厌氧膨胀颗粒污泥床生物膜反应器同步产甲烷-硫酸盐还原的快速启动

张 伟，周 鑫，吕姗姗

（1. 太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 晋中 030600；2. 山西省市政工程研究生教育创新中心，山西 晋中 030600）

化工、制药、食品、造纸等行业排放的废水中不仅含有高浓度的有机物，还含有大量的硫酸盐，由于其污染严重，已经引起业内外人士关注。厌氧生物处理技术是针对高浓度有机废水的一种经济高效的处理技术。有机物在水解酸化菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌等微生物的共同作用下被生物转化为甲烷。而硫酸盐一般通过硫酸盐还原菌（SRB）在厌氧条件下被生物还原成硫化物而去除。在厌氧消化过程中，一方面硫酸盐还原菌和产甲烷菌为争夺有机底物而形成相互竞争关系；另一方面，硫酸盐还原产物HS亦会对微生物尤其是产甲烷菌造成抑制作用，因此在实践中常采用两相厌氧处理工艺，即产甲烷和硫酸盐还原分别在两个反应器中发生。然而这种处理方式在实际运行中存在着工艺复杂、建设和运行成本高等问题。

为此，本研究尝试在一个新型的单级厌氧膨胀颗粒污泥床生物膜反应器（Expanded Granular Sludge Blanket Biofilm Reactor，EGSBBR）中实现产甲烷和硫酸盐去除的同步耦合，着重考察了工艺在启动过程的处理效能、胞外聚合物（EPS）特征及微生物群落特性，以期为EGSSBR反应器处理高浓度硫酸盐有机废水提供基础。

1 实验部分

1.1 实验装置

建立了实验室规模的连续式上流EGSBBR反应器。反应器有效容积为17 L（高1.9 m，内径9.0 cm），由反应器主体（9 L）和三相分离器（8 L）组成。反应器主体包括污泥区（底部，含颗粒污泥）和填料区（上部，含体积比为30%的正方体聚氨酯海绵填料），污泥区体积占反应区的40%。三相分离器位于反应器顶部，用以沉淀污泥和采集气体，与反应器主体用法兰连接以确保密闭性。出水从分离器上的溢流堰排入出水口，出水口下部设内回流出水口，通过内回流泵重新回流到污泥区底部。

1.2 接种污泥与实验用水

接种污泥为山西省太原市某污水处理厂剩余污泥，污泥浓度（MLSS）为11.08 g/L。实验用水为模拟有机废水，以葡糖糖、NHCl、KHPO、NaSO等配制，此外还加入1 mL微量元素储备液，其主要成分参照文献［7］。所用试剂均为分析纯。

1.3 反应器运行条件

整个系统控制水温在（35±1） ℃、pH在7.2左右，投加NaCO控制碱度为500~600 mg/L（以CaCO计）。反应器整体用黑色不透光防火材料包裹。反应器为连续流进水，HRT为2 d，内回流比为4 000%。本研究先通过只加葡萄糖的方式培养和富集产甲烷菌，随后再逐步添加硫酸盐，以快速完成EGSBBR反应器产甲烷和硫酸盐还原的启动。根据运行方式和是否加入硫酸盐分为2个运行阶段，其中阶段Ⅱ又按照硫酸盐加入量分为前期和后期，共运行86 d，运行参数见表1。

表1 EGSBBR启动期运行参数

1.4 分析方法

水样经0.45 μm滤膜过滤。COD和（SO）采用DR1900型分光光度计（美国HACH公司）快速测定。pH采用FE20型pH计（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）测定。溶解氧（DO）采用TSI500A型溶氧仪（美国YSI公司）监测。反应器产气量采用LMF-1型湿式气体流量计（北京金志业仪器）测定。气体成分采用GC-4000A型气相色谱仪（北京东西分析仪器有限公司）和Hiquad700型质谱仪（普发真空技术（上海）有限公司）分析。污泥生物相采用Oxford X-MaxN型扫描电子显微镜（牛津仪器科技（上海）有限公司）观察。污泥胞外聚合物（EPS）采用文献［11］方法提取，采用RF6000型三维荧光光谱仪（日本岛津有限公司）扫描分析。在实验第1，33，86 d分别取反应器污泥区和填料区适量污泥和生物膜样品进行高通量测序（委托生工生物工程（上海）股份有限公司）。

2 结果与讨论

2.1 系统产甲烷的启动（1~33 d）

反应器在阶段Ⅰ的处理性能及产气性能见图1。由图1可见：出水COD波动较大，说明系统内微生物对高浓度COD有一个适应过程，在第24 d后COD去除率稳步提高到85.9%；随着运行时间延长，产气量稳步提高，由于接种污泥中几乎不含产甲烷微生物，第一阶段前10 d系统内的甲烷体积分数仅为1.5%，而第11 d后产甲烷微生物开始富集，甲烷气体分数增长至25.2%，在第30 d增长至41.61%并趋于稳定，此时COD去除率达到86.5%，总产气量达900 mL/d以上，标志着系统产甲烷性能已成功启动。

图1 反应器在阶段Ⅰ的处理性能及产气性能

2.2 系统同步产甲烷及硫酸盐还原的启动（34~86 d）

反应器在阶段Ⅱ的处理性能及产气性能见图2。由图2可见：阶段Ⅱ前期由于进水（SO）很低，对系统产气和COD去除效果几乎不产生影响；阶段Ⅱ后期（SO）提高到100 mg/L后，COD去除率从92.8%（41 d）降至86.6%（50 d），随后再次迅速增长至98.1%（75 d）并保持稳定，原因是微生物适应了环境变化，富集的硫酸盐还原菌可以与产甲烷菌协同提高COD的去除效果；甲烷体积分数从41.6%（40 d）降至38.6%（41 d）之后稳定至39.6%（70 d），这可能是由于（SO）升高后对系统内产甲烷微生物有抑制作用，同时由于硫酸盐还原菌争夺有机物能力强于产甲烷菌，因此导致产甲烷菌生长受限；阶段Ⅱ前期硫酸盐几乎全部去除（SO去除率达94.5%），然而后期进水（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）并保持稳定，这说明进水（SO）会对系统产甲烷菌产生显著影响，后期由于SO去除率得到提高，产甲烷效率也逐步恢复。

图2 反应器在阶段Ⅱ的处理性能及产气性能

对收集到的气体样品进行质谱分析发现：甲烷占40.4%（，下同），硫化氢占0.2%，氢气占1.7%，二氧化碳占45.7%，其他为一氧化碳、水蒸气等。此外，在三相分离器顶部出水口处发现了有淡黄色固体析出，推断为单质硫。这些结果证实了单一系统中同时出现了产甲烷和硫酸盐还原共存现象。经过71 d的连续运行，COD去除率和SO2去除率分别达98.1%和74.7%，甲烷产生量为470.7 mL/d，表明系统同步产甲烷-硫酸盐还原成功启动。进一步运行到86 d时，整体处理效果依然良好且稳定。

2.3 污泥特性

污泥刚接种时，由于反应器出现一定的跑泥现象，MLSS从11.08 g/L（0 d）下降至8.08 g/L（20 d）。随后从第22 d至阶段Ⅱ结束，MLSS整体呈上升趋势，从8.35 g/L提高到21.89 g/L，同时MLSS/MLVSS从最初的0.52增加到0.71，这表明EGSBBR反应器能够在更短的时间内消耗有机物提供产甲烷底物并为硫酸盐还原提供电子供体，同时系统内污泥浓度的提高表明细菌生长活性较高，代谢能力较强。

取阶段Ⅰ（第33 d）、阶段Ⅱ（第86 d）的污泥和生物膜提取EPS，分析其组分浓度发现：阶段Ⅱ的生物膜和污泥中EPS各组分的浓度较阶段Ⅰ均有所增大，其中蛋白质含量增大最多，结合阶段ⅡMLSS升高说明EPS浓度的增大有助于污泥聚集和生物膜形成和成熟。生物膜EPS中蛋白质的含量均高于污泥的含量，蛋白质含量增加会促进细胞间黏附作用从而有助于增强生物膜稳定性。污泥中EPS的三维荧光光谱见图3。由图3可见，污泥EPS中出现了芳香族蛋白区域的A峰（/=（200~235）/（285~345） nm）、色氨酸区域的B峰（/=（270~300）/（300~350） nm）、类富里酸的C峰（/=（250~260）/（415~460） nm）、类腐殖酸的F峰（/=（370~415）/（450~480）nm），但C峰只在阶段Ⅰ的溶解性EPS（S-EPS）中出现，同时在阶段Ⅱ的S-EPS和松散型EPS（LB-EPS）中F峰消失。除此之外，紧密型EPS（TB-EPS）中B峰中心位置分别从（285/350 nm）、（288/355 nm）移动至（275/345 nm）、（284/340 nm），表明激发波长和发射波长均产生了一定的蓝移。这可能是由于蛋白质浓度显著提高所致，说明经过两个阶段的培养驯化，污泥的代谢能力更加稳定，为系统中产甲烷菌群和硫酸盐还原菌群的共存和富集提供了良好的生长微环境。

图3 污泥中EPS的三维荧光光谱

2.4 微生物群落特征

取第1 d（接种）、第33 d（阶段Ⅰ）和第86 d（阶段Ⅱ）的生物膜和污泥进行高通量测序，样本分别命名为B0，B1，B2，S0，S1，S2。经鉴定，样本中的微生物分布在15个门类。B0中变形菌门（）微生物的丰度高达72.50%，是绝对优势菌，其次是拟杆菌门（）、念珠菌-糖精菌门（）和厚壁菌门（）的微生物；B1和B2中的优势菌分属于变形菌门（）、拟杆菌门（）、绿弯菌门（），其次是厚壁菌门（）等；污泥相中各阶段优势菌分属于变形菌门（）、拟杆菌门（）、绿弯菌门（）和厚壁菌门（）。这些微生物在生物膜和污泥中对有机物的降解和微生物的厌氧代谢有重要作用。广古菌门（）是产甲烷菌所属菌门，对比发现：其在B0，S0中丰度仅为0.04%；在B1，S1中的丰度分别达2.91%和5.89%，表明在阶段Ⅰ中产甲烷菌得到了明显富集；而在B2和S2中的丰度分别降低至1.08%和1.04%，表明SO2加入后，部分有机物被消耗用于还原SO，导致产甲烷菌数量减少。这也解释了图2中甲烷体积分数降低的现象。

图4是样本中丰度超过1%以上微生物的属水平组成。由图4可见：阶段Ⅰ时甲烷丝菌（sp.）占绝对优势地位，丰度高达5.52%（B1）、6.21%（S1），甲烷丝菌属于甲烷八叠球菌目（），主要通过乙酸脱羧方式产甲烷；添加硫酸盐后的阶段Ⅱ，甲烷丝菌（）依然为主要的产甲烷菌，但丰度显著下降至1.24%（B2）和1.26%（S2），与此前阶段不同的是，系统中还出现了其他类型的产甲烷菌，如甲烷杆菌（sp.）、甲烷螺菌（sp.）、马氏甲烷球菌（sp.）等。这些产甲烷菌能够通过H/CO途径形成甲烷而进行能量代谢。这可能是由于体系中底物类型的改变导致产甲烷菌的代谢方式和菌属种类更加多样化和复杂化。与阶段Ⅰ不同的是，具有硫酸盐还原能力的微生物如脱硫弧菌（sp.）（B2丰度2.59%，S2丰度2.04%）、硫磺单胞菌（sp.）（B2丰度1.05%，S2丰度1.17%）在反应器中大量存在。正是由于EGSBBR中产甲烷菌（MPB）和硫酸盐还原菌（SRB）的优势富集，实现了单一厌氧系统中同步产甲烷和硫酸盐还原的快速启动。

图4 生物膜和污泥中丰度超过1%以上微生物的属水平组成

3 结论

a）采用EGSBBR反应器处理含高浓度硫酸盐有机废水，经过71 d实现了同步产甲烷-硫酸盐还原的快速启动。

b）系统稳定运行后，COD去除率和SO2去除率分别达98.1%和74.7%，甲烷产生量为470.7 mL/d，生物产气中甲烷的体积分数为39.6%。

c）反应器中污泥和生物膜的EPS特性与甲烷生成量、SO

2去除率具有直接关联。d）体系内甲烷丝菌（sp.）等产甲烷菌和脱硫弧菌（sp.）、硫磺单胞菌（sp.）等硫酸盐还原菌优势共存。