动态厌氧生物膜的培养及其处理高浓度有机废水研究

关键词：水力条件；高浓度废水；厌氧生物膜；垃圾压滤液；微生物群落

中图分类号：X703.1 文献标志码：B

前言

随着中国经济的发展，许多行业都会产生高浓度有机废水，包含石油化工、养殖畜牧业、垃圾处置等行业。其具有高毒性、生物积累性、半挥发性等性质，对环境产生的危害是重大且长远的。垃圾压滤液就是一种高浓度有机废水，主要成分是垃圾中转站中压缩垃圾过程中产生的压滤液，另外还有少部分源自转运站的冲洗废水以及站内工作人员的生活废水。目前，中国垃圾分类措施并不完善，各类垃圾混杂，这导致了垃圾压滤液中物质成分复杂，包含大量悬浮物、漂浮物和油脂等污染物。其具有有机物含量高、水质波动大，水量间断以及可生化性好等优点。相较于物理化学处理，生物处理技术成本较低，是处理生活垃圾压滤液的最主要的工艺。其中厌氧生物技术具有能耗低、产泥量低和处理效果较好等优点。此研究以高浓度有机废水为处理对象，研究水力条件对厌氧生物膜反应器去除有机物的性能影响。

1材料和方法

实验装置设计：如图l（a）和图l（b）所示分别为反应器示意图和反应器实物图。在实验中，涉及到水力条件对生物膜生长的影响。文章以不同的转速来表征不同的水力条件，并计算相应的雷诺数。共设置了四个相同类型的反应器，四个反应器的转速分别为0r/min（静止状态）、50r/min、100r/min和200r/min。对应的雷诺数分别为0、10、20和40，并分别命名为反应器Rl、反应器R2、反应器R3和反应器R4。

2动态厌氧生物膜的培养及反应器性能研究

2.1厌氧生物膜启动阶段

COD去除率变化实验中的四个反应器各阶段工艺参数见表1。

如图2（a）所示启动阶段COD去除率。可知，四个反应器的COD去除率变化基本一致。在启动阶段，随着培养时间增加，各反应器的COD去除效率均在增加。培养时间为第12天时，四个反应器的出水COD去除率均达到了40%以上。并且四个反应器的COD去除率都有明显的随时间变化而上升的趋势。

2.2转速对反应器厌氧处理过程的影响

2.2.1培养过程中COD去除量变化

图2（c）为动态培养阶段不同反应器的COD去除率变化图。由图可知，进水COD浓度范围在8000mg/L至14000 mg/L时，四个反应器的COD去除率随着COD的上升而稳步上升。当运行时间达到30天时，进水COD浓度为18000mg/L，四个反应器的COD去除率都呈现明显下降趋势，此时COD去除率大小排序为R4

图2（d）为厌氧培养过程中反应器COD去除量变化图。运行时间为0～52天，随着进水COD浓度的增长，反应器的COD去除量始终保持稳定增长。具体有：进水COD浓度在8000～15000mg/L时，反应器COD去除量基本相同。进水COD浓度在18000mg/L～25000mg/L时，各反应器的COD去除量开始出现差异。在此期间，反应器COD去除量的排序为R2gt;R3gt;R4gt;R1。R2性能最优，进水COD浓度为25 000 mg/L时，容积负荷达到15.6 kg COD/（m³·d）。

结合图2（c）和图2（d）分析，进水COD浓度在18000～25000 mg/L时，反应器R2、R3和R4 COD去除率和COD去除量都远远高于反应器Rl，表明在动态下培养的厌氧生物膜反应器的COD去除量会高于静止状态下的反应器COD去除量。进水COD浓度在25000mg/L时，反应器R2、R3和R4的COD去除率大小排序为，R2gt;R3gt;R4，表明反应器的转速越高，COD去除量越低。

2.2.2周期内反应器pH及COD变化

图2（e）和图2（f）分别为厌氧培养阶段一个周期内的反应器pH变化及COD浓度变化图。由图2（f）可知，反应器在一个周期内pH的变化范围为6～7.5，各反应器pH值的变化趋势相似：在运行前4小时内反应器内pH值快速下降，之后pH缓慢升高。

从图2（e）中可以看出，在进水后的前4小时，反应器内的COD并没有明显变化，之后在运行时间为4～8个小时，反应器内的有机物被快速降解，8个小时以后有机物降解速率有所减缓，直至24小时后，COD降解速率更加缓慢。另一方面，在运行时间为24 h时，反应器就已经去除了大部分COD，此时各反应器COD去除量占总COD去除量的比值分另0为88.8%、90.7%、89.4%、89.6%。

2.2.3COD降解曲线

COD降解曲线能够用来判断单位污泥的COD去除效率。

如图3（a）所示不同反应器内所取污泥的有机物降解曲线及趋势线方程。根据降解曲线方程可知，厌氧培养过程中反应器的转速越大，形成的污泥具有的有机物降解速率越高。

2.2.4转速对反应器COD去除率的影响

为了验证处理性能的差异，设置进水COD浓度和相同反应器转速，研究四个反应器对有机物的去除性能。试验过程中，反应器转速从小到大进行设置，即先将各反应器的转速统一调整为0r/min，之后依次将四个反应器的转速统一设置成50r/min、100r/min以及200r/min，测定在该阶段下各反应器进出水COD。在第10天～12天转速为0，第14天～16天转速为50r/min，第18天～20天转速为100r／min，第22天～24天转速为200r/min。图3（b）为试验过程中反应器的COD去除率变化图。图3（c）为反应器出水SS变化曲线。

观察图3（b）可知，转速统一设置为0r/min时，反应器R1的COD去除率没有明显变化，反应器R2、R3和R4的COD去除率均发生了大幅下降。在转速为50r/min时，反应器R1的去除率没有明显变化，R2的COD去除率恢复到原有水平，此时反应器R3和R4的COD去除率得到明显提升，均高于R2。之后继续提升反应器转速至200r/min，各反应器的COD去除率均出现下降。

如图3（c）可知，运行时间为2～8天时，反应器出水SS大小排序为R4gt; R3gt;R2gt;R1。反应器转速统一设置0r/min时，各反应器出水SS大小相同。随着反应器转速的增加，各反应器出水SS随之增加。

综合反应器COD去除率变化以及出水SS变化，推测转速对反应器有机物去除效果的具有以下影响：转速不仅关系到反应器内部的传质速率，也影响反应器内厌氧生物膜的生长。当反应器生物膜静止时，反应器内部传质速率较低，导致四个反应器的COD去除率均处于较低水平。而提供太高的转速，会导致反应器内的厌氧生物膜出现剥落，进而影响反应器整体的有机物去除性能。

3微生物群落特征研究

微生物群落结构和功能分析：

（1）门水平：污泥样品在门水平下的微生物群落结构分布如图4（a）所示。由图可知，在门水平下，在污泥样品中相对丰度排名1-4的菌门为Fir-micutes（厚壁菌门）、Euryarchaeota（广古菌门）、Bacteroidota（拟杆菌门）、Actinobacteriota（放线菌门）。4种菌门都是在厌氧消化过程中常出现的优势菌门，但4者具有的功能并不相同。Firmicutes门下微生物肽聚糖可以产生内孢子抵抗极端环境，因此适应于高有机负荷环境，门下微生物多为产酸菌，具有产酸、产CO₂的功能，因此在污泥样品中Fir-micutes的丰度始终是最大的。Euryarchaeota门下的微生物多为产甲烷菌，即在厌氧消化产甲烷阶段，以挥发性酸、H₂等为底物，将其转化为CH₄和CO₂。Bacteroidota属于专性厌氧杆菌，主要参与水解酸化过程，能够代谢类固醇、多糖等。

初始污泥A1中这4种优势菌门的相对丰度排序为Firmicutes（73.99%）、Actinobacteriota（10.43%）、Bacteroidota（5.68%）和Euryarchaeota（4.07%）。观察图可以发现模拟配水组与垃圾压滤液组存在相似点在于相比于对照组A2和A6，随着水力条件的增加，污泥样品中Euryarchaeota的相对丰度都有了明显的提升，说明在水力条件的影响下，容易促进产甲烷菌的生长，同时也说明在反应器中产酸阶段与产甲烷阶段是同时进行的。而两组的不同点在于，在模拟配水组Actinobacteriota的具有较大相对丰度，而垃圾压滤液组的Actinobacteriota的相对丰度只在2%左右。说明在水质单一的情况下，容易促进Ac-tinobacteriota门下的微生物生长。

（2）属水平：图4（b）为污泥样品在属水平下的微生物群落结构分布。如图所示，排名前5的优势属为Lactococcus（乳球菌属）、Eubacteriaceae（真杆菌属）、Methanobrevibacter（甲烷短杆菌属）、Acidam-inococcus（氨基酸球菌属）和Norank_Eubacteriaceae（未标记真杆菌属）。

有研究表明Bacteroides能有效分解大分子物质和难降解有机物，对难降解有机废水的处理具有积极意义。对比模拟废水组和垃圾压滤液组的污泥样品可以发现，利用垃圾压滤液培养的污泥样品中，Bacteroides的相对丰度要远大于模拟配水组。Lactococcus是兼性厌氧菌，Eubacteriaceae则是严格厌氧，两者均属于Firmicutes，可以将多糖和蛋白质分解成丁酸、乙酸等，不产气，它们是反应器中水解酸化阶段的优势菌属。

Methanobrevibacter为革兰氏阳性菌，极端严格厌氧，能量代谢来源于还原CO₂为CH₄；电子供体只有H₂、甲酸盐和CO。在污泥样品的Euryarchaeota门下占比均超过90%，是反应器内产甲烷阶段的优势菌种，根据属水平下的微生物群落结构分析，认为高转速能够促进该菌属的优势生长。

模拟配水组污泥与实际配水组污泥菌属的相对丰度具有相同的变化趋势，根据两组的菌属相对丰度可知，反应器转速的增加，会增加污泥内菌属的种类，增加污泥菌属的均匀度，这表明反应器的转速越高，培养的污泥所具有的微生物群落多样性越高。根据污泥样品对应的单位污泥质量COD去除量，推测高转速下培养的污泥样品所具有的良好有机物去除性能是由各种菌属之间相互协作达成的。

4结论

文章借鉴颗粒污泥的形成原理，在不同转速下成功培养了动态厌氧生物膜。通过研究反应器对COD及SS的去除率等，验证了转速对厌氧生物膜的形成及反应器性能的影响。通过对研究过程中的厌氧污泥进行微生物群落特征分析，揭示关键微生物群落的作用。厌氧生物膜反应器对模拟配水及高浓度有机污水均有良好的有机物去除性能。转速越大形成的污泥COD去除性能越好。对于反应器的有机物去除性能而言，适中的转速能使得反应器处理效率保持在较高的水平。在微生物多样性分析中，随着水力条件的提升，厌氧生物膜的物种丰富度随之减少，污泥的物质多样性随之提高。在属水平下，随着转速的增加，样品中的菌属占比逐渐趋向均等，污泥所具有的微生物多样性逐渐增高。