制糖工业废水和糖蜜酒精废水有机物含量高、废水产量大, 成为废水处理的一个研究重点^[1,2]。然而在全球强调可持续发展道路的大背景下, 废水处理技术的发展研究不应该仅仅局限于将水中的污染物去除^[3], 为了充分利用有限资源以及回收能源, 对废水中有机废物的回收和再利用受到了社会的关注^[4]。因此, 如何将制糖工业废水和糖蜜酒精废水中的高浓度有机物充分利用转化为能源就显得十分有意义。

　　 两相厌氧发酵系统将产氢菌和产甲烷菌分开培养, 不仅提高对有机物的处理能力, 使系统运行稳定, 而且在产生氢气的同时产生更高量的甲烷^[5,6]。氢气和甲烷可作为可再生资源进行回收利用, 不仅可以减少化石燃料的使用, 同时还可以减少碳排放^[7]。有机负荷 (organic load rate, OLR) 是厌氧反应器一个十分重要的控制参数, 因此OLR的优化对提高反应器处理效果十分重要^[8]。

　　 为了同时实现废水的无害化和资源化, 本研究采用两相厌氧+好氧工艺来处理模拟的糖蜜废水。保持产氢反应器OLR不变, 通过改变IC反应器的水力停留时间, 优化IC反应器的OLR, 使得整个工艺处理出水达标, 并研究了整个工艺运行过程中产气状况。

　　 试验装置如图1所示, 由3个主要的反应器组成, 即R1、R2和R3。R1为自制的内循环厌氧产氢反应器 (anaerobic internal circulation hydrogen production, AICHP) , 有效容积为5.2 L, 总容积为10.2L。R2为自制的内循环式厌氧反应器 (internal circulation, IC) , 即产甲烷反应器, 有效容积为25L, 总容积为50L。两个反应器都以有机玻璃制成圆柱体为主体, 反应器外部包裹加热电阻丝和保温套, 通过温度探头实时监测, 使反应器内部温度维持在 (35±0.5) ℃。R3为生物膜反应器, 有效容积为14L。原水先进入R1反应器, 出水经过中间池补充碱度后, 进入R2反应器, R2的出水直接进入R3。

　　 试验用水采用模拟的糖蜜废水^[9], COD为 (7 800±100) mg/L。糖蜜废水中加入的微量元素包括:74 mg/L NH₄HCO₃、17 mg/L K₂HPO₄、40.66 mg/L MgCl₂、4.92 mg/L FeSO₄、2.1 mg/L CoCl₂、7.38mg/L MnSO₄、0.07mg/L (NH₄) ₆Mo₇O₂、5mg/L NiCl₂、4.88 mg/L CuSO₄、13 mg/L KI、0.84mg/L (CH₃COO) ₂Zn。试验过程中以碳酸钠调节两个反应器进水pH, 使R1进水pH维持在7.4±0.1, R2进水pH在7.0±0.1, 保证反应器内部一直在适宜的酸碱环境中。

　　 R1和R2中接种的污泥来自于本实验室培养成熟的颗粒污泥。其中R1的污泥MLSS为72.69g/L, MLVSS为67.03 g/L;R2的污泥MLSS为56.56g/L, MLVSS为43.28g/L。

　　 经过课题组长期摸索, 确定R1的最佳运行负荷为90kg/ (m³·d) , 相应的HRT为2.1h。R3的进水量与R2相同, 通过减少R2反应器的进水量来提高R2的HRT, 从而改变R2反应器的OLR, R3的HRT和OLR也随之改变, 考察整个工艺处理糖蜜废水的效果和产气状况。本研究阶段持续70d。试验方案如表1所示。本文中的HRT、OLR均采用有效体积进行计算得出。

　　 进出水COD采用5B-3 (D) 型COD快速测定仪进行测定。气体流量采用LMF-1型湿式气体流量计进行测定。采用GC-2088型气相色谱仪测定甲烷和氢气占总气体的百分比。气相色谱配有TCD热导检测器、PorapaKQ柱;载气为氮气, 流量为30mL/min;检测器、汽化室和柱子温度分别为100℃、70℃和50℃。pH采用WTW pH/oxi340i型便携式测量仪测定。颗粒污泥形态采用四川大学分析测试中心的JSM-5900LV型扫描电子显微镜观察。

　　 微生物群结构采用Illumina高通量测序进行分析。分别取R1和R2反应器中污泥, 用土壤基因组DNA提取试剂盒提取DNA。将提取的DNA用紫外分光光度仪NanoDrop ND-1000 (USA) 进行定量分析。用GENEWIZ (Beijing, China) 自主研发的引物“CC TACGGRRBGCASCAGKVRV GAAT”、“GGA CTACNVGGGTWTCTAATCC”、“GTGYCAGC-MGCCG CGGTAA”和“CTTGTGCGGKCCCCCGY-CAATTC”分别对提取DNA的V3~V4区间、V4~V5区间进行PCR扩增。PCR扩增后的产物经过纯化后, 开始进行测序, 测序所用平台为Illumina Miseq平台。对测序结果的处理如Zhao等^[10]所述。

　　 R1中产氢/产甲烷量及其产热量计算公式如下:

　　 R2中产甲烷量及其产热量计算公式如下:

　　 式中OLR_R———R反应器有机负荷, kg/ (m³·d) ;

　　 C_R———R反应器进水COD浓度, mg/L;

　　 V_R———R反应器有效体积, L;

　　 Q_R———R反应器进水流量, L/d。

　　 ———R1产氢量, L/d;

　　 ———R1产甲烷量, L/d;

　　 ———R2产甲烷量, L/d;

　　 ———R1总产气量, L/d;

　　 ———R2总产气量, L/d;

　　 ———R1氢气百分含量, %;

　　 ———R1甲烷百分含量, %;

　　 ———R2甲烷百分含量, %;

　　 ———R1产氢热量, kJ/L;

　　 ———R1产甲烷热量, kJ/L;

　　 ———R2产甲烷热量, kJ/L;

　　 N_H———氢气热值, kJ/mol;

　　 ———甲烷热值, kJ/mol;

　　 ———R1进水流量, L/d。

　　 ———R2进水流量, L/d。

　　 各阶段进出水COD、COD去除率变化情况如图2所示。进水COD浓度维持在7 800±100mg/L, 经过R1反应器处理, 12%左右的COD被降解;R1出水再经过R2反应器处理, 出水COD为170~750mg/L;最后经过R3反应器的好氧处理, 最终出水COD达到81~160mg/L, 系统COD总去除率为98%左右。由此可见, 两相厌氧+好氧工艺对高浓度糖蜜废水有很好的去除效果。其中R1、R2和R3去除的COD占总COD的平均百分比分别为12%、82%、4%, 明显可以看出整个工艺COD去除的主要承担者是R2。因此, 对R2的OLR进行优化对整个工艺降解COD效果的提高至关重要。

　　 如图2所示, 整个试验过程中R1反应器的运行比较稳定。通过减少R2的进水流量, R2的HRT从8.6h增加到20h, 其有机负荷从18.7kg/ (m³·d) 降到7.9kg/ (m³·d) , R2反应器的COD去除率从90%升高到97.5%。当R2的OLR达到7.9kg/ (m³·d) 时, R2的COD去除率高达97.5%, 并且整个工艺处理后出水COD最低可达到81.41mg/L, 低于100mg/L, 达到制糖工业水污染物排放要求^[11]。

　　 R2的OLR从18.7 kg/ (m³·d) 降到7.9kg/ (m³·d) 时, COD去除率始终维持在90%以上, 体现了IC反应器有机物去除能力强的特点^[12]。林长松等^[13]研究表明, 利用固定床厌氧反应器处理模拟高浓度糖蜜废水, 当有机负荷为2.58kg/ (m³·d) 时, COD去除率只有90%。而本研究中IC反应器的有机负荷高达18.7kg/ (m³·d) 时, COD去除率也能达到92.9%, 说明IC反应器有机负荷较高时, 也能保持较高的去除能力^[12]。

　　 整个工艺中R1、R2和R3是相辅相成的, R1中主要发生水解酸化反应, 将有机质转变为挥发酸及其他中间产物, 便于后续R2的进一步处理, 并且为R2中的微生物提供适宜和稳定的底物^[5,6]。R2中的产甲烷菌利用R1产生的挥发酸, 进一步去除COD, 同时产生甲烷。R2出水再经过R3好氧处理, 最终得以实现达标排放。除此之外, R1在产生氢气的同时, 也有利于R2产生大量的甲烷, 实现生物能源的回收。

　　 本研究除了探讨两相厌氧+好氧工艺对高浓度糖蜜废水的处理效果, 还考察了系统的生物产气情况, 以期对将来的废水能源回收利用提供依据。R1反应器除了起到如前所述水解酸化作用, 更重要的是产生氢气 (见表2) 。试验期间, 产氢量在20L/d左右, 最高可达30.2L/d。R1中主要以颗粒污泥为主, 因长期培养, 里面含有耐酸的产甲烷菌存在, 因此也有少量甲烷产生, 甲烷产生量为2.2~4.3L/d。

　　 R2反应器产生的甲烷情况如图3所示。R2的有机负荷从18.7kg/ (m³·d) 降到7.9kg/ (m³·d) 时, 虽然R2的COD去除率增加, 但是产甲烷量却从163.5L/d减少到69.3L/d。COD去除率最高, 达到97.5%时, 产甲烷量最低。由于是调节进水流量来改变R2的HRT, HRT增加有机负荷随之降低, 有机负荷的降低虽使COD的去除率提高了, 但是单位时间实际去除的COD却没有有机负荷高时去除的COD多, 因此甲烷的产生量减少。

　　 系统产热量反映了反应器在一定的有机负荷条件下, 处理单位体积废水产生热量的能力。系统运行过程中产热量变化情况如图4所示。两相厌氧产氢产甲烷系统总热量为92.1~101kJ/L, 说明该系统在处理废水的同时, 能产生大量的能量, 实现废水资源化。试验中, R1反应器的产氢热量为1.8~2.3kJ/L, 产甲烷热量为3.1~5.7kJ/L。R1反应器处理单位体积的糖蜜废水产生的总热量占整个系统总热量的6.9%左右, 可见系统产生的大部分热量来自R2反应器产甲烷, 约占93.1%, 因此提高R2反应器的产甲烷热量是提高整个系统热量的关键。

　　 由图4可以看出, R2反应器的产甲烷热量为85.4~93.1kJ/L。王兵^[14]研究CSRT-UASB产氢产甲烷系统处理模拟红糖废水时, 当UASB的有机负荷为7.24~9.64kg/ (m³·d) 时, 其产甲烷相的产甲烷热量不超过56.7kJ/L, 低于同等负荷条件下本研究中AICHP-IC中产甲烷相的产甲烷热量, 说明以实验室自制的AICHP反应器为产酸相有利于产甲烷相产生甲烷。

　　 当R2的HRT为20h时, OLR为7.9kg/ (m³·d) , 系统总产热量和R2产甲烷热量仅略低于OLR为18.7kg/ (m³·d) 的产热量, 分别达到99kJ/L和92kJ/L。而在此OLR下, R2的COD去除率高达97.5%, 整个工艺处理后出水可达到制糖工业水污染物排放标准^[11]。由此可见, R2反应器的OLR控制在7.9kg/ (m³·d) 时, 既保证了很好的有机物处理效果, 又能产生很高的热量, 同时实现了废水的无害化和资源化。综合考虑, 7.9kg/ (m³·d) 为R2反应器的最佳OLR, 此时, R1和R3的OLR分别为90kg/ (m³·d) 和0.39kg/ (m³·d) 。

　　 R1和R2反应器内污泥呈颗粒状, 颗粒污泥表面光滑, 有清晰的外形轮廓且结构密实, 如图5所示。颗粒污泥的比表面积较大, 有利于泥水接触, 提高传质效果, 同时具有良好的污泥沉降性能, 提高了反应器的处理的能力^[15]。颗粒污泥的形成是反应器保持高效处理能力的关键^[16]。

　　 对R1和R2反应器内微生物进行高通量测序分析, 结果如图6所示。由图6a可以看出, R1中主要存在5种产氢菌, 分别是Clostridium sp.、Etha-noligenens sp.、Pectinatus sp.、Thermoanaerobacterium sp.和Megasphaera sp.^{[17,18,19,20]}。它们在R1中所占百分比分别为13%、7.8%、3.5%、3.1%和2.3%。R1中的产氢菌总共占29.7%, 由此可见, 试验中的R1为产氢菌提供了有利的生长条件, 使产氢菌得以增殖富集, 产氢菌是反应器产氢的保证。除了产氢菌, R1中还存在1.1%的产甲烷菌Methanobacterium sp.^[21], 因此R1在产生氢气的同时, 也产生了少量甲烷。

　　 图6b反映了R2中产氢和产甲烷菌的分布情况, 明显可以看出, R2中只有4种产氢菌, 分别是Clostridium sp.、Ethanoligenens sp.、Pectinatus sp.和Megasphaera sp.。产氢菌占R2微生物总量的8.7%, 低于R1中产氢菌的量。而R2中产甲烷菌Methanobacterium sp.所占比例达到3.9%, 高于R1中产甲烷菌的量。产甲烷菌是一种对环境条件要求极为严格的菌种。由此可见, IC反应器有利于产甲烷菌的培养和富集。

　　 R1和R2反应器相辅相成, R1主要富集产氢菌, R2主要富集产甲烷菌。两相厌氧产氢产甲烷系统中, 产氢菌和产甲烷分别在最佳条件下生长, 因此能够同时富集产氢菌和产甲烷菌, 从而使系统氢气和甲烷产量达到一定水平, 使得该系统的热量高于其他反应器产生的热量, 有利于实现资源化。

　　 (1) 两相厌氧+好氧系统对高浓度糖蜜废水有很好的处理效果。进水COD维持在 (7 800±100) mg/L, 最终出水COD为80~160mg/L, 系统COD总去除率98%。

　　 (2) R2的HRT从8.6h增加到20h时, 其OLR从18.7kg/ (m³·d) 降到7.9kg/ (m³·d) , COD去除率从90%升高到97.5%。当R2的OLR为7.9kg/ (m³·d) 时, 整个工艺出水COD低于100mg/L。通过优化R2的OLR, 可使整个工艺处理高浓度糖蜜废水的出水COD达到制糖工业水污染物排放标准。

　　 (3) R1反应器氢气产量和甲烷产量分别稳定在20L/d和3L/d左右。R2反应器甲烷产量随OLR的降低而减少, 当OLR从18.7kg/ (m³·d) 降到7.9kg/ (m³·d) 时, 甲烷产量从163.5L/d减少到69.3L/d。

　　 (4) R1和R2的最佳OLR分别为90kg/ (m³·d) 和7.9kg/ (m³·d) 。在此条件下, 整个工艺不仅可实现废水达标排放, 还能产生大量的热量, 系统总产热量高达99kJ/L, 同时实现了废水的无害化和资源化。

　　 (5) 经过高通量测序, R1中主要以产氢菌Clostridium sp.、Ethanoligenens sp.、Pectinatus sp.、Thermoanaerobacterium sp.和Megasphaera sp.为主, 产氢菌占29.7%, 也有1.1%的产甲烷菌Methanobacterium sp.;R2中产甲烷菌Methanobacterium sp.达到3.9%, 产氢菌占8.7%。两相厌氧产氢产甲烷系统能同时富集产氢菌和产甲烷菌。