厭氧顆?；钚蕴空郯骞に囂幚矶⌒链紡U水效能研究

申凱宇，鄭夢啟，何春華，胡真虎，，汪 炎，王 偉，

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院市政工程系，安徽合肥 230009；2.安徽省農(nóng)村水環(huán)境治理與水資源利用工程實驗室，安徽合肥230009；3.工業(yè)廢水及環(huán)境治理安徽省重點實驗室，安徽合肥 230022）

煤化工的DAVY/DOW低壓羰基合成工藝生產(chǎn)丁辛醇時會產(chǎn)生大量廢水〔1〕。丁辛醇廢水（BOW）含有的有機物復(fù)雜、濃度高，且具有強堿性、高鹽度，屬于典型的難降解有機工業(yè)廢水。目前BOW的主流處理工藝以萃取法、焚燒法、空氣催化氧化法等物化法為主，但這些處理方法的缺點在于處理流程復(fù)雜、成本高〔2〕。因此亟需一種綠色、高效的BOW處理技術(shù)。

厭氧消化是實現(xiàn)污染物降解和資源化的最有效途徑之一〔3〕。通過厭氧消化BOW產(chǎn)生甲烷是較好的選擇。然而BOW中高濃度的有機物和循環(huán)回用裝置中積累的高鹽分都會嚴(yán)重影響厭氧微生物的代謝能力，對厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。有研究提出將顆?；钚蕴浚℅AC）應(yīng)用于BOW厭氧消化，有利于解決甲烷產(chǎn)率低的問題〔4〕。由于GAC的高導(dǎo)電性能促進微生物間的直接種間電子轉(zhuǎn)移（DIET）〔5〕，與使用傳統(tǒng)電子載體（氫、甲酸等）進行物種間電子轉(zhuǎn)移相比，DIET提高了甲烷生成效率〔6〕。GAC已被廣泛應(yīng)用于厭氧反應(yīng)器中處理有毒難降解有機廢水，且大多研究集中在UASB類型的反應(yīng)器。相比之下，具備多級污泥床形式的厭氧折板反應(yīng)器（ABR）具有更強的穩(wěn)定性，更有利于GAC對電活性互營微生物的富集。然而，關(guān)于GAC強化ABR運行的研究較為少見。

在工業(yè)廢水厭氧處理中，鹽度也是影響厭氧微生物生長的一個主要因素〔7〕。高鹽環(huán)境中的高滲透壓會導(dǎo)致微生物細胞死亡〔8〕。Qian CHEN等〔9〕通過添加磁鐵礦來富集假單胞菌，以增強高鹽有機廢水的厭氧消化，但DIET微生物耐鹽性的研究仍然較少。鹽度對于互營微生物富集的潛在影響值得探討。筆者探究了高鹽條件下厭氧顆粒活性炭折板工藝（GAC-ABR）處理BOW的效能變化，闡述了GACABR對污泥特性的影響并對微生物群落結(jié)構(gòu)進行分析。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

接種的活性污泥取自合肥某污水處理廠的SBR池，在4℃下儲存。污泥的總懸浮物固體（TSS）為20.7 g/L，VSS/SS為0.55。GAC粒徑為1 mm（18目，國藥化學(xué)試劑有限公司）。BOW取自曙光化學(xué)（集團）有限公司，主要組成見表1。添加的營養(yǎng)成分與前期研究〔10〕相同，所用試劑均為分析純。

表1 BOW中的主要有機物Table 1 The main organic compounds in BOW

1.2 反應(yīng)器設(shè)置與運行

實驗選用兩個工作容積為7.0 L的厭氧折板反應(yīng)器，如圖1所示。反應(yīng)器配備加熱帶和溫控裝置，溫度保持在（35±1）℃。反應(yīng)器為無回流的連續(xù)流系統(tǒng)，水力停留時間為2 d。產(chǎn)生的甲烷通過反應(yīng)器頂部的集氣袋收集。將添加GAC的反應(yīng)器（R1）設(shè)置為實驗組，不添加GAC的反應(yīng)器（R0）設(shè)置為對照組。兩個反應(yīng)器的接種污泥質(zhì)量濃度設(shè)置為10 g/L，R1中GAC的投加質(zhì)量濃度為10 g/L。

圖1 厭氧折板反應(yīng)器Fig.1 Anaerobic baffled reactor

實驗過程分為3個階段。第1階段（S1，第1天至第68天），兩個反應(yīng)器進水COD由2 000 mg/L提高到4 000 mg/L，m（COD）∶m（N）∶m（P）=400∶5∶1，pH在7.3±0.5。第二階段（S2，第69天至第92天），進水COD維持在4 000 mg/L，進水NaCl逐步增加至20 g/L，其他條件不變。第三階段（S3，第93天至第116天），進水COD保持在4 000 mg/L，去除添加的NaCl，其他條件保持不變。具體運行參數(shù)如表2所示。

表2 不同實驗階段R0和R1反應(yīng)器的運行參數(shù)Table 2 Operation parameter of R0 and R1 in different stages

1.3 比產(chǎn)甲烷活性和電子傳遞活性

以乙酸鈉（按COD計，2 000 mg/L）和H2/CO2（140 mL/35 mL）為底物，分別測定污泥的嗜乙酸和嗜氫產(chǎn)甲烷活性。污泥質(zhì)量與底物COD的比值為1∶1，營養(yǎng)元素組成參考文獻〔10〕。用高純度氮氣（99.99%）吹洗血清瓶約1～2 min，立即密封，在35℃、150 r/min的搖床中培養(yǎng)，根據(jù)甲烷產(chǎn)量隨時間變化情況計算比產(chǎn)甲烷活性（SMA）。按照上述方法測定0、5、10、15、20 g/L NaCl下污泥的產(chǎn)甲烷活性。電子傳遞系統(tǒng)活性（ETS）通過INT〔2-（對碘苯基）-3-（對硝基苯基）-5-苯基氯化四唑〕方法測定〔11〕，具體操作參考文獻〔12〕。

1.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

利用16S rRNA對各個階段末獲得的污泥樣本進行微生物群落多樣性分析。所有污泥樣品在6 000 r/min下離心5 min，去掉上清液。細菌采用338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和806R（GGACTAC HVGGGTWTCTAAT）引物，古菌采用524F10extF（TGYCAGCCGCCGCGGTAA）和Arch958RmodR（YCC GGCGT-TGAVTCCAATT）引物。具體分析實驗在上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進行。

1.5 分析方法

COD、MLSS、MLVSS采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定〔13〕。pH采用SG68pH計（METTLER TOLEDO）測定。采用SP-6890氣相色譜法（山東瑞宏有限公司）測定沼氣中甲烷含量。揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）采用7890A氣相色譜儀（美國Agilent Technologies）測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器不同階段的處理效能

啟動階段（S1，第1天至第68天），R1的初始COD去除率超過95%，而R0僅為75%左右，R1的啟動時間明顯要短于R0〔見圖2（a）〕。GAC對部分有機物具有吸附作用，有研究表明GAC可以在90 min內(nèi)達到吸附飽和〔14〕，而在實際厭氧反應(yīng)器的環(huán)境中，溫度和微生物等因素可能會延緩GAC的吸附飽和時間；另一方面，GAC的吸附作用會緩解BOW的生物毒性，提高厭氧微生物的適應(yīng)性，也可能是啟動時間縮短的原因。反應(yīng)器穩(wěn)定后（第11天—第36天），R1和R0的COD去除率分別為（93.1±1.0）%和（90.5±1.5）%。當(dāng)進水COD增加到4 000 mg/L后（第37天—第68天），R1和R0的COD去除率均保持在91%左右。由表2可見，第37天—第68天，R1組甲烷轉(zhuǎn)化率要高于R0組的甲烷轉(zhuǎn)化率。經(jīng)過長時間的啟動馴化，反應(yīng)器內(nèi)均形成了降解BOW的微生物群落，這也導(dǎo)致R1和R0在COD去除率方面的差異越來越小。在產(chǎn)甲烷性能上R1依然要優(yōu)于R0，可能GAC的加入改變了微生物群落結(jié)構(gòu)和電子傳遞機制，從而增強了厭氧消化產(chǎn)甲烷的效果〔15〕。

在鹽沖擊階段（S2，第69天至第92天），隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加，R0和R1的處理性能發(fā)生了較大變化。當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度為10 g/L（第69天—第82天）時，R1和R0的COD去除率略有下降，分別降至（88.5±1.8）%和（87.9±1.8）%。當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度增加到20 g/L（第83天—第92天）時，COD去除率急劇 下 降，VFAs開 始 積 累。如 圖2b所 示，VFAs的 積累以乙酸和丁酸為主。其中R1的丁酸積累早于R0，且積累程度較高。最終R1的甲烷轉(zhuǎn)化率下降了21.1%，而R0下降了10.6%。隨著鹽度的上升，GAC-ABR系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所減弱。

圖2 不同階段R0和R1反應(yīng)器的性能變化Fig.2 The performance of R0 and R1 in different stages

在恢復(fù)階段（S3，第93天至第116天），去除NaCl后R0和R1的處理 效 能 逐 漸 恢 復(fù)。如圖2（a）所示，恢復(fù)24 d后，R1的COD去除率達到77.2%，而R0僅為53.8%。其間R1和R0的平均甲烷轉(zhuǎn)化率分別為（82.3±2.6）%、（54.7±4.6）%。從圖2（b）可以看出，丁酸的降解開始恢復(fù)，乙酸開始積累。由于產(chǎn)甲烷菌比產(chǎn)酸菌更加敏感和脆弱〔16〕，產(chǎn)甲烷階段的恢復(fù)滯后，但R1的恢復(fù)過程明顯快于R0。恢復(fù)24 d后，R1中 的乙 酸 質(zhì) 量濃 度 降 至485.95 mg/L，R0為983.10 mg/L，R1的VFA降 解 速 率 更 快，這 與B.CHOWDHURY等〔17〕的研究報道一致。

綜上可推測BOW的降解路徑為丁酸發(fā)酵。BOW中的醇類物質(zhì)先轉(zhuǎn)化為丁酸，然后通過β-氧化機制降解為乙酸和CO2，最后被產(chǎn)甲烷菌利用。GAC的添加能夠顯著增強ABR的產(chǎn)甲烷效率以及厭氧消化系統(tǒng)的恢復(fù)性能，在微觀角度上GAC可能改變了反應(yīng)器的微生物特性。

2.2 不同階段污泥的比產(chǎn)甲烷活性變化

不同階段R0和R1的污泥產(chǎn)甲烷活性和甲烷轉(zhuǎn)化率如圖3所示。

圖3 不同階段R0和R1的污泥產(chǎn)甲烷活性和甲烷轉(zhuǎn)化率變化Fig.3 Methanogenic activities and methane conversion rate of sludge of R0 and R1 in different stages

由圖3可見，整體上污泥的嗜氫產(chǎn)甲烷活性要高于嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性，表明BOW的厭氧產(chǎn)甲烷過程以嗜氫產(chǎn)甲烷途徑為主。在S1和S3階段，R1的嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性分別是R0的2.27、1.94倍，而嗜氫產(chǎn)甲烷活性差異不顯著。由于R1中嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性明顯增強，且甲烷轉(zhuǎn)化率與嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性呈正相關(guān)，因而使得R1性能提升。高鹽條件下（S2）產(chǎn)甲烷活性受到明顯影響：R1和R0的嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性分別下降了95%、16%，嗜氫產(chǎn)甲烷活性分別下降了64%、41%?？梢?，R1的產(chǎn)甲烷活性受高鹽度的影響更大，尤其是嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性受到的影響，這可能與添加GAC后厭氧微生物群落結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

圖4為添加GAC的污泥嗜乙酸和嗜氫產(chǎn)甲烷活性（GA和GH），以及未添加GAC的污泥嗜乙酸和嗜氫產(chǎn)甲烷活性（CA和CH）隨鹽度的變化情況。

圖4鹽度對嗜乙酸和嗜氫產(chǎn)甲烷活性的影響Fig.4 Effects of salinity on acetoclastic and hydrogenotrophic methanogenic activities

圖4 表明，嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性與鹽度基本呈線性關(guān)系。當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度為15 g/L時，GA和CA的嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性受到完全抑制，而嗜氫產(chǎn)甲烷活性對鹽度的敏感性要低于嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性。當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度達到20 g/L時，CH的嗜氫產(chǎn)甲烷活性沒有明顯下降，而GH的嗜氫產(chǎn)甲烷活性下降了35%。即高鹽條件下，R1的嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性易受影響。上述結(jié)果表明R1在高鹽條件下穩(wěn)定性下降原因在于GAC強化的嗜乙酸產(chǎn)甲烷途徑被抑制。

2.3 不同階段污泥的電子傳遞活性變化

污泥的ETS是指污泥微生物呼吸鏈中的電子傳遞速率，可間接表征污泥的生物活性。根據(jù)Zhao?han ZHANG等〔11〕的研究，INT是評價厭氧微生物系統(tǒng)中ETS活性的較為合適的方法。各階段R0和R1污泥的INT-ETS活性見圖5。

圖5 不同階段R0和R1的污泥INT-ETS活性Fig.5 INT-ETS activity of sludge of R0 and R1 in different stages

由圖5可見，在S1和S3階 段，與R0相 比，R1的INT-ETS活性分別提高16.4%、13.1%。Wangwang YAN等〔18〕在處理含酚廢水時添加碳納米管，使污泥的INT-ETS活性提高了10倍，并將這種變化歸因于互營菌的富集。因此，本研究中INT-ETS增加很可能是由于GAC對相關(guān)互營微生物的富集作用。在S2階段，R1的INT-ETS活性為（137.6±18.0）mg/（g·h），受 高 鹽 度 影 響 明 顯 下 降，而R0組 為（200.3±2.2）mg/（g·h），變化不大。可見R1的INT-ETS活性更易受鹽度影響。結(jié)合2.2中鹽度對產(chǎn)甲烷活性的影響，認(rèn)為可能原因為：（1）添加GAC后，微生物之間存在新的電子傳遞途徑（如DIET，而不是傳統(tǒng)的IET），高鹽環(huán)境對其影響更大；（2）在R1中起關(guān)鍵作用的相關(guān)微生物因耐鹽性差而受到抑制，導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)受到顯著影響。

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

反應(yīng)器的宏觀性能主要取決于微觀的微生物群落結(jié)構(gòu)，因此研究不同環(huán)境（馴化、鹽沖擊和酸化）中微生物的群落，對闡述GAC-BAR工藝處理效能的提升至關(guān)重要。微生物的群落分析如圖6所示。由圖6（a）可見，R1中各階段Syntrophomonas的相對豐度（21.2%、22.4%和27.1%）較R0的 分 別 提 高 了174%、354%、716%，說明Syntrophomonas在R1中明顯富集。而Syntrophomonas是一種互營丁酸氧化菌〔19〕，不僅可通過β-氧化途徑參與丁酸的降解，還與產(chǎn)甲烷菌相互作用，提高厭氧消化性能。有研究在補充導(dǎo)電材料的復(fù)雜環(huán)境中檢測到Syntroph?omonas〔19-20〕。Huijuan LI等〔20〕在 水稻土中添加磁 鐵礦，Syntrophomonadaceae和Methanosarcinaceae的 豐度顯著增加，促進了丁酸向甲烷的代謝作用。Wei ZHANG等〔21〕在以長鏈脂肪酸為主的菜籽油中添加GAC，富集了Syntrophomonas和Methanosarcina，顯著提高了甲烷產(chǎn)量，緩解了酸化現(xiàn)象。與Syntroph?omonas互營共生的古菌為嗜氫產(chǎn)甲烷菌Methano?bacterium和嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina。圖6（b）中，Methanobacterium是絕對的優(yōu)勢古菌，這與BOW厭氧產(chǎn)甲烷以嗜氫產(chǎn)甲烷途徑為主一致。而另一種優(yōu)勢菌Methanosarcina的變化更值得關(guān)注。在鹽度沖擊（S2）下，Methanosarcina（30.7%、15.0%和25.0%）有被Methanosphaera（3.3%、17.0%和11.9%）取代的趨勢。但鹽度去除后（S3）Methanosarcina的相對豐度得到恢復(fù)。且在整個實驗過程中，R1的相對豐度比R0增加8.0%～12.8%。因此，GAC的加入很有可能促進了Syntrophomonas與Methanosarcina的互營共生。這從優(yōu)勢菌的分布圖〔圖6（c）、（d）〕可以清楚地看到，各階段中R1最核心的菌屬是Syntrophomonas和Methanosarcina。

圖6 微生物群落結(jié)構(gòu)分析Fig.6 Analysis of microbial community

對于R0，由于受鹽度和酸積累的影響，其微生物群落從啟動階段開始經(jīng)歷了相似的生態(tài)演替。在S1階段，R0的核心細菌屬（相對豐度>8%）為norank f Bacteroidetes vadinHA17（12.9%）和Exilispira（11.8%）。有報道稱，norank f Bacteroidetes vadinHA17將葡萄糖降解為乙酸、丙酸和H2/CO2〔22〕，與氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌密切相關(guān)〔23〕。Exilispira與氫營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌一起參與厭氧反應(yīng)器中互營乙酸的氧化〔24-25〕。在S2階段，R0核心菌屬分別為Exilispira（13.6%）、Romboutsia（8.8%）和Clos?tridium sensu stricto1（8.8%）。Clostridium sensu stricto1是一種常見的產(chǎn)氫細菌屬，對不利環(huán)境有較強的耐受性〔26〕。Romboutsia是一種與水解和酸化有關(guān)的細菌屬，尤其與乙酸生成和嗜氫產(chǎn)甲烷有關(guān)〔27〕。Romboutsia和Clostridium Sensu Stricto1相對豐度的增加可能與耐鹽性有關(guān)。H.A.OYEWISI等〔28〕利用16S rRNA基因序列分析高鹽湖細菌群落功能時發(fā)現(xiàn)，Romboutsia和Clostridium Sensu Stricto1是最具代表性的細菌屬。在S3階段R0的核心細菌屬分別為Desulfovibrio（12.2%）、Leptolinea（9.6%）和norank f Spirochaetaceae（8.7%）。這些優(yōu)勢菌通常在發(fā)酵液中富集并降解丙酸〔29-31〕，在酸化環(huán)境中相對豐度明顯增加?？梢钥闯?，R0的核心細菌都是常見的水解酸化細菌，這些優(yōu)勢細菌的具體功能與嗜氫產(chǎn)甲烷菌密切相關(guān)〔如圖6（b）所示〕。專性氫營養(yǎng)型甲烷菌Methanobacterium占絕對優(yōu)勢（65.0%、61.4%和51.8%）。古菌演替的主要變化菌屬是Methanosphaera和Methanosarcina。Methanosphaera（2.7%、21.7%和35.4%）逐 漸 取 代Methanosarcina（22.7%、9.0%和12.2%）的優(yōu)勢地位。這說明在R0中難以確定產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷古菌的共生關(guān)系。

而R1中Syntrophomonas與Methanosarcina有 明 顯的互營共生，這是GAC-ABR工藝性能提升的關(guān)鍵。表3列出了每個樣本的Shannon、Chao1和覆蓋度。

表3 不同階段R0和R1的微生物群落多樣性和豐富度Table 3 Diversity and richness of microbial community of R0 and R1 in different stages

由表3可以看出，R1的細菌多樣性（Shannon 3.60、3.78和3.68）要低于R0（3.84、4.32和4.02），豐富度（Chao 1）則相反，R1的細菌豐富度高于R0（445.11、593.25和449.34）。說明添加GAC促進了特定功能微生物的富集，并且降低了微生物多樣性。Syntroph?omonas與Methanosarcina的富集可能會導(dǎo)致環(huán)境抵抗性能下降：在高鹽環(huán)境下（S2），Syntrophomonas仍為優(yōu)勢菌，說明Syntrophomonas具有較強的耐鹽性（Syn?trophomonas是Firmicutes的一員，在之前的研究中，F(xiàn)irmicutes是高鹽環(huán)境中的優(yōu)勢菌門〔32〕）。Methano?sarcina相對豐度下降表明其耐鹽性較差（在馴化高鈉食物垃圾處理過程中，Methanosaricina幾乎被嗜氫產(chǎn)甲 烷 菌Methanobacterium和Methanocpusculum取代〔33〕）。因此，Methanosarcina的不耐鹽性可能是R1受到鹽沖擊后處理效能下降的主要原因。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明GAC-ABR工藝能夠顯著提高BOW厭氧處理的甲烷產(chǎn)量，并有效緩解鹽沖擊后的酸化現(xiàn)象，這是由于添加GAC后富集了電活性互營微生物Syntrophomonas和Methanosarcina，增強了反應(yīng)器中污泥嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性和電子傳遞活性。此外，由于Syntrophomonas具有較好的耐鹽性，而Methanosarcina的耐鹽性弱于Methanosphaera和Methanobacteria，這也導(dǎo)致在鹽度沖擊下污泥電子傳遞活性和嗜乙酸產(chǎn)甲烷活性下降，可能是GACABR受到鹽度沖擊后處理效能下降的主要原因。