厭氧膨脹顆粒污泥床生物膜反應器同步產甲烷-硫酸鹽還原的快速啟動

張 偉，周 鑫，呂姍姍

（1. 太原理工大學 環境科學與工程學院，山西 晉中 030600；2. 山西省市政工程研究生教育創新中心，山西 晉中 030600）

化工、制藥、食品、造紙等行業排放的廢水中不僅含有高濃度的有機物，還含有大量的硫酸鹽，由于其污染嚴重，已經引起業內外人士關注。厭氧生物處理技術是針對高濃度有機廢水的一種經濟高效的處理技術。有機物在水解酸化菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌等微生物的共同作用下被生物轉化為甲烷。而硫酸鹽一般通過硫酸鹽還原菌（SRB）在厭氧條件下被生物還原成硫化物而去除。在厭氧消化過程中，一方面硫酸鹽還原菌和產甲烷菌為爭奪有機底物而形成相互競爭關系；另一方面，硫酸鹽還原產物HS亦會對微生物尤其是產甲烷菌造成抑制作用，因此在實踐中常采用兩相厭氧處理工藝，即產甲烷和硫酸鹽還原分別在兩個反應器中發生。然而這種處理方式在實際運行中存在著工藝復雜、建設和運行成本高等問題。

為此，本研究嘗試在一個新型的單級厭氧膨脹顆粒污泥床生物膜反應器（Expanded Granular Sludge Blanket Biofilm Reactor，EGSBBR）中實現產甲烷和硫酸鹽去除的同步耦合，著重考察了工藝在啟動過程的處理效能、胞外聚合物（EPS）特征及微生物群落特性，以期為EGSSBR反應器處理高濃度硫酸鹽有機廢水提供基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

建立了實驗室規模的連續式上流EGSBBR反應器。反應器有效容積為17 L（高1.9 m，內徑9.0 cm），由反應器主體（9 L）和三相分離器（8 L）組成。反應器主體包括污泥區（底部，含顆粒污泥）和填料區（上部，含體積比為30%的正方體聚氨酯海綿填料），污泥區體積占反應區的40%。三相分離器位于反應器頂部，用以沉淀污泥和采集氣體，與反應器主體用法蘭連接以確保密閉性。出水從分離器上的溢流堰排入出水口，出水口下部設內回流出水口，通過內回流泵重新回流到污泥區底部。

1.2 接種污泥與實驗用水

接種污泥為山西省太原市某污水處理廠剩余污泥，污泥濃度（MLSS）為11.08 g/L。實驗用水為模擬有機廢水，以葡糖糖、NHCl、KHPO、NaSO等配制，此外還加入1 mL微量元素儲備液，其主要成分參照文獻［7］。所用試劑均為分析純。

1.3 反應器運行條件

整個系統控制水溫在（35±1） ℃、pH在7.2左右，投加NaCO控制堿度為500~600 mg/L（以CaCO計）。反應器整體用黑色不透光防火材料包裹。反應器為連續流進水，HRT為2 d，內回流比為4 000%。本研究先通過只加葡萄糖的方式培養和富集產甲烷菌，隨后再逐步添加硫酸鹽，以快速完成EGSBBR反應器產甲烷和硫酸鹽還原的啟動。根據運行方式和是否加入硫酸鹽分為2個運行階段，其中階段Ⅱ又按照硫酸鹽加入量分為前期和后期，共運行86 d，運行參數見表1。

表1 EGSBBR啟動期運行參數

1.4 分析方法

水樣經0.45 μm濾膜過濾。COD和（SO）采用DR1900型分光光度計（美國HACH公司）快速測定。pH采用FE20型pH計（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）測定。溶解氧（DO）采用TSI500A型溶氧儀（美國YSI公司）監測。反應器產氣量采用LMF-1型濕式氣體流量計（北京金志業儀器）測定。氣體成分采用GC-4000A型氣相色譜儀（北京東西分析儀器有限公司）和Hiquad700型質譜儀（普發真空技術（上海）有限公司）分析。污泥生物相采用Oxford X-MaxN型掃描電子顯微鏡（牛津儀器科技（上海）有限公司）觀察。污泥胞外聚合物（EPS）采用文獻［11］方法提取，采用RF6000型三維熒光光譜儀（日本島津有限公司）掃描分析。在實驗第1，33，86 d分別取反應器污泥區和填料區適量污泥和生物膜樣品進行高通量測序（委托生工生物工程（上海）股份有限公司）。

2 結果與討論

2.1 系統產甲烷的啟動（1~33 d）

反應器在階段Ⅰ的處理性能及產氣性能見圖1。由圖1可見：出水COD波動較大，說明系統內微生物對高濃度COD有一個適應過程，在第24 d后COD去除率穩步提高到85.9%；隨著運行時間延長，產氣量穩步提高，由于接種污泥中幾乎不含產甲烷微生物，第一階段前10 d系統內的甲烷體積分數僅為1.5%，而第11 d后產甲烷微生物開始富集，甲烷氣體分數增長至25.2%，在第30 d增長至41.61%并趨于穩定，此時COD去除率達到86.5%，總產氣量達900 mL/d以上，標志著系統產甲烷性能已成功啟動。

圖1 反應器在階段Ⅰ的處理性能及產氣性能

2.2 系統同步產甲烷及硫酸鹽還原的啟動（34~86 d）

反應器在階段Ⅱ的處理性能及產氣性能見圖2。由圖2可見：階段Ⅱ前期由于進水（SO）很低，對系統產氣和COD去除效果幾乎不產生影響；階段Ⅱ后期（SO）提高到100 mg/L后，COD去除率從92.8%（41 d）降至86.6%（50 d），隨后再次迅速增長至98.1%（75 d）并保持穩定，原因是微生物適應了環境變化，富集的硫酸鹽還原菌可以與產甲烷菌協同提高COD的去除效果；甲烷體積分數從41.6%（40 d）降至38.6%（41 d）之后穩定至39.6%（70 d），這可能是由于（SO）升高后對系統內產甲烷微生物有抑制作用，同時由于硫酸鹽還原菌爭奪有機物能力強于產甲烷菌，因此導致產甲烷菌生長受限；階段Ⅱ前期硫酸鹽幾乎全部去除（SO去除率達94.5%），然而后期進水（SO）升高1倍后，出水SO2去除率迅速降至26.5%后逐步升高至74.7%（71 d）并保持穩定，這說明進水（SO）會對系統產甲烷菌產生顯著影響，后期由于SO去除率得到提高，產甲烷效率也逐步恢復。

圖2 反應器在階段Ⅱ的處理性能及產氣性能

對收集到的氣體樣品進行質譜分析發現：甲烷占40.4%（，下同），硫化氫占0.2%，氫氣占1.7%，二氧化碳占45.7%，其他為一氧化碳、水蒸氣等。此外，在三相分離器頂部出水口處發現了有淡黃色固體析出，推斷為單質硫。這些結果證實了單一系統中同時出現了產甲烷和硫酸鹽還原共存現象。經過71 d的連續運行，COD去除率和SO2去除率分別達98.1%和74.7%，甲烷產生量為470.7 mL/d，表明系統同步產甲烷-硫酸鹽還原成功啟動。進一步運行到86 d時，整體處理效果依然良好且穩定。

2.3 污泥特性

污泥剛接種時，由于反應器出現一定的跑泥現象，MLSS從11.08 g/L（0 d）下降至8.08 g/L（20 d）。隨后從第22 d至階段Ⅱ結束，MLSS整體呈上升趨勢，從8.35 g/L提高到21.89 g/L，同時MLSS/MLVSS從最初的0.52增加到0.71，這表明EGSBBR反應器能夠在更短的時間內消耗有機物提供產甲烷底物并為硫酸鹽還原提供電子供體，同時系統內污泥濃度的提高表明細菌生長活性較高，代謝能力較強。

取階段Ⅰ（第33 d）、階段Ⅱ（第86 d）的污泥和生物膜提取EPS，分析其組分濃度發現：階段Ⅱ的生物膜和污泥中EPS各組分的濃度較階段Ⅰ均有所增大，其中蛋白質含量增大最多，結合階段ⅡMLSS升高說明EPS濃度的增大有助于污泥聚集和生物膜形成和成熟。生物膜EPS中蛋白質的含量均高于污泥的含量，蛋白質含量增加會促進細胞間黏附作用從而有助于增強生物膜穩定性。污泥中EPS的三維熒光光譜見圖3。由圖3可見，污泥EPS中出現了芳香族蛋白區域的A峰（/=（200~235）/（285~345） nm）、色氨酸區域的B峰（/=（270~300）/（300~350） nm）、類富里酸的C峰（/=（250~260）/（415~460） nm）、類腐殖酸的F峰（/=（370~415）/（450~480）nm），但C峰只在階段Ⅰ的溶解性EPS（S-EPS）中出現，同時在階段Ⅱ的S-EPS和松散型EPS（LB-EPS）中F峰消失。除此之外，緊密型EPS（TB-EPS）中B峰中心位置分別從（285/350 nm）、（288/355 nm）移動至（275/345 nm）、（284/340 nm），表明激發波長和發射波長均產生了一定的藍移。這可能是由于蛋白質濃度顯著提高所致，說明經過兩個階段的培養馴化，污泥的代謝能力更加穩定，為系統中產甲烷菌群和硫酸鹽還原菌群的共存和富集提供了良好的生長微環境。

圖3 污泥中EPS的三維熒光光譜

2.4 微生物群落特征

取第1 d（接種）、第33 d（階段Ⅰ）和第86 d（階段Ⅱ）的生物膜和污泥進行高通量測序，樣本分別命名為B0，B1，B2，S0，S1，S2。經鑒定，樣本中的微生物分布在15個門類。B0中變形菌門（）微生物的豐度高達72.50%，是絕對優勢菌，其次是擬桿菌門（）、念珠菌-糖精菌門（）和厚壁菌門（）的微生物；B1和B2中的優勢菌分屬于變形菌門（）、擬桿菌門（）、綠彎菌門（），其次是厚壁菌門（）等；污泥相中各階段優勢菌分屬于變形菌門（）、擬桿菌門（）、綠彎菌門（）和厚壁菌門（）。這些微生物在生物膜和污泥中對有機物的降解和微生物的厭氧代謝有重要作用。廣古菌門（）是產甲烷菌所屬菌門，對比發現：其在B0，S0中豐度僅為0.04%；在B1，S1中的豐度分別達2.91%和5.89%，表明在階段Ⅰ中產甲烷菌得到了明顯富集；而在B2和S2中的豐度分別降低至1.08%和1.04%，表明SO2加入后，部分有機物被消耗用于還原SO，導致產甲烷菌數量減少。這也解釋了圖2中甲烷體積分數降低的現象。

圖4是樣本中豐度超過1%以上微生物的屬水平組成。由圖4可見：階段Ⅰ時甲烷絲菌（sp.）占絕對優勢地位，豐度高達5.52%（B1）、6.21%（S1），甲烷絲菌屬于甲烷八疊球菌目（），主要通過乙酸脫羧方式產甲烷；添加硫酸鹽后的階段Ⅱ，甲烷絲菌（）依然為主要的產甲烷菌，但豐度顯著下降至1.24%（B2）和1.26%（S2），與此前階段不同的是，系統中還出現了其他類型的產甲烷菌，如甲烷桿菌（sp.）、甲烷螺菌（sp.）、馬氏甲烷球菌（sp.）等。這些產甲烷菌能夠通過H/CO途徑形成甲烷而進行能量代謝。這可能是由于體系中底物類型的改變導致產甲烷菌的代謝方式和菌屬種類更加多樣化和復雜化。與階段Ⅰ不同的是，具有硫酸鹽還原能力的微生物如脫硫弧菌（sp.）（B2豐度2.59%，S2豐度2.04%）、硫磺單胞菌（sp.）（B2豐度1.05%，S2豐度1.17%）在反應器中大量存在。正是由于EGSBBR中產甲烷菌（MPB）和硫酸鹽還原菌（SRB）的優勢富集，實現了單一厭氧系統中同步產甲烷和硫酸鹽還原的快速啟動。

圖4 生物膜和污泥中豐度超過1%以上微生物的屬水平組成

3 結論

a）采用EGSBBR反應器處理含高濃度硫酸鹽有機廢水，經過71 d實現了同步產甲烷-硫酸鹽還原的快速啟動。

b）系統穩定運行后，COD去除率和SO2去除率分別達98.1%和74.7%，甲烷產生量為470.7 mL/d，生物產氣中甲烷的體積分數為39.6%。

c）反應器中污泥和生物膜的EPS特性與甲烷生成量、SO

2去除率具有直接關聯。d）體系內甲烷絲菌（sp.）等產甲烷菌和脫硫弧菌（sp.）、硫磺單胞菌（sp.）等硫酸鹽還原菌優勢共存。