养猪场消化废水自养脱氮性能研究外文翻译资料

 2021-11-26 10:11

英语原文共 8 页

养猪场消化废水自养脱氮性能研究

王爽、王岚、邓良伟、郑丹、张云红、蒋一奇、杨洪楠，

雷云辉

摘要

在390天内，通过逐步缩短HRT，提高DPW的浓度，研究了自养脱氮工艺处理养猪场消化废水（DPW）的效果。结果表明，总氮去除率和总效率分别达到3.9kg-N m-3day-1和73%，明显高于以前报道的水平。亚硝基单胞菌（4.2%）和功能微生物（12.15%）的相对丰度高，导致了较高的好氧氨化活性（1.25plusmn;0.1 g-N g VSS-1 d-1），同时良好的沉降性能（SVI，78.42 mL g-1 SS）使得污泥浓度较高（VSS，11.01 g L-1），这为产生良好的脱氮性能奠定了坚实的基础。高通量热测序表明，与合成废水相比，DPW降低了脱氮微生物各功能组的相对丰度，提高了厌氧菌（15.7%）、硫氧化菌（9.4%）和产甲烷菌（40.8%）的相对丰度。

关键词：自养脱氮 养猪场消化废水 PN-厌氧氨氧化 微生物机理

介绍

规模化养猪业的快速发展，伴随着大量的养猪废水排放(Meng et al., 2016)。养猪废水中包含大量的营养物质，也会导致严重的环境和人类健康问题(Zhao et al., 2014).。厌氧消化广泛的用于养猪废水中的污染物的去除。厌氧消化的产物之一为消化废水，其特点是化学需氧量（COD）与铵（NH 4-N）之比较低（Meng et al，2016年）。传统硝化-反硝化以COD作为电子供体，由于较高浓度的NH 4-N和较低的C/N比，因此处理DPW时，较难去除其中的氮。

通常来说，硝化-反硝化，部分硝化-厌氧氨氧化（PN anammox，包括单级PN anammox和两级PN anammox）等生物工艺是去除是去除废水中氮的主要过程（Wang et al，2012年）。然而，传统脱氮过程需要大量的氧气和外加的碳源，这使得包括DPW等低C/N比废水的处理成本较高(Soliman and Eldyasti, 2016)。与传统的脱氮过程相比，PN-厌氧氨氧化对氧气的需求可减少60%，不需要外加碳源，同时减少90%的污泥产量(Lackner et al., 2014)。同时因其具有更高的脱氮率(NRR, 2.57 kg-N m-3 day-1)(Wang et al., 2012)，更适合用于处理高氨氮和低C/N比的废水。近年来，全规模PN-厌氧氨氧化已成功用于处理如城市废水处理的污泥消化液、污水、垃圾渗滤液等高氨氮和低C/N比的废水。(Lackner et al., 2014).

许多研究表明，DPW含有高浓度的COD、重金属和抗生素，这些物质能抑制氨化细菌和厌氧氨氧化细菌的活性(Lotti et al., 2012; Zhang et al., 2016; Zhao et al., 2010)。由于PN-厌氧氨氧化具有较长的启动时间，较低或不稳定的脱氮率以及出水水质差等缺点，鲜有研究成功使用该法处理DPW(Meng et al., 2016; Zhao et al., 2014)。此外，目前鲜有关于使用全规模PN-厌氧氨氧化装置处理DPW的信息。

在我们之前的研究中，成功地开发了在颗粒污泥床反应器中的自养脱氮（ANR）工艺，即一种单级PN-厌氧氨氧化，这一工艺具有较高的脱氮速率，可用于处理高NH 4-N浓度、低C/N比的废水（Wang et al，2012、2014）。在此基础上，本研究探讨了ANR法处理DPW的可行性和性能，以及其微生物机理。

方法

2.1实验设置及操作

采用两台有效容积为4.5升的6升内环气升式反应器对合成废水（SYN反应器）和DPW（PIG反应器）进行自养脱氮。合成废水的组成如Wang et al. (2012)所述，同时根据氨的浓度调节(NH4)2SO4 的浓度。DPW的 COD在305–1000 mg L-1、NH 4-N在 277–661.3 mg L-1、0–3 mg L-1 NO2-N 的NO3-N，6.4–8.0 mg L-1的总磷和0.02 mg L-1总固体。实验流程如图1所示。进水和空气被连续泵入反应器底部。污泥和废水在空气的驱动下，上升段上升，在下部分向下流。溶解氧（do）浓度通过气体流量计调节在0.3-1.0 mg L-1的范围内。温度控制在30plusmn;1 C。从先前的ANR反应器中提取的0.5-L污泥样品用于反应器的接种（Wang et al，2012年）。DPW是从中国四川省中部的一个养猪场获得的。反应器以连续进料方式运行，运行参数见补充数据表S1。

Fig. Schematic diagram of the internal loop air-lift reactor.

2.2分析方法

根据标准程序测定挥发性悬浮固体（vss）和铵、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度（Sliekers et al，2002年）。使用LZB-4玻璃管转速计（浙江余姚仪器厂）和SevenGo pro SG9 meter (METLER TOLEDO, Switzerland).分别测定气流速率及DO浓度。采用PHS-3C pH计（中国上海雷磁设备厂）测定样品的pH。

2.3间歇活性测试

通过间歇试验，测定好氧氨氧化菌（AOM）的好氧氨氧化活性、厌氧氨氧化菌（ANAMMOX）的厌氧亚硝酸盐氧化活性、亚硝酸盐氧化菌（NOB）的好氧亚硝酸盐氧化活性和反硝化菌（DB）的厌氧反硝化活性。在第二至第四阶段从SYN和PIG反应器中提取污泥样品，并用2 g L-1 KHCO3洗涤三次。然后，使用0.1 g来自洗涤污泥的VSS进行批量试验。每项试验在150rpm和30℃的振动台上进行。AOM试验的取样时间为0.25小时，NOB和anammox细菌试验的取样时间为1小时，DB试验的取样时间为5小时。Wang et al. (2014)

2.4高通量热测序

从接种物、第四阶段的SYN反应器和PIG反应器中提取三份污泥样品，分别标记为seed.1、seed.2、seed.3、SYN1.1、SYN1.2、SYN1.3、PIG2.1、PIG2.2和PIG2.3。用CTAB/SDS法提取样品的总基因组DNA。使用特定的引物组（细菌：341F-806R (Kuppusamy et al., 2016; Trivedi et al., 2016）和古生菌:Parch519F-Arch915R（Lin et al，2011））扩增16SV3-V4区域的16S rRNA基因。PCR条件如Kuppusamy et al 2016所述。在2%琼脂糖凝胶上检测PCR产物。选择主条亮度在400-450 bp之间的样品进行下一步实验。根据制造商的说明，利用Illumina Hiseq 2500平台（Illumina，USA）对PCR产品进行纯化、汇集和测序。Yan et al遵循详细的方法和随后的生物信息学分析。（2015）。原始序列存放在NCBI SRA数据库中（登录号：SRX2641391）。

利用alpha;多样性分析了样本物种多样性的复杂性，包括观测物种、Chao1、shannon、Simpson、ACE和goodlsquo;s覆盖率等6个指标。使用QIIME软件（版本1.7.0）计算样本的所有指标，并使用R软件（版本2.15.3）显示。主成分分析（PCA）之后为聚类分析，该分析用于使用R软件中的FACTOmineR包和ggplot2包来减小原始变量的维数。稀疏曲线分析反映了测序数据的合理性和细菌种群的测序深度。利用Mega 7.0和R X64 3.2.4对35个家族（相对丰度gt;1%）和功能性微生物进行了系统树分析和热图构建。

结果与讨论

3.1ANR过程的性能

通过减少HRT和提高DPW的浓度研究了ANR工艺处理DPW (PIG反应器)和合成废水（SYN反应器）的性能，数据见表S1。SYN反应器作为控制反应器运行，其操作参数 如HRT、进水NH4 -N浓度、氮负荷率（NLR）等与PIG反应器相似。390天实验分为五个阶段，结果如图2和补充数据表S1所示。

如图2a和b所示，在SYN反应器的第一阶段（0-175d），当进水NH4 -N浓度为133.3 mg L-1时（补充数据表s1），NLR和NRR分别从0.13增加到1.1 kg-N m-3day-1、0.07增加到0.36 kg-N m-3 day-1，HRT从18h缩短到3h。但是，总氮去除效率逐渐下降到31.4%。第二阶段（176～227天），随着进水NH4 -N浓度增加到227.4 mg L-1，HRT由3h缩短到2h，NLR增加到2.7 kg-N m-3 day-1，NRR增加到1.8 kg-N m-3 day-1，TNRE达到65.8%。在第三阶段（228-267天），在2小时的固定HRT下，进水NH 4-N浓度增加到303.5 mg L-1，导致NLR进一步增加（3.6 kg-N m-3 day-1）。NRR和TNRE分别增加到2.6 kg-N m-3 day-1和71.2%。在第四阶段（268-352天），NH4 -N浓度增加到400.1 mg L-1。随着HRT从2h缩短到1.5h，NLR进一步增加到6.5 kg-N m-3 day-1，NRR也增加到4.7 kg-N m-3 day-1。合成反应器中的TNRE稳定在72.6%。在第五阶段（353-373天），当NH4 -N浓度为424.0 mg L-1，HRT进一步从1.5h缩短到0.7h，NLR和NRR达到15.3 kg-N m-3 day-1和7.1 kg-N m-3 day-1，但TNRE下降到46.3%。

在PIG反应器的第一阶段（0～175d），进水DPW浓度为25%，NH4 -N浓度为123.6mg L-1，（补充数据表S1）。随着HRT由18小时缩短到3小时，NLR从0.1增加到kg-N m-3 day-1，NRR达到0.28 kg-N m-3 day-1（图2c），但TNRE逐渐从68%下降到18%（图2d）。在第二阶段（176-212d），当NH 4-N浓度为220.1 mg L-1时，DPW浓度增加到50%，固定HRT为2h时，NLR增强到2.6 kg-N m-3 day-1，NRR增至1.5 kg-N m-3 day-1，TNRE达到58.1%。在第三阶段（213-256d），当NH4 -N浓度为314.0 mg L-1时，DPW浓度增加到75%，而HRT保持在2h，NLR和NRR分别增加到3.9 kg-N m-3 day-1和2.6 kg

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