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中国环境科学2019,39(9)：3848~3856ChinaEnvironmentalScienceHN-AD菌强化3D-RBC处理养猪废水及微生物特性研究刘向阳1,张千1*,吴恒1,陈旺1,盛小红1,念海明2,肖芃颖1,赵天涛1(1.重庆理工大学化学化工学院,重庆400054；2.重庆川仪环境科技有限公司,重庆401121)摘要：针对现有养猪废水处理工艺中普遍存在的高氨氮(NH4+-N)生物毒性大、工艺流程长、运行成本高和脱氮效果差等问题,采用耐受性强的异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌挂膜启动三维结构生物转盘(3D-RBC)预处理养猪废水,仅需15d就完成了3D-RBC反应器的快速挂膜.采用调节盘片线速度和C/N的方式,仅65d实现了HN-AD菌在反应器中的富集及养猪废水预处理工艺的启动.采用该工艺对实际养猪废水进行处理,结果表明,HN-AD菌剂挂膜的3D-RBC工艺耐受高氨氮性能强,原水中COD、NH4+-N、TN的去除率高达69.8%、87.9%和79.5%,污染物削减效果明显优于传统工艺.采用高通量测序技术研究了功能菌优势化构建过程中微生物群落结构的变化规律,结果表明,生物膜内具有HN-AD功能的优势菌由盐单胞菌属(Halomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)逐渐变为丛毛单胞菌属(Comamonas)、嗜氢菌属(Hydrogenophaga)等,且后者的相对丰度逐渐上升.扫描电子显微镜结果显示,生物膜以丝状菌为骨架,紧密附着在盘片上的生物膜层表面聚集了以杆状和球状为主的微生物,这与生物多样性分析得出的结论较一致.关键词：养猪废水；3D-RBC预处理工艺；HN-AD菌；微生物群落结构中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)09-3848-09Studyontreatmentofrawswinewastewaterbyenhanced3D-RBCwithHN-ADbacteriaanditsmicrobialcharacteristics.LIUXiang-yang1,ZHANGQian1*,WUHeng1,CHENWang1,SHENGXiao-hong1,NIANHai-ming2,XIAOPeng-ying1,ZHAOTian-tao1(1.ChongqingUniversityofTechnologySchoolofChemistryandChemicalEngineering,Chongqing40054,China；2.ChongqingChuanyiEnvironmentalTechnologyCo.,Ltd,Chongqing401121,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(9)：3848~3856Abstract：Aimingattheproblemsofhighammonianitrogenbio-toxicity,complexprocess,highcostandpoornitrogenremovalinthecurrentlyavailableprocessforthetreatmentofrawswinewastewaterfromintensivelivestockfarms,athree-dimensionalstructurerotatingbiologicalcontactor(3D-RBC)usingheterotrophicnitrification-aerobicdenitrification(HN-AD)functionalbacteriaasthemicrobialinoculants,wasproposedforthetreatmentofrawswinewastewater.Therapidbiofilmculturinginthe3D-RBCreactorwasachievedinonly15daysbyusingHN-ADbacteriaagentasthemicrobialinoculants.BycontrollinglinearvelocityoftherotatingdiscandchangingtheinfluentC/N,theenrichmentofthedominantHN-ADbacteriainthereactorandthestart-upofthepretreatmentprocesswerecompletedin65days.Therawswinewastewaterwasthentreatedbythisprocess.DuetothestrongtoleranceofhighammonianitrogenoftheHN-ADbacteria,theremovalefficiencyofCOD,NH4+-NandTNwas69.8%,87.9%and79.5%,respectively,indicatingsignificantreductionofthepollutantsintherawwastewater.Thehigh-throughputsequencingtechnologywasusedtostudythechangesofmicrobialcommunitystructureduringthesuperiorityconstructionprocessofthefunctionalbacteria.Theresultsshowedthat,thedominantHN-ADbacteriawithinthebiofilmgraduallychangedfromHalomonasandAcinetobactertoComamonasandHydrogenophaga,andtherelativeabundanceofwhichincreasesobviously.TheSEMresultsfurtherconfirmedtheenrichmentoffunctionalmicroorganisms,thebiofilmusesFilamentousbacteriaastheskeletonandthesurfaceofthebiofilmlayertightlyattachedtothefillerwasenrichedinrod-likeandglobularbacteria,whichwasinconsistentwiththeresultsofthebiodiversityanalysis.Keywords：rawswinewastewater；3D-RBCpretreatmentprocess;HN-ADagent；microbialcommunitystructure当前,畜禽养殖污染已经成为农业面源污染的主要来源[1].其中,养猪废水属于悬浮物、有机污染物和氨氮“三高”的有机废水[2],由于其处理成本高,处理难度大,大量未经处理的养猪废水直接排放,对农村生态和环境造成严重破坏[3-4].如何高效处理该类废水,已成为制约畜禽养殖产业发展的瓶颈.对于规模化养猪废水,目前国内外采用的主要处理工艺主要是厌氧-自然处理联合或厌氧-好氧联合工艺[5-7],养殖废水经过厌氧发酵处理后,虽然大部分COD被去除,但氨氮只是形态发生变化,浓度仍然很高,造成了低碳、高氨氮沼液的产生,导致C/N严重失调,脱氮效果差[8-9].传统脱氮工艺处理沼液时,由于高氨收稿日期：2019-02-10基金项目：国家自然科学基金项目(51708077);重庆市社会事业与民生保障科技创新专项(cstc2018jscx-msybX0134);重庆市技术创新与应用示范(资助项目)(cstc2018jscx-mszd0600)*责任作者,博士,zhangqianswu2005@163.com9期刘向阳等：HN-AD菌强化3D-RBC处理养猪废水及微生物特性研究3849氮对微生物的毒害作用,使得传统脱氮微生物生长及活性受到抑制.同时,沼液碳源不足,造成反硝化过程受阻,最终导致工艺流程复杂、处理成本高和脱氮效果差等系列问题.鉴于此,本研究基于异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)脱氮原理提出了一种新型的养猪废水预处理工艺.该新型工艺以具有高效HN-AD性能的功能菌为接种菌剂,借助生物膜反应器内载体的吸附实现菌剂的固定,借助自然接触复氧的方式获得好氧环境,通过反应器结构和运行条件优化,最终以生物膜的形式实现HN-AD菌的富集,形成好氧生物膜脱氮工艺.和传统组合工艺相比[9],该工艺具有耐高COD(10000mg/L)、耐高NH4+-N(800mg/L)以及NH4+-N和TN去除效率高等优势,直接在好氧条件下就能实现畜禽养殖废水原水中有机物和NH4+-N浓度的大幅削减,同时原水中残留有机物的可生化性能也未发生改变,缩短工艺流程的同时为后续工艺的稳定高效运行创造了有利条件.采用菌剂挂膜的方式结合三维结构生物转盘(3D-RBC)的巨大比表面积可显著缩短启动时间,并且有利于HN-AD菌的优势化构建.此外,生物转盘在低功率电机带动下就可以实现反应器内的好氧环境,显著降低了工艺的运行成本.近年来,国内外对畜禽养殖废水厌氧预处理的研究较多,而采用好氧生物膜反应器预处理养殖废水的研究则鲜有报道.因此,本研究以课题组前期获得的HN-AD菌接种并挂膜启动3D-RBC反应器,重点考察了3D-RBC预处理工艺的启动运行情况及其对养猪废水原水的预处理效果.在上述研究基础上,采用扫描电镜(SEM)观察分析了生物膜表面的微观形态,并结合IlluminaMiSeq测序技术,分析预处理工艺启动阶段生物膜中微生物多样性的变化规律,以期为畜禽养殖废水处理提供新的工艺解决策略和微生物理论基础.1材料与方法1.1预处理工艺实验装置预处理工艺的实验装置及系统流程如图1所示.生物转盘反应器所用盘片[10-11]由重庆川仪环境科技有限公司提供,材质为改性PP,盘片设计为三维结构可提高生物膜附着力且有利于气水流通.池体由厚度为5mm的有机玻璃制成五边形凹槽,有效容积为2.4L,启动前直接向反应器中接种HN-AD菌,同时添加营养物质以供菌剂生长.转轴串联带动4级表面凸起的三维结构盘片,其中,第一级、第二级和第三极、第四级盘片分别定义为生物转盘的前端、中端、后端.盘片浸没率为40%,每级盘片厚度为7cm,各级盘片间相距2cm,盘片直径为14cm,盘片用低速电机驱动.图1HN-AD菌强化3D-RBC预处理高氨氮养猪废水系统图Fig.1HN-ADenhanced3D-RBCpretreatmentofhighammonianitrogenpigwastewatersystem1.2HN-AD菌HN-AD菌由课题组前期从养猪废水环境样品中活化传代培养、分离、筛选得到.所述菌剂由贪铜菌SWA1(Cupriavidussp.SWA1)、粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis)、不动杆菌(Acinetobacter)和苍白杆菌TAC-2(Ochrobactrumsp.TAC-2)等复配而成.该菌剂具有耐高NH4+-N、耐高COD、生长周期短和易于培养等性能,并在性能验证实验中证3850中国环境科学39卷实了NH4+-N和TN的去除分别由异养硝化和好氧反硝化完成,表明该菌剂具有异养硝化-好氧反硝化功能.1.3实验用水实验用水为人工配水和真实养猪废水原水.序批式挂膜启动阶段,为人工配制的模拟养猪废水,COD浓度为2500~8000mg/L,NH4+-N浓度为500(±50)mg/L.其COD:TN=(5~15):1,以无水乙酸钠为碳源,以硫酸铵为氮源,以磷酸氢二钾为磷源,同时添加微量元素以保证菌液的正常生长,其中微量元素成分为MgSO4·7H2O2g/L,MnSO4·H2O0.1g/L,CaCl21.5g/L,FeSO4·7H2O0.1g/L;系统稳定运行后,连续流处理真实养猪废水原水(取自重庆市巴南区某