好氧顆粒污泥處理再生纖維造紙廢水二級(jí)出水的研究

實(shí)驗(yàn)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(fā)性固體懸浮物（MLVSS）/MLSS值在0.52~0.58之間。

水質(zhì)分光光度計(jì)（DR2800，美國(guó)HACH）；COD消解儀（DRB200，美國(guó)HACH）；曝氣裝置（ACO-9601，廣東海利集團(tuán)）；pH精密酸度計(jì)（PB-10，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）；溶解氧測(cè)定儀（HQ40d，美國(guó)HACH）；循環(huán)蠕動(dòng)泵（77601-00，美國(guó)Cole-Parmer）；進(jìn)水蠕動(dòng)泵（NKCP-C-S10B，中國(guó)卡默爾）；恒溫水浴鍋（HH-4，常州奧華儀器）；BOD測(cè)定儀（BODTrakII，美國(guó)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(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，Agilent5973，美國(guó)Agilent Technology）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，TENSOR27，德國(guó)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(gòu)于廣州化學(xué)試劑廠；乙酸乙酯、二氯甲烷，購(gòu)于上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司，以上試劑均為分析純。

實(shí)驗(yàn)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(jí)出水。SBBGR使用人工模擬廢水培養(yǎng)運(yùn)行90天進(jìn)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(jīng)5個(gè)階段，每個(gè)階段運(yùn)行8天，二級(jí)出水分別占進(jìn)水的20%、40%、60%、80%和100%，歷時(shí)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(zhì)提供給反應(yīng)器內(nèi)微生物營(yíng)養(yǎng)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COD_Cr、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(diào)節(jié)pH值為（7.4±0.2）。

二級(jí)出水COD_Cr、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。

圖1為SBBGR反應(yīng)器示意圖。SBBGR反應(yīng)器是一個(gè)圓柱形有機(jī)玻璃柱（內(nèi)徑60 mm；高度500 mm；幾何體積1 L；接種污泥體積400 mL）。反應(yīng)器下部分放置若干塑料填料（長(zhǎng)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(zhǎng)依附提供支撐材料；反應(yīng)器上部分放入曝氣裝置、溶解氧（DO）和溫度電極、pH電極。反應(yīng)器底部有4個(gè)流通口，2個(gè)接入水泵，用于進(jìn)水階段的入水；2個(gè)流通口接循環(huán)泵，在運(yùn)行階段使廢水在反應(yīng)器中循環(huán)，確保氧氣的均勻分布。反應(yīng)器運(yùn)行周期為8 h，分為進(jìn)水階段（10 min）、暫停階段（進(jìn)水前后各10 min）和反應(yīng)階段（450 min）。反應(yīng)器在循環(huán)泵暫停運(yùn)行10 min后開始進(jìn)水，同時(shí)在反應(yīng)器上方完成出水。進(jìn)水完畢10 min后，循環(huán)泵繼續(xù)運(yùn)行。反應(yīng)器置于恒溫水浴鍋中，溫度設(shè)為（32±1）?℃。

圖1  SBBGR反應(yīng)器示意圖

Fig. 1  Schematic diagram of the SBBGR reactor

使用水質(zhì)分光光度計(jì)，采用重鉻酸鉀法、過硫酸鹽氧化法、消解-抗壞血酸法，分別測(cè)定廢水COD_Cr濃度、TN、TP；根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11901—89測(cè)定廢水固體懸浮物（SS）；使用pH精密酸度計(jì)測(cè)定廢水pH值；通過溶解氧測(cè)定儀測(cè)定廢水溶解氧；采取5日生化培養(yǎng)法測(cè)定廢水BOD₅。

取50 mL待測(cè)水樣，在4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液進(jìn)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。

準(zhǔn)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(diào)節(jié)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(jī)相完成1次萃取，向剩余水相中繼續(xù)加入30 mL乙酸乙酯和20 mL二氯甲烷繼續(xù)萃取，重復(fù)上述操作，萃取3次后將所有有機(jī)相收集在一起，加入無水硫酸鈉脫水，脫水后自然蒸發(fā)至5 mL，保存樣品用于GC-MS分析。

GC-MS分析條件：HP5石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），系統(tǒng)進(jìn)樣器（7683B，美國(guó)Agilent Technology）自動(dòng)進(jìn)樣，分流比10∶1；使用高純氦氣為載氣，流量1 mL/min，進(jìn)樣量l μL；升溫程序?yàn)橹鶞?0℃，進(jìn)樣口溫度280℃；質(zhì)譜條件為電子轟擊電壓1.2 kV，電子轟擊能量70 eV，質(zhì)量掃描范圍30~500 amu，檢索譜庫(kù)為NIST14。

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(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。對(duì)污泥進(jìn)行16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序，通過特異性引物擴(kuò)增樣本中原核生物16S rDNA的可變區(qū)，構(gòu)建高通量測(cè)序文庫(kù)并對(duì)16S rDNA可變區(qū)序列進(jìn)行分析，從而鑒定環(huán)境中原核微生物的組成與豐度。測(cè)序得到的每一條序列來自于1個(gè)菌種，對(duì)序列進(jìn)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(gè)小組就是1個(gè)操作分類單元（OTU）。在97%的相似水平下對(duì)所有序列進(jìn)行OTU劃分并進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析。

使用人工模擬廢水培養(yǎng)，在反應(yīng)器啟動(dòng)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(yǎng)過程中生物膜逐漸變厚，在生物膜厚度達(dá)到一定程度后，將循環(huán)泵流量從120 mL/min增加至150 mL/min，以增大反應(yīng)器內(nèi)的水力剪切力，使部分生物膜分離沉積在填料內(nèi)部；反應(yīng)器啟動(dòng)第40天，填料內(nèi)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(nèi)部生長(zhǎng)，在第50天污泥粒徑達(dá)到2~5 mm，反應(yīng)器啟動(dòng)完成。此時(shí)反應(yīng)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(nèi)生長(zhǎng)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

馴化階段目的是使反應(yīng)器中的微生物逐漸適應(yīng)造紙廢水的環(huán)境，使能降解廢水中包括難降解有機(jī)物在內(nèi)污染物的微生物得以生存增長(zhǎng)，而不能適應(yīng)的逐漸被淘汰^[16]。馴化過程見1.2部分，馴化結(jié)束后反應(yīng)器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。馴化階段及穩(wěn)定運(yùn)行階段反應(yīng)器的COD_Cr去除效果如圖3所示。

圖3  SBBGR反應(yīng)器對(duì)COD_Cr的去除效果

Fig. 3  Removal of COD_Cr by SBBGR reactor

從圖3可以看出，隨著進(jìn)水中二級(jí)出水比例的升高，出水COD_Cr的去除率發(fā)生了明顯下降，馴化結(jié)束時(shí)出水的COD_Cr濃度為144 mg/L，去除率為38.7%；而穩(wěn)定運(yùn)行階段出水的COD_Cr穩(wěn)定在（95±22）mg/L，去除率為（47.7±5.0）%。一般認(rèn)為，當(dāng)廢水的BOD₅/COD_Cr低于0.3時(shí)，廢水的可生化性較差，本研究中二級(jí)出水的BOD₅濃度為（7.2±1.7）mg/L，BOD₅/COD_Cr低于0.05，廢水中大部分的有機(jī)物都難以通過生物降解。因此當(dāng)進(jìn)水中容易被降解的人工廢水逐漸轉(zhuǎn)換成難降解的二級(jí)出水時(shí)，降解去除變得困難。本研究中，二級(jí)出水的COD_Cr去除率為（47.7±5.0）%，表明廢水中的部分難降解污染物經(jīng)過SBBGR反應(yīng)器處理后被去除。

馴化階段及穩(wěn)定運(yùn)行階段SBBGR對(duì)廢水SS和色度的去除效果如圖4所示。反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)水SS濃度為（366±33）mg/L，出水SS濃度為（45±12）mg/L，去除率穩(wěn)定在80%以上，表明反應(yīng)器對(duì)廢水SS有顯著的去除效果。研究認(rèn)為生物反應(yīng)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(yīng)器對(duì)SS達(dá)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(zhǎng)，從而在填料表面形成生物膜，因此對(duì)SS有良好的去除效果。

圖4  SBBGR反應(yīng)器對(duì)SS和色度的去除效果

Fig. 4  Removal of SS and chroma by SBBGR reactor

經(jīng)好氧處理后廢水色度一般會(huì)提高，這可能是由于高分子質(zhì)量有機(jī)物的降解導(dǎo)致發(fā)色官能團(tuán)的形成^[17]，生化過程中微生物產(chǎn)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(jí)出水，均發(fā)現(xiàn)了色度的增加，其中SBBR的增加最低。從圖4還可以看出，穩(wěn)定運(yùn)行階段廢水經(jīng)過SBBGR處理后色度沒有明顯變化?？赡苁荢BBGR中好氧顆粒污泥具有較高的污泥濃度與微生物活性，對(duì)污染物的降解較為徹底，且顆粒污泥的結(jié)構(gòu)較為緊實(shí)，減少了污泥解體導(dǎo)致的色度增加。

對(duì)二級(jí)出水及SBBGR反應(yīng)器出水進(jìn)行FT-IR分析，結(jié)果如圖5所示，吸收峰的解析如表1所示。

圖5  二級(jí)出水及SBBGR反應(yīng)器出水的FT-IR圖

Fig. 5  FT-IR spectra of secondary effluent and SBBGR effluent

由圖5可知，SBBGR反應(yīng)器出水在3446、1650、1448、1145及622 cm^-1處吸收峰強(qiáng)度明顯降低。由表1可知，這些吸收峰波數(shù)對(duì)應(yīng)于O—H伸縮振動(dòng)、C?    $\stackrel{}{?}$O伸縮振動(dòng)、苯環(huán)C?    $\stackrel{}{?}$C拉伸振動(dòng)、醚類C—O—C伸縮振動(dòng)及苯環(huán)氫面內(nèi)彎曲振動(dòng)。結(jié)果表明，經(jīng)SBBGR反應(yīng)器處理，二級(jí)出水中的醇類、醛類、芳香族化合物及醚類物質(zhì)被有效降解或轉(zhuǎn)化。

對(duì)SBBGR反應(yīng)器處理前后的二級(jí)出水進(jìn)行GC-MS分析，譜圖如圖6所示。將質(zhì)譜圖與GC-MS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)比較確定出有機(jī)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(jí)出水中檢出了5種苯類化合物，包括1,3-二甲基-苯、對(duì)二甲苯及乙苯等，而SBBGR反應(yīng)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(yīng)器有效降解；同時(shí)，二級(jí)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(yīng)器出水中未檢出這兩種污染物，說明二級(jí)出水經(jīng)過SBBGR反應(yīng)器處理被有效降解，表明SBBGR反應(yīng)器對(duì)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(yīng)器可以同時(shí)提供這兩種環(huán)境。

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

取馴化前SBBGR反應(yīng)器中的污泥和穩(wěn)定運(yùn)行階段SBBGR反應(yīng)器中的污泥，分別進(jìn)行高通量測(cè)序分析。污泥樣品的微生物豐度和多樣性指數(shù)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

注   （1）馴化前污泥，（2）穩(wěn)定運(yùn)行階段污泥。

Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)是反映菌群豐度的指標(biāo)，數(shù)值越大表明豐度越高，而Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)是反映菌群多樣性的指標(biāo)，其數(shù)值越大表明群落多樣性越高。從表2可知，穩(wěn)定運(yùn)行階段SBBGR反應(yīng)器中污泥微生物的序列數(shù)和OTU數(shù)量有所增加，Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)降低，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)升高，表明反應(yīng)器在處理二級(jí)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?yàn)榕囵B(yǎng)階段的人工模擬廢水中有機(jī)負(fù)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(jī)負(fù)荷低、有機(jī)成分復(fù)雜且難降解的二級(jí)出水后，部分微生物的繁殖受到了抑制，導(dǎo)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(duì)優(yōu)勢(shì)菌種均為擬桿菌門和變形桿菌門，其在有機(jī)物的生物降解過程發(fā)揮著重要的作用，變形菌門在木質(zhì)素降解中作出重要的貢獻(xiàn)^[13]，擬桿菌門能分泌出超氧化物歧化酶促進(jìn)木質(zhì)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(jìng)爭(zhēng)性假絲酵母屬（Candidatus_Competibacter）（13.5%）、動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)性假絲酵母屬（Candidatus_Competibacter）（4.9%）和脫硫微菌屬（Desulfomicrobium）（3.6%）。

二級(jí)出水經(jīng)過處理后，SBBGR反應(yīng)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(huán)境的改變產(chǎn)生了大量新的微生物種群。競(jìng)爭(zhēng)性假絲酵母菌是反硝化聚糖菌的一種，因?yàn)槎?jí)出水有機(jī)物及氮含量低，競(jìng)爭(zhēng)性假絲酵母屬的增殖受到了抑制，含量下降。同時(shí)，陶厄氏菌相對(duì)豐度提高，代替競(jìng)爭(zhēng)性假絲酵母菌成為了馴化后污泥中相對(duì)豐度最高的菌屬，陶厄氏菌具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性以及降解芳香族有機(jī)物的能力^[24]，這也能解釋GC-MS分析二級(jí)出水中的芳香族有機(jī)物被有效降解的結(jié)果。另外，脫硫微菌屬是一種嚴(yán)格的厭氧菌，能在厭氧條件下參與對(duì)木質(zhì)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(yīng)器中形成的厭氧區(qū)對(duì)木質(zhì)素等難降解物的處理發(fā)揮了重要作用。