好氧顆粒污泥處理再生纖維造紙廢水二級出水的研究

實驗用污泥樣品取自廣東某造紙廢水處理廠二沉池回流污泥，呈褐色，污泥濃度（MLSS）為5.82 g TSS/L，揮發(fā)性固體懸浮物（MLVSS）/MLSS值在0.52~0.58之間。

水質分光光度計（DR2800，美國HACH）；COD消解儀（DRB200，美國HACH）；曝氣裝置（ACO-9601，廣東海利集團）；pH精密酸度計（PB-10，賽多利斯科學儀器有限公司）；溶解氧測定儀（HQ40d，美國HACH）；循環(huán)蠕動泵（77601-00，美國Cole-Parmer）；進水蠕動泵（NKCP-C-S10B，中國卡默爾）；恒溫水浴鍋（HH-4，常州奧華儀器）；BOD測定儀（BODTrakII，美國HACH）；恒溫振蕩器（ZD-85，常州澳華儀器有限公司）；冷凍干燥儀（LC-10N-50A，上海力辰邦西儀器科技有限公司）；氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS，Agilent5973，美國Agilent Technology）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，TENSOR27，德國Bruker）。

無水乙酸鈉、氯化銨（NH₄Cl）、磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉、磷酸鈉（Na₃PO₄）、磷酸氫二鉀（K₂HPO₄）、氯化鉀（KCl）、氯化鈉（NaCl）、濃硫酸和氫氧化鈉，購于廣州化學試劑廠；乙酸乙酯、二氯甲烷，購于上海潤捷化學試劑有限公司，以上試劑均為分析純。

實驗用水分為人工模擬廢水及廣東某造紙廠的再生纖維造紙廢水二級出水。SBBGR使用人工模擬廢水培養(yǎng)運行90天進入馴化過程，馴化過程使用模擬廢水和造紙廢水的混合廢水。馴化過程歷經5個階段，每個階段運行8天，二級出水分別占進水的20%、40%、60%、80%和100%，歷時40天后馴化完成。

人工模擬廢水中投加適量Na₃PO₄、K₂HPO₄、KCl、NaCl等物質提供給反應器內微生物營養(yǎng)所需的微量元素；碳源、氮源、磷源分別由無水乙酸鈉、NH₄Cl、KH₂PO₄提供，將廢水的COD_Cr、氨氮、TN的濃度分別控制在1000、40~60和8.0~2.0 mg/L；用碳酸氫鈉調節(jié)pH值為（7.4±0.2）。

二級出水COD_Cr、BOD₅、TN、總磷（TP）分別為（190±33.4）、（7.2±1.7）、5.6~9.6、1.83~4.22 mg/L，pH值為6.8~7.5，呈淺黃色，色度在163~179 CU之間。

圖1為SBBGR反應器示意圖。SBBGR反應器是一個圓柱形有機玻璃柱（內徑60 mm；高度500 mm；幾何體積1 L；接種污泥體積400 mL）。反應器下部分放置若干塑料填料（長度10 mm；直徑10 mm；有效比表面積500 m²/m³；孔隙率95%），為污泥生長依附提供支撐材料；反應器上部分放入曝氣裝置、溶解氧（DO）和溫度電極、pH電極。反應器底部有4個流通口，2個接入水泵，用于進水階段的入水；2個流通口接循環(huán)泵，在運行階段使廢水在反應器中循環(huán)，確保氧氣的均勻分布。反應器運行周期為8 h，分為進水階段（10 min）、暫停階段（進水前后各10 min）和反應階段（450 min）。反應器在循環(huán)泵暫停運行10 min后開始進水，同時在反應器上方完成出水。進水完畢10 min后，循環(huán)泵繼續(xù)運行。反應器置于恒溫水浴鍋中，溫度設為（32±1）?℃。

圖1  SBBGR反應器示意圖

Fig. 1  Schematic diagram of the SBBGR reactor

使用水質分光光度計，采用重鉻酸鉀法、過硫酸鹽氧化法、消解-抗壞血酸法，分別測定廢水COD_Cr濃度、TN、TP；根據(jù)國家標準GB 11901—89測定廢水固體懸浮物（SS）；使用pH精密酸度計測定廢水pH值；通過溶解氧測定儀測定廢水溶解氧；采取5日生化培養(yǎng)法測定廢水BOD₅。

取50 mL待測水樣，在4000 r/min轉速下離心20 min，取上清液進行冷凍干燥，干燥后的樣品用溴化鉀壓片法制樣，用于紅外光譜分析。

準備3份200 mL的水樣，用0.45 μm的微孔濾膜過濾，其中2份分別用1 mol/L的硫酸和氫氧化鈉溶液調節(jié)pH值至2和12。將水樣分開置于分液漏斗，加入30 mL乙酸乙酯和20 mL二氯甲烷后在恒溫振蕩器中振蕩30 min，充分混合后靜置20 min，分層后取出有機相完成1次萃取，向剩余水相中繼續(xù)加入30 mL乙酸乙酯和20 mL二氯甲烷繼續(xù)萃取，重復上述操作，萃取3次后將所有有機相收集在一起，加入無水硫酸鈉脫水，脫水后自然蒸發(fā)至5 mL，保存樣品用于GC-MS分析。

GC-MS分析條件：HP5石英毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），系統(tǒng)進樣器（7683B，美國Agilent Technology）自動進樣，分流比10∶1；使用高純氦氣為載氣，流量1 mL/min，進樣量l μL；升溫程序為柱溫60℃，進樣口溫度280℃；質譜條件為電子轟擊電壓1.2 kV，電子轟擊能量70 eV，質量掃描范圍30~500 amu，檢索譜庫為NIST14。

將接種污泥和成熟好氧顆粒污泥樣品送至蘇州金唯智生物科技有限公司使用Illumina測序平臺進行高通量測序。對污泥進行16S rDNA擴增子測序，通過特異性引物擴增樣本中原核生物16S rDNA的可變區(qū)，構建高通量測序文庫并對16S rDNA可變區(qū)序列進行分析，從而鑒定環(huán)境中原核微生物的組成與豐度。測序得到的每一條序列來自于1個菌種，對序列進行歸類操作，將序列按照彼此的相似性歸類為許多小組，1個小組就是1個操作分類單元（OTU）。在97%的相似水平下對所有序列進行OTU劃分并進行生物信息統(tǒng)計分析。

使用人工模擬廢水培養(yǎng)，在反應器啟動第5天，接種污泥在填料外形成一層較薄的生物膜，呈褐色絮狀；培養(yǎng)過程中生物膜逐漸變厚，在生物膜厚度達到一定程度后，將循環(huán)泵流量從120 mL/min增加至150 mL/min，以增大反應器內的水力剪切力，使部分生物膜分離沉積在填料內部；反應器啟動第40天，填料內部可觀察到1~2 mm粒徑的顆粒污泥；隨后顆粒污泥在填料內部生長，在第50天污泥粒徑達到2~5 mm，反應器啟動完成。此時反應器中微生物由兩部分組成：附著在塑料填料外部的生物膜和填料孔隙內生長的、與孔隙大小相似的顆粒污泥。填料中的好氧顆粒污泥如圖2所示。

圖2  好氧顆粒污泥

Fig. 2  Aerobic granular sludge

馴化階段目的是使反應器中的微生物逐漸適應造紙廢水的環(huán)境，使能降解廢水中包括難降解有機物在內污染物的微生物得以生存增長，而不能適應的逐漸被淘汰^[16]。馴化過程見1.2部分，馴化結束后反應器進入穩(wěn)定運行階段。馴化階段及穩(wěn)定運行階段反應器的COD_Cr去除效果如圖3所示。

圖3  SBBGR反應器對COD_Cr的去除效果

Fig. 3  Removal of COD_Cr by SBBGR reactor

從圖3可以看出，隨著進水中二級出水比例的升高，出水COD_Cr的去除率發(fā)生了明顯下降，馴化結束時出水的COD_Cr濃度為144 mg/L，去除率為38.7%；而穩(wěn)定運行階段出水的COD_Cr穩(wěn)定在（95±22）mg/L，去除率為（47.7±5.0）%。一般認為，當廢水的BOD₅/COD_Cr低于0.3時，廢水的可生化性較差，本研究中二級出水的BOD₅濃度為（7.2±1.7）mg/L，BOD₅/COD_Cr低于0.05，廢水中大部分的有機物都難以通過生物降解。因此當進水中容易被降解的人工廢水逐漸轉換成難降解的二級出水時，降解去除變得困難。本研究中，二級出水的COD_Cr去除率為（47.7±5.0）%，表明廢水中的部分難降解污染物經過SBBGR反應器處理后被去除。

馴化階段及穩(wěn)定運行階段SBBGR對廢水SS和色度的去除效果如圖4所示。反應器穩(wěn)定運行進水SS濃度為（366±33）mg/L，出水SS濃度為（45±12）mg/L，去除率穩(wěn)定在80%以上，表明反應器對廢水SS有顯著的去除效果。研究認為生物反應器中SS的去除主要由生物膜決定，生物膜可以吸附和捕獲大量的SS，使反應器對SS達到良好的去除效果^[8]。SBBGR中的大部分微生物在填料的孔隙中以顆粒狀的污泥生長，從而在填料表面形成生物膜，因此對SS有良好的去除效果。

圖4  SBBGR反應器對SS和色度的去除效果

Fig. 4  Removal of SS and chroma by SBBGR reactor

經好氧處理后廢水色度一般會提高，這可能是由于高分子質量有機物的降解導致發(fā)色官能團的形成^[17]，生化過程中微生物產生的新陳代謝殘余物和污泥的解體也是色度提高的重要原因^[18]。Cai等人^[12]用3種好氧工藝處理二級出水，均發(fā)現(xiàn)了色度的增加，其中SBBR的增加最低。從圖4還可以看出，穩(wěn)定運行階段廢水經過SBBGR處理后色度沒有明顯變化?？赡苁荢BBGR中好氧顆粒污泥具有較高的污泥濃度與微生物活性，對污染物的降解較為徹底，且顆粒污泥的結構較為緊實，減少了污泥解體導致的色度增加。

對二級出水及SBBGR反應器出水進行FT-IR分析，結果如圖5所示，吸收峰的解析如表1所示。

圖5  二級出水及SBBGR反應器出水的FT-IR圖

Fig. 5  FT-IR spectra of secondary effluent and SBBGR effluent

由圖5可知，SBBGR反應器出水在3446、1650、1448、1145及622 cm^-1處吸收峰強度明顯降低。由表1可知，這些吸收峰波數(shù)對應于O—H伸縮振動、C?    $\stackrel{}{?}$O伸縮振動、苯環(huán)C?    $\stackrel{}{?}$C拉伸振動、醚類C—O—C伸縮振動及苯環(huán)氫面內彎曲振動。結果表明，經SBBGR反應器處理，二級出水中的醇類、醛類、芳香族化合物及醚類物質被有效降解或轉化。

對SBBGR反應器處理前后的二級出水進行GC-MS分析，譜圖如圖6所示。將質譜圖與GC-MS數(shù)據(jù)標準庫比較確定出有機物種類。

圖6  GC-MS色譜圖

Fig. 6  GC-MS chromatogram

從圖6可以看出，在二級出水中檢出了5種苯類化合物，包括1,3-二甲基-苯、對二甲苯及乙苯等，而SBBGR反應器出水中未檢出這5種苯類化合物，說明這些污染物可以被SBBGR反應器有效降解；同時，二級出水中檢出3,4-二甲氧基-苯甲醛及3,4-二甲氧基-苯甲醇，而SBBGR反應器出水中未檢出這兩種污染物，說明二級出水經過SBBGR反應器處理被有效降解，表明SBBGR反應器對芳香族類污染物具有較好的降解去除能力。研究顯示，苯類化合物能在好氧和厭氧的條件下被生物降解^[19]，而SBBGR反應器可以同時提供這兩種環(huán)境。

從圖6還可以看出，二級出水中檢出了6種酯類化合物，SBBGR反應器出水中也檢出6種酯類化合物，但是二級出水中檢出的十六酸甲酯在SBBGR反應器出水中未檢出，同時SBBGR反應器出水中檢出了鄰苯二甲酸二丁酯等新的酯類物質。說明SBBGR反應器對酯類物質的去除能力有限，并且鄰苯二甲酸酯類有機物作為一種塑料增塑劑在環(huán)境中的降解速率緩慢，生物降解效果不明顯，通常需要高級氧化技術作進一步的處理^[20]。

取馴化前SBBGR反應器中的污泥和穩(wěn)定運行階段SBBGR反應器中的污泥，分別進行高通量測序分析。污泥樣品的微生物豐度和多樣性指數(shù)如表2所示，微生物在門和屬水平下的物種分布如圖7所示。

圖7  不同分類水平下的物種分布

Fig. 7  Species distribution at different taxonomic levels

注   （1）馴化前污泥，（2）穩(wěn)定運行階段污泥。

Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)是反映菌群豐度的指標，數(shù)值越大表明豐度越高，而Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)是反映菌群多樣性的指標，其數(shù)值越大表明群落多樣性越高。從表2可知，穩(wěn)定運行階段SBBGR反應器中污泥微生物的序列數(shù)和OTU數(shù)量有所增加，Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)降低，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)升高，表明反應器在處理二級出水后菌群豐度略微降低但物種多樣性有所增加。這可能是因為培養(yǎng)階段的人工模擬廢水中有機負荷較高且容易被生物降解，微生物得以大量繁殖；在切換成有機負荷低、有機成分復雜且難降解的二級出水后，部分微生物的繁殖受到了抑制，導致物種豐度的下降。

如圖7（a）所示，在門水平上，馴化前主要為變形菌門（Proteobacteria）（51.1%）、擬桿菌門（Bacteroidetes）（30.3%）、酸桿菌門（Acidobacteria）（9.5%）；馴化后主要為變形菌門（Proteobacteria）（52.6%）、擬桿菌門（Bacteroidetes）（31.3%）、酸桿菌門（Acidobacteria）（7.4%）。馴化前后污泥在門水平上的差異不大，其絕對優(yōu)勢菌種均為擬桿菌門和變形桿菌門，其在有機物的生物降解過程發(fā)揮著重要的作用，變形菌門在木質素降解中作出重要的貢獻^[13]，擬桿菌門能分泌出超氧化物歧化酶促進木質素的分解^[21-23]。

在屬水平上（見圖7（b）），馴化前的主要菌種為競爭性假絲酵母屬（Candidatus_Competibacter）（13.5%）、動膠桿菌屬（Zoogloea）（8.3%）、橙黃褐指藻桿菌屬（Phaeodactylibacter）（4.9%）；馴化后中主要菌種為陶厄氏菌屬（Thauera）（7.9%）、競爭性假絲酵母屬（Candidatus_Competibacter）（4.9%）和脫硫微菌屬（Desulfomicrobium）（3.6%）。

二級出水經過處理后，SBBGR反應器中微生物的多樣性得到了提高，未確定分類的菌屬（Unclassified）含量從3.8%增至8.7%，表明由于外界環(huán)境的改變產生了大量新的微生物種群。競爭性假絲酵母菌是反硝化聚糖菌的一種，因為二級出水有機物及氮含量低，競爭性假絲酵母屬的增殖受到了抑制，含量下降。同時，陶厄氏菌相對豐度提高，代替競爭性假絲酵母菌成為了馴化后污泥中相對豐度最高的菌屬，陶厄氏菌具備較強的環(huán)境適應性以及降解芳香族有機物的能力^[24]，這也能解釋GC-MS分析二級出水中的芳香族有機物被有效降解的結果。另外，脫硫微菌屬是一種嚴格的厭氧菌，能在厭氧條件下參與對木質素的降解^[25]，其微生物含量從0.45%提高到3.6%，一定程度上證明了SBBGR反應器中形成的厭氧區(qū)對木質素等難降解物的處理發(fā)揮了重要作用。