張勇，胡群林，王濤，徐廣松

（1.安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；2.環(huán)境污染控制與廢棄物資源化安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

近年來，城市人口的激增導致城市生活垃圾越來越多，生活垃圾焚燒發(fā)電作為一種高效的可實現(xiàn)垃圾資源化和減量化的處理技術，具有占地面積少、無害化等優(yōu)點，符合我國可持續(xù)發(fā)展的理念，逐漸成為今后城市生活垃圾處理的主要發(fā)展方向。

焚燒發(fā)電過程中所產(chǎn)生的垃圾滲濾液是最主要的污染物之一，相比于垃圾填埋場產(chǎn)生的滲濾液，同樣具有機物濃度高、氨氮濃度高、水質(zhì)變化大、存在一定的生物毒性等特點，但是垃圾焚燒滲瀝液具有更高的有機污染物濃度，且成分復雜，其COD和BOD均達到數(shù)萬mg/L，具有良好的可生物降解性能（BOD/COD＞0.5），適合應用厭氧生物處理技術。上流式厭氧污泥床（UASB）因具有容積負荷高、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點而在滲濾液處理中的研究和應用越來越多。但同時UASB反應器也存在啟動時間長、抗有機負荷（OLR）沖擊能力差、運行不穩(wěn)定、直接處理原液困難等問題，使得反應器處理效率大大降低。

研究發(fā)現(xiàn)通過投加載體材料是有效措施之一。YuqingLei等向UASB反應器中投加活性炭，發(fā)現(xiàn)當有機負荷為25 kgCOD/（m·d）時，COD去除率仍保持在90%以上。Yang Bo等向厭氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中添加合成的GAC-MnO復合材料，發(fā)現(xiàn)COD去除效率和CH產(chǎn)率分別提高了77%和36%。蜂巢石因其較大的比表面積，內(nèi)部多孔隙結構，化學和穩(wěn)定性好，且原料來源易得、成本低廉，因此同樣存在作為厭氧體系中載體材料的可能。為進一步提升UASB處理負荷及處理效率，本研究向UASB反應器中投加蜂巢石，研究蜂巢石對反應器性能及產(chǎn)甲烷菌群落結構的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

垃圾滲濾液原液是取自某垃圾焚燒發(fā)電廠調(diào)節(jié)池，試驗用水是經(jīng)過原液稀釋而成，接種污泥取自該發(fā)電廠污泥濃縮池，含水率83.71%，污泥質(zhì)量濃度約為35 g/L，VSS/TSS為0.6。對照組（R0）接種污泥量占反應器有效容積的30%，實驗組（R1）在接種等量污泥的基礎上再投加500 g粒徑約為3～5 mm蜂巢石。

1.2 實驗裝置

兩個UASB反應器完全相同，有效容積4.5L，反應區(qū)用遮光紙包裹，避免光照對微生物的影響。反應器設有外水浴循環(huán)裝置用來保證反應器內(nèi)溫度維持在35±2℃。

圖1 實驗裝置圖

1.3 運行方式

UASB反應器采用連續(xù)進出水的方式，保持水力停留時間不變，逐漸提高進水CODCr濃度。通過投加碳酸氫鈉保持進水pH值為6.5～7.6。UASB反應器具體運行參數(shù)如表2。

表1 垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液水質(zhì)指標

表2 UASB反應器各階段運行參數(shù)

1.4 分析項目及方法

化學需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定；VFA采用酸堿滴定法。三維熒光光譜采用日立F-7000熒光光度計分析，激發(fā)波長（Ex）范圍200～450 nm，發(fā)射波長（Em）280～550 nm，帶通均為2 nm，掃描速度2 400 nm/min。為降低測量時產(chǎn)生的內(nèi)濾效應，將待測水樣經(jīng)適當稀釋后用0.45 μm的濾膜過濾，運用Origin繪制熒光光譜圖。

運用電子掃描顯微鏡（JSM-7500F）及相差熒光顯微鏡顯微鏡（BX51）觀察厭氧污泥形貌。污泥粒徑采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定。

產(chǎn)甲烷菌群落結構采用高通量測序的方法，在穩(wěn)定階段第（100天）和負荷沖擊階段（第152天）取 樣 分 別 命 名 為R0（100）、R1（100）、R0（152）、R1（152）。使用Soil DNA Kit試劑盒提取污泥樣品中DNA，用細菌引物338F：5'-ACTCCTAC GGGAGGCAGCA-3'和806R：5'-GGACTACHVGGG TWTCTAAT-3'對 16S V3+V4 區(qū)域進行擴增，擴增條件如下：在98℃條件下初變性2 min，在（98℃30 s，50℃30 s，72℃ 60 s）條件下循環(huán)30個周期，最后在72℃下延伸5 min。將擴增子送至百邁克生物公司的IlluminaMiSeq平臺上進行高通量測序。

2 結果與討論

2.1 反應器CODCr去除效果分析

UASB反應器運行168天，啟動階段為減小垃圾滲濾液中毒性物質(zhì)對微生物的影響，采用低負荷的運行方式來啟動UASB反應器，初始進水 有 機 負 荷 為1.52 kgCOD/（m·d），隨 著 微 生物對水質(zhì)特性的適應，反應器CODCr去除率逐漸從50%上升到85%以上。與R0相比，R1提前12天COD去除率達到85%以上進入穩(wěn)定階段，投加蜂巢石填料明顯縮短了反應器的啟動時間。在穩(wěn)定階段運行過程中，有機負荷提升從3.84 kgCOD/（m·d）提 升 至7.70 kgCOD/（m·d），R1、R2反應器CODCr平均去除率均穩(wěn)定在90%以上。

為進一步探究其抗有機負荷沖擊能力，再次提高進水有機負荷至28.77 kgCOD/（m·d），結果發(fā)現(xiàn)：當進水有機負荷提升至9.93 kgCOD/（m·d）以后，R0、R1反應器COD去除率均開始出現(xiàn)下降，同時反應器VFA濃度（圖2b）均有所升高。R1反應器經(jīng)過12天之后CODCr去除率又穩(wěn)定在95%以上，同時VFA也穩(wěn)定在700 mg/L以下，而R0反應器在有機負荷為14.38 kgCOD/（m·d）時CODCr去除率開始急劇下降，說明此時達到R0反應器的最大處理能力，負荷沖擊過程中VFA逐漸大量累積，在第168天時達到1254 mg/L。相關研究表明，有機負荷提升可迅速產(chǎn)生更多的酸中間產(chǎn)物，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下VFA分解為乙酸、氫氣和二氧化碳，然后在產(chǎn)甲烷菌的作用下產(chǎn)生甲烷，由于產(chǎn)甲烷菌對pH較為敏感，并使反應器的pH降至低于產(chǎn)甲烷菌的耐受水平，從而影響產(chǎn)甲烷效率。R1反應器在有機負荷為28.77 kgCOD/（m·d）時COD去除率仍為97%，與R0相比，R1反應器所能承受的進水有機負荷提高了2倍，可能是由于蜂巢石作為微生物附著的載體，提高了微生物的多樣性與豐富度。說明投加蜂巢石能有效提高厭氧系統(tǒng)酸緩沖能力，促進VFA向產(chǎn)甲烷途徑降解，提高UASB反應器處理高濃度有機廢水能力，保持反應器高效穩(wěn)定運行。

圖2 （a）CODCr去除率隨進水有機負荷的變化情況 （b）負荷沖擊階段出水VFA變化情況

2.2 進出水三維熒光光譜分析

三維熒光光譜技術具有測試精確、操作快速、成本低且對樣品無破壞的優(yōu)點，可高效的表征水體中DOM。在三維熒光光譜圖中熒光峰顏色的深淺可直觀反應污染程度，顏色越深說明該位置所代表的有機物濃度越高。根據(jù)文獻中的分類方法，圖4中共出現(xiàn)4中熒光特征峰，分別代表四種不同類型的有機物，分別為峰A（色氨酸類蛋白物質(zhì)，Ex/Em=225（230）/340），峰B（溶解性微生物代謝產(chǎn)物，Ex/Em=280/350（360））、峰C（富里酸類物質(zhì)，Ex/Em=250（255）/450）峰D（腐殖酸類物質(zhì)，Ex/Em=330/410（415）），隨著進水有機負荷的提升，反應器進出水DOM熒光峰強度也在不斷增強。

由圖3發(fā)現(xiàn)，運行至第15天時，進水中峰A、峰B的熒光強度分別為4918、4434，R1反應器出水峰A、峰B的熒光強度分別為1673、1761，分別比R0低19.1%、21.8%，并未檢測出峰C、峰D。運行至152天時，進水中峰A、峰B、峰C、峰D的熒光強度分別為7578、10000、3755、2517，R1反應器出水分別為R1反應器出水峰A、B、C、D的熒光強度分別為3395、3326、3949、2611，分別比R0低6.1%、14.8%、22.4%、9.9%，由此說明廢水中主要溶解性有機物為色氨酸類蛋白物質(zhì)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物，在厭氧微生物的作用下進一步被分解利用，熒光峰強度大幅度減弱，然而富里酸類物質(zhì)和腐殖酸類物質(zhì)對應的熒光峰強度幾乎沒有改變，相對較難降解。同時也說明R1反應器對有機物的去除效率更高，由于蜂巢石的加入為微生物的附著提供了良好的生長位點，增加了微生物群落結構的多樣性，從而促進微生物對溶解性有機物的降解。

圖3 不同時間反應器進出水三維熒光光譜圖

2.3 厭氧顆粒污泥形態(tài)分析

厭氧顆粒污泥的形成是UASB反應器高效穩(wěn)定運行的關鍵，通常顆粒污泥的粒徑范圍為0.14～5 mm之間，粒徑的大小及強度受廢水種類、運行參數(shù)等諸多條件的影響。分別在運行的第15 d、80 d進行取樣，通過光學顯微鏡以及電子掃描顯微鏡觀察其形態(tài)結構，研究蜂巢石對污泥顆?；挠绊憽Ｓ蓤D4可知接種污泥呈絮狀，結構松散，顏色為棕灰色，外形不規(guī)則。反應器運行至15天時，可以看見污泥顏色變深，污泥結構變密實，有少量顆粒狀污泥出現(xiàn)，通過a2與b2比較發(fā)現(xiàn)R1反應器中污泥顏色更深，粒徑略大與R0。SEM顯示顆粒污泥表面主要以桿菌和球菌為主，絲狀菌較少，污泥表面桿菌相互交錯纏繞，維持著污泥密實性與整體性。通過圖a3與b3比較發(fā)現(xiàn)R1反應器中污泥結構更加光滑密實，桿菌球菌分布更加密集，表明添加蜂巢石反應器的顆粒污泥有更高的機械強度。

圖4 厭氧顆粒污泥形態(tài)結構（a1～a3）R0反應器；（b1～b3）R1反應器

粒徑變化可直觀體現(xiàn)污泥顆?；^程。從圖5a可以看出，接種污泥粒徑小于0.2 mm占98.72%，幾乎全部為絮狀污泥。在運行至15天時投加蜂巢石反應器中污泥粒徑明顯更大，大于0.2 mm的污泥占污泥總量的53.17%，而R0反應器為31.92%，此時R1反應器COD去除率達到85%以上，反應器進入穩(wěn)定階段。反應器運行到第27天時，R0反應器中污泥粒徑分布才基本與R1反應器相近。R0反應器COD去除率才基本穩(wěn)定達到85%以上。與R0相比，投加蜂巢石（R1）反應器啟動時間縮短了12天，加速了污泥顆?；M程。其作用機理可能是微生物吸附在蜂巢石表面，以蜂巢石為“晶核”，污泥粒徑快速生長。

圖5 不同反應器啟動過程中的粒徑分布圖（a）第15天；（b）第27天

2.4 產(chǎn)甲烷菌群落結構分析

各階段門分類水平上的比較如圖6所示，R0、R1中優(yōu)勢菌門均為廣古菌門（Euryarchaeota），屬分類水平上分析表明主要產(chǎn)甲烷菌屬為產(chǎn)甲烷桿菌（Methanobacterium）、產(chǎn)甲烷絲菌（Methanosaeta）、產(chǎn)甲烷八疊球菌（Methanosarcina），產(chǎn)甲烷桿菌為氫型產(chǎn)甲烷菌，主要利用H/CO或甲酸產(chǎn)甲烷，產(chǎn)甲烷絲菌為乙酸型產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)甲烷八疊球菌可以使用幾種底物產(chǎn)生甲烷，包括乙酸、H/CO和甲基化合物。反應器穩(wěn)定階段優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌均為產(chǎn)甲烷桿菌，在R0、R1反應器中相對豐度分別為88.5%、61.5% 。在負荷提升階段，產(chǎn)甲烷絲菌豐度均有增加，在R0、R1反應器中相對豐度分別為23.0%、55.9%。R0中的優(yōu)勢菌屬仍為產(chǎn)甲烷桿菌，而R1中產(chǎn)甲烷絲菌代替了產(chǎn)甲烷桿菌成為了優(yōu)勢菌屬。

圖6 產(chǎn)甲烷菌結構與分布（a）門水平；（b）屬水平

有機負荷的連續(xù)提高使得水質(zhì)的快速變化顯著干擾微生物群落，導致VFA的過量積累對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用。由于R0反應器中產(chǎn)甲烷絲菌豐度較低，導致VFA不能及時轉(zhuǎn)化使得反應器酸化逐漸崩潰。而在R1反應器能夠及時將大量VFA分解產(chǎn)生甲烷，使得反應器能夠轉(zhuǎn)化更多的VFA，承受更高的有機負荷?？赡苁怯捎谕都臃涑彩軌驗楫a(chǎn)甲烷菌的生長提供舒適的場所，在有機負荷的沖擊下蜂巢石能夠保護產(chǎn)甲烷菌免受不利條件的影響，保持較高的活性，從而能夠根據(jù)環(huán)境變化，快速生長繁殖所需要產(chǎn)甲烷菌。

3 結論

向厭氧生物反應器中投加生物載體是提高反應器性能的有效措施。投加蜂巢石可以縮短UASB反應器啟動時間，同時能提高UASB反應器抗沖擊負荷能力，承受更高的有機負荷。在有機負荷為28.77 kgCOD/（m·d）的條件下，投加蜂巢石的UASB反應器仍能高效穩(wěn)定運行，COD去除率達到97%，高于對照組的68%。并且蜂巢石豐富的多孔結構可以作為微生物生長聚集的惰性核心，提高顆粒污泥的機械強度與穩(wěn)定性，增大顆粒污泥粒徑，加速污泥顆?；M程，同時為微生物的生長及富集提供了位點，增加了微生物的多樣性和豐富度，使得優(yōu)勢菌種由產(chǎn)甲烷桿菌（Methanobacterium）轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)甲烷絲菌（Methanosaeta），提高了UASB反應器的抗沖擊負荷能力。