水力停留时间对双循环厌氧反应器处理中药废水污泥特性的影响

宿程远，王恺尧，李伟光



水力停留时间对双循环厌氧反应器处理中药废水污泥特性的影响

宿程远1,2，王恺尧1，李伟光1

（1哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090；2广西师范大学环境与资源学院，广西桂林 541004）

研究了不同水力停留时间（HRT，24 h、18 h、15 h、12 h）对双循环（DC）厌氧反应器处理中药废水效能的影响，并对颗粒污泥的粒径分布（PSD）、胞外聚合物（EPS）、微生物群落等变化情况进行了分析。结果表明，HRT由24 h缩短为12 h后，DC厌氧反应器对COD的去除率仍在90%以上。虽然出水中乙酸含量升高到339.69 mg·L-1，但未造成VFA的过度累积；出水中辅酶的荧光吸收峰有所降低，而类腐殖酸与类富里酸的吸收峰增强，不适宜再继续降低HRT。随着HRT的缩短，颗粒污泥的EPS总量、蛋白含量、多糖含量均降低，其中酪氨酸对于保持污泥的稳定性发挥着重要作用。而磷脂脂肪酸分析（PLFA）表明，HRT缩短对于DC厌氧反应器第2反应区内微生物群落分布影响显著，革兰阳性菌由原来占总脂肪酸生物量的44.24%下降到32.69%，而革兰阴性菌由32.69%增大到38.66%。

厌氧；生物反应器；废水；水力停留时间；颗粒污泥；胞外聚合物

引 言

厌氧生物处理技术具有能耗低、污泥产量少、抗冲击负荷能力强，并可产生能源等优势，因此在处理高浓度有机工业废水领域得以广泛应用[1]，并诞生了EGSB、IC等高效厌氧反应器。而在厌氧反应器的实际应用过程中，其处理效能会受到水力停留时间（HRT）、进水有机物浓度、温度、pH等运行参数的影响。HRT是厌氧反应器非常重要的工程控制参数，一方面HRT过低，废水与微生物的接触反应时间过短，可能引起反应器内挥发酸（VFA）的累积，从而对厌氧微生物的生长环境造成冲击，最终影响出水水质；而HRT过长，会增大厌氧反应器的基建投资且造成反应器有效容积的浪费[2-3]。而厌氧反应器在实际应用时另一个关键的影响因素就是需要培养出活性高、沉淀性好、性能稳定的颗粒污泥[4-5]。结合EGSB与IC反应器各自的特点，本文作者设计了新型双循环（DC）厌氧反应器，该反应器主要分为第1反应区（产酸区）与第2反应区（产甲烷区），为产酸菌与产甲烷菌创造各自适宜的生长环境，从而达到高效处理高浓度工业废水的目的。本文研究了HRT的缩短对DC厌氧反应器处理中药废水效能的影响，并对颗粒污泥的粒径分布（PSD）、胞外聚合物（EPS）、微生物群落分布等变化情况进行了系统分析，旨在为DC厌氧反应器的实际应用及保证其运行稳定性提供一定的参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验用水

试验用水取自某中药厂调节池，COD浓度为5000～6500 mg·L-1，SS为450～550 mg·L-1，色度为250～300倍，pH为5.0～5.5。试验过程中在中药废水中加入适量的NaHCO3，调节进水pH为7.5～8.0，以保证DC厌氧反应器内有足够的缓冲能力[6]。

1.2 试验装置与试验方法

试验装置如图1所示，该反应器由有机玻璃加工，总高度为150 cm，第1反应区的有效容积为2.4 L，直径为8 cm，第2反应区的有效容积为4.4 L，直径为10 cm。内循环废水进入第1反应区，外循环废水进入第2反应区。反应器外部设有水浴夹套，对其进行加热，控制温度为30℃左右。

图1 DC厌氧反应器示意图

本试验考察了HRT对于DC厌氧反应器处理中药废水效能及污泥特性的影响，主要分为4个阶段，HRT为24 h（前18 d）、HRT为18 h（19～38 d）、HRT为15 h（39～50 d）以及HRT为12 h（51～88 d）。

1.3 分析方法

进出水COD采用重铬酸钾法测定。出水VFA的组分变化利用高效气相色谱进行分析。厌氧颗粒污泥PSD采用Malvern Mastersizer粒度测定仪进行分析。出水的三维荧光（EEM）分析[7-8]：取20 ml反应器出水，4000 r·min-1离心10 min，上清液过0.45 μm滤膜，而后取5 ml滤液，用FP6500荧光光谱仪进行分析，分析条件为，Em.为220～550 nm，Ex.为220～450 nm，狭缝为3 nm。颗粒污泥的EPS分析[8-9]：取一定的污泥混合液，4000 r·min-1离心10 min，弃掉上清液，用蒸馏水洗涤2次后用生理盐水补满离心管，放置于80℃的水浴锅中热提30 min，而后于9000 r·min-1离心10 min，取上清液过0.45 μm滤膜，一份采用蒽酮比色法测定多糖的含量，采用考马斯亮蓝法测定蛋白质的含量；另一份放入蒸发皿内，45℃烘箱烘干后，借助Spectrum One傅里叶变换红外光谱仪测定其红外光谱图（FTIR），分析条件为，波长4000～400 cm-1。利用美国MIDI公司SHERLOCK微生物鉴定系统和安捷伦6890高效气相色谱，采用MIDI公司提供的标准样品提纯方法和样品分析程序对不同运行阶段下DC厌氧反应器内颗粒污泥的特征脂肪酸（PLFA）进行测定，从而对微生物群落进行分析。

2 结果与讨论

2.1 HRT对COD去除的影响

本试验对不同HRT条件下，DC厌氧反应器处理中药废水过程中，COD去除率的变化情况进行了分析，如图2所示。

图2 不同HRT下的COD去除情况

由图2可知，在HRT为24 h、18 h及15 h时，DC厌氧反应器运行良好，出水COD浓度在400 mg·L-1以下，平均COD去除率为93%。而后继续缩短HRT到12 h，初期反应器出水效果迅速变差，出水COD达到1000 mg·L-1左右，COD去除率下降到80%，原因在于HRT过短对反应器冲击较大，导致废水中需要较长降解时间的有机污染物降解得不够充分，从而使得出水水质变差。经过1周左右的运行之后，DC厌氧反应器的处理效果逐渐趋于稳定，COD去除率在90%左右，出水COD能够稳定在300 mg·L-1以下，说明该反应器具有良好的抗冲击负荷能力，在较短的停留时间下也能够稳定运行。

2.2 HRT对出水VFA组分的影响

出水VFA是厌氧反应器运行时一个重要的参数，它能直观反映厌氧反应器的运行状况[10-11]，本试验对不同HRT条件下，DC厌氧反应器出水的VFA组分进行了分析，如图3所示。

图3 不同HRT下出水VFA的组分情况

由图3可知，在HRT为24 h、18 h以及15 h时，出水VFA均以乙酸为主，但其含量较低，均低于200 mg·L-1。而在HRT12 h时，乙酸含量有所升高，达到了339.69 mg·L-1，此时乙酸积累量略高，表明产甲烷菌的活性受到一定的影响，使乙酸向甲烷转化过程受到了影响，但并未造成VFA的过度累积，说明DC厌氧反应器可以在此条件下运行，但不适宜再继续缩短HRT。

2.3 不同HRT下反应器出水的EEM光谱分析

由于HRT为12 h时，DC厌氧反应器出水VFA出现了一定的变化，因此对HRT为24 h与12 h时，DC厌氧反应器的出水情况进行了EEM光谱分析，如图4所示。

图4 不同HRT下出水的三维荧光光谱

由图4可知，在HRT为24 h时，在DC厌氧反应器出水的EEM光谱中，Ex./Em.420/470 nm出现了明显的荧光吸收峰，而这个峰所对应的是辅酶F420，它的荧光强度与厌氧污泥的SMA具有良好的正相关，表明此时DC厌氧反应器内产甲烷菌具有良好的活性[11]，同时还有简单芳香蛋白（Ex./Em.220/300 nm）以及色氨酸类蛋白（Ex./Em.280/300 nm）吸收峰[12-13]。而当HRT降低为12 h后，出水中辅酶的荧光吸收峰有所降低，同时在Ex./Em.320/420 nm以及Ex./Em.250/440 nm吸收峰增强，与之相对应的是类腐殖酸与类富里酸[12-13]，表明厌氧污泥的性状发生了变化，不适宜再继续降低HRT。

2.4 不同HRT下颗粒污泥的PSD分析

由于HRT为12 h时，DC厌氧反应器运行出现了一定的变化，因此对HRT为24 h与12 h时，DC厌氧反应器内颗粒污泥的PSD进行了分析，如图5所示。

图5 不同HRT下颗粒污泥的粒径分布

2.5 不同HRT下颗粒污泥的EPS变化

EPS是微生物在生长过程中向其外部所分泌的一种物质，它对于维持颗粒污泥的稳定性以及抵抗外来有毒物质对微生物的伤害发挥着重要的作用，同时EPS的组成及含量的变化可以反映颗粒污泥中微生物特性的改变[14-15]，因此本试验对HRT为 24 h与12 h时，DC厌氧反应器内颗粒污泥EPS的组分与含量进行了分析，如图6与图7所示。

图6 不同HRT下颗粒污泥EPS的FTIR光谱

图7 不同HRT下EPS中蛋白与多糖的含量

由图6可知，在EPS的FTIR光谱中3500～3300 cm-1处出现了NH的伸缩振动，3000～2920 cm-1处出现了CH的伸缩振动，1550～1600 cm-1处所对应的为蛋白质肽键，同时在1120～1020 cm-1处出现代表多聚糖的COC的伸缩振动[14-15]，EPS以多糖与蛋白为主。在HRT为12 h时，第1反应区颗粒污泥EPS的FTIR光谱中，1517 cm-1处出现了酪氨酸的吸收峰[16]；第2反应区颗粒污泥EPS的FTIR光谱中，氨基的吸收峰由原来的钝峰变为3410 cm-1处的尖峰，可能是停留时间的缩短造成了第2反应区厌氧污泥的破碎，厌氧污泥中的金属离子溶出，而EPS中含有大量的蛋白质，蛋白质上的N、O原子等与金属离子络合，生成配合物，造成了其红外光谱的变化，反映出反应器内的厌氧污泥性状发生了一定的改变，不宜继续降低HRT。

而由图7可知，在HRT为24 h时，第1反应区内颗粒污泥的EPS总量、蛋白含量、多糖含量分别为105.8 mg·(g VSS)-1、56.29 mg·(g VSS)-1和49.51 mg·(g VSS)-1；第2反应区内颗粒污泥的EPS总量、蛋白含量、多糖含量则分别为82.24 mg·(g VSS)-1、42.29 mg·(g VSS)-1和34.95 mg·(g VSS)-1，此时颗粒污泥保持了良好的活性与稳定性。而当HRT减少为12 h时，第1反应区与第2反应区内颗粒污泥的EPS总量、蛋白含量、多糖含量均出现了降低，特别是第2反应区内的变化更为显著，多糖含量仅为19.21 mg·(g VSS)-1，而多糖含量的减少必然影响到颗粒污泥的粒径，这与颗粒污泥PSD的变化也是一致的。

2.6 不同HRT下DC厌氧反应器内的微生物群落变化

PLFA技术可以确定生态环境中微生物的生物量分布，同时可以得到较完整的“存活”微生物群落在数量和结构方面的重要信息，因此被广泛地应用于土壤、堆肥样品、河流沉积物和污泥等微生物群落研究[17-20]。虽然其不能用于古细菌的分析，具有一定的局限性，但与DGGE、FISH等相比，对技术和仪器条件要求相对较低，因此，本试验对HRT为24 h与12 h时，DC厌氧反应器内微生物群落的变化进行了分析，如图8与图9所示。

图8 不同HRT下DC厌氧反应器第1反应区的微生物群落分布

图9 不同HRT下DC厌氧反应器第2反应区的微生物群落分布

由图8可知，对于第1反应区而言，在HRT为24 h时，颗粒污泥中占所有微生物比重较大的是革兰阳性菌，占总脂肪酸生物量的55.69%，其次是革兰阴性菌与厌氧细菌，分别占总脂肪酸含量的24.89%和8.94%；HRT缩短为12 h后对微生物群落的影响并不显著，表明产酸菌对于HRT的变化有良好的适应能力。但HRT的缩短对于第2反应区影响非常显著（图9），在HRT为24 h时，微生物比重最大的是革兰阳性菌，占总脂肪酸生物量的44.24%，其次是革兰阴性菌与厌氧细菌，分别占 总脂肪酸含量的32.69%和12.73%；而HRT为12 h时，微生物比重最大的变成了革兰阴性菌，占总 脂肪酸生物量的38.66%，革兰阳性菌则下降为32.69%。

3 结 论

（1）HRT由24 h缩短为12 h后，虽然初期DC厌氧反应器对中药废水处理效能有所下降，但运行稳定后对COD的去除率在90%以上，并未出现VFA的过度累积，表明DC厌氧反应器具有良好的抗冲击负荷能力。

（2）当HRT降低为12 h后，出水中辅酶的荧光吸收峰有所降低，同时类腐殖酸与类富里酸的吸收峰增强，并且第1反应区与第2反应区内颗粒污泥的EPS总量、蛋白含量、多糖含量均出现了降低，特别是第2反应区颗粒污泥EPS的多糖含量仅为19.21 mg·(g VSS)-1，同时厌氧污泥粒径显著减少，不适宜再继续降低HRT。

（3）PLFA分析表明，HRT缩短为12 h后，第1反应区内的微生物群落未发生明显的变化，产酸菌对于HRT的变化有着更好的适应性。而第2反应区内微生物群落的变化非常显著，革兰阳性菌由原来占总脂肪酸生物量的44.24%下降到32.69%，而革兰阴性菌由32.69%增大到38.66%，因此在DC厌氧反应器实际运行过程中，应加强对于第2反应区颗粒污泥特性与微生物群落的分析。

References

[1] Guo Yuting (郭昱廷), Peng Jianfeng (彭剑峰), Dong Yonghui (宋永会),. Influence of temperature on the pollutant removal efficiency and the microbial community of the anaerobic baffled reactor [J].(环境科学学报), 2012, 32 (7): 1542-1548

[2] Rosman N H, Anuar A N, Chelliapan S,. Characteristics and performance of aerobic granular sludge treating rubber wastewater at different hydraulic retention time [J]., 2014, 161: 155-161

[3] Ban Qiaoying (班巧英), Li Jianzheng (李建政), Zhang Liguo (张立国),. Impacts of HRT on UASB performance and propionate-oxidizing bacteria [J].(化工学报), 2012, 63 (11): 3673-3679

[4] Wang Qiang (王强), Wang Luguang (王路光), Wang Jingfei (王靖飞),. The change of granular sludge characteristics in the starting-up of EGSB reactor [J].(环境污染与防治), 2009, 31 (8): 28-33

[5] Li Wenying (李文英), Dong Chunjuan (董春娟), Wang Zengzhang (王增长),. Start-up of EGSB reactor treating coking wastewater under microaerobic condition [J].(中国给水排水), 2012, 28 (3): 67-70

[6] Colussi I, Cortesi A, Della Vedova L,. Start-up procedures and analysis of heavy metals inhibition on methanogenic activity in EGSB reactor [J]., 2009, 100: 6290-6294

[7] Wang Zhiping, Zhang Tong. Characterization of soluble microbial products (SMP) under stressful conditions [J]., 2010, 44: 5499-5509

[8] Wang Zhiwei, Wu Zhichao, Tang Shujuan. Extracellular polymeric substances (EPS) properties and their effects on membrane fouling in a submerged membrane bioreactor [J]., 2009, 43: 2504-2512

[9] Liu Yin (刘尹), Liu Haining (刘海宁), Zhang Kaisong (张凯松),. Effect of sludge loading on process performance and sludge properties of UASB treating low-strength municipal wastewater [J].(环境工程学报), 2013, 7 (12): 4773-4779

[10] Xu F, Huang Z X, Miao H F,. Identical full-scale biogas-lift reactors (BLRs) with anaerobic granular sludge and residual activated sludge for brewery wastewater treatment and kinetic modeling [J]., 2013, 25: 2031-2040

[11] Dong Fang, Zhao Quanbao, Zhao Jinbao,. Monitoring the restart-up of an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor for the treatment of a soybean processing wastewater [J]., 2009, 43: 2504-2512

[12] Tian Wenjie (田文杰), He Xuwen (何绪文), Huang Qing (黄擎),. Three-dimensional fluorescence characterization of dissolved organic matter in the eluates leached from purple soil with simulated acid rain [J].(环境化学), 2011, 30 (11): 1844-1850

[13] Luo Jinghai, Hao Tianwei, Wei Li,. Impact of influent COD/N ratio on disintegration of aerobic granular sludge [J]., 2014, 62: 127-135

[14] Zhang P, Chen Y P, Guo J S,. Adsorption behavior of tightly bound extracellular polymeric substances on model organic surfaces under different pH and cations with surface plasmon resonance [J]., 2014, 57: 31-39

[15] Wang B B, Peng D C, Hou Y P,. The important implications of particulate substrate in determining the physicochemical characteristics of extracellular polymeric substances (EPS) in activated sludge [J]., 2014, 58: 1-8

[16] Zhu Liang, Qi Hanying, Lv Meile,. Component analysis of extracellular polymeric substances (EPS) during aerobic sludge granulation using FTIR and 3D-EEM technologies [J]., 2012, 124: 455-459

[17] Du Cheng (杜诚), Xiao Enrong (肖恩荣), Zhou Qiaohong (周巧红),. Enzymatic activities and phospholipid fatty acids analysis of activated sludge from a submerged membrane bioreactor [J].(中国环境科学), 2008, 28 (7): 608-613

[18] Zhu Liang (朱亮), Sun Lingyu (孙凌宇), Chu Ruhua (储如花),. On the characteristic of sediments microbial community structure of urban polluted river [J].(水科学进展), 2013, 4 (1): 132-137

[19] Yan Hui (颜慧), Cai Zucong (蔡祖聪), Zhong Wenhui (钟文辉). PLFA analysis and its applications in the study of soil microbial diversity [J].(土壤学报), 2006, 43 (5): 851-85

[20] Yu Man (喻曼), Xiao Hua (肖华), Zhang Qi (张棋),. Changes of bacterial communities in composting by PLFA and DGGE methods [J].(农业环境科学学报), 2011, 30 (6): 1242-1247

Influence of hydraulic retention time on sludge characteristics of DC anaerobic reactor for treating traditional Chinese medicine wastewater

SU Chengyuan1,2, WANG Kaiyao1, LI Weiguang1

(1School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China;2School of Environment and Resources, Guangxi Normal University, Guilin 541004, Guangxi, China)

The influence of hydraulic retention time (HRT, 24, 18, 15 and 12 h) on the performance of double circle (DC) anaerobic reactor for treating traditional Chinese medicine wastewater was investigated. Additionally, the characteristics of granular sludge were studied, including particle size distribution (PSD), extracellular polymeric substances (EPS), and distribution of microbial communities. When HRT was reduced from 24 h to 12 h, the DC anaerobic reactor demonstrated good COD removal of 90%. Although concentration of acetate increased to 339.69 mg·L-1, the process was operating favorably without acidification. But humic acid-like and fulvic acid-like absorption peaks were stronger and coenzyme F420absorption was weaker in the EEM spectra of soluble microbial products (SMP) at HRT 12 h. It was not recommended to further reduce HRT. The contents of EPS, protein, and polysaccharide decreased in the sludge at HRT 12 h, and tyrosine played an important role in maintaining stability of the sludge. The phospholipid fatty acids analysis showed that reducing HRT affected significantly distribution of microbial community in the second reaction area of the DC anaerobic reactor. Gram-positive bacteria decreased from 44.24% to 32.69%, while gram-negative bacteria increased from 32.69% to 38.66%.

anaerobic; bioreactors; waste water; hydraulic retention time; granular sludge; extracellular polymeric substances

10.11949/j.issn.0438-1157.20141882

X 703.1

A

0438—1157（2015）05—1897—07

2014-12-18收到初稿，2015-01-26收到修改稿。

联系人：李伟光。第一作者：宿程远（1981—），男，副教授，博士研究生。

国家科技重大专项项目（2012ZX07205-002）；广西自然科学基金项目（2013GXNSBA019213）。

2014-12-18.

LI Weiguang, hitlwg@126.com