王 澤 ,于莉芳 *,馬芷萱 ,鄭蘭香 ,劉 然 ,劉 甜 (.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安70055；2.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,寧夏 銀川 75002；3.中國(guó)葡萄酒產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,寧夏 銀川 75002)

廢水水質(zhì)水量的波動(dòng)對(duì)厭氧生物處理系統(tǒng)產(chǎn)生有機(jī)負(fù)荷沖擊,打破系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的動(dòng)態(tài)平衡,從而降低系統(tǒng)中污泥強(qiáng)度[1]、影響胞外聚合物(EPS)分泌[2]、改變微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝途徑[3],導(dǎo)致系統(tǒng)緩沖能力下降、甲烷產(chǎn)量低以及揮發(fā)性脂肪酸(VFA)積累.目前,厭氧系統(tǒng)負(fù)荷沖擊的研究主要集中在瞬時(shí)高負(fù)荷沖擊和長(zhǎng)期逐級(jí)負(fù)荷沖擊對(duì)消化系統(tǒng)性能的影響.一般認(rèn)為,可通過(guò)序批式進(jìn)水[4]、延長(zhǎng)水力停留時(shí)間[5]和提高回流比[6]等方式來(lái)抵抗負(fù)荷沖擊,也可通過(guò)投加填料形成厭氧生物膜,增加系統(tǒng)中生物濃度和多樣性來(lái)保證運(yùn)行的穩(wěn)定性[7].厭氧序批式生物膜反應(yīng)器(AnSBBR)兼?zhèn)湫蚺较到y(tǒng)和厭氧生物膜法,序批式系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、厭氧生物膜法運(yùn)行成本低適宜小型酒莊,并且其抗負(fù)荷沖擊能力已在多個(gè)行業(yè)的廢水處理研究中被證實(shí)[7-8].但是,生產(chǎn)季葡萄酒生產(chǎn)廢水的持續(xù)負(fù)荷沖擊對(duì)AnSBBR 的消化性能、生物膜活性及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響仍有待研究.

截止2020年底,寧夏賀蘭山東麓葡萄酒產(chǎn)區(qū)的種植面積為3.28×104hm2,產(chǎn)量約10.0×107L,產(chǎn)區(qū)約93.1%的酒莊規(guī)模小于1500t/a,55.69%的酒莊選用厭氧生物法處理生產(chǎn)廢水[9].葡萄酒生產(chǎn)廢水主要來(lái)源于加工設(shè)備的清洗和殘液的排出,具有低pH值、高色度、高有機(jī)濃度及可生化性好等特性,是一種典型的季節(jié)性生產(chǎn)廢水,主要集中在9～11月,且在生產(chǎn)季每日水質(zhì)、水量波動(dòng)大,這一點(diǎn)在小型酒莊尤為突出[10-11].課題組對(duì)賀蘭山東麓地區(qū)29 家酒莊調(diào)研發(fā)現(xiàn),大部分酒莊的廢水處理設(shè)施未充分考慮廢水水質(zhì)水量的變化特征,其實(shí)際產(chǎn)能僅為設(shè)計(jì)產(chǎn)能的20%～50%,存在設(shè)備浪費(fèi)、運(yùn)行成本高等問(wèn)題[9].

基于此,試驗(yàn)采用AnSBBR 處理葡萄酒生產(chǎn)廢水,通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器的消化效果、運(yùn)行穩(wěn)定性、產(chǎn)甲烷活性和群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)來(lái)考察AnSBBR 在持續(xù)負(fù)荷沖擊下的表現(xiàn).以期為AnSBBR 抗負(fù)荷沖擊研究和推動(dòng)AnSBBR 處理葡萄酒生產(chǎn)廢水工程化應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與接種污泥

AnSBBR,φ270mm×360mm,有效容積為10L,運(yùn)行溫度為(35±1)℃ ,HRT=20h,T=6h.前期研究已確定反應(yīng)器最佳運(yùn)行負(fù)荷(OLR=5.4g/(L·d))并運(yùn)行60d以上[8].

1.2 廢水組成

基于葡萄酒生產(chǎn)廢水的主要來(lái)源、課題組對(duì)葡萄酒及其生產(chǎn)廢水中有機(jī)物組成及濃度的測(cè)定,試驗(yàn)通過(guò)稀釋葡萄酒以模擬葡萄酒生產(chǎn)廢水,葡萄酒中COD 為(221020±2100)mg/L,總磷為(31±2)mg/L,總氮為(1524±37)mg/L,乙酸為(1410±13)mg/L,多糖(PS)為(2525±45)mg/L,蛋白質(zhì)(PN)為(18045±189)mg/L,pH 值為(3.99±0.20).投加(2000±20)mg/L 的NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH 值.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)進(jìn)水COD 將AnSBBR 的運(yùn)行分為三個(gè)階段,如表 1所示.階段 I(1～28d),在進(jìn)水 COD 為4500mg/L 下穩(wěn)定運(yùn)行,作為AnSBBR 持續(xù)負(fù)荷沖擊試驗(yàn)的基準(zhǔn);階段 Ⅱ(29～56d),通過(guò)設(shè)置進(jìn)水COD 為3500 和5500mg/L(24h 轉(zhuǎn)換一次),誘導(dǎo)反應(yīng)器內(nèi)形成持續(xù)的有機(jī)負(fù)荷沖擊;階段Ⅲ(57～84d),進(jìn)水COD恒定為4500mg/L,進(jìn)行恢復(fù)運(yùn)行.

表1 AnSBBR運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of AnSBBR

1.4 分析項(xiàng)目及方法

1.4.1 理化指標(biāo)分析 COD、TS、VS、pH 值采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定;部分堿度(PA)和總堿度(TA)使用滴定法[12]測(cè)定,碳酸氫鹽堿度(BA)為1.2PA;總多酚(TPP)濃度采用福林酚法[13]測(cè)定;EPS 提取及PN、PS濃度參照文獻(xiàn)[5]測(cè)定;電子傳遞活性(INT-ETS)參照文獻(xiàn)[14]測(cè)定;輔酶F420濃度參照文獻(xiàn)[15]測(cè)定;產(chǎn)氣量使用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量;氣體組分使用TCD-氣相色譜儀(SP-3420A)測(cè)定;VFAs 使用FID-氣相色譜(SP-3420A)測(cè)定;三維熒光使用熒光光度計(jì)(日立F-7000)測(cè)定.

1.4.2 基于乙酸的比產(chǎn)甲烷活性(SMA)從AnSBBR 取數(shù)個(gè)生物膜進(jìn)行測(cè)試,步驟如下:生物膜填料用磷酸鹽緩沖液(PBS)清洗3 次后置于250mL厭氧瓶中,加入150mL 由NaAc、NH4Cl、KH2PO4和NaHCO3組成的營(yíng)養(yǎng)液,設(shè)置不添加無(wú)水乙酸鈉的對(duì)照組.氮吹5min 排除瓶中空氣,隨后將厭氧瓶置于 35℃水浴搖床中連續(xù)運(yùn)行 36h.利用修正的Gompertz 模型方程擬合產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)參數(shù)[8].

式中:Pt為t 時(shí)刻累積甲烷產(chǎn)量,mL/gTS;Pmax為最大甲烷產(chǎn)量,mL/gTS;Rmax為最大甲烷產(chǎn)率,mL/(gTS·h);e=2.7183;λ 為停滯時(shí)間,h;U 為最大SMA,gCOD/(gTS·d).

1.4.3 基于H2/CO2的比產(chǎn)甲烷活性 氫利用速率(HUR)參照文獻(xiàn)[16]測(cè)定,從反應(yīng)器中取數(shù)個(gè)填料用PBS 清洗后置于厭氧瓶(500mL)中,向厭氧瓶中加滿(mǎn)緩沖溶液(由NH4Cl、KH2PO4和NaHCO3組成).將200mL 混合氣體(VCO2:VH2:1:4)注入瓶中等體積替換瓶?jī)?nèi)緩沖液,打開(kāi)蠕動(dòng)泵使瓶?jī)?nèi)氣體循環(huán),U 形壓力計(jì)監(jiān)測(cè)瓶?jī)?nèi)壓力,N2平衡厭氧瓶頂空壓力和外部壓力.最后,定期對(duì)瓶?jī)?nèi)頂空氣體進(jìn)行采樣和分析,試驗(yàn)共持續(xù)6h.HUR 活性根據(jù)等式(3)和等式(4)計(jì)算.

式中:HUR′為最大的 H2利用率,mL-H2/(gTS·h);HUR 為最大SMA,gCOD/(gTS·d);V 為頂空體積,mL;X 為總生物量,gTS;0.633 為35℃運(yùn)行條件下的轉(zhuǎn)化系數(shù).

1.4.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析 微生物群落結(jié)構(gòu)分析采用Illumina MiSeq 高通量測(cè)序,分別在反應(yīng)器運(yùn)行的28,56 和84d,取生物膜進(jìn)行高通量測(cè)序分析.使用通用特異性引物515FmodF(5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和 806RmodR(5′-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3′),對(duì)全菌16S rRNA 基因進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,擴(kuò)增區(qū)域?yàn)閂4,測(cè)序深度為(38843± 1714),利用Illumina 公司的Miseq PE250 平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序.

1.4.5 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Canoco 5.0 進(jìn)行冗余分析(RDA);運(yùn)用 SPSS 25 進(jìn)行相關(guān)性分析,并根據(jù)Pearson 相關(guān)性結(jié)果使用Origin 2023 繪制圖形.

2 結(jié)果與討論

2.1 AnSBBR運(yùn)行效果及穩(wěn)定性

2.1.1 AnSBBR運(yùn)行效果 如圖1a所示,階段I(1～28d)進(jìn)水COD 恒定時(shí),出水COD 為(163.3±21.4)mg/L,去除率為(96.4±0.5)%;階段 Ⅱ(29～56d)的29～41d 中出水COD 為(188.5±81.1)mg/L,去除率為(95.6±1.6)%,反應(yīng)器仍保持對(duì)COD的高效去除,出水COD 滿(mǎn)足《農(nóng)田灌溉標(biāo)準(zhǔn)》[17]旱作水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),可繼續(xù)用于植被灌溉.以往研究表明[7],AnSBBR 可以應(yīng)對(duì)瞬時(shí)高負(fù)荷沖擊,有較好的抗負(fù)荷沖擊能力.之后,隨負(fù)荷沖擊的持續(xù),出水 COD 逐漸增加,達(dá)到941.3mg/L(56d),去除率降至83.0%.階段 Ⅲ(57～84d),經(jīng)8d 恢復(fù)后,出水COD 降至200mg/L.與混合式USBF 反應(yīng)器相比,不僅在負(fù)荷沖擊下COD 去除率更高,且恢復(fù)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間更少[18].

圖1 AnSBBR 的性能表現(xiàn)Fig.1 Operation performance of AnSBBR

沼氣組分可反映反應(yīng)器的性能及運(yùn)行狀態(tài),階段I 和階段Ⅲ沼氣中甲烷占比相近(約73.4%)(圖1b).階段 Ⅱ,沼氣中甲烷比例和氫分壓增加,在50～56d 時(shí)分別為(79.3±1.4)%和(528.3±365.4)Pa,甲烷產(chǎn)量持續(xù)降低,從19.6L/d(29d)降至15.7L/d(56d).通常,厭氧消化中H2由發(fā)酵細(xì)菌代謝單糖或產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌降解VFA 產(chǎn)生,保持低氫分壓有利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和嗜乙酸產(chǎn)甲烷過(guò)程的進(jìn)行[5].生物膜結(jié)構(gòu)會(huì)使溶解氫在其內(nèi)部傳遞時(shí)存在濃度梯度,在溶解氫傳質(zhì)限制下存在低氫分壓微環(huán)境,保證產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸的自發(fā)進(jìn)行[19].負(fù)荷沖擊后逐漸增加的氫分壓有助于嗜氫產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng),這與文獻(xiàn)[20-21]結(jié)果一致.

多酚類(lèi)化合物主要存在于葡萄皮和籽中,隨釀酒生產(chǎn)工序進(jìn)入廢水中.其種類(lèi)繁多、組分復(fù)雜,導(dǎo)致生物降解效果較差[22].各階段總多酚去除率為(43.0±3.9)%、(42.3±3.1)%和(43.9±3.8)%(圖1c);廢水的色度源于多酚類(lèi)化合物,各階段脫色率為(41.9±1.9)%、(40.2±2.4)%和(40.6±2.4)%(圖1d),持續(xù)負(fù)荷沖擊未對(duì)總多酚去除率造成明顯的影響,推測(cè)是總多酚濃度未超過(guò)微生物的耐受閥值.

2.1.2 穩(wěn)定性 VFA 是厭氧消化過(guò)程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和CO2的中間代謝產(chǎn)物,其濃度可表征反應(yīng)器運(yùn)行性能變化.出水VFAs 濃度如圖2a所示,階段I 中VFAs 基本為乙酸,其值為(129.5±8.4)mg/L.階段 Ⅱ,隨著持續(xù)負(fù)荷波動(dòng)VFAs 開(kāi)始累積,在56d時(shí) VFAs 濃度為 858.3mg/L,其中,乙酸達(dá)到740.5mg/L,丙酸、丁酸和戊酸增加,分別為63.0,18.3和36.5mg/L.階段 Ⅲ,系統(tǒng)中累積的VFAs 被利用轉(zhuǎn)化,在66d 時(shí)乙酸降至180.0mg/L,丙酸、丁酸和戊酸低于15.0mg/L.持續(xù)負(fù)荷沖擊下VFA 大量積累,一方面是廢水由大量溶解性有機(jī)酸和醇組成,可生化性好、降解快;另外,產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境變化敏感,過(guò)高的氫分壓抑制乙酸向甲烷的轉(zhuǎn)化.

圖2 AnSBBR運(yùn)行穩(wěn)定性Fig.2 Operation stability of AnSBBR

堿度在維持系統(tǒng)酸堿平衡方面發(fā)揮重要作用.階段I,出水TA 為(1550.7±29.2)mg/L(圖2b),出水pH值為(7.34±0.04)(圖2c).在29～41d 內(nèi)(階段 Ⅱ),出水TA 緩慢降低((1517.2±44.7)mg/L),pH 值仍維持在(7.25±0.09),適宜厭氧微生物的弱堿性環(huán)境.隨負(fù)荷沖擊時(shí)間增加,在56d 時(shí)出水TA 為1175.5mg/L,pH值降至7.0 以下;與TA 相比,出水PA 降幅更大,從1275.5mg/L(41d)降至550.2mg/L(56d).階段 Ⅲ,在恢復(fù)的第4 天(60d)時(shí)出水TA 和PA 分別達(dá)到1400.0和1158.3mg/L.

系統(tǒng)緩沖能力由堿度和VFAs 共同作用,是評(píng)估反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo).在 29～41d 內(nèi),VFA/TA 為(0.10±0.05),BA/TA 為(1.01±0.03),VFA/BA 為(0.10±0.04).一般認(rèn)為,VFA/TA <0.4 時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)[23].Vital-Jacome 等[24]使用CSTR 處理葡萄酒廢水時(shí)控制運(yùn)行 pH 值和堿度,但系統(tǒng)中VFA/TA 仍大于0.5,運(yùn)行穩(wěn)定性較差.在56d 時(shí)VFA/TA 為0.72,BA/TA 為0.56,VFA/BA 為1.29.厭氧緩沖體系中碳酸氫鹽堿度與VFA 反應(yīng)生成揮發(fā)性堿度,其提供的緩沖能力較弱,當(dāng)系統(tǒng)中VFAs 積累后導(dǎo)致VFA/BA>1.2.Li 等[12]發(fā)現(xiàn)VFA/BA 響應(yīng)最快,可作為預(yù)警指標(biāo),當(dāng)比值超過(guò)1.2 后預(yù)示系統(tǒng)即將酸化.

2.2 EPS 變化

如圖3所示,反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)(階段I),各層EPS 濃度及組成比例基本穩(wěn)定.與28d 相比,在42d 時(shí)僅外層的Slime-EPS 濃度增加較為明顯,增加34.1%;在56d 時(shí)LB-EPS 和TB-EPS 濃度顯著增加,分別增加61.3%和62.8%,達(dá)到31.46和66.85mg/ gVSS.EPS 作為包裹在細(xì)胞外圍的大分子物質(zhì),是保護(hù)和維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和活性的屏障,持續(xù)負(fù)荷沖擊下微生物需要更多的EPS 來(lái)抵抗環(huán)境脅迫.相比TB-EPS,LB-EPS 濃度增加較小,因?yàn)長(zhǎng)B-EPS 由小分子物質(zhì)組成,當(dāng)其濃度過(guò)高時(shí)會(huì)降低密度、增加空隙[25].階段 Ⅲ,反應(yīng)器趨于穩(wěn)定,代謝有機(jī)物的速率加快,EPS 濃度逐漸降低.

圖3 EPS 組分濃度變化Fig.3 Variation of EPS during the procession of operation

由于EPS 存在于污泥表面,當(dāng)環(huán)境改變時(shí)其組成成分更易受到影響[26].各層EPS 中PN/PS 比值在遭受負(fù)荷沖擊后均有所增加,在56d 時(shí)達(dá)到最大,分別為 2.87、4.02 和 5.04,相應(yīng)提高了93.9%、197.8%和126.0%(與28d 相比).PN 具有高疏水性和負(fù)電荷性,較高的比值有助于黏附絮凝,避免因負(fù)荷沖擊而導(dǎo)致的生物膜解體[2].階段Ⅲ,TB-EPS 和LB-EPS 濃度及PN/PS 比值逐漸降低.

為了進(jìn)一步探究持續(xù)負(fù)荷沖擊對(duì)生物膜EPS的影響,測(cè)定各階段下EPS 的三維熒光(圖4).根據(jù)文獻(xiàn)[27],腐殖酸類(lèi)物質(zhì)波長(zhǎng)區(qū)間為 250～400/380～500nm,溶解性微生物代謝產(chǎn)物250～400/280～380nm,蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)色氨酸200～250/300～380nm,富里酸類(lèi)物質(zhì)200～250/380～500nm.

圖4 EPS 三維熒光光譜圖Fig.4 Three dimensional fluorescence spectra of EPS

EPS 主要由蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)色氨酸、溶解性微生物代謝產(chǎn)物和腐殖酸類(lèi)物質(zhì)組成.在28d 時(shí),與Slime-EPS 相比,LB-EPS 各物質(zhì)含量更低,TB-EPS中蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)色氨酸更多,而腐殖酸類(lèi)物質(zhì)較少.持續(xù)負(fù)荷沖擊下TB-EPS 中峰發(fā)生變化,但仍以蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)色氨酸、溶解性微生物代謝產(chǎn)物為主,LB-EPS 中腐殖酸類(lèi)物質(zhì)含量增加.LB-EPS 先接觸有機(jī)物并降解轉(zhuǎn)化,腐殖酸類(lèi)物質(zhì)含量較高,TB-EPS 靠近細(xì)胞,需要大量的蛋白質(zhì)來(lái)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[25].階段 Ⅲ,在84d 時(shí)結(jié)果與28d 類(lèi)似,經(jīng)過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行后EPS 重新與環(huán)境和微生物達(dá)成了新的平衡.這表明,持續(xù)負(fù)荷沖擊激發(fā)了保護(hù)機(jī)制,EPS 分泌大量的應(yīng)急性蛋白類(lèi)產(chǎn)物以應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫.研究顯示[28],分泌的EPS 中含有的類(lèi)黃素和細(xì)胞色素等活性物質(zhì),可作為電子轉(zhuǎn)移媒介參與細(xì)胞的胞外電子轉(zhuǎn)移過(guò)程.

2.3 生物膜活性

2.3.1 比產(chǎn)甲烷活性 SMA 表示微生物產(chǎn)甲烷潛力和對(duì)COD 的去除能力,是表征生物膜活性的重要參數(shù).代謝底物的性質(zhì)決定了產(chǎn)甲烷菌的類(lèi)型、數(shù)量及代謝途徑,如圖5所示,各階段中HUR 活性高于乙酸SMA 活性.穩(wěn)定運(yùn)行期間(階段I),比產(chǎn)甲烷活性基本相同.與 28d 相比,在 42d 時(shí) HUR 達(dá)到0.341gCOD/(gTS·d),增加16.8%,乙酸SMA 活性為0.050gCOD/(gTS·d),降低25.4%;隨著負(fù)荷沖擊的持續(xù),在56d 時(shí)HUR 達(dá)到0.494gCOD/(gTS·d),增加69.2%,乙酸SMA 為0.035gCOD/(gTS·d),降低46.2%.經(jīng)恢復(fù)后(階段 Ⅲ),在70d 時(shí)HUR 降至0.315gCOD/(gTS·d),乙酸SMA 為0.030gCOD/(gTS·d),仍在降低.再經(jīng)14d 穩(wěn)定運(yùn)行后(84d),HUR 為0.332gCOD/(gTS·d);乙酸SMA 得到恢復(fù),為0.054gCOD/(gTS·d).

圖5 比產(chǎn)甲烷活性變化Fig.5 Change of specific methanogenic activity

持續(xù)負(fù)荷沖擊下的生物膜系統(tǒng)中,HUR 顯著增加而乙酸SMA 降低.不斷累積的VFAs 和增加的氫分壓,抑制了嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌對(duì)乙酸代謝而促進(jìn)了嗜氫產(chǎn)甲烷菌對(duì)H2的利用,導(dǎo)致產(chǎn)甲烷途徑進(jìn)一步向嗜氫產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)移.這與文獻(xiàn)[29-30]結(jié)果一致,因系統(tǒng)中VFAs 積累以及不穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境,不適應(yīng)嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)所致.

2.3.2 INT-ETS 及輔酶F420濃度 如圖6所示,穩(wěn)定運(yùn)行期間(階段I),INT-ETS 活性略有降低,在28d時(shí)為2.47mmol/(gVSS·min).階段Ⅱ中INT-ETS 活性逐漸增大,在56d 時(shí)達(dá)到3.35mmol/(gVSS·min),增加35.5%(與28d 相比).階段 Ⅲ,INT-ETS 活性降低,在84d 時(shí)為2.88mmol/(gVSS·min).INT-ETS 活性指微生物呼吸鏈中電子傳遞速率,反映厭氧微生物活性[14].持續(xù)負(fù)荷沖擊下系統(tǒng)中INT-ETS 活性提高35.5%,認(rèn)為是分泌的EPS 中的電化學(xué)活性物質(zhì)提高了電子轉(zhuǎn)移的能力[28,31].研究表明[32],厭氧處理偶氮染料等難降解、高色度有機(jī)廢水時(shí),提高系統(tǒng)的電子傳遞速率可以促進(jìn)污染物的高效厭氧降解.這也是持續(xù)負(fù)荷沖擊下總多酚去除率下降不明顯的原因.

圖6 INT-ETS 活性及輔酶F420 濃度Fig.6 Changes of INT-ETS activity and coenzyme F420 concentration

階段I,輔酶F420濃度略有增加,在28d 時(shí),為559.08μmol/gVSS.負(fù)荷沖擊下輔酶F420濃度也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);在56d 時(shí),達(dá)到625.46μmol/gVSS,增加11.9%(與28d 相比).穩(wěn)定運(yùn)行后(70d)其濃度進(jìn)一步增加,到達(dá)649.62μmol/gVSS;在84d 時(shí)濃度下降至632.45μmol/gVSS.輔酶F420由嗜氫產(chǎn)甲烷菌分泌,其濃度可反映產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量或產(chǎn)甲烷活性[15].持續(xù)負(fù)荷沖擊系統(tǒng)中HUR 明顯增加,嗜氫產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)得到促進(jìn),這也是在負(fù)荷沖擊結(jié)束后輔酶F420濃度繼續(xù)增加的原因.此外,根據(jù)代謝活性與環(huán)境因子RDA 分析(圖7)發(fā)現(xiàn),HUR、輔酶F420與乙酸SMA呈負(fù)相關(guān).HUR、INT-ETS 和輔酶F420與氫分壓、乙酸和COD 濃度呈正相關(guān),且HUR 與其相關(guān)性最強(qiáng).系統(tǒng)中增加的氫分壓在加快耗氫速率時(shí),也提高了VFAs 降解的能量壁壘限制后續(xù)過(guò)程的進(jìn)行[33],導(dǎo)致堿度被大量消耗,pH 值和系統(tǒng)穩(wěn)定性降低.

圖7 代謝活性與環(huán)境因子RDA 分析Fig.7 RDA analysis of metabolic activity and environmental factors

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)

微生物群落結(jié)構(gòu)在門(mén)水平上分布如圖8a所示.其中,Proteobacteria(31.0%～42.1%)、Euryarchaeota(35.0%～51.3%)和Firmicutes(8.1%～10.2%)是主要的優(yōu)勢(shì)菌.與階段Ⅰ相比,階段Ⅱ中Proteobacteria、Firmicutes、Spirochaetes、Bacteroidetes 和Chloroflexi豐度減少,尤其是Proteobacteria,由42.1%降至31.0%;Euryarchaeota 豐度明顯增加,由35.0%增至51.3%.階段Ⅲ中Proteobacteria、Spirochaetes 和Chloroflexi豐度增加,Euryarchaeota、Firmicutes 和Bacteroidetes豐度降低.Proteobacteria、Firmicutes、Spirochaetes、Bacteroidetes 和Chloroflexi 是中溫厭氧消化系統(tǒng)中常見(jiàn)的參與碳循環(huán)的發(fā)酵細(xì)菌,可將蛋白質(zhì)和多糖等水解成VFAs 和乙醇等物質(zhì)[5,14,29],負(fù)荷沖擊后豐度降低,這將影響厭氧消化的水解和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過(guò)程.Euryarchaeota 由產(chǎn)甲烷菌組成,在各階段的豐度依次為35.0%、51.3%和50.4%,負(fù)荷沖擊后其豐度得到明顯增加,這說(shuō)明微生物群落通過(guò)強(qiáng)化產(chǎn)甲烷過(guò)程來(lái)應(yīng)對(duì)持續(xù)負(fù)荷沖擊.

在屬水平上的分布(圖8b),Methanobacterium(32.2%～50.9%)、 Desulfovibrio(9.6%～19.4%)和Ruminococcus(5.2%～8.4%)為主要的優(yōu)勢(shì)菌屬.負(fù)荷沖擊后功能菌 Desulfovibrio、Ruminococcus、Geobacter 和 Syntrophobacter 豐度降低,其中Desulfovibrio 降幅最大,由 19.4%降至 9.6%.Desulfovibrio 可代謝乙醇或其他碳水化合物產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸[14];Ruminococcus 屬于Firmicutes 門(mén),可以產(chǎn)生蛋白酶和脂肪酶等胞外酶降解蛋白質(zhì)和脂類(lèi)等底物,為產(chǎn)甲烷菌提供乙酸、H2和CO2[5,8,29];Geobacter為互營(yíng)VFAs 降解菌,具備直接種間電子傳遞功能[14,31];Syntrophobacter 屬于Proteobacteria 門(mén),可與嗜氫產(chǎn)甲烷菌共生,是酒糟中主要的丙酸降解菌[34].系統(tǒng)中增加的VFAs 和氫分壓阻礙了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過(guò)程的自發(fā)進(jìn)行,抑制了這類(lèi)功能菌的代謝生長(zhǎng).同時(shí),Methanobacterium豐度增加,由32.2%增至50.9%,嗜氫產(chǎn)甲烷途徑占比得到進(jìn)一步增加.階段Ⅲ中Methanobacterium、Ruminococcus 和Syntrophobacter豐度降低,Desulfovibrio 和 Geobacter 豐度增加.Desulfovibrio 和Geobacter 具備DIET 能力,可與Methanobacterium 產(chǎn)甲烷菌建立DIET 產(chǎn)甲烷途徑,在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、促進(jìn)VFAs 降解和增強(qiáng)產(chǎn)甲烷過(guò)程發(fā)揮重要作用[35].

持續(xù)負(fù)荷沖擊下,抑制了產(chǎn)酸功能菌(Desulfovibrio 、 Ruminococcus 、 Geobacter 和Syntrophobacter)的 代 謝 ,但 促 進(jìn) 了Methanobacterium 的生長(zhǎng).根據(jù)代謝活性與微生物群落相關(guān)性分析(圖9)可知,Methanobacterium 與輔酶F420、HUR 和INT-ETS 呈正相關(guān),這表明生物膜系統(tǒng)通過(guò)群落結(jié)構(gòu)演替,促進(jìn)還原CO2產(chǎn)甲烷途徑來(lái)維持產(chǎn)甲烷過(guò)程的進(jìn)行.負(fù)荷沖擊結(jié)束后,利用菌屬Desulfovibrio、Geobacter 和Syntrophobacter 與Methanobacterium 形成新的互營(yíng)共生關(guān)系來(lái)維持代謝平衡.

圖9 代謝活性與群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性Fig.9 Correlation analysis between metabolic activity and community structure

3 結(jié)論

3.1 持續(xù)負(fù)荷沖擊期間,AnSBBR 在前13d(29～41d)可保持高的去除效果和運(yùn)行穩(wěn)定性.42～56d 反應(yīng)器性能迅速下降,COD 去除率降至83.0%,氫分壓增至739.7Pa,VFAs 為858.3mg/L,甲烷產(chǎn)量為15.7L/d;穩(wěn)定性明顯降低,pH 值低于7.0,VFA/TA 為0.72,VFA/BA 為1.29.經(jīng)8d 穩(wěn)定運(yùn)行后反應(yīng)器的性能重新恢復(fù).

3.2 與穩(wěn)定階段相比(28d),在42d 時(shí)僅外層的Slime-EPS 濃度明顯增加(34.1%);隨負(fù)荷沖擊時(shí)間增加,在56d 時(shí)TB-EPS 和LB-EPS 濃度分別增加61.3%和62.8%.同時(shí),其PN/PS 比值也顯著增加197.8%和126.0%.恢復(fù)運(yùn)行中EPS 含量及PN/PS 快速恢復(fù)至原有水平.結(jié)合三維熒光發(fā)現(xiàn),持續(xù)負(fù)荷沖擊激發(fā)了保護(hù)機(jī)制,EPS 分泌大量的應(yīng)急性蛋白類(lèi)產(chǎn)物以應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫.

3.3 與穩(wěn)定階段相比(28d),持續(xù)負(fù)荷沖擊下(56d),生物膜系統(tǒng)中HUR 增加69.2%,乙酸SMA 降低46.2%,INT-ETS 活性增加35.5%,輔酶F420濃度增加11.9%.結(jié)合群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),嗜氫產(chǎn)甲烷菌(Methanobacterium)豐度由32.2%增至50.9%,生物膜系統(tǒng)通過(guò)促進(jìn)還原CO2產(chǎn)甲烷途徑來(lái)維持產(chǎn)甲烷過(guò)程.