內循環厭氧反應器厭氧顆粒污泥的特性研究

王 英

（湖南有色金屬研究院，湖南 長沙 410100）

內循環厭氧反應器厭氧顆粒污泥的特性研究

王 英

（湖南有色金屬研究院，湖南 長沙 410100）

厭氧顆粒污泥是厭氧反應器高效穩定運行的基礎和關鍵。試驗研究利用了一種改進型的內循環厭氧反應器，克服了傳統內循環厭氧反應器結構復雜易引起堵塞等缺點，對厭氧顆粒污泥的特性進行研究，研究厭氧顆粒污泥的特性對生產實踐具有重要的指導意義。該試驗研究是在改進型內循環厭氧反應器穩定運行的基礎上，對顆粒污泥的粒徑分布、污泥產甲烷活性、DGGE等特性進行分析。

內循環厭氧反應器；厭氧顆粒污泥；特性

印染行業是工業廢水排放大戶，據統計，全國印染廢水每天排放量約為3×106～4×106m3，印染廢水的COD可達到2 000～3 000 mg／L，而且BOD／COD在0.2以下，單純的好氧生物處理難度大、成本高［1］。

厭氧反應器是廢水厭氧處理中的關鍵設備，關系到整個厭氧工藝的處理效果和可行性。本次研究使用了一種改進型的內循環厭氧反應器，在原三相分離器的設計上進行了合理的改進，對設備結構進行了簡化，發揚了內循環厭氧反應器的優點，克服了傳統內循環厭氧反應器結構復雜易引起堵塞等缺點［2］。

厭氧顆粒污泥是厭氧反應器高效穩定運行的基礎和關鍵。厭氧顆粒污泥是一個復雜的微生物群落，主要包括細菌和古細菌。研究厭氧顆粒污泥的特性對生產實踐具有重要的指導意義。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗裝置為內循環厭氧反應器，由本體部分和氣液分離器組成，如圖1所示，材質由有機玻璃制成，內徑30 cm，總體積100 L，徑高比約5。

圖1 內循環厭氧反應器結構示意圖

1.2 污泥樣品來源

在反應器啟動與穩定運行的過程中，每隔一定時間從反應器中取得污泥樣品，共取得四個污泥樣品，其中樣品A：用COD為500 mg／L的人工配水持續8～10 h漂洗后的污泥，即接種污泥；樣品B：反應器運行40 d后取得，此時反應器的有機負荷約20 kg COD／m3·d；樣品C：反應器運行60 d后取得，即反應器啟動結束后取得的樣品，此時反應器的有機負荷為 30 kg COD／m3·d；樣品D：反應器運行 80 d后取得，即反應器穩定運行時取得的樣品，此時反應器的有機負荷也為30 kg COD／m3·d。

1.3 污泥粒徑分析

取一定量的污泥，使用篩網截留的方法測定粒徑分布，使污泥按順序通過篩網，篩網孔徑分別為5、4、3、2、1，將篩網所截留的污泥進行收集、烘干、稱重處理，然后計算出不同粒徑范圍污泥的質量分數，由此讀出顆粒污泥的粒徑分布（按質量計算的）。

1.4 污泥產甲烷活性

厭氧污泥產甲烷活性采用史氏發酵管法測定，根據測定的最大比產甲烷速率值判斷厭氧顆粒污泥的產甲烷活性。

1.5 DGGE分析

1.5.1 總DNA提取

采用滾珠振蕩機械破碎法提取，提取方法為：將顆粒污泥放入磨砂滾珠離心管內，加入CTAB充分振蕩，然后用振蕩破碎儀振蕩處理1 min；振蕩破碎后的樣品，采用溶菌酶蛋白酶K水解，使用Tris－飽和酚抽提與異丙醇沉淀分離取得DNA；再采用DNA純化試劑盒A014進行純化。

1.5.2 PCR擴增

使用 PE9700型PCR擴增儀進行PCR擴增，擴增對象為16S－rDNA的V2－V3可變區。細菌的引物為PRBA8F（5’－AGAGTTTGATCCTGGCTCAG－3’）與PRUN518R（5’－ATTACCGCGGCTGC TGG－3’）；對于古細菌，引物為 PARC109F（5’－ACKGCTCAGTAACACGT－3’）與PRUN518R（5’－2 ATTACCGCGGCTGC TGG－3’）；在PRUN518R的5’端加GC卡，提高DGGE分辨效率。

1.5.3 變性梯度凝膠電泳

在Dcode系統上進行DGGE分析，聚丙烯酰胺凝膠濃度是8%，細菌和古細菌的變性劑濃度范圍是35%～50%，在1×TAE緩沖液中，在120 V電壓下，60℃恒溫電泳5～6 h，電泳后銀染，用GSD 8000成像系統進行結果觀察，并進行照相。用Phoretix1D軟件對該DGGE圖譜進行分析，分析樣品之間的微生物種群相似性，并繪制微生物種群相似性分析圖。

2 試驗結果

2.1 顆粒污泥的粒徑分布

對不同時期取得的顆粒污泥的粒徑分布情況進行測定繪圖，結果如圖2所示。

由圖2可看出，隨著反應器運行的進行，污泥顆粒的粒徑逐漸變大。樣品A中顆粒污泥的粒徑基本上都小于2 mm，其中粒徑小于1 mm的占到了約65%，而粒徑在2～3 mm之間的僅占了不到10%，未有粒徑大于3 mm的顆粒出現；樣品B中顆粒污泥粒徑小于1 mm約占25%，粒徑在2～3 mm之間的占了約38%，說明污泥顆粒在逐漸變大；樣品C中顆粒污泥粒徑小于1 mm約占18%，粒徑在2～4 mm之間的占了約51%，甚至出現了粒徑大于5 mm的污泥顆粒；相比于樣品C，樣品D粒徑的分布沒有發生很大的變化，只是小于1 mm的污泥顆粒有所減少至16%左右，這可能有兩個方面的原因，一是污泥繼續顆粒化變成粒徑較大的污泥，另外可能因為反應器在穩定運行的過程中產生的大量的氣體，在循環的過程中部分粒徑較小的污泥被沖洗出反應器。

圖2 污泥粒徑分布

2.2 污泥產甲烷活性

采用史氏發酵罐法對污泥樣品進行最大比產甲烷速率測定，以mL／g（VSS·d）計，得到結果如圖3所示。

圖3 污泥最大比產甲烷速率

由圖3可以看出，隨著反應器的進行污泥產甲烷的活性逐漸增加。接種污泥A產甲烷活性很低不到20 mL／g（VSS·d），樣品C產甲烷活性是302 mL／g（VSS·d），產甲烷活性有了極大增長，這主要是因為反應器啟動初期污泥顆粒中產甲烷菌很少，隨著反應的進行，產甲烷菌逐漸適應了水質，并有了大量的增長；樣品D甲烷活性是307 mL／g（VSS·d），與樣品C相比，增長并不明顯，可能的原因是當反應器啟動結束以后，污泥顆粒中的微生物適應了處理的水質，形成了一個比較合理穩定的群落結構，產甲烷菌的數量不會再出現大量增殖。

2.3 DGGE分析

2.3.1 顆粒污泥中真細菌種群結構分析

對該四個顆粒污泥樣品同時進行總DNA提取、純化，經PCR擴增后再進行DGGE分析，最終得到污泥樣品真細菌的DGGE圖譜，如圖4所示，使用Phoretix1D軟件對該真細菌的DGGE圖譜進行相似性分析，結果如圖5所示。

圖4 污泥顆粒中細菌DGGDE圖譜

圖5 污泥顆粒中細菌相似性分析

一般認為，在DGGE圖譜上，每一條帶代表某種特定的微生物，且顏色相比較深的條帶，代表樣品中的優勢微生物。因此，從圖4可知，與A接種污泥相比，在反應器中運行不同時間后，樣品B、C和D中真細菌種類和優勢菌種均發生了一定變化，并且樣品C與D的真細菌種群結構基本相似；而樣品B與C、D相比又有一定的差異。圖5亦表明類似的結果，樣品A與B、C和D的真細菌種群相似性均較低，樣品C與D的真細菌種群相似性可高達83%。

2.3.2 顆粒污泥中古細菌種群結構分析

對四個顆粒污泥樣品同時進行總DNA提取、純化，經過PCR擴增后再進行DGGE分析，最終得到古細菌的DGGE圖譜，如圖6所示，利用Phoretix1D軟件對古細菌的DGGE圖譜進行相似性分析，如圖7所示。

圖6 污泥顆粒中古細菌DGGDE圖譜

圖7 污泥顆粒中古細菌相似性分析

圖6表明，隨著反應器COD負荷的增加，及運行時間的延長，顆粒污泥中古細菌種群結構發生較為明顯的變化，接種污泥樣品A中各菌種數量上相對較為單一，而反應器運行不同時間段后的樣品B、C和D中占優勢的古細菌種類漸漸增多，并且古細菌種群結構的變化速率由快而慢，樣品A與其它3個樣品中古細菌的種類和優勢菌種有極大差異，而樣品C與D中古細菌的種群結構差異較小些。圖7也表明了類似的結果，樣品之間的相似性分別是58%、66%和71%，呈遞增趨勢。

產甲烷菌屬于典型的古細菌，古細菌生長易于受到進水成分和COD負荷等環境因素的影響，進水成分和COD負荷的差異會導致古細菌種群結構發生較明顯變化。樣品A接種污泥，取自原印染企業厭氧消化池，污泥中產甲烷菌較少，產甲烷的活性不高，表現在DGGE圖譜上就是條帶單一，且顏色相對較淺。隨著反應器的運行，污泥逐漸適應了處理水質，產甲烷菌的種類和數量都有了不同程度的增長，樣品B的DGGE圖譜上的條帶明顯增多。樣品C和樣品D的DGGE圖譜上的條帶又進一步增多，說明污泥中的古細菌的種類進一步增多了，而兩者的DGGE圖譜相似說明C和D污泥中古細菌的種類相似，啟動結束后，污泥中各種產甲烷菌的群落結構相對穩定。

3 研究結論

在改進型內循環厭氧反應器啟動與穩定運行過程中，每隔一定時間從反應器中取得污泥樣品，并對污泥樣品進行顆粒污泥的粒徑分布、污泥產甲烷活性、DGGE等特性分析，得出如下結論：

1.內循環厭氧反應器的啟動過程是一個活性污泥逐漸顆粒化的過程，隨著反應器的進行，污泥的顆粒逐漸增大，穩定運行的反應器中污泥的粒徑主要分布在2～4 mm之間，并且有大于5 mm的顆粒出現。

2.隨著反應的進行，污泥產甲烷的活性逐漸增加，反應器穩定運行時污泥顆粒的最高比產甲烷速率可達307 mL／g（VSS·d）。

3.反應器的啟動和運行過程就是一個污泥中各種微生物適應環境增值并相互適應的一個過程，運行穩定的反應器，顆粒污泥中微生物的群落結構相對穩定，但是古細菌生長易于受到環境因素的影響，這也是產甲烷菌比較不穩定的原因。

［1］沈榮根.綜合印染廢水厭氧處理的工藝比較［J］.工業給排水，2008，34（12）：59－61.

［2］吳靜，陸正禹，胡紀萃，等.新型內循環（IC）厭氧反應器［J］.中國給排水，2001，10（1）：27－30.

Study on the Characteristics of Anaerobic Granular Sludge by Internal Circulation Anaerobic Reactor

WANG Ying

（Hunan Research Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410100，China）

Anaerobic granular sludge anaerobic reactor is the basis and key to the efficient and stable operation.This paper presents an improved internal circulation anaerobic reactor，to overcome the traditional internal circulation anaerobic reactor complex structure，easy to cause blockage and other shortcomings.To study the characteristics of anaerobic granular sludge，the study on the characteristics of anaerobic granular sludge to the production practice has important guiding significance.This experimental research is circulate in the modified on the basis of the stable operation of anaerobic reactor，particle size distribution of granular sludge，sludge methane-producing activity and DGGE analysis.

internal circulation anaerobic reactor；anaerobic granular sludge；the characteristics

X791

A

1003－5540（2015）04－0068－04

2015－06－08

王英（1981－），女，工程師，注冊環評工程師、注冊安全工程師，主要從事廢水處理、環境影響評價方面工作及研究。