净水技术|农村生活污水处理ABR工艺的启动与污泥微生物特性
小编导读
来自东南大学能源与环境学院吕锡武老师课题组的最新研究，通过折流板厌氧反应器（ABR）处理农村生活污水的启动运行，通过高通量测序技术，研究反应器中污泥微生物相关特性。研究结果表明：反应器采用低负荷启动、阶段提高有机负荷方式，可以在60 d内实现挂膜完成，反应器对污水中化学需氧量(COD)去除率在66％左右，出水pH值稳定在6.35~7.05；颗粒污泥中主要优势细菌种群有变形杆菌（proteobacteria）、拟杆菌纲(bacteroidetes) 、绿弯菌纲（chloroflexi）。运行启动后，在污泥中出现广古菌门（euryarchaeota）、嗜热丝菌门(caldiserica)、螺旋菌门（spirobacteria）。运行稳定后，细菌生物量含量会减少，这表明ABR启动对原始污泥的微生物的种类起到显著的选择作用。
厌氧折流板反应器（anaerobic baffled reactor，ABR）是具有特别的模块化结构的高效处理废水厌氧生物反应器，由于这种特殊的性质，每个隔室都可以驯养微生物群落适应废水和环境条件,而且微生物在反应器中的分布,污染物在各种微生物种群共同作用下得到降解去除。此外，由于污水的上下流动模式，会使污水和污泥完全接触，大大增加了抗负荷冲击能力。ABR反应器的优点是设计简单、污泥停留时间长、水力停留时间低、固液分离效果好、运行管理方便和稳定的冲击负荷。此外,由于其分割多级串联结构，该反应器有能力减少生物量冲刷和分离厌氧微生物群落的空间排列，当pH和温度等环境参数的变化，反应器不会受到太大的影响。
农村生活污水污染主要由以下原因：首先现有的城镇的污水工艺本身不适合分散式农村生活污水治理的需求；农村居民分布广且分散，生活污水间歇排放，而且农村污水处理技术起点低，再加上管理水平低下，缺乏有效监管体制等原因，使得农村污水没有完全处理；随着农村经济发展，农村的种植业、畜牧业快速发展，但是产生的污水直接排入水体，造成水体水质恶化，恶臭污染。目前适合农村污水处理的工艺路线是“厌氧、缺氧+ 跌水曝气生物接触氧化+水耕蔬菜人工湿地”工艺组合，其中厌氧、缺氧单元的作用是将高浓度有机物转变成VFA、沼气，反硝化除氮；跌水曝气生物接触氧化单元作用是继续降解有机物并完成硝化过程；水耕蔬菜人工湿地单元的作用是氮、磷作营养物质被吸收，培植水生蔬菜。所以整个工艺过程厌氧部分反应器的选择和启动方式非常重要。
本文以农村生活污水为研究对象，通过在ABR反应器的格室中增加弹性填料，为反应器中微生物菌群的富集提供场所，作为其活动的载体；另一方面具有延长厌氧污泥的污泥龄的效果，加强生活污水在反应器各格室与厌氧污泥接触，进一步提高反应器的处理效果。本文考察其对生活污水的处理效能，并借助高通量测序技术分析反应器成功启动时同一个格室内悬浮污泥的微生物菌落的变化，为其工程应用提供理论指导和技术参考。
试验在位于江苏省无锡市无锡新区东南大学无锡分校进行。试验的厌氧折流板反应器由PVC制作。外形尺寸：长为1 m，宽为0.25m，高为0.80 m，有效容积为160 L。反应器内装有竖向导流板，将其分割成3个隔室。每个反应室内装有填料，填料为无纺布布条，加工成若干宽为5 cm、长为35 cm的布条。每个隔室的出水处均设有DN10的取样口。反应器下方，由支架撑起，每个反应室的下方装有排泥管和阀门。ABR反应器顶部装有集气口，并和湿式气体流量计相连。反应器结构如图１所示。
本试验用水来自东南大学无锡分校校园生活污水，包括宿舍、餐厅等楼栋的生活污水和雨水组成。污水水质会受到雨天雨水的冲击而波动，试验用水的水质和水量及排放特征与小型分散式生活污水类似。试验所用的接种污泥来自无锡市芦村污水处理厂的二沉池污泥，经培养驯化后使用。试验期间的进水水质如表1所示。
表1 生活污水水质
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项目 |
数值 |
平均值 |
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COD/（mg·L-1） |
183.0~324.5 |
258.4 |
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TN/（mg·L-1） |
22.4~43.5 |
33.8 |
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NH4+-N/（mg·L-1） |
15.4~35.7 |
25.6 |
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TP/（mg·L-1） |
3.4~5.1 |
4.3 |
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pH值 |
6.89~7.23 |
7.06 |
水质分析方法采用《水和废水监测分析方法》，其中COD：重铬酸钾法，NH4+-N：水杨酸盐分光光度法。污泥挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）采用重量法测定，沼气采用湿式防腐气体流量计（长春汽车滤清器有限责任公司）计量。采用高通量测序技术对颗粒污泥中微生物进行分析。
利用高通量对16SDNA 测序是指对环境样品（土壤、海洋、淡水、肠道等）微生物的 16S DNA 的 PCR 产物进行高通量测序，并将得到的测序数据与已有的16S DNA 数据库进行比对分析，从而对环境群落多样性（包括微生物的种类，不同种类间的相对丰度等）进行研究。本试验从ABR的相同隔室下部排泥管取出原始污泥(PS)、启动25 d的污泥厌氧污泥1（AS1）和启动完成的污泥厌氧污泥2（AS2），送往上海生工生物工程股份有限公司进行测序，检测得到细菌相应序列进行后续分析。根据所扩增的 16SDNA 区域特点，基于 Illumina Miseq 技术测序平台，利用双末端测序（Paired-End）的方法，构建小片段文库进行双末端测序。通过分析样品中的微生物多样性，完成标准信息分析和高级信息分析。
试验污泥取自无锡市芦村污水处理厂二沉池回流污泥。取回后，静置几日，弃去上清液。加入COD等营养元素，在容器密封厌氧条件下，放置一周左右。将密封条件下静置一周后的接种污泥，均匀搅拌，并倒入厌氧折流板反应器内。反应器装填无纺布填料，厌氧接种污泥占反应器有效体积的1/3。密封厌氧厌氧反应器，并用蠕动泵通入生活污水（180~330 mg/L）。厌氧折流板反应器具有高效截留污泥的作用，可采用连续流进水的培养方式。启动开始期HRT为72 h，然后逐步缩短水力停留时间至48、24 h。龚浩等[12]采用低负荷方式结合好氧曝气预挂膜填料来启动ABR，在稳定阶段，出水COD值就降到100 mg/L以下，同时去除率到达79.0%，pH值稳定在7.04~7.20。反应器经过70 d的时间启动完成。通过对比发现，本试验ABR经过60多天的培养，厌氧折流板反应器对COD的去除率稳定在66%以上，如表2所示，pH值稳定在7.03~7.23，出水中没有黑色悬浮物质。由此推断，挂膜完成，反应器启动成功。
表2 启动过程参数
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阶段 |
时间 |
HRT |
容积负荷 |
COD平均 |
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/d |
/h |
/(kg·m-3·d-1) |
去除率 |
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启动开始期 |
15 |
72 |
0.13 |
17.4% |
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增加负荷期1 |
15 |
48 |
0.36 |
37.4% |
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增加负荷期2 增加负荷期3 稳定运行期 |
15 10 5 |
24 12 24 |
1.15 2.51 1.34 |
58.8% 64.9% 65.9% |
本试验采用低负荷方式启动，通过调节流量，逐步减少HRT，使进水有机负荷逐渐增加。表2是反应器启动阶段的各项参数，如运行时间、HRT、容积负荷、平均COD去除率。由图2可知， 在启动初期(1~15ｄ)，其平均进水COD为315 mg/L，COD去除率为26％，但是去除率波动很大，原因是原始污泥未能适应新环境而出现部分的污泥水解，从而致使COD去除效果较差。8 d后，反应器的去除率逐渐提高。增加负荷期（21~55 d）：这个阶段分3次提高有机负荷，HRT分别为48、24 h和12 h，运行时间分别为15、15 d和10 d，有机负荷分别在 0.28~0.51、1.1~1.25、2.23~2.91 kg COD/(m3·d)波动，平均COD去除率分别为37.5%、58.8%、64.8%。稳定运行期（56~60 d）：本阶段的有机负荷在1.27~1.42kg COD/(m3·d)波动，COD值最低为95.3 mg/L，去除率最高到达66%。最后稳定运行期，去除率均稳定在65.9%以上，出水COD值在92~105mg/L。
图2 ABR厌氧反应器启动期COD去除效果
本试验ABR进水来自农村生活污水，进水pH值为7.15~7.31，图3为启动期间ABR进出水和各隔室内的pH变化曲线。1#隔室pH值在反应器启动时维持在5.97~6.95，2#隔室在6.05~7.04，3#隔室在6.35~7.02，出水在6.35~7.05，可以看出反应器中各格室都pH维持在厌氧菌群正常范围内，而整个反应器的启动良好。在第一隔室后，大分子有机物发生分解，生成有机酸等中间产物，会使pH下降，反应器中的产甲烷菌会消耗掉一些有机酸，所以反应器的pH随着水流方向呈升高趋势。说明ABR反应器有良好的抗冲击负荷的能力。
图3 启动期间进出水以及各隔室的pH变化情况
图4是进出水和各隔室氨氮变化，可见氨氮浓度在各隔室内逐渐增加，进水氨氮平均浓度为20.4mg/L，出水为26.7 mg/L。厌氧条件下污泥中厌氧氨化菌的作用使得污水中的有机氮化物如蛋白质、氨基酸、尿素等转化为氨氮，直接增加了反应器内氨氮的浓度，在整套污水处理工艺中，在ABR反应器后增加好氧处理工艺，会取得氨氮好的处理效果。
图4 进出水和各隔室氨氮变化
图5是有机负荷及产气量随时间的变化。在启动第一阶段时，反应器的有机负荷较低，只有0.278kg COD/（m3·d）,反应器的产气量在0.6 L/d，这主要是因为在刚启动阶段，反应器格室产甲烷菌属于绝对厌氧细菌，其世代周期较长，对环境较敏感，活性非常弱，因此产气率较低。在第35~50ｄ，每天用气体收集袋收集1 L以上的沼气。图6是启动期间单位COD去除量对应产气量。启动期间，反应器的单位COD去除量对应产气量为0.35~0.56m3/kg COD。第10~60 d，平均为0.466 m3/kg COD。用对聂威等用IC反应器处理蔗渣堆场喷淋废水，去除每千克COD产沼气0.42 m3。M. Mahadevaswamy等用UASB处理造纸废水，启动阶段平均产气量为0.40 L/g COD。相比说明，ABR反应器处理农村生活污水时具有较好的产气率。
图5 启动期间产气量变化情况
图6 启动期间单位COD去除量对应产气量
本试验采用高通量测序技术对反应器相同隔室中的颗粒污泥中微生物进行分析。
由微生物群落多样性 Shannon 指数（图7）可知，好氧污泥微生物种类丰富，而厌氧污泥微生物种类相对稀少。原始污泥的Shannon 指数最高，为 7左右，厌氧污泥2（AS2）Shannon 指数为6，厌氧污泥1（As1）的微生物多样性最低，Shannon 指数为 5.5 左右。原始污泥来自于污水处理厂的二沉池，微生物多样性高，进入反应器后，污泥中不能适应厌氧环境的微生物死亡，微生物多样性大大降低。经过一段时间的驯化后，污泥中微生物越来越多，多样性又上升。
图7 香农指数稀疏分析图
由微生物群落的 PCoA 分析（图8）可知，厌氧污泥1（AS1）与厌氧污泥2（AS2）在PC1水平上分离距离较近，在PC2上分离距离较大，这表明二者的亲缘关系较近。原始污泥（PS）与厌氧污泥1（AS1）、厌氧污泥2（AS2）在 PC1 和 PC2 水平上分离距离均较远，表明原始污泥与二者的亲缘关系较远。所以，ABR启动以后，对原始污泥的微生物的种类起到显著的选择作用。
图8 主坐标分析法（PCoA）
图9为原始污泥（PS）、厌氧污泥1（AS1）、厌氧污泥2(AS2)的微生物各样本在门水平上菌群分布图，综合可知，变形杆菌（proteobacteria）的生物量最丰富，为优势细菌种群。拟杆菌纲(bacteroidetes)、 绿弯菌纲（chloroflexi）的生物量含量比较多。广古菌门（euryarchaeota）、嗜热丝菌门(caldiserica)、螺旋菌门（spirobacteria）的生物量含量较小。
图9 门水平上菌群分布图
原始污泥（PS）的微生物与厌氧污泥1（AS1）相比，变形杆菌（proteobacteria）、拟杆菌纲(bacteroidetes)的生物量减少，绿弯菌纲（chloroflexi）的 生物量增加。广古菌门（euryarchaeota）、嗜热丝菌门(caldiserica)、螺旋菌门（spirobacteria）在原始污泥中含量很低，运行启动后有了较大程度的增长。这表明ABR启动后，原始污泥微生物种类发生显著的变化。广古菌门(euryarchaeota) 包含了古菌中的大多数种类，主要为产甲烷菌、盐杆菌、嗜热菌。广古菌门(euryarchaeota)的数量增多，说明ABR启动后，原始污泥已经渐渐驯化成厌氧污泥了。
厌氧污泥1（AS1）的微生物与厌氧污泥2（AS2）相比，变形杆菌（proteobacteria）、拟杆菌纲(bacteroidetes) 、厚壁菌门(firmicutes)的生物量继续减少，这说明这几种菌不适应厌氧环境，在竞争中处于劣势。绿弯菌纲（chloroflexi）、绿菌门 (chlorobi)的生物量增加。广古菌门 （euryarchaeota）、嗜热丝菌门(caldiserica)、螺旋菌门（spirobacteria）比启动初期时生物量含量稍微减少。
在科水平上，三个样本菌群数量的变化比较大厌氧绳菌科（anaerolineaceae）、肠杆菌科（enterobacteriaceae）、噬几丁质菌科（chitinophagaceae）的生物量相对多。甲基孢囊菌科（methylocystaceae）、黄单胞菌科(xanthomonadaceae)、红环菌科（rhodocyclaceae）、生丝微菌科（hyphomicrobiaceae）的生物量含量较小。随着反应器的启动，厌氧绳菌科（anaerolineaceae）的含量越来越多，其具有降解碳水化合物和细胞物质的重要作用。肠杆菌科（enterobacteriaceae）含量先明显增多后减少。黄杆菌科(flavobacteriaceae)、 莫拉菌科(moraxellaceae)含量越来越少，竞争中处于劣势。
（1）本研究采用高通量测序技术，对启动中厌氧污泥中微生物菌群进行分析，颗粒污泥中门水平上主要优势细菌种群有变形杆菌（proteobacteria）、拟杆菌纲(bacteroidetes) 、绿弯菌纲（chloroflexi）。运行启动后，在污泥中出现广古菌门（euryarchaeota）、嗜热丝菌门(caldiserica)、螺旋菌门（spirobacteria）。运行稳定后，细菌生物量含量会减少。在科水平上，细菌种群变化较大，厌氧绳菌科（anaerolineaceae）、肠杆菌科（enterobacteriaceae）含量较多。厌氧绳菌科主要起降解碳水化合物和细胞物质的作用。
（2）在格室中添加弹性填料的改进型ABR反应器，采用接种污水厂二沉池污泥，静置几日，弃去上清液。加入COD等营养元素，放置一周左右。采用低负荷方式启动，通过调节流量，逐步减少HRT，使进水有机负荷逐渐增加，可在60 d内成功启动处理生活污水。反应器稳定运行时，生活污水进水COD为258.4 mg/L左右，出水COD值在92~105 mg/L，去除率均稳定在65.9%。出水pH值在6.35~7.05，氨氮进水的平均浓度为20.4 mg/L，出水为26.7 mg/L，平均的氨化率为30.9%。启动期间平均产气率为0.466 m3/kgCOD，具有较好的产气量。
（3）PCoA分析显示，原始污泥与厌氧污泥的亲缘关系较远，ABR启动对原始污泥的微生物的种类起到显著的选择作用。由Shannon指数可知，启动成功后，与其他厌氧污泥的微生物菌群多样性较高，有利于降解碳水化合物，为后续的微生物的提供碳源。