畜禽养殖废水中营养物的去除范文

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畜禽养殖污染物主要由畜禽尿液、部分粪便和养殖舍冲洗水构成，其特点是COD高，悬浮颗粒物（SS）、氨氮（NH3-N）含量高[1-3]；水质水量变化大；含有致病菌并有恶臭，排放总量大、密度高、危害性大等特点，已经成为众多城市的新兴污染源[4-5]。酸中和残渣（NUA）和脱水铝污泥（DAS）分别来自于生产金红石过程中产生的残渣和自来水厂净水过程中的副产物[6]。在重矿物精炼即通过比彻方法将钛铁矿（FeTiO3）转化为金红石（TiO2）的过程中，产生了大量的富含钙和铁的残渣，即NUA，此残渣一般采取储存后倾倒处理或作为土壤改良剂[7-8]；脱水铝污泥（DAS）是自来水厂净水过程中的副产物，其和NUA相似，也含有丰富的铝、铁和钙等物质，目前大部分也被视为废弃物填弃[9-12]。上述2种废弃物都有较大的比表面积，对污染物有一定的吸附能力，同时化学组成稳定无二次污染。本研究将2者作为滤料应用于畜禽养殖废水处理中，系统研究了NUA-DAS生态滤池系统对主要污染物（有机物、氮和磷）等污染物的去除效果，初步探讨污水中营养物去除的作用机理，为此技术进一步推广提供技术支撑。

1实验部分

1.1滤池设计实验装置见图1。装置主要包括储水池、清水池、重金属加工酸中和残渣装置和脱水铝污泥装置，皆采用有机玻璃材料制备，呈圆柱形，直径40cm，每个滤池高度90cm。两装置自上而下均为10cm布水区、70cm反应层、10cm鹅卵石承托层，每个装置侧面设置取样口，自上而下分别位于装置的30、50、70cm处，两装置下端各布置一个出水口，分别为出水口1和总出水口，各装置有效反应容积均为7.5L。为避免降雨或者其他降水过程对系统造成的冲击，整套实验装置安放于防雨棚内。

1.2实验条件NUA和DAS分别取自江苏某金红石厂和某自来水厂，对2种滤料进行烘干、研磨，过筛（NUA的粒径<63μm，DAS粒径<0.25mm）后用于此系统中。畜禽养殖废水来自南京某养殖厂，进水水质见表1。通过蠕动泵控制进水流量，定时控制器控制进水时间，通过NUA滤池进入DAS滤池的污水为上流式布水。系统运行周期内，首先关闭NUA滤池和DAS滤池之间阀门，在水力负荷为0.3m3/(m2•d)条件下通过蠕动泵1布水，使NUA滤池污水达到有效容积的70%；停留3h后打开两装置之间阀门，NUA滤池中污水进入DAS滤池同时启动蠕动泵2，在相同的水力负荷条件下二次布水，布水后DAS装置污水达到100%有效容积，最后停留4h完成1个周期运行。其中DAS装置在每个运行周期二次布水结束后曝气30min，曝气体积流量为50L/h。系统连续运行5～7d后，对两装置反冲洗，来自清水池的反冲洗水通过反冲洗泵进入NUA和DAS装置，含有悬浮物及脱落的生物膜的反冲洗水从装置上方的布水区排放；整个系统连续运行80d，运行期间温度是15～25℃。

1.3测试方法及数据分析分别称取100gNUA和DAS，将其放入60℃的烘箱中烘干，测定滤料的密度、表观密度和孔隙率；采用比表面积分析仪（BET）、X射线荧光光谱分析（XRF）技术对滤料的表面物理形态和化学组成进行表征。在系统运行0、40、80d时从两装置取样口提取滤料，同一装置不同高度滤料取出后混合均匀，采用最大可能数计数法测定不同时间节点不同滤料中硝化菌和反硝化菌数量。运行周期内每隔4d从出水口1和总出水口取样分析，每个样品3个平行，监测2种滤料协同作用下各自装置出水中COD和DO、NH3-N、NO3--N、TN、TP含量的变化，计算COD、NH3-N、TN、TP去除率。COD和NH3-N、NO3--N、TP、TN含量分别采用重铬酸盐法、纳氏试剂光度法、紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法和碱性过硫酸钾紫外分光光度法测试；pH、温度和DO含量分别利用PHS-2C型pH计和JPB-607A型溶解氧仪进行监测。应用SPSS软件中单因素方差分析实验中数据，其中在不同时间节点2种滤料中硝化菌和反硝化菌数量的差异性采用Tukey's检验方法。

2结果与讨论

2.1滤料基本理化性质滤料的基本特性见表2。由表2可知，DAS和NUA均有较大的孔隙率和比表面积，其中DAS较NUA比表面积更大，相比更利于废水中污染物的吸附和截流。通过XRF分析得出2种滤料的主要化学成分均为铝、铁、硅、钙、镁、钾、钠、锰等元素（表3），使得其吸附扩散速率较大，吸附点位较多，有利于吸附反应的进行。

2.2硝化菌和反硝化菌数量表4是2种滤料中不同时间节点硝化菌、反硝化菌数量。由表4可知，随着系统的运行，NUA和DAS中硝化菌的数量显著增加。有研究认为，系统运行初期为微生物挂膜阶段，在此期间微生物开始生长繁殖，随着反应的进行氮类营养物在滤料中不断截流，提供了硝化菌繁殖需要的养分，引起硝化菌数量增加[18]。运行初期和40d时，NUA和DAS硝化菌数量无显著性差异；80d时，DAS相比NUA中硝化菌数量显著增加。运行初期，NUA和DAS中硝化菌在适应环境的过程中群落结构和数量不稳定，硝化菌的数量在2种滤料中未呈现显著差异，至80d时，硝化菌相对成熟稳定，DAS较大的孔隙率和比表面积为微生物的生长提供了绝佳的条件，硝化菌易于依附于DAS表面和微孔中，同时DAS装置中较高的DO含量（总出水DO的质量浓度1.86～2.42mg/L）也利于硝化菌生长繁殖。由表4还可知，反硝化菌数量相比硝化菌低1～2个数量级，这是因为作为反硝化作用的底物NO3--N在NUA和DAS装置中含量均较低（出水1和总出水NO3--N的质量浓度分别是0.01～0.07、0.10～0.33mg/L），反硝化菌生长代谢所需的氮源缺失制约了反硝化菌数量的增长。已有研究也有类似的结果。随着系统的运行，NUA中反硝化菌数量显著增加，DAS中反硝化菌数量至80d时显著增加，运行初始和40d时DAS中反硝化菌数量无明显变化。反硝化菌数量在NUA和DAS装置中随着时间显著增加可能与反硝化菌逐渐适应滤料微环境有关，促进了菌群的繁殖，2种滤料相比，反硝化菌能在更短的时间内适应NUA中的微环境。NUA和DAS中反硝化菌数量在40d和80d时出现显著差异，NUA中反硝化菌数量高于DAS中数量。这种现象是由于反硝化菌群在系统内稳定后，NUA装置中NH3-N含量较高，DO含量较低（出水1中DO的质量浓度0.67～1.34mg/L）。有文献报道反硝化菌数量与NH3-N含量呈显著正相关，与DO含量呈显著负相关。NUA装置中较高的NH3-N含量和较低的DO含量利于反硝化菌生长繁殖。

2.3COD去除效果DAS-NUA系统生态滤池对污水中COD去除率如图2所示。由图2可知，NUA装置出水和系统总出水COD去除率在运行16d和12d前增加明显，随着反应的进行COD去除率逐渐提升，运行至60d时COD去除率相对稳定，经NUA装置和系统处理后COD平均去除率分别为52%和79%。该生态滤池对有机物的高效去除是物理、化学以及微生物共同作用的结果，这个过程包括对细小颗粒状、胶质有机物的吸附，有机物的氧化还原和微生物的作用。DAS和NUA发挥作用原因是2种滤料具有较高的孔隙率和比表面积，利于有机污染物通过沉淀和吸附截留在滤料空隙中，同时微生物的硝化反硝化作用，可提高有机物去除效果。系统运行初期10～15d为微生物挂膜阶段，在此期间微生物开始生长繁殖，新陈代谢不稳定[18]。后随着微生物活性的日益旺盛，对有机物的去除效果增加。系统稳定运行后，大部分COD在经过NUA滤料时就被有效去除，NUA装置在COD去除中发挥主要作用，主要是废水先经过NUA大部分COD被去除，后续随着反应的进行，有机物可利用性降低并不断被消耗，DAS对COD的去除贡献率低于前端装置。

2.4NH3-N去除效果DAS-NUA系统生态滤池对污水中NH3-N去除率如图3所示。由图3可知，NH3-N去除率在运行至第4天时提升明显，NUA装置出水和总出水中NH3-N去除率分别达到25%和45%；随着反应时间的推移，NH3-N去除率逐渐上升，后期稳定后出水1和总出水NH3-N平均去除率分别为47%和78%。运行初期，系统NH3-N去除率迅速提升可能与滤料的吸附有关，NUA和DAS表面特征有利于快速吸附污水中的颗粒状污染物使其沉积于表面，被截留的NH3-N再进一步被滤料中的微生物利用。系统运行期间，NH3-N去除率变化可能与滤料中参与硝化反应的硝化菌数量有关[22]。初始NUA和DAS中硝化菌数量较少，随着反应的进行硝化菌种群数量和密度开始增加，硝化反应增强引起NH3-N降解或转化为其它形态，达到对污水中NH3-N高效去除。两装置对NH3-N去除率贡献的差异与进水NH3-N和DO含量有关。NUA进水NH3-N含量较高，可被硝化菌利用的养分充足，后续二次布水为DAS装置补充了氮源，同时DAS装置内较高的DO含量更利于NH3-N在硝化菌作用下通过硝化反应去除，引起污水中NH3-N含量经过DAS装置后进一步降低。

2.5TN去除效果DAS-NUA系统生态滤池对污水中TN去除率如图4所示。由图4可知，TN去除率在0～12d期间提升显著，后续逐渐提升，运行稳定后NUA装置和系统出水TN平均去除率分别是47%和70%。DAS-NUA生态滤池系统中TN的去除需要经过硝化作用和反硝化作用，硝化反应生成的NO3--N被反硝化菌利用通过反硝化作用转化成氮气[23]。随着反应的进行2种滤料中反硝化菌数量逐渐增多，反硝化作用的增强提升了TN的去除。系统运行稳定后，NUA装置对TN去除贡献率较高可能与此滤料中充足的碳源、合适的DO含量和较高的反硝化菌数量有关，NUA装置进水有机物含量较高，为反硝化进行提供了足够的碳源，同时兼氧环境利于滤料中反硝化菌的存活，较多的反硝化菌种群数量促进反硝化脱氮的进行，后续DAS装置中较高的DO含量和较少的反硝化菌数量限制了反硝化脱氮发挥作用，从而引起两装置对TN去除贡献率的差异。

2.6TP去除效果DAS-NUA系统生态滤池对污水中TP去除率如图5所示。由图5可知，运行初期TP去除率显著提升，运行稳定后NUA装置和系统出水TP平均去除率分别是34%和96%。此DAS-NUA生态滤池系统TP的去除主要依靠滤池中滤料的吸附、化学沉淀，如填料中的金属离子（Ca2+、Al3+、Fe3+）的含量等[24-25]。对TP的去除DAS滤池发挥主要作用与其较高的孔隙率和比表面积有关。吴树彪等利用DAS吸附池作为人工湿地出水的处理单元开展了处理农村生活污水的实验，其对TP去除率在79.5%～90.7%。因此DAS较NUA更利于污水中TP的去除。

3结论

DAS-NUA生态滤池对畜禽养殖废水中COD、NH3-N、TN和TP均有较好的去除效果，其中NUA装置对去除COD和TN发挥主要作用，DAS装置对TP去除效果明显，两装置对NH3-N去除贡献率相差不大；此系统对有机物和营养物的高效去除与滤料本身的结构特征、硝化菌和反硝化菌数量的时空变化有关。DAS和NUA以其固有的物理结构和化学特性，具有良好的吸附水体中氮磷等污染物的能力，为资源化利用奠定了基础。为推动2者大规模资源化利用，今后研究中需要进一步关注DAS和NUA作为吸附基质反应过程产生或者本身含有的生物毒性，在确保2者没有任何有毒性或放射性风险之后，才可以在水体或土壤中应用，避免二次污染，同时仍需探究微生物作用机理，从微观角度对其机理进行阐述。

作者：汪龙眠 张毅敏 仇皓雨 单位：环境保护部南京环境科学研究所 河海大学环境学院