低強(qiáng)度超聲波對(duì)ABR處理低濃度污水效果及污泥特性的影響

李鑫，朱易春，連軍鋒，秦欣欣，田帥

（1 江西理工大學(xué)江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；2 江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

低濃度污水通常指化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）濃度小于1000mg/L 的有機(jī)污水，主要由生活污水、市政污水和各行各業(yè)的工業(yè)廢水組成[1]。目前，低濃度污水的處理以好氧生物處理為主，能耗較高且產(chǎn)生大量剩余污泥[2]。面對(duì)能源的日益短缺，厭氧生物處理技術(shù)因其運(yùn)行成本低、污泥產(chǎn)量少且可回收能源等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到研究者的青睞。厭氧折流板反應(yīng)器（anaerobic baffled reactor，ABR）是一種高效厭氧生物處理反應(yīng)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。ABR 已廣泛應(yīng)用于高濃度實(shí)際污水厭氧生物處理且日漸成熟完善[4-5]，將其應(yīng)用于低濃度污水處理多停留在實(shí)驗(yàn)室研究。Gopala Krishna等[6]運(yùn)用ABR處理低濃度有機(jī)污水（COD 濃度約為500mg/L），在水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT）為6h 時(shí)，COD去除率超過88%。趙來利等[7]研究了ABR在常溫下處理低濃度污水的運(yùn)行效果，當(dāng)進(jìn)水COD 濃度為440～601mg/L 時(shí)，出水COD 濃度為65mg/L 左右，去除率為85%～87%。也有研究者通過對(duì)ABR結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，以期提高污染物去除效率。Bodkhe[8]采用改良的ABR 處理市政污水，當(dāng)進(jìn)水COD 濃度為400mg/L 左右、HRT=6h 時(shí)，出水COD去除率為84%。譚學(xué)軍[9]通過在ABR中放置彈性立體填料使之成為厭氧活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的復(fù)合式厭氧反應(yīng)器，處理農(nóng)村低濃度污水時(shí)COD 的去除率最高可達(dá)80%以上，出水COD 濃度基本保持在100mg/L以下。雖然研究者針對(duì)不同的運(yùn)行條件及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改良進(jìn)行了大量的研究，但ABR處理低濃度污水依然存在一些不足之處，如：①厭氧污泥活性較差，處理效率不高，難以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求；②對(duì)難降解及有毒有害物質(zhì)較為敏感，去除能力差；③微生物與基質(zhì)之間的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力較小，傳質(zhì)能力不佳。因此，將研究目光轉(zhuǎn)向?qū)ξ勰辔⑸锏闹苯诱{(diào)控上，通過提高厭氧污泥微生物活性來強(qiáng)化ABR 處理低濃度污水的處理效果顯得十分必要。

低強(qiáng)度超聲波輻照技術(shù)可強(qiáng)化傳質(zhì)能力[10]、提高微生物酶活性[11]以及促進(jìn)細(xì)胞代謝與生長(zhǎng)[12]，能顯著增強(qiáng)污泥微生物活性，從而強(qiáng)化污水生物處理效率，是提高低濃度污水厭氧生物處理效果的有效方法之一。因此，本文通過運(yùn)用低強(qiáng)度超聲波直接作用于ABR 各隔室厭氧污泥本身以提高其活性，進(jìn)而考察超聲對(duì)ABR 整體處理低濃度污水的強(qiáng)化效果，并通過對(duì)穩(wěn)定期兩反應(yīng)器各隔室污泥量、胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）、脫氫酶活性（dehydrogenase activity，DHA）、粒徑分布、表面官能團(tuán)、微觀形貌等分析，探究超聲強(qiáng)化下ABR 各隔室污泥特性，以期為利用低強(qiáng)度超聲波提高低濃度污水厭氧生物處理效果提供參考。

1 材料與方法

1.1 接種污泥與進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用厭氧污泥取自贛州某養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣池，揮發(fā)性懸浮固體/總懸浮固體（VSS/TSS）=0.54。進(jìn)水為人工配制的低濃度污水，以葡萄糖為碳源（COD濃度為600mg/L左右），并投加適量的氯化銨和磷酸二氫鉀以保證微生物所需的C∶N∶P 營(yíng)養(yǎng)比。投加碳酸氫鈉調(diào)節(jié)堿度，保證出水pH 在6.5～7.5之間，并適量投加微生物生長(zhǎng)所需的微量元素。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。選兩個(gè)完全相同的ABR，長(zhǎng)472mm，寬146mm，高516mm，有效容積為20.28L，反應(yīng)器R1為空白對(duì)照組，R2為超聲組。每個(gè)反應(yīng)器有4個(gè)隔室（C1、C2、C3、C4），每個(gè)隔室由1 個(gè)下向流室和1 個(gè)上向流室兩部分組成。進(jìn)水通過蠕動(dòng)泵從進(jìn)水箱泵入反應(yīng)器，定速進(jìn)水。污泥從底部取樣口取出超聲，超聲裝置采用探頭式超聲發(fā)生器（JY88-IIN，寧波新藝），頻率20kHz，輸出功率2.5～250W（1%～100%可調(diào)）；探頭直徑6mm，超聲輻照方式為間歇式（超聲1s 停1s），常壓操作，輻照污泥時(shí)探頭浸沒于污泥中10mm。反應(yīng)器在室溫（25℃±3℃）下運(yùn)行。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行

反應(yīng)器均采用固定進(jìn)水有機(jī)物濃度無間斷進(jìn)水，逐步縮短水力停留時(shí)間（HRT=24h，12h，8h）的方式啟動(dòng)。經(jīng)過約90 天的啟動(dòng)，R1出水COD 去除率穩(wěn)定在89%左右，R2去除率穩(wěn)定在88%左右。啟動(dòng)成功后，為體現(xiàn)超聲的強(qiáng)化作用，選擇對(duì)污泥活性較低的R2各隔室污泥進(jìn)行超聲處理，超聲參數(shù)為頻率20kHz、聲能密度0.1W/mL、輻照時(shí)間10min、輻照周期24h，輻照污泥比例10%。

1.4 分析方法

COD 按照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法中的快速密閉催化消解法測(cè)定[13]；TSS、VSS 采用重量法；松散結(jié)合型EPS（loosely bound EPS，LB-EPS）采用超聲提取法[14]；緊密結(jié)合型EPS （tightly bound EPS，TB-EPS）采用熱提取法[15]；多糖（PS）的測(cè)定采用苯酚-硫酸法；蛋白質(zhì)（PN）的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)法；脫氫酶的提取與活性測(cè)定參照Xie等[16]的方法；采用英國(guó)馬爾文帕納科公司生產(chǎn)的激光粒度儀（Mastersizer 2000）測(cè)定厭氧污泥粒徑。

采用美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司生產(chǎn)的Nicolet 6700 型傅里葉紅外光譜分析儀（FTIR）表征厭氧污泥表面官能團(tuán)：取1～2mg 干燥污泥樣品、200mg光譜純KBr研細(xì)均勻，壓制成透明薄片后測(cè)試，波數(shù)范圍400～4000cm-1，掃描次數(shù)32，分辨率4cm-1。

采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的MLA 650型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察污泥的微觀形貌：取污泥樣品用磷酸鹽緩沖液清洗三遍，放入2.5%的戊二醛中4℃下固定2h以上；用磷酸緩沖溶液清洗固定好的樣品3 次，每次10min；再依次放入50%、70%、80%、90%、95%和100%的乙醇溶液中依次脫水，每次10min；用1∶1 乙醇與乙酸異戊酯的混合液、純乙酸異戊酯各置換一次，每次20min；用導(dǎo)電膠將真空干燥后樣品固定在樣品臺(tái)上，用離子濺射儀鍍膜后待檢。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲輻照對(duì)ABR降解有機(jī)物的影響

為考察超聲波對(duì)反應(yīng)器的強(qiáng)化效果，反應(yīng)器持續(xù)運(yùn)行了60 天。由圖2 可知，進(jìn)水COD 濃度為593～627mg/L。R2在超聲輻照前25天出水COD去除率先降后升，表明在此階段污泥微生物由未適應(yīng)超聲的刺激作用到逐步適應(yīng)的轉(zhuǎn)變過程。R2超聲輻照25 天后去除效果達(dá)到穩(wěn)定，出水COD 濃度均低于R1：穩(wěn)定期進(jìn)水COD平均濃度為609mg/L，R1出水COD平均濃度為62mg/L，平均去除率為89.8%；R2出水COD 平均濃度為31mg/L，平均去除率為95.0%。經(jīng)低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化穩(wěn)定后，R2較R1出水COD 去除率提高了5.2%，出水COD 濃度在27～40mg/L 之間，出水COD 濃度可穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 反應(yīng)器進(jìn)出水COD含量及其去除率

2.2 超聲輻照對(duì)污泥量的影響

由圖3 可知，超聲組各隔室TSS、VSS 均低于對(duì)照組，但VSS/TSS的比值卻高于對(duì)照組。由此可見，相對(duì)于空白對(duì)照組，低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化ABR處理低濃度污水可以達(dá)到污泥減量的效果，這對(duì)緩解日益增多的剩余污泥量及升高的污泥處理成本具有重要的實(shí)際意義。低強(qiáng)度超聲波輻照厭氧污泥，可使污泥出現(xiàn)解偶聯(lián)代謝現(xiàn)象，從而減少部分泥量的產(chǎn)生[17]。超聲效應(yīng)也可使污泥絮體分散，部分微生物及衰老細(xì)胞對(duì)超聲的耐受性較差，繼而細(xì)胞溶解進(jìn)入上清液中[18]。VSS/TSS 可近似表征厭氧污泥中有機(jī)物及微生物含量，其比值的大小一定程度上反映了厭氧污泥的活性高低。超聲組各隔室VSS/TSS的比值皆高于對(duì)照組，可能是因?yàn)榈蛷?qiáng)度超聲波在實(shí)現(xiàn)污泥減量的同時(shí)提高了單位體積污泥中的活性微生物含量，進(jìn)而可提高污泥消耗有機(jī)底物的能力，同時(shí)抗外界干擾能力及適應(yīng)能力也得到提高。

圖3 反應(yīng)器各隔室VSS、TSS濃度

2.3 超聲輻照對(duì)污泥EPS的影響

低強(qiáng)度超聲波對(duì)各隔室污泥EPS 的影響將從LB-EPS、TB-EPS 含量及其主要成分PN、PS 含量分析。由圖4可知，對(duì)照組和超聲組EPS含量均沿程減少，這主要是因?yàn)橛袡C(jī)底物隨隔室逐漸減少，微生物缺少有機(jī)底物不利于EPS的形成。其次，在缺乏有機(jī)底物時(shí)，微生物將部分可生物降解的EPS充當(dāng)碳源和能量消耗[19]。超聲組各隔室EPS總量均高于對(duì)照組，且LB-EPS、TB-EPS 含量均高于對(duì)照組，可見超聲對(duì)污泥EPS 的形成具有促進(jìn)作用。低強(qiáng)度超聲波產(chǎn)生的剪切力可改變細(xì)胞形態(tài)，使細(xì)胞壁和細(xì)胞膜變薄，從而增加了細(xì)胞的通透性[20]。細(xì)胞通透性的增加促進(jìn)細(xì)胞代謝活動(dòng)的同時(shí)可使更多的有機(jī)大分子分泌到胞外形成EPS。超聲組各隔室EPS總量的增加有利于提高微生物處理污水的能力。一方面，EPS總量的增加可提高微生物聚集體的穩(wěn)定性[21]；另一方面，污泥對(duì)污染物的吸附能力也得到增強(qiáng)[22]。超聲組各隔室蛋白質(zhì)含量均高于對(duì)照組，說明超聲可增強(qiáng)污泥微生物蛋白質(zhì)的合成能力。當(dāng)污泥受到超聲輻照后，污泥防御機(jī)制將被激發(fā)，微生物為了提高自身的穩(wěn)定性，將會(huì)分泌更多的蛋白質(zhì)抵御外界干擾。超聲組各隔室多糖含量均低于對(duì)照組，可能是超聲抑制了多糖的合成途徑，或是低強(qiáng)度超聲波提高了細(xì)胞的通透性使胞外酶的含量增多，多糖在胞外酶的作用下分解成單糖被微生物吸收利用。

圖4 反應(yīng)器各隔室EPS含量比較

2.4 超聲輻照對(duì)污泥酶活性的影響

脫氫酶能促進(jìn)生化反應(yīng)關(guān)鍵步驟中的基質(zhì)脫氫，是微生物降解有機(jī)物獲得能量的必須酶，其活性的高低直接反映了污泥中活性微生物量的大小及污泥對(duì)有機(jī)物的降解活性[23]。反應(yīng)器各隔室脫氫酶活性如圖5所示，超聲組各隔室脫氫酶活性分別為26.43mgTF/(gVSS·h)、23.43mgTF/(gVSS·h)、21.87mgTF/(gVSS·h)、19.55mgTF/(gVSS·h)，而對(duì)照組各隔室分別為18.13mgTF/(gVSS·h)、17.01mgTF/(gVSS·h)、13.56mgTF/(gVSS·h)、9.90mgTF/(gVSS·h)?？梢姵暯M各隔室脫氫酶活性均大幅高于對(duì)照組，說明低強(qiáng)度超聲波對(duì)厭氧污泥脫氫酶活性有明顯的促進(jìn)作用，進(jìn)而提高厭氧微生物對(duì)有機(jī)物的降解能力。超聲作用下細(xì)胞通透性的增加有助于增強(qiáng)其傳質(zhì)能力，便于酶的內(nèi)外擴(kuò)散，提高酶與反應(yīng)底物的接觸頻率。也有研究認(rèn)為超聲波可改變酶分子的構(gòu)象,使其結(jié)構(gòu)更加合理，進(jìn)而提高酶的生物活性[24]。脫氫酶活性隨隔室往后逐漸降低，主要是因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沿程減少，微生物活性逐漸降低，使得脫氫酶合成和分泌量減少。

圖5 反應(yīng)器各隔室污泥脫氫酶活性

2.5 超聲輻照對(duì)污泥粒徑的影響

不同反應(yīng)器各隔室污泥粒徑分布見圖6。R1各隔室體積占比最大的污泥粒徑范圍分別為0.3～0.5mm、0.3～0.5mm、0.1～0.3mm、0.1～0.3mm，占比分別為27.23%、33.72%、39.94%、44.35%。R2各隔室體積占比最大的污泥粒徑范圍均為＜0.1mm，占比分別為42.62%、58.66%、54.39%、69.57%。有研究將粒徑≥0.5mm的污泥定義為顆粒污泥[25]。R1各隔室粒徑≥0.5mm 的污泥占比分別30.73%、20.43%、8.49%、6.94%，而R2各隔室中僅有第一隔室中存在粒徑≥0.5mm 的污泥，占比為4.98%。整體來看，R1、R2各隔室污泥粒徑均有沿程減小的趨勢(shì)，主要原因是可利用有機(jī)底物濃度及水流作用沿程減小，不利于污泥的顆?；?。由R1、R2對(duì)應(yīng)隔室污泥粒徑對(duì)比可知，低強(qiáng)度超聲波輻照可使R2各隔室較小粒徑污泥占比增大，較大粒徑污泥占比減小?？傮w來說，低強(qiáng)度超聲波輻照厭氧污泥可使污泥粒徑減小，而污泥粒徑的減小可使比表面積增大，強(qiáng)化固液傳質(zhì)能力，進(jìn)而提高有機(jī)物去除效率[26]。

圖6 反應(yīng)器各隔室污泥粒徑分布情況

2.6 超聲輻照對(duì)污泥表面官能團(tuán)的影響

采用FTIR表征R1、R2各隔室污泥表面官能團(tuán)，探究超聲輻照對(duì)污泥表面官能團(tuán)的影響。由圖7對(duì)比可知，經(jīng)超聲周期性輻照后，對(duì)應(yīng)隔室污泥FTIR圖譜趨勢(shì)基本一致，污泥表面特征峰基本沒有變化，說明低強(qiáng)度超聲波輻照污泥并不改變污泥表面官能團(tuán)種類，兩反應(yīng)器對(duì)應(yīng)隔室污泥含有相似的官能團(tuán)。在波數(shù)3400cm-1左右處存在—OH或—NH伸縮振動(dòng)，—OH 可能由污泥產(chǎn)生的醇類、酚類或糖類等有機(jī)物引起，而—NH 來自胺類物質(zhì)[27]。在波數(shù)2926cm-1左右處存在的亞甲基—CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，可能由烴類或脂肪族化合物產(chǎn)生[28]。在波數(shù)1650cm-1左右處吸收峰通常由C==O 伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，說明污泥中存在羧酸、醛、酮等有機(jī)物[29]。在波數(shù)1547cm-1左右處為硝基、亞硝基形成的吸收峰位置[30]。在波數(shù)1452cm-1、1395cm-1左右特征峰為芳香族或脂肪族C—H 振動(dòng)峰[31]。在1240cm-1處的吸收峰由污泥中蛋白質(zhì)類物質(zhì)的C—N 鍵伸縮振動(dòng)引起[32]。在波數(shù)1058cm-1左右處存在的特征峰為C—O及Si—O吸收峰位置[33]。指紋區(qū)900～500cm-1范圍內(nèi)的特征峰多為污泥中芳香族化合物苯環(huán)因取代所形成[34]。

圖7 反應(yīng)器各隔室污泥FTIR圖譜

2.7 超聲輻照對(duì)污泥微觀形貌的影響

為了進(jìn)一步探究超聲波對(duì)污泥微觀形貌的影響，對(duì)R1、R2各隔室污泥進(jìn)行了SEM觀察。由圖8(a)～(d)可知，對(duì)照組污泥表面較為光滑，各類細(xì)菌以絲狀菌為骨架呈簇?fù)頎睿躞w結(jié)構(gòu)緊密，輪廓清晰。R1各隔室中污泥表面皆以絲狀菌為優(yōu)勢(shì)菌種，球菌沿隔室逐漸減少。由圖8(e)～(h)可知，超聲組污泥表面相對(duì)粗糙、凹凸不平，絮體結(jié)構(gòu)松散，比表面積增大，有利于提高物質(zhì)傳質(zhì)速率。由圖8(g)、(h)可見大量無規(guī)則的片狀凸起，可見低強(qiáng)度超聲波對(duì)微生物細(xì)胞表面可產(chǎn)生一定的損傷。R2各隔室污泥表面以球菌為優(yōu)勢(shì)菌種，絲狀菌較對(duì)照組大大減少，猜測(cè)超聲波產(chǎn)生的超聲效應(yīng)可使絲狀結(jié)構(gòu)斷裂而不利于絲狀菌的生長(zhǎng)與繁殖。可見低強(qiáng)度超聲波對(duì)菌種具有一定的選擇性，不同種類的微生物對(duì)超聲刺激的耐受能力存在差異性，低強(qiáng)度超聲波長(zhǎng)期輻照可對(duì)微生物菌種起到篩選作用。

圖8 反應(yīng)器各隔室污泥SEM照片

3 結(jié)論

（1）低強(qiáng)度超聲波可提高ABR 處理低濃度污水有機(jī)物去除效果，且運(yùn)行穩(wěn)定。在啟動(dòng)已獲得較高去除率下，當(dāng)進(jìn)水COD 濃度為600mg/L 左右、HRT=8h 時(shí)，超聲組穩(wěn)定后出水COD 平均濃度為31mg/L，較對(duì)照組出水COD 去除率提高5.2%，出水COD 濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）超聲波周期性輻照后，超聲組各隔室污泥TSS、VSS 均低于對(duì)照組，超聲可起到污泥減量的作用，且可提高污泥的VSS/TSS。超聲處理可增加超聲組各隔室污泥EPS 總量，造成LB-EPS、TBEPS的積累，蛋白質(zhì)含量增加，多糖含量減少。

（3）低強(qiáng)度超聲波輻照厭氧污泥可大幅提高超聲組各隔室污泥脫氫酶活性，使污泥降解有機(jī)物能力得到增強(qiáng)。同時(shí)污泥粒徑減小，比表面積增大，利于傳質(zhì)，但污泥表面官能團(tuán)種類基本不變。

（4）低強(qiáng)度超聲波對(duì)污泥微生物菌種具有一定的選擇性，對(duì)照組各隔室污泥表面以絲狀菌為優(yōu)勢(shì)菌種，而超聲組各隔室污泥表面以球菌為優(yōu)勢(shì)菌種。