改进型ABR处理太湖富藻水启动研究*

余亚琴，吕锡武，吴义锋

(1．东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096；2. 盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051)

厌氧折流板反应器(anaerobic baffled reactor, ABR)是由多个折板将反应器分为多个格室，废水在反应器内沿折板上下流动，依次通过各个格室.每个格室可以培养富集与流入该室水质相对应的微生物群落，废水中有机物与厌氧活性污泥接触，从而净化水质[1-3].ABR反应器的水力流态更接近推流式，可以确保反应器具有较好的抵抗有机负荷变化的能力，同时该反应器工艺简单、建设投资费用低、固液分离效果好、运行管理方便、对有毒难降解有机物具有较强的缓冲适应能力[4-5].

湖泊富营养化和蓝藻水华暴发是目前全世界共同面临的重大环境问题之一.即使在外源输入减少后，在相当长一段时间内，长期积累在湖泊底泥中的内源营养盐仍然足以支撑太湖水华蓝藻的生长.及时打捞与收集蓝藻是迅速减少水体蓝藻的常用方法.大部分打捞出的富藻水(蓝藻与水的混合体含水率一般在99%左右)未经处理而被堆弃在湖边洼地，没有得到及时有效处置.蓝藻自然腐败发臭影响周边环境，同时分解产生的藻毒素、氮磷被雨水冲刷、通过地表径流或淋溶再次流入太湖，引发二次污染[6,7].因此打捞上岸的蓝藻如何处理和安全处置，则成为重要而紧迫的现实问题.打捞的太湖蓝藻经过自然堆放腐熟成为一种典型的高浓度的有机废水，厌氧生物处理技术被认为是处理高浓度有机废水最有效的方法，同时可以获得生物质能[8].因此，开发研究适合的反应器及启动方式成为蓝藻生物质利用技术推广的关键.

本文以太湖富藻水为研究对象，在传统的ABR反应器的基础上对其加以改进，通过在反应器的格室中增加立体弹性填料，为反应器中微生物菌群的富集提供场所，作为其活动的载体；另一方面具有延长厌氧污泥的污泥龄的效果，加强富藻水在反应器各格室与厌氧污泥接触，进一步提高反应器的处理效果.本文考察其对富藻水的处理效能，并借助荧光原位杂交(FISH)技术分析反应器成功启动时沿程格室厌氧微生物菌落的变化，以期为其工程应用提供理论指导和技术参考.

1 实验材料与方法

1．1 改进型ABR反应器

试验在江苏省宜兴市周铁镇符渎港东南大学太湖研究基地进行.改进型ABR反应器由PVC板制成，长1.2 m，宽0.8 m，有效高度0.8 m.反应器由5个格室组成，每个格室的有效体积分别为0.20 m3，0.18 m3，0.12 m3，0.12 m3和0.12 m3.每个格室有1个下向流室和1个上向流室，1#，2#格室下向流室宽度为0.1 m,上向流室宽度为0.45 m，3#，4#和5#格室下向流室宽度为0.09 m，上向流室宽度为0.24 m.反应器格室挂有立体弹性填料.在每个格室设有取样口和污泥排放管，顶部设有集气管与水封相连，格室沼气产量采用湿式气体流量计计量.富藻水在进水箱通过加热器加热至30 ℃，反应器外表面包裹专用保温海绵，减少散热，使反应器中温度保持在中温范围之间.改进型ABR实验装置如图1所示.

图1 改进型ABR厌氧反应器

1.2 试验水质与接种污泥

试验所用太湖富藻水取自宜兴周铁镇符渎港太湖蓝藻打捞站蓝藻堆放池，水色为榇黄色，在蓝藻堆放池自然腐熟5～7 d，pH为5.8～7.0，呈弱酸性.反应器启动期间采用低负荷启动方式，富藻水通过太湖水稀释至所要求的水质.接种污泥取自江苏省宜兴市清源污水厂剩余污泥，该污泥沉降性能良好.

表1 腐熟蓝藻水质指标

1.3 分析项目与方法

水质分析方法采用《水和废水监测分析方法》[9]，其中COD：重铬酸钾法，污泥挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)采用重量法测定，沼气采用湿式防腐气体流量计(长春汽车滤清器有限责任公司)计量.厌氧颗粒污泥TTC-脱氢酶采用TF定量分析法[10]、蛋白酶采用McDonald-Chen分光光度法[11]、辅酶F420采用分光光度法[12].

采用荧光原位杂交(FISH)技术对颗粒污泥中微生物进行分析[13].采集改进型ABR反应器启动成功后5个格室的污泥样品，用4%多聚甲醛溶液固定，PBS缓冲液洗涤后，样品于PBS缓冲液和100%乙醇两者等体积混合液中，在-20℃下保存.将污泥样品涂在载玻片上，用乙醇脱水.

采用CY3(红色) 标记的EUB338( 5c ACTCCT ACG GGA GGC AG3c) 探针和FITC(绿色)标记为ARCH915(GTGCTCCCCCGCCAATTCCT)探针(由上海生工生物工程公司合成)，对样品进行杂交， 46 ℃杂交5 h.杂交好的污泥样品用46 ℃的杂交清洗液，清洗未杂交的探针和杂交缓冲液,再用46 ℃的灭菌超纯水漂洗3次后，自然风干，在荧光显微镜上扫描成像观察.

2 试验结果与分析

2.1 改进型ABR反应器启动期处理太湖蓝藻运行效果

改进型ABR反应器中每个格室的接种污泥MLVSS为20.0 g/L，反应初期为加快反应器中微生物培养，在反应器中通入富藻水与猪粪等比例的混合物静置培养10 d后，启动运行.由于富藻水中蓝藻具有伪空胞[7]，在厌氧反应器中容易上浮，产生结壳现象，反应效果较差，因此本试验采用低负荷启动方式，水力停留时间为10 d，进水富藻水COD从500 mg/L逐步提升至2 500 mg/L左右，有机负荷(OLR)为0.05～0.25 kgCOD/m3.d，经过40 d，启动完成.

图2为改进型ABR反应器启动期间各个格室对太湖富藻水COD去除情况.

t/d

由于本试验在启动初期，反应器通水后静置培养10 d，大量的接种污泥在填料的表面富集，因此反应器在初期对COD去除率较高.在1～6 d时，进水的COD在550 mg/L左右，其出水(5#格室)COD在100 mg/L左右，反应器5个格室累计COD去除率达到80%左右.从第7 d开始，逐步调高进水COD，反应器出水水质有所下降，这可能主要由于在反应器后格室的填料层所形成的生物膜中微生物菌群还没有很好的附着生长，其颗粒污泥产甲烷的活性较弱.随着运行的延续，改进型ABR反应器中弹性填料富集培养的颗粒污泥的活性越来越强，在启动稳定期(27～40 d)时，进水COD维持在2 000～2 500 mg/L之间，其出水在500 mg/L左右，COD出水去除率在75%以上.富藻水通过反应器消化去除主要有机物，同时对氮有一定的去除效果，但对富藻水中的磷的去除较微弱，因此要达到沼液的无害化达标排放，还需对沼液进行后续处理.

厌氧反应器容积产气率是其厌氧反应器运行过程中比较敏感的指标之一，能够直接反映反应器运行效能状况.通过检测反应器容积产率的变化，逐步提高有机负荷从而提高改进型ABR反应器处理效率.启动期反应器处理太湖蓝藻有机负荷及容积产气率变化如图3所示.从图3可以明显发现，改进型ABR反应器在启动运行过程中，容积产气率随有机负荷的提高而增加，但在每个运行阶段又表现出不同的变化特征.在1～6 d时，反应器的有机负荷较低，只有0.05 kgCOD/(m3.d)，反应器的容积产气率在12 mL/(L.d)，这主要是因为在刚启动阶段，改进型反应器格室产甲烷菌属于绝对厌氧细菌，其世代周期较长，对环境较敏感，活性非常弱[14]，因此产气率较低.此阶段反应器对有机物的去除主要是格室添加的弹性填料对蓝藻的截留.随后，逐步提高反应器有机负荷，在第15 d后，反应器容积产气率增加速率明显变大.这主要原因为改进型ABR反应器格室弹性填料富集厌氧颗粒污泥不断驯化成熟，在反应器内部格室微生物空间分布趋于合理.

t/d

在反应器成功启动后期，容积产气率达到65.9 mL/(L.d)，改进型ABR各格室的产气量沿程递减，分别为29.3，10.9，6.3，2.3和1.5 L/d.虽然后格室(3#，4#，5#格室)中甲烷菌群落数量要多与前格室(1#，2#格室)，但由于富藻水中在前格室(1#，2#)中COD去除率达到80% 左右，因此在前格室基质浓度较高，产气量明显高于后格室.

改进型ABR反应器处理太湖富藻水启动稳定时格室中pH、总挥发性脂肪酸(TVFA)、氧化还原电位(ORP)和污泥挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)见表2.实验过程中未对反应器中的pH进行人为调节，富藻水经过各格室出水的pH分别为6.35，6.76，7.13，7.15，7.20；ORP分别为-190，-250，-284，-302，-205 Mv.这说明反应器中各格室pH, ORP都维持在厌氧发酵菌群正常范围内[15].TVFA直接反应厌氧反应器内部挥发酸的累积情况，当TVFA变大，说明挥发性酸开始累积，反应器内的产酸菌和甲烷菌代谢平衡被破坏[16].各格室出水TVFA分别在800 mg/L，650 mg/L，325 mg/L，227 mg/L，205 mg/L左右，这说明改进型ABR反应器处理富藻水各格室内均未出现酸积累现象.

反应初期格室接种污泥量为20 g/L，启动完成后各格室污泥MLVSS都有所增加，分别为25.5，26.2，23.3，21.9，21.0 g/L，这说明改进型ABR反应器能够有效地富集污泥. 反应器中添加的弹性填料通过截留污泥减少流失，从而维持反应器中较高的污泥生物量.同时由于富藻水中蓝藻具有微气囊结构，在常规ABR中容易上浮并结壳，从而降低处理效果，而通过添加弹性填料截留蓝藻，防止其上浮.

因此可以发现，改进型ABR反应器对富藻水有较好的厌氧消化效果.同时考虑到蓝藻暴发的周期性，在非蓝藻爆发期，反应器可以通过打捞站蓝藻堆放池中的陈藻水维持反应器的正常运行.

表2 ABR在启动稳定期的主要参数

2.2 改进型ABR反应器启动期对蓝藻藻毒素去除效果

蓝藻中的微囊藻属(Microcystis)、鱼腥藻属(An-abaena)、颤藻属(Oscillatoria)及念珠藻属(Nostoc)能够产生次生代谢产物微囊藻毒素(Microcystin,MC).而微囊藻毒素由于毒性大，分布广，结构稳定，从而成为水环境中的潜在危害物质[17].改进ABR反应器在处理太湖蓝藻启动40 d后对太湖蓝藻中总微囊藻毒素(TMC-LR)和胞外藻毒素(EMC-LR)的降解情况如表3所示.太湖蓝藻打捞后自然腐熟7 d左右，蓝藻水中TMC-LR,EMC-LR的浓度分别在527～379 μg/L，306～220 μg/L，启动成功后，改进型ABR反应器第5#格室出水中TMC-LR，EMC-LR的浓度分别降低至36～24 μg/L，25～19 μg/L，平均去除率为93.3%，91.6%.这说明改进型ABR反应器对太湖蓝藻中的藻毒素有较好的去除效果.ABR反应器中添加的弹性填料生物载体对藻毒素的去除起关键的作用.填料可以截留大量的蓝藻，从而使藻细胞在反应器内的停留时间大大延长.同时反应器在流态上成推流状态，5个格室可能依次富集培养大量能够降解藻毒素的土著菌种，从而降低出水中藻毒素的含量.

表3 改进型ABR反应器对藻毒素去处效果

2.3 改进型ABR反应器中产甲烷菌群落分析

本研究利用细菌探针EUB338-CY3 和古菌探针ARC915-FITC 对改进型ABR反应器5个格室的污泥样品进行荧光原位杂交分析，结果如图4和图5所示.

图4 格室颗粒污泥与EUB338 FISH杂交的荧光显微图像

图5 格室颗粒污泥与ARCH915 FISH杂交的荧光显微图像

从荧光强度可以发现，1#格室细菌数量最多，2#格室细菌的数量较多，3#，4#，5#格室细菌的数量相对较少.这主要是由于第1#，2#格室进水中有机物浓度相对较高，主要发挥蓝藻水解及产酸发酵过程，在这两格室蓝藻中复杂的有机物被转化为溶解性有机物和挥发性脂肪酸等，这两格室中水解细菌和产酸发酵细菌生长代谢活跃.

从古菌ARC915-FITC探针杂交的FISH照片，发现3#，4#，53格室荧光强度相对较强，第1#，2#格室荧光强度相对较弱.这可能是因为作为产甲烷菌的古菌直接利用进水中蓝藻大分子物质, 只能利用水解产酸菌代谢产物，因此在反应器启动阶段，前端格室中古细菌相对较少，而后端格室相对较多.反应器形成高效微生物种群空间分布，这与其他学者的研究结果相类似[18].

在改进型ABR反应器处理太湖富藻水启动过程中，反应器格室添加的弹性填料对反应器的成功启动运行起到关键作用.弹性填料为微生物种群提供良好的栖息场所，同时物理的截留可以使得投加的接种污泥和进水中的蓝藻在填料表面富集，从而在填料的表面形成生物层.在启动初期，前端格室水解酸化细菌大量繁殖；ABR反应器整体推流的流态为后续的格室驯化培养产甲烷菌创造条件，这主要表现后续格室中古菌落活性相对较强. 因此改进型ABR反应器具有明显的相分离特征，从而使厌氧消化两阶段中产酸细菌和产甲烷菌在反应器中实现较为合理的分布，最终形成有利于蓝藻厌氧发酵产甲烷的最佳微生物种群结构分布状态，从而实现反应的成功启动.

2.4 改进型ABR反应器中污泥酶活性

在厌氧反应器中，蓝藻的消化过程与甲烷化过程相互联系，厌氧微生物所产生的各种酶参与不同的消化过程及甲烷化过程.通过测量颗粒污泥酶的活性，可进一步探求启动反应器培养的颗粒污泥对蓝藻消化产甲烷的能力.反应器实验选择以蛋白酶活力代表水解过程的酶行为[19]； TTC-脱氢酶活力代表厌氧系统内微生物的酶行为[20]；辅酶F420含量代表产甲烷厌氧微生物的产甲烷活性[21].

改进型ABR反应器处理太湖蓝藻启动运行至第30 d后，每隔2 d测量反应器格室中污泥酶活性.由表4可知，反应器中前段格室中蛋白酶的活性较高，这主要可能是因为在反应器前端中主要发生的为蓝藻水解酸化反应.这表明改进型ABR反应器实现相分离，前段格室强化蓝藻厌氧发酵过程中水解酸化效应，克服蓝藻低效的水解速率，加快反应启动的进程.反应器中格室污泥的TTC-脱氢酶值相对比较平稳.反应器中格室中污泥辅酶F420逐渐提高，这与反应器格室中古菌的数量的变化趋势相一致.1#格室主要以产酸菌为主，5#格室主要以产甲烷菌为主.

表4 改进型ABR反应器颗粒污泥中各种酶活性

3 结 论

1) 在格室中添加弹性填料的改进型ABR反应器，采用接种厌氧污泥，投入等比例的富藻水与猪粪混合污水静置培养驯化10 d后，阶梯提高有机负荷，可在40 d内成功启动处理太湖蓝藻.反应器稳定运行时，富藻水进水COD为2 500 mg/L左右，出水在500左右，COD去除率为75%， 容积产气率为65.9 mL/(L.d).

2)改进型ABR反应器中弹性填料这一生物载体在处理蓝藻成功启动中起到关键作用，有利于生物膜的行成，加速反应器中颗粒污泥的驯化，促进反应器格室中微生物产酸细菌与产甲烷菌合理有序的空间分布，从而使反应器具有明显的相分离特征.

3)改进型ABR反应器对太湖富藻水中的藻毒素有较好的去除效果.反应器内格室中污泥蛋白酶活性沿格室沿呈递减，而辅酶F420呈递增趋势，这和反应器中细菌与古菌数量变化趋势相一致.

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