AnMBR強化養(yǎng)殖廢水能源回收技術(shù)

我國畜禽養(yǎng)殖廢水每年排放了大量TN、TP和COD。養(yǎng)殖廢水中有機物、氮、磷和懸浮物含量高，且存在重金屬、抗生素和病原微生物，對環(huán)境的危害不容忽視。目前，主要采用固液分離、厭氧消化、好氧法及生態(tài)法等工藝處理養(yǎng)殖廢水。厭氧消化可同時回收資源和能源，且運行成本較低，是理想的處理技術(shù)之一。但傳統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng)存在啟動時間長、處理效果不穩(wěn)定、甲烷化效率低、污泥流失嚴重等問題。厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）是厭氧技術(shù)與膜分離技術(shù)的結(jié)合，能高效截留污染物，保證優(yōu)異的出水水質(zhì)，顯著提升甲烷化效率。此外，AnMBR中水力停留時間（HRT）與污泥停留時間（SRT）分離，有利于世代周期較長的功能菌群（如產(chǎn)甲烷菌）在反應(yīng)器中富集，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和甲烷產(chǎn)量。

盡管利用AnMBR處理廢物的研究較多，但有關(guān)其處理實際養(yǎng)殖廢水長期運行的報道卻比較少見。另外，與傳統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng)（如UASB）相比，AnMBR在有機物去除效果和能源回收效能等方面的優(yōu)勢還不得而知，相關(guān)的機制和生物學(xué)原理仍需進一步研究?；诖?，筆者利用AnMBR與UASB同時處理實際養(yǎng)豬廢水，考察其在不同HRT條件下對養(yǎng)豬廢水中污染物的去除效果、甲烷生成性能、能源回收效率等，再結(jié)合微生物活性特點及微生物群落結(jié)構(gòu)特征，解析AnMBR強化養(yǎng)豬廢水實現(xiàn)能源高效回收的過程與機制，旨在為AnMBR處理養(yǎng)殖廢水的實際應(yīng)用提供參考。

1、材料與方法

1.1 厭氧反應(yīng)器

AnMBR反應(yīng)器由有機玻璃制成，總體積為3.0L，其中工作體積為2.6L（見圖1）。反應(yīng)器上部植入氯化聚乙烯平板膜組件，膜面積為0.2m2，孔徑為0.2μm左右。廢水存儲于進水桶中（4℃），通過蠕動泵注入反應(yīng)器。進水泵與液位傳感器連接以保持反應(yīng)器內(nèi)液面恒定。出水泵與膜組件相連，從膜組件抽出濾液。為避免膜污染過快，出水泵采用間歇模式（開8min，關(guān)2min）運行。出水管上安裝壓力傳感器監(jiān)測和記錄跨膜壓差（TMP）。當(dāng)TMP超過40kPa時，出水泵反轉(zhuǎn)清洗膜組件，恢復(fù)膜通量。運行過程中，利用循環(huán)熱水浴維持反應(yīng)器內(nèi)的溫度為（37±1）℃，產(chǎn)氣量采用濕式氣體流量計測定。

實驗分兩個階段進行，第一階段系統(tǒng)的HRT為15d，第二階段反應(yīng)器流量提升至0.26L/d，HRT調(diào)節(jié)為10d。運行期間每天從反應(yīng)器中排出剩余污泥，保證反應(yīng)器的污泥停留時間為60d左右。為探討AnMBR與傳統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng)的不同，以及在有機物去除效果、能源回收效能方面的優(yōu)勢，同時運行一組UASB反應(yīng)器作為對照。

1.2 養(yǎng)豬廢水的來源與特點

1.2.1 養(yǎng)豬廢水

養(yǎng)豬廢水取自陜西省西安市藍田縣某養(yǎng)豬場廢水貯存池。豬場內(nèi)約有100頭在欄肉豬，廢水主要來源于尿液、部分糞便、飼料殘渣和豬舍沖洗水等。養(yǎng)豬廢水運至實驗室后首先利用篩網(wǎng)過濾去除大于5mm的顆粒殘渣，而后儲存于2~4℃冰箱中備用。預(yù)處理后廢水中總化學(xué)需氧量（TCOD）、TN、NH4+-N及總懸浮物（TSS）分別為13.3~27.8、1.2~3.1、0.9~1.7和8.1~9.9g/L。

1.2.2 接種污泥

反應(yīng)器的接種污泥為西安市某啤酒廢水處理廠中溫厭氧消化池污泥。污泥經(jīng)過自然沉淀后去除上清液，而后分別接種至AnMBR和UASB中。接種污泥的懸浮固體濃度（MLSS）及揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）分別為10.9和5.4g/L，MLVSS/MLSS值為0.49左右。

1.3 分析項目及方法

1.3.1 常規(guī)分析方法

水樣中的COD、溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）、TSS和揮發(fā)性懸浮固體（VSS）按照國家標準方法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法測定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定。氣體組分采用氣相色譜儀分析，儀器配有填充柱和熱導(dǎo)檢測器分析儀（TCD），載氣為氬氣。反應(yīng)器出水中的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）和乳酸等采用高效液相色譜儀分析。

1.3.2 甲烷生成活性(SMA)分析方法

為探究厭氧微生物的產(chǎn)甲烷特性，參照先前的研究進行了甲烷生成活性實驗。首先利用生理鹽水緩沖液清洗厭氧污泥，去除有機物及雜質(zhì)，然后將20mL污泥分裝至血清瓶中（工作容積為80mL）。將預(yù)先配制的營養(yǎng)液（K2HPO4為1.76g/L、NH4Cl為0.45g/L、MgSO4?7H2O為0.2g/L、CaCl2為0.3g/L）煮沸0.5h，去除溶解氧，冷卻至室溫后使用。向每個血清瓶添加50mL底物（醋酸鈉）和10mL營養(yǎng)液，以確保所有血清瓶中的F/M值為0.5左右。隨后，利用氮氣吹洗血清瓶5min，去除氧氣，再利用橡膠塞密封，并迅速使用鋁卷壓緊。所有血清瓶均置于恒溫搖床中培養(yǎng)。定期測定瓶中生物氣的產(chǎn)量和成分。設(shè)置3組平行實驗，計算Rmax，并通過修正的Gompertz方程模擬確定SMA，見式（1）。

式中：P為甲烷的累積產(chǎn)生量，mL；P0為最大產(chǎn)甲烷潛力，mL；Rmax為甲烷的最大產(chǎn)生速率，mL/h；λ為延滯期，h；t為消化反應(yīng)時間，h。

1.3.3 微生物群落分析

為考察污泥中微生物的群落結(jié)構(gòu)，進行了高通量測序分析。細菌采用的擴增引物為341F：CCTACGGGNGGCWGCAG和805R：GACTACHVGGGTATCTAATCC，古菌的測試采用340F：CCCTAYGGGGYGCASCAG、1000R：GGCCATGCACYWCYTCTC（第一輪）和349F：GYGCASCAGKCGMGAAW、806R：GGACTACVSGGGTATCTAAT（第二輪）進行。利用IlluminaMiSeq平臺進行測序分析，并對獲得的基因序列進行篩選和比對，進而獲得微生物的種類及相對豐度。

2、結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

運行過程中反應(yīng)器對COD的去除效果如圖2所示。

盡管進水水質(zhì)波動較大，但AnMBR運行穩(wěn)定后對COD的去除率保持在80%~90%，而UASB出水中的COD濃度受進水波動的影響較大，去除率只有40%~60%，明顯低于AnMBR?？梢娕cUASB相比，AnMBR對有機物的去除效果更好。這可能與兩方面原因有關(guān)：首先，膜孔徑較小，可將大部分顆粒態(tài)或大分子有機物截留于反應(yīng)器內(nèi)，從而保證了出水的COD濃度較低；另外，由于膜組件的高效分離作用，使得SRT與HRT完全分離，更有利于微生物在反應(yīng)器內(nèi)富集，進而有助于物質(zhì)快速降解轉(zhuǎn)化，保證出水水質(zhì)。此外，隨著反應(yīng)器的持續(xù)運行，微生物在反應(yīng)器內(nèi)逐漸被馴化成熟，兩組反應(yīng)器對COD的去除效果逐漸提高并保持穩(wěn)定。

氨氮是產(chǎn)甲烷過程的重要影響因素之一。高氨氮濃度會改變微生物的群落結(jié)構(gòu)，影響代謝途徑，抑制厭氧微生物的活性，進而降低甲烷產(chǎn)量。運行過程中反應(yīng)器對NH4+-N的去除效果如圖3所示。可知，AnMBR和UASB中氨氮濃度的變化基本相似。AnMBR出水氨氮濃度在1250~2050mg/L之間，而UASB出水氨氮濃度為1320~2150mg/L，均不會對甲烷發(fā)酵過程產(chǎn)生嚴重影響。另外，兩組反應(yīng)器中的pH平均值為7.1±0.2，隨著HRT的縮短，pH呈下降趨勢，但始終維持在6.9~7.5之間，有利于厭氧消化產(chǎn)生甲烷。

各反應(yīng)器中VFAs的變化如圖4所示。第一階段開始時，AnMBR出水VFAs濃度為2g/L左右，這可能是由于反應(yīng)器中微生物沒有完全適應(yīng)運行條件所致，但隨著反應(yīng)器的運行，出水VFAs濃度逐漸下降，最終維持在1g/L以下，這可能與操作過程中細菌被馴化有關(guān)。VFAs的高效去除保證了甲烷的生成，同時也有利于獲得較好的出水水質(zhì)。UASB出水VFAs濃度始終高于AnMBR，表明膜組件的植入有利于VFAs的高效轉(zhuǎn)化，這可能是因為膜組件的截留作用更有利于功能微生物在反應(yīng)器中富集，使反應(yīng)器表現(xiàn)出更強的有機物降解能力。此外，反應(yīng)器出水中丙酸和乙酸為VFAs的主要成分（見表1），這可能與進水中物質(zhì)的組分特性及反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.2 甲烷回收性能

各反應(yīng)器中生物氣產(chǎn)量的變化如圖5所示。可以看出，縮短HRT有利于提高生物氣產(chǎn)量。在AnMBR中，當(dāng)HRT為15d時（第一階段），生物氣產(chǎn)量逐漸增加至0.9L/d左右，縮短HRT至10d時（第二階段），生物氣產(chǎn)量增加至1.3L/d。這是由于在較低的HRT條件下，更多的有機物進入反應(yīng)器中，從而使甲烷產(chǎn)量更高。第一階段中UASB的生物氣產(chǎn)量僅為0.7L/d，第二階段時生物氣產(chǎn)量提升至1.1L/d左右，均低于AnMBR中的生物氣產(chǎn)量，表明AnMBR能夠強化物質(zhì)轉(zhuǎn)化，提升生物氣回收效率。

兩個反應(yīng)器中在第一階段產(chǎn)生的生物氣成分主要為CH4、CO2及少量N2，第二階段主要為CH4與CO2。第一、二階段AnMBR的生物氣中甲烷含量分別為81.4%和82.5%，略高于UASB的（分別為79.0%和81.8%），說明AnMBR有助于甲烷化進程。AnMBR在第一階段的平均甲烷產(chǎn)量為0.27L/gCOD，而第二階段卻降低至0.23L/gCOD。推斷在此階段，較高的有機負荷率（OLR）或F/M抑制了微生物的活性。據(jù)報道，高F/M會改變微生物的群落結(jié)構(gòu)及活性，最終導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。而UASB的平均甲烷產(chǎn)量也由第一階段的0.22L/gCOD降至第二階段的0.19L/gCOD。在AnMBR中，大分子或難降解有機物被膜組件截留于反應(yīng)器中，有效延長了其在反應(yīng)器中的停留時間，為有機物的甲烷化過程提供了有利條件。此外，膜組件還有助于功能微生物菌群富集，提高微生物活性，進而提高甲烷產(chǎn)率。

2.3 微生物活性的變化

第一階段兩組反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)率均較大，且AnMBR的甲烷產(chǎn)率及產(chǎn)量高于UASB，這可能與產(chǎn)甲烷微生物的活性有關(guān)。為此，探究了兩組反應(yīng)器的甲烷生成特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AnMBR污泥的最大甲烷產(chǎn)率和SMA值分別為1.21mL/h和6.65mgCOD/（gVSS?h），遠大于UASB污泥的最大甲烷產(chǎn)率（0.87mL/h）和SMA值。此外，AnMBR污泥的甲烷生成遲滯時間為6.7h，明顯小于UASB污泥的（7.2h），表明AnMBR污泥具有更高的產(chǎn)甲烷活性，進一步證實了AnMBR甲烷產(chǎn)量更高。

2.4 厭氧污泥微生物群落結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 細菌群落分析

采用高通量測序技術(shù)分析了厭氧污泥中細菌的群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖6所示。可以看出，AnMBR與UASB的優(yōu)勢菌均為Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria，相對豐度之和分別為92.7%與93.7%。其中Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes能有效降解纖維素、蛋白質(zhì)和果膠等，有助于去除廢水中的復(fù)雜有機物。此外，Proteobacteria種類繁多，具有去除難降解有機物的能力，有利于物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。AnMBR中Proteobacteria的相對豐度為18.5%，高于UASB污泥的（17.03%），這可能是AnMBR對有機物的去除率高于UASB的原因。Actinobacteria可降解木質(zhì)素，能夠為養(yǎng)殖廢水中復(fù)雜有機物的轉(zhuǎn)化提供條件。AnMBR與UASB中Actinobacteria的相對豐度分別為5.41%與8.37%，有利于有機物的高效降解，并為產(chǎn)甲烷菌提供優(yōu)質(zhì)底物，促進甲烷生成。另外，Firmicutes中的某些種屬（如Tissierella）能高效降解蛋白質(zhì)、葡萄糖等，并產(chǎn)生VFAs（乙酸、丁酸和丙酸）等產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)質(zhì)基質(zhì)，從而有利于甲烷的生成。

2.4.2 古細菌群落分析

圖7為厭氧污泥中古細菌的相對豐度?？梢钥闯?，AnMBR污泥中優(yōu)勢古菌屬為Methanosarcina、Methanothrix、Methanoculleus和Methanobacterium，其相對豐度之和高達96.6%，而UASB污泥中優(yōu)勢古菌屬為Methanosarcina，相對豐度為97.4%。由此可見，相較于UASB，AnMBR污泥中古菌微生物群落更加豐富。微生物群落的豐富度和物種的多樣性反映了反應(yīng)器的穩(wěn)定性，可見相比于UASB，AnMBR處理養(yǎng)豬廢水更加穩(wěn)定，進一步解釋了AnMBR中甲烷產(chǎn)量大于UASB的原因。

此外，Methanosarcina和Methanothrix屬是乙酸類營養(yǎng)型甲烷菌，Methanoculleus屬是嗜氫營養(yǎng)型甲烷菌，Methanobacterium則屬于多營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌。氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌能夠利用甲烷化過程中產(chǎn)生的H2與CO2生成CH4，AnMBR污泥中氫營養(yǎng)型甲烷菌的相對豐度遠高于UASB污泥的，說明甲烷的生成途徑更多，底物降解多樣性更豐富，進一步解釋了AnMBR生物氣中甲烷含量較高的原因。

2.5 能量收支平衡分析

以單位體積養(yǎng)豬廢水為計算基準，養(yǎng)豬廢水分別在AnMBR與UASB中進行厭氧發(fā)酵，從而獲得甲烷，產(chǎn)能按式（2）、（3）計算。

式中：E1為AnMBR系統(tǒng)處理單位體積養(yǎng)豬廢水的凈產(chǎn)能，kW?h/m3；PG1為AnMBR處理單位體積養(yǎng)豬廢水產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)化的電能，kW?h/m3；P1、P2分別為AnMBR系統(tǒng)的進、出水泵所消耗的電能，kW?h/m3；E2為UASB系統(tǒng)處理單位體積養(yǎng)豬廢水的凈產(chǎn)能，kW?h/m3；PG2為UASB處理單位體積養(yǎng)豬廢水產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)化的電能，kW?h/m3；P3、P4分別為UASB系統(tǒng)的進、出水泵所消耗的電能，kW?h/m3；PM、PM2分別為系統(tǒng)中的水浴鍋、攪拌裝置所消耗的電能，kW?h/m3。

單位體積養(yǎng)豬廢水產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)化的電能PG按式（4）計算。

式中：V為甲烷量，mol；α為甲烷的理論可用能量，取0.222kW?h/mol；η為甲烷產(chǎn)電的熱轉(zhuǎn)化效率，取33%；Q為養(yǎng)豬廢水體積，m3。

泵所需的能量按照式（5）計算。

式中：P為所需的能量，kW?h/m3；Q1為進、出水泵流量，m3/s；γ為9800N/m3；h為壓力水頭，m；Q2為反應(yīng)器進、出水流量，m3/h。

以厭氧發(fā)酵單位體積養(yǎng)豬廢水作為計算基準，各項能源參數(shù)結(jié)果見表2（HRT=15d）?？梢钥闯觯幚?/span>1m3養(yǎng)豬廢水時，AnMBR可產(chǎn)生約15.19kW?h的電能，除去泵以及攪拌、水浴鍋的能耗，凈產(chǎn)能約為4.18kW?h，說明AnMBR處理養(yǎng)豬廢水可實現(xiàn)能源凈收益。而UASB生成甲烷轉(zhuǎn)化的電能為11.84kW?h，除去泵以及攪拌、水浴鍋的能耗，凈產(chǎn)能僅為0.83kW?h。由此可見，與UASB相比，利用AnMBR進行能源回收的優(yōu)勢更明顯。

3、結(jié)論

①在不同HRT條件下，AnMBR對COD的去除率較為穩(wěn)定，且保持在80%~90%，遠高于UASB的40%~60%。AnMBR出水中VFAs含量較低，且以乙酸和丙酸為主。AnMBR對有機物的去除效果優(yōu)于UASB。

②當(dāng)HRT為15d時，兩組反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)量均較高。AnMBR中甲烷產(chǎn)量可達0.27L/gCOD，高于UASB的甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)率，且AnMBR中厭氧污泥的SMA值更大，微生物活性更強。

③厭氧污泥中Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria為主要的功能菌群，為復(fù)雜有機物的降解提供了條件。與UASB相比，AnMBR污泥中不僅存在乙酸型產(chǎn)甲烷菌，還存在大量氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，有機物降解途徑更豐富，甲烷生成途徑更多樣，進而保證了更高的甲烷產(chǎn)量。

④AnMBR處理養(yǎng)殖廢水時的凈產(chǎn)能為4.18kW?h/m3，而UASB僅為0.83kW?h/m3，這表明AnMBR適合處理養(yǎng)殖廢水，且能達到較好的能源回收效果。但運行過程中AnMBR的膜污染特性及相關(guān)控制措施，仍需進一步研究。（來源：西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，宜賓學(xué)院固態(tài)發(fā)酵資源利用四川省重點實驗室，成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，成都大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點實驗室，宜賓清和環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?/span>