低強度超聲波對ABR處理低濃度污水效果及污泥特性的影響

李鑫，朱易春，連軍鋒，秦欣欣，田帥

（1 江西理工大學江西省環境巖土與工程災害控制重點實驗室，江西 贛州 341000；2 江西理工大學土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000）

低濃度污水通常指化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）濃度小于1000mg/L 的有機污水，主要由生活污水、市政污水和各行各業的工業廢水組成[1]。目前，低濃度污水的處理以好氧生物處理為主，能耗較高且產生大量剩余污泥[2]。面對能源的日益短缺，厭氧生物處理技術因其運行成本低、污泥產量少且可回收能源等優點逐漸受到研究者的青睞。厭氧折流板反應器（anaerobic baffled reactor，ABR）是一種高效厭氧生物處理反應器，具有結構簡單、運行穩定、抗沖擊負荷強等優點[3]。ABR 已廣泛應用于高濃度實際污水厭氧生物處理且日漸成熟完善[4-5]，將其應用于低濃度污水處理多停留在實驗室研究。Gopala Krishna等[6]運用ABR處理低濃度有機污水（COD 濃度約為500mg/L），在水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）為6h 時，COD去除率超過88%。趙來利等[7]研究了ABR在常溫下處理低濃度污水的運行效果，當進水COD 濃度為440～601mg/L 時，出水COD 濃度為65mg/L 左右，去除率為85%～87%。也有研究者通過對ABR結構進行改良，以期提高污染物去除效率。Bodkhe[8]采用改良的ABR 處理市政污水，當進水COD 濃度為400mg/L 左右、HRT=6h 時，出水COD去除率為84%。譚學軍[9]通過在ABR中放置彈性立體填料使之成為厭氧活性污泥法和生物膜法相結合的復合式厭氧反應器，處理農村低濃度污水時COD 的去除率最高可達80%以上，出水COD 濃度基本保持在100mg/L以下。雖然研究者針對不同的運行條件及反應器結構改良進行了大量的研究，但ABR處理低濃度污水依然存在一些不足之處，如：①厭氧污泥活性較差，處理效率不高，難以滿足排放標準要求；②對難降解及有毒有害物質較為敏感，去除能力差；③微生物與基質之間的傳質驅動力較小，傳質能力不佳。因此，將研究目光轉向對污泥微生物的直接調控上，通過提高厭氧污泥微生物活性來強化ABR 處理低濃度污水的處理效果顯得十分必要。

低強度超聲波輻照技術可強化傳質能力[10]、提高微生物酶活性[11]以及促進細胞代謝與生長[12]，能顯著增強污泥微生物活性，從而強化污水生物處理效率，是提高低濃度污水厭氧生物處理效果的有效方法之一。因此，本文通過運用低強度超聲波直接作用于ABR 各隔室厭氧污泥本身以提高其活性，進而考察超聲對ABR 整體處理低濃度污水的強化效果，并通過對穩定期兩反應器各隔室污泥量、胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）、脫氫酶活性（dehydrogenase activity，DHA）、粒徑分布、表面官能團、微觀形貌等分析，探究超聲強化下ABR 各隔室污泥特性，以期為利用低強度超聲波提高低濃度污水厭氧生物處理效果提供參考。

1 材料與方法

1.1 接種污泥與進水水質

實驗所用厭氧污泥取自贛州某養豬場沼氣池，揮發性懸浮固體/總懸浮固體（VSS/TSS）=0.54。進水為人工配制的低濃度污水，以葡萄糖為碳源（COD濃度為600mg/L左右），并投加適量的氯化銨和磷酸二氫鉀以保證微生物所需的C∶N∶P 營養比。投加碳酸氫鈉調節堿度，保證出水pH 在6.5～7.5之間，并適量投加微生物生長所需的微量元素。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示。選兩個完全相同的ABR，長472mm，寬146mm，高516mm，有效容積為20.28L，反應器R1為空白對照組，R2為超聲組。每個反應器有4個隔室（C1、C2、C3、C4），每個隔室由1 個下向流室和1 個上向流室兩部分組成。進水通過蠕動泵從進水箱泵入反應器，定速進水。污泥從底部取樣口取出超聲，超聲裝置采用探頭式超聲發生器（JY88-IIN，寧波新藝），頻率20kHz，輸出功率2.5～250W（1%～100%可調）；探頭直徑6mm，超聲輻照方式為間歇式（超聲1s 停1s），常壓操作，輻照污泥時探頭浸沒于污泥中10mm。反應器在室溫（25℃±3℃）下運行。

圖1 實驗裝置

1.3 反應器的啟動與運行

反應器均采用固定進水有機物濃度無間斷進水，逐步縮短水力停留時間（HRT=24h，12h，8h）的方式啟動。經過約90 天的啟動，R1出水COD 去除率穩定在89%左右，R2去除率穩定在88%左右。啟動成功后，為體現超聲的強化作用，選擇對污泥活性較低的R2各隔室污泥進行超聲處理，超聲參數為頻率20kHz、聲能密度0.1W/mL、輻照時間10min、輻照周期24h，輻照污泥比例10%。

1.4 分析方法

COD 按照水和廢水監測分析方法中的快速密閉催化消解法測定[13]；TSS、VSS 采用重量法；松散結合型EPS（loosely bound EPS，LB-EPS）采用超聲提取法[14]；緊密結合型EPS （tightly bound EPS，TB-EPS）采用熱提取法[15]；多糖（PS）的測定采用苯酚-硫酸法；蛋白質（PN）的測定采用考馬斯亮藍法；脫氫酶的提取與活性測定參照Xie等[16]的方法；采用英國馬爾文帕納科公司生產的激光粒度儀（Mastersizer 2000）測定厭氧污泥粒徑。

采用美國Thermo Fisher Scientific 公司生產的Nicolet 6700 型傅里葉紅外光譜分析儀（FTIR）表征厭氧污泥表面官能團：取1～2mg 干燥污泥樣品、200mg光譜純KBr研細均勻，壓制成透明薄片后測試，波數范圍400～4000cm-1，掃描次數32，分辨率4cm-1。

采用美國FEI公司生產的MLA 650型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察污泥的微觀形貌：取污泥樣品用磷酸鹽緩沖液清洗三遍，放入2.5%的戊二醛中4℃下固定2h以上；用磷酸緩沖溶液清洗固定好的樣品3 次，每次10min；再依次放入50%、70%、80%、90%、95%和100%的乙醇溶液中依次脫水，每次10min；用1∶1 乙醇與乙酸異戊酯的混合液、純乙酸異戊酯各置換一次，每次20min；用導電膠將真空干燥后樣品固定在樣品臺上，用離子濺射儀鍍膜后待檢。

2 結果與討論

2.1 超聲輻照對ABR降解有機物的影響

為考察超聲波對反應器的強化效果，反應器持續運行了60 天。由圖2 可知，進水COD 濃度為593～627mg/L。R2在超聲輻照前25天出水COD去除率先降后升，表明在此階段污泥微生物由未適應超聲的刺激作用到逐步適應的轉變過程。R2超聲輻照25 天后去除效果達到穩定，出水COD 濃度均低于R1：穩定期進水COD平均濃度為609mg/L，R1出水COD平均濃度為62mg/L，平均去除率為89.8%；R2出水COD 平均濃度為31mg/L，平均去除率為95.0%。經低強度超聲波強化穩定后，R2較R1出水COD 去除率提高了5.2%，出水COD 濃度在27～40mg/L 之間，出水COD 濃度可穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級A排放標準。

圖2 反應器進出水COD含量及其去除率

2.2 超聲輻照對污泥量的影響

由圖3 可知，超聲組各隔室TSS、VSS 均低于對照組，但VSS/TSS的比值卻高于對照組。由此可見，相對于空白對照組，低強度超聲波強化ABR處理低濃度污水可以達到污泥減量的效果，這對緩解日益增多的剩余污泥量及升高的污泥處理成本具有重要的實際意義。低強度超聲波輻照厭氧污泥，可使污泥出現解偶聯代謝現象，從而減少部分泥量的產生[17]。超聲效應也可使污泥絮體分散，部分微生物及衰老細胞對超聲的耐受性較差，繼而細胞溶解進入上清液中[18]。VSS/TSS 可近似表征厭氧污泥中有機物及微生物含量，其比值的大小一定程度上反映了厭氧污泥的活性高低。超聲組各隔室VSS/TSS的比值皆高于對照組，可能是因為低強度超聲波在實現污泥減量的同時提高了單位體積污泥中的活性微生物含量，進而可提高污泥消耗有機底物的能力，同時抗外界干擾能力及適應能力也得到提高。

圖3 反應器各隔室VSS、TSS濃度

2.3 超聲輻照對污泥EPS的影響

低強度超聲波對各隔室污泥EPS 的影響將從LB-EPS、TB-EPS 含量及其主要成分PN、PS 含量分析。由圖4可知，對照組和超聲組EPS含量均沿程減少，這主要是因為有機底物隨隔室逐漸減少，微生物缺少有機底物不利于EPS的形成。其次，在缺乏有機底物時，微生物將部分可生物降解的EPS充當碳源和能量消耗[19]。超聲組各隔室EPS總量均高于對照組，且LB-EPS、TB-EPS 含量均高于對照組，可見超聲對污泥EPS 的形成具有促進作用。低強度超聲波產生的剪切力可改變細胞形態，使細胞壁和細胞膜變薄，從而增加了細胞的通透性[20]。細胞通透性的增加促進細胞代謝活動的同時可使更多的有機大分子分泌到胞外形成EPS。超聲組各隔室EPS總量的增加有利于提高微生物處理污水的能力。一方面，EPS總量的增加可提高微生物聚集體的穩定性[21]；另一方面，污泥對污染物的吸附能力也得到增強[22]。超聲組各隔室蛋白質含量均高于對照組，說明超聲可增強污泥微生物蛋白質的合成能力。當污泥受到超聲輻照后，污泥防御機制將被激發，微生物為了提高自身的穩定性，將會分泌更多的蛋白質抵御外界干擾。超聲組各隔室多糖含量均低于對照組，可能是超聲抑制了多糖的合成途徑，或是低強度超聲波提高了細胞的通透性使胞外酶的含量增多，多糖在胞外酶的作用下分解成單糖被微生物吸收利用。

圖4 反應器各隔室EPS含量比較

2.4 超聲輻照對污泥酶活性的影響

脫氫酶能促進生化反應關鍵步驟中的基質脫氫，是微生物降解有機物獲得能量的必須酶，其活性的高低直接反映了污泥中活性微生物量的大小及污泥對有機物的降解活性[23]。反應器各隔室脫氫酶活性如圖5所示，超聲組各隔室脫氫酶活性分別為26.43mgTF/(gVSS·h)、23.43mgTF/(gVSS·h)、21.87mgTF/(gVSS·h)、19.55mgTF/(gVSS·h)，而對照組各隔室分別為18.13mgTF/(gVSS·h)、17.01mgTF/(gVSS·h)、13.56mgTF/(gVSS·h)、9.90mgTF/(gVSS·h)。可見超聲組各隔室脫氫酶活性均大幅高于對照組，說明低強度超聲波對厭氧污泥脫氫酶活性有明顯的促進作用，進而提高厭氧微生物對有機物的降解能力。超聲作用下細胞通透性的增加有助于增強其傳質能力，便于酶的內外擴散，提高酶與反應底物的接觸頻率。也有研究認為超聲波可改變酶分子的構象,使其結構更加合理，進而提高酶的生物活性[24]。脫氫酶活性隨隔室往后逐漸降低，主要是因為營養物質沿程減少，微生物活性逐漸降低，使得脫氫酶合成和分泌量減少。

圖5 反應器各隔室污泥脫氫酶活性

2.5 超聲輻照對污泥粒徑的影響

不同反應器各隔室污泥粒徑分布見圖6。R1各隔室體積占比最大的污泥粒徑范圍分別為0.3～0.5mm、0.3～0.5mm、0.1～0.3mm、0.1～0.3mm，占比分別為27.23%、33.72%、39.94%、44.35%。R2各隔室體積占比最大的污泥粒徑范圍均為＜0.1mm，占比分別為42.62%、58.66%、54.39%、69.57%。有研究將粒徑≥0.5mm的污泥定義為顆粒污泥[25]。R1各隔室粒徑≥0.5mm 的污泥占比分別30.73%、20.43%、8.49%、6.94%，而R2各隔室中僅有第一隔室中存在粒徑≥0.5mm 的污泥，占比為4.98%。整體來看，R1、R2各隔室污泥粒徑均有沿程減小的趨勢，主要原因是可利用有機底物濃度及水流作用沿程減小，不利于污泥的顆粒化。由R1、R2對應隔室污泥粒徑對比可知，低強度超聲波輻照可使R2各隔室較小粒徑污泥占比增大，較大粒徑污泥占比減小。總體來說，低強度超聲波輻照厭氧污泥可使污泥粒徑減小，而污泥粒徑的減小可使比表面積增大，強化固液傳質能力，進而提高有機物去除效率[26]。

圖6 反應器各隔室污泥粒徑分布情況

2.6 超聲輻照對污泥表面官能團的影響

采用FTIR表征R1、R2各隔室污泥表面官能團，探究超聲輻照對污泥表面官能團的影響。由圖7對比可知，經超聲周期性輻照后，對應隔室污泥FTIR圖譜趨勢基本一致，污泥表面特征峰基本沒有變化，說明低強度超聲波輻照污泥并不改變污泥表面官能團種類，兩反應器對應隔室污泥含有相似的官能團。在波數3400cm-1左右處存在—OH或—NH伸縮振動，—OH 可能由污泥產生的醇類、酚類或糖類等有機物引起，而—NH 來自胺類物質[27]。在波數2926cm-1左右處存在的亞甲基—CH2不對稱伸縮振動，可能由烴類或脂肪族化合物產生[28]。在波數1650cm-1左右處吸收峰通常由C==O 伸縮振動產生，說明污泥中存在羧酸、醛、酮等有機物[29]。在波數1547cm-1左右處為硝基、亞硝基形成的吸收峰位置[30]。在波數1452cm-1、1395cm-1左右特征峰為芳香族或脂肪族C—H 振動峰[31]。在1240cm-1處的吸收峰由污泥中蛋白質類物質的C—N 鍵伸縮振動引起[32]。在波數1058cm-1左右處存在的特征峰為C—O及Si—O吸收峰位置[33]。指紋區900～500cm-1范圍內的特征峰多為污泥中芳香族化合物苯環因取代所形成[34]。

圖7 反應器各隔室污泥FTIR圖譜

2.7 超聲輻照對污泥微觀形貌的影響

為了進一步探究超聲波對污泥微觀形貌的影響，對R1、R2各隔室污泥進行了SEM觀察。由圖8(a)～(d)可知，對照組污泥表面較為光滑，各類細菌以絲狀菌為骨架呈簇擁狀，絮體結構緊密，輪廓清晰。R1各隔室中污泥表面皆以絲狀菌為優勢菌種，球菌沿隔室逐漸減少。由圖8(e)～(h)可知，超聲組污泥表面相對粗糙、凹凸不平，絮體結構松散，比表面積增大，有利于提高物質傳質速率。由圖8(g)、(h)可見大量無規則的片狀凸起，可見低強度超聲波對微生物細胞表面可產生一定的損傷。R2各隔室污泥表面以球菌為優勢菌種，絲狀菌較對照組大大減少，猜測超聲波產生的超聲效應可使絲狀結構斷裂而不利于絲狀菌的生長與繁殖。可見低強度超聲波對菌種具有一定的選擇性，不同種類的微生物對超聲刺激的耐受能力存在差異性，低強度超聲波長期輻照可對微生物菌種起到篩選作用。

圖8 反應器各隔室污泥SEM照片

3 結論

（1）低強度超聲波可提高ABR 處理低濃度污水有機物去除效果，且運行穩定。在啟動已獲得較高去除率下，當進水COD 濃度為600mg/L 左右、HRT=8h 時，超聲組穩定后出水COD 平均濃度為31mg/L，較對照組出水COD 去除率提高5.2%，出水COD 濃度滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級A排放標準。

（2）超聲波周期性輻照后，超聲組各隔室污泥TSS、VSS 均低于對照組，超聲可起到污泥減量的作用，且可提高污泥的VSS/TSS。超聲處理可增加超聲組各隔室污泥EPS 總量，造成LB-EPS、TBEPS的積累，蛋白質含量增加，多糖含量減少。

（3）低強度超聲波輻照厭氧污泥可大幅提高超聲組各隔室污泥脫氫酶活性，使污泥降解有機物能力得到增強。同時污泥粒徑減小，比表面積增大，利于傳質，但污泥表面官能團種類基本不變。

（4）低強度超聲波對污泥微生物菌種具有一定的選擇性，對照組各隔室污泥表面以絲狀菌為優勢菌種，而超聲組各隔室污泥表面以球菌為優勢菌種。