近年来, 我国奶牛养殖从奶农散养向规模化、现代化、集约化和标准化发展的转型升级加快, 使得我国奶牛养殖业得以蓬勃发展。据不完全统计, 截至2012年, 我国年存栏数在500头以上的规模化奶牛场已达3 585个, 其中, 存栏1 000头以上的牧场占35%^[1]。在奶牛养殖业快速发展的同时, 会产生大量的粪污, 包括奶牛粪和综合废水(牛尿、挤奶厅废水、冲洗水、降温水等混合物)等, 平均每头每天产生的粪污大约为60 kg, 其中新鲜牛粪约30 kg^[2-3]。一个存栏2 000头的规模化奶牛场, 每天将产生约60 t含水率87%左右的鲜牛粪和60 t综合废水^[3]。这些粪污具有高有机负荷、高悬浮固体(SS)、高氨氮的特征。由于我国绝大多数规模化奶牛场周边可有效消纳粪污的农地面积严重不足, 其粪污成为周边环境的重要污染源, 因此产生的环境污染事件和社会群体事件常见报道^[4]。为便于奶牛场新鲜粪污的后续处理和资源化(如养殖蚯蚓和高温发酵制有机肥等), 固液分离是近年来多数牧场采用的重要措施^[5]。然而固液分离后所产生的“浓浆水”, 其本身高化学需氧量(COD)和SS的含量均可高达60 000 mg·L^-1以上, 这些浓浆水连同综合废水, 按传统的厌氧产沼—好氧生化处理模式不但时间长(常在15 d以上), 而且处理出水仍很难达标, 色度也较深。究其原因, 是进入传统的厌氧消化器的废水SS和惰性COD过高以及水力停留时间(HRT)较短(多数在5 d左右)所致。因此, 研发一种高效去除SS后再经生化处理的粪污废水快捷处理方法具有实际应用意义。

本课题组曾分离到1株高效产生物絮凝剂的芽孢杆菌Bacillus velezensis F7, 发现该菌发酵液对颗粒物的絮凝聚沉性能优越^[6]。与传统的无机絮凝剂和有机合成高分子絮凝剂不同, 生物絮凝剂具有安全、高效、廉价、无毒、易降解和无二次污染等特点, 其还是典型的环境友好型功能材料, 适应当代可持续发展的理念, 对人体健康和环境保护都有很重要的现实意义。封培^[6]研究发现芽孢杆菌B.velezensis F7与肺炎克雷伯氏菌Klebsiella pneumoniae Fl的菌发酵液絮凝性能非常接近, 并比较了K.pneumoniae Fl产生的生物絮凝剂与聚丙烯酰胺、聚合氯化铝等化学絮凝剂对长江原水浊度的处理效果, 研究结果发现K.pneumoniae Fl产生的生物絮凝剂具有用量更少(40 mg·L^-1)、适应性广(pH1~10)和在0~45 ℃温度等条件下都有较好的处理效果的特点, 并且对搅拌程序无特殊要求。B.velezensis F7在培养12 h后开始进入指数生长期且开始产生絮凝剂, 但其指数生长期持续时间较长, 直至48 h后才进入菌体生长的平稳期, 此时所产絮凝剂量也最多并趋于稳定。此外, 研究发现好氧颗粒污泥在序批式活性污泥法(SBR)系统中对废水处理效果好^[7-8]。结合本课题组在过去18年来采用微生物法对市政污泥(与试验奶牛场浓浆水性质相似)调理和机械脱水的经验^[9-10], 尝试采用摇瓶试验和中试试验, 研究微生物絮凝聚沉后采用机械压滤除渣(以下简称“生物聚沉除渣”), 清澈压滤水再经过以好氧颗粒污泥为主要工作菌的SBR反应器的处理(以下简称“生物氧化”)效果, 为奶牛场粪污高效快速处理提供一种新方法。

供试奶牛场粪污采自江苏省南京卫岗乳业有限公司第一牧场, 为奶牛场收集的粪污经过固液分离后所产生的浓浆水, 其基本理化性质:pH7.65, SS、COD、总氮(TN)、NH₃-N和总磷(TP)的含量分别为69 500、91 470、5 125、957和129 mg·L^-1。

生物聚沉接种物的制备:将本实验室分离得到的1株高效产生物絮凝剂的芽孢杆菌B.velezensis F7接种到100 mL液体培养基(葡萄糖20.0 g, 蛋白胨0.5 g, 酵母膏0.5 g, (NH₄)₂SO₄ 0.2 g, K₂HPO₄ 5.0 g, KH₂PO₄ 2.0 g, MgSO₄ 0.2 g, NaCl 0.1 g, H₂O 1 000 mL, 115 ℃、30 min灭菌)中, 置于28 ℃、180 r·min^-1往复式摇床中振荡培养, 每12 h对菌株生长量和发酵培养基对高岭土悬浊液的絮凝活性进行测定^[6]。待发酵培养基对高岭土悬浊液的絮凝活性或菌株生长量达最大时(大约48 h), 分别从发酵培养基中吸取1~100 mL新鲜的液体培养基中, 相同条件下培养, 直至培养基的絮凝活性达最大为止, 再重复上述步骤1次, 从而获得加富和扩大培养的菌种, 此时培养基中微生物密度达到约10⁸ mL^-1, 保存备用。

先将供试粪污稀释至SS为35 000 mg·L^-1(以下简称“稀释粪污”)。因为原始粪污含固率高达6.95%, 试验处理时产生大量的气泡, 不利于操作, 难以实际推广, 而稀释1倍之后试验处理时产生少量的气泡, 不影响正常操作, 且可用最后处理出水完成高浓度粪污稀释作业, 对今后的推广操作没有影响, 所以进行稀释1倍之后再进行相应处理。分别在一系列250 mL三角瓶中加入50 mL稀释粪污, 设置加入不同体积营养液(质量浓度为63 g·L^-1, 按培养基组成配置并添加Ca、Fe等元素)的5个处理:Ⅰ为原稀释粪污(50 mL), Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别为在50 mL稀释粪污中添加5、4、3、2 mL营养液, 其中处理Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别补充5、1、2和3 mL超纯水, 使各三角瓶总体积完全一致。然后, 各处理按所加入的稀释粪污体积的15%接种B.velezensis F7菌液, 每处理3个重复。将上述三角瓶置于28 ℃、180 r·min^-1的往复式摇床中振荡培养, 24 h后分别取出50 mL测定稀释粪污聚沉后脱水效果, 以比阻γ为衡量指标。

根据生物聚沉摇瓶试验结果选择稀释粪污最佳试验条件, 采用总容积为20 L的生物聚沉反应器(内径为26 cm, 总高度为38 cm圆柱体, 配备曝气系统)进行多批次中试研究。向反应器中倒入11.4 L稀释粪污, 加入1.6 L接种物及1 L营养液。启动曝气系统, 反应时间控制为24 h。结束后用气动隔膜泵抽取经处理后的14 L粪污至试验用隔膜厢式压滤机(型号:XMG10/800-UK, 过滤面积为0.5 m², 进泥压力、压榨压力均为0.4~0.6 MPa, 进泥时间为30 min, 保压时间为15 min)进行压滤脱水除渣。记录每进1 L粪污所需要的时间, 并计算进泥速度; 观察压滤液的颜色并取样测定压滤出水水质(色度、pH、COD、NH₃-N、TN和TP)和粪饼的含水率、有机质等指标。同时以原始稀释粪污指标作为对照进行比较^[11]。

SBR反应器为15 L圆柱形敞口塑料桶(内径为22 cm, 高度为40 cm), 内配备曝气装置。SBR反应器运行参数如下:反应体系体积为10 L, 反应器在温度(25±5)℃条件下运行, 反应器排水比70%~75%, 循环周期12 h, 水力停留时间(HRT)为16~17.1 h, 进水时间5 min, 曝气时间11.5 h, 沉淀时间10 min, 排水时间15 min, 曝气量0.4 m³·h^-1。反应器接种污泥取自无锡市排水公司太湖新城污水处理厂曝气池中, 接种前, 连续曝气48 h以活化。反应器进水使用生物聚沉除渣后的压滤水, 反应器中污泥在40 d左右出现细小颗粒, 以此作为本试验好氧颗粒污泥。测定出水的色度、COD、SS、NH₃-N、TN和TP等指标。

粪污比阻γ的测定采用布氏滤斗——真空抽滤法^[12-13]; 粪污的pH值采用8208型笔式pH计(上海康仪)测定; 采用600 ℃灼烧法和105 ℃烘干法分别测定粪污的有机质和含水率; 采用倍数稀释法测定滤液色度^[14-15]; COD和TP的测定分别采用重铬酸钾法和钼酸铵分光光度法^[16]; 采用蒸馏法^[17]测定TN及NH₃-N含量。

污泥比阻是用来评价浓缩污泥脱水能力的一个重要参数^[18]。污泥比阻越小, 污泥脱水性能越好^[19]。一般认为:比阻在10×10¹² m·kg^-1以上的污泥为难脱水类别污泥, 比阻在(4.0~10)×10¹² m·kg^-1的污泥为中等脱水类别污泥, 比阻小于4.0×10¹² m·kg^-1的污泥为容易脱水类别污泥^[20-21]。浓缩污泥是一种含固率2%~5%(相应含水率为95%~98%)外观呈泥浆状的有机固体废物。供试稀释粪污含固率及其外观与常规浓缩污泥非常相似, 因此采用测定比阻的方法, 可衡量其通过后续机械压滤除渣的性能。从图 1可知:经过24 h生物反应后各处理比阻都大幅度下降, 并随着营养液加入量的增加比阻的下降幅度加大, 其中当营养液加入量为5 mL(比阻平均值0.53×10¹² m·kg^-1)和4 mL(比阻平均值0.73×10¹² m·kg^-1)时的比阻都处于容易脱水类别内, 但考虑到经济上的问题, 本试验选择营养液加入量为4 mL(营养液干物质量约占粪污干物质质量的14%)作为后面中试压滤脱水试验的最佳投加量。此时, 生物聚沉反应24 h后粪污比阻从9.8×10¹³ m·kg^-1下降到0.73×10¹² m·kg^-1, 降低了99.26%。其原因可能是由于微生物产生的絮凝剂通过吸附桥联作用、电荷中和作用和卷扫作用使稀释粪污中的颗粒和胶体物质发生聚合而沉淀, 此外外源添加的Mg、Ca、Fe等营养元素也可作为助凝剂, 对有机颗粒物有絮凝作用。

图 1 奶牛场稀释粪污添加不同量营养液的生物聚沉反应对粪污比阻γ的影响 Figure 1 The effects of specific resistance to filtration(SRF)of cattle slurry during biological coagulation reaction with the addition of different dosage of nutrient agents Ⅰ为原稀释粪污, Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别为在稀释粪污中添加5、4、3、2 mL营养液的处理。 Ⅰrefers to diluting slurry treatment; Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ refer to the treatments with diluting slurry containing 5, 4, 3, 2 mL nutrient agents, respectively.

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本次中试压滤脱水试验是在实验室研究基础上, 在最佳条件下(营养剂加入量占粪污干物质质量的14%)进行规模为14 L的多批次中试研究, 并通过试验用隔膜厢式压滤机压滤脱水, 以进一步验证试验结果。

试验用隔膜厢式压滤机主要由机架部分(由止推板、压紧板、机座主梁等连接组成)、过滤部分(由滤板和滤布组成)、液压油缸(用于推动压紧板)和手动液压站(为油缸提供液体压力)等组成。厢式压滤机用于固体和液体的分离。与其他固液分离设备相比, 压滤机过滤后的泥饼有更高的含固率、优良的分离效果以及很高的固体颗粒回收率。滤板两侧凹进, 每两块滤板组合成一厢形滤室, 滤板的表面有沟槽, 其凸出部位用以支撑滤布。滤板的厢式边角上有通孔, 组装后构成完整的通道, 能通入洗涤水、悬浮液和引出滤液。滤板两侧各有把手支托在机座主梁上, 由压紧装置压紧滤板和滤布。滤板与滤板之间的滤布起密封垫片的作用。过滤开始时, 由气动隔膜泵将粪污经空压机产生的压力压入滤室, 压滤液流经过滤介质(滤布), 在滤布上形成滤渣, 并逐渐在滤布上堆积形成过滤泥饼直至充满滤室。而滤液部分则渗透过滤布, 成为不含固体的清液, 并沿滤板沟槽流至厢式边角通道, 集中排出。

图 2和图 3分别列出了奶牛场稀释粪污在最佳条件下压滤脱水时粪污进入脱水机时的情况及其泥饼含水率和有机质的变化情况, 并以原始稀释粪污(未经生物聚沉反应)直接压滤作为对照进行比较。从图 2可以看出:原始稀释粪污直接压滤的进粪污量很少, 而且速度很慢, 30 min才进了4 L; 而经过生物聚沉处理之后, 进粪污量大幅度增多, 速度也大幅度提升, 20 min左右就进完了14 L, 这与之前摇瓶试验的结果一致。生物聚沉处理粪污后能够明显改善粪污的脱水性能, 经过生物处理后粪污通过隔膜厢式压滤机的进粪污量大幅升高, 验证了生物聚沉除渣工艺用于处理奶牛场粪污是可行的。

	图 2 生物聚沉前、后压滤机进粪污的情况 Figure 2 The volume of slurry pumping into the chamber filter press before and after biological coagulation
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	图 3 生物聚沉前、后粪污含水率和有机质的变化 Figure 3 The change of moisture content and organic matter of dewatered slurry cake before and after biological coagulation
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从图 3可知:未经生物处理的原始稀释粪污压滤脱水效果很差, 表现为几乎不成粪饼, 打开滤板后成糊状黏贴在滤布上, 其压滤粪饼含水率仍高达94.95%, 与原始稀释粪污含水率相比, 只降低了1.55%。而经生物聚沉反应处理后, 污泥脱水效果明显好转, 压滤粪饼含水率下降到60.90%左右, 与原始稀释粪污压滤粪饼相比, 其粪污粪饼体积减少了87.09%, 达到了粪污明显减量化的目的。从图中还可以看出, 经过生物处理之后的粪饼的有机质与原始粪污相比, 稍微有小幅度的降低, 但未达到统计上的显著差异。因此, 奶牛场粪污经过生物聚沉反应处理后, 粪污明显减量化, 而且粪污粪饼干基有机质含量几乎不损失, 有利于后续资源化利用(如堆肥等)。

生物聚沉反应完成后的粪污经过隔膜厢式压滤机进行压滤, 其水质指标的变化情况如表 1。从表 1可看出:经过生物聚沉除渣处理后, 出水中COD、SS、TN和TP的含量都大幅度降低, 分别从原始粪污的91 470、69 500、5 125和129 mg·L^-1降低到1 776、＜10、262和1.89 mg·L^-1, 去除率分别为98.06%、99.98%、94.89%和98.53%;NH₃-N含量也有所降低, 但去除率不高, 只有75.34%。经过第一步的生物聚沉除渣处理后, TP和SS达到《畜禽养殖业污染物排放标准:GB 18596—2001》。出水外观呈清澈略带黄色。

好氧颗粒污泥用于SBR反应器能很好地发挥其本身的功能, 本课题组研究发现颗粒污泥具有非常好地沉降性, 使颗粒化SBR反应器具有持留高生物量以及较高的去除效率和运行稳定性等性能。相对于絮状活性污泥, 颗粒化污泥有机质组分含量较高, 微生物活性也较高^[7]。SBR反应器运行性能相对稳定期间, 培养出来的好氧颗粒污泥轮廓明显, 粒径主要集中在0.25~0.75 mm之间, 显微镜下颗粒十分紧实, 反应器内菌密度(用MLSS表示)为7 000 mg·L^-1, 污泥膨胀指数SVI保持在30~40 mL·g^-1, COD进水负荷为1.72~1.84 kg·m^-3·d^-1。好氧颗粒污泥的密度为1.006 8~1.048 0 g·cm^-3, 沉降速度为30~70 m·h^-1。利用好氧颗粒污泥对第一步的生物聚沉除渣压滤水进行SBR法处理12 h, 其结果列于表 1。从表 1可看出:SBR出水水质指标除了NH₃-N含量不达标外, 其他都已达到《畜禽养殖业污染物排放标准:GB 18596—2001》, 且排水外观完全无色无味。延长SBR运行时间及1个周期内的曝气时间和沉淀时间, 以增加NH₃-N的硝化反硝化时间, 提高污水中总氮和氨氮的去除率, 可使出水中NH₃-N等各项指标达到《畜禽养殖业污染物排放标准:GB 18596—2001》。关于本次试验涉及到的SBR处理生物聚沉除渣压滤水过程中氮的去除率的影响因素, 如SBR运行时间、曝气量和曝气时间、沉淀时间、C/N等研究, 将另文详细展开。SBR生物氧化处理后的出水可用于奶牛场自身牛舍冲洗用水、原始粪污稀释用水和绿化用水等, 以实现零外排。

奶牛场粪污尤其是其固液分离后的浓浆水SS和COD等含量高达70 000 mg·L^-1以上, 常规厌氧产沼—好氧生化处理时间长(10 d以上)且难以达标。采用以高效产生物絮凝剂的微生物为主要工作菌结合隔膜厢式压滤机脱水除渣工艺(即生物聚沉除渣), 可一步将粪污SS含量降低到10 mg·L^-1以内, TP含量也一步达标。外观为清澈透明色度低的压滤水, 进一步经过以好氧颗粒污泥为主要工作菌的SBR反应器处理12 h, 水质基本达标(NH₃-N含量除外), 整个处理时间仅1.5 d。SBR出水可用于奶牛场自身牛舍冲洗用水、原始粪污稀释用水和绿化用水等, 可实现零外排。生物聚沉氧化法是一种值得尝试的奶牛场粪污快捷处理的新方法。

本研究中, 采用摇瓶试验和中试试验, 研究微生物絮凝聚沉后采用机械压滤除渣, 清澈压滤水再经过以好氧颗粒污泥为主要工作菌的SBR反应器的处理的效果。摇瓶试验只是在不同营养液和按所加入的稀释粪污体积的15%接种B.velezensis F7菌液的情况下研究奶牛场粪污的脱水性能, 效果都比较好, 在以后的研究中可以减少接种B.velezensis F7菌液的量, 以期降低处理成本。生物聚沉中试试验可使SS和TP一步达标, COD和TN的去除率也很高, 可是NH₃-N的去除并不是很理想, 延长SBR运行时间及1个周期内的曝气时间和沉淀时间, 以增加氮的硝化反硝化时间, 提高污水中总氮和氨氮的去除率, 可使出水NH₃-N等各项指标达到《畜禽养殖业污染物排放标准:GB 18596—2001》。在生物聚沉的絮凝沉淀和脱氮除磷机制方面, 包括B.velezensis F7菌体本身对整个体系污染物降解的贡献, 以及SBR运行时间、曝气量和曝气时间、沉淀时间、C/N等因素对氮的去除效果的影响, 将进一步开展深入细致的研究。