動態厭氧生物膜的培養及其處理高濃度有機廢水研究

關鍵詞：水力條件；高濃度廢水；厭氧生物膜；垃圾壓濾液；微生物群落

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：B

前言

隨著中國經濟的發展，許多行業都會產生高濃度有機廢水，包含石油化工、養殖畜牧業、垃圾處置等行業。其具有高毒性、生物積累性、半揮發性等性質，對環境產生的危害是重大且長遠的。垃圾壓濾液就是一種高濃度有機廢水，主要成分是垃圾中轉站中壓縮垃圾過程中產生的壓濾液，另外還有少部分源自轉運站的沖洗廢水以及站內工作人員的生活廢水。目前，中國垃圾分類措施并不完善，各類垃圾混雜，這導致了垃圾壓濾液中物質成分復雜，包含大量懸浮物、漂浮物和油脂等污染物。其具有有機物含量高、水質波動大，水量間斷以及可生化性好等優點。相較于物理化學處理，生物處理技術成本較低，是處理生活垃圾壓濾液的最主要的工藝。其中厭氧生物技術具有能耗低、產泥量低和處理效果較好等優點。此研究以高濃度有機廢水為處理對象，研究水力條件對厭氧生物膜反應器去除有機物的性能影響。

1材料和方法

實驗裝置設計：如圖l（a）和圖l（b）所示分別為反應器示意圖和反應器實物圖。在實驗中，涉及到水力條件對生物膜生長的影響。文章以不同的轉速來表征不同的水力條件，并計算相應的雷諾數。共設置了四個相同類型的反應器，四個反應器的轉速分別為0r/min（靜止狀態）、50r/min、100r/min和200r/min。對應的雷諾數分別為0、10、20和40，并分別命名為反應器Rl、反應器R2、反應器R3和反應器R4。

2動態厭氧生物膜的培養及反應器性能研究

2.1厭氧生物膜啟動階段

COD去除率變化實驗中的四個反應器各階段工藝參數見表1。

如圖2（a）所示啟動階段COD去除率。可知，四個反應器的COD去除率變化基本一致。在啟動階段，隨著培養時間增加，各反應器的COD去除效率均在增加。培養時間為第12天時，四個反應器的出水COD去除率均達到了40%以上。并且四個反應器的COD去除率都有明顯的隨時間變化而上升的趨勢。

2.2轉速對反應器厭氧處理過程的影響

2.2.1培養過程中COD去除量變化

圖2（c）為動態培養階段不同反應器的COD去除率變化圖。由圖可知，進水COD濃度范圍在8000mg/L至14000 mg/L時，四個反應器的COD去除率隨著COD的上升而穩步上升。當運行時間達到30天時，進水COD濃度為18000mg/L，四個反應器的COD去除率都呈現明顯下降趨勢，此時COD去除率大小排序為R4

圖2（d）為厭氧培養過程中反應器COD去除量變化圖。運行時間為0～52天，隨著進水COD濃度的增長，反應器的COD去除量始終保持穩定增長。具體有：進水COD濃度在8000～15000mg/L時，反應器COD去除量基本相同。進水COD濃度在18000mg/L～25000mg/L時，各反應器的COD去除量開始出現差異。在此期間，反應器COD去除量的排序為R2gt;R3gt;R4gt;R1。R2性能最優，進水COD濃度為25 000 mg/L時，容積負荷達到15.6 kg COD/（m³·d）。

結合圖2（c）和圖2（d）分析，進水COD濃度在18000～25000 mg/L時，反應器R2、R3和R4 COD去除率和COD去除量都遠遠高于反應器Rl，表明在動態下培養的厭氧生物膜反應器的COD去除量會高于靜止狀態下的反應器COD去除量。進水COD濃度在25000mg/L時，反應器R2、R3和R4的COD去除率大小排序為，R2gt;R3gt;R4，表明反應器的轉速越高，COD去除量越低。

2.2.2周期內反應器pH及COD變化

圖2（e）和圖2（f）分別為厭氧培養階段一個周期內的反應器pH變化及COD濃度變化圖。由圖2（f）可知，反應器在一個周期內pH的變化范圍為6～7.5，各反應器pH值的變化趨勢相似：在運行前4小時內反應器內pH值快速下降，之后pH緩慢升高。

從圖2（e）中可以看出，在進水后的前4小時，反應器內的COD并沒有明顯變化，之后在運行時間為4～8個小時，反應器內的有機物被快速降解，8個小時以后有機物降解速率有所減緩，直至24小時后，COD降解速率更加緩慢。另一方面，在運行時間為24 h時，反應器就已經去除了大部分COD，此時各反應器COD去除量占總COD去除量的比值分另0為88.8%、90.7%、89.4%、89.6%。

2.2.3COD降解曲線

COD降解曲線能夠用來判斷單位污泥的COD去除效率。

如圖3（a）所示不同反應器內所取污泥的有機物降解曲線及趨勢線方程。根據降解曲線方程可知，厭氧培養過程中反應器的轉速越大，形成的污泥具有的有機物降解速率越高。

2.2.4轉速對反應器COD去除率的影響

為了驗證處理性能的差異，設置進水COD濃度和相同反應器轉速，研究四個反應器對有機物的去除性能。試驗過程中，反應器轉速從小到大進行設置，即先將各反應器的轉速統一調整為0r/min，之后依次將四個反應器的轉速統一設置成50r/min、100r/min以及200r/min，測定在該階段下各反應器進出水COD。在第10天～12天轉速為0，第14天～16天轉速為50r/min，第18天～20天轉速為100r／min，第22天～24天轉速為200r/min。圖3（b）為試驗過程中反應器的COD去除率變化圖。圖3（c）為反應器出水SS變化曲線。

觀察圖3（b）可知，轉速統一設置為0r/min時，反應器R1的COD去除率沒有明顯變化，反應器R2、R3和R4的COD去除率均發生了大幅下降。在轉速為50r/min時，反應器R1的去除率沒有明顯變化，R2的COD去除率恢復到原有水平，此時反應器R3和R4的COD去除率得到明顯提升，均高于R2。之后繼續提升反應器轉速至200r/min，各反應器的COD去除率均出現下降。

如圖3（c）可知，運行時間為2～8天時，反應器出水SS大小排序為R4gt; R3gt;R2gt;R1。反應器轉速統一設置0r/min時，各反應器出水SS大小相同。隨著反應器轉速的增加，各反應器出水SS隨之增加。

綜合反應器COD去除率變化以及出水SS變化，推測轉速對反應器有機物去除效果的具有以下影響：轉速不僅關系到反應器內部的傳質速率，也影響反應器內厭氧生物膜的生長。當反應器生物膜靜止時，反應器內部傳質速率較低，導致四個反應器的COD去除率均處于較低水平。而提供太高的轉速，會導致反應器內的厭氧生物膜出現剝落，進而影響反應器整體的有機物去除性能。

3微生物群落特征研究

微生物群落結構和功能分析：

（1）門水平：污泥樣品在門水平下的微生物群落結構分布如圖4（a）所示。由圖可知，在門水平下，在污泥樣品中相對豐度排名1-4的菌門為Fir-micutes（厚壁菌門）、Euryarchaeota（廣古菌門）、Bacteroidota（擬桿菌門）、Actinobacteriota（放線菌門）。4種菌門都是在厭氧消化過程中常出現的優勢菌門，但4者具有的功能并不相同。Firmicutes門下微生物肽聚糖可以產生內孢子抵抗極端環境，因此適應于高有機負荷環境，門下微生物多為產酸菌，具有產酸、產CO₂的功能，因此在污泥樣品中Fir-micutes的豐度始終是最大的。Euryarchaeota門下的微生物多為產甲烷菌，即在厭氧消化產甲烷階段，以揮發性酸、H₂等為底物，將其轉化為CH₄和CO₂。Bacteroidota屬于專性厭氧桿菌，主要參與水解酸化過程，能夠代謝類固醇、多糖等。

初始污泥A1中這4種優勢菌門的相對豐度排序為Firmicutes（73.99%）、Actinobacteriota（10.43%）、Bacteroidota（5.68%）和Euryarchaeota（4.07%）。觀察圖可以發現模擬配水組與垃圾壓濾液組存在相似點在于相比于對照組A2和A6，隨著水力條件的增加，污泥樣品中Euryarchaeota的相對豐度都有了明顯的提升，說明在水力條件的影響下，容易促進產甲烷菌的生長，同時也說明在反應器中產酸階段與產甲烷階段是同時進行的。而兩組的不同點在于，在模擬配水組Actinobacteriota的具有較大相對豐度，而垃圾壓濾液組的Actinobacteriota的相對豐度只在2%左右。說明在水質單一的情況下，容易促進Ac-tinobacteriota門下的微生物生長。

（2）屬水平：圖4（b）為污泥樣品在屬水平下的微生物群落結構分布。如圖所示，排名前5的優勢屬為Lactococcus（乳球菌屬）、Eubacteriaceae（真桿菌屬）、Methanobrevibacter（甲烷短桿菌屬）、Acidam-inococcus（氨基酸球菌屬）和Norank_Eubacteriaceae（未標記真桿菌屬）。

有研究表明Bacteroides能有效分解大分子物質和難降解有機物，對難降解有機廢水的處理具有積極意義。對比模擬廢水組和垃圾壓濾液組的污泥樣品可以發現，利用垃圾壓濾液培養的污泥樣品中，Bacteroides的相對豐度要遠大于模擬配水組。Lactococcus是兼性厭氧菌，Eubacteriaceae則是嚴格厭氧，兩者均屬于Firmicutes，可以將多糖和蛋白質分解成丁酸、乙酸等，不產氣，它們是反應器中水解酸化階段的優勢菌屬。

Methanobrevibacter為革蘭氏陽性菌，極端嚴格厭氧，能量代謝來源于還原CO₂為CH₄；電子供體只有H₂、甲酸鹽和CO。在污泥樣品的Euryarchaeota門下占比均超過90%，是反應器內產甲烷階段的優勢菌種，根據屬水平下的微生物群落結構分析，認為高轉速能夠促進該菌屬的優勢生長。

模擬配水組污泥與實際配水組污泥菌屬的相對豐度具有相同的變化趨勢，根據兩組的菌屬相對豐度可知，反應器轉速的增加，會增加污泥內菌屬的種類，增加污泥菌屬的均勻度，這表明反應器的轉速越高，培養的污泥所具有的微生物群落多樣性越高。根據污泥樣品對應的單位污泥質量COD去除量，推測高轉速下培養的污泥樣品所具有的良好有機物去除性能是由各種菌屬之間相互協作達成的。

4結論

文章借鑒顆粒污泥的形成原理，在不同轉速下成功培養了動態厭氧生物膜。通過研究反應器對COD及SS的去除率等，驗證了轉速對厭氧生物膜的形成及反應器性能的影響。通過對研究過程中的厭氧污泥進行微生物群落特征分析，揭示關鍵微生物群落的作用。厭氧生物膜反應器對模擬配水及高濃度有機污水均有良好的有機物去除性能。轉速越大形成的污泥COD去除性能越好。對于反應器的有機物去除性能而言，適中的轉速能使得反應器處理效率保持在較高的水平。在微生物多樣性分析中，隨著水力條件的提升，厭氧生物膜的物種豐富度隨之減少，污泥的物質多樣性隨之提高。在屬水平下，隨著轉速的增加，樣品中的菌屬占比逐漸趨向均等，污泥所具有的微生物多樣性逐漸增高。