好氧顆粒污泥處理再生纖維造紙廢水二級出水的研究

雷利榮 林奕鵬 王彩夢 李廣勝

（華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640）

制漿造紙工業是我國工業水污染物產生的主要行業之一[1]，其中廢紙的回收利用更是占據了重要的一部分，其廢水具有排放量大、污染物濃度高的特點。目前生化處理是再生纖維造紙廢水二級處理的主要工藝，可去除90%以上的COD。但二級出水中仍含有一定量的有色物質、難降解有機物以及固體懸浮物（SS），其中木質素及其衍生物的存在是再生纖維造紙廢水難降解的首要原因[2-3]。這些難降解有機物需要通過深度處理被去除，但目前常見的深度處理技術存在著二次污染、處理成本高等各種問題。因此，使用生物處理技術去除廢水中的難降解木質素及其衍生物具有重大意義。

序批式顆粒污泥床反應器（SBBGR）作為一種新型的廢水處理技術，是在序批式反應器（SBR）內裝填纖維填料、陶粒、活性炭等填料，然后在填料中培養出好氧顆粒污泥的一種新型反應器。其具有較高的污泥濃度，同時存在好氧、缺氧與厭氧環境，為好氧、缺氧和厭氧微生物提供了生存條件，有較豐富的生物相，能夠同時進行好氧和厭氧代謝活動[4]。豐富的生物相、高生物量及高微生物活性使SBBGR 具備較高的污染物去除性能[5]。Lotito 等人[6]用SBBGR 處理混合市政-紡織廢水，結果表明COD、總固體懸浮物（TSS）、總氮（TN） 和表面活性劑去除率分別為82.1%、94.7%、87.5% 和77.1%，與集中式工廠（水力停留時間30 h）處理相同廢水的性能比較，可知SBBGR 系統能夠以更簡單的處理方案，更低的水力停留時間（11 h）和更低的污泥產量處理質量相當的廢水。De等人[7]用SBBGR對生活污水進行處理，在去除SS、COD 和TN 方面非常有效，平均出水濃度分別為5 mg/L、32 mg/L 和10 mg/L，且消毒性能高于傳統的城市污水處理廠。造紙廢水深度處理的難點來源于木質素等難以被生物降解的有機物[8-9]。有研究用SBBGR 技術處理單寧/木質素，在單寧/木質素的進水初始濃度為50 mg/L 時，去除率達到97%；進水濃度增加到100 mg/L時，單寧/木質素的去除率緩慢下降到60%左右[10]，這一定程度上可以說明SBBGR具有降解木質素等難降解有機物的能力。已有研究證明序批式生物膜反應器（SBBR）能降解木質素類污染物[11]，Cai等人[12]采用不同的生物反應器處理再生纖維造紙廢水二級出水，包括SBBR、攪拌罐式反應器（STR）和浸沒式曝氣反應器（SAR），發現SBBR、STR 和SAR對CODCr的去除率分別為（39.7±5.9）%、（30.9±8.5）%和（15.7±8.9）%。SBBGR 是在SBBR 中馴化出污泥濃度和微生物活性高的好氧顆粒污泥，使得反應器內同時存在好氧、缺氧與厭氧環境，因而提高了難降解污染物的去除效果。有報道表明厭氧環境可提高木質素等難降解物污染物的去除效果[13-15]。本研究以SBBGR反應器系統處理再生纖維造紙廢水二級出水（以下簡稱二級出水），探討SBBGR 反應器對廢水中污染物的降解去除效果，分析系統中微生物群落的變化，為開發一種綠色高效的廢水處理技術提供科學數據。

1 實 驗

1.1 接種污泥

實驗用污泥樣品取自廣東某造紙廢水處理廠二沉池回流污泥，呈褐色，污泥濃度（MLSS）為5.82 g TSS/L，揮發性固體懸浮物（MLVSS）/MLSS 值在0.52～0.58之間。

1.2 實驗儀器與試劑

水質分光光度計（DR2800，美國HACH）；COD消解儀（DRB200，美國HACH）；曝氣裝置（ACO-9601，廣東海利集團）；pH 精密酸度計（PB-10，賽多利斯科學儀器有限公司）；溶解氧測定儀（HQ40d，美國HACH）；循環蠕動泵（77601-00，美國Cole-Parmer）；進水蠕動泵（NKCP-C-S10B，中國卡默爾）；恒溫水浴鍋（HH-4，常州奧華儀器）；BOD 測定儀（BODTrakII，美國HACH）；恒溫振蕩器（ZD-85，常州澳華儀器有限公司）；冷凍干燥儀（LC-10N-50A，上海力辰邦西儀器科技有限公司）；氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS，Agilent5973，美國Agilent Technology）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，TENSOR27，德國Bruker）。

無水乙酸鈉、氯化銨（NH4Cl）、磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉、磷酸鈉（Na3PO4）、磷酸氫二鉀（K2HPO4）、氯化鉀（KCl）、氯化鈉（NaCl）、濃硫酸和氫氧化鈉，購于廣州化學試劑廠；乙酸乙酯、二氯甲烷，購于上海潤捷化學試劑有限公司，以上試劑均為分析純。

1.3 實驗用水

實驗用水分為人工模擬廢水及廣東某造紙廠的再生纖維造紙廢水二級出水。SBBGR使用人工模擬廢水培養運行90 天進入馴化過程，馴化過程使用模擬廢水和造紙廢水的混合廢水。馴化過程歷經5 個階段，每個階段運行8 天，二級出水分別占進水的20%、40%、60%、80%和100%，歷時40天后馴化完成。

人工模擬廢水中投加適量Na3PO4、K2HPO4、KCl、NaCl 等物質提供給反應器內微生物營養所需的微量元素；碳源、氮源、磷源分別由無水乙酸鈉、NH4Cl、KH2PO4提供，將廢水的CODCr、氨氮、TN 的濃度分別控制在1000、40～60 和8.0～2.0 mg/L；用碳酸氫鈉調節pH值為（7.4±0.2）。

二級出水CODCr、BOD5、TN、總磷（TP）分別為（190±33.4）、（7.2±1.7）、5.6～9.6、1.83～4.22 mg/L，pH 值為6.8～7.5，呈淺黃色，色度在163～179 CU之間。

1.4 實驗方法

圖1 為SBBGR 反應器示意圖。SBBGR 反應器是一個圓柱形有機玻璃柱（內徑60 mm；高度500 mm；幾何體積1 L；接種污泥體積400 mL）。反應器下部分放置若干塑料填料（長度10 mm；直徑10 mm；有效比表面積500 m2/m3；孔隙率95%），為污泥生長依附提供支撐材料；反應器上部分放入曝氣裝置、溶解氧（DO）和溫度電極、pH 電極。反應器底部有4 個流通口，2 個接入水泵，用于進水階段的入水；2 個流通口接循環泵，在運行階段使廢水在反應器中循環，確保氧氣的均勻分布。反應器運行周期為8 h，分為進水階段（10 min）、暫停階段（進水前后各10 min）和反應階段（450 min）。反應器在循環泵暫停運行10 min后開始進水，同時在反應器上方完成出水。進水完畢10 min后，循環泵繼續運行。反應器置于恒溫水浴鍋中，溫度設為（32±1）℃。

圖1 SBBGR反應器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the SBBGR reactor

1.5 分析方法

使用水質分光光度計，采用重鉻酸鉀法、過硫酸鹽氧化法、消解-抗壞血酸法，分別測定廢水CODCr濃度、TN、TP；根據國家標準GB 11901—89 測定廢水固體懸浮物（SS）；使用pH 精密酸度計測定廢水pH值；通過溶解氧測定儀測定廢水溶解氧；采取5日生化培養法測定廢水BOD5。

1.6 FT-IR分析

取50 mL 待測水樣，在4000 r/min 轉速下離心20 min，取上清液進行冷凍干燥，干燥后的樣品用溴化鉀壓片法制樣，用于紅外光譜分析。

1.7 GC-MS分析

準備3份200 mL的水樣，用0.45 μm的微孔濾膜過濾，其中2 份分別用1 mol/L 的硫酸和氫氧化鈉溶液調節pH 值至2 和12。將水樣分開置于分液漏斗，加入30 mL 乙酸乙酯和20 mL 二氯甲烷后在恒溫振蕩器中振蕩30 min，充分混合后靜置20 min，分層后取出有機相完成1 次萃取，向剩余水相中繼續加入30 mL 乙酸乙酯和20 mL 二氯甲烷繼續萃取，重復上述操作，萃取3次后將所有有機相收集在一起，加入無水硫酸鈉脫水，脫水后自然蒸發至5 mL，保存樣品用于GC-MS分析。

GC-MS 分析條件：HP5 石英毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），系統進樣器（7683B，美國Agilent Technology）自動進樣，分流比10∶1；使用高純氦氣為載氣，流量1 mL/min，進樣量l μL；升溫程序為柱溫60℃，進樣口溫度280℃；質譜條件為電子轟擊電壓1.2 kV，電子轟擊能量70 eV，質量掃描范圍30～500 amu，檢索譜庫為NIST14。

1.8 微生物分析

將接種污泥和成熟好氧顆粒污泥樣品送至蘇州金唯智生物科技有限公司使用Illumina測序平臺進行高通量測序。對污泥進行16S rDNA擴增子測序，通過特異性引物擴增樣本中原核生物16S rDNA的可變區，構建高通量測序文庫并對16S rDNA 可變區序列進行分析，從而鑒定環境中原核微生物的組成與豐度。測序得到的每一條序列來自于1個菌種，對序列進行歸類操作，將序列按照彼此的相似性歸類為許多小組，1個小組就是1個操作分類單元（OTU）。在97%的相似水平下對所有序列進行OTU劃分并進行生物信息統計分析。

2 結果與討論

2.1 污泥顆粒化培養過程

使用人工模擬廢水培養，在反應器啟動第5 天，接種污泥在填料外形成一層較薄的生物膜，呈褐色絮狀；培養過程中生物膜逐漸變厚，在生物膜厚度達到一定程度后，將循環泵流量從120 mL/min 增加至150 mL/min，以增大反應器內的水力剪切力，使部分生物膜分離沉積在填料內部；反應器啟動第40 天，填料內部可觀察到1～2 mm 粒徑的顆粒污泥；隨后顆粒污泥在填料內部生長，在第50 天污泥粒徑達到2～5 mm，反應器啟動完成。此時反應器中微生物由兩部分組成：附著在塑料填料外部的生物膜和填料孔隙內生長的、與孔隙大小相似的顆粒污泥。填料中的好氧顆粒污泥如圖2所示。

圖2 好氧顆粒污泥Fig.2 Aerobic granular sludge

2.2 二級出水中污染物的去除

馴化階段目的是使反應器中的微生物逐漸適應造紙廢水的環境，使能降解廢水中包括難降解有機物在內污染物的微生物得以生存增長，而不能適應的逐漸被淘汰[16]。馴化過程見1.2 部分，馴化結束后反應器進入穩定運行階段。馴化階段及穩定運行階段反應器的CODCr去除效果如圖3所示。

圖3 SBBGR反應器對CODCr的去除效果Fig.3 Removal of CODCr by SBBGR reactor

從圖3 可以看出，隨著進水中二級出水比例的升高，出水CODCr的去除率發生了明顯下降，馴化結束時出水的CODCr濃度為144 mg/L，去除率為38.7%；而穩定運行階段出水的CODCr穩定在（95±22）mg/L，去除率為（47.7±5.0）%。一般認為，當廢水的BOD5/CODCr低于0.3 時，廢水的可生化性較差，本研究中二級出水的BOD5濃度為（7.2±1.7） mg/L，BOD5/CODCr低于0.05，廢水中大部分的有機物都難以通過生物降解。因此當進水中容易被降解的人工廢水逐漸轉換成難降解的二級出水時，降解去除變得困難。本研究中，二級出水的CODCr去除率為（47.7±5.0）%，表明廢水中的部分難降解污染物經過SBBGR 反應器處理后被去除。

馴化階段及穩定運行階段SBBGR 對廢水SS 和色度的去除效果如圖4所示。反應器穩定運行進水SS濃度為（366±33）mg/L，出水SS 濃度為（45±12）mg/L，去除率穩定在80%以上，表明反應器對廢水SS 有顯著的去除效果。研究認為生物反應器中SS 的去除主要由生物膜決定，生物膜可以吸附和捕獲大量的SS，使反應器對SS達到良好的去除效果[8]。SBBGR中的大部分微生物在填料的孔隙中以顆粒狀的污泥生長，從而在填料表面形成生物膜，因此對SS 有良好的去除效果。

經好氧處理后廢水色度一般會提高，這可能是由于高分子質量有機物的降解導致發色官能團的形成[17]，生化過程中微生物產生的新陳代謝殘余物和污泥的解體也是色度提高的重要原因[18]。Cai 等人[12]用3 種好氧工藝處理二級出水，均發現了色度的增加，其中SBBR的增加最低。從圖4還可以看出，穩定運行階段廢水經過SBBGR 處理后色度沒有明顯變化。可能是SBBGR中好氧顆粒污泥具有較高的污泥濃度與微生物活性，對污染物的降解較為徹底，且顆粒污泥的結構較為緊實，減少了污泥解體導致的色度增加。

2.3 FT-IR分析

對二級出水及SBBGR 反應器出水進行FT-IR 分析，結果如圖5所示，吸收峰的解析如表1所示。

圖5 二級出水及SBBGR反應器出水的FT-IR圖Fig.5 FT-IR spectra of secondary effluent and SBBGR effluent

表1 FT-IR圖解析Table 1 Analysis of FT-IR spectra

由圖5 可知，SBBGR 反應器出水在3446、1650、1448、1145 及622 cm-1處吸收峰強度明顯降低。由表1 可知，這些吸收峰波數對應于O—H 伸縮振動、C==O 伸縮振動、苯環C==C 拉伸振動、醚類C—O—C伸縮振動及苯環氫面內彎曲振動。結果表明，經SBBGR 反應器處理，二級出水中的醇類、醛類、芳香族化合物及醚類物質被有效降解或轉化。

2.4 GC-MS分析

對SBBGR 反應器處理前后的二級出水進行GCMS 分析，譜圖如圖6 所示。將質譜圖與GC-MS 數據標準庫比較確定出有機物種類。

圖6 GC-MS色譜圖Fig.6 GC-MS chromatogram

從圖6 可以看出，在二級出水中檢出了5 種苯類化合物，包括1,3-二甲基-苯、對二甲苯及乙苯等，而SBBGR 反應器出水中未檢出這5 種苯類化合物，說明這些污染物可以被SBBGR 反應器有效降解；同時，二級出水中檢出3,4-二甲氧基-苯甲醛及3,4-二甲氧基-苯甲醇，而SBBGR 反應器出水中未檢出這兩種污染物，說明二級出水經過SBBGR 反應器處理被有效降解，表明SBBGR 反應器對芳香族類污染物具有較好的降解去除能力。研究顯示，苯類化合物能在好氧和厭氧的條件下被生物降解[19]，而SBBGR 反應器可以同時提供這兩種環境。

從圖6 還可以看出，二級出水中檢出了6 種酯類化合物，SBBGR 反應器出水中也檢出6 種酯類化合物，但是二級出水中檢出的十六酸甲酯在SBBGR 反應器出水中未檢出，同時SBBGR 反應器出水中檢出了鄰苯二甲酸二丁酯等新的酯類物質。說明SBBGR反應器對酯類物質的去除能力有限，并且鄰苯二甲酸酯類有機物作為一種塑料增塑劑在環境中的降解速率緩慢，生物降解效果不明顯，通常需要高級氧化技術作進一步的處理[20]。

2.5 微生物分析

取馴化前SBBGR 反應器中的污泥和穩定運行階段SBBGR 反應器中的污泥，分別進行高通量測序分析。污泥樣品的微生物豐度和多樣性指數如表2 所示，微生物在門和屬水平下的物種分布如圖7所示。

圖7 不同分類水平下的物種分布Fig.7 Species distribution at different taxonomic levels

表2 微生物豐度和多樣性指數Table 2 Microbial abundance and diversity index

Chao1 指數和ACE 指數是反映菌群豐度的指標，數值越大表明豐度越高，而Shannon 指數和Simpson指數是反映菌群多樣性的指標，其數值越大表明群落多樣性越高。從表2 可知，穩定運行階段SBBGR 反應器中污泥微生物的序列數和OTU 數量有所增加，Chao1 指數和ACE 指數降低，Shannon 指數和Simpson指數升高，表明反應器在處理二級出水后菌群豐度略微降低但物種多樣性有所增加。這可能是因為培養階段的人工模擬廢水中有機負荷較高且容易被生物降解，微生物得以大量繁殖；在切換成有機負荷低、有機成分復雜且難降解的二級出水后，部分微生物的繁殖受到了抑制，導致物種豐度的下降。

如圖7（a）所示，在門水平上，馴化前主要為變形菌門（Proteobacteria）（51.1%）、擬桿菌門（Bacteroidetes）（30.3%）、酸桿菌門（Acidobacteria）（9.5%）；馴化后主要為變形菌門（Proteobacteria）（52.6%）、擬桿菌門（Bacteroidetes）（31.3%）、酸 桿 菌 門（Acidobacteria）（7.4%）。馴化前后污泥在門水平上的差異不大，其絕對優勢菌種均為擬桿菌門和變形桿菌門，其在有機物的生物降解過程發揮著重要的作用，變形菌門在木質素降解中作出重要的貢獻[13]，擬桿菌門能分泌出超氧化物歧化酶促進木質素的分解[21-23]。

在屬水平上（見圖7（b）），馴化前的主要菌種為競爭性假絲酵母屬（Candidatus_Competibacter）（13.5%）、動膠桿菌屬（Zoogloea）（8.3%）、橙黃褐指藻桿菌屬（Phaeodactylibacter）（4.9%）；馴化后中主要菌種為陶厄氏菌屬（Thauera）（7.9%）、競爭性假絲酵母屬（Candidatus_Competibacter）（4.9%） 和 脫 硫 微 菌 屬（Desulfomicrobium）（3.6%）。

二級出水經過處理后，SBBGR 反應器中微生物的多樣性得到了提高，未確定分類的菌屬（Unclassified）含量從3.8%增至8.7%，表明由于外界環境的改變產生了大量新的微生物種群。競爭性假絲酵母菌是反硝化聚糖菌的一種，因為二級出水有機物及氮含量低，競爭性假絲酵母屬的增殖受到了抑制，含量下降。同時，陶厄氏菌相對豐度提高，代替競爭性假絲酵母菌成為了馴化后污泥中相對豐度最高的菌屬，陶厄氏菌具備較強的環境適應性以及降解芳香族有機物的能力[24]，這也能解釋GC-MS分析二級出水中的芳香族有機物被有效降解的結果。另外，脫硫微菌屬是一種嚴格的厭氧菌，能在厭氧條件下參與對木質素的降解[25]，其微生物含量從0.45%提高到3.6%，一定程度上證明了SBBGR 反應器中形成的厭氧區對木質素等難降解物的處理發揮了重要作用。

3 結 論

本研究采用序批式顆粒污泥床反應器培養（SBBGR）、訓化好氧污泥，并應用于處理再生纖維造紙廢水二級出水，研究結論如下。

3.1 使用人工模擬廢水培養SBBGR 反應器90 天后，用再生纖維造紙廢水二級出水逐漸替代人工模擬廢水，經過40 天馴化后，使用SBBGR 反應器處理再生纖維造紙廢水二級出水，在進水CODCr和BOD5濃度分別為（190±33.4）和（7.2±1.7）mg/L 條件下，出水CODCr濃度可降至（95±22）mg/L，去除率為（47.7±5.0）%。

3.2 紅外光譜和氣相色譜-質譜聯用儀分析表明，SBBGR 反應器能有效降解去除廢水中的污染物，尤其是對芳香族化合物為代表的特征污染物具有良好的降解去除效果。

3.3 微生物群落分析表明，馴化后的SBBGR 反應器中微生物豐度略微降低但物種多樣性有所增加，具有降解芳香族有機物能力的陶厄氏菌和脫硫微菌的相對豐度有所提高。