上海GMP純化水設(shè)備解讀：EGSB反應器在抗生素制藥廢水處置中的技術(shù)支持
【上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.ppyswfy.cn】抗生素是國內(nèi)常用的生物制品，其生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢水，抗生素廢水中含有高濃度的有機物，并且具有一定的毒性。若處置不當會對周圍環(huán)境發(fā)生極大的危害。
目前，針對高濃度有機廢水，常用的處置方法為厭氧生物處理，去除有機污染物的同時還能回收局部甲烷。顆粒污泥膨脹床（EGSB反應器是一種新型的厭氧處理技術(shù)，與常用的上流式厭氧污泥床（UA SB反應器相比，其具有上升流速高、有機物去除率高、抗沖擊能力強及容積負荷高等優(yōu)勢，可廣泛應用于高濃度或有毒、難降解有機廢水。
本研究構(gòu)建EGSB反應器處置高濃度抗生素制藥廢水，考察其對該廢水的處置性能及耐沖擊能力，分析了微生物群落結(jié)構(gòu)來確定優(yōu)勢菌群，以期為今后EGSB反應器在抗生素制藥廢水處置中的應用提供一定的技術(shù)支持。
01實驗局部
1實驗廢水
本實驗底物為抗生素制藥廢水，取自哈爾濱市某制藥廠廢水處置站收集池。收集后的廢水貯存在塑料筒內(nèi)，室溫下待用。經(jīng)檢測，廢水水質(zhì)指標：COD為（15772±225mg/LSS為（478±32mg/LNH4+-N為（17±2mg/LTP為（3.9±0.6mg/L堿度為（235±12mg/LpH為6.8±0.3色度為752±56倍。該廢水含有高濃度的有機物，且氮、磷等營養(yǎng)元素缺乏，
因此，進水中通過投加一定量的NH4Cl和KH2PO4來維持進水mC∶mN∶mP為500∶5∶1以滿足厭氧微生物的基本代謝需求。
2接種污泥
反應器接種污泥收集于哈爾濱某市政污水處置廠，為脫水機房板框壓濾機出泥（含水率為75%該污泥主要來自生化反應后二沉池的排出污泥。污泥收集后以0.600mm0.450mm30目×40目）不銹鋼篩網(wǎng)進行篩分以去除大顆粒物質(zhì)，以防止后續(xù)蠕動泵及管道的堵塞。預處理后的污泥直接投加至EGSB反應器。經(jīng)檢測，接種時的污泥總懸浮物（TS和揮發(fā)性懸浮物（VS分別為（9.6±0.4g/L和（7.2±1.0g/L
3實驗裝置
EGSB反應器裝置見圖1
EGSB反應器裝置由有機玻璃制成，有效容積為25L頂部裝置玻璃鋼材質(zhì)氣液固三相分離器，內(nèi)部裝置pH探頭以實時檢測系統(tǒng)pH變化。反應器外壁纏繞電阻絲進行電加熱，并與溫度探頭連鎖自動控制反應溫度為（35±1℃。當預處理后的接種污泥投上海GMP純化水設(shè)備
加進EGSB反應器后，廢水由可調(diào)速蠕動泵輸送進反應器內(nèi)，稀釋進水COD控制啟動容積負荷為1.0kgCOD/m3dHRT為48h反應器啟動運行過程中，逐步升高容積負荷直至滿負荷運行〔7.9kgCOD/m3d〕。當反應器啟動勝利后，依次降低系統(tǒng)HRT分別為4032h〔對應的容積負荷分別為9.511.8kgCOD/m3d〕，以確定最適的容積負荷。反應器局部出水通過計量泵回流至進水。
4檢測方法
反應器發(fā)生的生物氣量采用LMH-1型濕式氣體流量計（山東桑澤儀器）進行測定。甲烷體積分數(shù)采用7890B型氣相色譜（美國安捷倫）進行測定。
CODBOD5TSVSNH4+-NTP堿度和色度采用國家規(guī)范方法進行分析。污泥粒徑采用濕式篩分法進行測定，菌群種類分析采用文獻中所述的離心洗滌、試劑提取、凝膠電泳及基因擴增方法進行測定。
02結(jié)果與討論
1EGSB反應器運行性能
考察整個實驗期間（200dEGSB反應器的連續(xù)運行性能，結(jié)果見圖2
由圖2可知，EGSB反應器啟動過程中，通過提高進水COD使容積負荷由1.0kgCOD/m3d逐步提高直至7.9kgCOD/m3d滿負荷）運行。
每一個容積負荷條件下運行，當COD去除率達到80%時，依次提高容積負荷至2.02.93.94.95.86.97.9kgCOD/m3d整個啟動過程繼續(xù)了約90d啟動勝利后的EGSB反應器在22d運行時間內(nèi)性能穩(wěn)定，COD平均去除率穩(wěn)定在91.6%±1.8%出水平均COD為（1320±15mg/L
另外，EGSB反應器啟動過程中，每次提高容積負荷時，系統(tǒng)的COD平均去除率均呈先下降后升高的趨勢，這是因為反應器內(nèi)厭氧微生物對新的運行條件需要有一定的適應期。
反應器運行的第102d降低系統(tǒng)HRT至40h以提高容積負荷至9.5kgCOD/m3d經(jīng)過20d運行發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的COD去除率幾乎沒有變化，COD平均去除率為91.4%±0.8%當系統(tǒng)HRT進一步降低至32h時〔此時容積負荷為11.8kgCOD/m3d〕，COD平均去除率下降至83.5%±1.2%出水平均COD升高至（2558±97mg/L
同時，EGSB出水中發(fā)現(xiàn)顆粒污泥的存在這是因為在HRT為32h下過快的上升流速導致局部污泥流失，從而使厭氧微生物數(shù)量減少，系統(tǒng)處置效率下降。將系統(tǒng)HRT再次升高至40h經(jīng)過20d運行，系統(tǒng)運行性能恢復至原水平，COD平均去除率升高至91.7%±1.1%
這表明，本研究EGSB反應器在HRT為40h〔容積負荷9.5kgCOD/m3d〕的條件下運行更具優(yōu)勢，既能實現(xiàn)高COD去除能力又能減小反應器的容積負荷。
反應器運行的1~157d內(nèi)，EGSB反應器內(nèi)的pH穩(wěn)定在6.9~7.6此pH范圍有利于厭氧產(chǎn)甲烷菌群的增殖代謝。為考察反應器運行的穩(wěn)定性及抗沖擊能力，運行的第158d進水中投加一定量濃度31%鹽酸將pH降低至5.6低于厭氧微生物的最適pH范圍（6.5~8.5考察EGSB反應器的運行效果。
結(jié)果標明，當進水pH降低后，EGSB反應器的COD平均去除率立即大幅度降低，從而導致出水COD上升。COD平均去除率下降至74.8%±1.9%較pH調(diào)節(jié)前降低了18.4%出水COD升高至（3973±102mg/L
隨著時間的運行，厭氧微生物逐漸適應了低pH環(huán)境，對COD去除率逐漸升高，并達到穩(wěn)定狀態(tài)。EGSB反應器經(jīng)過25d連續(xù)運行，COD平均去除率恢復至83.4%±1.3%低于pH調(diào)整前的COD平均去除率（91.7%±1.1%這表明低pH環(huán)境對反應器內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌群產(chǎn)生了一定水平不可逆的負面影響。
因此，維持系統(tǒng)pH厭氧微生物的最適范圍內(nèi)，對EGSB反應器的高效穩(wěn)定運行至關(guān)重要。
2EGSB反應器的產(chǎn)甲烷性能
EGSB反應器在運行期間的甲烷產(chǎn)率及甲烷體積分數(shù)變化見圖3
由圖3可知，EGSB啟動過程中，隨著容積負荷的逐步升高，甲烷產(chǎn)率逐漸升高。當系統(tǒng)滿負荷運行時，甲烷平均產(chǎn)率為（2.33±0.04L/Ld當降低系統(tǒng)HRT至40h時，甲烷產(chǎn)率升高至（2.56±0.05L/Ld隨著HRT進一步降低至32h甲烷產(chǎn)率繼續(xù)升高至（2.82±0.04L/Ld
盡管在HRT為32h時，系統(tǒng)COD平均去除率較低，為83.5%±1.2%但其進水的有機物總量較高，最終去除的有機物總量均高于HRT為48h和40h運行條件，因此，系統(tǒng)會產(chǎn)生更多的甲烷。
但綜合考慮COD去除效率，系統(tǒng)HRT為32h不適合EGSB反應器的臨時運行。當系統(tǒng)受到低pH沖擊后，COD去除率大幅度下降，甲烷產(chǎn)率同樣大幅度下降至（2.04±0.04L/Ld較pH調(diào)整前降低了27.7%低pH對產(chǎn)甲烷菌群的負面影響導致了甲烷產(chǎn)量的下降。
隨著厭氧微生物逐漸適應新的代謝環(huán)境，代謝性能逐漸增強并穩(wěn)定，從而甲烷產(chǎn)率逐漸升高，最終穩(wěn)定在2.26±0.07L/Ld左右，低于pH調(diào)整前的甲烷產(chǎn)率。
整個運行過程中，EGSB反應器發(fā)生的生物氣中甲烷體積分數(shù)較為穩(wěn)定，57.3%~72.2%之間變化，甲烷體積分數(shù)受容積負荷及pH沖擊的影響較小。除甲烷外，生物氣中還存在一定量的CO2和少量H2等。
3EGSB反應器顆粒污泥的形成
要保證厭氧反應器高效、穩(wěn)定的運行，顆粒污泥的形成是至關(guān)重要的與絮狀污泥相比，顆粒污泥具有更好的沉降性及微生物密度，從而可提高系統(tǒng)的抗外界因素（如負荷、pH及有毒元素等）干擾能力。以前的研究中，顆粒污泥定義為粒徑≥0.5mm污泥�？疾�EGSB反應器在啟動過程中的不同粒徑污泥的占比變化情況，上海GMP純化水設(shè)備
由圖4可知，生污泥中基本為絮狀污泥，其中粒徑≥0.5mm污泥僅占比18.3%顆粒狀污泥很少，SV30為（33.1±0.4沉降性較差。隨著反應器啟動運行，顆粒狀污泥的比例逐漸升高，且顆粒污泥直徑逐漸增大。
當反應器運行至第30d時，系統(tǒng)開始出現(xiàn)粒徑≥2mm顆粒污泥，且顆粒污泥的比例由生污泥的13.7%升高至55.2%這標明顆粒污泥馴化正在進行。
運行的第60d時，顆粒污泥繼續(xù)增多，占比提高至75.7%其中粒徑≥1mm和粒徑≥2mm顆粒污泥可分別占到18.4%和7.7%
反應器啟動勝利后（第90d顆粒污泥占比可達到80.7%為生污泥的6倍，這也是反應器在滿負荷運行條件下具有較高COD去除率及甲烷產(chǎn)率的原因。
EGSB反應器啟動勝利后，污泥粒徑在0.5~0.7mm0.7~1.0mm1.0~2.0mm≥2mm占比分別為36.5%21.4%12.6%9.7%
同時，經(jīng)檢測顆粒污泥的SV30為21.3±0.4低于生污泥，這標明顆粒污泥具有更高的沉降性能。另顆粒污泥的VS高達（39.1±1.5g/L遠高于生污泥的7.2±1.0g/L說明顆粒污泥具有更高的生物量。
4厭氧微生物群落結(jié)構(gòu)分析
對EGSB反應器在運行第90d和第200d進行取樣并分析微生物群落結(jié)構(gòu)和相對豐富度，分析結(jié)果見圖5
厭氧生物處置過程中，微生物基本分為產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群兩大類。產(chǎn)酸菌群主要負責將水中的有機化合物通過水解酸化的作用轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機酸及少量的醇類，本研究中，EGSB反應器出水中的主要揮發(fā)性有機酸為乙酸和丁酸。
由圖5可知，EGSB啟動勝利并穩(wěn)定運行后（第90d主要的優(yōu)勢產(chǎn)酸菌群為Geobact其相對豐富度為20.1%±2.2%該菌群的主要代謝產(chǎn)物為乙酸和丁酸。
Methanomassiliicoccu菌群為優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌群，產(chǎn)甲烷過程中起主要作用，其相對豐富度為31.2%±1.8%Methanomassiliicoccu菌群是中溫厭氧生物處置過程罕見的菌群之一，主要作用為將產(chǎn)酸菌群產(chǎn)生的揮發(fā)性有機酸進一步轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等。
本研究優(yōu)勢菌群結(jié)構(gòu)與C.M.Chen等的研究結(jié)果一致，其曾構(gòu)建UA SB來處置煤氣化廢水并對厭氧微生物群落結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢菌群為Geobact和Methanomassiliicoccu厭氧生物處置過程主要由以上2種菌群完成。當系統(tǒng)受低pH沖擊并穩(wěn)定運行后（200d各微生物群落結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，但相對豐富度均有不同程度的變化。
優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌群Methanomassilii-coccu相對豐富度由31.2%±1.8%下降至18.7%±1.6%該菌群受低pH影響明顯，這也是系統(tǒng)COD去除率下降的主要原因。
相反的Methanothrix菌群相對豐富度卻由90d4.8%±0.2%升高至10.5%±0.5%這標明該產(chǎn)甲烷菌群對pH變化具有優(yōu)良的耐受能力，對低pH條件下的穩(wěn)定運行發(fā)揮著重要的作用。
以前的研究證明，Methanothrix菌群能夠在較低pH下進行新陳代謝，且代謝性能良好。除此之外，其余產(chǎn)甲烷菌群的相對豐富度均有不同程度的降低。
經(jīng)低pH沖擊后，優(yōu)勢產(chǎn)酸菌群Geobact相對豐富度由20.1%±2.2%升高至28.9%±1.1%這與產(chǎn)酸菌群適宜于低pH條件下的代謝環(huán)境有關(guān)。產(chǎn)酸菌群的代謝產(chǎn)物主要為揮發(fā)性有機酸，會使代謝環(huán)境呈酸性，這決定了其耐低pH沖擊的特性。
03結(jié)論
1EGSB反應器處置高濃度抗生素制藥廢水具有一定可行性，最適容積負荷為9.5kgCOD/m3dHRT40h條件下，COD平均去除率可達91.4%±0.8%甲烷產(chǎn)率為（2.56±0.05L/Ld
2盡管pH變化對EGSB反應器的穩(wěn)定運行有較大的影響，但仍具有一定的抗低pH沖擊能力。受低pH沖擊后，EGSB反應器經(jīng)過一定的適應期后COD去除率仍可達到83.4%±1.3%
3EGSB反應器內(nèi)的優(yōu)勢菌群為Geobact和Methanomassiliicoccu受低pH沖擊后，優(yōu)勢菌群結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，但Geobact菌群相對豐富度升高而Methanomassiliicoccu菌群的相對豐富度降低。這說明低pH對產(chǎn)甲烷菌群具有一定的負面影響。
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