好氧颗粒污泥处理再生纤维造纸废水二级出水的研究

雷利荣 林奕鹏 王彩梦 李广胜

（华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640）

制浆造纸工业是我国工业水污染物产生的主要行业之一[1]，其中废纸的回收利用更是占据了重要的一部分，其废水具有排放量大、污染物浓度高的特点。目前生化处理是再生纤维造纸废水二级处理的主要工艺，可去除90%以上的COD。但二级出水中仍含有一定量的有色物质、难降解有机物以及固体悬浮物（SS），其中木质素及其衍生物的存在是再生纤维造纸废水难降解的首要原因[2-3]。这些难降解有机物需要通过深度处理被去除，但目前常见的深度处理技术存在着二次污染、处理成本高等各种问题。因此，使用生物处理技术去除废水中的难降解木质素及其衍生物具有重大意义。

序批式颗粒污泥床反应器（SBBGR）作为一种新型的废水处理技术，是在序批式反应器（SBR）内装填纤维填料、陶粒、活性炭等填料，然后在填料中培养出好氧颗粒污泥的一种新型反应器。其具有较高的污泥浓度，同时存在好氧、缺氧与厌氧环境，为好氧、缺氧和厌氧微生物提供了生存条件，有较丰富的生物相，能够同时进行好氧和厌氧代谢活动[4]。丰富的生物相、高生物量及高微生物活性使SBBGR 具备较高的污染物去除性能[5]。Lotito 等人[6]用SBBGR 处理混合市政-纺织废水，结果表明COD、总固体悬浮物（TSS）、总氮（TN） 和表面活性剂去除率分别为82.1%、94.7%、87.5% 和77.1%，与集中式工厂（水力停留时间30 h）处理相同废水的性能比较，可知SBBGR 系统能够以更简单的处理方案，更低的水力停留时间（11 h）和更低的污泥产量处理质量相当的废水。De等人[7]用SBBGR对生活污水进行处理，在去除SS、COD 和TN 方面非常有效，平均出水浓度分别为5 mg/L、32 mg/L 和10 mg/L，且消毒性能高于传统的城市污水处理厂。造纸废水深度处理的难点来源于木质素等难以被生物降解的有机物[8-9]。有研究用SBBGR 技术处理单宁/木质素，在单宁/木质素的进水初始浓度为50 mg/L 时，去除率达到97%；进水浓度增加到100 mg/L时，单宁/木质素的去除率缓慢下降到60%左右[10]，这一定程度上可以说明SBBGR具有降解木质素等难降解有机物的能力。已有研究证明序批式生物膜反应器（SBBR）能降解木质素类污染物[11]，Cai等人[12]采用不同的生物反应器处理再生纤维造纸废水二级出水，包括SBBR、搅拌罐式反应器（STR）和浸没式曝气反应器（SAR），发现SBBR、STR 和SAR对CODCr的去除率分别为（39.7±5.9）%、（30.9±8.5）%和（15.7±8.9）%。SBBGR 是在SBBR 中驯化出污泥浓度和微生物活性高的好氧颗粒污泥，使得反应器内同时存在好氧、缺氧与厌氧环境，因而提高了难降解污染物的去除效果。有报道表明厌氧环境可提高木质素等难降解物污染物的去除效果[13-15]。本研究以SBBGR反应器系统处理再生纤维造纸废水二级出水（以下简称二级出水），探讨SBBGR 反应器对废水中污染物的降解去除效果，分析系统中微生物群落的变化，为开发一种绿色高效的废水处理技术提供科学数据。

1 实 验

1.1 接种污泥

实验用污泥样品取自广东某造纸废水处理厂二沉池回流污泥，呈褐色，污泥浓度（MLSS）为5.82 g TSS/L，挥发性固体悬浮物（MLVSS）/MLSS 值在0.52～0.58之间。

1.2 实验仪器与试剂

水质分光光度计（DR2800，美国HACH）；COD消解仪（DRB200，美国HACH）；曝气装置（ACO-9601，广东海利集团）；pH 精密酸度计（PB-10，赛多利斯科学仪器有限公司）；溶解氧测定仪（HQ40d，美国HACH）；循环蠕动泵（77601-00，美国Cole-Parmer）；进水蠕动泵（NKCP-C-S10B，中国卡默尔）；恒温水浴锅（HH-4，常州奥华仪器）；BOD 测定仪（BODTrakII，美国HACH）；恒温振荡器（ZD-85，常州澳华仪器有限公司）；冷冻干燥仪（LC-10N-50A，上海力辰邦西仪器科技有限公司）；气相色谱-质谱联用仪（GC-MS，Agilent5973，美国Agilent Technology）；傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，TENSOR27，德国Bruker）。

无水乙酸钠、氯化铵（NH4Cl）、磷酸二氢钾、碳酸氢钠、磷酸钠（Na3PO4）、磷酸氢二钾（K2HPO4）、氯化钾（KCl）、氯化钠（NaCl）、浓硫酸和氢氧化钠，购于广州化学试剂厂；乙酸乙酯、二氯甲烷，购于上海润捷化学试剂有限公司，以上试剂均为分析纯。

1.3 实验用水

实验用水分为人工模拟废水及广东某造纸厂的再生纤维造纸废水二级出水。SBBGR使用人工模拟废水培养运行90 天进入驯化过程，驯化过程使用模拟废水和造纸废水的混合废水。驯化过程历经5 个阶段，每个阶段运行8 天，二级出水分别占进水的20%、40%、60%、80%和100%，历时40天后驯化完成。

人工模拟废水中投加适量Na3PO4、K2HPO4、KCl、NaCl 等物质提供给反应器内微生物营养所需的微量元素；碳源、氮源、磷源分别由无水乙酸钠、NH4Cl、KH2PO4提供，将废水的CODCr、氨氮、TN 的浓度分别控制在1000、40～60 和8.0～2.0 mg/L；用碳酸氢钠调节pH值为（7.4±0.2）。

二级出水CODCr、BOD5、TN、总磷（TP）分别为（190±33.4）、（7.2±1.7）、5.6～9.6、1.83～4.22 mg/L，pH 值为6.8～7.5，呈浅黄色，色度在163～179 CU之间。

1.4 实验方法

图1 为SBBGR 反应器示意图。SBBGR 反应器是一个圆柱形有机玻璃柱（内径60 mm；高度500 mm；几何体积1 L；接种污泥体积400 mL）。反应器下部分放置若干塑料填料（长度10 mm；直径10 mm；有效比表面积500 m2/m3；孔隙率95%），为污泥生长依附提供支撑材料；反应器上部分放入曝气装置、溶解氧（DO）和温度电极、pH 电极。反应器底部有4 个流通口，2 个接入水泵，用于进水阶段的入水；2 个流通口接循环泵，在运行阶段使废水在反应器中循环，确保氧气的均匀分布。反应器运行周期为8 h，分为进水阶段（10 min）、暂停阶段（进水前后各10 min）和反应阶段（450 min）。反应器在循环泵暂停运行10 min后开始进水，同时在反应器上方完成出水。进水完毕10 min后，循环泵继续运行。反应器置于恒温水浴锅中，温度设为（32±1）℃。

图1 SBBGR反应器示意图Fig.1 Schematic diagram of the SBBGR reactor

1.5 分析方法

使用水质分光光度计，采用重铬酸钾法、过硫酸盐氧化法、消解-抗坏血酸法，分别测定废水CODCr浓度、TN、TP；根据国家标准GB 11901—89 测定废水固体悬浮物（SS）；使用pH 精密酸度计测定废水pH值；通过溶解氧测定仪测定废水溶解氧；采取5日生化培养法测定废水BOD5。

1.6 FT-IR分析

取50 mL 待测水样，在4000 r/min 转速下离心20 min，取上清液进行冷冻干燥，干燥后的样品用溴化钾压片法制样，用于红外光谱分析。

1.7 GC-MS分析

准备3份200 mL的水样，用0.45 μm的微孔滤膜过滤，其中2 份分别用1 mol/L 的硫酸和氢氧化钠溶液调节pH 值至2 和12。将水样分开置于分液漏斗，加入30 mL 乙酸乙酯和20 mL 二氯甲烷后在恒温振荡器中振荡30 min，充分混合后静置20 min，分层后取出有机相完成1 次萃取，向剩余水相中继续加入30 mL 乙酸乙酯和20 mL 二氯甲烷继续萃取，重复上述操作，萃取3次后将所有有机相收集在一起，加入无水硫酸钠脱水，脱水后自然蒸发至5 mL，保存样品用于GC-MS分析。

GC-MS 分析条件：HP5 石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），系统进样器（7683B，美国Agilent Technology）自动进样，分流比10∶1；使用高纯氦气为载气，流量1 mL/min，进样量l μL；升温程序为柱温60℃，进样口温度280℃；质谱条件为电子轰击电压1.2 kV，电子轰击能量70 eV，质量扫描范围30～500 amu，检索谱库为NIST14。

1.8 微生物分析

将接种污泥和成熟好氧颗粒污泥样品送至苏州金唯智生物科技有限公司使用Illumina测序平台进行高通量测序。对污泥进行16S rDNA扩增子测序，通过特异性引物扩增样本中原核生物16S rDNA的可变区，构建高通量测序文库并对16S rDNA 可变区序列进行分析，从而鉴定环境中原核微生物的组成与丰度。测序得到的每一条序列来自于1个菌种，对序列进行归类操作，将序列按照彼此的相似性归类为许多小组，1个小组就是1个操作分类单元（OTU）。在97%的相似水平下对所有序列进行OTU划分并进行生物信息统计分析。

2 结果与讨论

2.1 污泥颗粒化培养过程

使用人工模拟废水培养，在反应器启动第5 天，接种污泥在填料外形成一层较薄的生物膜，呈褐色絮状；培养过程中生物膜逐渐变厚，在生物膜厚度达到一定程度后，将循环泵流量从120 mL/min 增加至150 mL/min，以增大反应器内的水力剪切力，使部分生物膜分离沉积在填料内部；反应器启动第40 天，填料内部可观察到1～2 mm 粒径的颗粒污泥；随后颗粒污泥在填料内部生长，在第50 天污泥粒径达到2～5 mm，反应器启动完成。此时反应器中微生物由两部分组成：附着在塑料填料外部的生物膜和填料孔隙内生长的、与孔隙大小相似的颗粒污泥。填料中的好氧颗粒污泥如图2所示。

图2 好氧颗粒污泥Fig.2 Aerobic granular sludge

2.2 二级出水中污染物的去除

驯化阶段目的是使反应器中的微生物逐渐适应造纸废水的环境，使能降解废水中包括难降解有机物在内污染物的微生物得以生存增长，而不能适应的逐渐被淘汰[16]。驯化过程见1.2 部分，驯化结束后反应器进入稳定运行阶段。驯化阶段及稳定运行阶段反应器的CODCr去除效果如图3所示。

图3 SBBGR反应器对CODCr的去除效果Fig.3 Removal of CODCr by SBBGR reactor

从图3 可以看出，随着进水中二级出水比例的升高，出水CODCr的去除率发生了明显下降，驯化结束时出水的CODCr浓度为144 mg/L，去除率为38.7%；而稳定运行阶段出水的CODCr稳定在（95±22）mg/L，去除率为（47.7±5.0）%。一般认为，当废水的BOD5/CODCr低于0.3 时，废水的可生化性较差，本研究中二级出水的BOD5浓度为（7.2±1.7） mg/L，BOD5/CODCr低于0.05，废水中大部分的有机物都难以通过生物降解。因此当进水中容易被降解的人工废水逐渐转换成难降解的二级出水时，降解去除变得困难。本研究中，二级出水的CODCr去除率为（47.7±5.0）%，表明废水中的部分难降解污染物经过SBBGR 反应器处理后被去除。

驯化阶段及稳定运行阶段SBBGR 对废水SS 和色度的去除效果如图4所示。反应器稳定运行进水SS浓度为（366±33）mg/L，出水SS 浓度为（45±12）mg/L，去除率稳定在80%以上，表明反应器对废水SS 有显著的去除效果。研究认为生物反应器中SS 的去除主要由生物膜决定，生物膜可以吸附和捕获大量的SS，使反应器对SS达到良好的去除效果[8]。SBBGR中的大部分微生物在填料的孔隙中以颗粒状的污泥生长，从而在填料表面形成生物膜，因此对SS 有良好的去除效果。

经好氧处理后废水色度一般会提高，这可能是由于高分子质量有机物的降解导致发色官能团的形成[17]，生化过程中微生物产生的新陈代谢残余物和污泥的解体也是色度提高的重要原因[18]。Cai 等人[12]用3 种好氧工艺处理二级出水，均发现了色度的增加，其中SBBR的增加最低。从图4还可以看出，稳定运行阶段废水经过SBBGR 处理后色度没有明显变化。可能是SBBGR中好氧颗粒污泥具有较高的污泥浓度与微生物活性，对污染物的降解较为彻底，且颗粒污泥的结构较为紧实，减少了污泥解体导致的色度增加。

2.3 FT-IR分析

对二级出水及SBBGR 反应器出水进行FT-IR 分析，结果如图5所示，吸收峰的解析如表1所示。

图5 二级出水及SBBGR反应器出水的FT-IR图Fig.5 FT-IR spectra of secondary effluent and SBBGR effluent

表1 FT-IR图解析Table 1 Analysis of FT-IR spectra

由图5 可知，SBBGR 反应器出水在3446、1650、1448、1145 及622 cm-1处吸收峰强度明显降低。由表1 可知，这些吸收峰波数对应于O—H 伸缩振动、C==O 伸缩振动、苯环C==C 拉伸振动、醚类C—O—C伸缩振动及苯环氢面内弯曲振动。结果表明，经SBBGR 反应器处理，二级出水中的醇类、醛类、芳香族化合物及醚类物质被有效降解或转化。

2.4 GC-MS分析

对SBBGR 反应器处理前后的二级出水进行GCMS 分析，谱图如图6 所示。将质谱图与GC-MS 数据标准库比较确定出有机物种类。

图6 GC-MS色谱图Fig.6 GC-MS chromatogram

从图6 可以看出，在二级出水中检出了5 种苯类化合物，包括1,3-二甲基-苯、对二甲苯及乙苯等，而SBBGR 反应器出水中未检出这5 种苯类化合物，说明这些污染物可以被SBBGR 反应器有效降解；同时，二级出水中检出3,4-二甲氧基-苯甲醛及3,4-二甲氧基-苯甲醇，而SBBGR 反应器出水中未检出这两种污染物，说明二级出水经过SBBGR 反应器处理被有效降解，表明SBBGR 反应器对芳香族类污染物具有较好的降解去除能力。研究显示，苯类化合物能在好氧和厌氧的条件下被生物降解[19]，而SBBGR 反应器可以同时提供这两种环境。

从图6 还可以看出，二级出水中检出了6 种酯类化合物，SBBGR 反应器出水中也检出6 种酯类化合物，但是二级出水中检出的十六酸甲酯在SBBGR 反应器出水中未检出，同时SBBGR 反应器出水中检出了邻苯二甲酸二丁酯等新的酯类物质。说明SBBGR反应器对酯类物质的去除能力有限，并且邻苯二甲酸酯类有机物作为一种塑料增塑剂在环境中的降解速率缓慢，生物降解效果不明显，通常需要高级氧化技术作进一步的处理[20]。

2.5 微生物分析

取驯化前SBBGR 反应器中的污泥和稳定运行阶段SBBGR 反应器中的污泥，分别进行高通量测序分析。污泥样品的微生物丰度和多样性指数如表2 所示，微生物在门和属水平下的物种分布如图7所示。

图7 不同分类水平下的物种分布Fig.7 Species distribution at different taxonomic levels

表2 微生物丰度和多样性指数Table 2 Microbial abundance and diversity index

Chao1 指数和ACE 指数是反映菌群丰度的指标，数值越大表明丰度越高，而Shannon 指数和Simpson指数是反映菌群多样性的指标，其数值越大表明群落多样性越高。从表2 可知，稳定运行阶段SBBGR 反应器中污泥微生物的序列数和OTU 数量有所增加，Chao1 指数和ACE 指数降低，Shannon 指数和Simpson指数升高，表明反应器在处理二级出水后菌群丰度略微降低但物种多样性有所增加。这可能是因为培养阶段的人工模拟废水中有机负荷较高且容易被生物降解，微生物得以大量繁殖；在切换成有机负荷低、有机成分复杂且难降解的二级出水后，部分微生物的繁殖受到了抑制，导致物种丰度的下降。

如图7（a）所示，在门水平上，驯化前主要为变形菌门（Proteobacteria）（51.1%）、拟杆菌门（Bacteroidetes）（30.3%）、酸杆菌门（Acidobacteria）（9.5%）；驯化后主要为变形菌门（Proteobacteria）（52.6%）、拟杆菌门（Bacteroidetes）（31.3%）、酸 杆 菌 门（Acidobacteria）（7.4%）。驯化前后污泥在门水平上的差异不大，其绝对优势菌种均为拟杆菌门和变形杆菌门，其在有机物的生物降解过程发挥着重要的作用，变形菌门在木质素降解中作出重要的贡献[13]，拟杆菌门能分泌出超氧化物歧化酶促进木质素的分解[21-23]。

在属水平上（见图7（b）），驯化前的主要菌种为竞争性假丝酵母属（Candidatus_Competibacter）（13.5%）、动胶杆菌属（Zoogloea）（8.3%）、橙黄褐指藻杆菌属（Phaeodactylibacter）（4.9%）；驯化后中主要菌种为陶厄氏菌属（Thauera）（7.9%）、竞争性假丝酵母属（Candidatus_Competibacter）（4.9%） 和 脱 硫 微 菌 属（Desulfomicrobium）（3.6%）。

二级出水经过处理后，SBBGR 反应器中微生物的多样性得到了提高，未确定分类的菌属（Unclassified）含量从3.8%增至8.7%，表明由于外界环境的改变产生了大量新的微生物种群。竞争性假丝酵母菌是反硝化聚糖菌的一种，因为二级出水有机物及氮含量低，竞争性假丝酵母属的增殖受到了抑制，含量下降。同时，陶厄氏菌相对丰度提高，代替竞争性假丝酵母菌成为了驯化后污泥中相对丰度最高的菌属，陶厄氏菌具备较强的环境适应性以及降解芳香族有机物的能力[24]，这也能解释GC-MS分析二级出水中的芳香族有机物被有效降解的结果。另外，脱硫微菌属是一种严格的厌氧菌，能在厌氧条件下参与对木质素的降解[25]，其微生物含量从0.45%提高到3.6%，一定程度上证明了SBBGR 反应器中形成的厌氧区对木质素等难降解物的处理发挥了重要作用。

3 结 论

本研究采用序批式颗粒污泥床反应器培养（SBBGR）、训化好氧污泥，并应用于处理再生纤维造纸废水二级出水，研究结论如下。

3.1 使用人工模拟废水培养SBBGR 反应器90 天后，用再生纤维造纸废水二级出水逐渐替代人工模拟废水，经过40 天驯化后，使用SBBGR 反应器处理再生纤维造纸废水二级出水，在进水CODCr和BOD5浓度分别为（190±33.4）和（7.2±1.7）mg/L 条件下，出水CODCr浓度可降至（95±22）mg/L，去除率为（47.7±5.0）%。

3.2 红外光谱和气相色谱-质谱联用仪分析表明，SBBGR 反应器能有效降解去除废水中的污染物，尤其是对芳香族化合物为代表的特征污染物具有良好的降解去除效果。

3.3 微生物群落分析表明，驯化后的SBBGR 反应器中微生物丰度略微降低但物种多样性有所增加，具有降解芳香族有机物能力的陶厄氏菌和脱硫微菌的相对丰度有所提高。