长期以来, 好氧生物处理工艺始终存在高耗能的弊端.一方面, 污水处理厂60%的能耗来自于鼓风机消耗, 目前我国污水处理厂的平均电耗为0.292 kW·h·m-3, 13%以上的污水厂电耗超过0.48 kW·h·m-3, 即使在美国, 其城市污水处理的电耗也要占总电耗的3%以上(曲久辉, 2014).另一方面, 城市污水作为资源循环利用的重要载体, 潜在能量巨大, 有待开发.然而, 目前我国城市污水的循环利用仅限于水资源的循环利用, 忽视了污水处理过程中有机质的循环利用.厌氧处理作为一种低成本的废水处理技术, 不仅可以进行污水处理, 而且可以实现能源回收, 近年来得到国内外学者的密切关注.
厌氧生物处理技术一般应用于处理高浓度有机废水, 而有关其用于处理低浓度生活污水的研究相对较少(McCarty, 1981).早在1989年, Sanz等就将厌氧流化床反应器(AFBR)应用于生活污水处理, 发现即使在低于10 ℃的低温环境下, COD去除率也能达到70%以上(Sanz et al., 1989; 1990), 但其COD与SS仍不能满足严格的污水处理排放标准.随着膜技术的发展, Fang等将膜技术与厌氧生物处理相结合, 开发了厌氧膜生物反应器(AMBR), 膜组件的加入有效地截留了固体悬浮物且避免了活性污泥的流失, 极大地提高了出水水质(Fang et al., 2006;Bérubé et al., 2006), 然而膜污染问题接踵而至.Kim等(2011)针对此问题, 加入颗粒活性炭, 利用颗粒活性炭作为生物载体, 并将其充分流化使其对膜组件进行冲刷, 开发了厌氧流化床膜生物反应器(AFMBR), 实验证明, 膜污染得到了一定程度的控制且出水状况良好.
然而, 这些厌氧膜生物反应器配水使用的有机物是醋酸盐或丙酸盐, 相对于生活污水中复杂的有机污染物来说更容易被降解利用.为此, 本研究以蔗糖、蛋白胨为碳源对AFMBR的运行进行探究.张博康等(2018)对AFMBR的能耗及产能进行了实验分析, 结果表明, 若只考虑气态甲烷产能, 当HRT降至10 h时, 该系统产能已是能耗需求的2倍, 因此, AFMBR作为一种低耗高效的废水处理系统, 具有良好的发展潜力.
厌氧微生物是污水厌氧消化的主体.在厌氧消化反应器中, 底物的差异对污泥中微生物群落结构的形成及代谢过程有重要影响(Fernandez et al., 2008).即使在处理相同底物的不同厌氧消化反应器中, 微生物群落仍呈现不同结构(刘君寒等, 2011).本实验系统采用的碳源为蔗糖、蛋白胨, 相对于醋酸盐和丙酸盐这类碳源更复杂、更难降解与利用, 且目前有关AFMBR系统微生物的研究较少.因此, 本研究利用宏基因组测序及高通量技术, 从微生物菌群、功能基因、代谢途径等不同角度对AFMBR系统进行分析, 探寻微生物群落结构变化规律与厌氧消化的内在关系, 以期为AFMBR高效稳定的运行提供科学依据, 同时推动厌氧污水处理技术的进步与发展.
2 材料与方法(Materials and method)
2.1 反应器的构造及运行条件
厌氧流化床膜生物反应器(AFMBR)如图 1所示(张博康等, 2018).AFMBR由一个主反应柱和两个沉淀室组成, 其有效容积为30 L.在主反应柱内部设置有60根1 m长的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜(公称孔径为0.4 μm), 总有效面积为0.2475 m2.
图 1
图 1 AFMBR系统示意图(1.进水蠕动泵, 2.反应柱, 3.沉淀室, 4.循环磁力泵, 5.转子流量计, 6.压力传感器, 7.出水蠕动泵, 8.颗粒活性炭, 9.中空纤维膜, 10.pH电极, 11.ORP电极, 12.DO电极, 13.液位控制器, 14.集气)
AFMBR的实验用水为模拟生活污水, 其水质组成参照冯华军等(2011)对浙江省典型地区生活污水水质检测数据, 进行人工模拟配水, 其配水水质如表 1所示, 其中, 有机碳源组分主要为蔗糖和蛋白胨, 此外, 还包含有NH4HCO3、尿素、K2HPO4、KH2PO4、NaHCO3.
表 1 本次研究中试验废水水质
AFMBR系统连续运行218 d, 整个过程分为4个阶段.系统内的pH维持中性, 温度为20~38 ℃, ORP在-506 mV左右, 均满足厌氧微生物的需要, 不需人为调整.
2.2 样品采集
AFMBR的接种污泥取自北京市某污水厂的污泥浓缩池, 污泥浓度(MLVSS)为80.35 g·L-1.AFMBR运行前, 取种泥经离心后放入超低温冰箱中(-76 ℃)以备高通量测序.AFMBR运行结束时, 自取样口2、3、4(图 1)取泥样.从取样口2、3、4采集颗粒活性炭, 经液氮冷冻、研磨后放入超低温冰箱中以备宏基因组测序.
2.3 高通量测序
接种污泥委托上海生工公司进行高通量测序, 具体步骤参照谭潇等(2017)的研究.首先提取DNA, 对种泥细菌16S rDNA基因的V3区进行PCR两轮扩增, 引物如表 2所示.对种泥古菌16S rDNA基因的V3~V4区进行3轮扩增, 引物如表 3所示.细菌和古菌扩增的PCR产物和正常扩增片段在400 bp以上的PCR产物, 选用0.6倍的磁珠(Agencourt AMPure XP)进行处理.继而利用Qubit2.0 DNA检测试剂盒对回收的DNA精确定量, 按照11等量混合后测序.等量混合时, 每个样品DNA量取10 ng, 最终上机测序浓度为20 pmol.
