OCC废水容积负荷波动下不同上升流速IC反应器功能菌群落分析周轩宇

环保与综合利用55PaperandPaperMakingVol.33No.2Feb2014基金项目：广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目（No.2012A032300015）；广东省高等学校高层次人才项目。作者简介：周轩宇先生(1988-)，硕士，主要从事造纸废水生物处理技术的研究；E-mail:[e-mail]。内循环厌氧反应器(IC)是在UASB反应器的基础上开发成功的第三代高效厌氧反应器[1],它容易培育出高活性颗粒污泥，适合处理悬浮固体颗粒物含量高和毒性强的造纸工业废水，成为制浆造纸环境保护领域的研究热点。但传统IC厌氧反应器高径比较大，一般达4~8，在工业应用中，高度一般在16~25m[2]，加工与维修难度很高，大大限制了IC反应器在工业上的推广应用。而且较高的上升流速会使传统IC反应器的出水中含有大量的细微颗粒污泥（成熟颗粒污泥前体），加大了后续沉降处理设备的负担。但若降低IC反应器的有效高度，会导致体系内水力条件的改变，这势必会对内循环效果产生不良影响[3]。本研究对传统IC反应器进行了改进，将总高度降低到传统IC反应器的一半左右，使同样的水力停留时间内上升流速降为原反应器的1/2。并在反应器内部设置一套强化内循环的装置（如图1所示），以达到两点回流，增强反应器内部扰动，强化内循环。通过以上两种手段改进使新型IC反应器在高度降低的情况下有尽可能良好的水力条件、气体收集能力及泥水混合能力。本研究采用传统IC反应器（以下简称R1）与自行设计的新型IC反应器(以下简称R2)处理OCC废水，并模拟容积负荷波动的情况。此外基于荧光原位杂交技术(Fluorescenceinsituhybridization,FISH)及其他常规手段分析了在容积负荷波动下两反应器中污泥活性和厌氧体系内有代表性的三大doi:10.13472/j.ppm.2014.02.015OCC废水容积负荷波动下不同上升流速IC反应器功能菌群落分析●周轩宇1，马邕文1, 2，万金泉1, 2，王 艳2，黄明智2(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州 5106402.华南理工大学环境与能源学院，广东广州 510006)摘要：采用传统型IC反应器（R1）与自行设计的新型厌氧反应器（R2）做处理OCC废水平行实验。从3kgCOD·(m3·d)-1、6kgCOD·(m3·d)-1到12kgCOD·(m3·d)-1提高容积负荷，制造容积负荷波动的状态，并基于FISH技术与其他常规手段对两反应器在OCC废水容积负荷波动状态下的功能菌结构变化与处理效能做对比研究。经过45d的运行，R1中的食丁酸盐产氢产乙酸菌相对丰度为（15.00±0.18）%，耗氢产乙酸菌相对丰度为（7.65±0.19）%，产甲烷菌相对丰度为（15.71±0.50）%，污泥比产甲烷活性（SMA）为139.99mLCH4·(d·g)-1，COD去除率为47.70%；R2中的食丁酸盐产氢产乙酸菌相对丰度为（20.76±0.51）%，比R1高38.40%，耗氢产乙酸菌相对丰度为（15.55±0.12）%，比R1高1.03倍，产甲烷菌相对丰度为（60.05±0.53）%，比R1高2.82倍，污泥比产甲烷活性为237.26mLCH4·(d·g)-1，比R1高69.48%，COD去除率为87.20%，比R1高82.81%。证明新型厌氧反应器（R2）对OCC废水的容积负荷波动有着更高的承受能力，其经改进后的结构更有利于厌氧颗粒污泥的培养。关键词：OCC废水；FISH；容积负荷；SMA中图分类号：X793  文献标识码：A  文章编号：1001-6309(2014)02-0055-07图1实验装置示意图环保与综合利用562014年2月第33卷第2期功能菌群（产氢产乙酸菌群、耗氢产乙酸菌群、产甲烷菌群）群落结构的变化，探讨了两反应器中的污泥对容积负荷波动的适应能力，由此来反映两反应器在处理OCC废水时不同的处理效能，为IC反应器在造纸工业中的应用与改进提供理论基础。1 实验部分1.1 实验装置与流程采用传统型IC反应器(R1)与自行设计的新型IC反应器（R2）进行平行实验。整个反应历时45天，水力停留时间（HRT）保持24h不变，以提高进水COD的方式来增加反应器的容积负荷率（VLR），进水COD从3000mg·L-1直接提高到6000mg·L-1、12000mg·L-1，以造成容积负荷从3到6、12kgCOD·(m3·d)-1的波动状态，每个负荷持续15天。1.2 实验用水本实验采用实验室自制的OCC废水作为进水，并按COD:N:P=200:5:1的比例投加一定量的NH4Cl、KHPO4作为营养盐。另添加1/10000配水体积的微量元素母液[4](具体成分见表1)。1.3 接种污泥本实验使用的接种污泥为实验室自行培养的厌氧颗粒污泥。其总固体悬浮物（TSS）为115.2g·L-1，挥发性悬浮物（VSS）为75.9g·L-1，VSS/TSS为0.66；种泥最大比产甲烷速率为184.06mLCH4·(h·g)-1；食丁酸盐产氢产乙酸菌的相对丰度为(33.87±1.21)%，耗氢产乙酸菌相对丰度为（16.37±0.11）%，产甲烷菌相对丰度为（47.72±1.22）%。每个反应器各接种此污泥9L，分别占各反应器总有效容积的1/3。1.4 常规分析方法COD采用XJ-Ⅲ型消解仪测定，最大比产甲烷速率采用史式发酵法[5]测定，VSS和TSS采用标准重量法[5]测定，pH值采用FG2ELK型便携pH计测定，VFA采用滴定法[6]测定。1.5 微生物分析方法FISH1.5.1 FISH探针的选择本实验着重分析厌氧体系内具有重要作用的产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌和产甲烷菌3种代表性厌氧功能菌群。这3种功能菌群均分支众多，研究中对每种功能菌群仅选择较有代表性的1种菌作为研究对象，选用相应的常见探针来表征[7-9]，详细情况见表2。探针用荧光染料TAMRA或FITC在5′与3′端同时标记，采取HPLC级纯化，其合成和标记均由广州瑞真生物技术有限公司完成。1.5.2 FISH实验方法将从反应器取出的各污泥样品经预处理[10]之后在-20℃保存备用。杂交实验前，将样品超声打散，经蛋白酶K消化，溶菌酶处理[11]之后，均匀涂布于事先经多聚赖氨酸包被[12]的载玻片上，46℃热固定2h，后分别经50%、80%、95%、100%乙醇溶液梯度脱水，将1:8（体积比）的探针（5ng·mL-1）与相应杂交缓冲液[13]混合后，滴加在样品上，46℃下在ThermoBrite原位杂交仪中避光杂交2h。杂交后，立即用相应杂交缓冲液洗掉过量的相应探针。最后经DAPI复染[14]，滴加抗荧光淬灭剂封片。在LeicaTCSSP5激光共聚焦显微镜下进行观察并拍照[15]。使用ImageProPlus软件分析结果。采用相对丰度法来表征各功能菌群目标微生物的数量变化，将杂交呈阳性的细胞与同视野下细菌总数（DAPI染色）的比值定为该类微生物的相对丰度，来间接反映某类微生物在生物群落中的数量变化。2 结果与讨论2.1 容积负荷波动对反应器内部环境及处理效能的影响在运行过程中，反应器内的pH值、COD去除率、VFA随容积负荷波动的变化如图2、图3所示。在运行前期，容积负荷一直保持在3kgCOD·(m3·d)-1，两反应器内的微生物代谢体系表现正常，酸化段产生的挥发性有机酸（VFA）被有效降解掉。从图3看出，在容积负荷为表2 实验所选用探针类型探针名称序列（5'到3'）目标微生物荧光染色剂SYNM700ACTGGTRTTCCTCCTGATTTCTASyntrophomonasspp.TAMRAAWGGCTATTCCTTTCCATAGGGAcetobacteriumsp.E.limosumFITCMG1200CGGATAATTCGGGGCATGCTGMethanomicrobialesTAMRA表1 微量元素母液组分组分浓度/(g·L-1)FeSO4·7H2O1.12MnCl2·4H2O0.20NiCl2·6H2O0.02(NH4)6Mo7O24·4H2O3.60CoCl2·6H2O0.80ZnCl20.02CuSO4·5H2O0.018H3BO30.02EDTA0.40环保与综合利用57PaperandPaperMakingVol.33No.2Feb20143kgCOD·(m3·d)-1时，VFA的积累值非常小。两反应器内的颗粒污泥在适宜的基质浓度下稳步生长，随着反应进行，两反应器内的COD去除率都有提高。至第15天，R1的COD去除率达到95.50%，比运行开始时增加了11.70%，R2的COD去除率达到92.50%，增加了10.51%。随后，立即将容积负荷提升至6kgCOD·(m3·d)-1，可以看出，两反应器内的pH值都出现了不同程度的下降，是因为容积负荷的突然提高对厌氧体系造成了冲击，反应器内微生物的代谢体系还未能及时适应新环境，各个阶段的代谢降解性能失衡，酸化段降解有机质产生了大量的VFA，而产甲烷段并没有如此快的VFA降解速率，造成了VFA的积累，pH值随之下降，厌氧体系的失衡导致了整个反应器处理效能的下降，在第24天，R1的COD去除率下降至88.70%，R2的COD去除率下降至85.80%。但由于在运行初期，在反应器内加入了一定量的NaHCO3，体系内有一定的碱度，VFA的积累虽然使反应器内的pH值下降，但一直都在中性范围内，整个厌氧体系内最为重要的产甲烷菌的适宜pH值范围是6.5~7.5[16]，所以此时两反应器内的厌氧体系只是暂时失衡，可以看出，随着反应进行，在第27天，两反应器的COD去除率已经开始上升，说明微生物已经适应了新环境，各阶段的代谢性能开始提升，至第30天，R1中COD去除率已经达到93.90%，R2中COD去除率达到89.90%。随后，立即将容积负荷提高至12kgCOD·(m3·d)-1，此时，R1中的VFA开始大量积累，由于不仅有容积负荷的大幅提高带来的冲击，更有基质浓度的突然大幅提高，R1的厌氧体系已经崩溃，产甲烷菌未能及时地消耗掉大量积累下来的VFA，造成了体系pH值的急剧下降，在第45天，R1中pH值已经达到5.01，反应器开始酸化，产甲烷菌的活性大幅下降，COD去除率亦随之下降至47.70%。而在新型厌氧反应器R2中，情况就好很多，由于R2有着相对较低的上升流速，基质与污泥的接触时间相对较长，给了厌氧颗粒污泥以充足的缓冲时间，虽然在负荷冲击的初期，处理效能也有所下降，但毕竟微生物及时地适应了新环境，没有造成VFA的大量积累，产甲烷菌依然保持着良好的活性，COD去除率没有太大的波动，几乎保持在85%左右，在运行终止时，达到87.20%。综上所述，两反应器在受到3到6kgCOD·(m3·d)-1这样的较良性的容积负荷波动的冲击时内部的厌氧体系处理效能都会有所下降，但毕竟新环境足够温和，微生物可以及时适应新的环境，在一段时间之后，各反应器的处理效能都会恢复，并且由于R1较快的上升流速，对这种温和冲击的适应能力更快，效能恢复得更好。而像6到12kgCOD·(m3·d)-1这种剧烈的容积负荷波动，R2有着更强的承受能力，而R1却根本无法适应，反应器内部的厌氧体系直接出现酸化崩溃的现象。2.2 容积负荷波动下污泥比产甲烷活性（SMA）的变化在运行第15天、30天、45天，分别从R1与R2中准确量取10mL污泥，使用史式发酵法，测定各样品污泥的最大比产甲烷速率（以VSS计），以其来表征污泥的比产甲烷活性。从图4看出，在运行前期，以容积负荷3kgCOD·(m3·d)-1进水15天后，R1中的污泥比产甲烷活性达到262.38mLCH4·(d·g)-1，相比种泥的184.06mLCH4·(d·g)-1)，增长了42.55%；R2达到了249.82mLCH4·(d·g)-1，图2容积负荷波动过程中pH值的变化图3容积负荷波动过程中COD去除率与VFA的变化关系环保与综合利用582014年2月第33卷第2期相比种泥