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杜 明
（上海新农科技股份有限公司，上海 201600）
中国是世界上最早发展畜牧业的国家，根据考古发现，中国的野生动物驯化起源于大约1 万年前的中石器时代。新中国成立50 多年来，我国畜牧业发展的成绩斐然。尤其是20 多年来，随着国家和国务院的各项方针政策的深入实施，我国畜牧业生产规模不断扩大，主要畜禽产品产量连续20 年保持10%左右的速度增长。1980～1998 年，全国肉品、蛋品、奶的年均增长8.7%、12.1%、9.9%。2004 年，中国畜牧业克服了诸多不利因素，实现了持续稳步发展。
随着养殖业的迅速发展，养殖污水对环境的影响越来越大，但目前对畜禽养殖废水的治理仍停留在有机物的脱除上，目前最常见的处理方式是厌氧- 好氧复合技术，该技术基本满足了畜禽养殖废水的排放要求；
但是，从环保角度来说，这种方法并不能完全消除它对环境的污染，因为它只会把NH4+-N 变成NO3--N，而不会从污水中真正地除去。目前还没有一种经济高效的方法来消除造成水体富营养化的N、P 等营养物质。传统的硝化/反硝化技术在一定程度上已经得到了广泛的应用，但是由于对硝化、反硝化等环境的不同需要，处理工艺复杂，运行费用高；
此外，反硝化工艺需要有机碳，这与前续厌氧好氧工艺对有机物的降解程度是背道而驰的，在反硝化工艺中加入碳源不仅会提高生产成本，而且随着有机碳源的增多，也会导致出水中CODcr含量达不到排放标准。研究出一条能够高效地去除有机碳和氮气的养殖污水治理技术，是解决畜牧业快速发展和环境污染问题的关键。
2.1 ANAMMOX 反应器启动研究 以养殖污水作为种泥，采用模拟污水进行了厌氧氨氧化反应器的研究。通过调节入水NH4+- N 与NO2w-N 的比例，以进行厌氧氨氧化，再将养殖污水经厌氧一次硝化处理后，再添加相同浓度的有机物，探讨在一定浓度的有机碳情况下，厌氧氨氧化脱氮的最佳效果和操作条件。
2.2 SHARON 反应器的运行条件研究 采用水解酸化一厌氧工艺，对养殖污水进行了预处理，并对其进行了操作条件和滞留时间的调节，以使出水达到了厌氧氨氧化启动试验所需的最佳NO2--N/NH4+-N比。
2.3 ANAMMOX 反应器处理养殖废水驯化研究
通过对养殖污水进行亚硝化处理，调节NO2--N/NH4+- N 的配比，然后进行人工模拟污水培养成熟的厌氧氨氧化反应器。
2.4 亚硝化、反硝化、硝化、厌氧氨氧化细菌群落研究 根据微生物手册，可以识别出不同的微生物类型，并在不同的阶段发挥重要作用，从而选择合适的操作条件。
3.1 畜禽养殖废水处理中的问题 目前，在养殖污水的设计与施工中，对有机污染物的脱除已经达到了不会对环境造成不良影响的水平，但是缺少一种经济、高效的脱氮技术。大多数养殖废水的脱氮工艺采用常规的硝化/反硝化技术，由于好氧和缺氧的交替进行，处理过程复杂，操作成本较高，常规的养殖企业难以承担其高昂的运营成本，导致现有的污水处理设施不能正常运转；
另一方面，反硝化工艺要求有机物质作为碳源，在处理前续厌氧、好氧处理后，废水中可生物利用的有机物数量较少，难以进行后续的反硝化，导致出水的硝态氮含量较高。目前，针对畜禽养殖废水脱氮、脱氮的新技术进行了大量的探索，为解决目前我国畜禽养殖污水脱氮、反硝化技术存在的问题，目前尚处在探索阶段，尚需进一步研究。
3.2 养殖废水处理工艺的优化 传统的养殖废水处理方法主要是对废水中的有机物、NH3-N 进行脱除，而对深度恶化营养盐的去除则很少；
随着水体环境的恶化，资源的匮乏，水体中N、P 营养盐的去除是水体治理中必不可少的环节。
工艺1：采用常规硝化法和反硝法相结合的方法，对畜禽养殖污水进行了预厌氧- 好氧处理，使其能够生物利用的有机物得到充分的利用，为了确保反硝化的进行，在进入低氧阶段的同时，添加一定数量的可生物利用的有机物质。该技术在正常条件下可以有效地解决养殖污水对水体的污染，但是由于两个阶段的好氧处理和低氧阶段的生物碳源的补充，使得养殖污水的处理成本较高，不是普通养殖场能够负担得起的。
工艺2：采用前持续低氧- 好氧技术，可以充分去除有机物，同时采用好氧反应器的混合污泥回流，不但可以降低污泥的产生量，还可以在充分利用入水的有机物的情况下，脱氮、磷等。一部分好氧后的混合液回流到低氧区域进行反硝化，另一部分经过污泥和水的分离，再进入下一步的工艺过程。
3.3 畜禽养殖废水的实验研究说明 由于养殖废水在有机污染物的去除方面已经取得了很好的效果，尤其是厌氧处理后，出水的生物利用率已经很低了，所以，就并没有考虑上一次的水解酸化和UASB 厌氧反应器的操作。目前，关于SHARON 和ANAMMOX 的实验结果已经很多，但是在实际中的应用并不多，尤其是在有有机物的环境中，关于这两种方法的研究更是寥寥无几，所以我们选择了在实验室中进行小试操作。
4.1 ANAMMOX 启动阶段对氨氮的去除 在启动初期，污水NH4+- N 并没有被除去，而是增加了，这是因为接种的污泥是反硝化污泥，而反硝化污泥是一种异养性的微生物，进入厌氧氨氧化启动后，进水没有任何有机物，异养菌可以降解污泥中的有机物，也可以通过内源呼吸来维持生命。从第18 天起，出水NH4+- N 的浓度下降，在后续的培养期间，NH4+- N 的脱除率持续上升，75d 后，NH4+- N 的脱除率约为80%，并且NH2--N、NH4+- N 的浓度相对稳定，说明该反应器已经成功地启动了。为确定反应器的脱氮负载，在接下来的一段时间内，连续提高入水中NH2--N 和NH4+- N 的浓度，并随入水中NH2--N 和NH4+- N 浓度的升高而提高。在连续30d后，出水NH4+- N 的浓度低于35mg/L 以下，NH4+-N 的去除率为93%。
4.2 ANAMMOX 启动阶段对亚硝氮的去除 在开始操作的15d 中，排放的NH2--N 的浓度很低，最低为4mg/L，这可能是由于接种的淤泥不完全，淤泥中的有机物含量很高，此外，由于底板的变化，一部分自养菌会产生内源呼吸分解产生的碳源，而反硝化菌则有足够的碳源来分解NH2--N，而在反应器中，随着有机物质的完全分解，NH2--N 的去处率也随之下降，直到第18 天，反应器中的NH2--N 的去除率只有25%，这主要是由于操作期间反应器中的厌氧氨氧化细菌数量不多，反硝化菌由于碳源不足而导致的。随着培养时间的延长，反应器内的厌氧细菌数目增多，NH2--N 的去除量也随之增大，在第123 天时，NH2--N 的浓度为490mg/L，30d 后，其去除率约为95%，并比较稳定。
4.3 有机碳存在条件下AAMMOX 反应器的运行AMAMMOX 反应器在有机碳环境下的操作稳定性、脱除污染物的规律是一个不确定因素，为了解有机物对AMAMOX 反应的影响、去除规律和操作条件，在AMAMMOX 反应器成功启动后，将葡葡糖加入倒进水中，将CODcr 提高至180mg/L（理论上，CODcr 要达到180 mg/L，理论上需要在水中加入葡萄糖168.75mg/L)，从而使反应器工作。为了测定最优进水NH2--N/NH4+- N 的比值，首先根据理论上的计算，假设进水的溶解氧/ 氧浓度为0.5 mg/L，所有的溶解氧都会被氨氮和氨氮分解，而进入水中的葡萄糖则会被反硝化菌用来反硝化，好氧氨氧化反应式为：
4.4 ANAMMOX 反应器对有机物去除情况 当进入水体时，有机污染物的去除率较低，但是COD的去除率迅速上升，145d 时，CODcr 浓度为92.5%，出水CODcr 值为13.5mg/L。在进入水体之前，反应器是在有机物质的基础上进行的，而当有机物质进入水体后，短时间内就可以达到很高的去除率，这表明在生物多样性不足的情况下，微生物可以在短时间内恢复活力。在210d 时，由于反应器进水增加了水力滞留时间，因此，在进水之前，反应器出水CODcr 基本保持不变，这表明，在进入反应器之前，有机物被除去，而剩余的有机物大多为难降解的有机物，在这种情况下，再过一段时间也不会下降。
5.1 溶解氧变化对亚硝化反应的影响 反应器在30℃、pH7.0、水力停留时间1d、反应溶解氧浓度0.6mg/L 时能成功地启动，且NH2--N 的累积率保持在很高水平，但这并不是最好的反应条件。在不同的条件下，控制反应液溶氧可以有效地抑制硝化反应，促进NH2--N 的高积累，这将直接影响到后续的厌氧氨氧化的发生，所以，在反应器启动后，在其它条件不变的前提下，调整曝气量，以达到亚硝化反应的最佳溶氧浓度。
5.2 pH 变化对亚硝化反应的影响 在30℃，pH7.0，水力停留1d，曝气量0.04m3/h（溶解氧浓度0.3mg/L）的情况下，调节反应器的操作稳定性。优化的反应pH 是通过增加反应器的pH 值而进行的。目前已有的研究表明，最佳的亚硝化反应条件是在中性偏碱性环境下进行的，故本实验从pH7.0 起，每增加0.5%，调节连续工作4d，以确保反应器的稳定工作。通过测定出水NH2--N、NO3--N 的浓度以及NH2--N/NO3--N 的比值，可以反映出不同的pH 值对亚硝化的影响。
5.3 温度对亚硝化反应的影响 硝化菌的最佳反应温度与其最佳反应温度相差较大，应尽量将硝化反应控制在亚硝化反应中，而限制了硝化反应的进行。结果表明：在5～20℃内硝化菌比亚硝化菌的生长速度更快，氨氮被完全氧化成氨态氨，而在温度升高时，其生长速度会比硝化菌的生长速度更快，而在30℃以上，硝化菌的生长速度和活力都会被抑制，会在水体中产生NH2--N。5～30℃时，硝化率随10℃的上升而增大。在40℃的条件下，氨氮的去除率逐渐降低，通常认为30～40℃是最好的反应温度。
6.1 亚硝化反应污泥显微观察 亚硝酸菌是一种以无机能为主要养分的革蓝氏阴性菌。亚硝酸菌按其表型特征、细胞内细胞膜的分布、16 sRNA 序列的同源性等进行了分类。《伯杰氏细菌系统分类学》于1984～1989 年出版，将硝化菌分成九属：硝化菌属、硝化刺菌属、硝化球菌属、硝化螺菌属、亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化对菌属和亚硝化弧菌属等。亚硝化细菌是亚硝化细菌中最典型的一种，另外，亚硝化球菌属、亚硝化螺旋菌属、亚硝化弧菌属和亚硝化叶菌属等也能使氧氮转化为亚硝酸盐。亚硝酸盐细菌是一种具有遗传多样性的微生物，它们均为B 型变体。
6.2 好氧氨氧化反应污泥显微观察 进入反应器的污泥是一种呈黑色的厌氧生物，在培养过程中，污泥的颜色发生了变化，而在反应器的底部，则是由深灰色变成了黄色，而当反应器的高度越高，颜色就会变成黄色，而在填料的孔洞中，则会有更多的悬浮淤泥，少数会变成颗粒状的淤泥。在反应完成后，对悬浮的淤渣进行过滤，可获得了颗粒状的淤渣。通过电子显微镜观察，发现其表面有大量的菌丝。在反应器进水处，溶解氧的存在和进水孔的引入，主要是好氧、氨气和好氧的好氧分解，其中以丝状菌为主，对悬浮污泥进行了解剖，并对其进行了扫描电镜观察，结果表明，大部分的颗粒污泥都是由丝状菌形成的，在交联间隙处有少量的球菌和短杆菌。
6.3 厌氧氨氧化反应污泥显微观察 反应器顶端的淤泥呈淡淡的红色。对培养后的反应器进行了上层淤泥的实验。污泥及生物膜为淡红色，与以往已有的典型厌氧氨氧化污泥的色泽一致。
实验后期，将淤渣、生物膜等分离出来，用电子显微镜观察了挂膜前后填料纤维的形貌。为空白填充纤维，长条纤维交织、重叠，形成了理想的粘附微生物载体。将其置于反应器内，可使其与纤维结合，并与纤维结合，从而形成网状结构，而填料纤维则作为桥梁，将有关微生物保留在其中。通过对吸附在反应器上的淤泥样品进行SEM分析，结果表明，该样品中存在大量的微生物，且分布紧密，主要以球菌和短杆菌为主。
在常规条件下，将厌氧氨氧化细菌包裹在细胞外多聚体中，在细胞外多聚体的空隙中可以发现具有代表性的厌氧氨氧化细菌。SEM结果显示，厌氧氧化菌多为1μm 直径的圆形或卵形，其表面可见明显的漏斗形凹槽，与未充分充气的球体相似。厌氧氨氧化细菌以胞外聚合体的方式进行聚合，以促进其协同效应。
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