小編導(dǎo)讀 來自東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院呂錫武老師課題組的最新研究，通過折流板厭氧反應(yīng)器（ABR）處理農(nóng)村生活污水的啟動運行，通過高通量測序技術(shù)，研究反應(yīng)器中污泥微生物相關(guān)特性。研究結(jié)果表明：反應(yīng)器采用低負荷啟動、階段提高有機負荷方式，可以在60 d內(nèi)實現(xiàn)掛膜完成，反應(yīng)器對污水中化學(xué)需氧量(COD)去除率在66％左右，出水pH值穩(wěn)定在6.35~7.05；顆粒污泥中主要優(yōu)勢細菌種群有變形桿菌（proteobacteria）、擬桿菌綱(bacteroidetes) 、綠彎菌綱（chloroflexi）。運行啟動后，在污泥中出現(xiàn)廣古菌門（euryarchaeota）、嗜熱絲菌門(caldiserica)、螺旋菌門（spirobacteria）。運行穩(wěn)定后，細菌生物量含量會減少，這表明ABR啟動對原始污泥的微生物的種類起到顯著的選擇作用。 厭氧折流板反應(yīng)器（anaerobic baffled reactor，ABR）是具有特別的模塊化結(jié)構(gòu)的高效處理廢水厭氧生物反應(yīng)器，由于這種特殊的性質(zhì)，每個隔室都可以馴養(yǎng)微生物群落適應(yīng)廢水和環(huán)境條件,而且微生物在反應(yīng)器中的分布,污染物在各種微生物種群共同作用下得到降解去除。此外，由于污水的上下流動模式，會使污水和污泥完全接觸，大大增加了抗負荷沖擊能力。ABR反應(yīng)器的優(yōu)點是設(shè)計簡單、污泥停留時間長、水力停留時間低、固液分離效果好、運行管理方便和穩(wěn)定的沖擊負荷。此外,由于其分割多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)器有能力減少生物量沖刷和分離厭氧微生物群落的空間排列，當(dāng)pH和溫度等環(huán)境參數(shù)的變化，反應(yīng)器不會受到太大的影響。 農(nóng)村生活污水污染主要由以下原因：首先現(xiàn)有的城鎮(zhèn)的污水工藝本身不適合分散式農(nóng)村生活污水治理的需求；農(nóng)村居民分布廣且分散，生活污水間歇排放，而且農(nóng)村污水處理技術(shù)起點低，再加上管理水平低下，缺乏有效監(jiān)管體制等原因，使得農(nóng)村污水沒有完全處理；隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，農(nóng)村的種植業(yè)、畜牧業(yè)快速發(fā)展，但是產(chǎn)生的污水直接排入水體，造成水體水質(zhì)惡化，惡臭污染。目前適合農(nóng)村污水處理的工藝路線是“厭氧、缺氧+ 跌水曝氣生物接觸氧化+水耕蔬菜人工濕地”工藝組合，其中厭氧、缺氧單元的作用是將高濃度有機物轉(zhuǎn)變成VFA、沼氣，反硝化除氮；跌水曝氣生物接觸氧化單元作用是繼續(xù)降解有機物并完成硝化過程；水耕蔬菜人工濕地單元的作用是氮、磷作營養(yǎng)物質(zhì)被吸收，培植水生蔬菜。所以整個工藝過程厭氧部分反應(yīng)器的選擇和啟動方式非常重要。 本文以農(nóng)村生活污水為研究對象，通過在ABR反應(yīng)器的格室中增加彈性填料，為反應(yīng)器中微生物菌群的富集提供場所，作為其活動的載體；另一方面具有延長厭氧污泥的污泥齡的效果，加強生活污水在反應(yīng)器各格室與厭氧污泥接觸，進一步提高反應(yīng)器的處理效果。本文考察其對生活污水的處理效能，并借助高通量測序技術(shù)分析反應(yīng)器成功啟動時同一個格室內(nèi)懸浮污泥的微生物菌落的變化，為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。 試驗在位于江蘇省無錫市無錫新區(qū)東南大學(xué)無錫分校進行。試驗的厭氧折流板反應(yīng)器由PVC制作。外形尺寸：長為1 m，寬為0.25m，高為0.80 m，有效容積為160 L。反應(yīng)器內(nèi)裝有豎向?qū)Я靼?，將其分割?個隔室。每個反應(yīng)室內(nèi)裝有填料，填料為無紡布布條，加工成若干寬為5 cm、長為35 cm的布條。每個隔室的出水處均設(shè)有DN10的取樣口。反應(yīng)器下方，由支架撐起，每個反應(yīng)室的下方裝有排泥管和閥門。ABR反應(yīng)器頂部裝有集氣口，并和濕式氣體流量計相連。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖１所示。
本試驗用水來自東南大學(xué)無錫分校校園生活污水，包括宿舍、餐廳等樓棟的生活污水和雨水組成。污水水質(zhì)會受到雨天雨水的沖擊而波動，試驗用水的水質(zhì)和水量及排放特征與小型分散式生活污水類似。試驗所用的接種污泥來自無錫市蘆村污水處理廠的二沉池污泥，經(jīng)培養(yǎng)馴化后使用。試驗期間的進水水質(zhì)如表1所示。
表1 生活污水水質(zhì)
項目 | 數(shù)值 | 平均值 |
COD/（mg·L-1） | 183.0~324.5 | 258.4 |
TN/（mg·L-1） | 22.4~43.5 | 33.8 |
NH4+-N/（mg·L-1） | 15.4~35.7 | 25.6 |
TP/（mg·L-1） | 3.4~5.1 | 4.3 |
pH值 | 6.89~7.23 | 7.06 |
水質(zhì)分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》，其中COD：重鉻酸鉀法，NH4+-N：水楊酸鹽分光光度法。污泥揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）采用重量法測定，沼氣采用濕式防腐氣體流量計（長春汽車濾清器有限責(zé)任公司）計量。采用高通量測序技術(shù)對顆粒污泥中微生物進行分析。
利用高通量對16SDNA 測序是指對環(huán)境樣品（土壤、海洋、淡水、腸道等）微生物的 16S DNA 的 PCR 產(chǎn)物進行高通量測序，并將得到的測序數(shù)據(jù)與已有的16S DNA 數(shù)據(jù)庫進行比對分析，從而對環(huán)境群落多樣性（包括微生物的種類，不同種類間的相對豐度等）進行研究。本試驗從ABR的相同隔室下部排泥管取出原始污泥(PS)、啟動25 d的污泥厭氧污泥1（AS1）和啟動完成的污泥厭氧污泥2（AS2），送往上海生工生物工程股份有限公司進行測序，檢測得到細菌相應(yīng)序列進行后續(xù)分析。根據(jù)所擴增的 16SDNA 區(qū)域特點，基于 Illumina Miseq 技術(shù)測序平臺，利用雙末端測序（Paired-End）的方法，構(gòu)建小片段文庫進行雙末端測序。通過分析樣品中的微生物多樣性，完成標(biāo)準(zhǔn)信息分析和高級信息分析。
試驗污泥取自無錫市蘆村污水處理廠二沉池回流污泥。取回后，靜置幾日，棄去上清液。加入COD等營養(yǎng)元素，在容器密封厭氧條件下，放置一周左右。將密封條件下靜置一周后的接種污泥，均勻攪拌，并倒入?yún)捬跽哿靼宸磻?yīng)器內(nèi)。反應(yīng)器裝填無紡布填料，厭氧接種污泥占反應(yīng)器有效體積的1/3。密封厭氧厭氧反應(yīng)器，并用蠕動泵通入生活污水（180~330 mg/L）。厭氧折流板反應(yīng)器具有高效截留污泥的作用，可采用連續(xù)流進水的培養(yǎng)方式。啟動開始期HRT為72 h，然后逐步縮短水力停留時間至48、24 h。龔浩等[12]采用低負荷方式結(jié)合好氧曝氣預(yù)掛膜填料來啟動ABR，在穩(wěn)定階段，出水COD值就降到100 mg/L以下，同時去除率到達79.0%，pH值穩(wěn)定在7.04~7.20。反應(yīng)器經(jīng)過70 d的時間啟動完成。通過對比發(fā)現(xiàn)，本試驗ABR經(jīng)過60多天的培養(yǎng)，厭氧折流板反應(yīng)器對COD的去除率穩(wěn)定在66%以上，如表2所示，pH值穩(wěn)定在7.03~7.23，出水中沒有黑色懸浮物質(zhì)。由此推斷，掛膜完成，反應(yīng)器啟動成功。
表2 啟動過程參數(shù)
階段 | 時間 | HRT | 容積負荷 | COD平均 |
/d | /h | /(kg·m-3·d-1) | 去除率 | |
啟動開始期 | 15 | 72 | 0.13 | 17.4% |
增加負荷期1 | 15 | 48 | 0.36 | 37.4% |
增加負荷期2 增加負荷期3 穩(wěn)定運行期 | 15 10 5 | 24 12 24 | 1.15 2.51 1.34 | 58.8% 64.9% 65.9% |
本試驗采用低負荷方式啟動，通過調(diào)節(jié)流量，逐步減少HRT，使進水有機負荷逐漸增加。表2是反應(yīng)器啟動階段的各項參數(shù)，如運行時間、HRT、容積負荷、平均COD去除率。由圖2可知， 在啟動初期(1~15ｄ)，其平均進水COD為315 mg/L，COD去除率為26％，但是去除率波動很大，原因是原始污泥未能適應(yīng)新環(huán)境而出現(xiàn)部分的污泥水解，從而致使COD去除效果較差。8 d后，反應(yīng)器的去除率逐漸提高。增加負荷期（21~55 d）：這個階段分3次提高有機負荷，HRT分別為48、24 h和12 h，運行時間分別為15、15 d和10 d，有機負荷分別在 0.28~0.51、1.1~1.25、2.23~2.91 kg COD/(m3·d)波動，平均COD去除率分別為37.5%、58.8%、64.8%。穩(wěn)定運行期（56~60 d）：本階段的有機負荷在1.27~1.42kg COD/(m3·d)波動，COD值最低為95.3 mg/L，去除率最高到達66%。最后穩(wěn)定運行期，去除率均穩(wěn)定在65.9%以上，出水COD值在92~105mg/L。
圖2 ABR厭氧反應(yīng)器啟動期COD去除效果
本試驗ABR進水來自農(nóng)村生活污水，進水pH值為7.15~7.31，圖3為啟動期間ABR進出水和各隔室內(nèi)的pH變化曲線。1#隔室pH值在反應(yīng)器啟動時維持在5.97~6.95，2#隔室在6.05~7.04，3#隔室在6.35~7.02，出水在6.35~7.05，可以看出反應(yīng)器中各格室都pH維持在厭氧菌群正常范圍內(nèi)，而整個反應(yīng)器的啟動良好。在第一隔室后，大分子有機物發(fā)生分解，生成有機酸等中間產(chǎn)物，會使pH下降，反應(yīng)器中的產(chǎn)甲烷菌會消耗掉一些有機酸，所以反應(yīng)器的pH隨著水流方向呈升高趨勢。說明ABR反應(yīng)器有良好的抗沖擊負荷的能力。
圖3 啟動期間進出水以及各隔室的pH變化情況
圖4是進出水和各隔室氨氮變化，可見氨氮濃度在各隔室內(nèi)逐漸增加，進水氨氮平均濃度為20.4mg/L，出水為26.7 mg/L。厭氧條件下污泥中厭氧氨化菌的作用使得污水中的有機氮化物如蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等轉(zhuǎn)化為氨氮，直接增加了反應(yīng)器內(nèi)氨氮的濃度，在整套污水處理工藝中，在ABR反應(yīng)器后增加好氧處理工藝，會取得氨氮好的處理效果。
圖4 進出水和各隔室氨氮變化
圖5是有機負荷及產(chǎn)氣量隨時間的變化。在啟動第一階段時，反應(yīng)器的有機負荷較低，只有0.278kg COD/（m3·d）,反應(yīng)器的產(chǎn)氣量在0.6 L/d，這主要是因為在剛啟動階段，反應(yīng)器格室產(chǎn)甲烷菌屬于絕對厭氧細菌，其世代周期較長，對環(huán)境較敏感，活性非常弱，因此產(chǎn)氣率較低。在第35~50ｄ，每天用氣體收集袋收集1 L以上的沼氣。圖6是啟動期間單位COD去除量對應(yīng)產(chǎn)氣量。啟動期間，反應(yīng)器的單位COD去除量對應(yīng)產(chǎn)氣量為0.35~0.56m3/kg COD。第10~60 d，平均為0.466 m3/kg COD。用對聶威等用IC反應(yīng)器處理蔗渣堆場噴淋廢水，去除每千克COD產(chǎn)沼氣0.42 m3。M. Mahadevaswamy等用UASB處理造紙廢水，啟動階段平均產(chǎn)氣量為0.40 L/g COD。相比說明，ABR反應(yīng)器處理農(nóng)村生活污水時具有較好的產(chǎn)氣率。
圖5 啟動期間產(chǎn)氣量變化情況
圖6 啟動期間單位COD去除量對應(yīng)產(chǎn)氣量
本試驗采用高通量測序技術(shù)對反應(yīng)器相同隔室中的顆粒污泥中微生物進行分析。
由微生物群落多樣性 Shannon 指數(shù)（圖7）可知，好氧污泥微生物種類豐富，而厭氧污泥微生物種類相對稀少。原始污泥的Shannon 指數(shù)最高，為 7左右，厭氧污泥2（AS2）Shannon 指數(shù)為6，厭氧污泥1（As1）的微生物多樣性最低，Shannon 指數(shù)為 5.5 左右。原始污泥來自于污水處理廠的二沉池，微生物多樣性高，進入反應(yīng)器后，污泥中不能適應(yīng)厭氧環(huán)境的微生物死亡，微生物多樣性大大降低。經(jīng)過一段時間的馴化后，污泥中微生物越來越多，多樣性又上升。
圖7 香農(nóng)指數(shù)稀疏分析圖
由微生物群落的 PCoA 分析（圖8）可知，厭氧污泥1（AS1）與厭氧污泥2（AS2）在PC1水平上分離距離較近，在PC2上分離距離較大，這表明二者的親緣關(guān)系較近。原始污泥（PS）與厭氧污泥1（AS1）、厭氧污泥2（AS2）在 PC1 和 PC2 水平上分離距離均較遠，表明原始污泥與二者的親緣關(guān)系較遠。所以，ABR啟動以后，對原始污泥的微生物的種類起到顯著的選擇作用。
圖8 主坐標(biāo)分析法（PCoA）
圖9為原始污泥（PS）、厭氧污泥1（AS1）、厭氧污泥2(AS2)的微生物各樣本在門水平上菌群分布圖，綜合可知，變形桿菌（proteobacteria）的生物量最豐富，為優(yōu)勢細菌種群。擬桿菌綱(bacteroidetes)、 綠彎菌綱（chloroflexi）的生物量含量比較多。廣古菌門（euryarchaeota）、嗜熱絲菌門(caldiserica)、螺旋菌門（spirobacteria）的生物量含量較小。
圖9 門水平上菌群分布圖
原始污泥（PS）的微生物與厭氧污泥1（AS1）相比，變形桿菌（proteobacteria）、擬桿菌綱(bacteroidetes)的生物量減少，綠彎菌綱（chloroflexi）的 生物量增加。廣古菌門（euryarchaeota）、嗜熱絲菌門(caldiserica)、螺旋菌門（spirobacteria）在原始污泥中含量很低，運行啟動后有了較大程度的增長。這表明ABR啟動后，原始污泥微生物種類發(fā)生顯著的變化。廣古菌門(euryarchaeota) 包含了古菌中的大多數(shù)種類，主要為產(chǎn)甲烷菌、鹽桿菌、嗜熱菌。廣古菌門(euryarchaeota)的數(shù)量增多，說明ABR啟動后，原始污泥已經(jīng)漸漸馴化成厭氧污泥了。
厭氧污泥1（AS1）的微生物與厭氧污泥2（AS2）相比，變形桿菌（proteobacteria）、擬桿菌綱(bacteroidetes) 、厚壁菌門(firmicutes)的生物量繼續(xù)減少，這說明這幾種菌不適應(yīng)厭氧環(huán)境，在競爭中處于劣勢。綠彎菌綱（chloroflexi）、綠菌門 (chlorobi)的生物量增加。廣古菌門 （euryarchaeota）、嗜熱絲菌門(caldiserica)、螺旋菌門（spirobacteria）比啟動初期時生物量含量稍微減少。
在科水平上，三個樣本菌群數(shù)量的變化比較大厭氧繩菌科（anaerolineaceae）、腸桿菌科（enterobacteriaceae）、噬幾丁質(zhì)菌科（chitinophagaceae）的生物量相對多。甲基孢囊菌科（methylocystaceae）、黃單胞菌科(xanthomonadaceae)、紅環(huán)菌科（rhodocyclaceae）、生絲微菌科（hyphomicrobiaceae）的生物量含量較小。隨著反應(yīng)器的啟動，厭氧繩菌科（anaerolineaceae）的含量越來越多，其具有降解碳水化合物和細胞物質(zhì)的重要作用。腸桿菌科（enterobacteriaceae）含量先明顯增多后減少。黃桿菌科(flavobacteriaceae)、 莫拉菌科(moraxellaceae)含量越來越少，競爭中處于劣勢。
（1）本研究采用高通量測序技術(shù)，對啟動中厭氧污泥中微生物菌群進行分析，顆粒污泥中門水平上主要優(yōu)勢細菌種群有變形桿菌（proteobacteria）、擬桿菌綱(bacteroidetes) 、綠彎菌綱（chloroflexi）。運行啟動后，在污泥中出現(xiàn)廣古菌門（euryarchaeota）、嗜熱絲菌門(caldiserica)、螺旋菌門（spirobacteria）。運行穩(wěn)定后，細菌生物量含量會減少。在科水平上，細菌種群變化較大，厭氧繩菌科（anaerolineaceae）、腸桿菌科（enterobacteriaceae）含量較多。厭氧繩菌科主要起降解碳水化合物和細胞物質(zhì)的作用。
（2）在格室中添加彈性填料的改進型ABR反應(yīng)器，采用接種污水廠二沉池污泥，靜置幾日，棄去上清液。加入COD等營養(yǎng)元素，放置一周左右。采用低負荷方式啟動，通過調(diào)節(jié)流量，逐步減少HRT，使進水有機負荷逐漸增加，可在60 d內(nèi)成功啟動處理生活污水。反應(yīng)器穩(wěn)定運行時，生活污水進水COD為258.4 mg/L左右，出水COD值在92~105 mg/L，去除率均穩(wěn)定在65.9%。出水pH值在6.35~7.05，氨氮進水的平均濃度為20.4 mg/L，出水為26.7 mg/L，平均的氨化率為30.9%。啟動期間平均產(chǎn)氣率為0.466 m3/kgCOD，具有較好的產(chǎn)氣量。
（3）PCoA分析顯示，原始污泥與厭氧污泥的親緣關(guān)系較遠，ABR啟動對原始污泥的微生物的種類起到顯著的選擇作用。由Shannon指數(shù)可知，啟動成功后，與其他厭氧污泥的微生物菌群多樣性較高，有利于降解碳水化合物，為后續(xù)的微生物的提供碳源。
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