环境科学  2020, Vol. 41 Issue (4): 1808-1815   PDF    
引用本文
程诚, 朱琳, 郭凯成, 汪倩, 宋家俊, 刘文如, 沈耀良. 不同HRT下污水中有机物在ABR中的转化过程及污泥形态特征[J]. 环境科学, 2020, 41(4): 1808-1815.
CHENG Cheng, ZHU Lin, GUO Kai-cheng, WANG Qian, SONG Jia-jun, LIU Wen-ru, SHEN Yao-liang. Characteristics of Organics Transformation and Sludge Morphology in an ABR for Sewage Treatment with Different HRTs[J]. Environmental Science, 2020, 41(4): 1808-1815.
不同HRT下污水中有机物在ABR中的转化过程及污泥形态特征
程诚1, 朱琳1, 郭凯成1, 汪倩1, 宋家俊1, 刘文如1,2,3, 沈耀良1,2,3     
1. 苏州科技大学环境科学与工程学院, 苏州 215009;
2. 江苏省水处理技术与材料协同创新中心, 苏州 215009;
3. 江苏省环境科学与工程重点实验室, 苏州 215009
收稿日期: 2019-10-27; 修订日期: 2019-11-18
基金项目: 国家自然科学基金项目（51578353）；江苏省自然科学基金项目（BK20160356）
作者简介: 程诚(1994~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为水污染控制与理论, E-mail:896375932@qq.com
通信作者: 沈耀良, E-mail:ylshen@mail.usts.edu.cn
摘要: 采用效果检测、粒径分布与电镜扫描等方法，研究厌氧折流板反应器（ABR）在不同水力停留时间（HRT）下污水中有机物（COD）的转化过程及污泥形态变化特征.结果表明，HRT从15 h到4 h的各运行阶段，COD去除率稳定在90.0%以上.沿程分析表明，当HRT为10、7.5、5和4 h时，ABR第一隔室分别承担约90%、78.56%、74.18%及58.91%的去碳比重，且承担COD去除的主要功能隔室由第一隔室过渡到第一、二隔室.随着HRT缩短，ABR第一隔室中挥发性脂肪酸（VFAs）总量显著上升.组成分析知，乙酸在总VFAs的比重由51.36%逐渐升高至58.77%，丁酸、丙酸含量相对较少，变化较小.随着运行时间推移，ABR中污泥形态发生显著变化，到111 d时，基本实现颗粒化；同时，沿水流方向颗粒化程度呈递减趋势.扫描电镜（SEM）观察显示，ABR一定程度上存在生物相分离现象，各隔室分别以丝状菌、甲烷多球菌、单球菌和杆菌为主.
关键词: 厌氧折流板反应器(ABR)      生活污水      水力停留时间(HRT)      挥发性脂肪酸(VFAs)      污泥形态     
Characteristics of Organics Transformation and Sludge Morphology in an ABR for Sewage Treatment with Different HRTs
CHENG Cheng1 , ZHU Lin1 , GUO Kai-cheng1 , WANG Qian1 , SONG Jia-jun1 , LIU Wen-ru1,2,3 , SHEN Yao-liang1,2,3     
1. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Water Treatment Technology and Material, Suzhou 215009, China;
3. Key Laboratory of Environmental Science and Engineering of Jiangsu Province, Suzhou 215009, China
Abstract: The characteristics of organics transformation and sludge morphology of in an ABR(anaerobic baffled reactor) for sewage treatment with different HRTs were investigated based on reactor performance, particle size distribution, and scanning electron microscopy (SEM). Results showed that the COD removal rate was stably maintained above 90.0% when the HRT decreased from 15 h to 4 h. However, the first compartment of ABR contributed to 90%, 78.56%, 74.18%, and 58.91% of the total COD removal when the HRT was 10, 7.5, 5, and 4 h, respectively. When the HRT was reduced, the total amount of volatile fatty acids (VFAs) in the first compartment of ABR significantly increased, and the abundance of acetic acid, being the major constituent of VFAs, gradually increased from 51.36% to 58.77%; the concentrations of butyric acid and propionic acid were maintained and constituted a minority of the VFAs. The sludge morphology in ABR significantly changed in the wake of run time. On day 111, granulation of sludge was achieved. Additionally, the degree of sludge granulation showed a decreasing trend with the direction of water flow. SEM observations of granular sludge showed that the separation of biomass did occur in the ABR. Along the direction of water flow, filamentous bacteria, M. methane, monococci, and bacilli were the dominant microbes in each compartment of the ABR.
Key words: anaerobic baffled reactor (ABR)      sewage      hydraulic residence time(HRT)      volatile fatty acids (VFAs)      sludge morphology     

厌氧折流板反应器(anaerobic baffled reactor, ABR)工艺的主要运行参数包括：水力停留时间(hydraulic residence time, HRT)、温度、有机负荷(OLR)、F/M和MLSS等.其中, HRT是影响ABR内水体流态及泥水接触的关键参数, 并决定整个反应器的处理效能[1].首先, HRT影响容积负荷.一般情况下, HRT的设定主要取决于进水基质组成及浓度[2].当处理高强度废水时, 较长的HRT以保证系统在适宜负荷范围内, 水解酸化、产甲烷等一系列反应有序进行[3].当处理低强度废水时, 较短的HRT足以供应降解过程需求, 提升容积负荷利用率.其次, HRT会通过影响局部泥水接触及传质速率来改变ABR的水力条件.HRT过长, 易形成生物死区；HRT过短, 会增加水力死区[4, 5].因此, HRT参数调整需根据ABR构造特征及实际处理对象及效能而定.

值得一提的是, 单独使用的ABR只具有高效除碳作用, 不具备脱氮除磷功能.为合理利用ABR, 可将ABR同好氧膜生物反应器(MBR)组合以打造出同步脱氮除磷的耦合工艺, 实现“一碳两用”[6].据相关研究表明, 反硝化除磷菌(denitrifying phosphorus bacteria, DPBs)在厌氧释磷时会吸收环境中的碳源, 尤其是短链脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)储存为内碳源, 为缺氧吸磷过程提供电子供体[7].而在ABR-MBR耦合工艺中, ABR前端通过水解酸化可为DPBs提供VFAs[8], 实现废水中碳源合理利用.因此, 研究ABR部分沿程有机物的转化, 对不同工况下MBR中硝化液回流位置起到参考作用.

现阶段, 对以低负荷污水为处理对象的ABR工艺研究较少, 尤其针对低负荷ABR工艺中基质和污泥转化过程的综合性研究鲜见报道.本研究重点考察ABR中有机物的沿程转化、污泥特征及微生物分布, 对不同HRT下低负荷ABR的运行规律进行了深入研究, 通过揭示低负荷ABR的优势及不足, 旨在为ABR-MBR反硝化除磷耦合工艺实现优质碳源的有效利用以及优化设计和运行提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 实验装置及运行

本实验的ABR由有机玻璃板制成(见图 1), 总有效体积为10.6 L, 分5个隔室, 单隔室的上流区与下流区其宽度比为9 :1.整个装置放置于恒温水浴缸(31±1)℃.采用固定进水基质浓度, 缩短水力停留时间的方式启动反应器.启动初期HRT为15 h, OLR为0.7 kg·(m3·d)-1, 为微生物提供低水力负荷条件, 减少污泥洗脱冲刷量, 利于生长繁殖[9, 10].反应器成功启动后, 各阶段设计运行工况如表 1.

图 1 ABR工艺实验装置 Fig. 1 Schematic diagram of ABR setup

表 1 设计运行工况 Table 1 Design operating conditions

1.2 实验材料

本研究中的反应器进水取自苏州某污水处理厂, 其原水水质如表 2所列.为保证研究阶段进水水质的均等稳定, 添加适量葡萄糖、淀粉和微量元素等加以必要的调节.其中, 添加少量的NH4Cl和KH2PO4补充氮和磷, 维持COD :N :P≈300 :50 :7；用NaHCO3和KHCO3等补充碱度, 防止反应器酸化.

表 2 原水水质 Table 2 Characteristics of the raw wastewater

接种污泥取自苏州某污水处理厂二沉池的浓缩污泥, 其MLVSS/MLSS为0.74.采集的污泥经150目的筛网筛分后平均接种到5个隔室, 使ABR各隔室接种量约28g·L-1 MLSS.

1.3 分析方法

主要测定指标有COD、pH、VFAs、MLSS和MLVSS等.其中COD采用快速消解法；MLSS和MLVSS采用重量法；pH由雷磁PHSJ-4A型pH计测定；VFAs总量采用分光光度法.

VFAs组分使用气相色谱(安捷伦7820)测定[11].样品预处理过程：取反应器中10 mL上清液, 4 500 r·min-1离心5 min, 经0.45 μm滤膜过滤后, 取0.3 mL样品于2 mL色谱小瓶中, 加入0.1 mL饱和KHSO4溶液酸化盐析, 1 mL萃取剂碳酸二甲酯(DMC), 在高速冷冻离心机中离心5min, 上机抽取离心上清液测定.气相色谱条件为：色谱柱型号为极性较强的DB-FFAP(30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛细管柱；前检测器为氢离子火焰检测器(FID), 设定温度为250℃；进样口气化温度为220℃, 采用分流比2 :1的模式进样, 载气为氢气(载气流量为45mL·min-1).程序升温, 起始炉温为100℃保持1 min, 以10℃·min-1升温至120℃, 保持1 min, 再以20℃·min-1升温至220℃, 保持2 min.整个上机实验过程持续13.5 min.标准曲线及工作曲线由sigma混合标准品配置制作.

污泥的微生物形态结构由扫描电镜法(SEM)测定[12].所取样本经灭菌磷酸缓冲液冲洗后, 用2.5%戊二醛覆盖污泥在4℃下固定12 h, 弃去上清液用浓度逐级递增的乙醇溶液梯度脱水.最后将样品置于滤纸上自然风干, 喷金检测.污泥形态通过OLYMPUS CX41型显微镜观察, 粒径分布采用筛分法.

2 结果与分析 2.1 ABR整体效能

本研究用COD浓度代表溶解性有机物含量, 在OLR为0.7kg·(m3·d)-1的条件下驯化接种污泥.从图 2(a)可知, 启动前9d, COD去除率由75.56%升至91.97%, 最终稳定在87%左右.第二阶段缩短HRT至12 h, COD去除率提高并稳定在90%以上, 出水COD低于50mg·L-1[图 2(b)], 标志着ABR启动成功.通过各阶段运行对比可知, 每提升一次负荷, COD去除率均会呈现先小幅下降后缓慢回升并稳定在90%左右的趋势, 可见该反应器在低负荷下抗冲击负荷性能良好.

图 2 ABR除碳性能 Fig. 2 Removal characteristics of COD in ABR

图 2(b)展现了ABR进出水波动及出水VFAs的量.在启动前34 d, 出水VFAs值均高于其它阶段.相较于水解酸化菌, 产甲烷菌的世代周期长[13], 在缩短HRT时, 水解酸化产生的VFAs未能被产甲烷菌及时消耗, 导致VFAs的累积, 出水VFAs同COD浓度均会暂时性升高, 一旦产甲烷菌适应恢复活性后, VFAs去除效果会缓慢提升[14].相较于Krishna等[15]用ABR处理低负荷废水(进水500mg·L-1 COD), 本研究在调换各工况阶段时, 反应器能更快达到稳态.一方面可能是Krishna的实验用水是由蔗糖、蛋白胨等人工配制, 较为纯净, 而本实验进水是过滤后的生活污水, 少量微生物会进入反应器, 帮助维持系统的稳定.二是Krishna的试验温度为23~31℃, 而本实验始终保持在(31±1)℃, 较高的温度更利于维稳[16].

2.2 不同HRT条件下ABR沿程特性 2.2.1 COD沿程变化

本研究期间, 系统整体去碳特性较为稳定.图 3数据表明, 启动初期, 各隔室对碳的去除均有一定贡献.当HRT为12 h时, C1隔室去碳比重占总比重的89%, 成为ABR的主要除碳功能区.继续缩短HRT至7.5、5和4 h时, C1隔室去碳比重分别下降至78.56%、74.18%及58.91%, C1和C2成为主要功能区.分析得出, 当HRT大于7.5 h时, 大部分有机物被截留吸附在C1, 使得该区养料丰富, 且泥水接触时间充足, 故生物活性高, 有机物消耗快, COD去除效率高.后四隔室由于处于饥饿环境, 微生物活性远低于预期值, 有机物去除比重低于总体的10%.逐步缩短HRT至5 h和4 h时, 容积负荷直线上升, 水力冲刷作用增大, C1隔室污泥和有机物接触时间缩短, 未截留的有机物和少量污泥流入后续隔室, C2功能被激活, 开始承担更多有机物的去除.后三隔室去碳比重变化较小, 使系统碳去除稳定在90%左右.因此, 高生物量会弥补生物活性低的缺陷, 增强系统稳定性, 而非提高COD的去除[9].ABR在低负荷条件运行时, 前端主要负责去碳[17], 后端负责稳定出水水质.

图 3 不同HRT条件下各隔室COD平均去除贡献量 Fig. 3 Average COD removal contribution in different compartments under different HRT conditions

2.2.2 不同HRT下ABR沿程COD、VFAs和pH趋势

根据有机物厌氧生物转化理论可知, 大分子复杂有机质在ABR前端经水解酸化分解为脂肪酸, 经过渡隔区产乙酸作用将其分解为乙酸, 在后端隔室则被产甲烷作用慢慢消耗.相应地, 在沿程ABR中, COD应先缓慢降低后急剧减少, pH则表现出先降低后回升的趋势.

从图 4(a)~4(c)观察得知, COD与VFAs值同步变化, 表现出沿水流方向逐渐递减的趋势.pH值和VFAs值呈负相关, 在反应过程中表现出逐级递增的趋势.在HRT为7.5 h时, C1中VFAs量虽不是ABR沿程最高点, 但已成为pH值沿程最低点[图 4(d)].当再次缩短HRT为5 h和4 h后, VFAs峰值点位显著移至C1 [图 4(e)和4(f)].首先, 提升负荷过程利于水解酸化作用, 生长缓慢的产甲烷菌对突增的脂肪酸代谢滞后, 故缩短HRT过程或短HRT时脂肪酸积累.其次, 生活污水含有微生物, 使进水酸化VFAs含量高于ABR沿程, 故半天换一次水来降低进水酸化程度.此外, 减少简单生物质葡萄糖等的投加, 并提高碱度同样抑制进水酸化问题.这也是在研究期间出水pH值偏碱性的原因之一.最后, 进水长链脂肪酸在产氢产乙酸作用下变短链VFAs也会导致C1有机酸增多[18].

图 4 不同HRT条件下ABR沿程COD、VFAs和pH的变化趋势 Fig. 4 Variation trend of COD, VFAs, and pH along the ABR under different HRT conditions

为说明低HRT对VFAs种类的影响, 本实验采用气相色谱法对沿程VFAs组成进行了测定.从图 5可知, 反应器总VFAs主要包含乙酸、丙酸和丁酸, 乙酸含量在总VFAs的比重始终占据首位.当HRT从7.5缩至5 h和4 h时, 乙酸产量由25.78 mg·L-1升至56.22 mg·L-1和73.44 mg·L-1；丙酸、丁酸含量也略微升高, 但总比重由41.74%先降低至25.93%再升高至31.94%.一方面, 大多物质水解时, 主要产物是葡萄糖, 而葡萄糖酸化的主要中间产物是乙酸[19].另一方面, 水力停留时间的缩短会增加有机酸的积累, 回馈于环境, 降低水体pH, 为产氢产乙酸菌创造最佳pH生态位条件[20], 从而加速产氢产乙酸过程, 使乙酸含量升高, 丙酸、丁酸等含量降低.由此可见, 在低负荷运行条件下, ABR的产酸和产乙酸作用在C1中同步进行[21].在后面隔室中总VFAs和乙酸浓度均呈梯度骤减, 丙酸, 丁酸则平缓递减, 即均被产乙酸菌和产甲烷菌协同去除[22].

图 5 不同HRT条件下ABR沿程VFAs种类变化趋势 Fig. 5 Variation of VFAs along the ABR under different HRT conditions

2.3 污泥特征变化 2.3.1 污泥形态及粒径分布

反应器中C1隔室颗污泥经历了微粒形成、颗粒固定、颗粒污泥成熟3阶段, 如图 6所示, 与沈耀良[23]的研究结果一致.就污泥形态而言, 启动到第35 d时, 在营养充足的环境中, 大部分沉降性能良好的污泥稳定发育, 絮体之间逐渐紧密[图 6(b)], 形成颗粒污泥的前身.第71 d时, 随着负荷提升增大了水流速度, 在气体搅动双重作用下, 增加了污泥之间的碰撞摩擦[24], 絮体微粒间相互粘连, 聚集成团[图 6(d)].第105 d时, 已长成形状规则, 边界清晰, 表面光滑, 结构密实的大颗粒.在100倍显微镜下观察[图 6(f)], 可知厌氧颗粒污泥是由丝状微生物缠绕、包裹着的生物聚集体组成.

图中污泥取自C1, (a)~(b)为第35 d；(c)~(d)为第71 d；(e)~(f)为第105 d；标尺纸刻度单位为0.1 mm, 显微镜图标注为放大倍数 图 6 污泥粒形态变化 Fig. 6 Changes in the sludge color and morphology

整个实验过程, 颗粒污泥的粒径发生了显著变化, 表 3所列为3个时段沿程污泥粒径分布情况.由表可看, 随着运行时间推移和负荷提升, 反应器颗粒污泥粒径总体呈增大趋势, 粒径沿反应器长度呈递减趋势.前3隔室平均粒径在1~1.5 mm之间, C1颗粒化程度最高, 大于2 mm的粒径占比为8.67%, 而后两隔室颗粒化程度较低.主要是因为ABR前端底物充足, 微生物活性高, 水流及产气双重搅动作用强, 利于形成颗粒.后续隔室承载底物贫乏, 颗粒化主要靠水力剪切作用, 故颗粒化程度低.

表 3 各隔室颗粒污泥粒径分布 Table 3 Diameter distribution of granular sludge of each compartment

2.3.2 微生物形态

运行到108 d, 反应器不同隔室已出现微生物形态分化(图 7).SEM图中可看出, C1隔室污泥表面缠绕着大量丝状微生物[图 7 (a)和7(b)], 相互交织构成了颗粒污泥的骨架.经分析, C1隔室生化反应主要涉及到水解酸化及厌氧产气, 故推测其为具有水解酸化功能的丝状菌, 周围分布的少量小球菌可能是产甲烷菌[15, 25].C2主要以分散生长的多球菌为主[图 7(c)和7(d)], C3则以单球菌为主[图 7(e)和7(f)], 多球菌为辅.推测两种球菌可能为甲烷球菌和甲烷八叠球菌, 起到清除有机酸的作用[10].此外, C2存在大量丝状菌可能是产酸反应后推的结果.由于ABR后端长期处于物料短缺状态, C4和C5隔室微生物少而单一[图 7(g)和7(h)], 分别出现了分散均匀的短杆菌和成团的多球菌, 起到净化水质的作用.

(a)和(b)为C1；(c)和(d)为C2；(e)和(f)为C3；g为C4；h为C5 图 7 第108 d不同隔室的微生物形态 Fig. 7 Microbial morphology of different compartments on day 108

3 讨论

有研究表明, HRT是影响厌氧处理效果的重要运行参数, 对于低负荷运行条件下的ABR尤为重要.合适的HRT可减少ABR中水力死区[4], 增大生物量与底物的接触几率, 提高传质速率, 整体提升反应器的运行效率[26].因此在设计反应器时需注意平衡污泥负荷和反应器构造之间的关系.本实验ABR前3个隔室和后两个隔室物料不均衡现象比较明显, 前端格室营养过度集中, 污泥负荷适于生物繁殖, 后端格室有机物匮乏, 污泥活性不高, 致使整体效率偏低, 且占据空间大, 给运行操作带来不便.因此在处理低负荷城市废水时, 应当将工况调整至较短的HRT, 在减少ABR闲置区域的同时实现高效工艺.

ABR具有抗冲击负荷能力强、各隔室生态位相对稳定的特征.低负荷下ABR需要长期运行才能实现生态位分离[15], 短期内还无法将厌氧产酸区和产甲烷区完全分离.通常情况下, 降解长链脂肪酸的产氢产乙酸反应不能自发进行, 需要同产甲烷菌等耗氢菌协同互营生长[27], 而且ABR实现污泥颗粒化是必然趋势.因此, 完整的颗粒内部以产甲烷菌为优势菌, 外部以产酸菌为优势微生物, 在胞外聚合物的包裹下形成内外互通的微生态系统[28].前端隔室有机酸含量丰富, 利于耗酸产氢产甲烷, 产得的气泡滞留或黏附在颗粒上, 较小的水力剪切作用无法将气泡及时脱离, 加上颗粒化过程团聚体不够成熟密实, 会有被气泡夹带浮在水面的可能.所以低负荷运行的反应器总体性能十分稳定, 但存在污泥流失风险.

碳源是影响反硝化除磷过程的关键因素之一.不同碳源对DPBs的释磷速率与PHA合成种类有明显的差别, 其中短链挥发性有机酸最佳[29].据报道, 每去除1 mg P需要消耗6~9 mg的短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFAs)[30], 然而生活污水中不一定存在SCFAs.因此需要通过水解酸化作用将废水中复杂有机质降解转化, 为反硝化除磷提供优质碳源.从本研究的沿程碳源转化趋势可知, 只有在HRT低于7.5 h时, VFAs最低点位才移至C1, C2中VFAs含量足以供应DPBs处理生活污水中磷的基本代谢需求.所以, ABR-MBR反硝化除磷耦合工艺中, 硝化液的在各工况下最佳回流点位应设置在第二隔室.

4 结论

(1) 以生活污水为研究底物, 通过两步提升负荷的方式在51 d内成功启动ABR.在HRT为10、7.5、5和4 h时, 系统COD去除率一直稳定在89%以上, 出水COD低于50 mg·L-1；沿程分析知, C1隔室在各阶段去碳贡献比重分别为89%、78.56%、74.18%及58.91%, C2去碳比重逐渐上升.系统去碳主要功能区在前两隔室.

(2) 随着HRT缩短至5 h, VFAs最高点位同pH最低点位同步移至C1.组分分析知, 乙酸始终是VFAs的主要成分.随着HRT从7.5 h缩至4 h, 乙酸含量由25.78 mg·L-1上升至73.44 mg·L-1, 占比由51.37%提升到58.8%；丙酸和丁酸总占比由41.74%降低到31.94%.

(3) ABR污泥颗粒化程度沿水流方向降低, 随运行时间延长而升高.其中C1污泥颗粒化经历了微粒形成、颗粒固定、颗粒污泥成熟3阶段.经105 d驯化培养, ABR前3隔室颗粒粒径主要分布在0.5~1.5 mm之间, 后两隔室粒径平均约为0.5 mm.

(4) 至108 d, ABR沿程实现一定程度的生物相分离.C1以产酸丝状菌为主, 产甲烷菌为辅, C2和C3分别以甲烷多球菌和单球菌为主, C4以短杆菌为主, C5无明显优势菌.

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