內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器厭氧顆粒污泥的特性研究

王 英

（湖南有色金屬研究院，湖南 長沙 410100）

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器厭氧顆粒污泥的特性研究

王 英

（湖南有色金屬研究院，湖南 長沙 410100）

厭氧顆粒污泥是厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。試驗(yàn)研究利用了一種改進(jìn)型的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，克服了傳統(tǒng)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜易引起堵塞等缺點(diǎn)，對(duì)厭氧顆粒污泥的特性進(jìn)行研究，研究厭氧顆粒污泥的特性對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。該試驗(yàn)研究是在改進(jìn)型內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)顆粒污泥的粒徑分布、污泥產(chǎn)甲烷活性、DGGE等特性進(jìn)行分析。

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器；厭氧顆粒污泥；特性

印染行業(yè)是工業(yè)廢水排放大戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國印染廢水每天排放量約為3×106～4×106m3，印染廢水的COD可達(dá)到2 000～3 000 mg／L，而且BOD／COD在0.2以下，單純的好氧生物處理難度大、成本高［1］。

厭氧反應(yīng)器是廢水厭氧處理中的關(guān)鍵設(shè)備，關(guān)系到整個(gè)厭氧工藝的處理效果和可行性。本次研究使用了一種改進(jìn)型的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，在原三相分離器的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了合理的改進(jìn)，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，發(fā)揚(yáng)了內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜易引起堵塞等缺點(diǎn)［2］。

厭氧顆粒污泥是厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。厭氧顆粒污泥是一個(gè)復(fù)雜的微生物群落，主要包括細(xì)菌和古細(xì)菌。研究厭氧顆粒污泥的特性對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，由本體部分和氣液分離器組成，如圖1所示，材質(zhì)由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑30 cm，總體積100 L，徑高比約5。

圖1 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 污泥樣品來源

在反應(yīng)器啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，每隔一定時(shí)間從反應(yīng)器中取得污泥樣品，共取得四個(gè)污泥樣品，其中樣品A：用COD為500 mg／L的人工配水持續(xù)8～10 h漂洗后的污泥，即接種污泥；樣品B：反應(yīng)器運(yùn)行40 d后取得，此時(shí)反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷約20 kg COD／m3·d；樣品C：反應(yīng)器運(yùn)行60 d后取得，即反應(yīng)器啟動(dòng)結(jié)束后取得的樣品，此時(shí)反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷為 30 kg COD／m3·d；樣品D：反應(yīng)器運(yùn)行 80 d后取得，即反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)取得的樣品，此時(shí)反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷也為30 kg COD／m3·d。

1.3 污泥粒徑分析

取一定量的污泥，使用篩網(wǎng)截留的方法測定粒徑分布，使污泥按順序通過篩網(wǎng)，篩網(wǎng)孔徑分別為5、4、3、2、1，將篩網(wǎng)所截留的污泥進(jìn)行收集、烘干、稱重處理，然后計(jì)算出不同粒徑范圍污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由此讀出顆粒污泥的粒徑分布（按質(zhì)量計(jì)算的）。

1.4 污泥產(chǎn)甲烷活性

厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性采用史氏發(fā)酵管法測定，根據(jù)測定的最大比產(chǎn)甲烷速率值判斷厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性。

1.5 DGGE分析

1.5.1 總DNA提取

采用滾珠振蕩機(jī)械破碎法提取，提取方法為：將顆粒污泥放入磨砂滾珠離心管內(nèi)，加入CTAB充分振蕩，然后用振蕩破碎儀振蕩處理1 min；振蕩破碎后的樣品，采用溶菌酶蛋白酶K水解，使用Tris－飽和酚抽提與異丙醇沉淀分離取得DNA；再采用DNA純化試劑盒A014進(jìn)行純化。

1.5.2 PCR擴(kuò)增

使用 PE9700型PCR擴(kuò)增儀進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增對(duì)象為16S－rDNA的V2－V3可變區(qū)。細(xì)菌的引物為PRBA8F（5’－AGAGTTTGATCCTGGCTCAG－3’）與PRUN518R（5’－ATTACCGCGGCTGC TGG－3’）；對(duì)于古細(xì)菌，引物為 PARC109F（5’－ACKGCTCAGTAACACGT－3’）與PRUN518R（5’－2 ATTACCGCGGCTGC TGG－3’）；在PRUN518R的5’端加GC卡，提高DGGE分辨效率。

1.5.3 變性梯度凝膠電泳

在Dcode系統(tǒng)上進(jìn)行DGGE分析，聚丙烯酰胺凝膠濃度是8%，細(xì)菌和古細(xì)菌的變性劑濃度范圍是35%～50%，在1×TAE緩沖液中，在120 V電壓下，60℃恒溫電泳5～6 h，電泳后銀染，用GSD 8000成像系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)果觀察，并進(jìn)行照相。用Phoretix1D軟件對(duì)該DGGE圖譜進(jìn)行分析，分析樣品之間的微生物種群相似性，并繪制微生物種群相似性分析圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顆粒污泥的粒徑分布

對(duì)不同時(shí)期取得的顆粒污泥的粒徑分布情況進(jìn)行測定繪圖，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，隨著反應(yīng)器運(yùn)行的進(jìn)行，污泥顆粒的粒徑逐漸變大。樣品A中顆粒污泥的粒徑基本上都小于2 mm，其中粒徑小于1 mm的占到了約65%，而粒徑在2～3 mm之間的僅占了不到10%，未有粒徑大于3 mm的顆粒出現(xiàn)；樣品B中顆粒污泥粒徑小于1 mm約占25%，粒徑在2～3 mm之間的占了約38%，說明污泥顆粒在逐漸變大；樣品C中顆粒污泥粒徑小于1 mm約占18%，粒徑在2～4 mm之間的占了約51%，甚至出現(xiàn)了粒徑大于5 mm的污泥顆粒；相比于樣品C，樣品D粒徑的分布沒有發(fā)生很大的變化，只是小于1 mm的污泥顆粒有所減少至16%左右，這可能有兩個(gè)方面的原因，一是污泥繼續(xù)顆?；兂闪捷^大的污泥，另外可能因?yàn)榉磻?yīng)器在穩(wěn)定運(yùn)行的過程中產(chǎn)生的大量的氣體，在循環(huán)的過程中部分粒徑較小的污泥被沖洗出反應(yīng)器。

圖2 污泥粒徑分布

2.2 污泥產(chǎn)甲烷活性

采用史氏發(fā)酵罐法對(duì)污泥樣品進(jìn)行最大比產(chǎn)甲烷速率測定，以mL／g（VSS·d）計(jì)，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 污泥最大比產(chǎn)甲烷速率

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)器的進(jìn)行污泥產(chǎn)甲烷的活性逐漸增加。接種污泥A產(chǎn)甲烷活性很低不到20 mL／g（VSS·d），樣品C產(chǎn)甲烷活性是302 mL／g（VSS·d），產(chǎn)甲烷活性有了極大增長，這主要是因?yàn)榉磻?yīng)器啟動(dòng)初期污泥顆粒中產(chǎn)甲烷菌很少，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌逐漸適應(yīng)了水質(zhì)，并有了大量的增長；樣品D甲烷活性是307 mL／g（VSS·d），與樣品C相比，增長并不明顯，可能的原因是當(dāng)反應(yīng)器啟動(dòng)結(jié)束以后，污泥顆粒中的微生物適應(yīng)了處理的水質(zhì)，形成了一個(gè)比較合理穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量不會(huì)再出現(xiàn)大量增殖。

2.3 DGGE分析

2.3.1 顆粒污泥中真細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)分析

對(duì)該四個(gè)顆粒污泥樣品同時(shí)進(jìn)行總DNA提取、純化，經(jīng)PCR擴(kuò)增后再進(jìn)行DGGE分析，最終得到污泥樣品真細(xì)菌的DGGE圖譜，如圖4所示，使用Phoretix1D軟件對(duì)該真細(xì)菌的DGGE圖譜進(jìn)行相似性分析，結(jié)果如圖5所示。

圖4 污泥顆粒中細(xì)菌DGGDE圖譜

圖5 污泥顆粒中細(xì)菌相似性分析

一般認(rèn)為，在DGGE圖譜上，每一條帶代表某種特定的微生物，且顏色相比較深的條帶，代表樣品中的優(yōu)勢微生物。因此，從圖4可知，與A接種污泥相比，在反應(yīng)器中運(yùn)行不同時(shí)間后，樣品B、C和D中真細(xì)菌種類和優(yōu)勢菌種均發(fā)生了一定變化，并且樣品C與D的真細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)基本相似；而樣品B與C、D相比又有一定的差異。圖5亦表明類似的結(jié)果，樣品A與B、C和D的真細(xì)菌種群相似性均較低，樣品C與D的真細(xì)菌種群相似性可高達(dá)83%。

2.3.2 顆粒污泥中古細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)分析

對(duì)四個(gè)顆粒污泥樣品同時(shí)進(jìn)行總DNA提取、純化，經(jīng)過PCR擴(kuò)增后再進(jìn)行DGGE分析，最終得到古細(xì)菌的DGGE圖譜，如圖6所示，利用Phoretix1D軟件對(duì)古細(xì)菌的DGGE圖譜進(jìn)行相似性分析，如圖7所示。

圖6 污泥顆粒中古細(xì)菌DGGDE圖譜

圖7 污泥顆粒中古細(xì)菌相似性分析

圖6表明，隨著反應(yīng)器COD負(fù)荷的增加，及運(yùn)行時(shí)間的延長，顆粒污泥中古細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)發(fā)生較為明顯的變化，接種污泥樣品A中各菌種數(shù)量上相對(duì)較為單一，而反應(yīng)器運(yùn)行不同時(shí)間段后的樣品B、C和D中占優(yōu)勢的古細(xì)菌種類漸漸增多，并且古細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)的變化速率由快而慢，樣品A與其它3個(gè)樣品中古細(xì)菌的種類和優(yōu)勢菌種有極大差異，而樣品C與D中古細(xì)菌的種群結(jié)構(gòu)差異較小些。圖7也表明了類似的結(jié)果，樣品之間的相似性分別是58%、66%和71%，呈遞增趨勢。

產(chǎn)甲烷菌屬于典型的古細(xì)菌，古細(xì)菌生長易于受到進(jìn)水成分和COD負(fù)荷等環(huán)境因素的影響，進(jìn)水成分和COD負(fù)荷的差異會(huì)導(dǎo)致古細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)發(fā)生較明顯變化。樣品A接種污泥，取自原印染企業(yè)厭氧消化池，污泥中產(chǎn)甲烷菌較少，產(chǎn)甲烷的活性不高，表現(xiàn)在DGGE圖譜上就是條帶單一，且顏色相對(duì)較淺。隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，污泥逐漸適應(yīng)了處理水質(zhì)，產(chǎn)甲烷菌的種類和數(shù)量都有了不同程度的增長，樣品B的DGGE圖譜上的條帶明顯增多。樣品C和樣品D的DGGE圖譜上的條帶又進(jìn)一步增多，說明污泥中的古細(xì)菌的種類進(jìn)一步增多了，而兩者的DGGE圖譜相似說明C和D污泥中古細(xì)菌的種類相似，啟動(dòng)結(jié)束后，污泥中各種產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。

3 研究結(jié)論

在改進(jìn)型內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行過程中，每隔一定時(shí)間從反應(yīng)器中取得污泥樣品，并對(duì)污泥樣品進(jìn)行顆粒污泥的粒徑分布、污泥產(chǎn)甲烷活性、DGGE等特性分析，得出如下結(jié)論：

1.內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)過程是一個(gè)活性污泥逐漸顆?；倪^程，隨著反應(yīng)器的進(jìn)行，污泥的顆粒逐漸增大，穩(wěn)定運(yùn)行的反應(yīng)器中污泥的粒徑主要分布在2～4 mm之間，并且有大于5 mm的顆粒出現(xiàn)。

2.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，污泥產(chǎn)甲烷的活性逐漸增加，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)污泥顆粒的最高比產(chǎn)甲烷速率可達(dá)307 mL／g（VSS·d）。

3.反應(yīng)器的啟動(dòng)和運(yùn)行過程就是一個(gè)污泥中各種微生物適應(yīng)環(huán)境增值并相互適應(yīng)的一個(gè)過程，運(yùn)行穩(wěn)定的反應(yīng)器，顆粒污泥中微生物的群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，但是古細(xì)菌生長易于受到環(huán)境因素的影響，這也是產(chǎn)甲烷菌比較不穩(wěn)定的原因。

［1］沈榮根.綜合印染廢水厭氧處理的工藝比較［J］.工業(yè)給排水，2008，34（12）：59－61.

［2］吳靜，陸正禹，胡紀(jì)萃，等.新型內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器［J］.中國給排水，2001，10（1）：27－30.

Study on the Characteristics of Anaerobic Granular Sludge by Internal Circulation Anaerobic Reactor

WANG Ying

（Hunan Research Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410100，China）

Anaerobic granular sludge anaerobic reactor is the basis and key to the efficient and stable operation.This paper presents an improved internal circulation anaerobic reactor，to overcome the traditional internal circulation anaerobic reactor complex structure，easy to cause blockage and other shortcomings.To study the characteristics of anaerobic granular sludge，the study on the characteristics of anaerobic granular sludge to the production practice has important guiding significance.This experimental research is circulate in the modified on the basis of the stable operation of anaerobic reactor，particle size distribution of granular sludge，sludge methane-producing activity and DGGE analysis.

internal circulation anaerobic reactor；anaerobic granular sludge；the characteristics

X791

A

1003－5540（2015）04－0068－04

2015－06－08

王英（1981－），女，工程師，注冊(cè)環(huán)評(píng)工程師、注冊(cè)安全工程師，主要從事廢水處理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面工作及研究。