改進型ABR處理太湖富藻水啟動研究*

余亞琴，呂錫武，吳義鋒

(1．東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210096；2. 鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051)

厭氧折流板反應器(anaerobic baffled reactor, ABR)是由多個折板將反應器分為多個格室，廢水在反應器內沿折板上下流動，依次通過各個格室.每個格室可以培養富集與流入該室水質相對應的微生物群落，廢水中有機物與厭氧活性污泥接觸，從而凈化水質[1-3].ABR反應器的水力流態更接近推流式，可以確保反應器具有較好的抵抗有機負荷變化的能力，同時該反應器工藝簡單、建設投資費用低、固液分離效果好、運行管理方便、對有毒難降解有機物具有較強的緩沖適應能力[4-5].

湖泊富營養化和藍藻水華暴發是目前全世界共同面臨的重大環境問題之一.即使在外源輸入減少后，在相當長一段時間內，長期積累在湖泊底泥中的內源營養鹽仍然足以支撐太湖水華藍藻的生長.及時打撈與收集藍藻是迅速減少水體藍藻的常用方法.大部分打撈出的富藻水(藍藻與水的混合體含水率一般在99%左右)未經處理而被堆棄在湖邊洼地，沒有得到及時有效處置.藍藻自然腐敗發臭影響周邊環境，同時分解產生的藻毒素、氮磷被雨水沖刷、通過地表徑流或淋溶再次流入太湖，引發二次污染[6,7].因此打撈上岸的藍藻如何處理和安全處置，則成為重要而緊迫的現實問題.打撈的太湖藍藻經過自然堆放腐熟成為一種典型的高濃度的有機廢水，厭氧生物處理技術被認為是處理高濃度有機廢水最有效的方法，同時可以獲得生物質能[8].因此，開發研究適合的反應器及啟動方式成為藍藻生物質利用技術推廣的關鍵.

本文以太湖富藻水為研究對象，在傳統的ABR反應器的基礎上對其加以改進，通過在反應器的格室中增加立體彈性填料，為反應器中微生物菌群的富集提供場所，作為其活動的載體；另一方面具有延長厭氧污泥的污泥齡的效果，加強富藻水在反應器各格室與厭氧污泥接觸，進一步提高反應器的處理效果.本文考察其對富藻水的處理效能，并借助熒光原位雜交(FISH)技術分析反應器成功啟動時沿程格室厭氧微生物菌落的變化，以期為其工程應用提供理論指導和技術參考.

1 實驗材料與方法

1．1 改進型ABR反應器

試驗在江蘇省宜興市周鐵鎮符瀆港東南大學太湖研究基地進行.改進型ABR反應器由PVC板制成，長1.2 m，寬0.8 m，有效高度0.8 m.反應器由5個格室組成，每個格室的有效體積分別為0.20 m3，0.18 m3，0.12 m3，0.12 m3和0.12 m3.每個格室有1個下向流室和1個上向流室，1#，2#格室下向流室寬度為0.1 m,上向流室寬度為0.45 m，3#，4#和5#格室下向流室寬度為0.09 m，上向流室寬度為0.24 m.反應器格室掛有立體彈性填料.在每個格室設有取樣口和污泥排放管，頂部設有集氣管與水封相連，格室沼氣產量采用濕式氣體流量計計量.富藻水在進水箱通過加熱器加熱至30 ℃，反應器外表面包裹專用保溫海綿，減少散熱，使反應器中溫度保持在中溫范圍之間.改進型ABR實驗裝置如圖1所示.

圖1 改進型ABR厭氧反應器

1.2 試驗水質與接種污泥

試驗所用太湖富藻水取自宜興周鐵鎮符瀆港太湖藍藻打撈站藍藻堆放池，水色為櫬黃色，在藍藻堆放池自然腐熟5～7 d，pH為5.8～7.0，呈弱酸性.反應器啟動期間采用低負荷啟動方式，富藻水通過太湖水稀釋至所要求的水質.接種污泥取自江蘇省宜興市清源污水廠剩余污泥，該污泥沉降性能良好.

表1 腐熟藍藻水質指標

1.3 分析項目與方法

水質分析方法采用《水和廢水監測分析方法》[9]，其中COD：重鉻酸鉀法，污泥揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)采用重量法測定，沼氣采用濕式防腐氣體流量計(長春汽車濾清器有限責任公司)計量.厭氧顆粒污泥TTC-脫氫酶采用TF定量分析法[10]、蛋白酶采用McDonald-Chen分光光度法[11]、輔酶F420采用分光光度法[12].

采用熒光原位雜交(FISH)技術對顆粒污泥中微生物進行分析[13].采集改進型ABR反應器啟動成功后5個格室的污泥樣品，用4%多聚甲醛溶液固定，PBS緩沖液洗滌后，樣品于PBS緩沖液和100%乙醇兩者等體積混合液中，在-20℃下保存.將污泥樣品涂在載玻片上，用乙醇脫水.

采用CY3(紅色) 標記的EUB338( 5c ACTCCT ACG GGA GGC AG3c) 探針和FITC(綠色)標記為ARCH915(GTGCTCCCCCGCCAATTCCT)探針(由上海生工生物工程公司合成)，對樣品進行雜交， 46 ℃雜交5 h.雜交好的污泥樣品用46 ℃的雜交清洗液，清洗未雜交的探針和雜交緩沖液,再用46 ℃的滅菌超純水漂洗3次后，自然風干，在熒光顯微鏡上掃描成像觀察.

2 試驗結果與分析

2.1 改進型ABR反應器啟動期處理太湖藍藻運行效果

改進型ABR反應器中每個格室的接種污泥MLVSS為20.0 g/L，反應初期為加快反應器中微生物培養，在反應器中通入富藻水與豬糞等比例的混合物靜置培養10 d后，啟動運行.由于富藻水中藍藻具有偽空胞[7]，在厭氧反應器中容易上浮，產生結殼現象，反應效果較差，因此本試驗采用低負荷啟動方式，水力停留時間為10 d，進水富藻水COD從500 mg/L逐步提升至2 500 mg/L左右，有機負荷(OLR)為0.05～0.25 kgCOD/m3.d，經過40 d，啟動完成.

圖2為改進型ABR反應器啟動期間各個格室對太湖富藻水COD去除情況.

t/d

由于本試驗在啟動初期，反應器通水后靜置培養10 d，大量的接種污泥在填料的表面富集，因此反應器在初期對COD去除率較高.在1～6 d時，進水的COD在550 mg/L左右，其出水(5#格室)COD在100 mg/L左右，反應器5個格室累計COD去除率達到80%左右.從第7 d開始，逐步調高進水COD，反應器出水水質有所下降，這可能主要由于在反應器后格室的填料層所形成的生物膜中微生物菌群還沒有很好的附著生長，其顆粒污泥產甲烷的活性較弱.隨著運行的延續，改進型ABR反應器中彈性填料富集培養的顆粒污泥的活性越來越強，在啟動穩定期(27～40 d)時，進水COD維持在2 000～2 500 mg/L之間，其出水在500 mg/L左右，COD出水去除率在75%以上.富藻水通過反應器消化去除主要有機物，同時對氮有一定的去除效果，但對富藻水中的磷的去除較微弱，因此要達到沼液的無害化達標排放，還需對沼液進行后續處理.

厭氧反應器容積產氣率是其厭氧反應器運行過程中比較敏感的指標之一，能夠直接反映反應器運行效能狀況.通過檢測反應器容積產率的變化，逐步提高有機負荷從而提高改進型ABR反應器處理效率.啟動期反應器處理太湖藍藻有機負荷及容積產氣率變化如圖3所示.從圖3可以明顯發現，改進型ABR反應器在啟動運行過程中，容積產氣率隨有機負荷的提高而增加，但在每個運行階段又表現出不同的變化特征.在1～6 d時，反應器的有機負荷較低，只有0.05 kgCOD/(m3.d)，反應器的容積產氣率在12 mL/(L.d)，這主要是因為在剛啟動階段，改進型反應器格室產甲烷菌屬于絕對厭氧細菌，其世代周期較長，對環境較敏感，活性非常弱[14]，因此產氣率較低.此階段反應器對有機物的去除主要是格室添加的彈性填料對藍藻的截留.隨后，逐步提高反應器有機負荷，在第15 d后，反應器容積產氣率增加速率明顯變大.這主要原因為改進型ABR反應器格室彈性填料富集厭氧顆粒污泥不斷馴化成熟，在反應器內部格室微生物空間分布趨于合理.

t/d

在反應器成功啟動后期，容積產氣率達到65.9 mL/(L.d)，改進型ABR各格室的產氣量沿程遞減，分別為29.3，10.9，6.3，2.3和1.5 L/d.雖然后格室(3#，4#，5#格室)中甲烷菌群落數量要多與前格室(1#，2#格室)，但由于富藻水中在前格室(1#，2#)中COD去除率達到80% 左右，因此在前格室基質濃度較高，產氣量明顯高于后格室.

改進型ABR反應器處理太湖富藻水啟動穩定時格室中pH、總揮發性脂肪酸(TVFA)、氧化還原電位(ORP)和污泥揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)見表2.實驗過程中未對反應器中的pH進行人為調節，富藻水經過各格室出水的pH分別為6.35，6.76，7.13，7.15，7.20；ORP分別為-190，-250，-284，-302，-205 Mv.這說明反應器中各格室pH, ORP都維持在厭氧發酵菌群正常范圍內[15].TVFA直接反應厭氧反應器內部揮發酸的累積情況，當TVFA變大，說明揮發性酸開始累積，反應器內的產酸菌和甲烷菌代謝平衡被破壞[16].各格室出水TVFA分別在800 mg/L，650 mg/L，325 mg/L，227 mg/L，205 mg/L左右，這說明改進型ABR反應器處理富藻水各格室內均未出現酸積累現象.

反應初期格室接種污泥量為20 g/L，啟動完成后各格室污泥MLVSS都有所增加，分別為25.5，26.2，23.3，21.9，21.0 g/L，這說明改進型ABR反應器能夠有效地富集污泥. 反應器中添加的彈性填料通過截留污泥減少流失，從而維持反應器中較高的污泥生物量.同時由于富藻水中藍藻具有微氣囊結構，在常規ABR中容易上浮并結殼，從而降低處理效果，而通過添加彈性填料截留藍藻，防止其上浮.

因此可以發現，改進型ABR反應器對富藻水有較好的厭氧消化效果.同時考慮到藍藻暴發的周期性，在非藍藻爆發期，反應器可以通過打撈站藍藻堆放池中的陳藻水維持反應器的正常運行.

表2 ABR在啟動穩定期的主要參數

2.2 改進型ABR反應器啟動期對藍藻藻毒素去除效果

藍藻中的微囊藻屬(Microcystis)、魚腥藻屬(An-abaena)、顫藻屬(Oscillatoria)及念珠藻屬(Nostoc)能夠產生次生代謝產物微囊藻毒素(Microcystin,MC).而微囊藻毒素由于毒性大，分布廣，結構穩定，從而成為水環境中的潛在危害物質[17].改進ABR反應器在處理太湖藍藻啟動40 d后對太湖藍藻中總微囊藻毒素(TMC-LR)和胞外藻毒素(EMC-LR)的降解情況如表3所示.太湖藍藻打撈后自然腐熟7 d左右，藍藻水中TMC-LR,EMC-LR的濃度分別在527～379 μg/L，306～220 μg/L，啟動成功后，改進型ABR反應器第5#格室出水中TMC-LR，EMC-LR的濃度分別降低至36～24 μg/L，25～19 μg/L，平均去除率為93.3%，91.6%.這說明改進型ABR反應器對太湖藍藻中的藻毒素有較好的去除效果.ABR反應器中添加的彈性填料生物載體對藻毒素的去除起關鍵的作用.填料可以截留大量的藍藻，從而使藻細胞在反應器內的停留時間大大延長.同時反應器在流態上成推流狀態，5個格室可能依次富集培養大量能夠降解藻毒素的土著菌種，從而降低出水中藻毒素的含量.

表3 改進型ABR反應器對藻毒素去處效果

2.3 改進型ABR反應器中產甲烷菌群落分析

本研究利用細菌探針EUB338-CY3 和古菌探針ARC915-FITC 對改進型ABR反應器5個格室的污泥樣品進行熒光原位雜交分析，結果如圖4和圖5所示.

圖4 格室顆粒污泥與EUB338 FISH雜交的熒光顯微圖像

圖5 格室顆粒污泥與ARCH915 FISH雜交的熒光顯微圖像

從熒光強度可以發現，1#格室細菌數量最多，2#格室細菌的數量較多，3#，4#，5#格室細菌的數量相對較少.這主要是由于第1#，2#格室進水中有機物濃度相對較高，主要發揮藍藻水解及產酸發酵過程，在這兩格室藍藻中復雜的有機物被轉化為溶解性有機物和揮發性脂肪酸等，這兩格室中水解細菌和產酸發酵細菌生長代謝活躍.

從古菌ARC915-FITC探針雜交的FISH照片，發現3#，4#，53格室熒光強度相對較強，第1#，2#格室熒光強度相對較弱.這可能是因為作為產甲烷菌的古菌直接利用進水中藍藻大分子物質, 只能利用水解產酸菌代謝產物，因此在反應器啟動階段，前端格室中古細菌相對較少，而后端格室相對較多.反應器形成高效微生物種群空間分布，這與其他學者的研究結果相類似[18].

在改進型ABR反應器處理太湖富藻水啟動過程中，反應器格室添加的彈性填料對反應器的成功啟動運行起到關鍵作用.彈性填料為微生物種群提供良好的棲息場所，同時物理的截留可以使得投加的接種污泥和進水中的藍藻在填料表面富集，從而在填料的表面形成生物層.在啟動初期，前端格室水解酸化細菌大量繁殖；ABR反應器整體推流的流態為后續的格室馴化培養產甲烷菌創造條件，這主要表現后續格室中古菌落活性相對較強. 因此改進型ABR反應器具有明顯的相分離特征，從而使厭氧消化兩階段中產酸細菌和產甲烷菌在反應器中實現較為合理的分布，最終形成有利于藍藻厭氧發酵產甲烷的最佳微生物種群結構分布狀態，從而實現反應的成功啟動.

2.4 改進型ABR反應器中污泥酶活性

在厭氧反應器中，藍藻的消化過程與甲烷化過程相互聯系，厭氧微生物所產生的各種酶參與不同的消化過程及甲烷化過程.通過測量顆粒污泥酶的活性，可進一步探求啟動反應器培養的顆粒污泥對藍藻消化產甲烷的能力.反應器實驗選擇以蛋白酶活力代表水解過程的酶行為[19]； TTC-脫氫酶活力代表厭氧系統內微生物的酶行為[20]；輔酶F420含量代表產甲烷厭氧微生物的產甲烷活性[21].

改進型ABR反應器處理太湖藍藻啟動運行至第30 d后，每隔2 d測量反應器格室中污泥酶活性.由表4可知，反應器中前段格室中蛋白酶的活性較高，這主要可能是因為在反應器前端中主要發生的為藍藻水解酸化反應.這表明改進型ABR反應器實現相分離，前段格室強化藍藻厭氧發酵過程中水解酸化效應，克服藍藻低效的水解速率，加快反應啟動的進程.反應器中格室污泥的TTC-脫氫酶值相對比較平穩.反應器中格室中污泥輔酶F420逐漸提高，這與反應器格室中古菌的數量的變化趨勢相一致.1#格室主要以產酸菌為主，5#格室主要以產甲烷菌為主.

表4 改進型ABR反應器顆粒污泥中各種酶活性

3 結 論

1) 在格室中添加彈性填料的改進型ABR反應器，采用接種厭氧污泥，投入等比例的富藻水與豬糞混合污水靜置培養馴化10 d后，階梯提高有機負荷，可在40 d內成功啟動處理太湖藍藻.反應器穩定運行時，富藻水進水COD為2 500 mg/L左右，出水在500左右，COD去除率為75%， 容積產氣率為65.9 mL/(L.d).

2)改進型ABR反應器中彈性填料這一生物載體在處理藍藻成功啟動中起到關鍵作用，有利于生物膜的行成，加速反應器中顆粒污泥的馴化，促進反應器格室中微生物產酸細菌與產甲烷菌合理有序的空間分布，從而使反應器具有明顯的相分離特征.

3)改進型ABR反應器對太湖富藻水中的藻毒素有較好的去除效果.反應器內格室中污泥蛋白酶活性沿格室沿呈遞減，而輔酶F420呈遞增趨勢，這和反應器中細菌與古菌數量變化趨勢相一致.

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