精對苯二甲酸(PTA)通常被用在薄膜、增塑劑和聚酯類材料等的生產中，是我國重要的有機原材料。隨著我國PTA產業規模不斷擴大，PTA廢水的排放量越來越多，由于PTA廢水主要污染物為芳香類化合物(對苯二甲酸(TA)、甲基苯甲酸(PT)和苯甲酸(BA)等)，一旦進入環境，將會造成嚴重污染。此外，如果該廢水得不到切實有效處理，必將成為各個企業的發展“瓶頸”。因此，關于PTA廢水的處理研究受到越來越多的關注。PTA廢水具有有機濃度高，水質組成復雜、可生化性差、具有一定毒性等特點，這也是研究的難點。
由于厭氧生物技術具有承受高有機負荷、剩余污泥產量少、能源回收率高等優點，是目前處理PTA廢水的研究熱點。目前主要的厭氧工藝包括上流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧生物濾池(AF)及厭氧內循環反應器(IC)等。JOUNG等采用AF反應器處理PTA廢水，實現了連續15個月的穩定運行，COD去除率均達到85%以上。KLEEREBEZEM等在利用UASB降解PTA廢水實驗中也取得了良好的COD去除效果，并且發現，廢水中BA容易被厭氧菌降解掉，而TA、PT則難于降解，BA對TA、PT的降解存在抑制作用，而且與進水有機負荷有關。此外，也有研究人員將生物膜技術與IC反應器結合起來降解PTA廢水，縮短反應器啟動時間，經過穩定運行后，COD去除率可達到80%。然而，目前在PTA廢水生物處理的研究中主要集中于反應器的運行效果和目標污染物的降解機理，關于污泥形態和微生物群落結構的報道[13]較少。而掌握這些內容又可以在微生物水平上掌握反應器的運行狀況。因此，全面掌握系統運行效能與污泥形態和微生物群落結構的響應關系，對PTA廢水處理具有重要意義。本實驗采用UASB反應器處理PTA廢水，培養厭氧顆粒污泥，研究廢水處理效果、顆粒污泥的形態及其產甲烷活性及群落結構，為PTA廢水處理應用提供參考。
1 實驗部分
1.1 實驗裝置
實驗裝置見圖1，UASB反應器材質為有機玻璃，整體高度60 cm，其中反應區高度35 cm，內徑6 cm，有效容積約1 L。內徑外側為可溫控水套，溫度控制為35 ℃。反應器外壁自下而上設置6個取樣口，取樣口的內徑是10 mm。反應區上部設置回流管，回流液可經過循環泵重新進入反應器。進水由蠕動泵從反應器底部進入。
圖1 實驗裝置示意圖
1.2 PTA廢水及接種污泥
實際PTA廢水成分主要為TA、PT、BA，和少量的鄰苯二甲酸和間苯二甲酸等，以及其他促進微生物生長代謝的微量元素，見表1。根據上述芳香類化合物在實際廢水中的比例，本實驗模擬廢水以上述芳香類化合物為碳源，調節廢水COD為5 000 mg·L−1。PTA廢水進入反應器之前通過調節NaOH和HCl將pH控制在7.5左右。模擬廢水成分見表1。接種污泥來自于哈爾濱市太平污水處理廠A2/O工藝中的厭氧段。取樣時厭氧段污泥為黑色絮狀厭氧污泥，混合液懸浮固體濃度(MLSS)為8 900 mg·L−1，混合液揮發性固體濃度(MLVSS)為6 500 mg·L−1，對應的MLVSS/MLSS為0.73。接種污泥在進入反應器前靜沉0.5 h，去除上清液。最終污泥接種量占反應器有效容積的60%。
表1 廢水各組分濃度
1.3 實驗方法
由于低負荷啟動可減少反應器的污泥損失，降低抑制性物質的積累，因此本實驗采用低負荷啟動。在反應器啟動過程中，采用逐漸提高進水負荷和減少HRT的運行方法進行。為快速提高接種污泥活性，第1階段用葡萄糖代替模擬PTA廢水作為碳源。隨后往葡萄糖配水中逐漸加入PTA廢水提高配水COD值，直至成分完全為PTA廢水。啟動過程按照PTA廢水的比例分為6個階段，見表2。在反應器進入下一個階段之前，出水各項指標值達到穩定。在啟動初期，通過內回流將進水流速提高至0.5 m·h−1，增加進水和底部污泥充分接觸，去除系統中細小和老化污泥。當系統內產氣量逐漸增多，可實現液體在反應器內部擾動，優化混合效果，此時逐漸減小回流量。
表2 UASB反應器運行參數
1.4 測試項目和方法
常規分析參考《水和廢水監測分析方法》，其中COD采用重鉻酸鉀法，堿度采用酸堿滴定法，VSS和SS采用重量法。pH用WTW Terminal 740測定儀測定。顆粒污泥沉降速率采用重量沉降法。厭氧顆粒污泥粒徑采用激光衍射粒度儀(Mastersizer 2000, Malvern instruments Ltd., UK)測定。厭氧顆粒污泥的產甲烷活性采用史氏發酵法。TA、PT和BA等 PTA廢水組分采用高效液相色譜法。揮發性脂肪酸(VFA)和甲烷含量采用氣象色譜法。厭氧顆粒污泥的形態采用電子掃描電鏡(SEM; JSM-5610LV, JEOL, Japan)觀察。顆粒污泥的群落結構采用454高通量測序技術。
2 結果與討論
2.1 UASB反應器的啟動
2.1.1 污染物的去除
不同階段內COD、容積負荷的變化見圖2。在第1階段前1周，反應器污泥流失現象嚴重，此時出水的懸浮物較高，水質變化也較大。原因是接種污泥中的老化污泥受到進水的沖刷，隨出水排出反應系統。之后，隨著出水懸浮物的減少，出水COD濃度也隨之降低。在第19天，出水COD濃度降到了400 mg·L−1以下，去除率達到了80%以上，此時反應系統對應的容積負荷在0.8 kg·(m3·d)−1以上。反應器在此后的運行中，出水COD濃度逐漸降低，最終穩定在200 mg·L−1左右，對應的COD去除率在89%左右。接著反應器進入第2階段，通過向進水中加入PTA廢水，將進水中COD濃度提高至3 000 mg·L−1，并將HRT縮短至36 h，對應進水負荷為2.0 kg·(m3·d)−1。此時出水COD濃度上升到1 200 mg·L−1左右，說明系統抗負荷能力較弱。出水COD在波動一小段時間后逐漸降低，最終穩定在760 mg·L−1，此時對應的容積負荷提高到1.5 kg·(m3·d)−1。在第3階段和第4階段，繼續增加進水PTA廢水含量和縮短HRT，此時進水COD濃度達到最大設計值5 000 mg·L−1。在這2個階段，盡管進水負荷逐漸提高，但是進水中含有容易微生物降解的底物(葡萄糖)，因此，出水水質在10 d左右達到穩定，最終對應的容積負荷也達到4.0 kg·(m3·d)−1以上。在第5階段和第6階段，保持進水容積負荷不變，逐漸降低葡萄糖濃度，同時提高PTA廢水濃度。在第5階段初期，出水COD仍出現較大波動，而在第6階段初期，盡管進水全部為PTA廢水，但是出水COD并未出現較大波動，COD去除率均保持在80%以上，說明反應器啟動成功，系統具有一定的抗負荷沖擊能力，此時系統的容積負荷仍然在4.0 kg·(m3·d)−1以上。經過6個階段(201 d)的運行，系統內黑色絮狀的厭氧污泥成功培養成黑色橢圓形球狀顆粒污泥，并具有明顯光澤(見圖3)。此時顆粒污泥的沉降速率和VSS/TSS分別為65.7 m·h−1 和0.75。
圖2 不同階段內COD、容積負荷的變化
反應器啟動完成后，廢水中的主要的污染物為TA和PT，不同階段內目標污染物的去除效果見圖4。經過UASB反應器處理后，兩者濃度均有大大降低，TA和PT出水濃度分別為55.6 mg·L−1和130.2 mg·L−1，去除率分別為97.2%和83.6%。其他3種污染物BA、鄰苯二甲苯和間苯二甲苯去除率均在95%以上。說明系統內微生物經過馴化后具有較強的降解苯類化合物的能力。LEE等采用兩段序批式膨脹顆粒污泥床處理PTA廢水，TA和PT的去除率分別為97.6%和75.2%，與本實驗的結果相似。具體聯系污水寶或參見http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
圖4 不同階段內目標污染物的去除效果
2.1.2 出水VFA、pH和堿度
VFA是厭氧消化過程的重要中間產物之一，產甲烷菌以VFA為底物，在生長代謝過程中產生甲烷。pH和堿度也是重要的工程控制參數，影響微生物群落結構與代謝活性。出水VFA、pH和堿度隨時間的變化見圖5。反應器在啟動初期，出水VFA較高，最高濃度達到68.3 mg·L−1，之后逐漸降低。盡管進水負荷逐漸增加，但是出水VFA濃度在60 d之后并未出現較大變化，出水VFA濃度逐漸趨于穩定，說明產甲烷菌數量增多或活性逐漸增強，反應器未發生酸化現象。在啟動實驗結束后，對出水VFA組分進行了檢測，主要成分為乙酸，占90%以上，其余為丙酸和丁酸等。通過pH變化曲線，可以看出隨著進水負荷的增加，出水pH呈逐漸降低趨勢。但是出水pH一直處在6.7～7.5之間，并未發生太大波動，這是由于原水中堿度在1 500 mg·L−1左右，水質本身具有較強的抗酸化能力。出水堿度在啟動初期低于進水，說明此時反應器內以酸化反應為主。隨著培養的進行，產甲烷反應開始出現，出水堿度增加，最后穩定在2 000 mg L−1左右，屬于1 000～5 000 mg L−1的正常范圍以內。
圖5 不同時間內出水pH、VFA和堿度的變化
2.2 顆粒污泥的特征
2.2.1 粒徑
在第2階段末期，反應器底部出現了少量的細小顆粒污泥。隨著培養的進行，沉降性能差的絮狀污泥逐漸被淘汰，而顆粒污泥的數量逐漸增多，粒徑也隨之增大。在第3階段末期，新生顆粒污泥逐漸增多，顆粒污泥的體積平均粒徑為113.48 μm。進入第4階段，通過提高進水負荷，顆粒污泥的體積平均粒徑快速增長到227.33 μm，此時反應器內污泥已基本顆粒化。在第5階段，顆粒污泥的體積平均粒徑繼續增長，在第5階段末期，體積平均粒徑增長到390.42 μm，說明顆粒污泥在第4階段和第5階段處在快速生長期。第6階段，進水全部采用PTA廢水，經穩定運行后COD去除率很快達到80 %以上。此時顆粒污泥的體積平均粒徑增長到416.53 μm。說明顆粒污泥進入了生長平穩期，并趨于成熟，反應器內污泥實現顆粒化。不同階段顆粒污泥粒徑的具體參數見表3。
表3 顆粒污泥的特征參數
2.2.2 污泥形態
經過201 d的啟動實驗，反應器內的顆粒污泥基本培養成熟。成熟的顆粒污泥為黑色，卵狀，具有清晰的表面邊界(圖3)。為了更清晰、直觀地了解顆粒污泥形態，對其進行了掃描電鏡觀察，見圖6。顆粒污泥表面存在豐富的菌膠團，桿菌和絲狀菌鑲嵌其中。菌膠團有助于微生物的聚集，加速污泥顆粒化過程。產氣微生物在代謝活動中產生的CO2、CH4等氣體在顆粒污泥內部形成孔隙，這進一步促進微生物與基質接觸、吸附和物質交換，同時也加強了微生物間的協同作用。
圖6 顆粒污泥掃描電鏡
2.2.3 產甲烷活性
污泥的產甲烷活性是厭氧污泥的重要生理指標，反映污泥的產甲烷潛力。在不同階段穩定期內，污泥比產甲烷活性見圖7。在第1階段，進水負荷較低，污泥處在馴化期，此時產甲烷活性也較低，只有14.4 mL·(g·d)−1。隨著污泥繼續馴化，進水負荷持續升高，產甲烷活性在第2階段達到了26.3 mL·(g·d)−1。隨著顆粒污泥的出現，在第3階段，產甲烷活性增加到41.8 mL·(g·d)−1。在第4階段和第5階段，顆粒污泥進入快速生長期，產甲烷活性也呈現對數增長。到了第5階段末期，產甲烷活性增加到113.7 mL·(g·d)−1。在第6階段末期，產甲烷活性最終穩定在121.2 mL·(g·d)−1，相比上一階段，產甲烷活性變化幅度較小，說明顆粒污泥已經進入生長的穩定期，產甲烷活性已經達到最大。
圖7 污泥在不同階段的產甲烷活性
2.2.4 群落結構
啟動實驗完成后，提取顆粒污泥樣品DNA，然后進行高通量測序，確定反應系統內的主要微生物類型和群落結構。如表4所示，樣品獲得12 057條有效古菌序列以及13 896條有效細菌序列。在相似水平為97%時，樣品所含操作分類單元(OTU)數分別為47個古細菌以及251個細菌。顆粒污泥群落結構見圖8。互營桿菌屬(Syntrophorhabdus)是苯類工業廢水生物處理系統中常見菌種，可以降解苯酚、BA、4-羥基苯甲酸和鄰苯二甲酸異構體等芳香族化合物。本實驗中Syntrophorhabdus占細菌量的27.4%，這與之前研究的實驗結果相似，LI等采用上流式厭氧固定床處理模擬PTA廢水，反應系統中Syntrophorhabdus占23.7%。厭氧繩菌(Anaerolinaceae)也是降解TA類化合物微生物，占細菌量7.8%，但是降解機理仍然不清楚。古細菌屬中與產甲烷有關的菌種主要為乙酸營養型產甲烷鬢菌(Methanosaeta)和少量的氫營養型甲烷繩菌屬(Methanolinea)，數量分別占古細菌總量的67.3%和13.2%。而MA等在實驗中發現PTA廢水有助于氫營養型產甲烷菌代謝生長，抑制乙酸型產甲烷菌。在本實驗的大部分時間內(前5個階段)，PTA廢水含有葡萄糖，葡萄糖容易被微生物降解,生成乙酸，因此，減少了PTA廢水對乙酸型產甲烷菌的抑制作用。
圖8 啟動完成后屬水平上顆粒污泥群落結構
表4 樣品的測序信息及多樣性指數
3 結論
1)歷時近200 d的運行，完成了UASB反應器在PTA廢水處理的啟動實驗。反應器的容積負荷達到4.0 kg·(m3·d)−1以上，COD的平均去除率在80%以上。主要污染物TA和PT的出水濃度分別為55.6 mg·L−1和130.2 mg·L−1，去除率分別為97.2%和83.6%。
2)成熟的顆粒污泥體積平均粒徑為416.53 μm，產甲烷活性達到121.2 mL·(g·d)−1。顆粒污泥表面存在大量菌膠團，桿菌和絲狀菌鑲嵌其中。在顆粒污泥內部存在孔隙促進微生物與基質接觸、吸附和物質交換，同時也加強了微生物間的協同作用。
3)在微生物類型和群落結構的研究中，Syntrophorhabdus是降解PTA廢水中苯類污染物的重要微生物，占細菌量的27.4%，而Methanosaeta則是主要的產甲烷菌，占古細菌總量的67.3%。(來源：環境工程學報 作者：李俊生)
