外缘颗粒污泥强化厌氧处理养猪废水性能及机理研究外文翻译资料

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外缘颗粒污泥强化厌氧处理养猪废水性能及机理研究

摘 要

厌氧生物技术已广泛应用于生猪废水的处理，但其有机负载量远低于预期。本研究对厌氧消化系统处理养猪废水的本地厌氧污泥进行了疲劳试验。相反，内循环反应器产生的外源颗粒污泥(EGS)对制浆废水有增强作用。结果表明，驯化后的EGS对猪废水的厌氧消化效果明显优于IAS，第10天COD去除率分别为85%和37%。驯化后的EGS性能较好，主要是因为其对挥发性脂肪酸(VFAs)的降解效率较高，且对猪粪废水的氨抑制有较强的耐受性。分子技术发现，驯化后的EGS比IAS含有更多的共生细菌和产甲烷菌。这些功能性微生物在驯化后的EGS中定居可以克服IAS的疲劳效应，因为IAS含有与猪胃肠道微生物相似的微生物群落。本研究为提高生猪废水厌氧消化效率提供了一条可行且有前景的途径。

关键词 厌氧处理 猪废水 厌氧颗粒污泥 氨抑制 微生物群落

批注：swine wastewater 猪废水 complex organics 复杂有机物

exogenous granular sludge 外源颗粒污泥 methanogens 产甲烷菌

fermentative bacteria 产酸菌 syntrophic bacteria 产氢产酸菌

propionate butyrate 丙酸丁酸盐 acetate 醋酸盐

Enhanced anaerobic treatment of swine wastewater with exogenous granular sludge: Performance and mechanism

Abstract

Anaerobic biotechnology has been widely used to the treatment of swine wastewater, but its organic loading rate is far lower than the expected. In this study, the fatigue effect was observed for indigenous anaerobic sludge (IAS) of anaerobic digestion system treating swine wastewater. On the contrary, the enhancement effect was demonstrated for exogenous granular sludge (EGS) originated from the internal circulation reactor treating pulping wastewater. The results showed the anaerobic digestion of swine wastewater with acclimatized EGS was much better than with IAS, 10th-day COD removal efficiency of 85% and 37% respectively. The better performance of acclimatized EGS was attributed to the more efficient degradation of volatile fatty acids (VFAs) as well as a stronger tolerance to the ammonia inhibition of swine wastewater. Revealed by molecular techniques, the acclimatized EGS contained more abundant syntrophic bacteria and methanogens than IAS. These functional microbes colonized in the acclimatized EGS could overcome the fatigue effect of IAS which contained a similar microbial community to pig gastrointestinal tract microbes. This study provides a feasible and promising way to enhance the efficiency of anaerobic digestion of swine wastewater

Keywords Anaerobic treatment Swine wastewater Anaerobic granular sludge Ammonia inhibition Microbial community

目录

1. 绪论 hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 4
2. 材料及方法 hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 5

2.1 本地和外源性颗粒污泥hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 6

2.2 猪废水性质hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 6

2.3 猪废水厌氧消化试验hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 7

2.4 氨抑制动力学试验hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 8

2.5 DNA提取和高通量测序 hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 8

2.6 定量聚合酶链式反应hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 9

2.7 分析技术hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 9

2.8 统计分析hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;10

1. 结果与讨论hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 11

3.1 不同厌氧污泥的生物降解性能 hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 11

3.2 氨对不同厌氧污泥的抑制作用 hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 12

3.3不同厌氧污泥的微生物hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 15

3.3.1 本地厌氧污泥中微生物群落的结构hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 15

3.3.2 外源性颗粒污泥中微生物群落的结构hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 17

3.3.3 驯化外源颗粒污泥的强化机制hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 19

1. 结论hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 21

参考文献 hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 22

1. 绪论
   1. 介绍

集约化养猪场排放的生猪废水中含有高浓度的有机物和营养物，严重污染了当地环境。为了减轻污染，厌氧工艺已被广泛应用于处理富含有机物的废水(Zhang et al.， 2019)。然而，大多数厌氧处理生猪废水的工程运行在低有机负载率(OLR)和低去除效率(Sakar et al.， 2009;Chynoweth等人，1999年)。据报道，以高活性颗粒污泥(GS)为基础的厌氧反应器，如上行厌氧污泥毯(UASB)反应器、膨胀颗粒污泥毯(EGSB)反应器和内循环(IC)反应器，可以达到较高的容积容量(Pereboom和Vereijken, 1994;letinga等人，1980;Seghezzo等人，1998年)。通过自选择、自结合、自固定化，功能微生物在GS中形成了一个特殊的群落(Pol et al.， 2004)。GS具有生物量积累所必需的显著沉降性，同时微生物群落使GS或厌氧反应器具有较高的生物催化活性或良好的性能(Sekiguchi et al.， 1999;Liu等，2009;Lu等，2019)。通过对生猪废水有机物的测定，挥发性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)是最为丰富的有机物，主要由乙酸、丙酸和丁酸(正丁酸)组成，浓度为1.8 ~ 21.6 g/L，见表1。

乙酸盐和某些碳化合物可以直接被产甲烷菌消耗，而其他发酵产物如丙酸和丁酸盐则需要降解成乙酸盐和H₂ 通过二次发酵(Whitman等，2014)。在标准条件下，丙酸和丁酸盐的厌氧氧化是热力学热力学的;然而，在低H的条件下，它们可以变成释能的₂ 分压(蒸汽和堵头，2009)。在产甲烷生境中，丙酸盐和丁酸盐分解者也被称为H₂ 生产者，与H₂ 消费者(产甲烷菌)。这两种微生物在种类和数量上保持平衡，有效地降解VFAs。

生猪废水中的微生物主要来自猪粪。厌氧处理系统中的原生微生物群落与猪肠道中的相似(Cotta et al.， 2003)。由于生猪废水中的有机物是猪肠道内难以消化的残留物，因此当地微生物群落的生物降解过程可能比较缓慢。

据报道，内循环(IC)反应器处理制浆废水效率高，其颗粒污泥中富含活性功能微生物(Wang et al.， 2018)。因此，在生猪废水厌氧处理系统中引入外源颗粒污泥(EGS)可以提高有机物的降解率。然而，来自低含氨IC反应器的EGS却不能适应高含氨猪粪废水，氨的存在严重抑制了废水的处理EGS的产甲烷活性(Yenigun和Demirel, 2013)。EGS在投入生猪废水厌氧处理系统前，必须对高氨氮生猪废水进行驯化。

本研究的目的是:(1)了解IAS降解效率差与微生物群落的关系;(2)研究驯化后EGS处理养猪废水的性能;(3)建立EGS和IAS的氨抑制动力学;(4)揭示驯化后EGS强化过程的微生物机制。

第二章 材料和方法

2.1 本地和外源颗粒污泥

外源颗粒污泥(EGS)取自2400 m的培养基³ IC反应器处理浙江平湖制浆废水。EGS为黑色颗粒污泥。平均湿密度为1.078 g/cm³;平均直径2.8 mm;平均沉降速度为127 m/h, VSS/SS = 0.76[挥发性悬浮固体(VSS)/悬浮固体(SS)]。本地厌氧污泥(IAS)取自一个1500m³浙江省义乌市塞流厌氧池处理的养猪废水。污泥的IAS为黑色絮凝污泥，分别为56 g-SS/L、30 g-VSS/L和VSS/SS = 0.53。

2.2 猪废水性质

这些猪废水来自中国浙江省义乌市的一家养猪场，饲养量超过1万头猪。废水在清除大而重的悬浮物后从收集池中提取。猪废水的性质见表2。

表1 猪废水中挥发性脂肪酸的浓度

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