AGSBR处理养猪场废水的效能及同步去除抗生素的机制研究

发布时间：2020-04-22 14:28

【摘要】：目前,我国经济增长速度快,生活水平日益提高,人们对畜禽产品的需求量也逐渐增加,大规模的畜禽养殖产生大量的畜禽养殖废水。该废水含化学需氧量(COD)、氨氮(NH_4~+-N)、总磷(TP)浓度高且存在抗生素类污染物,排入受纳水体将对生态环境和人类健康带来潜在危害。现有处理工艺对常规有机物有较好的去除效果,而氨氮、磷以及抗生素的去除尚存在较大难度。针对该类废水中抗生素类有机物去除难等问题,开发高效、经济的水处理技术势在必行。本研究提出好氧颗粒污泥(AGS)结合序批式反应器(SBR)形成AGSBR处理该类废水。考察AGSBR的除污效果以及AGS性能,重点对AGS去除四环素(TC)和土霉素(OTC)的机制展开深入研究。研究比较膜生物反应器(MBR)和SBR两种反应器同时培养AGS效果,结果表明SBR中获得AGS的时间更短、形态更佳、沉降性能更优。因此,确定在SBR中分别接种冷冻储存的颗粒污泥和普通活性污泥以驯化培养成熟的AGS。运行至22天,以冷冻颗粒污泥培养形成的AGS结构致密,边缘光滑,其混合液悬浮固体浓度(MLSS)值超过8 g/L,污泥体积指数(SVI)值达到37mL/g。此时COD、NH_4~+-N和TP的去除率均超过90%。以活性污泥接种的反应器运行至54天,得到形态良好的AGS,与前者相比,其污泥性能和除污效能均较低。结果表明以冷冻储存颗粒污泥作为接种污泥可快速启动AGSBR。进一步优化AGSBR参数,以达到高效处理畜禽养殖废水的目的。当剪切力为1.86 cm/s,AGSBR对COD、NH_4~+-N和TP的去除率分别为94.0%、79.0%和90.0%。在此条件下可获得形貌和性能均最佳的AGS,其MLSS值和SVI值分别达到6.0 g/L和35.0 mL/g。在不同进水C/N比条件下优化AGSBR,此时进水污染物浓度高于剪切力为1.86 cm/s时的浓度,当C/N比为8时形成具有较好形态和性能的AGS,其MLSS值和SVI值分别达到6.0 g/L和55.3 mL/g,COD、NH_4~+-N和TP的去除率分别为96.0%、88.0%和75.0%。此时氮、磷去除效果较差,因此,在不同水力停留时间(HRT)下进一步优化AGSBR。当HRT为4 h时,AGS对废水有较好的适应性,AGSBR对COD、NH_4~+-N和TP的去除率分别为96.0%、93.2%和89.3%,污染物出水浓度均达到《畜禽养殖业污染物排放标准》。此时得到的AGS,其沉降性能良好,MLSS值与SVI值分别为8g/L和44.5 mL/g。采用优化好的条件参数,应用AGSBR处理模拟以及实际养猪场废水,考察其处理效能和运行稳定性。结果表明,AGSBR在处理模拟废水过程中运行稳定,但含TC和OTC两个反应器中AGS的生物量有较大差异,MLSS分别为5.8 g/L和8.6 g/L,而对污染物的去除效果差异不大,COD、NH_4~+-N、TP去除率均达到98%、87%、98%以上,TC和OTC的去除率分别是90%和89%。结果表明,两个反应器中微生物在门和纲水平上具有抗药性的微生物分别为Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria以及β-proteobacteria、α-Proteobacteria、Actinobacteria,而在属水平上为Comamonas、Ottowia、Fluviicola。此外,分别以甲醇、淀粉以及蔗糖为补充碳源,应用AGSBR处理养猪场实际废水,结果表明以蔗糖为补充碳源时AGSBR处理效果最好,COD、NH_4~+-N、TP的去除率分别为96.83%、81.14%、97.37%,出水浓度均低于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596-2001)的限值。TC和OTC的去除率分别是81.4%和80.7%。其中AGS形态良好,MLSS值和SVI值分别为12.65 g/L和29.23 mL/g。深入研究了AGS对两种目标物TC和OTC的吸附和降解动力学,以解析其去除机制。结果表明,AGS对TC和OTC的去除过程中,前期以吸附为主,后期以降解为主。药物驯化前的AGS对目标物的吸附作用占总去除量的最高贡献比为0.70和0.72,而驯化后的AGS对目标物的降解作用占总去除量的最高贡献比为0.88和0.72。当污泥浓度为15 g/L和10 g/L时,AGS对目标物的去除效果最佳,这与微生物之间的竞争关系有关。此外,AGS对TC和OTC有一定矿化度,其总有机碳(TOC)的去除率分别为71.8%与70.9%。检测TC和OTC的中间产物,结果发现22种TC中间产物,13种OTC中间产物,并以此推测分析了二者的降解途径。最后,利用宏基因组检测技术分析AGS降解TC和OTC过程中的功能菌、功能基因以及代谢通路的差异,揭示AGS降解目标污染物的作用机制。AGS降解TC过程,存在显著差异的微生物(P0.05)包括Sphingopyxis、Ruminococcus、Fluviicola等,而降解OTC过程存在的显著差异微生物包括Leclercia、Haloferula、Sphingopyxis等。多糖裂解酶、氧化还原酶、糖基转移酶在OTC降解过程中起到脱氢、氧化以及糖基化的作用。结果表明AGS中微生物降解TC和OTC过程中即有相同代谢通路也有各自的特殊代谢通路,而且在相同代谢通路中发挥作用的酶也有差异。其中萘1,2-二加氧酶对TC和OTC的芳香族中间产物的降解起到关键作用,醇脱氢酶在TC降解过程中对其脂肪醇、芳香醇中间产物与相应醛酮类之间的转化起到重要作用,醛还原酶对OTC降解过程中醛类产物转化为醇类产物起到重要作用。本文研究成果将对AGSBR处理实际畜禽养殖废水具有重要的理论参考和指导意义。
【图文】：

原理图,曝气,高位水箱,抽吸泵

2.2.1 反应装置本实验第一阶段采用两种反应器进行研究，分别为 MBR 和 SBR，二者的结构和原理图分别如图 2-1 和图 2-2 所示。MBR 反应器的有效容积为 628 mL，反应器底部设置曝气头，由空气泵提供曝气。通过配水箱中的潜水泵将进水打入高位水箱，进水进入高位水箱后利用重力作用流入恒位水箱，之后经恒位水箱进入 MBR，出水由蠕动泵抽吸，同时由另一台蠕动泵控制反洗。该过程中选择的膜组件为聚氯乙烯 (PolyvinyChloride，PVC) 束状中空纤维膜，其膜面积为 0.1m2，膜孔径和膜通量分别为0.01μm 和 10 L/(m2·h)。SBR 反应器的直径为 40 mm，，有效高度为 500 mm，有效容积为 628 mL，换水率为 50%。曝气量由空气流量计控制，反应器底部有砂芯曝气头，进水由蠕动泵打入反应器，采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）分别控制蠕动泵、电磁阀(2W 系列)和电磁式空压机(ACO-002)，实现进出水和曝气等过程的自动控制。实验第二、三、四、五阶段采用 2~5 个 SBR 反应器并联平行运行，反应器结构和尺寸与第一阶段中 SBR 反应器相同。

排水箱,微电脑,气体流量计,蠕动泵

2 SBR 装置示意图（1 充气泵，2 微电脑失控开关，3 气体流量计，4 曝气磁阀，6 蠕动泵，7 排水箱，8 进水箱）2-2 Schematic diagram of SBR device ( 1 Air pump, 2 Programmable logic cont flowmeter, 4 Aerator, 5 Solenoid valve, 6 Peristaltic pump, 7 Intake tank, 8 Out 运行条件实验第一阶段中 MBR 反应器使用的运行方式为连续流，处理量为为 4 h。MBR 底部设有排泥口，相应污泥停留时间（SRT）为 14 水比为 27:1(V:V)。反冲水为其自身处理后的回用水，MBR 每处理 1就对膜进行一次时长为 2min 的反冲洗，其流速是出水流速的 1.5 倍 3 L/d。SBR 反应器每天运行 10 个周期，每周期 2.4 h，进水 6 miin，气体流量为 0.2~0.3 m3/L，沉淀 1 min，排水 4 min。两个反应荷 Nv 均为 4.78 kg(COD)/(m3·d)。MBR 和 SBR 反应器（分别记为 M性污泥为接种污泥，启动和运行过程共经历 60 天。实验进水一致，水。实验第二阶段为 AGSBR 快速启动研究过程，该实验过程中反应装
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X713

【参考文献】