内循环厌氧反应器厌氧颗粒污泥的特性研究

王 英

（湖南有色金属研究院，湖南 长沙 410100）

内循环厌氧反应器厌氧颗粒污泥的特性研究

王 英

（湖南有色金属研究院，湖南 长沙 410100）

厌氧颗粒污泥是厌氧反应器高效稳定运行的基础和关键。试验研究利用了一种改进型的内循环厌氧反应器，克服了传统内循环厌氧反应器结构复杂易引起堵塞等缺点，对厌氧颗粒污泥的特性进行研究，研究厌氧颗粒污泥的特性对生产实践具有重要的指导意义。该试验研究是在改进型内循环厌氧反应器稳定运行的基础上，对颗粒污泥的粒径分布、污泥产甲烷活性、DGGE等特性进行分析。

内循环厌氧反应器；厌氧颗粒污泥；特性

印染行业是工业废水排放大户，据统计，全国印染废水每天排放量约为3×106～4×106m3，印染废水的COD可达到2 000～3 000 mg／L，而且BOD／COD在0.2以下，单纯的好氧生物处理难度大、成本高［1］。

厌氧反应器是废水厌氧处理中的关键设备，关系到整个厌氧工艺的处理效果和可行性。本次研究使用了一种改进型的内循环厌氧反应器，在原三相分离器的设计上进行了合理的改进，对设备结构进行了简化，发扬了内循环厌氧反应器的优点，克服了传统内循环厌氧反应器结构复杂易引起堵塞等缺点［2］。

厌氧颗粒污泥是厌氧反应器高效稳定运行的基础和关键。厌氧颗粒污泥是一个复杂的微生物群落，主要包括细菌和古细菌。研究厌氧颗粒污泥的特性对生产实践具有重要的指导意义。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验装置为内循环厌氧反应器，由本体部分和气液分离器组成，如图1所示，材质由有机玻璃制成，内径30 cm，总体积100 L，径高比约5。

图1 内循环厌氧反应器结构示意图

1.2 污泥样品来源

在反应器启动与稳定运行的过程中，每隔一定时间从反应器中取得污泥样品，共取得四个污泥样品，其中样品A：用COD为500 mg／L的人工配水持续8～10 h漂洗后的污泥，即接种污泥；样品B：反应器运行40 d后取得，此时反应器的有机负荷约20 kg COD／m3·d；样品C：反应器运行60 d后取得，即反应器启动结束后取得的样品，此时反应器的有机负荷为 30 kg COD／m3·d；样品D：反应器运行 80 d后取得，即反应器稳定运行时取得的样品，此时反应器的有机负荷也为30 kg COD／m3·d。

1.3 污泥粒径分析

取一定量的污泥，使用筛网截留的方法测定粒径分布，使污泥按顺序通过筛网，筛网孔径分别为5、4、3、2、1，将筛网所截留的污泥进行收集、烘干、称重处理，然后计算出不同粒径范围污泥的质量分数，由此读出颗粒污泥的粒径分布（按质量计算的）。

1.4 污泥产甲烷活性

厌氧污泥产甲烷活性采用史氏发酵管法测定，根据测定的最大比产甲烷速率值判断厌氧颗粒污泥的产甲烷活性。

1.5 DGGE分析

1.5.1 总DNA提取

采用滚珠振荡机械破碎法提取，提取方法为：将颗粒污泥放入磨砂滚珠离心管内，加入CTAB充分振荡，然后用振荡破碎仪振荡处理1 min；振荡破碎后的样品，采用溶菌酶蛋白酶K水解，使用Tris－饱和酚抽提与异丙醇沉淀分离取得DNA；再采用DNA纯化试剂盒A014进行纯化。

1.5.2 PCR扩增

使用 PE9700型PCR扩增仪进行PCR扩增，扩增对象为16S－rDNA的V2－V3可变区。细菌的引物为PRBA8F（5’－AGAGTTTGATCCTGGCTCAG－3’）与PRUN518R（5’－ATTACCGCGGCTGC TGG－3’）；对于古细菌，引物为 PARC109F（5’－ACKGCTCAGTAACACGT－3’）与PRUN518R（5’－2 ATTACCGCGGCTGC TGG－3’）；在PRUN518R的5’端加GC卡，提高DGGE分辨效率。

1.5.3 变性梯度凝胶电泳

在Dcode系统上进行DGGE分析，聚丙烯酰胺凝胶浓度是8%，细菌和古细菌的变性剂浓度范围是35%～50%，在1×TAE缓冲液中，在120 V电压下，60℃恒温电泳5～6 h，电泳后银染，用GSD 8000成像系统进行结果观察，并进行照相。用Phoretix1D软件对该DGGE图谱进行分析，分析样品之间的微生物种群相似性，并绘制微生物种群相似性分析图。

2 试验结果

2.1 颗粒污泥的粒径分布

对不同时期取得的颗粒污泥的粒径分布情况进行测定绘图，结果如图2所示。

由图2可看出，随着反应器运行的进行，污泥颗粒的粒径逐渐变大。样品A中颗粒污泥的粒径基本上都小于2 mm，其中粒径小于1 mm的占到了约65%，而粒径在2～3 mm之间的仅占了不到10%，未有粒径大于3 mm的颗粒出现；样品B中颗粒污泥粒径小于1 mm约占25%，粒径在2～3 mm之间的占了约38%，说明污泥颗粒在逐渐变大；样品C中颗粒污泥粒径小于1 mm约占18%，粒径在2～4 mm之间的占了约51%，甚至出现了粒径大于5 mm的污泥颗粒；相比于样品C，样品D粒径的分布没有发生很大的变化，只是小于1 mm的污泥颗粒有所减少至16%左右，这可能有两个方面的原因，一是污泥继续颗粒化变成粒径较大的污泥，另外可能因为反应器在稳定运行的过程中产生的大量的气体，在循环的过程中部分粒径较小的污泥被冲洗出反应器。

图2 污泥粒径分布

2.2 污泥产甲烷活性

采用史氏发酵罐法对污泥样品进行最大比产甲烷速率测定，以mL／g（VSS·d）计，得到结果如图3所示。

图3 污泥最大比产甲烷速率

由图3可以看出，随着反应器的进行污泥产甲烷的活性逐渐增加。接种污泥A产甲烷活性很低不到20 mL／g（VSS·d），样品C产甲烷活性是302 mL／g（VSS·d），产甲烷活性有了极大增长，这主要是因为反应器启动初期污泥颗粒中产甲烷菌很少，随着反应的进行，产甲烷菌逐渐适应了水质，并有了大量的增长；样品D甲烷活性是307 mL／g（VSS·d），与样品C相比，增长并不明显，可能的原因是当反应器启动结束以后，污泥颗粒中的微生物适应了处理的水质，形成了一个比较合理稳定的群落结构，产甲烷菌的数量不会再出现大量增殖。

2.3 DGGE分析

2.3.1 颗粒污泥中真细菌种群结构分析

对该四个颗粒污泥样品同时进行总DNA提取、纯化，经PCR扩增后再进行DGGE分析，最终得到污泥样品真细菌的DGGE图谱，如图4所示，使用Phoretix1D软件对该真细菌的DGGE图谱进行相似性分析，结果如图5所示。

图4 污泥颗粒中细菌DGGDE图谱

图5 污泥颗粒中细菌相似性分析

一般认为，在DGGE图谱上，每一条带代表某种特定的微生物，且颜色相比较深的条带，代表样品中的优势微生物。因此，从图4可知，与A接种污泥相比，在反应器中运行不同时间后，样品B、C和D中真细菌种类和优势菌种均发生了一定变化，并且样品C与D的真细菌种群结构基本相似；而样品B与C、D相比又有一定的差异。图5亦表明类似的结果，样品A与B、C和D的真细菌种群相似性均较低，样品C与D的真细菌种群相似性可高达83%。

2.3.2 颗粒污泥中古细菌种群结构分析

对四个颗粒污泥样品同时进行总DNA提取、纯化，经过PCR扩增后再进行DGGE分析，最终得到古细菌的DGGE图谱，如图6所示，利用Phoretix1D软件对古细菌的DGGE图谱进行相似性分析，如图7所示。

图6 污泥颗粒中古细菌DGGDE图谱

图7 污泥颗粒中古细菌相似性分析

图6表明，随着反应器COD负荷的增加，及运行时间的延长，颗粒污泥中古细菌种群结构发生较为明显的变化，接种污泥样品A中各菌种数量上相对较为单一，而反应器运行不同时间段后的样品B、C和D中占优势的古细菌种类渐渐增多，并且古细菌种群结构的变化速率由快而慢，样品A与其它3个样品中古细菌的种类和优势菌种有极大差异，而样品C与D中古细菌的种群结构差异较小些。图7也表明了类似的结果，样品之间的相似性分别是58%、66%和71%，呈递增趋势。

产甲烷菌属于典型的古细菌，古细菌生长易于受到进水成分和COD负荷等环境因素的影响，进水成分和COD负荷的差异会导致古细菌种群结构发生较明显变化。样品A接种污泥，取自原印染企业厌氧消化池，污泥中产甲烷菌较少，产甲烷的活性不高，表现在DGGE图谱上就是条带单一，且颜色相对较浅。随着反应器的运行，污泥逐渐适应了处理水质，产甲烷菌的种类和数量都有了不同程度的增长，样品B的DGGE图谱上的条带明显增多。样品C和样品D的DGGE图谱上的条带又进一步增多，说明污泥中的古细菌的种类进一步增多了，而两者的DGGE图谱相似说明C和D污泥中古细菌的种类相似，启动结束后，污泥中各种产甲烷菌的群落结构相对稳定。

3 研究结论

在改进型内循环厌氧反应器启动与稳定运行过程中，每隔一定时间从反应器中取得污泥样品，并对污泥样品进行颗粒污泥的粒径分布、污泥产甲烷活性、DGGE等特性分析，得出如下结论：

1.内循环厌氧反应器的启动过程是一个活性污泥逐渐颗粒化的过程，随着反应器的进行，污泥的颗粒逐渐增大，稳定运行的反应器中污泥的粒径主要分布在2～4 mm之间，并且有大于5 mm的颗粒出现。

2.随着反应的进行，污泥产甲烷的活性逐渐增加，反应器稳定运行时污泥颗粒的最高比产甲烷速率可达307 mL／g（VSS·d）。

3.反应器的启动和运行过程就是一个污泥中各种微生物适应环境增值并相互适应的一个过程，运行稳定的反应器，颗粒污泥中微生物的群落结构相对稳定，但是古细菌生长易于受到环境因素的影响，这也是产甲烷菌比较不稳定的原因。

［1］沈荣根.综合印染废水厌氧处理的工艺比较［J］.工业给排水，2008，34（12）：59－61.

［2］吴静，陆正禹，胡纪萃，等.新型内循环（IC）厌氧反应器［J］.中国给排水，2001，10（1）：27－30.

Study on the Characteristics of Anaerobic Granular Sludge by Internal Circulation Anaerobic Reactor

WANG Ying

（Hunan Research Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410100，China）

Anaerobic granular sludge anaerobic reactor is the basis and key to the efficient and stable operation.This paper presents an improved internal circulation anaerobic reactor，to overcome the traditional internal circulation anaerobic reactor complex structure，easy to cause blockage and other shortcomings.To study the characteristics of anaerobic granular sludge，the study on the characteristics of anaerobic granular sludge to the production practice has important guiding significance.This experimental research is circulate in the modified on the basis of the stable operation of anaerobic reactor，particle size distribution of granular sludge，sludge methane-producing activity and DGGE analysis.

internal circulation anaerobic reactor；anaerobic granular sludge；the characteristics

X791

A

1003－5540（2015）04－0068－04

2015－06－08

王英（1981－），女，工程师，注册环评工程师、注册安全工程师，主要从事废水处理、环境影响评价方面工作及研究。