水力停留時間對雙循環厭氧反應器處理中藥廢水污泥特性的影響

宿程遠，王愷堯，李偉光

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水力停留時間對雙循環厭氧反應器處理中藥廢水污泥特性的影響

宿程遠1,2，王愷堯1，李偉光1

（1哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱 150090；2廣西師范大學環境與資源學院，廣西桂林 541004）

研究了不同水力停留時間（HRT，24 h、18 h、15 h、12 h）對雙循環（DC）厭氧反應器處理中藥廢水效能的影響，并對顆粒污泥的粒徑分布（PSD）、胞外聚合物（EPS）、微生物群落等變化情況進行了分析。結果表明，HRT由24 h縮短為12 h后，DC厭氧反應器對COD的去除率仍在90%以上。雖然出水中乙酸含量升高到339.69 mg·L-1，但未造成VFA的過度累積；出水中輔酶的熒光吸收峰有所降低，而類腐殖酸與類富里酸的吸收峰增強，不適宜再繼續降低HRT。隨著HRT的縮短，顆粒污泥的EPS總量、蛋白含量、多糖含量均降低，其中酪氨酸對于保持污泥的穩定性發揮著重要作用。而磷脂脂肪酸分析（PLFA）表明，HRT縮短對于DC厭氧反應器第2反應區內微生物群落分布影響顯著，革蘭陽性菌由原來占總脂肪酸生物量的44.24%下降到32.69%，而革蘭陰性菌由32.69%增大到38.66%。

厭氧；生物反應器；廢水；水力停留時間；顆粒污泥；胞外聚合物

引 言

厭氧生物處理技術具有能耗低、污泥產量少、抗沖擊負荷能力強，并可產生能源等優勢，因此在處理高濃度有機工業廢水領域得以廣泛應用[1]，并誕生了EGSB、IC等高效厭氧反應器。而在厭氧反應器的實際應用過程中，其處理效能會受到水力停留時間（HRT）、進水有機物濃度、溫度、pH等運行參數的影響。HRT是厭氧反應器非常重要的工程控制參數，一方面HRT過低，廢水與微生物的接觸反應時間過短，可能引起反應器內揮發酸（VFA）的累積，從而對厭氧微生物的生長環境造成沖擊，最終影響出水水質；而HRT過長，會增大厭氧反應器的基建投資且造成反應器有效容積的浪費[2-3]。而厭氧反應器在實際應用時另一個關鍵的影響因素就是需要培養出活性高、沉淀性好、性能穩定的顆粒污泥[4-5]。結合EGSB與IC反應器各自的特點，本文作者設計了新型雙循環（DC）厭氧反應器，該反應器主要分為第1反應區（產酸區）與第2反應區（產甲烷區），為產酸菌與產甲烷菌創造各自適宜的生長環境，從而達到高效處理高濃度工業廢水的目的。本文研究了HRT的縮短對DC厭氧反應器處理中藥廢水效能的影響，并對顆粒污泥的粒徑分布（PSD）、胞外聚合物（EPS）、微生物群落分布等變化情況進行了系統分析，旨在為DC厭氧反應器的實際應用及保證其運行穩定性提供一定的參考。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗用水

試驗用水取自某中藥廠調節池，COD濃度為5000～6500 mg·L-1，SS為450～550 mg·L-1，色度為250～300倍，pH為5.0～5.5。試驗過程中在中藥廢水中加入適量的NaHCO3，調節進水pH為7.5～8.0，以保證DC厭氧反應器內有足夠的緩沖能力[6]。

1.2 試驗裝置與試驗方法

試驗裝置如圖1所示，該反應器由有機玻璃加工，總高度為150 cm，第1反應區的有效容積為2.4 L，直徑為8 cm，第2反應區的有效容積為4.4 L，直徑為10 cm。內循環廢水進入第1反應區，外循環廢水進入第2反應區。反應器外部設有水浴夾套，對其進行加熱，控制溫度為30℃左右。

圖1 DC厭氧反應器示意圖

本試驗考察了HRT對于DC厭氧反應器處理中藥廢水效能及污泥特性的影響，主要分為4個階段，HRT為24 h（前18 d）、HRT為18 h（19～38 d）、HRT為15 h（39～50 d）以及HRT為12 h（51～88 d）。

1.3 分析方法

進出水COD采用重鉻酸鉀法測定。出水VFA的組分變化利用高效氣相色譜進行分析。厭氧顆粒污泥PSD采用Malvern Mastersizer粒度測定儀進行分析。出水的三維熒光（EEM）分析[7-8]：取20 ml反應器出水，4000 r·min-1離心10 min，上清液過0.45 μm濾膜，而后取5 ml濾液，用FP6500熒光光譜儀進行分析，分析條件為，Em.為220～550 nm，Ex.為220～450 nm，狹縫為3 nm。顆粒污泥的EPS分析[8-9]：取一定的污泥混合液，4000 r·min-1離心10 min，棄掉上清液，用蒸餾水洗滌2次后用生理鹽水補滿離心管，放置于80℃的水浴鍋中熱提30 min，而后于9000 r·min-1離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜，一份采用蒽酮比色法測定多糖的含量，采用考馬斯亮藍法測定蛋白質的含量；另一份放入蒸發皿內，45℃烘箱烘干后，借助Spectrum One傅里葉變換紅外光譜儀測定其紅外光譜圖（FTIR），分析條件為，波長4000～400 cm-1。利用美國MIDI公司SHERLOCK微生物鑒定系統和安捷倫6890高效氣相色譜，采用MIDI公司提供的標準樣品提純方法和樣品分析程序對不同運行階段下DC厭氧反應器內顆粒污泥的特征脂肪酸（PLFA）進行測定，從而對微生物群落進行分析。

2 結果與討論

2.1 HRT對COD去除的影響

本試驗對不同HRT條件下，DC厭氧反應器處理中藥廢水過程中，COD去除率的變化情況進行了分析，如圖2所示。

圖2 不同HRT下的COD去除情況

由圖2可知，在HRT為24 h、18 h及15 h時，DC厭氧反應器運行良好，出水COD濃度在400 mg·L-1以下，平均COD去除率為93%。而后繼續縮短HRT到12 h，初期反應器出水效果迅速變差，出水COD達到1000 mg·L-1左右，COD去除率下降到80%，原因在于HRT過短對反應器沖擊較大，導致廢水中需要較長降解時間的有機污染物降解得不夠充分，從而使得出水水質變差。經過1周左右的運行之后，DC厭氧反應器的處理效果逐漸趨于穩定，COD去除率在90%左右，出水COD能夠穩定在300 mg·L-1以下，說明該反應器具有良好的抗沖擊負荷能力，在較短的停留時間下也能夠穩定運行。

2.2 HRT對出水VFA組分的影響

出水VFA是厭氧反應器運行時一個重要的參數，它能直觀反映厭氧反應器的運行狀況[10-11]，本試驗對不同HRT條件下，DC厭氧反應器出水的VFA組分進行了分析，如圖3所示。

圖3 不同HRT下出水VFA的組分情況

由圖3可知，在HRT為24 h、18 h以及15 h時，出水VFA均以乙酸為主，但其含量較低，均低于200 mg·L-1。而在HRT12 h時，乙酸含量有所升高，達到了339.69 mg·L-1，此時乙酸積累量略高，表明產甲烷菌的活性受到一定的影響，使乙酸向甲烷轉化過程受到了影響，但并未造成VFA的過度累積，說明DC厭氧反應器可以在此條件下運行，但不適宜再繼續縮短HRT。

2.3 不同HRT下反應器出水的EEM光譜分析

由于HRT為12 h時，DC厭氧反應器出水VFA出現了一定的變化，因此對HRT為24 h與12 h時，DC厭氧反應器的出水情況進行了EEM光譜分析，如圖4所示。

圖4 不同HRT下出水的三維熒光光譜

由圖4可知，在HRT為24 h時，在DC厭氧反應器出水的EEM光譜中，Ex./Em.420/470 nm出現了明顯的熒光吸收峰，而這個峰所對應的是輔酶F420，它的熒光強度與厭氧污泥的SMA具有良好的正相關，表明此時DC厭氧反應器內產甲烷菌具有良好的活性[11]，同時還有簡單芳香蛋白（Ex./Em.220/300 nm）以及色氨酸類蛋白（Ex./Em.280/300 nm）吸收峰[12-13]。而當HRT降低為12 h后，出水中輔酶的熒光吸收峰有所降低，同時在Ex./Em.320/420 nm以及Ex./Em.250/440 nm吸收峰增強，與之相對應的是類腐殖酸與類富里酸[12-13]，表明厭氧污泥的性狀發生了變化，不適宜再繼續降低HRT。

2.4 不同HRT下顆粒污泥的PSD分析

由于HRT為12 h時，DC厭氧反應器運行出現了一定的變化，因此對HRT為24 h與12 h時，DC厭氧反應器內顆粒污泥的PSD進行了分析，如圖5所示。

圖5 不同HRT下顆粒污泥的粒徑分布

2.5 不同HRT下顆粒污泥的EPS變化

EPS是微生物在生長過程中向其外部所分泌的一種物質，它對于維持顆粒污泥的穩定性以及抵抗外來有毒物質對微生物的傷害發揮著重要的作用，同時EPS的組成及含量的變化可以反映顆粒污泥中微生物特性的改變[14-15]，因此本試驗對HRT為 24 h與12 h時，DC厭氧反應器內顆粒污泥EPS的組分與含量進行了分析，如圖6與圖7所示。

圖6 不同HRT下顆粒污泥EPS的FTIR光譜

圖7 不同HRT下EPS中蛋白與多糖的含量

由圖6可知，在EPS的FTIR光譜中3500～3300 cm-1處出現了NH的伸縮振動，3000～2920 cm-1處出現了CH的伸縮振動，1550～1600 cm-1處所對應的為蛋白質肽鍵，同時在1120～1020 cm-1處出現代表多聚糖的COC的伸縮振動[14-15]，EPS以多糖與蛋白為主。在HRT為12 h時，第1反應區顆粒污泥EPS的FTIR光譜中，1517 cm-1處出現了酪氨酸的吸收峰[16]；第2反應區顆粒污泥EPS的FTIR光譜中，氨基的吸收峰由原來的鈍峰變為3410 cm-1處的尖峰，可能是停留時間的縮短造成了第2反應區厭氧污泥的破碎，厭氧污泥中的金屬離子溶出，而EPS中含有大量的蛋白質，蛋白質上的N、O原子等與金屬離子絡合，生成配合物，造成了其紅外光譜的變化，反映出反應器內的厭氧污泥性狀發生了一定的改變，不宜繼續降低HRT。

而由圖7可知，在HRT為24 h時，第1反應區內顆粒污泥的EPS總量、蛋白含量、多糖含量分別為105.8 mg·(g VSS)-1、56.29 mg·(g VSS)-1和49.51 mg·(g VSS)-1；第2反應區內顆粒污泥的EPS總量、蛋白含量、多糖含量則分別為82.24 mg·(g VSS)-1、42.29 mg·(g VSS)-1和34.95 mg·(g VSS)-1，此時顆粒污泥保持了良好的活性與穩定性。而當HRT減少為12 h時，第1反應區與第2反應區內顆粒污泥的EPS總量、蛋白含量、多糖含量均出現了降低，特別是第2反應區內的變化更為顯著，多糖含量僅為19.21 mg·(g VSS)-1，而多糖含量的減少必然影響到顆粒污泥的粒徑，這與顆粒污泥PSD的變化也是一致的。

2.6 不同HRT下DC厭氧反應器內的微生物群落變化

PLFA技術可以確定生態環境中微生物的生物量分布，同時可以得到較完整的“存活”微生物群落在數量和結構方面的重要信息，因此被廣泛地應用于土壤、堆肥樣品、河流沉積物和污泥等微生物群落研究[17-20]。雖然其不能用于古細菌的分析，具有一定的局限性，但與DGGE、FISH等相比，對技術和儀器條件要求相對較低，因此，本試驗對HRT為24 h與12 h時，DC厭氧反應器內微生物群落的變化進行了分析，如圖8與圖9所示。

圖8 不同HRT下DC厭氧反應器第1反應區的微生物群落分布

圖9 不同HRT下DC厭氧反應器第2反應區的微生物群落分布

由圖8可知，對于第1反應區而言，在HRT為24 h時，顆粒污泥中占所有微生物比重較大的是革蘭陽性菌，占總脂肪酸生物量的55.69%，其次是革蘭陰性菌與厭氧細菌，分別占總脂肪酸含量的24.89%和8.94%；HRT縮短為12 h后對微生物群落的影響并不顯著，表明產酸菌對于HRT的變化有良好的適應能力。但HRT的縮短對于第2反應區影響非常顯著（圖9），在HRT為24 h時，微生物比重最大的是革蘭陽性菌，占總脂肪酸生物量的44.24%，其次是革蘭陰性菌與厭氧細菌，分別占 總脂肪酸含量的32.69%和12.73%；而HRT為12 h時，微生物比重最大的變成了革蘭陰性菌，占總 脂肪酸生物量的38.66%，革蘭陽性菌則下降為32.69%。

3 結 論

（1）HRT由24 h縮短為12 h后，雖然初期DC厭氧反應器對中藥廢水處理效能有所下降，但運行穩定后對COD的去除率在90%以上，并未出現VFA的過度累積，表明DC厭氧反應器具有良好的抗沖擊負荷能力。

（2）當HRT降低為12 h后，出水中輔酶的熒光吸收峰有所降低，同時類腐殖酸與類富里酸的吸收峰增強，并且第1反應區與第2反應區內顆粒污泥的EPS總量、蛋白含量、多糖含量均出現了降低，特別是第2反應區顆粒污泥EPS的多糖含量僅為19.21 mg·(g VSS)-1，同時厭氧污泥粒徑顯著減少，不適宜再繼續降低HRT。

（3）PLFA分析表明，HRT縮短為12 h后，第1反應區內的微生物群落未發生明顯的變化，產酸菌對于HRT的變化有著更好的適應性。而第2反應區內微生物群落的變化非常顯著，革蘭陽性菌由原來占總脂肪酸生物量的44.24%下降到32.69%，而革蘭陰性菌由32.69%增大到38.66%，因此在DC厭氧反應器實際運行過程中，應加強對于第2反應區顆粒污泥特性與微生物群落的分析。

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Influence of hydraulic retention time on sludge characteristics of DC anaerobic reactor for treating traditional Chinese medicine wastewater

SU Chengyuan1,2, WANG Kaiyao1, LI Weiguang1

(1School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China;2School of Environment and Resources, Guangxi Normal University, Guilin 541004, Guangxi, China)

The influence of hydraulic retention time (HRT, 24, 18, 15 and 12 h) on the performance of double circle (DC) anaerobic reactor for treating traditional Chinese medicine wastewater was investigated. Additionally, the characteristics of granular sludge were studied, including particle size distribution (PSD), extracellular polymeric substances (EPS), and distribution of microbial communities. When HRT was reduced from 24 h to 12 h, the DC anaerobic reactor demonstrated good COD removal of 90%. Although concentration of acetate increased to 339.69 mg·L-1, the process was operating favorably without acidification. But humic acid-like and fulvic acid-like absorption peaks were stronger and coenzyme F420absorption was weaker in the EEM spectra of soluble microbial products (SMP) at HRT 12 h. It was not recommended to further reduce HRT. The contents of EPS, protein, and polysaccharide decreased in the sludge at HRT 12 h, and tyrosine played an important role in maintaining stability of the sludge. The phospholipid fatty acids analysis showed that reducing HRT affected significantly distribution of microbial community in the second reaction area of the DC anaerobic reactor. Gram-positive bacteria decreased from 44.24% to 32.69%, while gram-negative bacteria increased from 32.69% to 38.66%.

anaerobic; bioreactors; waste water; hydraulic retention time; granular sludge; extracellular polymeric substances

10.11949/j.issn.0438-1157.20141882

X 703.1

A

0438—1157（2015）05—1897—07

2014-12-18收到初稿，2015-01-26收到修改稿。

聯系人：李偉光。第一作者：宿程遠（1981—），男，副教授，博士研究生。

國家科技重大專項項目（2012ZX07205-002）；廣西自然科學基金項目（2013GXNSBA019213）。

2014-12-18.

LI Weiguang, hitlwg@126.com