關(guān)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(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多行業(yè)都會(huì)產(chǎn)生高濃度有機(jī)廢水，包含石油化工、養(yǎng)殖畜牧業(yè)、垃圾處置等行業(yè)。其具有高毒性、生物積累性、半揮發(fā)性等性質(zhì)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的危害是重大且長(zhǎng)遠(yuǎn)的。垃圾壓濾液就是一種高濃度有機(jī)廢水，主要成分是垃圾中轉(zhuǎn)站中壓縮垃圾過(guò)程中產(chǎn)生的壓濾液，另外還有少部分源自轉(zhuǎn)運(yùn)站的沖洗廢水以及站內(nèi)工作人員的生活廢水。目前，中國(guó)垃圾分類措施并不完善，各類垃圾混雜，這導(dǎo)致了垃圾壓濾液中物質(zhì)成分復(fù)雜，包含大量懸浮物、漂浮物和油脂等污染物。其具有有機(jī)物含量高、水質(zhì)波動(dòng)大，水量間斷以及可生化性好等優(yōu)點(diǎn)。相較于物理化學(xué)處理，生物處理技術(shù)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(shù)具有能耗低、產(chǎn)泥量低和處理效果較好等優(yōu)點(diǎn)。此研究以高濃度有機(jī)廢水為處理對(duì)象，研究水力條件對(duì)厭氧生物膜反應(yīng)器去除有機(jī)物的性能影響。

1材料和方法

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)：如圖l（a）和圖l（b）所示分別為反應(yīng)器示意圖和反應(yīng)器實(shí)物圖。在實(shí)驗(yàn)中，涉及到水力條件對(duì)生物膜生長(zhǎng)的影響。文章以不同的轉(zhuǎn)速來(lái)表征不同的水力條件，并計(jì)算相應(yīng)的雷諾數(shù)。共設(shè)置了四個(gè)相同類型的反應(yīng)器，四個(gè)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速分別為0r/min（靜止?fàn)顟B(tài)）、50r/min、100r/min和200r/min。對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)分別為0、10、20和40，并分別命名為反應(yīng)器Rl、反應(yīng)器R2、反應(yīng)器R3和反應(yīng)器R4。

2動(dòng)態(tài)厭氧生物膜的培養(yǎng)及反應(yīng)器性能研究

2.1厭氧生物膜啟動(dòng)階段

COD去除率變化實(shí)驗(yàn)中的四個(gè)反應(yīng)器各階段工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

如圖2（a）所示啟動(dòng)階段COD去除率?？芍膫€(gè)反應(yīng)器的COD去除率變化基本一致。在啟動(dòng)階段，隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，各反應(yīng)器的COD去除效率均在增加。培養(yǎng)時(shí)間為第12天時(shí)，四個(gè)反應(yīng)器的出水COD去除率均達(dá)到了40%以上。并且四個(gè)反應(yīng)器的COD去除率都有明顯的隨時(shí)間變化而上升的趨勢(shì)。

2.2轉(zhuǎn)速對(duì)反應(yīng)器厭氧處理過(guò)程的影響

2.2.1培養(yǎng)過(guò)程中COD去除量變化

圖2（c）為動(dòng)態(tài)培養(yǎng)階段不同反應(yīng)器的COD去除率變化圖。由圖可知，進(jìn)水COD濃度范圍在8000mg/L至14000 mg/L時(shí)，四個(gè)反應(yīng)器的COD去除率隨著COD的上升而穩(wěn)步上升。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到30天時(shí)，進(jìn)水COD濃度為18000mg/L，四個(gè)反應(yīng)器的COD去除率都呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，此時(shí)COD去除率大小排序?yàn)镽4

圖2（d）為厭氧培養(yǎng)過(guò)程中反應(yīng)器COD去除量變化圖。運(yùn)行時(shí)間為0～52天，隨著進(jìn)水COD濃度的增長(zhǎng)，反應(yīng)器的COD去除量始終保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。具體有：進(jìn)水COD濃度在8000～15000mg/L時(shí)，反應(yīng)器COD去除量基本相同。進(jìn)水COD濃度在18000mg/L～25000mg/L時(shí)，各反應(yīng)器的COD去除量開(kāi)始出現(xiàn)差異。在此期間，反應(yīng)器COD去除量的排序?yàn)镽2gt;R3gt;R4gt;R1。R2性能最優(yōu)，進(jìn)水COD濃度為25 000 mg/L時(shí)，容積負(fù)荷達(dá)到15.6 kg COD/（m³·d）。

結(jié)合圖2（c）和圖2（d）分析，進(jìn)水COD濃度在18000～25000 mg/L時(shí)，反應(yīng)器R2、R3和R4 COD去除率和COD去除量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反應(yīng)器Rl，表明在動(dòng)態(tài)下培養(yǎng)的厭氧生物膜反應(yīng)器的COD去除量會(huì)高于靜止?fàn)顟B(tài)下的反應(yīng)器COD去除量。進(jìn)水COD濃度在25000mg/L時(shí)，反應(yīng)器R2、R3和R4的COD去除率大小排序?yàn)?，R2gt;R3gt;R4，表明反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速越高，COD去除量越低。

2.2.2周期內(nèi)反應(yīng)器pH及COD變化

圖2（e）和圖2（f）分別為厭氧培養(yǎng)階段一個(gè)周期內(nèi)的反應(yīng)器pH變化及COD濃度變化圖。由圖2（f）可知，反應(yīng)器在一個(gè)周期內(nèi)pH的變化范圍為6～7.5，各反應(yīng)器pH值的變化趨勢(shì)相似：在運(yùn)行前4小時(shí)內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)pH值快速下降，之后pH緩慢升高。

從圖2（e）中可以看出，在進(jìn)水后的前4小時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的COD并沒(méi)有明顯變化，之后在運(yùn)行時(shí)間為4～8個(gè)小時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物被快速降解，8個(gè)小時(shí)以后有機(jī)物降解速率有所減緩，直至24小時(shí)后，COD降解速率更加緩慢。另一方面，在運(yùn)行時(shí)間為24 h時(shí)，反應(yīng)器就已經(jīng)去除了大部分COD，此時(shí)各反應(yīng)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(lái)判斷單位污泥的COD去除效率。

如圖3（a）所示不同反應(yīng)器內(nèi)所取污泥的有機(jī)物降解曲線及趨勢(shì)線方程。根據(jù)降解曲線方程可知，厭氧培養(yǎng)過(guò)程中反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速越大，形成的污泥具有的有機(jī)物降解速率越高。

2.2.4轉(zhuǎn)速對(duì)反應(yīng)器COD去除率的影響

為了驗(yàn)證處理性能的差異，設(shè)置進(jìn)水COD濃度和相同反應(yīng)器轉(zhuǎn)速，研究四個(gè)反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除性能。試驗(yàn)過(guò)程中，反應(yīng)器轉(zhuǎn)速?gòu)男〉酱筮M(jìn)行設(shè)置，即先將各反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速統(tǒng)一調(diào)整為0r/min，之后依次將四個(gè)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速統(tǒng)一設(shè)置成50r/min、100r/min以及200r/min，測(cè)定在該階段下各反應(yīng)器進(jìn)出水COD。在第10天～12天轉(zhuǎn)速為0，第14天～16天轉(zhuǎn)速為50r/min，第18天～20天轉(zhuǎn)速為100r／min，第22天～24天轉(zhuǎn)速為200r/min。圖3（b）為試驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)器的COD去除率變化圖。圖3（c）為反應(yīng)器出水SS變化曲線。

觀察圖3（b）可知，轉(zhuǎn)速統(tǒng)一設(shè)置為0r/min時(shí)，反應(yīng)器R1的COD去除率沒(méi)有明顯變化，反應(yīng)器R2、R3和R4的COD去除率均發(fā)生了大幅下降。在轉(zhuǎn)速為50r/min時(shí)，反應(yīng)器R1的去除率沒(méi)有明顯變化，R2的COD去除率恢復(fù)到原有水平，此時(shí)反應(yīng)器R3和R4的COD去除率得到明顯提升，均高于R2。之后繼續(xù)提升反應(yīng)器轉(zhuǎn)速至200r/min，各反應(yīng)器的COD去除率均出現(xiàn)下降。

如圖3（c）可知，運(yùn)行時(shí)間為2～8天時(shí)，反應(yīng)器出水SS大小排序?yàn)镽4gt; R3gt;R2gt;R1。反應(yīng)器轉(zhuǎn)速統(tǒng)一設(shè)置0r/min時(shí)，各反應(yīng)器出水SS大小相同。隨著反應(yīng)器轉(zhuǎn)速的增加，各反應(yīng)器出水SS隨之增加。

綜合反應(yīng)器COD去除率變化以及出水SS變化，推測(cè)轉(zhuǎn)速對(duì)反應(yīng)器有機(jī)物去除效果的具有以下影響：轉(zhuǎn)速不僅關(guān)系到反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)速率，也影響反應(yīng)器內(nèi)厭氧生物膜的生長(zhǎng)。當(dāng)反應(yīng)器生物膜靜止時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)部傳質(zhì)速率較低，導(dǎo)致四個(gè)反應(yīng)器的COD去除率均處于較低水平。而提供太高的轉(zhuǎn)速，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)的厭氧生物膜出現(xiàn)剝落，進(jìn)而影響反應(yīng)器整體的有機(jī)物去除性能。

3微生物群落特征研究

微生物群落結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)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(guò)程中常出現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)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(chǎn)生內(nèi)孢子抵抗極端環(huán)境，因此適應(yīng)于高有機(jī)負(fù)荷環(huán)境，門下微生物多為產(chǎn)酸菌，具有產(chǎn)酸、產(chǎn)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(chǎn)甲烷菌，即在厭氧消化產(chǎn)甲烷階段，以揮發(fā)性酸、H₂等為底物，將其轉(zhuǎn)化為CH₄和CO₂。Bacteroidota屬于專性厭氧桿菌，主要參與水解酸化過(guò)程，能夠代謝類固醇、多糖等。

初始污泥A1中這4種優(yōu)勢(shì)菌門的相對(duì)豐度排序?yàn)镕irmicutes（73.99%）、Actinobacteriota（10.43%）、Bacteroidota（5.68%）和Euryarchaeota（4.07%）。觀察圖可以發(fā)現(xiàn)模擬配水組與垃圾壓濾液組存在相似點(diǎn)在于相比于對(duì)照組A2和A6，隨著水力條件的增加，污泥樣品中Euryarchaeota的相對(duì)豐度都有了明顯的提升，說(shuō)明在水力條件的影響下，容易促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，同時(shí)也說(shuō)明在反應(yīng)器中產(chǎn)酸階段與產(chǎn)甲烷階段是同時(shí)進(jìn)行的。而兩組的不同點(diǎn)在于，在模擬配水組Actinobacteriota的具有較大相對(duì)豐度，而垃圾壓濾液組的Actinobacteriota的相對(duì)豐度只在2%左右。說(shuō)明在水質(zhì)單一的情況下，容易促進(jìn)Ac-tinobacteriota門下的微生物生長(zhǎng)。

（2）屬水平：圖4（b）為污泥樣品在屬水平下的微生物群落結(jié)構(gòu)分布。如圖所示，排名前5的優(yōu)勢(shì)屬為L(zhǎng)actococcus（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(biāo)記真桿菌屬）。

有研究表明Bacteroides能有效分解大分子物質(zhì)和難降解有機(jī)物，對(duì)難降解有機(jī)廢水的處理具有積極意義。對(duì)比模擬廢水組和垃圾壓濾液組的污泥樣品可以發(fā)現(xiàn)，利用垃圾壓濾液培養(yǎng)的污泥樣品中，Bacteroides的相對(duì)豐度要遠(yuǎn)大于模擬配水組。Lactococcus是兼性厭氧菌，Eubacteriaceae則是嚴(yán)格厭氧，兩者均屬于Firmicutes，可以將多糖和蛋白質(zhì)分解成丁酸、乙酸等，不產(chǎn)氣，它們是反應(yīng)器中水解酸化階段的優(yōu)勢(shì)菌屬。

Methanobrevibacter為革蘭氏陽(yáng)性菌，極端嚴(yán)格厭氧，能量代謝來(lái)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(guò)90%，是反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷階段的優(yōu)勢(shì)菌種，根據(jù)屬水平下的微生物群落結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為高轉(zhuǎn)速能夠促進(jìn)該菌屬的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)。

模擬配水組污泥與實(shí)際配水組污泥菌屬的相對(duì)豐度具有相同的變化趨勢(shì)，根據(jù)兩組的菌屬相對(duì)豐度可知，反應(yīng)器轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)增加污泥內(nèi)菌屬的種類，增加污泥菌屬的均勻度，這表明反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速越高，培養(yǎng)的污泥所具有的微生物群落多樣性越高。根據(jù)污泥樣品對(duì)應(yīng)的單位污泥質(zhì)量COD去除量，推測(cè)高轉(zhuǎn)速下培養(yǎng)的污泥樣品所具有的良好有機(jī)物去除性能是由各種菌屬之間相互協(xié)作達(dá)成的。

4結(jié)論

文章借鑒顆粒污泥的形成原理，在不同轉(zhuǎn)速下成功培養(yǎng)了動(dòng)態(tài)厭氧生物膜。通過(guò)研究反應(yīng)器對(duì)COD及SS的去除率等，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速對(duì)厭氧生物膜的形成及反應(yīng)器性能的影響。通過(guò)對(duì)研究過(guò)程中的厭氧污泥進(jìn)行微生物群落特征分析，揭示關(guān)鍵微生物群落的作用。厭氧生物膜反應(yīng)器對(duì)模擬配水及高濃度有機(jī)污水均有良好的有機(jī)物去除性能。轉(zhuǎn)速越大形成的污泥COD去除性能越好。對(duì)于反應(yīng)器的有機(jī)物去除性能而言，適中的轉(zhuǎn)速能使得反應(yīng)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(zhì)多樣性隨之提高。在屬水平下，隨著轉(zhuǎn)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。