炼油、炼焦、煤气化生产过程中会产生大量含酚废水。这类废水以苯酚和甲酚为主，总酚质量浓度可达200~1 500 mg/L〔1〕。酚类化合物是一类原生质毒性物质，可致癌、致畸和致突变，直接排放将造成生态破坏，严重威胁人类的健康安全。目前，含酚废水的处理方法主要包括物化法和生物法。相比物化法，生化法的运行成本低，不产生二次污染，越来越受到人们的关注。
厌氧颗粒污泥技术具有高效稳定、耐毒性强、产生二次能源等优势，广泛用于含酚废水的处理。由于酚类化合物的生物抑制性，反应器启动周期较长（3~10月），严重限制了该技术的推广〔1〕。基于“晶核”理论假说，载体颗粒的投加可为微生物提供生物附着点，加速颗粒污泥的形成〔2〕。据报道，硅藻土、麦饭石、活性炭等材料可作为促颗粒化的载体，大大加速颗粒化进程，同时提高厌氧生物系统的稳定性〔3〕。腐殖酸是一种结构复杂的高分子聚合物，存在大量醌基和羧基，可作为氧化还原介体加速污染物的厌氧生物还原〔4-5〕。泥炭土含有丰富的腐殖酸，可加速电子转移，促进污染物转化，同时具有粗糙的表面和良好的机械强度，可作为厌氧颗粒污泥的初始晶核加速颗粒污泥的形成。此外，泥炭土来源广泛、价格低，在废水处理方面具有广泛的应用前景。然而，泥炭土用于厌氧生物载体强化含酚废水处理的研究仍未见相关报道。
本研究对泥炭土强化UASB处理含酚废水的可行性进行研究，并进一步研究了泥炭土对污泥特性和微生物群落结构的影响。
1 实验材料与方法
1.1 泥炭土和接种污泥
实验所用泥炭土购于连云港汇福纳米新材料公司，腐殖酸含量为1.05 mg/g。泥炭土经干燥、研磨、过筛，最终粒径为0.076~0.25 mm。接种污泥取自辽河石化污水厂水解酸化池，接种污泥为絮状污泥，接种质量浓度为14.168 g/L，VSS/TSS=0.61。
1.2 模拟含酚废水的配制
模拟含酚废水含有苯酚、邻甲酚、对甲酚3种化合物，质量比为5:1:1。进水总酚根据反应器容积负荷进行调整，总酚质量浓度为200~1 100 mg/L，COD为1 000~4 500 mg/L。NH4Cl和KH2PO4分别作为氮源和磷源，m（COD）:m（N）:m（P）控制在350:5:1。进水碱度由NaHCO3调节，pH在6.5~8.5之间。微量元素的成分及含量参照文献〔3〕。
1.3 实验装置及运行方式
实验设置2套中温〔（37±2）℃〕UASB反应器，其中R0为对照组，R1为投加3%（体积比）泥炭土的反应器，实验装置如图1所示。
图1
2套反应器内径80 mm，高1 000 mm，有效容积为4.5 L。2个反应器的运行周期为260 d。前60 d反应器以低浓度酚（总酚200 mg/L）培养，同时添加葡萄糖（468.5 mg/L）提高微生物活性。61~180 d，进水葡萄糖维持468.5 mg/L，而总酚从200 mg/L提高至1 100 mg/L。181 d后，进水葡萄糖降为0，进水基质以含酚废水为唯一碳源。为考察反应器的耐冲击性能，在第241天将总酚调整至1 700 mg/L，242~260 d为系统恢复期。2个反应器的水力停留时间（HRT）通过调节蠕动泵流量控制，HRT根据反应器的运行效果调整，第1~220天HRT设为24 h，221~260天HRT减小至20 h。
1.4 分析方法
COD、总悬浮固体（TSS）、可挥发性固体（VSS）和总酚用标准方法测量。沼气收集于5 L集气袋，气体体积用100 mL注射器测量，甲烷含量用配有TCD检测器的气相色谱仪（GC7806，北京温岭仪器有限公司）测定。气体进样量为10 μL，柱箱、柱样和检测温度设为80、100、150 ℃。污泥胞外聚合物（EPS）用水热法提取，蛋白质（PN）和多糖（PS）分别用苯酚-硫酸法和考马斯亮蓝法测定〔7〕。颗粒污泥形态采用扫描电镜（S-3000N，日本日立公司）测量。污泥微生物群落采用高通量测序方法测量。DNA用PowerMax® Soil DNAIsolation Kit试剂盒提取。PCR扩增选用引物为515F（5’-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3’）和806R（5’-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3’）。PCR扩增、混样、建库方法参照文献〔4〕。微生物注释及多样性指数用美吉云平台（www.i-sanger.com）分析。
2 结果与讨论
2.1 泥炭土对UASB处理含酚废水性能的影响
图2反映了2个反应器不同运行期的COD去除率、总酚去除率与产甲烷量变化情况。
图2
运行初期以468.5 mg/L葡萄糖和200 mg/L总酚培养，2个反应器的微生物活性逐步提高。R0反应器的COD去除率从40%提高至80%需要38 d，而R1仅需要30 d。这表明泥炭土可提高系统微生物的活性，促进污染物的生物降解。61~180 d为污泥驯化期，R1的COD平均去除率为86.26%，高于R0的83.11%。当进水以含酚废水为唯一碳源时（181~ 240 d），2个反应器的COD去除率均有所降低，R0和R1的COD平均去除率分别为79.06%、81.07%。实验结果表明，泥炭土可强化UASB处理含酚废水的运行性能。第241天进水总酚调整至1 700 mg/L，2个反应器微生物活性降低，COD去除率降至60%左右。从242~260天，进水总酚恢复至1 100 mg/L，运行18 d后R1的COD去除率恢复至80%以上，而R0仅达75%左右。这表明泥炭土可提高反应器的耐冲击能力，保证反应器的稳定运行。
2个反应器的总酚去除率变化趋势与COD去除率基本类似，稳定期（181~240 d）R0和R1出水平均总酚为115.92、91.50 mg/L，总酚平均去除率分别为89.05%、91.37%。在产甲烷方面，R0和R1反应器的平均产沼气量分别为3 706、4 004 mL/d，对应的甲烷转化率为0.83、1.07 mL/g。结果表明，投加泥炭土可加速酚类化合物的厌氧生物降解，提高甲烷转化率。
2.2 泥炭土对污泥特性的影响
不同运行期的污泥胞外聚合物含量及SVI指数如图3所示。
图3
由图3可见，污泥的EPS含量随运行周期呈先增加后减小的变化趋势。第35、180天时进水基质为葡萄糖和含酚废水，而第260天以含酚废水为唯一碳源，进水基质的变化导致EPS降低，酚类化合物的生物抑制性降低了微生物的活性。反应器R1在3个时间段的EPS含量均高于R0，表明投加泥炭土可促进EPS的分泌，有助于微生物的黏附和聚集。在整个运行周期，R1反应器的PN含量都高于R0。PN增加提高了污泥的絮凝性和稳定性，提高了UASB系统的稳定性。此外，多种水解酶的分泌促进了酚类化合物的降解，提高系统的运行性能。
SVI指数是评价污泥沉降性能的重要指标，其数值越小说明污泥沉降性越好。2个反应器的污泥沉降性变化规律与EPS基本一致。当进水以含酚废水为唯一碳源时，微生物活性降低，污泥沉降性降低。在反应器稳定期（第260天），R0和R1的SVI指数分别为59.7、24 mL/g，表明泥炭土可促进污泥颗粒的形成，强化了污泥的沉降性能。
在第260天对2个反应器的颗粒污泥进行表观形态分析，见图4。
图4
由图4可见，R0和R1反应器的污泥为黑色球形颗粒，颗粒表面较为粗糙。颗粒污泥表面出现大量杆菌和丝状菌，这些细菌镶嵌在EPS，形成结构密实的微生物聚集体。其中R1颗粒上存在泥炭土载体，微生物附着在泥炭土表面促进了微生物的黏附。泥炭土密度大于常规颗粒污泥，增大了整体颗粒污泥的密度，提高了污泥的沉降性能。
辅酶F420是评价污泥产甲烷活性的重要指标，F420的浓度越高，污泥的产甲烷性能就越强〔8〕。R0和R1成熟颗粒污泥的F420分别为0.024 8、0.054 9 μmol/g，表明添加泥炭土提高了颗粒污泥的产甲烷活性，加速了短链脂肪酸向甲烷的转化。
2.3 泥炭土对系统微生物群落结构的影响
第260天从2个反应器底部取样，采用高通量测序方法对微生物群落进行分析，结果见图5。
图5
由图5可见，在门分类水平上，古生菌门（Euryarchaeota）、变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）和酸热菌门（Acetothermia）是UASB处理含酚废水的优势菌，这些门类的菌总比重可达50%以上。古生菌门在2个反应器中占有较大比重，以产甲烷菌为主，这些菌株在污泥颗粒的形成和污染物的转化中发挥重要作用〔4〕。同时，厚壁菌门、变形菌门与绿弯菌门在2个反应器富集。厚壁菌门、变形菌门与绿弯菌门含有大量的酚类降解菌〔9〕，这些微生物的富集保证了UASB的稳定运行。此外Aminicenantes门含有大量丙酸降解菌〔10〕，R1中Aminicenantes和绿弯菌门的比重高于R0。
在属分类水平上，Syntrophorhabdus、Methanosaeta、Methanolinea、Mesotoga和Caldisericum是UASB的优势菌属。Syntrophorhabdus可有效降解酚类化合物，常出现在厌氧生物处理含酚废水反应器中〔11〕。Caldisericum为水解酸化菌，可降解杂环化合物〔4〕。这2种菌属在反应器富集促进了酚类化合物的降解。同时，R1反应器中Mesotoga、Longilinea、Anaerolineaceae_UCG-001和Leptolinea的相对丰度明显高于R0。其中Mesotoga为互养细菌，可以利用小分子有机酸〔12〕。Longilinea和Leptolinea均是属于绿弯菌门的厌氧丝状菌，可促进微生物的聚集，加速颗粒污泥的形成〔13-15〕。此外，R1中Trichococcus和Exilispira的相对丰度高于R0。Trichococcus属于酚类化合物降解菌〔16〕，而Exilispira可以利用乙酸，转化为氢气与二氧化碳〔17〕。这些丝状菌与水解酸化菌在R1反应器富集，加速了酚类化合物的降解与转化，提高了反应器的运行性能。
3 结论
研究了泥炭土对UASB处理含酚废水的影响，结果表明，投加泥炭土可有效提高反应器的运行性能。在HRT为20 h、OLR为5.31 kg/（m3·d）的条件下，添加泥炭土的反应器运行稳定，COD去除率、总酚去除率和产甲烷量可达86.26%、91.37%、2 874 mL/d，高于对照组的79.26%、89.05%、2 599 mL/d。同时，泥炭土提高了反应器的耐冲击能力。泥炭土可充当颗粒污泥的初始“晶核”，提高颗粒污泥的稳定性和沉降性。投加泥炭土有利于水解菌（Mesotoga）、酚类降解菌（Trichococcus）以及丝状菌（Longilinea和Leptolinea）的富集，促进了酚类化合物的进一步降解和转化，保证反应器高效稳定运行。
参考文献
Treatment of phenol and cresols in upflow anaerobic sludge blanket(UASB) process:a review
[J].DOI:10.1016/j.watres.2004.07.028 [本文引用: 2]
Granular sludge formation in upflow anaerobic sludge blanket(UASB) reactors
[J].DOI:10.1002/(SICI)1097-0290(19960205)49:3<229::AID-BIT1>3.0.CO;2-M [本文引用: 1]
Evaluation of an up-flow anaerobic sludge bed(UASB) reactor containing diatomite and maifanite for the improved treatment of petroleum wastewater
[J].DOI:10.1016/j.biortech.2017.06.171 [本文引用: 4]
Impact of humic acid on the photoreductive degradation of perfluorooctane sulfonate(PFOS) by UV/Iodide process
[J].DOI:10.1016/j.watres.2017.10.010 [本文引用: 1]
Characterization of aerobic granular sludge used for the treatment of petroleum wastewater
[J].DOI:10.1016/j.biortech.2018.09.132 [本文引用: 1]
Fluorimetric monitoring of methanogenesis in anaerobic digestors
[J].DOI:10.1007/BF01398311 [本文引用: 1]
Anaerobic biodegradation of nonylphenol in river sediment under nitrate-or sulfate-reducing conditions and associated bacterial community
[J].DOI:10.1016/j.jhazmat.2014.12.057 [本文引用: 1]
Active and total microbial community dynamics and the role of functional genes, bamA, and, mcrA, during anaerobic digestion of phenol and p-cresol
[J].DOI:10.1016/j.biortech.2018.05.060 [本文引用: 1]
Key microbial populations involved in anaerobic degradation of phenol and p-cresol using different inocula
[J].DOI:10.1016/j.ejbt.2018.08.002 [本文引用: 1]
Mesotogainfera sp. nov., a mesophilic member of the order Thermotogales, isolated from an underground gas storage aquifer
[J].
Bellilinea caldifistulae gen. nov., sp. nov. and Longilinea arvoryzae gen. nov., sp. nov., strictly anaerobic, filamentous bacteria of the phylum Chloroflexi isolatedfrom methanogenic propionate-degrading consortia
[J].DOI:10.1099/ijs.0.65098-0 [本文引用: 1]
Draft genome sequence of Leptolinea tardivitalis YMTK-2, a mesophilic anaerobe from the Chloroflexi class Anaerolineae
[J].
Microbial community structure and methanogenic activity during start-up of psychrophilic anaerobic digesters treating synthetic industrial wastewaters
[J].DOI:10.1016/S0168-6496(03)00217-4 [本文引用: 1]
Evidence of syntrophic acetate oxidation by Spirochaetes during anaerobic methane production
[J].DOI:10.1016/j.biortech.2015.02.066 [本文引用: 1]
津公网安备 12010602120337号
