新型E-D反应器处理餐厨垃圾效能及微生态研究

田文德，宿程远，冉治霖，覃菁菁，黄 智，陈孟林

(1. 中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都 610081；2. 广西师范大学 环境与资源学院，广西 桂林 541004；3. 深圳信息职业技术学院 交通与环境学院，广东 深圳 518172，4. 广西师范大学 生命科学学院，广西 桂林 541004)

新型E-D反应器处理餐厨垃圾效能及微生态研究

田文德1，宿程远2，冉治霖3，覃菁菁4，黄 智2，陈孟林2

(1. 中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都 610081；2. 广西师范大学 环境与资源学院，广西 桂林 541004；3. 深圳信息职业技术学院 交通与环境学院，广东 深圳 518172，4. 广西师范大学 生命科学学院，广西 桂林 541004)

研究了新型E-D厌氧反应器对餐厨垃圾的处理效能，并利用高通量测序分析了反应器内的微生物群落.结果表明，在餐厨垃圾进水COD为5 000 mg/L，HRT为20 h时，该反应器对餐厨垃圾具有良好的去除效果，COD去除率稳定在85%左右；且出水VFA与ALK分别稳定在4 mmol/L与30 mmol/L左右.E反应器与D反应器内颗粒污泥EPS的总量分别为30.05 mg/gSS和38.34 mg/gSS.在反应器中，对于古细菌而言，Methanobacteriales、Methanomicrobiales、Methanosarcinales所占比例分别为61.69%、19.98%、18.03%，氢营养型产甲烷杆菌为优势种属；而对于总细菌而言，Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes、Synergistetes的比例分别占到了47.34%、15.04%、13.33%、8.4%，表明在该反应器内微生物的新陈代谢非常活跃，从而实现了有机物的有效去除.

E-D厌氧反应器；餐厨垃圾；胞外聚合物；高通量测序；微生物群落

餐厨垃圾主要来源于家庭生活、企事业单位食堂及食品加工服务业，包括食物加工下脚料与食物残余等[1].在我国，餐厨垃圾在城市有机固体废弃物中的比例高达50%～70%，且年排放量呈上升趋势[1-2].当前餐厨垃圾的处理已受到了人们的广泛关注，我国住房和城乡建设部出台了《餐厨垃圾处理技术规范》，要求保证餐厨垃圾实现无害化、资源化与减量化处理.采用厌氧消化工艺对餐厨垃圾进行处理，不仅可以减轻其对环境的危害，还可以产生能源，变废为宝，成为当下餐厨垃圾处理的理想方法[3].厌氧消化根据所处理的物料含固率的不同，可分为湿式、半干式和干式消化三类；干法消化具有有机负荷高、占地省、能耗低等优点；而湿式消化则具有停留时间短、发酵残留物少等优点；但单独采用干法消化，其停留时间非常长，处理效能难以保证；而单独采用湿法消化，其处理负荷不宜过高，且在消化过程中常需用清水来稀释发酵底物，导致厌氧消化反应器体积的扩大和投资成本的增加[4-6].鉴于此，本文开发设计了“EGSB-digester”处理装置，将EGSB与digester进行良好组合，将干式消化与湿式消化进行有机组合，EGSB主要进行湿式消化，digester主要进行干式消化；EGSB反应器采用出水回流技术，提高反应器的负荷，并稀释进入反应器内盐、油脂、氨等浓度，降低其对微生物的抑制和毒害，保证处理效果；同时EGSB反应器中部分泥水流到digester中，部分污染物继续在digester中得以去除，提高了处理效率；另外digester中的部分污泥流到EGSB反应器中，对EGSB中的污泥进行有益的补充.本试验研究了E-D厌氧反应器对餐厨垃圾的处理效能，同时利用高通量测序分析了反应器内的微生物群落，旨在为餐厨垃圾的有效处理提供新途径.

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，E-D厌氧反应器由有机玻璃加工，E反应器的有效容积为4.8 L，HRT为24 h，反应器在室温下运行；D反应器的有效容

积为6.8 L，HRT为10 d.反应器外部设有水浴加热，通过调节温度控制器实现对反应器内部温度的控制，试验过程中，D反应器的温度控制在30 ℃左右，E反应器为室温.

1.2 试验用水与接种污泥

餐厨垃圾取自广西师范大学雁山校区某食堂.试验用水的配置为取一定量的餐厨垃圾并去除骨头，置于榨汁机中，加水至500 mL左右，打碎至黏稠状；然后浆液倒入5 L烧杯中，重复以上2次，共收集餐厨垃圾浆液1 L；用自来水将餐厨垃圾浆液稀释至所需COD质量浓度，至于进水水箱中，通过蠕动泵泵入E反应器；试验过程中，逐渐增大E反应器的进水质量浓度；并取一定量的碳酸氢钠加入进水水箱中，为E反应器运行提供缓冲.而餐余固体残渣至于D反应器中，进行消化.

试验所用接种厌氧颗粒污泥取自本实验室木薯废水的可控内循环厌氧反应器，该反应器对木薯废水COD的去除率达90%以上，颗粒污泥的粒径为2.8 mm，污泥颗粒化情况良好，VSS/SS为0.64.

1.3 分析方法

进出水的COD质量浓度采用快速消解法测定.进出水的挥发酸(VFA)与碱度(ALK)采用酸碱滴定法进行分析.颗粒污泥的EPS采用热提取法进行提取[7]，即取一定的污泥混合液，4 000 r/min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9 000 r/min离心10 min，取上清液过0.45 μm滤膜，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.厌氧颗粒污泥的群落分析利用Qubit 2.0 DNA检测试剂盒对污泥中基因组DNA进行提取，PCR所用的引物为Miseq测序平台古菌通用引物，融合349F引物与融合806R引物，并在第二轮扩增时，引入Illumina桥式PCR兼容引物；对于总细菌而言，引物为Miseq测序平台的V3-V4通用引物，341F引物与805R引物；利用Illumina公司的Miseq高通量测序仪进行测序[8].

图1 E-D厌氧反应器示意图

2 结果与讨论

2.1 E-D厌氧反应器对COD的去除情况

本试验首先考察了E-D厌氧反应器对餐厨垃圾COD的去除情况，结果如图2所示.

图2 E-D反应器对COD的去除情况

本试验采用逐步提高有机负荷的方式进行污泥的驯化与反应器的启动.由图2可知，在餐厨垃圾进入E-D反应器的初期，将进水COD控制在2 000 mg/L左右，COD去除率为70%左右，表明虽然接种污泥保持了较高的活性，但对于餐厨垃圾还需要一个适应的过程.而随着培养驯化过程的进行，COD去除率逐步提高.而后每隔10 d作为一个周期，逐步提升进水COD质量浓度，第35 d时，当进水COD达到5 000 mg/L，该反应器出水COD为700 mg/L左右，对COD去除率稳定在85%以上，表明E-D反应器对于餐厨垃圾达到了良好的处理效果.

2.2 反应器进出水VFA与ALK的变化情况

VFA是有机物水解酸化阶段的主要产物，它也是为后续厌氧消化过程中产甲烷菌的底物；同时出水VFA还被当做厌氧反应器运行时重要的参数，它能直观表明反应器的运行状况.ALK能够反映厌氧反应器对于外来冲击的耐受力，在一定范围之内，ALK与反应器缓冲能力成正相关，因此本试验对E-D反应器进出水的VFA与ALK进行了分析，结果如图3、4所示.

图3 进出水VFA的变化情况

图4 进出水ALK的变化情况

由图3、4可知，在运行的前5 d，由于反应器内的厌氧颗粒污泥处于适应期，因此出水的VFA高于进水，且出水的ALK低于进水.但是并没有出现过度的VFA累积，而对产甲烷菌的活性造成明显抑制.随着驯化阶段的进行，反应器出水的VFA与ALK趋于稳定，到30 d以后，出水VFA稳定在4 mmol/L，ALK稳定在30 mmol/L，VFA/ALK小于0.4，且ALK在20～40 mmol/L，表明该反应器运行稳定，且具有良好的缓冲能力[9].

2.3 颗粒污泥的EPS分析

EPS是微生物聚集体的重要组成部分，分布于微生物细胞表面，是细胞荚膜和细胞周围黏液物质的主要成分，而EPS的组分会改变细菌絮体的表面特性与污泥的理化特性，从而促进细胞间的凝聚与结构稳定[10]，因此，本试验分析了厌氧颗粒污泥EPS中多糖以及蛋白的含量，如图5所示.

图5 E-D反应器内污泥的EPS含量

由图5可知，E反应器内厌氧颗粒污泥的EPS总量、多糖和蛋白质分别为30.05、17.23、12.82 mg/gSS，而D反应器内厌氧颗粒污泥的EPS总量、多糖和蛋白质分别为38.34、22.56、15.78 mg/gSS，

较高EPS含量为厌氧颗粒污泥平稳营造了良好保障.而D反应器内厌氧颗粒污泥的EPS含量更高，说明其污泥理化性能更好，这样一方面可为反应器整体的处理效能提供保证，另一方面可为E反应器提供性能稳定的污泥.

2.4 反应器内古细菌的群落分布

高通量测序技术是测序技术发展历程的一个里程碑，该技术一次可对几百万乃至几亿条DNA分子进行并行测序；通过高通量测序技术，能够实现对环境样品中微生物群落的物种分类、群落结构、系统进化、功能注释以及物种间的代谢网络等研究，可获知有哪些菌群，哪些是优势菌群以及菌群发挥的功能及其之间关系[11-13].而废水的厌氧生物处理过程是一系列复杂的生物学过程，在有机物降解的不同阶段均会由具有相应功能的微生物完成，这些微生物相互抑制，相互依存，共同维系着厌氧反应器的稳定运行[14].由于在处理餐厨垃圾过程中，发挥主要作用为E反应器，因此，本试验利用高通量测序对E反应器内的古细菌群落分布进行了分析，如图6所示.

图6 反应器中古细菌群落分布

由图6可知，从目的层面而言，Methanobacteriales(甲烷杆菌目)、Methanomicrobiales(甲烷微菌目)、Methanosarcinales(甲烷八叠球菌目)所占比例分别为61.69%、19.98%和18.03%.从科的层面而言，Methanobacteriaceae(甲烷杆菌科)为优势种属，所占比例为61.59%.从属的层面而言，Methanobacterium(59.84%)、Methanosaeta(17.9%)、Methanolinea(17.05%)、Methanosphaera(1.74%)、Methanosphaerula(1.66%)在反应器内均被监测到，表明该反应器内产甲烷菌群非常丰富.总体而言，甲烷杆菌为优势种属，原因在于产甲烷菌对铵态氮的耐受程度依次为氢营养型产甲烷杆菌、氢和乙酸兼性营养型的甲烷八叠球菌、乙酸营养型的甲烷鬃菌[15].而餐厨垃圾中由于含有大量的肉类，因此废水中氮含量较高，这会对甲烷八叠球菌与甲烷鬃菌的生长带来影响，从而使得产甲烷杆菌占有优势.

2.5 反应器内总细菌的群落分布

为了更好的了解反应器内微生物群落的情况，从门、纲与目的层面分析了反应器内总细菌的群落分布，结果如图7所示.

由图7可知，从门的层面而言，Firmicutes(厚壁菌门)、Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Synergistetes(互养菌门)的比例分别占到了47.34%、15.04%、13.33%和8.4%，Firmicutes与Synergistetes在厌氧消化过程中，发挥着重要作用，它们可以通过自身的水解酶实现对脂肪、蛋白质与碳水化合物的降解，同时还可以将丙酸、丁酸等小分子通过与产甲烷菌的互营代谢过程实现分解；而Bacteroidetes则在有机物的水解与产乙酸过程中起着举足轻重的作用.从纲的层面而言，Bacilli(芽孢杆菌纲)与Bacteroidia(拟杆菌纲)为优势种群，其比例分别为34.16%与14.23%.从目的层面而言，Lactobacillales(34.05%)、Bacteroidales(14.23%)、Synergistales(8.4%)、Selenomonadales(6.53%)、Clostridiales(5.75%)、Syntrophobacterales(5.30%)所占比例超过了5%，具有一定的优势，特别是Lactobacillales对于有机物的水解过程起着重要的作用.可见，在反应器内微生物的群落丰富，这就为该反应器的高效与稳定运行奠定了良好基础.

图7 反应器中总细菌群落分布

3 结 论

1)新型E-D反应器对餐厨垃圾具有良好的处理效果，其COD去除率在85%左右；且出水VFA/ALK小于0.4，反应器具有良好的缓冲能力.

2)E反应器内厌氧颗粒污泥的EPS总量、多糖和蛋白质分别为30.05、17.23、12.82 mg/gSS，而D反应器内厌氧颗粒污泥的EPS总量、多糖和蛋白质分别为38.34、22.56、15.78 mg/gSS，较高的EPS保障了反应器内颗粒污泥性能的稳定.

3)Methanobacterium、Methanosaeta、Methanolinea、Methanosphaera、Methanosphaerula在反应器内均被监测到，而对铵态氮耐受程度更强的氢营养型产甲烷杆菌成为优势种属；Firmicutes与Synergistetes所占比例达到了47.34%与8.4%，其在厌氧消化过程中发挥着重要作用.该反应器内丰富而良好的微生物群落结构，为其高效的运行提供了保障.

[1] 唐晓达, 张可可, 罗文邃.茅草添加与温度变化对餐厨垃圾厌氧水解产酸的影响[J]. 环境工程学报, 2014, 8(2): 751-757.

[2] 龚咏梅, 木晓丽, 赵秀兰. 餐厨垃圾与污泥联合两步厌氧发酵产酸阶段条件优化试验[J]. 环境化学, 2011, 30(4): 856-862.

[3] LI Y, ZHANG R, HE Y,etal. Anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover in batch and continuously stirred tank reactor (CSTR)[J]. Bioresource Technology, 2014, 156: 342-347.

[4] GOU C, YANG Z, HUANG J,etal. Effects of temperature and organic loading rate on the performance and microbial community of anaerobic co-digestion of waste activated sludge and food waste[J]. Chemosphere, 2014, 105: 146-151.

[5] ARIUNBAATAR J, PANICO A, ESPOSITO G,etal. Pretreatment methods to enhance anaerobic digestion of organic solidwaste [J]. Applied Energy, 2014, 123: 143-156.

[6] MATA-ALVAREZ J, DOSTA J, M S ROMERO-GUIZA,etal. A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013 [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 36: 412-427.

[7] 刘 尹, 刘海宁, 张凯松, 等. 污泥负荷对UASB处理低浓度污水运行效果和污泥性质的影响[J]. 环境工程学报, 2013, 7(12): 4773-4779.

[8] SHU D T, HE Y L, YUE H,etal. Microbial structures and community functions of anaerobic sludge in six full-scale wastewater treatment plants as revealed by 454 high-throughput pyrosequencing [J]. Bioresource Technology, 2015, 186: 163-172.

[9] CHELLIAPAN S, WILBY T, YUZIR A,etal. Influence of organic loading on the performance and microbial community structure of an anaerobic stage reactor treating pharmaceutical wastewater[J]. Desalination, 2011, 271: 257-264.

[10] 邵尤炼, 缪恒锋, 任洪艳, 等. 胞外多聚物在厌氧污泥颗粒化成核过程中的特性[J]. 环境工程学报, 2014, 8(7): 2697-2702.

[11] 夏围围, 贾仲君. 高通量测序和DGGE分析土壤微生物群落的技术评价[J]. 微生物学报, 2014, 54(2): 1489-1499.

[12] 王兴春, 杨致荣, 王 敏, 等. 高通量测序技术及其应用[J]. 中国生物工程杂志, 2012, 32(1): 109-114.

[13] 王绍祥, 杨洲祥, 孙 真, 等. 高通量测序技术在水环境微生物群落多样性中的应用[J]. 化学通报, 2014, 77(3): 196-203.

[14] 赵 光, 马 放, 孙 婷, 等. 基于高通量测序的寒地沼气池微生物群落解析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2014, 46(4): 36-42.

[15] 芮俊鹏, 李吉进, 李家宝, 等. 猪粪原料沼气工程系统中的原核微生物群落结构[J]. 化工学报, 2014, 65(5): 1868-1875.

Study on performance and microecology of a novel E-D reactor for treatment food waste

TIAN Wen-de1, SU Cheng-yuan2, RAN Zhi-lin3，QIN Jing-jing4, HUANG Zhi2, CHEN Meng-lin2

(1. Southwest General Municipal Engineering Design & Research Institute of China Co., Ltd, Chengdu 610081,China; 2. School of Environment and Resources, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China; 3. School of Transportation and the Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172,

China; 4. School of Biological Science, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China)

The performance of a novel E-D anaerobic reactor for treatment food waste was studied. Meanwhile, the microbiological community dynamics in the reactor were analyzed using Illumina high-throughput sequencing. The results showed that the E-D reactor had good processing efficiency for treatment food waste. When influent COD was 5 000 mg/L and HRT was 20 h, and the COD removal rate was above 85%. The VFA and ALK concentration in the effluent were 4 mmol/L and 30 mmol/L, respectively. Amount of total EPS in the E reactor and D reactor were 30.05 mg/gSS and 38.34 mg/gSS, respectively. For archaea, the abundance of Methanobacteriales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales was 61.69%, 19.98% and 18.03%. The hydrogenotrophic methanogens was dominant. For bacteria, the abundance of Firmicutes, Proteobacteria, Bacteroidetes, Synergistetes was 47.34%, 15.04%, 13.33% and 8.4%. It was demonstrated that syntrophic metabolism was highly activated in the reactor result in organic matter removal effectivity.

E-D anaerobic reactor; food waste; extracellular polymeric substances; high throughput sequencing; microbial community

2015-06-21.

广西高校科学技术研究项目(KY2015ZD018)；生态广西建设引导资金项目

田文德(1981-)，男，博士，研究方向：水污染控制与环境微生物技术.

宿程远(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：水及废水处理理论与技术.

X703

A

1672-0946(2015)05-0549-05