光合細菌強化高濃度酵母廢水厭氧生物處理效果研究

李友明，薛宇慧，葛廣德，胡永玫，侯 軼※

（1. 華南理工大學制漿造紙國家重點實驗室，廣州 510640；2. 廣西壯族自治區冶金產品質量檢驗站，南寧 530023）

0 引 言

酵母工業以甘蔗蔗糖為原料發酵生產酵母活性產品或能源燃料酒精[1-2]，為甘蔗生物質產業鏈提供了巨大的經濟收益和社會效益，但是酵母工業會排放出大量有機物濃度高、成分復雜[3]的工業廢水。如何實現高濃度有機酵母廢水的有效處理和達標排放一直是中國輕化工業可持續發展的重要瓶頸，該廢水也是國際公認治理難度較高的工業廢水之一[4]。

由于酵母廢水中有機物成分復雜，主要為酚類、酮烴、酯類、雜環化合物和焦糖色素聚合物等[5]，可生化性低，需先進行預處理調節廢水可生化性能[6-7]，研究團隊前期探索超濾膜過濾分離工藝預處理高濃度酵母廢水，不僅可以從超濾濃縮液中回收焦糖色素等生物難以降解且有抑制作用的物質，并且超濾后透析液廢水可生化性生化需氧量/化學需氧量（biochemical oxygen demand/chemical oxygen demand，BOD5/CODCr）由0.25提高到0.32，有利于后續生物處理[8]。

生物處理廢水的 2種常見方法中，好氧生物法適用于處理中、低濃度的有機廢水，由于需持續供氧，使得運行動力消耗成本較高，并且好氧過程中產生的污泥量較大，容易發生污泥膨脹，給廢水處理工藝的穩定性運行帶來一定的影響。而厭氧生物法適用于中、高濃度的有機廢水的處理，是一種能耗低、有機物去除效率高且具有一定經濟效益的廢水處理方法，它能夠降解好氧法難以降解或無法降解的物質。同時，厭氧處理產生的剩余污泥量比好氧法少。

光合細菌是地球上出現最早的、具有原始光能合成體系的原核生物的總稱，光合細菌本身降解有機物的能力較強，且無毒無害，營養物質豐富，同時含有生物促進因子和少量抗病毒物質[9]。在厭氧光照下光合細菌能發生異氧代謝，在利用有機物和氮磷的同時，利用廢水中的氮磷快速合成自身菌體，將廢水中的有機物和氮磷富集至體內，通過厭氧發酵產甲烷將有機物轉化為能源物質[10]。王玉芬等[11]采用光合細菌球形紅細菌在厭氧光照條件下對氯代苯進行生物降解，可使細菌生長的停滯期明顯縮短，提高氯代苯的脫氯率。González[12]已證明生活廢水經厭氧生物反應器處理后，再進行光合細菌膜反應器處理，有機碳和氮的去除率分別為65%和39%。但是厭氧光照條件下添加光合細菌處理高濃度酵母廢水方面的研究報道甚少。

本文探索采用光合細菌強化厭氧生物處理高濃度酵母廢水，選擇超濾膜過濾分離后的透析液廢水為試驗對象，自行設計實驗室小型UASB厭氧反應器，在馴化后的厭氧污泥中加入光合細菌。探究光合細菌添加前后厭氧小試系統對廢水處理效果的影響，為酵母廢水的綜合利用和高效治理開辟新的途徑。

1 試 驗

1.1 材料與試劑

廢水來源：試驗所用廢水來自廣東某藥用酵母企業，本試驗水樣取自該廠生產過程中產生的一級分離酵母廢水經超濾膜過濾分離得到的透析液廢水，水樣在0～4 ℃的環境下保存備用。

光合細菌來源：由廣州某生物公司提供，菌懸液的OD660值為0.273。

試劑：重鉻酸鉀、濃硫酸、硝酸銀、硫酸汞、氫氧化鈉、葡萄糖、硝酸銨、磷酸二氫鉀皆為分析純；哈希水質檢測試劑。

1.2 主要儀器與設備

儀器：DR2800COD檢測儀（美國 HACH公司），TrakⅡBOD檢測儀（美國HACH公司），LRH-250BOD恒濕恒溫培養箱（廣東省醫療器械廠），PB-10pH計（德國Sartorius公司），DZF-6020真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司），TDL-40B高速離心機（上海安亭科學儀器廠），C-MAG HP10加熱電動攪拌機（IKA儀器設備有限公司），YZ1515X橫流蠕動泵（保定蘭格恒流蠕動泵有限公司）。

1.3 試驗裝置

厭氧過程采用試驗室自制的升流式厭氧污泥床（upflow anaerobic sludge bed，UASB）反應器，其模型如圖1所示。

圖1 升流式厭氧污泥床反應器（UASB）模型Fig.1 Model of upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB)

UASB系統為有機玻璃制成的圓柱形反應器，外徑85 mm，內徑75 mm，高度為280 mm；反應器內部設有三相分離器，三相分離器開口外徑64 mm，內徑62 mm，高度為45 mm，整個反應器有效容積為1.07 L；反應裝置在處理過程中使用日光燈全周期照射；厭氧處理過程中，以恒流蠕動泵為水力驅動力，調節轉速，控制泵入反應器中水流的快慢，同時用控溫加熱棒和水浴盆對厭氧反應系統的溫度進行調節，為厭氧微生物提供良好的生長代謝環境，保證對廢水中有機物的有效降解和去除。

1.4 試驗方法與工藝

1.4.1 UASB反應器的啟動

采集工業污水排水口的污泥接種，接種污泥的初始混合液污泥濃度 (mixed liquid sludge concentration，MLSS) 值為4 820 mg/L。污泥體積約為反應器有效體積的25%～30%，蠕動泵轉速為70 r/min，設定反應器溫度為32 ℃，水浴保持。水力停留時間48 h，進水量為900～1 000 mL，進水pH值控制在6.8～7.0。厭氧反應器啟動階段，以葡萄糖、硝酸銨和磷酸二氫鉀分別作為C源、N源和P源，并補充適量的微量元素，配制C:N:P比例為300:5:1的營養液。將酵母廢水與營養液混合配置成質量濃度梯度分別為 3 000～3 500，7 000～7 500，10 000～10 500和14 000～15 000 mg/L的水樣，以低濃度向高濃度逐梯度式加入到反應器中，進行批次試驗，直至廢水有機物濃度達到原水濃度為止。待反應器處理效果穩定之后，對廢水的水質特性進行檢測并分析 UASB厭氧處理工藝對酵母廢水的影響。前后 2次加入廢水的時間為一個周期，每個周期48 h，該階段厭氧處理工藝運行14個周期。

1.4.2 光合細菌強化UASB厭氧反應器系統

以單級穩定運行的厭氧反應器為主體，向反應器中滴加已工業馴化完成的紅色光合細菌混合液，光合細菌以0.9%滅菌生理鹽水為溶劑，其菌懸液濃度經麥氏比濁法測定為1.2×1010/mL，其主要菌種為紅假單胞菌屬，添加量為1 mL/L，持續日光燈光照，反應器工藝參數仍保持溫度為32 ℃，水力停留時間48 h，進水量為900～1 000 mL，營養鹽（CODCr:N:P）比例為 300:5:1，蠕動泵轉速為70 r/min，pH值控制在6.8～7.0。待反應器穩定后，連續運行 9個周期對水質進行檢測并分析，探究光合細菌強化的厭氧工藝對廢水處理效果的影響。

1.4.3 水質檢測

CODCr采用重鉻酸鉀法，通過便攜式水質分析儀測定（HACH，型號DR2800）；BOD5采用五日培養法，通過壓差法BOD分析儀測定（HACH，型號BODTrakII）；色度采用鉑鈷比色法，用分光光度計（HACH，型號DR6000）進行測定；硫酸根離子濃度采用鉻酸鋇光度法（HJ/T342-2007）測定，使用便攜式水質分析儀測定（HACH，型號DR2800）。由于試驗所用酵母廢水CODcr、BOD5、硫酸根離子濃度、色度值較高，需將水樣稀釋到儀器的測定范圍內進行檢測。

1.4.4 厭氧污泥生物多樣性測試

以接種污泥、馴化常規厭氧污泥和添加光合細菌強化的厭氧微生物污泥為對象，提取其基因序列[13]，以核酸分子（DNA或RNA）為研究對象，通過高通量測序分析[14]，從物種基因水平對微生物種類的變化進行檢測分析。通過門類水平物種OUT聚類個數[15]和物種分布柱狀圖中條帶特征及對應物種所占相對豐度比例，對比分析接種污泥、馴化厭氧污泥和添加光合細菌強化的厭氧微生物污泥中微生物物種的變化。

2 結果與討論

2.1 UASB厭氧反應器的處理效果

2.1.1 酵母廢水水質分析

試驗所用水樣為經超濾膜處理后酵母廢水，其水質如表1所示。

表1 酵母廢水水質Table 1 Water quality of yeast wastewater

由表1可知，該廢水CODCr值高達14 000～15 000 mg/L、質量濃度高達1 300～1 600 mg/L、色度高、可生化性BOD5/CODCr為0.32，可以直接進行生化處理。外觀呈棕黑色，表明廢水中存在大量的發色基團和助色基團。

在厭氧環境中，硫酸鹽還原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）會將硫酸鹽還原為硫化氫，游離的硫化氫會對厭氧細菌中的產甲烷菌造成毒性，SRB對H2S的毒性影響相當敏感，當 H2S的質量濃度為 40～50 mg/L時，SRB完全受到抑制[16]。為保證厭氧反應器中產甲烷反應處于主導地位，CODcr和的比例維持在10:1以上，試驗期間反應器進水中質量濃度控制在1 900 mg/L以下。

2.1.2 UASB厭氧處理工藝試驗結果分析

采用水質檢測分析方法對UASB厭氧處理出水水質理化性質進行檢測，結果如圖2所示。

圖2 UASB厭氧工藝對超濾膜透析液的處理效果Fig.2 UASB anaerobic process on treatment of ultrafiltration membrane dialysate

由圖2可以看出，馴化過程中UASB單段厭氧反應器中的微生物對酵母廢水中的有機物有一定的降解，但隨著進水負荷中酵母廢水濃度的增加，CODCr和色度的去除效果呈下降趨勢，當系統穩定運行后，出水 CODCr降至約6 061 mg/L，色度降至約3 595，CODCr的去除率約為58.20%，色度去除率約為47.50%，可生化性約為0.28。這表明廢水中存在較多難以生物降解的有機物。

厭氧微生物中主要菌種有產甲烷菌和硫酸鹽還原菌等，有機物經水解酸化后被降解為醇、醛或揮發性有機酸[17-19]，再由產甲烷菌將其轉化為甲烷和二氧化碳等物質，同時硫酸鹽還原菌能夠將還原為H2S、HS-、S2-和金屬硫化物等，大幅度降低了廢水中的含量。但是硫酸鹽還原菌的生長代謝過程中，需與產甲烷菌共同競爭揮發性有機酸等物質，同時其還原產物對產甲烷菌具有毒害作用，導致整個反應器內厭氧微生物活性降低，單段 UASB厭氧反應器對廢水的處理不能達到理想效果。

2.2 光合細菌強化UASB厭氧生物處理效果分析

由于常規 UASB單段厭氧處理不能達到理想效果，故向厭氧反應器中投加少量的光合細菌，待反應器穩定運行后，檢測分析添加光合細菌強化的UASB單段厭氧反應器系統對廢水水質的影響，結果如圖3所示。

圖3 光合細菌強化的UASB厭氧工藝對超濾膜透析液的處理效果Fig.3 Treatment of ultrafiltration membrane dialysate by photosynthetic bacteria-enhanced UASB anaerobic process

光合細菌是能進行光合作用的一類原核微生物的總稱[20]，其可在厭氧光照或好氧黑暗的條件下利用自然界中的有機物作為碳源進行光合作用[21]。同時光合細菌菌體無害，富含維生素B12、葉酸等多種維生素以及生長促進因子，能夠促進其他微生物的生長和繁殖，其代謝特性與厭氧微生物類似，均以有機酸、醇及氨基酸等物質為原料進行生物降解，因此能夠在與厭氧微生物發生協同作用，促進其生長，共同處理有機廢水[22]。

經檢測計算，酵母廢水透析液經添加光合細菌強化的UASB單段厭氧反應器系統處理后，其水質處理效果如表2所示。

從表 2可以看出，添加光合細菌后的單段厭氧處理反應系統對廢水中有機物的處理效果明顯提高。反應器穩定后，連續運行9個周期，其CODCr降至約3 650 mg/L，去除率約為 75.12%，色度降至約 2 600，去除率約為62.04%，同時廢水中的SO全部去除。相比未添加光合細菌的單級厭氧處理反應器，有機物去除效果大幅度提高。

表2 添加光合細菌強化的厭氧小試系統處理效果Table 2 Photosynthetic bacteria optimizing treatment effect of anaerobic bench test system

本研究所用光合細菌主要菌種為紅螺菌目紅假單胞菌屬[24]，本身無毒無害，營養物質豐富，含有生物促進因子和少量抗病毒物質，其有機物降解機理與厭氧微生物類似，能以 OH-、S2-和有機物作為碳源和電子供體并轉化為小分子物質，光合細菌的特性在于與異養細菌存在共生關系，可以提高對復雜大分子的降解能力，同時能夠以硫酸鹽還原菌的還原產物 H2S等作為電子供體，還原硫化物和CO2，將其轉化為自身營養物質和硫單質，反應式為 2H2S+CO2=(CH2O)菌體+H2O+2S[25]。大幅度降低厭氧系統中硫化物的含量，減弱對厭氧微生物的毒害作用，從而提高整個 UASB厭氧反應系統對有機物的處理效率。

2.3 微生物多樣性分析

由于受到培養條件的限制，UASB厭氧環境中只有不超過 1%的微生物可以培養，而往往不能培養的微生物才是環境微生物的主體。傳統的微生物生態系統研究方法存在很多缺陷，所以目前越來越多的趨勢是采用不依賴于細菌培養的以16S rDNA為基礎的分子生物學的方法[26-29]。

2.3.1 厭氧污泥細菌的OTU分布分析

基于高通量測序分析，3種厭氧污泥的微生物在門類水平的物種分布柱狀圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，A污泥平均OTU為2021，B污泥平均OTU為576，C污泥平均OTU為614。結果表明，接種污泥未經馴化，其微生物數量較多，種類復雜，特異性較弱；馴化厭氧污泥和添加光合細菌強化的厭氧微生物污泥所包含的微生物特異性較強，經過工業廢水的篩選馴化，大多為能夠有效處理廢水的厭氧微生物菌種。C相比B，OTU數量較多，這是因為光合細菌對厭氧系統的優化作用，降低了厭氧過程中部分產物對體系的毒性，改善了生長環境，促進了厭氧微生物的增殖。添加光合細菌強化的厭氧微生物污泥給予微生物穩定的生長繁殖環境，微生物多樣性變高，污泥中的優勢菌群在UASB系統的選擇作用下不斷積累，并且會在顆粒內部形成厭氧區，提高廢水處理能力，增強UASB反應器抗沖擊能力。

圖4 厭氧污泥微生物細菌OTU分析Fig.4 OUT analysis of microbial bacteria in anaerobic sludge

2.3.2 厭氧污泥細菌的物種門類分布

圖 5為微生物細菌的物種柱狀圖中，微生物在門類水平上檢測分析后，A類樣品中物種門類約為37種，B類樣品中物種門類約為21種，C類樣品中物種門類約為17種，表明微生物在不斷馴化與強化過程中，優勢菌種不斷積累，特異性增強，物種門類數目減少。

擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes）為厭氧系統產甲烷過程的優勢群落，互養菌門（Synergistetes）為產甲烷階段的新增菌群[30]。由圖 5可知，C（添加光合細菌強化的厭氧微生物污泥）相比于B（馴化厭氧污泥），擬桿菌門類微生物和厚壁菌門類微生物條帶占比顯著增加，且出現新的互養菌門，表明光合細菌強化的厭氧微生物污泥中含有大量優勢菌種—產甲烷菌，它能夠有效的將有機物轉化為甲烷和二氧化氮等物質。

圖5 微生物細菌物種分布柱狀圖Fig.5 Bar graph of microbial bacterial species distribution

另外，C相比于B，變形菌門（Tenericutes）類微生物減少，包括硫酸鹽還原菌等菌種。硫酸鹽還原菌是厭氧生物處理過程中一種主要的變形菌門類微生物，光合細菌加入后，其條帶大幅度縮減，相對豐度有所降低，表明光合細菌在自身生長代謝過程中，會與硫酸鹽還原菌搶奪揮發性有機酸等營養物質，從而在一定程度上抑制了硫酸鹽還原菌的生長，并且減弱整個體系的毒性，使得擬桿菌門與厚壁菌門的微生物大量繁殖，降低了硫酸鹽還原菌在整個細菌體系的相對豐度。同時由于光合細菌可以消耗掉硫酸鹽還原菌的硫化產物，促進硫酸鹽還原菌的代謝過程正向進行，使得廢水中硫酸根濃度進一步降低。

2.3.3 厭氧污泥古菌聚類結果序列（tags）數量分析

對OTU進行去低含量篩除（物種豐度小于0.005%），得到最終的OTU列表并統計出各樣品中各等級物種的序列數。表 3為樣品各等級序列統計表，其中的值代表該樣品該等級下所涵蓋的總序列數量。

表3 微生物古菌各等級序列統計Table 3 Statistical of sequences of microorganisms

從表3可以得出，接種污泥在界、門、綱、目、科、屬、種7個等級中平均序列數量分別為57 893、57 869、56 829、54 969、54 866、54 172、41 076，馴化厭氧污泥在 7個等級中平均序列數量分別為 54 666、54 666、53 578、40 282、40 282、49 393、19 740，光合細菌強化的厭氧微生物污泥在 7個等級中平均序列數量分別為62 980、62 980、61 696、41 433、41 433、61 130、21 703。

對比3種污泥古菌序列的數量得出，馴化厭氧污泥在界、門、綱、目、科、屬、種7個等級中的序列數量均小于接種污泥。這是由于污泥具有生物多樣性，馴化條件對微生物進行選擇，適合馴化條件的生存生長，不適合的被淘汰。通過表型適應和進化性，加入厭氧反應器的活性污泥微生物能夠主動地去適應馴化條件。由于選擇與淘汰的結果，被馴化后的厭氧污泥更能適應厭氧條件下生存，因此，在界、門、綱、目、科、屬、種7個等級中馴化厭氧污泥的序列數量均小于原始的接種污泥。

同時可以看出，添加光合細菌強化的厭氧微生物污泥各等級的序列數大于馴化厭氧污泥。這是由于在加入光合細菌后，廢水中的高濃度有機物首先在可溶化階段被異養細菌降解為小分子的有機酸、醇氨和氨基酸等，再經過營養鹽或pH值調整后進入光合細菌階段，由光合細菌對小分子有機物進一步降解。光合細菌不但能夠高效利用酵母廢水中的低分子脂肪酸、醇，而且具有多種代謝途徑，因此在酵母廢水的處理中具有很大的優勢。因此，加入光合細菌的厭氧微生物污泥更能適應厭氧環境，其序列數大于未加光合細菌的馴化厭氧污泥。

3 結 論

1）對超濾膜預處理后的酵母廢水進行UASB單段厭氧工藝處理，結果表明經厭氧工藝處理后，CODCr去除率為58.20%，色度去除率為47.50%。加入光合細菌以后，CODCr去除率為75.12%，色度去除率為62.04%，硫酸根完全去除，光合細菌強化厭氧生物處理過程效果明顯。

2）對接種污泥、常規厭氧污泥和添加光合細菌強化的厭氧污泥中的微生物進行多樣性分析發現，在馴化和添加光合細菌強化過程中，厭氧污泥中優勢菌種不斷累積，特異性增強，物種門類數目減少。光合細菌與其他異養細菌存在共生關系，可以提高對復雜大分子的降解能力，同時消耗厭氧過程中部分產物對產甲烷菌屬的毒性，從根本上改善厭氧體系的生態環境，提高產甲烷類微生物的活性，從而提高厭氧系統的處理效果。