低强度超声波对ABR处理低浓度污水效果及污泥特性的影响

李鑫，朱易春，连军锋，秦欣欣，田帅

（1 江西理工大学江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 341000；2 江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

低浓度污水通常指化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）浓度小于1000mg/L 的有机污水，主要由生活污水、市政污水和各行各业的工业废水组成[1]。目前，低浓度污水的处理以好氧生物处理为主，能耗较高且产生大量剩余污泥[2]。面对能源的日益短缺，厌氧生物处理技术因其运行成本低、污泥产量少且可回收能源等优点逐渐受到研究者的青睐。厌氧折流板反应器（anaerobic baffled reactor，ABR）是一种高效厌氧生物处理反应器，具有结构简单、运行稳定、抗冲击负荷强等优点[3]。ABR 已广泛应用于高浓度实际污水厌氧生物处理且日渐成熟完善[4-5]，将其应用于低浓度污水处理多停留在实验室研究。Gopala Krishna等[6]运用ABR处理低浓度有机污水（COD 浓度约为500mg/L），在水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）为6h 时，COD去除率超过88%。赵来利等[7]研究了ABR在常温下处理低浓度污水的运行效果，当进水COD 浓度为440～601mg/L 时，出水COD 浓度为65mg/L 左右，去除率为85%～87%。也有研究者通过对ABR结构进行改良，以期提高污染物去除效率。Bodkhe[8]采用改良的ABR 处理市政污水，当进水COD 浓度为400mg/L 左右、HRT=6h 时，出水COD去除率为84%。谭学军[9]通过在ABR中放置弹性立体填料使之成为厌氧活性污泥法和生物膜法相结合的复合式厌氧反应器，处理农村低浓度污水时COD 的去除率最高可达80%以上，出水COD 浓度基本保持在100mg/L以下。虽然研究者针对不同的运行条件及反应器结构改良进行了大量的研究，但ABR处理低浓度污水依然存在一些不足之处，如：①厌氧污泥活性较差，处理效率不高，难以满足排放标准要求；②对难降解及有毒有害物质较为敏感，去除能力差；③微生物与基质之间的传质驱动力较小，传质能力不佳。因此，将研究目光转向对污泥微生物的直接调控上，通过提高厌氧污泥微生物活性来强化ABR 处理低浓度污水的处理效果显得十分必要。

低强度超声波辐照技术可强化传质能力[10]、提高微生物酶活性[11]以及促进细胞代谢与生长[12]，能显著增强污泥微生物活性，从而强化污水生物处理效率，是提高低浓度污水厌氧生物处理效果的有效方法之一。因此，本文通过运用低强度超声波直接作用于ABR 各隔室厌氧污泥本身以提高其活性，进而考察超声对ABR 整体处理低浓度污水的强化效果，并通过对稳定期两反应器各隔室污泥量、胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）、脱氢酶活性（dehydrogenase activity，DHA）、粒径分布、表面官能团、微观形貌等分析，探究超声强化下ABR 各隔室污泥特性，以期为利用低强度超声波提高低浓度污水厌氧生物处理效果提供参考。

1 材料与方法

1.1 接种污泥与进水水质

实验所用厌氧污泥取自赣州某养猪场沼气池，挥发性悬浮固体/总悬浮固体（VSS/TSS）=0.54。进水为人工配制的低浓度污水，以葡萄糖为碳源（COD浓度为600mg/L左右），并投加适量的氯化铵和磷酸二氢钾以保证微生物所需的C∶N∶P 营养比。投加碳酸氢钠调节碱度，保证出水pH 在6.5～7.5之间，并适量投加微生物生长所需的微量元素。

1.2 实验装置

实验装置如图1 所示。选两个完全相同的ABR，长472mm，宽146mm，高516mm，有效容积为20.28L，反应器R1为空白对照组，R2为超声组。每个反应器有4个隔室（C1、C2、C3、C4），每个隔室由1 个下向流室和1 个上向流室两部分组成。进水通过蠕动泵从进水箱泵入反应器，定速进水。污泥从底部取样口取出超声，超声装置采用探头式超声发生器（JY88-IIN，宁波新艺），频率20kHz，输出功率2.5～250W（1%～100%可调）；探头直径6mm，超声辐照方式为间歇式（超声1s 停1s），常压操作，辐照污泥时探头浸没于污泥中10mm。反应器在室温（25℃±3℃）下运行。

图1 实验装置

1.3 反应器的启动与运行

反应器均采用固定进水有机物浓度无间断进水，逐步缩短水力停留时间（HRT=24h，12h，8h）的方式启动。经过约90 天的启动，R1出水COD 去除率稳定在89%左右，R2去除率稳定在88%左右。启动成功后，为体现超声的强化作用，选择对污泥活性较低的R2各隔室污泥进行超声处理，超声参数为频率20kHz、声能密度0.1W/mL、辐照时间10min、辐照周期24h，辐照污泥比例10%。

1.4 分析方法

COD 按照水和废水监测分析方法中的快速密闭催化消解法测定[13]；TSS、VSS 采用重量法；松散结合型EPS（loosely bound EPS，LB-EPS）采用超声提取法[14]；紧密结合型EPS （tightly bound EPS，TB-EPS）采用热提取法[15]；多糖（PS）的测定采用苯酚-硫酸法；蛋白质（PN）的测定采用考马斯亮蓝法；脱氢酶的提取与活性测定参照Xie等[16]的方法；采用英国马尔文帕纳科公司生产的激光粒度仪（Mastersizer 2000）测定厌氧污泥粒径。

采用美国Thermo Fisher Scientific 公司生产的Nicolet 6700 型傅里叶红外光谱分析仪（FTIR）表征厌氧污泥表面官能团：取1～2mg 干燥污泥样品、200mg光谱纯KBr研细均匀，压制成透明薄片后测试，波数范围400～4000cm-1，扫描次数32，分辨率4cm-1。

采用美国FEI公司生产的MLA 650型扫描电子显微镜（SEM）观察污泥的微观形貌：取污泥样品用磷酸盐缓冲液清洗三遍，放入2.5%的戊二醛中4℃下固定2h以上；用磷酸缓冲溶液清洗固定好的样品3 次，每次10min；再依次放入50%、70%、80%、90%、95%和100%的乙醇溶液中依次脱水，每次10min；用1∶1 乙醇与乙酸异戊酯的混合液、纯乙酸异戊酯各置换一次，每次20min；用导电胶将真空干燥后样品固定在样品台上，用离子溅射仪镀膜后待检。

2 结果与讨论

2.1 超声辐照对ABR降解有机物的影响

为考察超声波对反应器的强化效果，反应器持续运行了60 天。由图2 可知，进水COD 浓度为593～627mg/L。R2在超声辐照前25天出水COD去除率先降后升，表明在此阶段污泥微生物由未适应超声的刺激作用到逐步适应的转变过程。R2超声辐照25 天后去除效果达到稳定，出水COD 浓度均低于R1：稳定期进水COD平均浓度为609mg/L，R1出水COD平均浓度为62mg/L，平均去除率为89.8%；R2出水COD 平均浓度为31mg/L，平均去除率为95.0%。经低强度超声波强化稳定后，R2较R1出水COD 去除率提高了5.2%，出水COD 浓度在27～40mg/L 之间，出水COD 浓度可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A排放标准。

图2 反应器进出水COD含量及其去除率

2.2 超声辐照对污泥量的影响

由图3 可知，超声组各隔室TSS、VSS 均低于对照组，但VSS/TSS的比值却高于对照组。由此可见，相对于空白对照组，低强度超声波强化ABR处理低浓度污水可以达到污泥减量的效果，这对缓解日益增多的剩余污泥量及升高的污泥处理成本具有重要的实际意义。低强度超声波辐照厌氧污泥，可使污泥出现解偶联代谢现象，从而减少部分泥量的产生[17]。超声效应也可使污泥絮体分散，部分微生物及衰老细胞对超声的耐受性较差，继而细胞溶解进入上清液中[18]。VSS/TSS 可近似表征厌氧污泥中有机物及微生物含量，其比值的大小一定程度上反映了厌氧污泥的活性高低。超声组各隔室VSS/TSS的比值皆高于对照组，可能是因为低强度超声波在实现污泥减量的同时提高了单位体积污泥中的活性微生物含量，进而可提高污泥消耗有机底物的能力，同时抗外界干扰能力及适应能力也得到提高。

图3 反应器各隔室VSS、TSS浓度

2.3 超声辐照对污泥EPS的影响

低强度超声波对各隔室污泥EPS 的影响将从LB-EPS、TB-EPS 含量及其主要成分PN、PS 含量分析。由图4可知，对照组和超声组EPS含量均沿程减少，这主要是因为有机底物随隔室逐渐减少，微生物缺少有机底物不利于EPS的形成。其次，在缺乏有机底物时，微生物将部分可生物降解的EPS充当碳源和能量消耗[19]。超声组各隔室EPS总量均高于对照组，且LB-EPS、TB-EPS 含量均高于对照组，可见超声对污泥EPS 的形成具有促进作用。低强度超声波产生的剪切力可改变细胞形态，使细胞壁和细胞膜变薄，从而增加了细胞的通透性[20]。细胞通透性的增加促进细胞代谢活动的同时可使更多的有机大分子分泌到胞外形成EPS。超声组各隔室EPS总量的增加有利于提高微生物处理污水的能力。一方面，EPS总量的增加可提高微生物聚集体的稳定性[21]；另一方面，污泥对污染物的吸附能力也得到增强[22]。超声组各隔室蛋白质含量均高于对照组，说明超声可增强污泥微生物蛋白质的合成能力。当污泥受到超声辐照后，污泥防御机制将被激发，微生物为了提高自身的稳定性，将会分泌更多的蛋白质抵御外界干扰。超声组各隔室多糖含量均低于对照组，可能是超声抑制了多糖的合成途径，或是低强度超声波提高了细胞的通透性使胞外酶的含量增多，多糖在胞外酶的作用下分解成单糖被微生物吸收利用。

图4 反应器各隔室EPS含量比较

2.4 超声辐照对污泥酶活性的影响

脱氢酶能促进生化反应关键步骤中的基质脱氢，是微生物降解有机物获得能量的必须酶，其活性的高低直接反映了污泥中活性微生物量的大小及污泥对有机物的降解活性[23]。反应器各隔室脱氢酶活性如图5所示，超声组各隔室脱氢酶活性分别为26.43mgTF/(gVSS·h)、23.43mgTF/(gVSS·h)、21.87mgTF/(gVSS·h)、19.55mgTF/(gVSS·h)，而对照组各隔室分别为18.13mgTF/(gVSS·h)、17.01mgTF/(gVSS·h)、13.56mgTF/(gVSS·h)、9.90mgTF/(gVSS·h)。可见超声组各隔室脱氢酶活性均大幅高于对照组，说明低强度超声波对厌氧污泥脱氢酶活性有明显的促进作用，进而提高厌氧微生物对有机物的降解能力。超声作用下细胞通透性的增加有助于增强其传质能力，便于酶的内外扩散，提高酶与反应底物的接触频率。也有研究认为超声波可改变酶分子的构象,使其结构更加合理，进而提高酶的生物活性[24]。脱氢酶活性随隔室往后逐渐降低，主要是因为营养物质沿程减少，微生物活性逐渐降低，使得脱氢酶合成和分泌量减少。

图5 反应器各隔室污泥脱氢酶活性

2.5 超声辐照对污泥粒径的影响

不同反应器各隔室污泥粒径分布见图6。R1各隔室体积占比最大的污泥粒径范围分别为0.3～0.5mm、0.3～0.5mm、0.1～0.3mm、0.1～0.3mm，占比分别为27.23%、33.72%、39.94%、44.35%。R2各隔室体积占比最大的污泥粒径范围均为＜0.1mm，占比分别为42.62%、58.66%、54.39%、69.57%。有研究将粒径≥0.5mm的污泥定义为颗粒污泥[25]。R1各隔室粒径≥0.5mm 的污泥占比分别30.73%、20.43%、8.49%、6.94%，而R2各隔室中仅有第一隔室中存在粒径≥0.5mm 的污泥，占比为4.98%。整体来看，R1、R2各隔室污泥粒径均有沿程减小的趋势，主要原因是可利用有机底物浓度及水流作用沿程减小，不利于污泥的颗粒化。由R1、R2对应隔室污泥粒径对比可知，低强度超声波辐照可使R2各隔室较小粒径污泥占比增大，较大粒径污泥占比减小。总体来说，低强度超声波辐照厌氧污泥可使污泥粒径减小，而污泥粒径的减小可使比表面积增大，强化固液传质能力，进而提高有机物去除效率[26]。

图6 反应器各隔室污泥粒径分布情况

2.6 超声辐照对污泥表面官能团的影响

采用FTIR表征R1、R2各隔室污泥表面官能团，探究超声辐照对污泥表面官能团的影响。由图7对比可知，经超声周期性辐照后，对应隔室污泥FTIR图谱趋势基本一致，污泥表面特征峰基本没有变化，说明低强度超声波辐照污泥并不改变污泥表面官能团种类，两反应器对应隔室污泥含有相似的官能团。在波数3400cm-1左右处存在—OH或—NH伸缩振动，—OH 可能由污泥产生的醇类、酚类或糖类等有机物引起，而—NH 来自胺类物质[27]。在波数2926cm-1左右处存在的亚甲基—CH2不对称伸缩振动，可能由烃类或脂肪族化合物产生[28]。在波数1650cm-1左右处吸收峰通常由C==O 伸缩振动产生，说明污泥中存在羧酸、醛、酮等有机物[29]。在波数1547cm-1左右处为硝基、亚硝基形成的吸收峰位置[30]。在波数1452cm-1、1395cm-1左右特征峰为芳香族或脂肪族C—H 振动峰[31]。在1240cm-1处的吸收峰由污泥中蛋白质类物质的C—N 键伸缩振动引起[32]。在波数1058cm-1左右处存在的特征峰为C—O及Si—O吸收峰位置[33]。指纹区900～500cm-1范围内的特征峰多为污泥中芳香族化合物苯环因取代所形成[34]。

图7 反应器各隔室污泥FTIR图谱

2.7 超声辐照对污泥微观形貌的影响

为了进一步探究超声波对污泥微观形貌的影响，对R1、R2各隔室污泥进行了SEM观察。由图8(a)～(d)可知，对照组污泥表面较为光滑，各类细菌以丝状菌为骨架呈簇拥状，絮体结构紧密，轮廓清晰。R1各隔室中污泥表面皆以丝状菌为优势菌种，球菌沿隔室逐渐减少。由图8(e)～(h)可知，超声组污泥表面相对粗糙、凹凸不平，絮体结构松散，比表面积增大，有利于提高物质传质速率。由图8(g)、(h)可见大量无规则的片状凸起，可见低强度超声波对微生物细胞表面可产生一定的损伤。R2各隔室污泥表面以球菌为优势菌种，丝状菌较对照组大大减少，猜测超声波产生的超声效应可使丝状结构断裂而不利于丝状菌的生长与繁殖。可见低强度超声波对菌种具有一定的选择性，不同种类的微生物对超声刺激的耐受能力存在差异性，低强度超声波长期辐照可对微生物菌种起到筛选作用。

图8 反应器各隔室污泥SEM照片

3 结论

（1）低强度超声波可提高ABR 处理低浓度污水有机物去除效果，且运行稳定。在启动已获得较高去除率下，当进水COD 浓度为600mg/L 左右、HRT=8h 时，超声组稳定后出水COD 平均浓度为31mg/L，较对照组出水COD 去除率提高5.2%，出水COD 浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A排放标准。

（2）超声波周期性辐照后，超声组各隔室污泥TSS、VSS 均低于对照组，超声可起到污泥减量的作用，且可提高污泥的VSS/TSS。超声处理可增加超声组各隔室污泥EPS 总量，造成LB-EPS、TBEPS的积累，蛋白质含量增加，多糖含量减少。

（3）低强度超声波辐照厌氧污泥可大幅提高超声组各隔室污泥脱氢酶活性，使污泥降解有机物能力得到增强。同时污泥粒径减小，比表面积增大，利于传质，但污泥表面官能团种类基本不变。

（4）低强度超声波对污泥微生物菌种具有一定的选择性，对照组各隔室污泥表面以丝状菌为优势菌种，而超声组各隔室污泥表面以球菌为优势菌种。