畜禽養殖廢水中營養物的去除范文

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畜禽養殖污染物主要由畜禽尿液、部分糞便和養殖舍沖洗水構成，其特點是COD高，懸浮顆粒物（SS）、氨氮（NH3-N）含量高[1-3]；水質水量變化大；含有致病菌并有惡臭，排放總量大、密度高、危害性大等特點，已經成為眾多城市的新興污染源[4-5]。酸中和殘渣（NUA）和脫水鋁污泥（DAS）分別來自于生產金紅石過程中產生的殘渣和自來水廠凈水過程中的副產物[6]。在重礦物精煉即通過比徹方法將鈦鐵礦（FeTiO3）轉化為金紅石（TiO2）的過程中，產生了大量的富含鈣和鐵的殘渣，即NUA，此殘渣一般采取儲存后傾倒處理或作為土壤改良劑[7-8]；脫水鋁污泥（DAS）是自來水廠凈水過程中的副產物，其和NUA相似，也含有豐富的鋁、鐵和鈣等物質，目前大部分也被視為廢棄物填棄[9-12]。上述2種廢棄物都有較大的比表面積，對污染物有一定的吸附能力，同時化學組成穩定無二次污染。本研究將2者作為濾料應用于畜禽養殖廢水處理中，系統研究了NUA-DAS生態濾池系統對主要污染物（有機物、氮和磷）等污染物的去除效果，初步探討污水中營養物去除的作用機理，為此技術進一步推廣提供技術支撐。

1實驗部分

1.1濾池設計實驗裝置見圖1。裝置主要包括儲水池、清水池、重金屬加工酸中和殘渣裝置和脫水鋁污泥裝置，皆采用有機玻璃材料制備，呈圓柱形，直徑40cm，每個濾池高度90cm。兩裝置自上而下均為10cm布水區、70cm反應層、10cm鵝卵石承托層，每個裝置側面設置取樣口，自上而下分別位于裝置的30、50、70cm處，兩裝置下端各布置一個出水口，分別為出水口1和總出水口，各裝置有效反應容積均為7.5L。為避免降雨或者其他降水過程對系統造成的沖擊，整套實驗裝置安放于防雨棚內。

1.2實驗條件NUA和DAS分別取自江蘇某金紅石廠和某自來水廠，對2種濾料進行烘干、研磨，過篩（NUA的粒徑<63μm，DAS粒徑<0.25mm）后用于此系統中。畜禽養殖廢水來自南京某養殖廠，進水水質見表1。通過蠕動泵控制進水流量，定時控制器控制進水時間，通過NUA濾池進入DAS濾池的污水為上流式布水。系統運行周期內，首先關閉NUA濾池和DAS濾池之間閥門，在水力負荷為0.3m3/(m2•d)條件下通過蠕動泵1布水，使NUA濾池污水達到有效容積的70%；停留3h后打開兩裝置之間閥門，NUA濾池中污水進入DAS濾池同時啟動蠕動泵2，在相同的水力負荷條件下二次布水，布水后DAS裝置污水達到100%有效容積，最后停留4h完成1個周期運行。其中DAS裝置在每個運行周期二次布水結束后曝氣30min，曝氣體積流量為50L/h。系統連續運行5～7d后，對兩裝置反沖洗，來自清水池的反沖洗水通過反沖洗泵進入NUA和DAS裝置，含有懸浮物及脫落的生物膜的反沖洗水從裝置上方的布水區排放；整個系統連續運行80d，運行期間溫度是15～25℃。

1.3測試方法及數據分析分別稱取100gNUA和DAS，將其放入60℃的烘箱中烘干，測定濾料的密度、表觀密度和孔隙率；采用比表面積分析儀（BET）、X射線熒光光譜分析（XRF）技術對濾料的表面物理形態和化學組成進行表征。在系統運行0、40、80d時從兩裝置取樣口提取濾料，同一裝置不同高度濾料取出后混合均勻，采用最大可能數計數法測定不同時間節點不同濾料中硝化菌和反硝化菌數量。運行周期內每隔4d從出水口1和總出水口取樣分析，每個樣品3個平行，監測2種濾料協同作用下各自裝置出水中COD和DO、NH3-N、NO3--N、TN、TP含量的變化，計算COD、NH3-N、TN、TP去除率。COD和NH3-N、NO3--N、TP、TN含量分別采用重鉻酸鹽法、納氏試劑光度法、紫外分光光度法、鉬銻抗分光光度法和堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測試；pH、溫度和DO含量分別利用PHS-2C型pH計和JPB-607A型溶解氧儀進行監測。應用SPSS軟件中單因素方差分析實驗中數據，其中在不同時間節點2種濾料中硝化菌和反硝化菌數量的差異性采用Tukey's檢驗方法。

2結果與討論

2.1濾料基本理化性質濾料的基本特性見表2。由表2可知，DAS和NUA均有較大的孔隙率和比表面積，其中DAS較NUA比表面積更大，相比更利于廢水中污染物的吸附和截流。通過XRF分析得出2種濾料的主要化學成分均為鋁、鐵、硅、鈣、鎂、鉀、鈉、錳等元素（表3），使得其吸附擴散速率較大，吸附點位較多，有利于吸附反應的進行。

2.2硝化菌和反硝化菌數量表4是2種濾料中不同時間節點硝化菌、反硝化菌數量。由表4可知，隨著系統的運行，NUA和DAS中硝化菌的數量顯著增加。有研究認為，系統運行初期為微生物掛膜階段，在此期間微生物開始生長繁殖，隨著反應的進行氮類營養物在濾料中不斷截流，提供了硝化菌繁殖需要的養分，引起硝化菌數量增加[18]。運行初期和40d時，NUA和DAS硝化菌數量無顯著性差異；80d時，DAS相比NUA中硝化菌數量顯著增加。運行初期，NUA和DAS中硝化菌在適應環境的過程中群落結構和數量不穩定，硝化菌的數量在2種濾料中未呈現顯著差異，至80d時，硝化菌相對成熟穩定，DAS較大的孔隙率和比表面積為微生物的生長提供了絕佳的條件，硝化菌易于依附于DAS表面和微孔中，同時DAS裝置中較高的DO含量（總出水DO的質量濃度1.86～2.42mg/L）也利于硝化菌生長繁殖。由表4還可知，反硝化菌數量相比硝化菌低1～2個數量級，這是因為作為反硝化作用的底物NO3--N在NUA和DAS裝置中含量均較低（出水1和總出水NO3--N的質量濃度分別是0.01～0.07、0.10～0.33mg/L），反硝化菌生長代謝所需的氮源缺失制約了反硝化菌數量的增長。已有研究也有類似的結果。隨著系統的運行，NUA中反硝化菌數量顯著增加，DAS中反硝化菌數量至80d時顯著增加，運行初始和40d時DAS中反硝化菌數量無明顯變化。反硝化菌數量在NUA和DAS裝置中隨著時間顯著增加可能與反硝化菌逐漸適應濾料微環境有關，促進了菌群的繁殖，2種濾料相比，反硝化菌能在更短的時間內適應NUA中的微環境。NUA和DAS中反硝化菌數量在40d和80d時出現顯著差異，NUA中反硝化菌數量高于DAS中數量。這種現象是由于反硝化菌群在系統內穩定后，NUA裝置中NH3-N含量較高，DO含量較低（出水1中DO的質量濃度0.67～1.34mg/L）。有文獻報道反硝化菌數量與NH3-N含量呈顯著正相關，與DO含量呈顯著負相關。NUA裝置中較高的NH3-N含量和較低的DO含量利于反硝化菌生長繁殖。

2.3COD去除效果DAS-NUA系統生態濾池對污水中COD去除率如圖2所示。由圖2可知，NUA裝置出水和系統總出水COD去除率在運行16d和12d前增加明顯，隨著反應的進行COD去除率逐漸提升，運行至60d時COD去除率相對穩定，經NUA裝置和系統處理后COD平均去除率分別為52%和79%。該生態濾池對有機物的高效去除是物理、化學以及微生物共同作用的結果，這個過程包括對細小顆粒狀、膠質有機物的吸附，有機物的氧化還原和微生物的作用。DAS和NUA發揮作用原因是2種濾料具有較高的孔隙率和比表面積，利于有機污染物通過沉淀和吸附截留在濾料空隙中，同時微生物的硝化反硝化作用，可提高有機物去除效果。系統運行初期10～15d為微生物掛膜階段，在此期間微生物開始生長繁殖，新陳代謝不穩定[18]。后隨著微生物活性的日益旺盛，對有機物的去除效果增加。系統穩定運行后，大部分COD在經過NUA濾料時就被有效去除，NUA裝置在COD去除中發揮主要作用，主要是廢水先經過NUA大部分COD被去除，后續隨著反應的進行，有機物可利用性降低并不斷被消耗，DAS對COD的去除貢獻率低于前端裝置。

2.4NH3-N去除效果DAS-NUA系統生態濾池對污水中NH3-N去除率如圖3所示。由圖3可知，NH3-N去除率在運行至第4天時提升明顯，NUA裝置出水和總出水中NH3-N去除率分別達到25%和45%；隨著反應時間的推移，NH3-N去除率逐漸上升，后期穩定后出水1和總出水NH3-N平均去除率分別為47%和78%。運行初期，系統NH3-N去除率迅速提升可能與濾料的吸附有關，NUA和DAS表面特征有利于快速吸附污水中的顆粒狀污染物使其沉積于表面，被截留的NH3-N再進一步被濾料中的微生物利用。系統運行期間，NH3-N去除率變化可能與濾料中參與硝化反應的硝化菌數量有關[22]。初始NUA和DAS中硝化菌數量較少，隨著反應的進行硝化菌種群數量和密度開始增加，硝化反應增強引起NH3-N降解或轉化為其它形態，達到對污水中NH3-N高效去除。兩裝置對NH3-N去除率貢獻的差異與進水NH3-N和DO含量有關。NUA進水NH3-N含量較高，可被硝化菌利用的養分充足，后續二次布水為DAS裝置補充了氮源，同時DAS裝置內較高的DO含量更利于NH3-N在硝化菌作用下通過硝化反應去除，引起污水中NH3-N含量經過DAS裝置后進一步降低。

2.5TN去除效果DAS-NUA系統生態濾池對污水中TN去除率如圖4所示。由圖4可知，TN去除率在0～12d期間提升顯著，后續逐漸提升，運行穩定后NUA裝置和系統出水TN平均去除率分別是47%和70%。DAS-NUA生態濾池系統中TN的去除需要經過硝化作用和反硝化作用，硝化反應生成的NO3--N被反硝化菌利用通過反硝化作用轉化成氮氣[23]。隨著反應的進行2種濾料中反硝化菌數量逐漸增多，反硝化作用的增強提升了TN的去除。系統運行穩定后，NUA裝置對TN去除貢獻率較高可能與此濾料中充足的碳源、合適的DO含量和較高的反硝化菌數量有關，NUA裝置進水有機物含量較高，為反硝化進行提供了足夠的碳源，同時兼氧環境利于濾料中反硝化菌的存活，較多的反硝化菌種群數量促進反硝化脫氮的進行，后續DAS裝置中較高的DO含量和較少的反硝化菌數量限制了反硝化脫氮發揮作用，從而引起兩裝置對TN去除貢獻率的差異。

2.6TP去除效果DAS-NUA系統生態濾池對污水中TP去除率如圖5所示。由圖5可知，運行初期TP去除率顯著提升，運行穩定后NUA裝置和系統出水TP平均去除率分別是34%和96%。此DAS-NUA生態濾池系統TP的去除主要依靠濾池中濾料的吸附、化學沉淀，如填料中的金屬離子（Ca2+、Al3+、Fe3+）的含量等[24-25]。對TP的去除DAS濾池發揮主要作用與其較高的孔隙率和比表面積有關。吳樹彪等利用DAS吸附池作為人工濕地出水的處理單元開展了處理農村生活污水的實驗，其對TP去除率在79.5%～90.7%。因此DAS較NUA更利于污水中TP的去除。

3結論

DAS-NUA生態濾池對畜禽養殖廢水中COD、NH3-N、TN和TP均有較好的去除效果，其中NUA裝置對去除COD和TN發揮主要作用，DAS裝置對TP去除效果明顯，兩裝置對NH3-N去除貢獻率相差不大；此系統對有機物和營養物的高效去除與濾料本身的結構特征、硝化菌和反硝化菌數量的時空變化有關。DAS和NUA以其固有的物理結構和化學特性，具有良好的吸附水體中氮磷等污染物的能力，為資源化利用奠定了基礎。為推動2者大規模資源化利用，今后研究中需要進一步關注DAS和NUA作為吸附基質反應過程產生或者本身含有的生物毒性，在確保2者沒有任何有毒性或放射性風險之后，才可以在水體或土壤中應用，避免二次污染，同時仍需探究微生物作用機理，從微觀角度對其機理進行闡述。

作者：汪龍眠 張毅敏 仇皓雨 單位：環境保護部南京環境科學研究所 河海大學環境學院