dòng)較大，但是整體平均去除率維持在91.95%。與第1階段相比，雖然第2階段的出水COD、氨氮和TN濃度并不穩(wěn)定，但是由于其進(jìn)水濃度下降，導(dǎo)致A2/O系統(tǒng)整體的進(jìn)水負(fù)荷也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在相同的處理?xiàng)l件下，A2/O系統(tǒng)在第2階段的污泥負(fù)荷低于第1階段，所以第2階段對(duì)污染物的去除效率高于第1階段。
在第1階段，由于好氧區(qū)混合液回流和污泥回流的關(guān)系，導(dǎo)致高濃度硝態(tài)氮進(jìn)入到厭氧區(qū)和缺氧區(qū)。通過投加外碳源，進(jìn)水C/N值提高至2.83，強(qiáng)化了硝態(tài)氮的去除。由于投加的外碳源屬于可生物易降解類碳源，因此，第1階段厭氧區(qū)和缺氧區(qū)以反硝化脫氮為主。但在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)有氨氮的去除，說明存在自養(yǎng)型脫氮。第2階段，隨著總氮去除率的提高，進(jìn)水停止投加碳源，進(jìn)水C/N值由2.83降至1.93，但相比第1階段，總氮平均去除率提高了16.88%，說明自養(yǎng)型生物脫氮對(duì)總氮去除貢獻(xiàn)的占比得到了提高。
生豬養(yǎng)殖廢水經(jīng)過厭氧處理后可以回收其中的能源，但產(chǎn)生的厭氧消化液由于氨氮濃度高、有機(jī)物濃度高、碳氮比值較低等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)生物脫氮工藝需要額外補(bǔ)充碳源、堿等藥劑，運(yùn)行費(fèi)用頗高。對(duì)于厭氧氨氧化自養(yǎng)型脫氮工藝而言，經(jīng)厭氧處理后的畜禽養(yǎng)殖廢水可生物降解性已大幅降低，其存在的少量可生化降解有機(jī)物不會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生明顯抑制。另一方面，由于低濃度可生化降解有機(jī)物導(dǎo)致異養(yǎng)反硝化菌的活性降低，從而降低了其與厭氧氨氧化菌對(duì)底物亞硝酸鹽基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)能力。因此，在本研究的第1階段，為了維持總氮去除率，投加外碳源以促進(jìn)反硝化脫氮。隨著厭氧氨氧化脫氮比例的逐步提高，從第1階段的39%提升至第2階段的78%，第1階段逐步減少外加碳源投量，直至第2階段不再投加碳源，促進(jìn)了厭氧氨氧化菌的活性，使其成為第2階段的主要生物脫氮方式。
過高的溶解氧對(duì)厭氧氨氧化菌有明顯的抑制作用。因此，本研究通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，減少曝氣量，維持好氧區(qū)的溶解氧濃度在0.1~0.5mg/L之間。有研究表明，當(dāng)溶解氧濃度控制在0.3mg/L以下時(shí)，可防止由多余亞硝態(tài)氮累積轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。本研究通過嚴(yán)格控制好氧區(qū)溶解氧濃度，使氨氧化菌（AOB）消耗溶解氧為厭氧氨氧化菌提供亞硝酸鹽基質(zhì)，而低溶解氧的環(huán)境也使得厭氧氨氧化菌在好氧區(qū)進(jìn)行自養(yǎng)脫氮成為可能。
2.2 工藝調(diào)控節(jié)能效果
不同階段的生物脫氮所需電量分析結(jié)果表明，在第1階段，隨著總氮去除率的穩(wěn)定提高，外加碳源量逐步降低；在第2階段，由于減少了鼓風(fēng)機(jī)的開啟時(shí)間，單位處理能耗由第1階段的1.93kW·h/m³降至第2階段的0.90kW·h/m³，單位脫氮能耗由4.18kW·h/kg降至2.57kW·h/kg，降幅分別達(dá)到53.4%和38.5%。在第1階段轉(zhuǎn)向第2階段的過程中，A2/O工藝脫氮途徑由以全程反硝化脫氮為主轉(zhuǎn)為以自養(yǎng)型生物脫氮為主，大幅降低了生物脫氮對(duì)碳源的需求和氨氮硝化所需的供氧量。
2.3 氮素轉(zhuǎn)化功能微生物的演替特征
A2/O工藝中微生物在屬水平上的群落結(jié)構(gòu)如圖3所示。
A2/O工藝中檢測(cè)到的唯一厭氧氨氧化菌為CandidatusBrocadia，第1階段，其在厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、缺氧2區(qū)和好氧區(qū)的相對(duì)豐度分別為0.83%、0.50%、0.74%和0.98%；在第2階段，CandidatusBrocadia的相對(duì)豐度比第1階段有所增長(zhǎng)，在上述各功能區(qū)的相對(duì)豐度分別為1.53％、3.02％、1.87％和0.98％，其整體的相對(duì)豐度從第1階段的0.76%提高至第2階段的1.85%。有研究表明，在有機(jī)物存在的條件下，CandidatusBrocadia比其他厭氧氨氧化菌更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此，人們常在污水處理廠發(fā)現(xiàn)此菌種。在本研究中，由于第1階段投加可生物降解型有機(jī)碳源，這極大地促進(jìn)了厭氧區(qū)和缺氧區(qū)微生物的全程反硝化脫氮作用，同時(shí)抑制了自養(yǎng)菌CandidatusBrocadia的活性，導(dǎo)致其在與反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)亞硝態(tài)氮底物時(shí)處于劣勢(shì)。隨著第2階段停止外加碳源，進(jìn)水中可以用于反硝化的碳源減少，使得異養(yǎng)微生物的反硝化脫氮作用減弱，而厭氧氨氧化菌則可以利用反硝化過程中產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮和進(jìn)水中的氨氮進(jìn)行脫氮，提高其在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的活性。在此基礎(chǔ)上，通過在好氧區(qū)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的啟停，使該區(qū)域處于間歇曝氣低溶解氧環(huán)境，這可以增強(qiáng)AOB的活性，抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性，產(chǎn)生的底物亞硝態(tài)氮可以迅速被厭氧氨氧化菌所利用，進(jìn)而促進(jìn)該區(qū)域的厭氧氨氧化脫氮作用。
其他涉及氮轉(zhuǎn)化的典型微生物，如Nitrosomonas（AOB）、Nitrospira（NOB）和反硝化菌，在A2/O工藝中的相對(duì)豐度均比較高。在好氧區(qū)，Nitrosomonas和Nitrospira的相對(duì)豐度分別從1.43%和1.98%降到了1.19%和0.26%，但Nitrosomonas/Nitrospira的相對(duì)豐度比例卻從0.72升到了4.50，這表明盡管低溶解氧和間歇曝氣的策略同時(shí)降低了Nitrosomonas和Nitrospira的相對(duì)豐度，但Nitrospira受到的影響更大。反硝化菌如Proteobacteria門的Thermomonas、Pseudomonas和Thauera等菌屬在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的相對(duì)豐度均有所降低。據(jù)報(bào)道，該類反硝化菌屬易將NO3--N還原為NO2--N，并且只要存在NO3--N，便不會(huì)進(jìn)一步還原NO2--N。
在A2/O中，Anaerolineaceae和Ignavibacterium的相對(duì)豐度均較高。在該A2/O工藝前設(shè)有水解酸化池作為進(jìn)水的前處理工藝，Anaerolineaceae屬于水解酸化菌，可降解溶解性有機(jī)物，隨著進(jìn)水一起進(jìn)入A2/O系統(tǒng)。有研究發(fā)現(xiàn)，Ignavibacterium作為Chlorobi門中唯一的非光合營(yíng)養(yǎng)性菌屬，可以在好氧或者缺氧環(huán)境中存活，并且在厭氧氨氧化脫氮過程中發(fā)揮著比較關(guān)鍵的作用。值得注意的是，一般認(rèn)為Saprospiraceae菌屬可水解大分子有機(jī)物進(jìn)而為反硝化菌提供更合適的碳源，其在A2/O中的相對(duì)豐度從第1階段到第2階段大幅增加，而與內(nèi)碳源聚羥基脂肪酸酯（PHA）產(chǎn)生有關(guān)的Bacillus的相對(duì)豐度在第2階段幾乎為0。
2.4 氮素轉(zhuǎn)化功能基因變化
通過qPCR法測(cè)定A2/O系統(tǒng)各反應(yīng)區(qū)域中氮轉(zhuǎn)化相關(guān)基因的相對(duì)豐度，結(jié)果如圖4所示�？梢钥闯�，好氧區(qū)中第2階段的硝化基因amoA、hao和nxrB的相對(duì)豐度略低于第1階段，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期低溶解氧條件可能會(huì)抑制AOB和NOB的活性。此外，間歇曝氣策略可以有效抑制NOB的生長(zhǎng)，也會(huì)減少好氧區(qū)中amoA和hao的相對(duì)豐度，尤其是降低nxrB的相對(duì)豐度。有研究表明，低溶解氧濃度更有利于實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)中的短程硝化過程。此外，在好氧區(qū)懸浮污泥中與厭氧氨氧化有關(guān)的hzo、hzsA和nirS等功能基因的相對(duì)豐度在第2階段得到了提高。與第1階段相比，第2階段hzo、hzsA和nirS的相對(duì)豐度分別增加了1.78、42.25和2.05倍�？梢酝茰y(cè)，好氧區(qū)中厭氧氨氧化菌可利用短程硝化途徑產(chǎn)生的亞硝酸鹽進(jìn)行自養(yǎng)型脫氮，提高其活性，這也間接解釋了好氧區(qū)中自養(yǎng)型脫氮比例大幅提高的原因。
相比第1階段，第2階段編碼硝酸鹽還原的narG基因在厭氧區(qū)和缺氧1區(qū)的相對(duì)豐度都有所降低，而在缺氧2區(qū)的相對(duì)豐度略有提升，這是由于在第2階段停止外加碳源，導(dǎo)致進(jìn)水碳源減少，進(jìn)而影響反硝化脫氮，而與之相關(guān)的反硝化編碼基因相對(duì)豐度也隨之降低。由于第2階段的厭氧氨氧化菌活性提高，其脫氮比例逐步上升，與之相關(guān)的編碼基因hzsA和hzo的相對(duì)豐度也隨之提高。
通過對(duì)A2/O工藝進(jìn)行不同的運(yùn)行操作，以及厭氧區(qū)和缺氧區(qū)中氮轉(zhuǎn)化相關(guān)基因的相對(duì)豐度變化證明，較低的有機(jī)物濃度可以提高與編碼厭氧氨氧化相關(guān)基因的相對(duì)豐度，而高濃度的有機(jī)物則抑制厭氧氨氧化菌活性。本研究中，由于在第2階段停止向進(jìn)水投加外碳源，引起進(jìn)水碳源不足無法完成全程反硝化脫氮，降低了反硝化菌活性，其與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)亞硝酸鹽的能力也隨之降低，進(jìn)而間接提高了厭氧氨氧化菌活性及與之相關(guān)的編碼基因相對(duì)豐度。
3、結(jié)論
①通過對(duì)A2/O系統(tǒng)進(jìn)行溶解氧控制與底物調(diào)整，使得氨氮、總氮去除率分別由第1階段的89.9%和66.6%提高至第2階段的91.95%和83.48%，并且厭氧氨氧化脫氮比例由第1階段的39%提高到第2階段的78%。
②在A2/O系統(tǒng)中，CandidatusBrocadia是檢測(cè)到的唯一厭氧氨氧化菌，其整體相對(duì)豐度由第1階段的0.76%提高至第2階段的1.85%。與第1階段相比，第2階段的功能基因hzo、hzsA和nirS的相對(duì)豐度分別增加了1.78、42.25和2.05倍。
③A2/O系統(tǒng)180d的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行表明，通過降低進(jìn)水碳氮比和間歇曝氣調(diào)控策略，可有效提高系統(tǒng)中厭氧氨氧化脫氮比例和總氮去除效率，降低污水處理成本。（來源：中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心水污染控制實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安平縣弘嘉環(huán)保技術(shù)有限公司）
