ABR-MABR耦合工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水的同步啟動(dòng)

陳 晴， 王毅力， 趙 麗， 張盼月

北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京市污染水體源控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083

ABR-MABR耦合工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水的同步啟動(dòng)

陳 晴， 王毅力*， 趙 麗， 張盼月

北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京市污染水體源控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083

為評(píng)價(jià)采用ABR-MABR(厭氧折流板反應(yīng)器-膜曝氣生物膜反應(yīng)器)耦合工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水的可行性，采用模擬畜禽養(yǎng)殖廢水，通過在ABR的厭氧格室接種厭氧顆粒污泥和MABR的好氧格室接種活性污泥，逐步升高進(jìn)水負(fù)荷進(jìn)行反應(yīng)器的同步啟動(dòng)，并通過PCR-DGGE技術(shù)研究了反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu).結(jié)果表明：48 d后反應(yīng)器OLR(有機(jī)負(fù)荷，以CODCr計(jì))達(dá)到5.0 kg(m3·d)，此時(shí)，耦合反應(yīng)器對(duì)CODCr、NH4+-N的去除率分別可達(dá)89%、60%，反應(yīng)器成功啟動(dòng)；成功啟動(dòng)之后反應(yīng)器中厭氧顆粒污泥的濃度在14.0～35.0 gL之間，直徑由1.18～1.58 mm增至1.62～2.37 mm.ABR-MABR中的污泥主要由桿狀菌和少量絲狀菌、球狀菌以及胞外聚合物組成；反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)豐富，厭氧格室中存在優(yōu)勢(shì)的具有產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷功能菌群或反硝化功能的菌群，曝氣格室中存在硝化細(xì)菌〔unculturedNitrospirasp.、unculturedNitrospirasp.(Nitrospirae)〕與反硝化細(xì)菌(Thauerasp.)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了與厭氧消化產(chǎn)甲烷相關(guān)的菌群.研究顯示，采用接種厭氧顆粒污泥與逐步升高進(jìn)水負(fù)荷的方式可以快速實(shí)現(xiàn)ABR-MABR的同步啟動(dòng).

厭氧折流板反應(yīng)器； MABR； 耦合工藝； 畜禽養(yǎng)殖廢水； 同步啟動(dòng)； 污泥

畜禽養(yǎng)殖業(yè)是關(guān)系到我國(guó)國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)，但其所帶來的環(huán)境污染問題也日益突出.研究[1- 4]表明，畜禽養(yǎng)殖污染已成為繼工業(yè)污染、生活污染之后的第三大污染源.根據(jù)全國(guó)污染普查動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染之首，2010年我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)所排放的CODCr、TN和TP分別占農(nóng)業(yè)面源污染的95.78%、37.89%和56.30%[5]；其中畜禽養(yǎng)殖廢水排放的CODCr、NH4+-N相當(dāng)于當(dāng)年工業(yè)源排放量的3.23和2.3倍，占全國(guó)污染物排放總量的45%和25%[2].畜禽養(yǎng)殖廢水具有ρ(CODCr)、ρ(SS)、ρ(NH4+-N)高、水質(zhì)水量變化大、處理難度大的特點(diǎn)[1- 5]，從而成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)工作之一.如何在畜禽養(yǎng)殖廢水處理過程中同時(shí)進(jìn)行有機(jī)物和氨氮的去除，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

通過ABR-MABR(厭氧折流板反應(yīng)器-膜曝氣生物膜反應(yīng)器)耦合工藝可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)反應(yīng)器中的去碳脫氮[6]，因此在畜禽養(yǎng)殖廢水的處理方面具有一定的潛力.ABR-MABR耦合工藝結(jié)合了ABR的高效去除高濃度有機(jī)污染[7- 14]和MABR的同步硝化與反硝化的優(yōu)點(diǎn)[15- 19].有學(xué)者[6，20]采用ABR-MABR耦合工藝處理ρ(CODCr)和ρ(NH4+-N)分別為1 600和80 mgL的原水，其CODCr、TN去除率分別為59.5%、83.5%.盡管如此，有關(guān)ABR-MABR耦合工藝的研究依然不足，其針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水的處理效果與適應(yīng)性的評(píng)價(jià)依然較少.該研究針對(duì)上述情況，擬探討ABR-MABR耦合工藝的同步啟動(dòng)過程及其對(duì)主要污染物的去除效果，初步評(píng)價(jià)采用ABR-MABR耦合工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水的可行性，以期為畜禽養(yǎng)殖廢水的處理提供技術(shù)支持.

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

ABR-MABR耦合工藝的ABR部分包括一個(gè)五格室和一個(gè)四格室的裝置，五格室ABR的長(zhǎng)×寬×高為400 mm×150 mm×450 mm，超高3 mm，有效容積27 L；四格室ABR是在五格室ABR的基礎(chǔ)上將其第1格室、第2格室合并為一個(gè)格室所得.MABR選用13.5 mm×40 mm的PVDF(聚偏氟乙烯)中空纖維膜為曝氣膜，面積為0.017m2，該膜組件分別置于五格室ABR的第3格室和第4格室及四格室ABR的第2格室和第3格室.圖1為五格室ABR-MABR耦合工藝裝置示意，四格室的ABR-MABR耦合工藝裝置示意圖略.

注： 1—ABR；2—PVDF中空纖維膜；3—流量計(jì)；4—曝氣泵.圖1 ABR-MABR耦合工藝裝置示意Fig.1 Schematic diagram of ABR-MABR coupling process

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為模擬畜禽養(yǎng)殖廢水，分別以葡萄糖和NH4Cl為碳源和氮源，通過投加NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度；同時(shí)，進(jìn)水中還投加適量微量元素保證污泥的正常生長(zhǎng)[21- 22].

1.3 ABR-MABR耦合工藝的同步啟動(dòng)

ABR-MABR耦合工藝的同步啟動(dòng)方式為在厭氧格室接種成熟厭氧顆粒污泥、在MABR格室接種活性污泥，然后逐步升高進(jìn)水的OLR(有機(jī)負(fù)荷)和NH4+-N負(fù)荷.其中污泥接種量為格室體積的12，成熟厭氧顆粒污泥的ρ(MLSS)(MLSS為懸浮固體)為142.33 gL，直徑為1.18～1.58 mm；活性污泥的ρ(MLSS)為5.93 gL，直徑為45.00～83.00 μm.

ABR-MABR耦合工藝啟動(dòng)在室溫(約20 ℃)下進(jìn)行，進(jìn)水ρ(CODCr)為2 000 mgL，ρ(NH4+-N)為100 mgL.15 d后，控制反應(yīng)器的溫度為(32±2)℃，繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)CODCr去除率大于80%且保持穩(wěn)定時(shí)，增加約30%的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷和NH4+-N負(fù)荷，然后進(jìn)入下一階段的啟動(dòng).逐步增加進(jìn)水負(fù)荷，直到進(jìn)水ρ(CODCr)升至5 000 mgL、ρ(NH4+-N)升至200 mgL〔對(duì)應(yīng)的OLR為5.0 kg(m3·d)、NH4+-N負(fù)荷為0.2 kg(L·d)〕，出水CODCr去除率大于80%且保持穩(wěn)定時(shí)，則認(rèn)為啟動(dòng)成功.其中，在啟動(dòng)的第25天，耦合工藝出水ρ(CODCr)產(chǎn)生波動(dòng)，通過增加進(jìn)水堿度進(jìn)行穩(wěn)定.

1.4 測(cè)試方法

ρ(CODCr)采用CTL- 12COD快速測(cè)定儀(承德市華通環(huán)保儀器有限公司)測(cè)定；ρ(NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；ρ(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測(cè)定；ρ(NO3--N)采用紫外分光光度法測(cè)定；ρ(DO)采用DO- 958- S溶解氧電極(上海精密科學(xué)儀器有限公司)測(cè)定.

污泥的ρ(MLSS)和ρ(VSS)(VSS為揮發(fā)性懸浮固體)參照標(biāo)準(zhǔn)方法[23]測(cè)定.污泥形貌、尺寸與分形維數(shù)采用圖像統(tǒng)計(jì)法[24]確定.

污泥生物相采用掃描電鏡(Quanta200，F(xiàn)EI，美國(guó))觀察[24]；污泥微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的確定按文獻(xiàn)[22]中程序和方法進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 耦合工藝啟動(dòng)過程中廢水有機(jī)物和氨氮的變化 特征

由圖2(a)(b)可見，該耦合工藝的啟動(dòng)過程共歷時(shí)48 d，兩種ABR-MABR耦合工藝對(duì)CODCr的去除率基本可穩(wěn)定在80%以上，這比已有研究[6，20]采用成熟的厭氧顆粒污泥接種ABR(溫度控制在28 ℃)進(jìn)行同步啟動(dòng)的時(shí)間短了26 d.啟動(dòng)完成后，五格室和四格室ABR-MABR耦合工藝進(jìn)水的ρ(CODCr)為5 000 mgL〔OLR為5.0 kg(m3·d)〕，CODCr去除率分別為89.57%和89.14%.由圖2(c)(d)可見，在啟動(dòng)前3 d，2個(gè)工藝裝置對(duì)NH4+-N的去除率較低，這主要是由于MABR格室的ρ(DO)(為0.3 mgL)不足所致.從第5天起調(diào)節(jié)五格室ABR-MABR耦合工藝中MABR格室的曝氣量，控制ρ(DO)為1.00～4.00 mgL，NH4+-N去除率(4～31 d)逐漸升至60%以上.在第34天后調(diào)節(jié)四格室ABR-MABR耦合工藝中MABR格室的曝氣量與五格室ABR-MABR耦合工藝接近，出水中ρ(NH4+-N)迅速下降并趨于穩(wěn)定.當(dāng)進(jìn)水中ρ(NH4+-N)升至200.00 mgL〔NH4+-N負(fù)荷為0.2 kg(L·d)〕時(shí)，兩種ABR-MABR耦合工藝在該階段對(duì)NH4+-N的去除率保持在60%以上.綜上，采用成熟的厭氧顆粒污泥可以完成同步啟動(dòng)ABR-MABR耦合工藝的目的，這與胡紹偉等[20]的研究結(jié)果一致.

圖2 ABR-MABR耦合工藝裝置啟動(dòng)過程對(duì)CODCr、NH4+-N的去除效果Fig.2 Variation of CODCr， NH4+-N and their removal efficiencies during ABR-MABR start-up

由表1可見，MABR格室中的ρ(DO)保持在2.40～2.90 mgL之間，ρ(NO2--N)較高；總體而言，ABR-MABR耦合工藝對(duì)TN(以3種形態(tài)N的濃度計(jì))的去除率在50%左右.此外，出水中的ρ(NH4+-N)

較第2個(gè)曝氣格室略有升高，這是因?yàn)楫惢疦O3--N還原反應(yīng)的混合菌群在厭氧條件下具有很大優(yōu)勢(shì)[25- 26]，能夠在最后的厭氧格室將NO2--N通過異化作用還原為NH4+-N.

表1 曝氣格室及出水水質(zhì)

綜上，ABR-MABR耦合工藝對(duì)有機(jī)物可以達(dá)到較好的去除效果，但對(duì)NH4+-N和TN的去除效果尚不夠理想.由表1可見，在MABR格室中，廢水中ρ(CODCr)∶ρ(TN)在5∶1左右，但相對(duì)于出水中的ρ(CODCr)，MABR格室中反硝化過程消耗的CODCr較少，說明這些格室中膜表面的反硝化過程存在碳源不足的問題[27]，尤其在四格室ABR-MABR耦合工藝的第3格室及五格室ABR-MABR耦合工藝的第4格室中更嚴(yán)重.這也是ABR-MABR耦合工藝在脫氮能力方面的不足，如何保證MABR格室中反硝化過程需要的碳源是該工藝成功的關(guān)鍵.此外，從去除有機(jī)物的效果看，五格室ABR-MABR耦合工藝稍好于四格室ABR-MABR耦合工藝，但后者NH4+-N的去除效果稍好.如1.1節(jié)所述，兩種耦合工藝的總?cè)莘e一定，四格室ABR-MABR耦合工藝的第1格室容積較大，可緩沖較高OLR和NH4+-N負(fù)荷的沖擊[11]，但厭氧格室數(shù)量增加有利于有機(jī)物的去除，至于NH4+-N的去除效果的差異與MABR格室的營(yíng)養(yǎng)組分的比例和環(huán)境條件有關(guān).

2.2 ABR-MABR耦合工藝中成熟厭氧顆粒污泥的特征

由圖3可見，厭氧顆粒污泥呈不規(guī)則的顆粒形態(tài)，這與文獻(xiàn)[6，10- 11]的研究結(jié)果一致；由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分布不均，接受到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較多的第1格室顆粒污泥粒徑增長(zhǎng)最快，而在接受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少的最后一個(gè)格室中，顆粒污泥粒徑的增長(zhǎng)速率已降低.

圖3 ABR-MABR耦合工藝裝置中成熟厭氧顆粒污泥的形貌特征Fig.3 Morphology of mature anaerobic granular sludge in ABR-MABR compartments

由表2可見，四格室ABR-MABR耦合工藝的第1格室中ρ(MLSS)為32.3 gL，ρ(MLVSS)ρ(MLSS)為67.5%，表明該厭氧顆粒污泥的有機(jī)組分含量較高；而第4格室中的ρ(MLSS)及ρ(MLVSS)ρ(MLSS)明顯降低.五格室ABR-MABR耦合工藝的前2個(gè)格室的ρ(MLSS)較高，也達(dá)到30 gL左右，且ρ(MLVSS)ρ(MLSS)都在50%左右，而第5格室進(jìn)水中有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，污泥的ρ(MLVSS)ρ(MLSS)明顯降低.與姜瀟[9]的研究結(jié)果相比，該研究厭氧格室中顆粒污泥的ρ(MLSS)較高，并且其中四格室耦合工藝裝置第1格室中顆粒污泥的ρ(MLVSS)ρ(MLSS)較高.

ABR-MABR耦合工藝中采用的接種厭氧顆粒污泥直徑在1.18～1.58 mm之間，隨著ABR-MABR耦合工藝的成功啟動(dòng)，厭氧顆粒污泥的粒徑呈不同程度的增長(zhǎng).其中，四格室ABR-MABR耦合工藝的成熟厭氧顆粒污泥d50(中位直徑)均達(dá)到2.0 mm以上；五格室ABR-MABR耦合工藝第1格室顆粒污泥的粒徑增長(zhǎng)最快，成熟厭氧污泥的d50達(dá)到2.37 mm，第2格室次之，第5格室接觸的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少，顆粒污泥的粒徑增長(zhǎng)非常緩慢，成熟污泥的d50僅為1.62 mm.總體而言，ABR-MABR耦合工藝各格室成熟顆粒污泥的尺寸與文獻(xiàn)[9- 11]的結(jié)果接近.污泥的D2(二維分形維數(shù))可表示其致密程度，ABR-MABR耦合工藝啟動(dòng)成功后，厭氧顆粒污泥的D2范圍為1.75～1.89，與接種污泥的D2(1.88)及姜瀟[9]的研究結(jié)果較為接近，說明ABR-MABR耦合工藝中厭氧顆粒污泥致密程度變化不大.

表2 ABR-MABR中成熟厭氧顆粒污泥的中位直徑和分形維數(shù)變化

2.3 污泥的生物相與分子生物學(xué)特征2.3.1 厭氧顆粒污泥的生物相特征

由圖4可見，五格室耦合工藝裝置中前2個(gè)厭氧格室顆粒污泥結(jié)構(gòu)較為致密，主要由桿狀菌以及胞外聚合物組成構(gòu)成，并有少量球狀菌散布在厭氧顆粒污泥表面，其中第2格室厭氧顆粒污泥表面的絲狀菌分布較多；第5格室中厭氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)比較疏松，含有大量絲狀菌、桿狀菌和胞外聚合物.厭氧格室的生物相特征與文獻(xiàn)[9，11，25]的研究結(jié)果接近，優(yōu)勢(shì)菌沿格室由桿菌向絲狀菌轉(zhuǎn)變.第3格室和第4格室污泥表面除包含桿狀菌和球狀菌外，還有大量的絲狀菌存在，第4格室的污泥更為疏松.

圖4 五格室合工藝裝置中不同厭氧格室中顆粒污泥的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of sludge granules in ABR-MABR with 5 compartments

2.3.2 污泥的分子生物學(xué)特征

由圖5可見，ABR-MABR耦合工藝中的微生物種類非常豐富(超過70種)，根據(jù)電泳條帶數(shù)目及每個(gè)條帶的強(qiáng)度(灰度)計(jì)算樣本間相似度，繪制樣本聚類樹見圖6.

由圖6可見，ABR-MABR耦合工藝裝置中污泥樣品中細(xì)菌的16S rDNA-PCR產(chǎn)物水平DGGE圖譜總體可以分為3類.四格室ABR-MABR耦合工藝中第2格室和第3格室是膜曝氣格室，這2個(gè)格室的微生物群落結(jié)構(gòu)基本相同，其中第2格室中微生物含量更高.五格室ABR-MABR耦合工藝中第2格室與四格室耦合工藝裝置中第1格室的距離最短，這2個(gè)格室均為厭氧格室，可以聚在一起，說明這2個(gè)格室中微生物群落結(jié)構(gòu)比較接近；五格室ABR-MABR耦合工藝中第4格室與四格室ABR-MABR耦合工藝中第4格室的距離最短，盡管這2個(gè)格室分別為好氧、厭氧格室，但圖6顯示二者可以聚在一起，說明這2個(gè)格室微生物群落結(jié)構(gòu)的相似性較高，這可能是由于2個(gè)格室相近的處理效果和營(yíng)養(yǎng)組分所致；盡管五格室ABR-MABR耦合工藝中第3格室和第4格室是膜曝

注： 1—四格室ABR-MABR耦合工藝第1格室；2—四格室ABR-MABR耦合工藝第2格室；3—四格室ABR-MABR耦合工藝第3格室；4—四格室ABR-MABR耦合工藝第4格室；5—五格室ABR-MABR耦合工藝第1格室；6—五格室ABR-MABR耦合工藝第2格室；7—五格室ABR-MABR耦合工藝第3格室；8—五格室ABR-MABR耦合工藝第4格室；9—五格室ABR-MABR耦合工藝第5格室.圖5 ABR-MABR中污泥樣品中細(xì)菌的16S rDNA-PCR產(chǎn)物水平DGGE圖譜Fig.5 DGGE analysis of PCR-amplified 16S rRNA gene fragments of bacteria in sludge of ABR-MABR

圖6 ABR-MABR中污泥樣品中細(xì)菌的16S rDNA-PCR產(chǎn)物水平DGGE圖譜的聚類分析Fig.6 Cluster analysis of PCR-amplified 16S rRNA gene fragments of bacteria in sludge of ABR-MABR based on the similarity coefficient

氣格室，但這2個(gè)格室的污泥樣品中細(xì)菌的16S rDNA-PCR產(chǎn)物水平DGGE圖譜未聚在一起，第3格室出現(xiàn)的序列5、7和13在第4格室中沒有出現(xiàn).此外，五格室ABR-MABR耦合工藝中第1格室、第2格室、第5格室是厭氧環(huán)境，其中的微生物群落結(jié)構(gòu)不盡相同，第1格室中微生物種類更豐富，含量更多.綜上，廢水中營(yíng)養(yǎng)組分的含量和體系的ρ(DO)對(duì)ABR-MABR耦合工藝各格室中微生物群落的分布有著重要的影響，并且營(yíng)養(yǎng)組分的含量的影響更大.

鑒于圖5中的條帶數(shù)量過多，根據(jù)條帶出現(xiàn)的頻率和顏色的深淺選取有代表性的條帶進(jìn)行測(cè)序分析，確定了ABR-MABR耦合工藝裝置各格室污泥樣品的DGGE條帶16S rRNA基因序列.

四格室ABR-MABR耦合工藝第1格室的污泥中主要包含厭氧菌，如Propioniciclavatarda、unculturedClostridiumsp.[6，28]與產(chǎn)甲烷或產(chǎn)氫功能相關(guān)，Aminomonaspaucivorans具有利用氨基酸的功能.第2格室、第3格室中發(fā)現(xiàn)了硝化細(xì)菌[6，29- 32]〔unculturedNitrospirasp.、unculturedNitrospirasp.(Nitrospirae)〕與反硝化細(xì)菌(Thauerasp.)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了與厭氧消化產(chǎn)甲烷相關(guān)的菌群(如unculturedSyntrophorhabdussp.等)；而且在第3格室中未經(jīng)培養(yǎng)的細(xì)菌(uncultured bacterium)的豐度最高，它們的具體屬種及其理化性質(zhì)不能確定.第4格室中同時(shí)存在與產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷功能相關(guān)的細(xì)菌(unculturedClostridiumsp.、Mesotogainfera、unculturedAnaerolineaceaebacterium)和硝化與反硝化細(xì)菌[6，29- 32](unculturedNitrospirasp.(Nitrospirae)、unculturedNitrospirasp.、Thauerasp.、Hydrogenophagataeniospiralis).

五格室ABR-MABR耦合工藝第1、2格室的污泥中主要包含厭氧菌，其中unculturedBacteroidetesbacterium、unculturedSmithellasp.、unculturedProteobacterium、unculturedClostridiumsp.、Mesotogainfera、Syntrophorhabdussp.與產(chǎn)甲烷或產(chǎn)氫功能相關(guān)，unculturedDechloromonassp.具有反硝化聚磷功能，Thauerasp.具有降解芳香族化合物和反硝化功能.此外，在這2個(gè)格室中也發(fā)現(xiàn)了可利用氨基酸的Aminomonaspaucivorans.第3格室、第4格室中未發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌的基因序列，但存在反硝化細(xì)菌的基因序列，如Hydrogenophagataeniospiralis、Thauerasp.、Hydrogenophagataeniospiralis、unculturedDechloromonassp.；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷功能相關(guān)的細(xì)菌(unculturedClostridiumsp.[6，28]、Mesotogainfera、Propioniciclavatarda、unculturedProteobacterium、unculturedAnaerolineaceaebacterium)；在第4格室發(fā)現(xiàn)了一種古菌(uncultured crenarchaeote clone).與四格室ABR-MABR耦合工藝的第2格室、第3格室相比，五格室ABR-MABR耦合工藝第3格室、第4格室中未發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌的基因序列表明硝化反應(yīng)不顯著，從而可能導(dǎo)致該裝置脫氮效果稍低，這與表1的結(jié)果一致.在第5格室中發(fā)現(xiàn)的具有產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷功能的細(xì)菌包括unculturedClostridiumsp.、Propioniciclavatarda、unculturedBacteroidetesbacterium、uncultured proteobacterium等；硝化細(xì)菌[6，29- 32]〔(unculturedNitrospirasp.、unculturedNitrospirasp.(Nitrospirae)〕與反硝化細(xì)菌(Thauerasp.)出現(xiàn)在該格室的污泥中；古菌uncultured crenarchaeote clone也有出現(xiàn).

兩種ABR-MABR耦合工藝中微生物多樣性共同的菌種包括產(chǎn)甲烷或產(chǎn)氫功能菌unculturedClostridiumsp.，可利用氨基酸的功能菌Aminomonaspaucivorans，硝化細(xì)菌unculturedNitrospirasp.、unculturedNitrospirasp.(Nitrospirae)以及反硝化細(xì)菌Thauerasp..

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，兩種ABR-MABR耦合工藝前端的厭氧格室中包含與產(chǎn)甲烷或產(chǎn)氫功能相關(guān)的厭氧細(xì)菌，而膜曝氣格室既包含與脫氮相關(guān)的細(xì)菌，也存在與厭氧消化產(chǎn)甲烷相關(guān)的菌群，這說明膜曝氣格室存在好氧、兼氧或厭氧的環(huán)境，適合這些微生物的生長(zhǎng).

3 結(jié)論

a) 針對(duì)模擬畜禽養(yǎng)殖廢水的處理，通過接種厭氧顆粒污泥和逐步提升負(fù)荷的方式可以在48d內(nèi)完成ABR-MABR耦合工藝的同步啟動(dòng).啟動(dòng)成功后ABR-MABR耦合工藝OLR可達(dá)5.0 kg(m3·d)，CODCr平均去除率可達(dá)89%；進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷為0.2 kg(L·d)，NH4+-N去除率可達(dá)60%以上.強(qiáng)化ABR-MABR耦合工藝的脫氮效果需要進(jìn)一步研究.

b) 成功啟動(dòng)之后耦合工藝裝置中ρ(MLSS)在14.0～35.0 gL之間，厭氧顆粒污泥的d50由1.18～1.58 mm增至1.62～2.37 mm，接觸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多的格室污泥活性越好、顆粒污泥增長(zhǎng)越快.厭氧格室污泥結(jié)構(gòu)致密，曝氣格室以及出水格室中污泥結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松.

c) ABR-MABR耦合工藝裝置中污泥主要由桿狀菌和少量絲狀菌、球狀菌以及胞外聚合物組成，其微生物群落結(jié)構(gòu)豐富.厭氧格室中優(yōu)勢(shì)菌種為與產(chǎn)甲烷或產(chǎn)氫功能相關(guān)的厭氧細(xì)菌.在膜曝氣格室中存在好氧、兼氧或厭氧環(huán)境，適合不同的微生物生長(zhǎng)，其中包括硝化細(xì)菌〔unculturedNitrospirasp.、unculturedNitrospirasp.(Nitrospirae)〕、反硝化細(xì)菌(Thauerasp.)以及與厭氧消化產(chǎn)甲烷相關(guān)的菌群(unculturedClostridiumsp.、Mesotogainfera、Propioniciclavatarda、unculturedProteobacterium、unculturedAnaerolineaceaebacterium).

[1] 賈晗，吳若菁，黃婧，等.生物法處理畜禽養(yǎng)殖污水的研究現(xiàn)狀與展望[J].水處理技術(shù)，2008，34(7)：7- 11. JIA Han，WU Ruojing，HUANG Jing，etal.Review and forecast on biology treatment technology of intensive livestock wastewater[J].Technology of Water Treatment，2008，34(7)：7- 11.

[2] 孟祥海.中國(guó)畜牧業(yè)環(huán)境污染防治問題研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014：2.

[3] 苗瑩，沈志強(qiáng)，周岳溪，等.功能分區(qū)型人工濕地處理養(yǎng)殖廢水厭氧硝化液的性質(zhì)[J].環(huán)境科學(xué)研究，2016，29(7)：1075- 1082. MIAO Ying，SHEN Zhiqiang，ZHOU Yuexi，etal.Performance of a functional zoning constructed wetland for the treatment of digested swine wastewater[J].Research of Environmental Sciences，2016，29(7)：1075- 1082.

[4] 萬莉，鄒義龍，弓曉峰，等.電增強(qiáng)零價(jià)鐵強(qiáng)化厭氧氨氧化處理高氮養(yǎng)豬廢水[J].環(huán)境科學(xué)研究，2015，28(8)：1302- 1310. WAN Li，ZOU Yilong，GONG Xiaofeng，etal.Electrical field and zero-valent iron-enhanced anaerobic ammonium oxidation for the treatment of high-nitrogen swine wastewater[J].Research of Environmental Sciences，2015，28(8)：1302- 1310.

[5] 王亮，陳重軍，陳英旭，等.規(guī)?；i場(chǎng)養(yǎng)殖廢水UASB-SFSBR-MAP處理工藝中試研究[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34(3)：979- 985. WANG Liang，CHEN Chongjun，CHEN Yingxu，etal.Effect of pilot UASB-SFSBR-MAP process for the large scale swine wastewater treatment[J].Environmental Science，2013，34(3)：979- 985.

[6] 胡紹偉.厭氧折流板反應(yīng)器與膜曝氣生物膜反應(yīng)器的耦合作用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008：1- 29.

[7] BARBER W P，STUCKEY D C.The use of the anaerobic baffled reactor (ABR) for wastewater treatment：a review[J].Water Research，1999，33(7)：1559- 1578.

[8] 姜詩慧，彭劍鋒，宋永會(huì)，等.電輔助對(duì)厭氧折流板反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2015，28(10)：1610- 1616. JIANG Shihui，PENG Jianfeng，SONG Yonghui，etal.Effects of electric-assiston treatment of high-strength organic wastewater in anaerobic baffled reactor[J].Research of Environmental Sciences，2015，28(10)：1610- 1616.

[9] 姜瀟.折流板厭氧反應(yīng)器(ABR)啟動(dòng)過程中顆粒污泥的分形特征研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2008：1- 30.

[10] 沈耀良，王寶貞.廢水生物處理新技術(shù)：理論與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1999：47- 75.

[11] 王建龍.生物固定化技術(shù)與水污染控制[M].北京：科學(xué)出版社，2002：158- 190.

[12] JI G D，SUN T H，NI J R，etal.Anaerobic baffled reactor(ABR)for treating heavy oil produced water with high concentrations of salt and poor nutrient[J].Bioresource Technology，2009，100(3)：1108- 1114.

[13] UYANIK S，SALLIS P J，ANDERSON G K.The effect of polymer addition on granulation in an anaerobic baffled reactor(ABR).Part Ⅰ：process performance[J].Water Research，2002，36(4)：933- 943.

[14] ZHANG D，LI J，GUO P，etal.Dynamic transition of microbial communities in response to acidification in fixed-bed anaerobic baffled reactors(FABR)of two different flow directions[J].Bioresource Technology，2011，102(7)：4703- 4711.

[15] CASEY E，GLENNOM B，HAMERG.Review of membrane aerated biofilm reactors[J].Resources，Conservation and Recycling，1999，27：203- 215.

[16] LAPARAT M，COLE A C，SHANAHAN J W，etal.The effects of organic carbon，ammoniacal-nitrogen，and oxygen partial pressure on the stratification of membrane-aerated biofilms[J].Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology，2006，33(4)：315- 323.

[17] SATOH H，ONO H，RULIN B，etal.Macroscale and microscale analyses of nitrification and denitrification in biofilms attached on membrane aerated biofilm reactors[J].Water Research，2004，38(6)：1633- 1641.

[18] CASEY E，GLENNON B，HAMER G.Biofilm development in a membrane-aerated biofilm reactor：effect of flow velocity on performance[J].Biotechnology and Bioengineering，2000，67(4)：476- 86.

[19] COLE A C，SEMMENS M J，LAPARA T M.Stratification of activity and bacterial community structure in biofilms grown on membranes transferring oxygen[J].Applied and Environmental Microbiology，2004，70(4)：1982- 1989.

[20] 胡紹偉，徐小連，楊春雨，等.厭氧折流板反應(yīng)器與膜曝氣生物膜反應(yīng)器耦合作用的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2010，31(3)：697- 702. HU Shaowei，XU Xiaolian，YANG Chunyu，etal.Coupling anaerobic baffled reactor and membrane-aerated biofilm reactor[J].Environmental Science，2010，31(3)：697- 702.

[21] KUSCU? S，SPONZAD T.Performance of anaerobic baffled reactor(ABR)treating synthetic wastewater containingp-nitrophenol[J].Enzyme & Microbial Technology，2005，36(7)：888- 895.

[22] 陳晴.ABR-MABR耦合工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2015：10- 17.

[23] APHA.Standard methods for the examination of water and wastewater[M].21st ed.Washington DC：APHA，2005：214- 227.

[24] 馮晶.ABR-人工濕地分散處理鄉(xiāng)村生活污水的控制因子的強(qiáng)化研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2014：33- 47.

[25] 邢德峰，任南琪，李建政.熒光原位雜交在環(huán)境微生物學(xué)中的應(yīng)用及進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)研究，2003，16(3)：55- 58. XING Defeng，REN Nanqi，LI Jianzheng.Application and progress of fluorescence in situ hybridization(FISH) in environmental microbiology[J].Research of Environmental Sciences，2003，16(3)：55- 58.

[26] 錢鋒，曾萍，宋晨，等.養(yǎng)豬廢水的吸附-過濾法初級(jí)處理試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，8(6)：60- 64. QIAN Feng，ZENG Ping，SONG Chen，etal.Study on the way of pre-treating swine wastewater with the adsorption-filtration method[J].Journal of Safety and Environment，2008，8(6)：60- 64.

[27] 鄭平，徐向陽，胡寶蘭.新型生物脫氮理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004：55- 75.

[28] 任南琪，王愛杰.厭氧生物技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：25- 28.

[29] HEADI M，HIOMS D，EMBLEY T M，etal.The phylogeny of autotrophic ammonia oxidizing bacteria as determined by analysis of 16S ribosomal RNA gene sequences[J].Journal of Genetic Microbiology，1993，139(6)：1147- 1153.

[30] CHEN G H，WONG M T，OKABES，etal.Dynamic response of nitrifying activated sludge batch culture to increased chloride concentration[J].Water Research，2003，37(13)：3125- 3135.

[31] BOTHE H，JOST G，SCHLOTER M，etal.Molecular analysis of ammonia oxidation and denitrification in natural environments[J].FEMS Microbiology Reviews，2000，24(5)：673- 690.

[32] LOGEMANN S，SCHANTL J，BIJVANK S，etal.Molecular microbial diversity in a nitrifying reactor system without sludge retention[J].FEMS Microbiology Ecology，1998，27(3)：239- 249.

Synchronous Start-Up of Anaerobic Baffled Reactor-Membrane Biofilm Bioreactor (ABR-MABR)Coupling Process Treating Synthetic Livestock and Poultry Wastewater

CHEN Qing， WANG Yili*， ZHAO Li， ZHANG Panyue

College of Environmental Science and Engineering， Beijing Key Laboratory for Source Control Technology of Water Pollution，Beijing Forestry University， Beijing 100083， China

To evaluate the feasibility of treating synthetic livestock wastewater by the coupling biological process of anaerobic baffled reactor (ABR) and membrane biofilm bioreactor (MABR)，mature anaerobic granular and activated sludges were employed as the seed sludge for ABR and MABR compartments， respectively. The microbial community structure in ABR-MABR compartments was analyzed by PCR-DGGE. The results showed that the duration of start-up time lasted 48 days until the OLR reached 5.0 kg(m3·d)(measured as CODCr) as the organic loading rate (OLR) increased gradually. After start-up， the average removal rates of CODCrand NH4+-N for ABR-MABR treating synthetic livestock and poultry wastewater reached 89% and 60%， respectively. The MLSS values of anaerobic granular sludge in ABR compartments ranged from 14.0 to 35.0 gL， and their median diameters increased from 1.18-1.58 mm of seed sludge to 1.62-2.37 mm. Moreover， sludge in ABR-MABR compartments consisted of bacillus， filamentous fungus， sphaerophorus and extracellular polymeric substance (EPS). Moreover， hydrogenogens and methanogensor denitrifying bacteria were predominant in anaerobic compartments of ABR-MABR. Nitrobacteria，such as unculturedNitrospirasp.， unculturedNitrospirasp.(Nitrospirae)and denitrifying bacteria likeThauerasp. were also observed in MABR compartments， and anaerobic bacteria such as hydrogenogens and methanogens also appeared. The study indicated that the quick and synchronous start-up of ABR-MABR could be achieved by inoculating mature anaerobic granular sludge and gradually increasing OLR.

anaerobic baffled reactor； membrane aeration biological membrane； coupling process；livestock and poultry wastewater； synchronous start-up； sludge

2016- 05- 12

2016- 09- 29

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07202- 010，2012ZX07105- 002- 03)

陳晴(1989-)，女，江蘇徐州人，chxyj@qq.com.

*責(zé)任作者，王毅力(1972-)，男，陜西乾縣人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事環(huán)境水質(zhì)學(xué)、環(huán)境污染防治技術(shù)研究，wangyilimail@126.com

X5

1001- 6929(2017)02- 0298- 08

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.01.23

陳晴，王毅力，趙麗，等.ABR-MABR耦合工藝處理畜禽養(yǎng)殖廢水的同步啟動(dòng)[J].環(huán)境科學(xué)研究，2017，30(2)：298- 305.

CHEN Qing，WANG Yili，ZHAO Li，etal.Synchronous start-up of anaerobic baffled reactor-membrane biofilm bioreactor (ABR-MABR)coupling process treating synthetic livestock and poultry wastewater[J].Research of Environmental Sciences，2017，30(2)：298- 305.