1 引言(Introduction)

近年来, 随着农村经济的发展和居民生活水平的提高, 农村污水的产生量逐年增加, 然而大部分地区农村污水处理设施的建设仍较为滞后(杨春等, 2017; Han et al., 2019).与好氧生物技术相比, 厌氧生物技术处理农村污水具有能耗低、可回收能源和污泥产生量小等特点, 因而在实际中得到一定应用(Liu et al., 2020).厌氧折流板反应器(ABR)是一种常用的农村污水厌氧处理技术, 然而, 在处理实际低浓度农村污水时往往存在处理效果受限、水力停留时间长和占地面积大等问题(Feng et al., 2008; 王启镔等, 2018; Liu et al., 2020).因此, 针对低浓度农村污水的处理, 有研究者提出通过在ABR不同格室中填充填料、优化折流板的布置和形式等方式来强化厌氧ABR的处理效果(Liu et al., 2020).

ABR不同格室的污泥形态结构、流变特性和微生物种群特性是影响其处理性能的重要因素(班巧英等, 2018; Li et al., 2020; Lin et al., 2020).其中, 污泥的表面形态特性能够影响反应器内污泥中微生物和污染物之间的传质过程(Lin et al., 2020).流变特性则影响反应器内污泥的流动, 从而影响污泥的运移及相传质过程, 并可能对反应器的运行能耗产生一定影响(曹秀芹等, 2015; Liang et al., 2018).而微生物种群结构特性对于反应器内微生物代谢过程和污染物的去除效率均有重要影响(Renuka et al., 2016; Liu et al., 2020).

目前, 国内外的相关研究主要集中在常规ABR处理农村污水反应器的启动、稳定运行特性以及运行条件对污泥EPS、污泥形态和微生物种群的影响等方面(Chen et al., 2018).本论文通过对常规ABR的分区结构和填料配置的优化, 以改善污泥特性及提高微生物丰度和多样性.研究强化ABR对农村污水COD的去除效率、反应器不同格室内的污泥表观特性、流变和微生物种群特性.研究结果可为强化ABR在农村污水处理中的应用提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验装置及启动运行

强化ABR结构示意图见图 1.反应器材质为有机玻璃, 其尺寸为长80 cm、宽20 cm、高63 cm, 总容积为100.8 L, 其中有效容积为90 L.反应器共设置4个格室, 其中上、下流格室宽度比为3 : 1.反应器4个格室上部均悬挂立体弹性填料、中心绳为聚酰胺, 可有效拦截混合液中的污泥, 并保证格室内一定的微生物数量和形成颗粒污泥.

接种污泥取自北京市某城市污水处理厂二沉池, 经厌氧驯化培养至表面有气泡产生后使用.驯化后的污泥均匀接至反应器各格室中, 接种量为反应器有效容积的35%.采用维持进水浓度不变, 将HRT由40 h逐步缩短至8 h的方法进行反应器的启动.反应器稳定运行期的控制条件为HRT 8 h、温度为(35±1)℃, E_h为100~-300 mV.

2.2 进水水质与污泥指标

本研究采用连续进水方式, 在稳定运行期, 反应器的进水水质指标见表 1.

在稳定运行期, 反应器不同格室内的污泥指标见表 2.

2.3 分析测试方法

在反应器进、出水口和不同格室预留的取样口取污水、污泥样品, 分别进行COD分析、SEM、流变特性及微生物种群分析.将污泥样品静置30 min后倒出上清液, 剩余的污泥样品于4 ℃下保存并用于以下分析.

2.3.1 COD分析

采用快速消解分光光度法分析污水中COD(原国家环境保护总局, 2007).

2.3.2 污泥SEM分析

采用扫描电镜(JSM-6700F场发射扫描电镜)对污泥表观形态进行分析.在进行SEM分析前, 首先进行污泥的预处理, 采用的方法为：在4℃下将污泥浸入磷酸缓冲液(0.1 mol · L^-1)和戊二醛(3%)混合液中固定2~4 h, 随后使用磷酸缓冲液(0.1 mol · L^-1)洗涤3次, 然后采用浓度为10%、25%、50%、75%、90%和100%的乙醇脱水15 min.采用乙醇和乙酸异戊酯1 : 1(V/V)混合液和纯乙酸异戊酯分别处理上述污泥15 min.污泥冷冻干燥8 h后采用离子溅射镀膜仪(IB-5(Giko)型)镀膜.

2.3.3 流变特性分析

采用VT550型便携旋转黏度计对污泥流变特性进行分析, 剪切速率为0.1~1000 s^-1.分析步骤为：将不同格室采集的污泥样品放入黏度计转子中, 待温度达到设定值后开始分析, 并使用流变特性分析软件进行数据记录.数据采用Herschel-Bulkey模型和幂率模型进行拟合.

Herscher-Bulkly模型为：

(1)

式中, Y为剪切应力(Pa)；τ_H为屈服应力(Pa)；K为黏度系数(Pa · sⁿ)；Ẋ为剪切速率(s^-1)；n为流变特性指数.

2.3.4 微生物种群分析

反应器不同格室内的污泥样品, 利用DNA提取试剂盒抽提样品基因组DNA, 选用细菌引物341F和805R(5′-CCTACGGGNGG CWGCAG-3′和5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′)以及古细菌引物340F和1000R(5′-CCCTAYG GGGYGCASCAG和5′-CCCT AYGGGGYGCASCAG-3′)均在V3~V4区域进行扩增.扩增产物经纯化和定量后委托生工生物工程(上海)股份有限公司进行测序, 测序平台为Miseq(Illumina, 美国).

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 COD去除

在强化ABR稳定运行时, 研究了反应器对进水COD去除率的变化及不同格室对进水COD的去除贡献率, 结果如图 2所示.

由图 2可以看出, 在稳定运行期, 反应器进水COD为248~371 mg · L^-1, 平均为319 mg · L^-1, 出水COD为43~78 mg · L^-1, 平均为60 mg · L^-1, COD平均去除率为81.19%.Feng等研究了CABR在稳定运行期对低浓度生活污水COD去除效果, 在HRT为18 h运行条件下COD去除率为69%(Feng et al., 2008).

沿进水流向方向, 各格室对COD的去除贡献率呈递减趋势, 其中, 第1、2格室对进水COD去除起主要作用(总去除贡献率为72.65%), 而第3、4格室对进水COD的去除贡献率较小(总去除贡献率仅为27.35%), 但第3、4格室能够为反应器出水水质的稳定发挥重要作用(胡细全等, 2006; Gopala Krishna et al., 2009; Ye et al., 2012).对于第1、2格室, 进入格室的污水污染物浓度相对较高, 污染物和微生物间的传质效果好, 同时基于格室内填充的填料对污染物的吸附、截留和填料中微生物的降解作用, 能够去除进水中的大部分溶解性和胶体状污染物(Ye et al., 2012; Hahn et al., 2015).

3.2 污泥SEM分析

采用SEM分析反应器不同格室内的污泥表观形态, 结果如图 3所示.图 3结果表明：不同格室内的污泥表面呈纤维网状结构、絮体致密, 且各格室污泥表面均能观察到菌胶团的存在；污泥表面观察到一定的孔道, 这些孔道有利于厌氧微生物和污染物、营养物的传质过程(Liu et al., 2020; Yi et al., 2020).

不同格室内污泥表面观察到的微生物形态存在差异, 第1、2、3格室中分别观察到较多数量的球菌、杆菌和丝状菌, 而第4格室中污泥表面能观察到的各种形态的微生物均较少.这种现象可能与反应器沿程的污水污染物浓度不断降低有关(Renuka et al., 2016).

3.3 污泥流变特性分析

流变特性是影响厌氧反应器中污泥流动和传质效果的重要因素(曹秀芹等, 2015; Marti-Calatayud et al., 2018).对强化ABR稳定运行期不同格室内的污泥流变特性进行分析, 并采用Herschel-Bulkey模型和幂率模型进行拟合, 结果如图 4所示.

由图 4a可见, 强化ABR中不同格室内污泥剪切应力和剪切速率之间呈非线性关系, 且剪切应力随剪切速率呈指数增加趋势, 这种趋势在第1、2格室内更明显.Herschel-Bulkey模型拟合得出, 第1、2格室污泥的流变参数K和τ_H值均较大、n值较小, 而第3、4格室的K和τ_H值较小、n值较大, 这表明第3、4格室内的污泥比第1、2格室内的污泥流动性好.

图 4b表明, 反应器不同格室内污泥黏度均先急剧降低后缓慢降低最后趋于稳定, 且表面污泥呈现剪切稀化特性, 属于假塑性非牛顿流体(Liang et al., 2018; 马赫等, 2019).在处于相对静止状态时, 污泥中相互缠绕的大分子以极不规则状态存在, 较大的内部阻力会阻碍污泥流动.随着污泥流动的开始, 其内部相互缠绕的分子在拉伸等作用下发生解缠绕, 黏度开始呈急剧下降趋势(Segalen et al., 2015; Cao et al., 2016).

反应器第1格室内的污泥黏度下降较慢, 这与此格室内的污泥浓度较高、假塑性较强有关(Lene et al., 2002; Baudez et al., 2011).在各格室内水流剪切作用下, 污泥中物质逐渐趋近于最佳取向位置, 黏度变化较为缓慢并趋于极限黏度(Liang et al., 2018).反应器第1、2、3和4格室的污泥极限黏度分别为0.01629、0.01618、0.01320和0.01213 Pa · s, 表明各格室内的污泥极限黏度均较低, 这有利于反应器内污泥的流动以及微生物和污染物间的传质过程.

3.4 微生物种群分析

采用高通量测序技术对反应器不同格室内污泥中细菌和古细菌种群进行分析, 两类微生物属水平的聚类分析和微生物种群结构分别如图 5和图 6所示.

通过聚类分析研究了不同格室内微生物群落结构的进化关系, 结果表明, 不同格室细菌群落进化距离远近的顺序依次为：ABR-1、ABR-2、ABR-3、ABR-4.其中, 第1格室内的细菌群落结构与第2、3、4格室内的细菌群落结构的进化距离最远, 说明其内的群落结构与其他格室内的群落结构差异最大.而第2、3、4格室内的细菌群落结构较为相似, 其中最为接近的为第3和第4格室.四个格室内古细菌群落结构的聚类分析也得到了类似的结果, 即第1格室内的古细菌群落结构与第2、3、4格室的群落结构进化关系最远, 而第3和第4格室内的古细菌的群落结构最为相似.

图 6a结果表明：在属水平上, 反应器中的优势细菌包括Clostridium sensustricto、Longilinea和Acetoanaerobium, 但是不同格室内的优势菌属相对丰度存在较大差异.其中, 第1格室内的优势菌属为Longilinea, 这类菌属通常参与分解蛋白质和碳水化合物并生成乙酸盐的过程(Liu et al., 2020).在第3格室内相对丰度最高的细菌菌属为Acetoanaerobium, 该菌属多为专性厌氧乙酸菌属, 可以将H₂和CO₂转化为乙酸(Lin et al., 2020).在第4格室内相对丰度最高的为Clostridium sensustricto, 这也是一种常见的水解酸化细菌, 能够将有机物转化为VFAs(Ma et al., 2019; Yi et al., 2020).

从图 6b结果, 可以得出：反应器内的优势古细菌科主要包括Methanotrichaceae、Methanoregulaceae和Methanospirillaceae.其中, 第1格室内的优势菌科为氢营养型产甲烷菌科Methanoregulaceae和Methanospirillaceae, 其相对丰度由第1到第4格室逐渐降低.本研究中, 由于强化ABR中各格室沿程营养物类型、浓度变化和乙酸型产甲烷菌的竞争抑制存在梯度变化, 从而导致各格室中优势古细菌浓度的变化(Brauer et al., 2011; Liu et al., 2020).第4格室内的优势菌科为Methanotrichaceae, 为乙酸型产甲烷菌科(Zhilina et al., 2014), 其相对丰度由第1到第4格室逐渐增加, 这可能是由于强化ABR中各格室沿程营养物类型、浓度变化而导致.

综上, 优势细菌在强化ABR不同格室内的分布存在差异, 其中, 第1、3格室内乙酸菌属相对丰度较高, 而第4格室内水解菌为优势；古细菌在不同格室内的种群分布也存在差异, 氢营养型产甲烷菌在前端格室丰度较高, 而乙酸型产甲烷菌在后端格室内占优势.

4 结论(Conclusions)

在稳定运行期, 强化ABR对农村污水进水COD的平均去除率达81.05%, 其中第1、2格室对进水COD去除起主要作用.反应器第1、2格室内污泥表面观察到较多的球菌和杆菌, 而第3格室内观察到的丝状菌较多, 第4格室内观察到的各类微生物均较少.不同格室内污泥剪切应力均随剪切速率的增加呈指数增加, 其中在第1、2格室更为明显；不同格室内污泥黏度呈现剪切稀化特性, 污泥的极限黏度均较低, 这有利于反应器内污泥的流动和微生物传质过程.细菌菌落在强化ABR不同格室内分布存在不同, 第1、3格室内乙酸菌相对丰度较高, 而第4格室内水解菌占优势；古细菌在不同格室内的分布也存在差异, 氢营养型产甲烷菌在前端格室相对丰度较高, 而乙酸型产甲烷菌在后端格室为优势古细菌.