官桐樂，賀 超，劉永紅，王 寧

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048；2.西部寶德科技股份有限公司，陜西西安 710200；3.陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710016）

垃圾焚燒技術(shù)因無害化、減量化和資源化的優(yōu)勢(shì)，近年來成為我國(guó)城市生活垃圾處理的主流技術(shù)之一〔1〕。數(shù)據(jù)顯示〔2〕，我國(guó)生活垃圾年產(chǎn)生量高達(dá)24 206萬t，其中通過焚燒發(fā)電處理的生活垃圾已達(dá)到總量的50%。在焚燒過程中，滲濾液產(chǎn)量達(dá)到生活垃圾總量的12%～23%〔3〕，引起嚴(yán)重的環(huán)境問題。

目前垃圾焚燒廠大多采用厭氧+好氧+深度處理的組合工藝〔4-9〕。其中厭氧處理能有效降解滲濾液中的大量有機(jī)物（COD去除率大多在60%以上），是垃圾焚燒滲濾液處理工藝的核心。

值得關(guān)注的是，若直接采用厭氧系統(tǒng)處理垃圾焚燒滲濾液原液，過高的鹽度（Cl-質(zhì)量濃度達(dá)到10 000 mg/L）會(huì)嚴(yán)重抑制厭氧菌群活性，導(dǎo)致有機(jī)物去除效果降低〔10〕，同時(shí)產(chǎn)生的沉積鹽容易造成系統(tǒng)管道堵塞與腐蝕，產(chǎn)生一系列技術(shù)難題。筆者課題組采用上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器處理稀釋后的垃圾焚燒廠滲濾液，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水COD為5 000 mg/L時(shí)，UASB反應(yīng)器對(duì)COD的去除率達(dá)到85%左右〔11〕，去除效果十分明顯。通過稀釋垃圾焚燒廠滲濾液可以有效降低進(jìn)水鹽度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及微生物活性，更有利有機(jī)污染物的去除。

與UASB反應(yīng)器相比，EGSB反應(yīng)器采用大比例循環(huán)水，對(duì)COD的適應(yīng)范圍更大，處理效果更好，啟動(dòng)周期更短，顆粒污泥強(qiáng)度更強(qiáng)，污泥流失量更少〔12〕，適于超高濃度廢水的處理，可有效降低COD與鹽度。筆者研究了EGSB反應(yīng)器對(duì)稀釋滲濾液的處理過程，對(duì)厭氧顆粒污泥內(nèi)的微生物種群進(jìn)行分析，以期為相關(guān)研究與工程應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

垃圾滲濾液取自西安某垃圾焚燒發(fā)電廠初沉池，經(jīng)手動(dòng)籃式過濾器2 mm格柵去除大顆粒懸浮物，其水質(zhì)情況為：COD 65 000～82 000 mg/L、BOD535 000～40 000 mg/L、NH3-N 1 000～1 500 mg/L、SS 1 800～4 000 mg/L、堿度14 000～16 000 mg/L、pH 5～6。

1.2 接種污泥

接種顆粒污泥取自西安某淀粉廠UASB反應(yīng)器，污泥質(zhì)量濃度38 g/L，VSS/TSS為0.72，顆粒污泥粒徑平均在2 mm。污泥接種量為9 L，占EGSB反應(yīng)器有效容積的45%。

1.3 EGSB反應(yīng)器

實(shí)驗(yàn)所用EGSB反應(yīng)器高1.8 m，內(nèi)徑120 mm，有效容積為20.5 L，底端側(cè)邊設(shè)有進(jìn)水口、循環(huán)口及排泥口，頂端設(shè)三相分離器，水浴保持進(jìn)水溫度在28～35℃。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 EGSB工藝流程Fig.1 Process flow of EGSB

1.4 分析方法

COD采用快速消解法測(cè)定，VFA采用蒸餾滴定法測(cè)定，色度采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定，產(chǎn)氣量由濕式氣體流量計(jì)記錄，pH采用pHBJ-260型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測(cè)定，鹽度采用DDSJ-308A電導(dǎo)率儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測(cè)定。

用掃描電鏡（SEM）對(duì)顆粒污泥進(jìn)行微觀分析，通過上海生工Illumina Miseq2×300 bp測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行微生物測(cè)序分析，測(cè)序方法見文獻(xiàn)〔13〕。

2 結(jié)果與分析

2.1 EGSB反應(yīng)器對(duì)稀釋滲濾液COD的去除效果

采用容積負(fù)荷和上升流速交替提高的方式運(yùn)行反應(yīng)器，對(duì)運(yùn)行過程中進(jìn)出水的COD變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整個(gè)運(yùn)行過程持續(xù)180 d，主要分為4個(gè)階段：馴化啟動(dòng)階段（Ⅰ）、試運(yùn)行階段（Ⅱ）、負(fù)荷提高階段（Ⅲ）及穩(wěn)定運(yùn)行階段（Ⅳ）。其運(yùn)行結(jié)果見圖2。

圖2 運(yùn)行階段EGSB的進(jìn)出水COD及去除率Fig.2 COD and removal rate of EGSB inlet and outlet water during operation

由于該滲濾液具有一定的厭氧毒性，初期為保證接種顆粒污泥適應(yīng)該滲濾液水質(zhì)〔14〕，采用清水稀釋的方式進(jìn)行EGSB啟動(dòng)〔階段Ⅰ〕。反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)進(jìn)水COD為1 580 mg/L，COD容積負(fù)荷為1.5 kg/（m3·d），保持HRT為24 h，上升流速為0.15 m/h運(yùn)行2 d，COD去除率達(dá)到90%以上。調(diào)整進(jìn)水COD為750 mg/L左右，22 d后反應(yīng)器COD容積負(fù)荷達(dá)到15 kg/（m3·d），上升流速為2 m/h，COD平均去除率達(dá)到90%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。EGSB反應(yīng)器經(jīng)過22 d的運(yùn)行馴化完成。

污泥馴化完成進(jìn)入系統(tǒng)試運(yùn)行階段〔階段Ⅱ，22～62 d〕，進(jìn) 水COD為5 000 mg/L，COD容 積 負(fù) 荷 為15 kg/（m3·d），反應(yīng)器出水COD始終保持在500 mg/L左右，表明顆粒污泥的微生物活性高，對(duì)該滲濾液表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

運(yùn)行第63天時(shí)提升反應(yīng)器容積負(fù)荷〔階段Ⅲ，63～92 d〕，將進(jìn)水COD從5 000 mg/L提升至7 000 mg/L，容積負(fù)荷從15 kg/（m3·d）升至21 kg/（m3·d），保持HRT和上升流速不變，第87天時(shí)COD去除率維持在82%左右。繼續(xù)運(yùn)行至90 d，COD去除率降至73%。其原因可能為隨著厭氧反應(yīng)器負(fù)荷的迅速升高，進(jìn)水水質(zhì)變化導(dǎo)致顆粒污泥破裂〔15〕，出水口泥水分離不均，同時(shí)進(jìn)水過高的鹽度會(huì)抑制微生物活性，導(dǎo)致微生物對(duì)有機(jī)碳降解能力下降〔10〕，從而出現(xiàn)“跑泥”現(xiàn)象。

從第93天開始〔階段Ⅳ，93～180 d〕，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，將進(jìn)水COD重新調(diào)整至5 000 mg/L，容積負(fù)荷調(diào)整為15 kg/（m3·d），19 d后COD去除率恢復(fù)到90%以上，此時(shí)反應(yīng)器出水COD穩(wěn)定在500 mg/L左右。

在系統(tǒng)運(yùn)行期間，測(cè)定厭氧進(jìn)水色度為128倍，出水僅為32倍，色度去除率達(dá)到75%。

李進(jìn)等〔11〕采用4.2 L UASB反應(yīng)器處理垃圾焚燒廠滲濾液，在垃圾焚燒廠滲濾液稀釋10倍、進(jìn)水COD為5 000 mg/L條件下，COD去除率達(dá)到85%左右，容積負(fù)荷為2.33～5.30 kg/（m3·d）。與其研究結(jié)果相比，可發(fā)現(xiàn)在相似稀釋倍數(shù)及進(jìn)水COD的條件下，EGSB反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果明顯高于UASB反應(yīng)器，說明EGSB反應(yīng)器大比例循環(huán)水更有利于去除稀釋垃圾焚燒廠滲濾液中的COD。

2.2 VFA、產(chǎn)氣量、pH和容積負(fù)荷的變化情況

VFA、pH等參數(shù)可很好地反映EGSB反應(yīng)器內(nèi)微生物活性和有機(jī)物去除效果。運(yùn)行期間反應(yīng)器內(nèi)pH和容積負(fù)荷的變化情況如圖3所示。

圖3 反應(yīng)器內(nèi)pH和容積負(fù)荷的變化Fig.3 Changes in pH and volumetric loading in the reactor

如圖3所示，當(dāng)容積負(fù)荷從1.5 kg/（m3·d）提升至21 kg/（m3·d），反應(yīng)器內(nèi)pH穩(wěn)定在6.8～8.2；容積負(fù)荷從21 kg/（m3·d）調(diào)整至15 kg/（m3·d）后，反應(yīng)器內(nèi)pH迅速降至7.2左右，表明容積負(fù)荷對(duì)反應(yīng)器內(nèi)pH影響較大，同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥具有很強(qiáng)的pH緩沖能力，并未因環(huán)境改變而出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。

從第40天開始監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)VFA和產(chǎn)氣量，結(jié)果見圖4。

圖4 VFA及產(chǎn)氣量變化情況Fig.4 Changes in VFA and gas production

由圖4可見，運(yùn)行期間反應(yīng)器內(nèi)VFA維持在78～354 mg/L（以乙酸計(jì)），甲烷產(chǎn)量維持在78～160 L/d，與理論值（72～150 L/d）基本相符。這表明運(yùn)行過程中產(chǎn)甲烷菌一直保持較高活性，能較快降解產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的VFA。

在運(yùn)行過程中，顆粒污泥經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)對(duì)容積負(fù)荷沖擊和VFA的耐受能力增強(qiáng)，EGSB大比例循環(huán)回流水對(duì)反應(yīng)器內(nèi)VFA有稀釋作用〔16〕，有利于EGSB反 應(yīng) 器pH的 穩(wěn) 定。

2.3 厭氧顆粒污泥物理性質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)EGSB底部顆粒污泥的表觀形態(tài)進(jìn)行觀察，如圖5所示。可見經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)形成橢球或圓球狀厭氧顆粒污泥，平均粒徑為1～2 mm，表面光滑，呈黑色或黑灰色。

圖5 顆粒污泥表觀形態(tài)Fig.5 Morphology of granular sludge

為進(jìn)一步分析厭氧顆粒污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微生物形態(tài)，對(duì)運(yùn)行前后的顆粒污泥進(jìn)行SEM觀察，結(jié)果見圖6。

圖6 運(yùn)行前后顆粒污泥的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of granular sludge before and after operation

由圖6（a）可見，運(yùn)行前，顆粒污泥內(nèi)部菌群以絲狀菌為主，含有少量球菌，微生物種類和數(shù)量較少，污泥內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)疏松，呈絮體狀，有一定孔隙。

處理滲濾液后，顆粒污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密厚實(shí)，內(nèi)部傳質(zhì)通道明顯增多，有利于厭氧顆粒污泥內(nèi)部傳質(zhì)過程的強(qiáng)化〔17〕。同時(shí)微生物種類呈現(xiàn)多樣化，其中絲狀菌含量減少，球菌和短桿菌數(shù)量增多，不同的菌落隨機(jī)分布相互交融，形成混棲的菌群。這種結(jié)構(gòu)有利于菌體間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞、吸收及代謝，為有機(jī)物降解創(chuàng)造了有利條件〔18〕。

2.4 顆粒污泥的生物學(xué)特征

為研究運(yùn)行前后厭氧顆粒污泥內(nèi)微生物種群的變化情況，對(duì)顆粒污泥16S r DNA高變區(qū)V3～V4區(qū)進(jìn)行高通量測(cè)序分析。其物種種群分布及相對(duì)豐度情況如圖7所示，G1、G2分別代表運(yùn)行前接種污泥和運(yùn)行結(jié)束后的污泥樣品。

圖7 運(yùn)行前后顆粒污泥內(nèi)物種分布（a）及相對(duì)豐度（b）Fig.7 Species distribution（a）and relative abundance（b）within granular sludge before and after operation

如圖7（a）所示，運(yùn)行前后顆粒污泥物種的豐富度有很大變化，運(yùn)行前顆粒污泥微生物種群共294種，運(yùn)行結(jié)束后微生物種群增加至392種，其中兩者共有248種微生物種群，顆粒污泥內(nèi)功能菌群相對(duì)豐度明顯增加。圖7（b）顯示了運(yùn)行前后顆粒污泥的微生物群落組成，其中變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、綠彎菌門（Chloroflexi）、陰溝單胞菌門（Cloacimonetes）和未分類細(xì)菌（unclassified-Bacteria）在G1、G2中的占比均較高。

對(duì)垃圾焚燒滲濾液進(jìn)行處理后，顆粒污泥中的優(yōu)勢(shì)菌種發(fā)生明顯變化，其中Bacteroidetes占25%，Proteobacteria占20.65%，unclassified-Bacteria占18.05%，而Firmicutes豐度占比從25.33%降至10.11%，成為反應(yīng)器運(yùn)行后顆粒污泥中的第四大菌群。作為運(yùn)行后顆粒污泥內(nèi)的最優(yōu)勢(shì)菌種，Bacteroidetes屬于革蘭氏陰性厭氧菌，主要將廢水中的多糖類碳水化合物水解轉(zhuǎn)化為乙酸、異戊酸和琥珀酸〔19〕。運(yùn)行前后優(yōu)勢(shì)菌種的轉(zhuǎn)變表明滲濾液中多糖類物質(zhì)居多。G2中Proteobacteria主要為δ-變形菌，屬水平上又以脫硫弧菌（Desulfovibrio）居多，這類菌可將可還原態(tài)硫化物轉(zhuǎn)化為硫化氫。由于垃圾焚燒廠滲濾液中大量存在的硫酸鹽被硫酸鹽還原細(xì)菌還原，使得厭氧反應(yīng)器運(yùn)行過程中存在一定量硫化物〔20〕。

Yan DANG等〔21〕采 用EGSB反應(yīng)器處 理 未 稀 釋的垃圾焚燒廠滲濾液，容積負(fù)荷為18 kg/（m3·d）時(shí)，COD去除率達(dá)到86.7%，但受垃圾焚燒廠滲濾液水質(zhì)影響，其真菌種類和數(shù)量相對(duì)較低，微生物種類只達(dá)到138種，且顆粒污泥中Firmicutes為最優(yōu)勢(shì)菌種，表明高濃度垃圾焚燒廠滲濾液對(duì)厭氧菌群有較大的抑制作用。本研究的顆粒污泥中微生物種類可達(dá)392種，Bacteroidetes成為最優(yōu)勢(shì)菌種，說明對(duì)于高濃度垃圾焚燒廠滲濾液，采用清水稀釋的方式可較好地減少其對(duì)微生物的抑制作用，有利于微生物種群豐富度的提高以及有機(jī)污染物的去除。

3 結(jié)論

（1）用EGSB反應(yīng)器對(duì)稀釋垃圾焚燒廠滲濾液進(jìn)行處理，進(jìn)水COD為5 000 mg/L、容積負(fù)荷為15 kg/（m3·d）時(shí)，COD去除率高達(dá)90%以上。

（2）EGSB反應(yīng)器運(yùn)行前，顆粒污泥內(nèi)的微生物種群為294種；運(yùn)行后以球菌、短桿菌為主，微生物種群增至392種，微生物相對(duì)豐度增加較大，同時(shí)顆粒污泥內(nèi)Bacteroidetes成為優(yōu)勢(shì)菌群，F(xiàn)irmicutes所占比例大幅降低。