由于國家政策的支持和人們對生豬產(chǎn)品需求量的增加, 我國生豬養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展, 規(guī)模不斷擴大; 但伴隨養(yǎng)豬規(guī)�；c集約化迅速發(fā)展的同時, 所產(chǎn)生的豬場廢水更為集中, 廢水日排放量高達數(shù)百萬噸.豬場廢水中富含氮磷、有機物、懸浮物等, 是一種成分十分復雜的高氨氮、高負荷有機廢水, 若該廢水不經(jīng)過妥善處理便排放, 會通過地表徑流污染地表水與地下水, 導致水質(zhì)惡化, 危及周邊生活用水, 嚴重影響人體健康, 因此豬場廢水的有效處理引起了人們的廣泛關(guān)注, 而根據(jù)豬場廢水的水質(zhì)特點, 厭氧生物處理技術(shù)成為首選.但另一個關(guān)鍵性的問題在于, 豬場廢水經(jīng)過厭氧處理后, 其出水仍會殘留較高的氨氮, 不能向環(huán)境直接排放, 需作進一步的處理.這類出水屬于高氨氮、低碳氮比廢水, 其高效脫氮是處理過程中的重點與難點.當前對其主要的處理技術(shù)有SBR與生物接觸氧化等工藝, 但實際處理效果不夠理想.土地滲濾是一種傳統(tǒng)的低成本廢水處理方法, 它充分利用了土地的自凈能力, 具有基建投資低、運行費用少、抗沖擊負荷強、操作管理簡便等優(yōu)點; 特別是在低碳比有機廢水處理中, 具有獨特的優(yōu)勢, 對氨氮具有良好的去除效果.但目前的土地滲濾系統(tǒng)處理的有機負荷較低, 即進水有機物濃度不能過高, 因此如何進一步提高處理效能, 特別是在進水有機污染物濃度較高的情況, 以減少設(shè)施用地, 是現(xiàn)有土地滲濾工藝亟待突破的一個技術(shù)問題.
鑒于此, 筆者設(shè)計了新型生態(tài)高負荷土地快速滲濾系統(tǒng), 以經(jīng)過厭氧反應(yīng)器處理后的豬場廢水為研究對象, 探討了不同水力負荷條件下該土地快速滲濾系統(tǒng)對豬場廢水中COD、氨氮及總氮的去除效果; 同時利用磷脂脂肪酸(PLFA)技術(shù), 分析了生態(tài)高負荷土地快速滲濾系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu); 并利用分光光度法測定了該系統(tǒng)中過氧化氫酶、脲酶以及硝酸鹽還原酶的含量, 旨在為土地滲濾系統(tǒng)處理豬場廢水提供科學的指導.
1 材料與方法1.1 試驗用水
試驗用水取自廣西某養(yǎng)豬場存儲廢水的調(diào)節(jié)池, COD濃度為450~700 mg·L-1, 氨氮濃度為140~220 mg·L-1, 總磷濃度為2.97~7.06 mg·L-1, pH為7.0~8.5.
1.2 試驗裝置與試驗過程
生態(tài)高負荷土地快速滲濾系統(tǒng)如圖 1所示, 該系統(tǒng)為兩級串聯(lián), 主體反應(yīng)器由PVC圓柱制成; 濾床總高度為165 cm, 有效直徑為15 cm, 上方有30 cm的進水空間, 下方有出水口用于收集處理后的廢水; 填料從上至下分別為砂子、碳粉、碎石等, 填料層的有效高度為130 cm.豬場廢水由反應(yīng)器頂部噴灑至濾料表面, 底部出水.采用自然通風, 且在濾床的側(cè)壁上的不同高度設(shè)有取樣口.
圖 1 土地滲濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
該土地快速滲濾系統(tǒng)在室溫下運行, 首先考察了水力負荷為11 cm·d-1(即1 d投配廢水兩次, 每次加水1 L)與22 cm·d-1(即1 d投配廢水兩次, 每次加水2 L)的運行條件下, 該系統(tǒng)對COD、氨氮以及總氮的去除效能.繼而對該系統(tǒng)中的微生物群落以及過氧化氫酶、脲酶、硝酸鹽還原酶的含量進行了分析.
1.3 分析方法
進出水COD采用重鉻酸鉀法測定.氨氮采用納氏試劑分光光度法進行分析.總氮利用雙通道紫外可見分光光度計進行測定.在土地快速滲濾系統(tǒng)上、中、下部取樣口取得填料樣品, 進行PLFA與酶活性的分析; PLFA分析參考SHERLOCK系統(tǒng)所提供的操作手冊, 土地樣品預處理需要經(jīng)過皂化、甲基化以及萃取過程, 而后通過SHERLOCK微生物鑒定系統(tǒng)與安捷倫6890高效氣相色譜儀對其特征脂肪酸進行分析鑒定.脲酶含量的分析, 稱取一定量樣品, 注入1 mL甲苯, 15 min后加10 mL 10%尿素液和20 mL pH 6.7檸檬酸鹽緩沖液; 搖勻混合物后, 培養(yǎng)24 h; 培養(yǎng)結(jié)束后, 吸取濾液3 mL, 注入50 mL容量瓶中, 而后加蒸餾水至20 mL; 再加4 mL苯酚鈉溶液和3 mL次氯酸鈉溶液, 定容, 顯色20 min后, 于波長578 nm處比色, 脲酶活性以24 h后1 g土壤中氨氮的毫克數(shù)表示; 過氧化氫酶含量的測定, 稱取一定量樣品, 置于三角瓶中, 并注入40 mL蒸餾水和5 mL 0.3%過氧化氫溶液, 振蕩20 min, 吸取25 mL濾液, 用0.02 mol·L-1 KMnO4滴定至淡粉紅色終點, 用所消耗的KMnO4來表征過氧化氫酶含量; 硝酸鹽還原酶的含量則通過酚二磺酸比色法進行分析, 即稱取一定量樣品, 置于三角瓶中, 加20 mg CaCO3和1 mL 1% KNO3, 培養(yǎng)24 h, 培養(yǎng)結(jié)束后, 加入50 mL水、1 mL鋁鉀礬溶液, 取20 mL移于瓷皿上蒸干; 加入1 mL酚二磺酸處理10 min, 在420 nm比色分析.
2 結(jié)果與討論2.1 土地快速滲濾系統(tǒng)對有機物的去除效果
水力負荷是單位時間在單位面積上投配的水量, 是土地滲濾系統(tǒng)設(shè)計的主要參數(shù), 水力負荷與占地面積、水力停留時間密切相關(guān), 在實際工程中, 提高水力負荷以降低占地面積, 可大大降低工程造價.因此, 本文首先研究了在水力負荷為11 cm·d-1與22 cm·d-1時, 該土地滲濾系統(tǒng)對COD的去除情況, 結(jié)果如圖 2與圖 3所示.
圖 2 水力負荷為11 cm·d-1時COD的去除情況
圖 3 水力負荷為22 cm·d-1時COD的去除情況
土地滲濾系統(tǒng)對COD的去除是生物機制與非生物機制共同作用的結(jié)果, 在系統(tǒng)運行的初期, 土地中微生物含量較少, 系統(tǒng)對污染物的去除主要依靠填料的吸附和截留作用, 大量的污染物在此階段被土地吸附與截留, 表現(xiàn)為出水的COD濃度較低; 隨著運行時間的增加, 微生物在填料中大量繁殖, 因此在系統(tǒng)運行的后期, 系統(tǒng)對COD的去除主要依靠生物機制, 吸附和截留的污染物開始被分解, 表現(xiàn)為COD去除率穩(wěn)定.由圖 2可知, 在水力負荷為11 cm·d-1、進水COD為700 mg·L-1左右的條件下, 一級土地快速滲濾柱與二級土地快速滲濾柱的出水COD分別為140.0 mg·L-1、50.0 mg·L-1, 最低值僅為21.4 mg·L-1; 同時去除率分別為78.8%與63.0%, 總?cè)コ蔬_到了92.6%, 出水COD滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準(GB 18596-2001)》的要求.同樣由圖 3可知, 當水力負荷增大到22 cm·d-1時, 一級土地滲濾柱與二級土地滲濾柱的出水COD分別為96.4 mg·L-1、56.3 mg·L-1; 同時去除率分別為93.0%與39.3%, 總?cè)コ嗜栽?0.0%以上, 雖然水力負荷增大, 使得COD去除率略有下降, 但仍在90%左右, 因此該系統(tǒng)表現(xiàn)出了對有機物良好的去除能力, 即使在進水COD為700 mg·L-1, 仍表現(xiàn)出了高效的運行效果.
2.2 土地快速滲濾系統(tǒng)對氨氮的去除效果
豬場廢水具有典型的“三高”特征, 即高COD、高氨氮、高懸浮液, 現(xiàn)有處理工藝多針對有機物去除, 而對氨氮去除尚存在一定的技術(shù)經(jīng)濟難度, 進而氨氮成為豬場廢水達標排放的主要限制因素.因此, 本文研究了該土地快速滲濾系統(tǒng)對氨氮的去除情況, 結(jié)果如圖 4與圖 5所示.
圖 4 水力負荷為11 cm·d-1時氨氮的去除情況
圖 5 水力負荷為22 cm·d-1時氨氮的去除情況
土地滲濾系統(tǒng)對廢水中氮的去除機制包括土地吸收、生物脫氮以及氨氮揮發(fā), 其中微生物的氨化、硝化與反硝化作用是土地滲濾系統(tǒng)去除氮元素的主要途徑.由圖 4與圖 5可知, 在水力負荷為11 cm·d-1與22 cm·d-1時, 該土地快速滲濾系統(tǒng)對氨氮總的去除率分別達到了99.2%與99.1%, 出水氨氮僅為1.46 mg·L-1與1.39 mg·L-1, 且運行穩(wěn)定, 表明該系統(tǒng)對于氨氮具有良好的去除效果, 可有效保障豬場廢水的達標排放.
2.3 土地快速滲濾系統(tǒng)對總氮的去除效果
繼而本文分析了在水力負荷為11 cm·d-1與22 cm·d-1時, 該土地快速滲濾系統(tǒng)對總氮的去除情況, 結(jié)果如圖 6所示.
圖 6 水力負荷為11 cm·d-1與22 cm·d-1時總氮的去除情況
由圖 6可知, 在水力負荷為11 cm·d-1與22 cm·d-1時, 該土地快速滲濾系統(tǒng)對總氮總的去除率分別為39.8%與29.9%, 對總氮的效果并不是特別理想, 原因在于在土地滲濾系統(tǒng)中, 表層土地為好氧層, COD的去除主要在這一層完成; 下層土地為反硝化作用發(fā)生的缺氧層, 但隨著沿程有機物的減少, 使得缺乏反硝化作用所需的碳源, 從而造成總氮去除率不高.雖然《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準(GB 18596-2001)》中并沒有對總氮的排放提出具體的要求, 但隨著人們對于環(huán)境保護的加強, 在今后的研究中應(yīng)進一步對該土地快速滲濾系統(tǒng)進行改良, 提高其對總氮的去除效能.
2.4 土地快速滲濾系統(tǒng)中酶含量分析
當前對于土地快速滲濾系統(tǒng)的研究主要集中對污染物的去除效能、水力負荷、系統(tǒng)堵塞問題等方面, 而作為廢水凈化重要參與者的酶卻研究甚少.而酶和微生物的活動密切相關(guān), 各類微生物和酶協(xié)同作用于各種復雜的有機物質(zhì), 將其分解成簡單的化合物, 從而實現(xiàn)對廢水中污染物的去除, 因此本文對水力負荷為22 cm·d-1時, 一級與二級土地快速滲濾系統(tǒng)中的過氧化氫酶、脲酶、硝酸鹽還原酶的含量進行了分析, 如圖 7~9所示.
圖 7 過氧化氫酶的含量分析
圖 8 脲酶的含量分析
圖 9 硝酸鹽還原酶的含量分析
過氧化氫酶是參與土地中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一種重要氧化還原酶, 在一定程度上可以表征土地生物氧化過程的強弱; 更為重要的是可以表征活性微生物量及其對有機物的降解活性.由圖 7可知, 在進豬場廢水前, 一級土地快速滲濾系統(tǒng)上、中、下部的過氧化氫酶含量分別是1.687、0.845、0.318 mL·g-1, 經(jīng)過處理豬場廢水后, 上、中、下部的過氧化氫酶含量分別是1.899、0.990、0.323 mL·g-1, 表明該系統(tǒng)對有機物的去除具有良好的效果, 這與圖 2結(jié)果也是一致的; 并且可以看出, 有機物的去除主要發(fā)生在一級土地快速滲濾系統(tǒng)的上部與中部.同時由圖 7可知, 二級土地快速滲濾系統(tǒng)處理豬場廢水后, 上、中、下部的過氧化氫酶含量分別是0.171、0.387、0.165 mL·g-1, 與一級土地快速滲濾系統(tǒng)相比, 其含量有了很大程度的減少, 表明二級土地快速滲濾系統(tǒng)對于有機物的去除更多的是一個保障與深度處理的作用, 且更多的是去除一些豬場廢水中難于生物降解的有機污染物.
脲酶是一種作用于線性酰胺的C—N鍵的水解酶, 它能夠催化酰胺化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榘? 在有機氮的降解過程中發(fā)揮著重要作用.黃映恩等人研究表明脲酶活性越大, 土地滲濾系統(tǒng)對總氮的去除率越高, 在土地滲濾系統(tǒng)脫氮過程中, 脲酶發(fā)揮了重要作用, 它能促進有機氮向無機氮的轉(zhuǎn)化, 使系統(tǒng)脫氮能力增強.由圖 8可知, 經(jīng)過處理豬場廢水后, 一級土地滲濾系統(tǒng)上、中、下部的脲酶含量分別是0.202、0.465、0.206 mg·g-1, 與處理前相比, 脲酶含量均有一定程度的提升, 并且可知對于廢水中有機氮的轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在滲濾系統(tǒng)的中部, 原因在于氨化細菌相對于降解有機物的異養(yǎng)菌而言, 其生長較為緩慢.同時由圖 8可知, 經(jīng)過處理豬場廢水后, 二級土地滲濾系統(tǒng)上、中、下部的脲酶含量分別是0.152、0.143、0.090 mg·g-1, 表明該系統(tǒng)對于有機氮的轉(zhuǎn)換也發(fā)揮了一定的作用.
通過分析硝酸鹽還原酶可以了解土地滲濾系統(tǒng)解脫氮作用強度, 并且硝酸鹽還原酶活性與出水總氮濃度之間存在著一定的負相關(guān)關(guān)系, 由圖 9可知, 經(jīng)過處理豬場廢水后, 一級土地快速滲濾系統(tǒng)上、中、下部的硝酸鹽還原酶含量分別是1.197、2.925、2.941 mL·g-1, 而二級土地快速滲濾系統(tǒng)上、中、下部的硝酸鹽還原酶含量分別是3.453、3.831、1.971 mL·g-1, 表明對于脫氮作用主要發(fā)生在一級土地快速滲濾系統(tǒng)的中部與下部, 以及二級土地快速滲濾系統(tǒng)的上部與中部, 且二級土地快速滲濾系統(tǒng)所發(fā)揮的作用更為明顯.
2.5 土地快速滲濾系統(tǒng)中微生物群落情況
土地滲濾中微生物的數(shù)量和種類非常豐富, 主要包括細菌、放線菌、真菌等; 而這些微生物群落對于廢水處理過程中有機物的分解, 氮素的轉(zhuǎn)化發(fā)揮著關(guān)鍵作用, 因此對于土地滲濾中微生物的群落分析就顯得尤為重要. PLFA法已發(fā)展了近40年, 成為土地微生物生態(tài)學研究的經(jīng)典方法, 其操作簡便, 研究結(jié)果較為準確、高效且無需分離和培養(yǎng)技術(shù), 可定量描述土地環(huán)境中微生物群體.因此, 本文利用PLFA對該土地快速滲濾系統(tǒng)中上部與下部的微生物群落分布進行了分析, 如圖 10所示.
內(nèi)環(huán)：上部;外環(huán)：下部
圖 10 土地滲濾系統(tǒng)中的微生物群落分布
由圖 10可知, 一級土地快速滲濾系統(tǒng)上部與下部Gram Negative(革蘭氏陰性菌)、Eukaryote(真核生物)、Fungi(真菌)、Gram Positive(革蘭氏陽性菌)、Anaerobe(厭氧菌)所占比例分別為：55.45%與55.87%、8.92%與4.09%、26.24%與27.88%、8.72%與11.11%、0.67%與1.05%, 表明上部與下部的Gram Negative變化并不是非常明顯, 周莉娜等的研究表明高濃度氨氮會使Gram Positive含量下降, 因此該系統(tǒng)上部Gram Positive低于下部; 同時由于上部溶解氧含量較高, 因此上部的Anaerobe含量低于下部.同時由圖 9可知, 二級土地快速滲濾系統(tǒng)上部與下部AM Fungi(叢枝菌真菌)、Gram Negative、Eukaryote、Gram Positive、Anaerobe、Actinomycetes(放線菌)所占比例分別為：0.49%與0.58%、25.25%與41.2%、1.93%與2.58%、67.90%與49.54%、2.13%與3.24%、2.30%與2.86%, Gram Positive的含量發(fā)生了明顯的變化, 降低了18.36%, 主要原因在于亞硝氮和硝氮使Gram Positive的含量下降, 可能是由于亞硝氮和硝氮對某些微生物具有直接的毒性作用, 從而導致這部分微生物直接死亡; 在二級土地快速滲濾系統(tǒng)中AM Fungi與Actinomycetes占有一定的比例, 這類微生物可促進難降解的有機物的降解, 可以對整個土地快速滲濾系統(tǒng)的處理效能起到保障的作用.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 該生態(tài)高負荷土地快速滲濾系統(tǒng)對豬場廢水具有良好的去除效果, 在高有機負荷情況下, COD與氨氮的去除率可以分別達到90%、99%左右, 出水COD與氨氮濃度分別為50 mg·L-1、1.4 mg·L-1左右, 滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準(GB 18596-2001)》的要求.
(2) 對于有機物的去除主要集中在該土地快速滲濾系統(tǒng)一級濾柱的上部與中部, 其過氧化氫酶含量較高; 對于廢水中有機氮的轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在一級土地快速滲濾系統(tǒng)的中部, 同時二級土地快速滲濾系統(tǒng)起到了保障的作用; 而脫氮作用主要發(fā)生在一級土地快速滲濾系統(tǒng)的中部與下部, 以及二級土地快速滲濾系統(tǒng)的上部與中部, 且二級土地快速滲濾系統(tǒng)所發(fā)揮的作用更為明顯.
(3) 該土地快速滲濾系統(tǒng)微生物以Gram Negative與Gram Positive為主, 高濃度的亞硝氮和硝氮使Gram Positive的含量有所下降, AM Fungi與Actinomycetes為去除豬場廢水中的難降解有機物提供了保障.
