厌氧消化耦合厌氧氨氧化与人工湿地系统对畜禽养殖废水中氮磷的长期去除效能评估

《Metabolites》：Lacticaseibacillus paracasei LP-18 Alleviates Post-Semaglutide Weight Rebound and Metabolic Dysfunction in Obese Mice

　　

摘要：集约化畜禽养殖作业常采用坑式回充废物管理系统，其中水从处理塘中回收循环，用于冲洗畜舍废物。这一做法因病原体和氨的存在，与动物生产性能下降和死亡率升高相关。作为改善冲洗水质量的项目，两个厌氧消化器的出水经曝气-回流系统处理，其中一个接种厌氧氨氧化（anammox）菌群，另一个不接种。曝气池出水被输送至一个种植香蒲和浮萍的共享人工湿地，随后进入塘体。塘中的水被循环回消化器，用于悬浮废物进行厌氧消化。前六个月使用新鲜水悬浮系统进料，而后一年半则将塘水循环回用至系统。接种的曝气池比未接种的曝气池更高效地降低了铵浓度，并表现出更有效的硝化作用。氨氧化和反硝化在湿地和塘中持续进行，循环水中铵浓度相比消化器中的浓度降低了超过98%。在两年的评估期内，塘中磷酸盐浓度平均仅为消化器中浓度的5%。对废水污泥和植物的电感耦合等离子体光谱分析表明，磷酸盐的化学沉淀以及浮萍和香蒲的吸收利用是系统实现磷削减的原因。研究期间，废水pH、电导率、化学需氧量和氧化还原电位保持稳定。

论文解读：厌氧消化耦合厌氧氨氧化与人工湿地系统对畜禽养殖废水中氮磷的长期去除效能评估

一、研究背景与意义

集约化畜禽养殖作业普遍采用坑式回充废物管理系统，将处理塘中的废水回收循环用于冲洗畜舍废物。然而，这一做法因废水中病原体和氨的存在，已被证实与动物生产性能下降和死亡率升高相关。传统的兼性塘处理方式在冬季难以有效去除病原体，夏季氨挥发损失严重，且氮磷去除效率有限。厌氧消化器在处理高浓度畜禽废水方面具有优势，可降低废水有机强度、减少甲烷排放、水解有机磷酸盐并矿化氮素，但其出水若不经进一步处理直接排放或储存，氮磷含量仍对环境构成威胁。尽管厌氧消化器出水的化学需氧量（COD）与市政污水进水相当，但直接曝气处理因废水强度高、体积大而在技术和经济上不可行。厌氧氨氧化（anammox）菌群作为序批式反应器（SBR）的替代方案，具有曝气量少、有机碳需求低和污泥产量少等优势，已在欧洲、中国、日本、澳大利亚和巴西等地广泛应用。基于此，研究人员开展了一项为期两年的研究，旨在评估厌氧消化耦合厌氧氨氧化曝气、人工湿地和塘体处理系统对畜禽废水中氮磷的长期去除效能，并探索废水循环回用的可行性。

二、研究内容与结论

研究人员构建了一套包含两个厌氧消化器、两个曝气池（一个接种厌氧氨氧化菌群，一个不接种）、共享人工湿地和塘体的废水处理系统。前六个月使用新鲜水悬浮进料，后一年半将塘水循环回用至消化器。研究发现，接种厌氧氨氧化菌群的曝气池在铵去除和硝化效率上显著优于未接种曝气池，铵浓度降低48%，硝酸盐浓度升至58 mg L^?1。湿地和塘体进一步大幅削减氮素，铵和硝酸盐浓度分别降至4和2 mg L^?1以下。磷酸盐浓度在湿地中降低50%，在塘中进一步降低85%，塘中磷酸盐平均浓度仅为消化器中的5%。系统在两年内表现出显著稳定性，废水pH、电导率、COD和氧化还原电位（ORP）均保持稳定。该研究的重要意义在于证明了厌氧消化耦合低成本废水处理系统能够长期循环回用废水至畜舍，同时实现高效的氮磷去除，为畜禽养殖废水的可持续管理提供了可行方案。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：构建双厌氧消化器系统，使用声波激励替代机械搅拌以保留固体；一个曝气池接种厌氧氨氧化菌群（含anammox污泥与高效硝化污泥按4:1体积比混合），另一个不接种作为对照；废水依次流经曝气池、沉淀池、砂滤器、种植香蒲（Typha latifolia L.）的人工湿地和种植浮萍（Lemna gibba L.）的塘体；采用YSI ProDSS水质仪测定温度、pH、电导率和ORP；使用SEAL AQ400离散分光光度分析仪测定硝酸盐和铵；使用Dionex ICS-6000高压离子色谱系统（HPIC）测定阴阳离子；使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）分析污泥和植物样品中的金属和磷含量。

四、研究结果

4.1 消化器性能：从2025年4月至2026年6月，未接种和接种系统的沼气产量分别为10.1 ± 0.73和10.4 ± 0.80 m³ wk^?1，夏季产量显著高于冬季，与消化器水温季节性变化相关。两系统沼气产量无显著差异，因两系统共用同一湿地和塘体水源。

4.2 系统环境条件与废水水质：系统性能在评估期内保持稳定。消化器pH平均为6.7，后续各阶段呈碱性（7.2-7.96）。塘体溶解氧（DO）平均为6.2 mg L^?1，但废水添加后降至4.80 mg L^?1，夏季高浮萍覆盖时低至0.2 mg L^?1。ORP在整个系统中较低，消化器平均-197 mV，曝气池平均-54 mV。塘体COD平均150-185 mg L^?1，较消化器降低85%。

4.3 废水离子组成：接种和未接种系统的离子浓度相似。镁浓度从消化器到系统出水增加约41-49%，钙浓度降低约23-33%，归因于pH升高和碱度增加促进钙碳酸盐沉淀。湿地中除碳酸氢盐外的离子浓度平均降低49%，塘中进一步降低65%，主要归因于香蒲和浮萍的吸收以及矿物沉淀。

4.4 废水磷酸盐分析：磷酸盐浓度在消化后下降超过20%，湿地中降低50%，塘中进一步降低85%。ICP分析显示消化器污泥、砂滤器和湿地中磷浓度分别为1180 ± 223、717 ± 131、2370 ± 1570和688 ± 176 mg kg^?1干重。植物分析表明，香蒲茎叶磷积累量为野生香蒲的3倍，根和根茎为10倍，浮萍的钾磷积累量更高。塘底泥中磷主要来源于腐烂浮萍，可能以钙和铁（II）磷酸盐混合物形式存在。

4.5 废水铵和硝酸盐：消化器和进料罐中铵浓度平均超过200 mg L^?1。未接种曝气池铵降低15%，接种曝气池降低48%。接种曝气池硝酸盐浓度达58 mg L^?1，远高于未接种的10 mg L^?1。湿地中铵和硝酸盐分别降低超过50%和65%，塘中铵和硝酸盐平均低于4和2 mg L^?1。氮去除不仅归因于植物吸收，还归因于氨氧化细菌（AOB）和/或古菌（AOA）以及反硝化菌的持续作用。

五、讨论与结论

讨论部分指出，虽然接种厌氧氨氧化菌群的曝气池在氨去除效率上优于未接种曝气池，但湿地和塘体中的持续硝化和反硝化作用对系统整体氮去除贡献更大。系统可能无限期地修复氮磷，特别是如果收获香蒲和/或浮萍以确保持续去除磷酸盐。系统内保留磷、钾、铁等养分有利于其回收，避免淋溶和径流损失。塘体虽然缺氧，但水质足以支持昆虫和蛙类生存。该研究受限于缺乏重复和两系统共用湿地和塘体，但结果表明厌氧消化耦合低成本废水处理可改善灌溉和畜舍管理用水水质。开发经济实惠的可持续废水处理系统将有助于确保农业盈利能力和环境管理。