覃 雅，程柱雨，王子豪，蔣 瓊，申佩弘

(廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530005)

糖蜜是甘蔗制糖的副產(chǎn)品，被廣泛用于酒精生產(chǎn)。巴西是最早使用糖蜜生產(chǎn)乙醇的國(guó)家，每年乙醇產(chǎn)量可替代巴西40%以上的汽油消耗[1]。在利用糖蜜生產(chǎn)乙醇的過(guò)程中，通常在發(fā)酵環(huán)節(jié)添加25%的稀硫酸溶液營(yíng)造適合酵母生存的酸性環(huán)境[2]，導(dǎo)致平均每生產(chǎn)1 t酒精就會(huì)產(chǎn)生10-15 t含有溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)以及高硫酸鹽含量的高濃度有機(jī)廢水[3]。對(duì)于這種難處理的高濃度有機(jī)廢水，厭氧消化處理無(wú)疑是一種更適合降低廢水廢物污染、降低成本、有效回收能源的技術(shù)。微生物在厭氧條件下將可降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為富含甲烷(CH4)的沼氣，可減少化石能源消耗，同時(shí)這也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)資源循環(huán)利用的理想方法[4]。

通常厭氧消化的效果取決于底物種類(lèi)和混合底物配比，除此之外，接種泥的選擇同樣重要，這決定了厭氧消化能否成功啟動(dòng)以及穩(wěn)定運(yùn)行，從而減少微生物在厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生滯后的影響[5]。此外，馴化后的活性污泥具有較高的抗逆性，在穩(wěn)定的厭氧消化條件下能夠處理更高濃度的有機(jī)廢水。已有許多研究將馴化后的污泥用于處理溶液和廢水，如Lin等[6]的研究強(qiáng)調(diào)，在厭氧序批式反應(yīng)器中利用馴化后的污泥在短水力停留時(shí)間(HRT)和控制反應(yīng)期/沉降期比條件下處理蔗糖溶液，可以提高蔗糖產(chǎn)氫氣的效率；Liu等[7]利用馴化后的厭氧污泥處理乙草胺除草劑，結(jié)果表明厭氧污泥可降解6種重要的乙草胺除草劑，并獲得了具有高效降解乙草胺能力的厭氧污泥；Janeczko等[8]在去除2-硝基苯酚(DNP)工藝廢水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，馴化污泥可以避免在使用非馴化污泥時(shí)DNP降解的長(zhǎng)滯后性。

動(dòng)物糞便被認(rèn)為是一種良好的共消化基質(zhì)，在與糖蜜酒精廢水(MAW)共消化的過(guò)程中，除了富含營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素外，自身含有的高堿度和高氨氮可以中和厭氧消化過(guò)程中因VFAs積累、pH值下降導(dǎo)致的酸性環(huán)境[9]，對(duì)污泥的馴化起到很好的促進(jìn)和強(qiáng)化作用，良好的馴化可使消化過(guò)程中污泥微生物群落結(jié)構(gòu)和功能向積極的方向變化[10,11]。豬糞、雞糞和牛糞是3種常見(jiàn)的動(dòng)物糞便，為厭氧消化過(guò)程中常用的原料。Geng等[12]在如何提高活性污泥厭氧消化過(guò)程甲烷產(chǎn)量的研究中發(fā)現(xiàn)，接種劑用豬糞、牛糞或食物垃圾進(jìn)行馴化后，在一定程度上可以提高甲烷產(chǎn)量。肖利萍等[13]利用生活污水、雞糞和鋸末的混合發(fā)酵液作為碳源馴化硫酸鹽還原菌(SRB)，用馴化后的SRB處理礦山廢水，硫酸鹽的去除率可達(dá)到98.2%。但這3種動(dòng)物糞便作為混合底物對(duì)糖蜜酒精廢水厭氧消化的污泥在抗高負(fù)荷以及抗高硫酸鹽濃度的條件下厭氧消化的研究鮮有報(bào)道。

本研究旨在評(píng)估利用不同動(dòng)物糞便(豬糞、雞糞和牛糞)馴化污泥，在厭氧條件下處理具有高有機(jī)負(fù)荷率和高濃度硫酸鹽糖蜜酒精廢水的有效性，通過(guò)在厭氧消化過(guò)程中添加硫酸鹽(硫酸鈉)，以確定最佳動(dòng)物糞便馴化污泥種類(lèi)，為利用馴化污泥處理高有機(jī)負(fù)荷和高濃度硫酸鹽廢水提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 接種污泥與原料

在保持進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷率(OLR)不變的情況下，將豬糞、雞糞和牛糞分別與糖蜜酒精廢水按照溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)比例為1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶9進(jìn)行混合厭氧消化，即在動(dòng)物糞便SCOD逐漸減少，糖蜜酒精廢水SCOD逐漸增加的馴化方式下產(chǎn)生的3種活性污泥，作為處理糖蜜酒精廢水厭氧消化的接種物。其中豬糞(SMS)組、雞糞(CMS)組和牛糞(BMS)組的污泥接種物以及糖蜜酒精廢水的特性如表1所示。

表1 3種動(dòng)物糞便混合污泥和糖蜜酒精廢水的特性

1.2 反應(yīng)裝置

反應(yīng)裝置由總體積為500 mL的厭氧反應(yīng)瓶和集氣袋兩部分組成。厭氧反應(yīng)瓶頂端安裝兩個(gè)鉆孔，其中1孔為廢水進(jìn)出水孔，另1孔為出氣孔，兩孔區(qū)別在于進(jìn)出水孔下端距離污泥面1 cm以上位置連接塑料管，而出氣孔下端無(wú)連接管。出氣孔上端連接集氣袋，用于平衡氣壓；進(jìn)出水孔上端連接止水夾，隔絕空氣。通過(guò)恒溫水浴鍋加熱控制反應(yīng)溫度，保證消化溫度為(37±1)℃。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1:Influent or effluent pores;2:Syringe;3:Gas outlet;4:Gas collecting bag;5:Constant temperature water bath

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置反應(yīng)器工作體積為400 mL，其中廢水為300 mL，厭氧污泥100 mL，實(shí)驗(yàn)做3個(gè)重復(fù)，共設(shè)置9個(gè)反應(yīng)器。為了使馴化污泥適應(yīng)新的消化環(huán)境，將初始進(jìn)水OLR控制在較低水平，為1.5 gSCOD·L-1·d-1，進(jìn)水物料為動(dòng)物糞便SCOD與糖蜜酒精廢水SCOD比例1∶9的原始污泥，1個(gè)HRT為4d，每個(gè)階段進(jìn)行2個(gè)HRT。進(jìn)水前用NaOH將水樣的pH值調(diào)整至7.0左右。集氣袋始終保持打開(kāi)狀態(tài)，目的是為了使進(jìn)出水有足夠的氣壓。出水時(shí)，用注射器對(duì)準(zhǔn)出水孔并抽出100 mL廢水，用于后續(xù)廢水指標(biāo)的測(cè)定；進(jìn)水時(shí)，用注射器抽取按要求配置好的糖蜜酒精廢水水樣，對(duì)準(zhǔn)進(jìn)水孔將水樣注射到厭氧消化反應(yīng)容器中。每天進(jìn)出水100 mL。在每個(gè)階段進(jìn)樣后的第1天，向進(jìn)出水孔通入氮?dú)? min，確保厭氧環(huán)境，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為適應(yīng)期。

在適應(yīng)期的基礎(chǔ)上，保持OLR為1.5 gSCOD·L-1·d-1，將進(jìn)水物料調(diào)整為純糖蜜酒精廢水，運(yùn)行2個(gè)HRT后，逐步提高進(jìn)水OLR (每2個(gè)HRT提高1次，每次提高OLR=1.0 gSCOD·L-1·d-1)，實(shí)驗(yàn)操作方法與適應(yīng)期一致，反應(yīng)過(guò)程定義為Ⅰ時(shí)期。

在Ⅰ時(shí)期的基礎(chǔ)上，保持高濃度的OLR不變，在硫酸鈉濃度分別為4.0 g·L-1、5.0 g·L-1和6.0 g·L-1的條件下進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)，每個(gè)階段進(jìn)行1個(gè)HRT，實(shí)驗(yàn)操作方法與適應(yīng)期一致，反應(yīng)過(guò)程定義為Ⅱ時(shí)期。

1.4 方法

1.4.1 測(cè)定項(xiàng)目

在Ⅰ時(shí)期每2個(gè)HRT和Ⅱ時(shí)期每1個(gè)HRT后，采集100 mL出水儲(chǔ)存于4℃冰箱中，用于水質(zhì)測(cè)定，根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[14]中的重鉻酸鉀法和氯化鋇濁度法分別測(cè)定廢水SCOD含量以及硫酸鹽濃度。使用便攜式沼氣分析儀(GEM5000，深圳市昂為電子有限公司)測(cè)定產(chǎn)生的1 L沼氣中CH4和硫化氫(H2S)的體積占比，使用高效氣相色譜(GC9720Plus，浙江福立分析儀器股份有限公司)測(cè)定VFAs濃度，分析前將樣品在離心機(jī)上以10 000 r/min轉(zhuǎn)速離心4 min，用0.22 μm過(guò)濾器過(guò)濾，滴加甲酸酸化至pH值2.0以下，設(shè)置儀器進(jìn)樣口溫度為250℃，檢測(cè)器溫度為250℃，載氣為氮?dú)?，在流速?0 mL·min-1下測(cè)定。

1.4.2 微生物群落分析

采?、駮r(shí)期OLR為8.0 gSCOD·L-1·d-1階段、Ⅱ時(shí)期硫酸鹽濃度分別為4.0 g·L-1、5.0 g·L-1和6.0 g·L-1階段的厭氧顆粒污泥，分別命名為X3、X4、X5、X6 (X由SMS、CMS和BMS表示)。顆粒污泥在10 000 r/min離心1 min后，去除上清液，污泥樣品儲(chǔ)存在-80℃冰箱中，直到提取DNA。用于擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA V3-V4區(qū)的引物是5′-CCTACGGRRBGCASCAGKVRVGAAT-3′和5′-CCTAATCTWTGGGVNCATCAGG-3′；用于擴(kuò)增古細(xì)菌16S rRNA V4-V5區(qū)域的引物是5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′和5′-TAATCTATGGGVHCATCAGG-3′。隨后使用Illumina Miseq技術(shù)對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序，得到的序列進(jìn)行操作分類(lèi)單元(OTU)識(shí)別、群落比較和統(tǒng)計(jì)分析。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS和Excel對(duì)所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和數(shù)學(xué)分析，P<0.05時(shí)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所有圖形使用Origin 8.0軟件生成。此外，采用Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)對(duì)各樣本組的微生物群落多樣性進(jìn)行量化。

2 結(jié)果與分析

2.1 SCOD去除率的變化

適應(yīng)期3組污泥的SCOD去除率為55.0%-60.3%(圖2)。Ⅰ時(shí)期，當(dāng)進(jìn)水OLR增加至6.0 gSCOD·L-1·d-1時(shí)，SMS組、CMS組和BMS組的SCOD去除率達(dá)到最大值，分別為(64.6±0.2)%、(68.1±0.3)%和(65.2±1.4)%，CMS組顯著較高(P<0.05)。而在OLR增加至8.0 gSCOD·L-1·d-1的高有機(jī)負(fù)荷階段時(shí)，這3組污泥的去除率變化差別較小。Ⅱ時(shí)期，3組污泥的SCOD去除率隨硫酸鹽濃度的增加而降低，與其他兩組相比，CMS組在抗硫酸鹽濃度水平上表現(xiàn)較好。以上結(jié)果說(shuō)明前期添加雞糞作為糖蜜酒精廢水共消化底物馴化的污泥，在后期處理高有機(jī)負(fù)荷和高濃度硫酸鹽的糖蜜酒精廢水的過(guò)程中表現(xiàn)出較好的SCOD去除效果。

* indicates P<0.05 compared with other two groups at the same stage

2.2 揮發(fā)性脂肪酸含量的動(dòng)態(tài)變化

各個(gè)反應(yīng)器VFAs含量變化如圖3所示。與適應(yīng)期相比，Ⅰ時(shí)期OLR為1.5 gSCOD·L-1·d-1的糖蜜酒精廢水階段，3組污泥的VFAs含量較低，其中BMS組的VFAs含量顯著小于其他兩組(P<0.05)。隨著OLR的不斷增加，CMS組在同一時(shí)期利用VFAs轉(zhuǎn)化效率上有明顯的優(yōu)勢(shì)，表明在CMS組反應(yīng)器中VFAs生成和消耗達(dá)到平衡狀態(tài)[15]。與Ⅰ時(shí)期OLR為8.0 gSCOD·L-1·d-1的階段相比，Ⅱ時(shí)期硫酸鹽濃度為4.0 g·L-1階段，SMS組、CMS組和BMS組VFAS含量分別增加964.9 mg·L-1、583.0 mg·L-1和987.9 mg·L-1。在硫酸鹽濃度為6.0 g·L-1階段，SMS組、CMS組和BMS組的VFAs含量達(dá)到最大值，分別為(4 016.7±191.2) mg·L-1、(1 587.8±60.72) mg·L-1和(3 010.9±17.7) mg·L-1，其中CMS組的VFAs含量顯著低于其他兩組(P<0.05)。表明在抵抗高有機(jī)負(fù)荷和高濃度硫酸鹽沖擊條件下，CMS組在轉(zhuǎn)化VFAs的消化效率上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

* indicates P<0.05 compared with other two groups at the same stage

2.3 硫酸鹽去除率以及H2S體積占比的變化

厭氧消化過(guò)程中各個(gè)反應(yīng)器硫酸鹽去除率和H2S體積占比的變化結(jié)果如圖4所示。在適應(yīng)期和Ⅰ時(shí)期前期，3組污泥的硫酸鹽去除率保持在83.0%以上，表明馴化污泥在低水平OLR下硫酸鹽去除率較高。由于低水平OLR下硫酸鹽含量較低，因此在厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的H2S體積占比較低。隨著進(jìn)水OLR的增加，H2S體積占比逐漸增加，而在OLR為8.0 gSCOD·L-1·d-1階段，SMS組、CMS組和BMS組硫酸鹽去除率最低，分別為(60.4±4.7)%、(59.0±4.1)%、(61.7±13.2)%。Ⅱ時(shí)期，在硫酸鹽濃度為6.0 g·L-1階段，SMS組、CMS組和BMS組的H2S在沼氣中體積占比分別達(dá)到(2.0±0.2)%、(1.3±0.04)%和(1.3±0.2)%，SMS組顯著高于其他兩組(P<0.05)。與此同時(shí)，SMS組、CMS組和BMS組的硫酸鹽去除率分別達(dá)到(83.3±6.1)%、(79.9±4.3)%和(77.6±1.7)%，SMS組的硫酸鹽去除率相對(duì)較高。

* indicates P<0.05 compared with other two groups at the same stage

2.4 CH4體積占比的變化

適應(yīng)期期間產(chǎn)生CH4，說(shuō)明厭氧反應(yīng)成功啟動(dòng)，各組CH4體積占比的變化如表2所示。Ⅰ時(shí)期OLR=4.0 gSCOD·L-1·d-1階段，SMS組、CMS組和BMS組的CH4體積占比達(dá)到最大，分別為(57.6±0.4)%、(59.3±0.5)%、(58.0±0.7)%。在OLR為6.0 gSCOD·L-1·d-1階段，CMS組的CH4體積占比顯著高于SMS組和BMS組(P<0.05)，分別高出5.9%和4.5%，與SCOD去除率的效果相對(duì)應(yīng)。Ⅱ時(shí)期，隨著硫酸鹽濃度的增加，CH4體積占比逐漸降低，但相比于其他兩組，CMS組仍較高。

表2 CH4體積比的變化

2.5 微生物群落動(dòng)態(tài)變化

2.5.1 微生物多樣性

細(xì)菌和古細(xì)菌微生物群落多樣性結(jié)果如表3所示。無(wú)論是在細(xì)菌還是在古細(xì)菌水平上，在Ⅰ時(shí)期OLR為8.0 gSCOD·L-1·d-1階段，SMS組的OTU個(gè)數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均大于BMS組和CMS組，表明豬糞組在該條件下微生物多樣性較為豐富。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Ⅱ時(shí)期各組呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，隨著硫酸鹽濃度的增加，SMS組細(xì)菌的OTU個(gè)數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)呈下降趨勢(shì)。Ⅱ時(shí)期在硫酸鹽濃度為6.0 g·L-1階段時(shí)，CMS組細(xì)菌和古菌OTU個(gè)數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)達(dá)到最高值，推測(cè)硫酸鹽濃度的增加，促進(jìn)了微生物種類(lèi)及數(shù)量的增加，使得CMS組OTU個(gè)數(shù)以及多樣性指數(shù)最大。

表3 OTU個(gè)數(shù)和α-多樣性指數(shù)

2.5.2 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

各組在門(mén)水平和科水平上細(xì)菌的相對(duì)豐度如圖5所示。各組間優(yōu)勢(shì)物種大致相同，優(yōu)勢(shì)菌門(mén)以厚壁菌門(mén)(Firmicutes，15.6%-40.2%)、互養(yǎng)菌門(mén)(Synergistetes，9.0%-37.8%)以及擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes，8.9%-29.6%)為主。隨著厭氧消化的進(jìn)行，各組在不同時(shí)期微生物群落結(jié)構(gòu)明顯，在Ⅰ時(shí)期OLR=8.0 gSCOD·L-1·d-1階段，SMS3組和BMS3組的Synergistetes相對(duì)豐度最高。然而在Ⅱ時(shí)期，從整體上來(lái)看，SMS組和BMS組的Synergistaceae相對(duì)豐度隨著硫酸鹽濃度的增加逐漸降低，CMS組相對(duì)豐度上下波動(dòng)，表明3組污泥的Synergistaceae受硫酸鹽濃度影響較大。

圖5 門(mén)水平(a)和科水平(b)上細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)

屬于厚壁菌門(mén)的克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)在CMS組中為優(yōu)勢(shì)菌群，甚至在硫酸鹽含量較高的階段，豐度值仍保持在較高水平。同樣發(fā)揮重要作用的還有屬于Bacteroidetes的Dysgonomonadaceae，Ⅰ時(shí)期SMS3組、CMS3組和BMS3組的Dysgonomonadaceae相對(duì)豐度值分別為1.5%、2.5%和4.9%，而在Ⅱ時(shí)期SMS5組、CMS5組和BMS6組最大相對(duì)豐度值分別達(dá)到11.7%、11.0%和16.5%。與此同時(shí)，屬于變形菌門(mén)(Proteobatcteria)的脫硫弧菌科(Desulfomicrobiaceae)，與Ⅰ時(shí)期OLR=8.0 gSCOD·L-1·d-1階段相比，各組相對(duì)豐度隨著硫酸鹽濃度的增加而增加，在硫酸鹽濃度為6.0 g·L-1階段各組相對(duì)豐度達(dá)到最高，SMS6組、CMS6組和BMS6組分別為6.4%、5.6%和3.7%。

2.5.3 古細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

各組在門(mén)水平和科水平上古細(xì)菌的相對(duì)豐度如圖6所示。在門(mén)水平上，廣古菌門(mén)(Euryarchaeota)和泉古菌門(mén)(Crenarchaeota)為優(yōu)勢(shì)菌門(mén)。在科水平上，氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷桿菌科(Methanobacteriaceae)相對(duì)豐度值較低，其次是甲烷八疊球菌科(Methanosarcinaceae)，表明兩者受糖蜜酒精廢水極端性質(zhì)的影響較大。而在同樣的厭氧消化條件下，甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)為主要的優(yōu)勢(shì)物種。與Ⅰ時(shí)期OLR=8.0 gSCOD·L-1·d-1階段相比，Ⅱ時(shí)期各組Methanosaetaceae的相對(duì)豐度值較高，整體上以CMS組的Methanosaetaceae相對(duì)豐度值最高。

圖6 門(mén)水平(a)和科水平(b)上古細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)

3 討論

本研究結(jié)果表明，各實(shí)驗(yàn)組SCOD去除率在適應(yīng)期為55.0%-60.3%，這與Jiang等[16]和Lu等[17]的研究結(jié)果相似，表明利用動(dòng)物糞便馴化后的污泥在啟動(dòng)初期SCOD去除率能迅速達(dá)到較高水平。隨著Ⅰ時(shí)期糖蜜酒精廢水的OLR不斷增加，SCOD去除率增加幅度逐漸變小，而在Ⅱ時(shí)期各組的SCOD去除率呈下降趨勢(shì)，抑制作用在硫酸鹽濃度達(dá)到6.0 g·L-1階段時(shí)表現(xiàn)最明顯，且SMS組的SCOD去除率低于其他兩組。同樣在該階段發(fā)生較大變化的還有H2S的體積占比和硫酸鹽去除率，3組污泥H2S的體積占比和硫酸鹽去除率均在Ⅱ時(shí)期硫酸鹽濃度為6.0 g·L-1階段達(dá)到最大值，且SMS組高于其他兩組。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，積累的硫化物會(huì)穿過(guò)微生物細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)混亂，從而影響SRB和產(chǎn)甲烷菌(MPB)等微生物的正常生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致厭氧消化反應(yīng)系統(tǒng)崩潰[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，與SMS組和BMS組相比，CMS組的厭氧消化性能綜合表現(xiàn)最好。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，雞糞中的含氮量高于豬糞和牛糞，將富含N元素的動(dòng)物糞便與富含C元素的糖蜜酒精廢水置于厭氧共消化的條件下，可提高厭氧消化效率[19,20]。

在高OLR和高濃度硫酸鹽的糖蜜酒精廢水的條件下，厭氧消化過(guò)程中微生物主要以Synergistetes、Firmicutes以及Bacteroidetes為優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，這與Laconi等[21]和Zhang等[22]的研究結(jié)果類(lèi)似。Ⅱ時(shí)期SMS組和BMS組的Synergistaceae相對(duì)豐度隨著硫酸鹽含量的增加而逐漸降低，且兩組間出現(xiàn)了VFAs含量積累和CH4體積占比減少的現(xiàn)象。Synergistaceae是唯一來(lái)自Synergistetes的菌科，其主要作用是分解廢水中的VFAs，促進(jìn)氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌利用分解底物生成CH4[23]，高OLR和高濃度硫酸鹽的厭氧環(huán)境影響了Synergistaceae發(fā)揮作用。屬Firmicutes的Christensenellaceae在Ⅱ時(shí)期CMS組中相對(duì)豐度較高，且在該時(shí)期CMS組的SCOD去除率高于其他兩組。Firmicutes中存在著許多可以分解有機(jī)物的酸水解微生物，通過(guò)分泌多種酶來(lái)水解蛋白質(zhì)、脂肪和糖類(lèi)等復(fù)雜物質(zhì)[24]，將復(fù)雜有機(jī)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為SCOD，產(chǎn)生氫氣和乙酸進(jìn)而被產(chǎn)甲烷菌所利用，即使在OLR逐漸升高的環(huán)境中豐度值依舊最高[25,26]。Christensenellaceae具有較強(qiáng)的碳水化合物、氨基酸和羧酸降解代謝活性，具有水解和產(chǎn)酸的作用[27,28]，這也是CMS組在高OLR和高濃度硫酸鹽的糖蜜酒精廢水條件下能保持較好的消化性能，呈現(xiàn)出較好厭氧消化效果的原因。發(fā)揮相似作用的還有Bacteroidetes[29,30]，與Ⅰ時(shí)期相比，Ⅱ時(shí)期屬Bacteroidetes的Dysgonomonadaceae在3組污泥中的相對(duì)豐度較高。Murakami等[31]認(rèn)為，Bacteroidetes在降解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多糖反應(yīng)中有促進(jìn)水解的作用，可知硫酸鹽濃度的增加對(duì)Dysgonomonadaceae有積極影響。與Ⅰ時(shí)期相比，Ⅱ時(shí)期3組污泥中Desulfomicrobiaceae的相對(duì)豐度增加，其中SMS組的相對(duì)豐度值大于其他兩組,且SMS組在該時(shí)期表現(xiàn)出SCOD去除率較低、VFAs含量相對(duì)較高以及厭氧消化效果較差。文獻(xiàn)報(bào)道稱(chēng)，在高濃度硫酸鹽廢水的厭氧反應(yīng)系統(tǒng)中，大量硫酸鹽和多種有機(jī)硫作為SRB的底物，使得SRB富集，容易與產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)[32]。

與其他厭氧消化研究結(jié)果中以Methanobacteriaceae、Methanosarcinaceae和Methanosaetaceae為主的古細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[33]不同的是，本研究中Methanosaetaceae成為主要優(yōu)勢(shì)菌群，以CMS組相對(duì)豐度最高，且CMS組CH4在沼氣中的體積占比同樣高于其他兩組。Methanosaetaceae是典型的乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，能利用乙酸并促進(jìn)直接種間電子傳遞(DIET)，將二氧化碳還原為CH4[34]。在本研究中Methanobacteriaceae相對(duì)豐度值最低，原因可能是在高OLR和高濃度硫酸鹽的糖蜜酒精廢水沖擊條件下，氫營(yíng)養(yǎng)型Methanobacteriaceae與SRB競(jìng)爭(zhēng)氫的能力比其他兩種產(chǎn)甲烷菌種類(lèi)更小[35]。因此，優(yōu)勢(shì)菌科在高OLR和高濃度硫酸鹽的沖擊條件下進(jìn)行水解、消化等過(guò)程，相應(yīng)的功能及作用會(huì)受到影響，從而產(chǎn)生不利于消化反應(yīng)的結(jié)果。

4 結(jié)論

本研究表明，3種活性污泥受高OLR沖擊影響明顯，其中CMS組的SCOD去除率和CH4體積占比相對(duì)較高，累積VFAs含量較低。在高濃度硫酸鹽沖擊條件下，3組污泥的厭氧消化效果大幅度下降，其中SMS組受影響較大，CMS組受影響較小。微生物多樣性結(jié)果表明，優(yōu)勢(shì)種群幾乎不變，其中具有水解或產(chǎn)酸功能的Christensenellaceae和乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanosaetaceae在CMS組中富集。表明雞糞與糖蜜酒精廢水混合馴化的厭氧活性污泥抗逆性最好，為使用厭氧活性污泥處理工業(yè)廢水提供了參考依據(jù)。