微氧EGSBBR產(chǎn)甲烷系統(tǒng)快速啟動與微生物群落特性

葛大令，周鑫，RONEL Rudy Koubode，陰澤陽，張偉

（1 太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，山西晉中030600；2 山西省市政工程研究生教育創(chuàng)新中心，山西晉中030600）

厭氧處理技術是一種經(jīng)濟高效的生物處理方法[1-2]，不僅可以將廢水中的有機物去除，還能回收生物能源（甲烷）[3-5]，被廣泛應用于高濃度有機廢水處理。然而產(chǎn)甲烷菌屬于嚴格厭氧菌，生長速率緩慢且對進水條件和環(huán)境要求苛刻，在產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中同時存在著產(chǎn)甲烷菌、水解產(chǎn)酸細菌、產(chǎn)乙酸細菌競爭互營關系，若運行不當將會抑制產(chǎn)甲烷效能，導致產(chǎn)甲烷啟動時間延長、甚至失敗。近些年，微氧條件強化厭氧消化技術逐漸成為污水處理研究的關注點。在微氧條件下，兼性微生物可以快速將有機物轉化為低分子脂肪酸（乙酸）的中間產(chǎn)物，從而為快速甲烷產(chǎn)生創(chuàng)造有利條件[6-8]。Ruan等[9]研究表明微氧曝氣能夠促進有機物的利用，污泥的甲烷產(chǎn)率提高16.4%，董春娟等[10]和Hussain等[11]研究也證明微氧條件下污泥產(chǎn)甲烷活性要高于嚴格厭氧環(huán)境，而Zitomer 等[12]的研究表明即使是分散狀態(tài)的懸浮污泥，也能為好氧菌與厭氧菌提供共同生長的環(huán)境，且污泥呈現(xiàn)出高的產(chǎn)甲烷活性。低氧條件還具有氧利用率高、曝氣能耗小、剩余污泥產(chǎn)量少、有機物去除率高、抗沖擊負荷能力強，去除難生物降解物質等優(yōu)勢，微氧生物處理技術在產(chǎn)甲烷快速啟動方面具有廣闊的應用前景。然而微氧條件容易造成絲狀菌大量生長，從而導致污泥膨脹與流失問題，增加生物填料的方式可以有效地避免污泥上浮問題，而且還可以提高反應器微生物總量，并為厭氧甲烷菌提供良好的生存微環(huán)境，保證加快反應器產(chǎn)甲烷啟動時間。為此，本文在高效厭氧反應器（EGSB）內結合了生物膜反應器的優(yōu)點，在反應區(qū)的頂部布置固定填料床，形成膨脹顆粒污泥床生物膜反應器（expanded granular sludge blanket biofilm reactor,EGSBBR），在微氧條件下通過工藝控制研究產(chǎn)甲烷工藝啟動和微生物群落特性，為微氧EGSSBR反應器的設計和啟動提供前期基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

EGSBBR 小試裝置如圖1 所示。反應器由有機玻璃制成，整個系統(tǒng)的有效容積約為16L，由主體反應區(qū)（7L，高1.4m，內徑8.0cm）和三相分離器（9L，高0.5m，內徑19.0cm）組成。反應區(qū)包括兩部分，即膨脹顆粒污泥床（底部）和填料床（上部），填充了25%（體積分數(shù)）的聚氨酯（PU）海綿塊（8mm×8mm×8mm）作為載體。分離器位于反應器頂部，以沉淀污泥，分離處理后的廢水并收集氣體。系統(tǒng)出水從固定在分離器上的堰排出，其中一部分出水通過內循環(huán)泵與進水混合重新進入反應器底部。

圖1 EGSBBR裝置示意圖

1.2 接種污泥與試驗用水

接種污泥來源為山西省某污水處理廠，用濃縮池污泥（污泥濃度MLSS：15.76g/L） 和曝氣池（MLSS：7.47g/L）的體積比為2∶1 的混合物接種反應器，接種體積占反應區(qū)的40%。試驗用水為模擬有機廢水，碳源、氮源、磷源分別由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀提供，C∶N∶P質量比為200∶5∶1。進水中還加入1mL 微量元素儲備液，其主要成分 如 下，F(xiàn)eCl3·4H2O （2000mg/L）、CoCl2·6H2O（2000mg/L）、MnCl2·4H2O（500mg/L）、CuCl2·2H2O（30mg/L）、ZnCl2（50mg/L）、H3BO3（50mg/L）、(NH4)6Mo7O24·4H2O（90mg/L）、Na2SeO3（100mg/L）、NiCl2·6H2O （50mg/L）、乙二胺四乙酸（EDTA，1000mg/L）。

1.3 反應器運行條件

反應器為連續(xù)流進水，投加適量稀鹽酸控制進水pH 在7.2 左右，投加碳酸氫鈉控制堿度為400～600mg/L（以碳酸鈣計），通過預充氧方式控制反應器內溶解氧在0.2～0.3mg/L 之間，為了確保中溫條件甲烷生成，整個系統(tǒng)通過溫度控制器加熱控制水溫在（35±1）℃，反應器整體用黑色不透光紙包裹以避光。本文以葡萄糖為唯一碳源，進水化學需氧量（COD）濃度為2000mg/L 不變，通過縮短水力停留時間（HRT）和內回流比以提高進水有機負荷（OLR）以快速完成EGSBBR 反應器產(chǎn)甲烷啟動。根據(jù)不同反應條件共分為3個運行階段，總共運行了48天，各個階段的運行參數(shù)如表1所示。

表1 EGSBBR在不同階段的運行參數(shù)

1.4 分析項目和方法

溫度，pH 和溶解氧（DO）通過便攜式多參數(shù)水質分析儀（WTW Multi 3420，德國）監(jiān)測。每天的出水取樣并使用0.45μm 過濾器過濾，然后立即進行分析。COD 采用快速消解和哈希試劑盒進行快速測定。反應器收集到的氣體通過濕式氣體流量計測量其產(chǎn)氣量。氣相色譜儀型號為東西分析GC-4000A，其中氣體組分測定采用熱導檢測器（TCD），色譜柱型號為OV-101；采用氮氣為載氣，載氣流量為30mL/min，氣化室溫度為100℃，檢測器溫度為100℃，柱箱采用恒溫模式，溫度為100℃。揮發(fā)性脂肪酸（VFA）檢測器為氫火焰檢測器（FID），色譜柱型號為KB-FFAP，采用氮氣為載氣，載氣流量設為25mL/min，氣化室溫度為220℃，檢測器溫度為240℃，柱箱初始溫度為140℃。

污泥胞外聚合物（EPS）分析采用三維熒光光譜掃描（3D-EEM）分析，采用日本島津公司的RF6000 型的熒光分光光度計。實驗參數(shù)設置為：激發(fā)波長（Ex）為200～550nm，步長2nm；發(fā)射波長（Em）為200～550nm，步長5nm，掃描速度為12000nm/min，激發(fā)光帶寬為10nm，發(fā)射光帶寬為10nm，以去離子水的熒光光譜圖為空白樣。

為考察反應器系統(tǒng)內部微生物的群落結構，在試驗第三階段（第41d）于反應器污泥區(qū)和填料區(qū)各取適量污泥和生物膜樣品在-20℃的環(huán)境中保存待測，實驗采用Illumina-MiSeq 高通量測序平臺[生工生物工程(上海)股份有限公司]對反應器微生物基因序列進行測序以分析微生物群落結構。

2 結果與討論

2.1 產(chǎn)甲烷啟動性能

圖2(a)、圖2(b)所示為培養(yǎng)過程中出水COD 濃度、去除率的變化和反應系統(tǒng)產(chǎn)生的主要氣體組分及出水pH 的變化情況。在反應器接種后，為使微生物能盡快適應外部環(huán)境，盡快完成產(chǎn)甲烷啟動，系統(tǒng)采用較長HRT（3天）。第一階段COD去除率很低67.5%，且氣體組分主要是CO2，甲烷的濃度很少。至第一段運行結束，甲烷產(chǎn)氣量僅為60mL/d，甲烷轉化率僅為4.4%。在第二階段（21～33 天），氣體組分中甲烷單日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出十分明顯的增加趨勢，而CO2的單日產(chǎn)氣量則呈逐步下降趨勢，這一階段COD去除率升高到89.7%，這是因為隨著甲烷菌的活性和豐度的增長，有機物降解大量被用于合成甲烷，且系統(tǒng)中存在產(chǎn)生的CO2用于合成甲烷（氫營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌）而被消耗。在此階段，隨著系統(tǒng)產(chǎn)甲烷代謝活動的逐步增強；第三階段COD 去除率進一步提高到94.2%，此時有機負荷達到1.0kgCOD/(m3·d)，且產(chǎn)氣量較第二階段有了較大幅度的增長，該階段甲烷單日產(chǎn)氣量逐步趨于穩(wěn)定并達到峰值，整個運行過程中最大甲烷單日產(chǎn)生量達582mL/d，此時甲烷的體積分數(shù)達75.62%，出水pH也從6.4（第12天）持續(xù)升高至7.6（第33天），主要是由于產(chǎn)甲烷代謝產(chǎn)生堿度所致（是不是可以認為產(chǎn)甲烷已啟動，若是時間是34 天）。圖2(c)展示了運行過程中出水VFA濃度和組分的變化情況。前期（1～11 天）出水VFA 濃度增加與出水COD 濃度相反的變化趨勢證明了系統(tǒng)水解酸化能力的加強，微生物對系統(tǒng)內環(huán)境逐步適應，此時出水pH從6.9逐漸降低至6.3，且由于該階段產(chǎn)甲烷菌的豐度較低，對VFA 的利用能力有限，系統(tǒng)內VFA 逐漸積累造成一定程度的酸化。第二階段開始出水中乙酸濃度占VFA 總濃度的比值總體呈上升趨勢，這與甲烷單日產(chǎn)氣量逐漸增加的趨勢相符，表明系統(tǒng)內乙酸濃度的增加有助于該類型甲烷菌的生長。出水VFA 中丙酸濃度占比整體呈降低趨勢，這可能是因為產(chǎn)甲烷的迅速增殖消耗大量的乙酸，促使丙酸、丁酸等VFA 向乙酸轉化為甲烷菌生長提供能量。出水VFA 濃度與出水COD 濃度的比值總體也呈上升趨勢。圖2(d)反映的是運行各階段污泥濃度的變化和污泥活性指標（MLVSS/MLSS）。接種后污泥濃度較之前有所下降，可能因為微生物尚未徹底適應反應器和水質條件。隨后開始逐步縮短HRT，并調整回流倍數(shù)使反應器內上升流速（僅計算進水流量提供的上升流速）增高，從圖2(d)中可以看到第二、第三階段的MLSS 整體呈上升趨勢，且第三階段的趨勢更為明顯，從9.3g/L 提高到12.325g/L， 污 泥 容 積 指 數(shù)（SVI） 則 下 降 至79.51mL/g，同時污泥在接種后MLSS/MLVSS 從最初的0.561增加到0.644，這表明微氧EGSBBR反應器能夠快速發(fā)生水解酸化并提供產(chǎn)甲烷底物，同時增加污泥濃度、提高污泥生物活性并改善污泥沉降性。

圖2 各階段反應器處理性能

表2 統(tǒng)計了不同反應器甲烷啟動特性相關研究。本文采用EGSBBR反應器在微氧條件下持續(xù)運行了48 天，在系統(tǒng)運行至第二階段結束（第34天），反應器已經(jīng)具備了較高且穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷效果，此時COD去除率為91.5%，產(chǎn)氣中甲烷的體積分數(shù)為66.89%，同時反應器出水VFA濃度、pH等參數(shù)均趨于穩(wěn)定，因此可以認為產(chǎn)甲烷快速啟動已經(jīng)實現(xiàn)。通過與其他類型反應器相比，本文的EGSBBR系統(tǒng)在COD去除率、產(chǎn)甲烷效果和啟動時間等方面均具有顯著優(yōu)勢。

2.2 EPS分析

為研究啟動過程中污泥EPS特性變化，取第Ⅰ階段（第19 天）、第Ⅲ階段（第41 天）污泥提取EPS，分析組分濃度（表3）并進行三維熒光分析（圖3）。圖2(d)中可以看出第Ⅲ階段的污泥濃度較第Ⅰ階段較有了較大的增長，表3數(shù)據(jù)也顯示出第Ⅲ階段S-EPS、LB-EPS和TB-EPS的濃度較第Ⅰ階段到均有一定程度的增長，其中蛋白質的增幅更大，顯然EPS濃度的增大有助于污泥聚集，進而促進生物量和污泥濃度的增長，這與Deng 等[18]的研究結果類似。

由圖3 可知，第Ⅰ階段污泥EPS 提取物中只出 現(xiàn) 了 類 蛋 白A 峰（Ex/Em=200～235nm/285～345nm)、B 峰（Ex/Em=270～300nm/300～350nm），樣品不同層EPS 提取物的熒光峰位置有不同程度的偏移，說明其化學結構及組成成分存在差異；可以發(fā)現(xiàn)第Ⅰ階段S-EPS、LB-EPS 提取物中A 峰的熒光區(qū)域很小，且未掃描出類蛋白B 峰，表明提取物中芳香族、色氨酸等類蛋白物質含量少，這點在表3 中蛋白質濃度上也有體現(xiàn)；培養(yǎng)至第Ⅲ階段，污泥EPS 提取物中類蛋白峰熒光強度顯著增強，還出現(xiàn)了類富里酸D 峰（Ex/Em=250～260nm/415～460nm）、類腐殖酸F 峰（Ex/Em=370～415nm/450～480nm）兩種峰，該階段樣品中S-EBS 和LBEPS 峰的位置相對穩(wěn)定，TB-EPS 峰的位置較前兩種EPS 提取物的激發(fā)和發(fā)射波長均所增大，除此之外S-EPS、LB-EPS 和TB-EPS 的類蛋白類A 峰位置分別由（214nm/285nm）、（218nm/290nm）和（220nm/330nm）移動至224nm/330nm）、（224nm/330nm）和（226nm/345nm），TB-EPS 中B 峰位置由（276nm/345nm）移動至（284nm/350nm），表明兩種類蛋白類物質的激發(fā)和發(fā)射波長均發(fā)生了紅移，這可能是從第Ⅰ至第Ⅲ階段EPS 提取物內如羰基、氨基、羥基、羧基等官能團數(shù)量增加[19]，多糖、蛋白質濃度的顯著提高，說明了第Ⅲ階段污泥更加穩(wěn)定，代謝方式途徑更加豐富，為系統(tǒng)中微生物不同功能菌群之間相互作用提供了良好的環(huán)境。

表2 EGSBBR與其他反應器產(chǎn)甲烷啟動比較

表3 第Ⅰ、Ⅲ階段污泥中EPS中多糖、蛋白質濃度

圖3 第Ⅰ、Ⅲ階段三維熒光光譜圖（S、L、T分別代表S-EPS、LB-EPS和TB-EPS）

2.3 微生物群落分布

2.3.1 微生物多樣性

取接種污泥S0和反應第3個階段（接種培養(yǎng)第41 天）的填料和污泥S1、S2 進行高通量測序。ACE 是表征微生物菌群相對豐度的指數(shù)。S0 的ACE 指 數(shù)為299263，遠高于S1 （19887） 和S2（17319），說明經(jīng)過培養(yǎng)系統(tǒng)內菌群的相對豐度較初始接種污泥有所下降，培養(yǎng)環(huán)境的改變必然會導致一些不適應的菌群被淘汰，而ACE 指數(shù)中S1 較S2 稍大，這說明了生物膜結構較普通形態(tài)污泥能為更多種類的微生物提供合適的生長環(huán)境，因此生物膜相的群落相對豐度較大。Shannon 是用來表征樣品中微生物多樣性的指數(shù)。Shannon 指數(shù)越高，則群落多樣性越高，S0的Shannon指數(shù)為4.92，最低；第Ⅲ階段兩個樣本中S1 的Shannon 指數(shù)為5.38，較S2 的5.19 稍高，這是由于S1 樣品生物膜的結構相對穩(wěn)定，能為不同生長范圍的微生物提供保護，因此更容易保持較高的生物多樣性。該指數(shù)越大表明優(yōu)勢菌群生物量占總生物量的比重越小，反之則優(yōu)勢菌群生物量占總生物量比重越大[20]。接種培養(yǎng)前后生物多樣性的升高使得系統(tǒng)中微生物群落之間的相互關系逐漸趨于復雜，生物類型更加多樣，生物能流途徑更加豐富，抗外界環(huán)境波動能力增強。

2.3.2 微生物群落構成

圖4進一步研究了門、屬水平上的微生物種群構成以分析接種前后的群落結構演替特征。由圖4(a)可知，微生物主要分布為12個門類（豐度大于1%）。其中變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi） 和 糖 化 細 菌 門（Candidatus Saccharibacteria）為主要的優(yōu)勢菌群；其次是擬桿菌門（Bacteroidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）等。這些門類細菌對有機物的降解和厭氧代謝有重要的作用。 通過對3 個樣本中廣古菌門（Euryarchaeota）豐度的比較發(fā)現(xiàn)，接種污泥古菌門極低，占比僅為0.01%，經(jīng)過3 個階段培養(yǎng)，污泥相和填料相的古菌門數(shù)量大幅提高，分別達到4.52%和1.08%，表明本系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢富集。污泥相中古菌門豐度要高于填料相，其原因是由于有機物首先從EGSBBR反應器底部進入反應區(qū)，污泥相率先發(fā)生有機物代謝，隨水流上升有機基質不斷減少，因此污泥相的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量要遠大于填料相。

圖4(b)是在接種前后群落總數(shù)中占比超過1%以上的細菌菌屬，包含18 個菌屬。與接種污泥S0相比，培養(yǎng)第3階段污泥高通量中Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、 Longilinea、 Ornatilinea 和Levilinea 菌屬在生物群落中的占比明顯增大，這與系統(tǒng)表現(xiàn)出越來越強的有機物降解能力分不開聯(lián)系，此類細菌主要以糖和蛋白質為底物厭氧發(fā)酵生長，例如Saccharibacteria_genera_incertae_sedis 能直接將葡萄降解代謝為乙酸等物質，這些微生物代謝的同時也為甲烷菌的生長提供了必要的底物條件；另 外 一 些 Phaeodactylibacter、 Aeromonas、Acinetobacter 等菌屬與接種前相比明顯減少，這可能是因為底物種類及含量的改變使部分菌種被選擇性淘汰。Methanothrix 菌屬在生物群落中的占比明顯增大，而另外一些諸如Phaeodactylibacter、Alkanindiges、Aeromonas 和Acinetobacter 等菌屬與接種前相比明顯減少。

圖4 接種污泥和第Ⅲ階段兩相污泥中微生物群落構成

本文中產(chǎn)甲烷菌（MPB）是產(chǎn)甲烷能否成功實現(xiàn)的關鍵功能菌。MPB 的豐度從接種污泥中的0.01%增長到4.52%（污泥相）和1.08%（填料相），經(jīng)過3 個階段的培養(yǎng)有了顯著的富集。本系統(tǒng)內占絕對優(yōu)勢的產(chǎn)甲烷菌屬為Methanothrix[21]，屬于甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales），主要通過乙酸脫羧途徑產(chǎn)生CH4和CO2[22]，不能利用其他產(chǎn)甲烷基質H2-CO2、甲酸、甲醇等進行甲烷合成，更適合在乙酸底物較高條件生長，這與圖2(c)VFA中乙酸比率升高的結果相吻合。系統(tǒng)內還檢測出了少 量 的 其 他 MPB 如 Methanosarcina[23]、Methanospirillum[24]、Methanosphaerula[25]，它 們 都 通過H2/CO2途徑形成甲烷進行能量代謝。不同產(chǎn)甲烷菌對體系中有害物質或環(huán)境因子的適應能力不同，MPB 中Methanosarcina 和Methanothrix 都屬于甲烷八 疊 球 菌 目 （Methanosarcinales） ， 而Methanospirillum 和Methanosphaerula 屬 于 甲 烷 微 菌目（Methanomicrobiales），顯然甲烷八疊球菌目更能適應反應器環(huán)境。有研究表明[26-27]，在具有高沼氣產(chǎn)率的反應器內，甲烷八疊球菌目占比通常要高于其他產(chǎn)甲烷菌，這與本文結果相符。生物膜相的產(chǎn)甲烷菌的發(fā)現(xiàn)表明EGSBBR中生物載體區(qū)有助于產(chǎn)甲烷菌的附著生長，可以進一步提升污泥床甲烷產(chǎn)率。

3 結論

（1）本文采用微氧EGSBBR為反應器，處理高濃度有機廢水，COD 2000mg/L，通過逐步縮短HRT 和增大反應區(qū)上升流速的方式經(jīng)過34 天實現(xiàn)了產(chǎn)甲烷菌快速富集。

（2）系統(tǒng)的COD最高去除效率達到94.2%，最大甲烷單日產(chǎn)氣量為582mL/d，此時生物氣中甲烷的體積分數(shù)為75.62%。反應器出水VFA 變化、EPS特征均與甲烷生成量具有直接相關性。

（3）培養(yǎng)后污泥的多樣性較接種前有所升高。系統(tǒng)內微生物主要由變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和糖化細菌門為優(yōu)勢門水平，屬水平上，甲烷絲菌屬Methanothrix 占據(jù)絕對的優(yōu)勢，表明系統(tǒng)產(chǎn)甲烷主要是通過乙酸脫羧方式形成。