造紙行業(yè)是我國污染排放的重點行業(yè)。其中，制漿廢水水質(zhì)成分復(fù)雜，含有木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等難降解有機物，特別是由于廢水溫度高達50~60℃，需要在生物處理系統(tǒng)前設(shè)置冷卻系統(tǒng)，降溫后才能進行生物處理，增加了制漿廢水的處理能耗、處理成本及運行管理的復(fù)雜性，成為亟待解決的難點問題。目前，制漿廢水主要采用物化（混凝、高級氧化、電滲析）和生物（好氧、厭氧）技術(shù)進行處理。常溫生物處理系統(tǒng)中微生物菌屬不適應(yīng)高溫環(huán)境，但嗜熱菌的發(fā)現(xiàn)為高溫制漿廢水的生物處理提供了可能。另外，制漿廢水生物處理系統(tǒng)出水中仍含有大量木質(zhì)素類難降解有機物，通常需要采用高級氧化技術(shù)進一步處理。筆者針對現(xiàn)行高溫制漿廢水處理工程中冷卻系統(tǒng)能耗高、運行成本高、管理復(fù)雜等問題，提出了高溫（50℃）制漿廢水嗜熱菌-混凝組合處理技術(shù)，重點探究制漿廢水嗜熱菌系統(tǒng)的構(gòu)建方法；并利用16SrRNA高通量測序方法分析系統(tǒng)中的微生物菌群結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢功能菌屬，重點考察有機負荷、DO濃度、pH對嗜熱菌系統(tǒng)處理效能的影響。在此基礎(chǔ)上，探究制漿廢水嗜熱菌-混凝組合系統(tǒng)的處理效能，并利用三維熒光光譜分析組合系統(tǒng)中的有機物及其去除途徑，以期為高溫制漿廢水的處理開辟新路徑。
1、試驗材料與方法
1.1 試驗裝置
試驗采用好氧序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR），如圖1所示。反應(yīng)器高為18cm，內(nèi)徑為10cm，有效容積為1L，內(nèi)置組合填料，填充率為40%，作為嗜熱菌生物膜附著生長的載體；采用曝氣砂頭充氧，通過高溫溶解氧儀在線監(jiān)測DO濃度；反應(yīng)器外包溫度控制儀的恒溫加熱帶。
1.2 試驗進水水質(zhì)
試驗用制漿廢水取自某造紙廠制漿廢水處理工程生物池進水，其COD為506~869mg/L，TOC為237~267mg/L，BOD5為148~222mg/L，BOB5/COD為0.26~0.29，色度為317~361倍，pH為7.35~7.45。水質(zhì)指標(biāo)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定。
1.3 試驗方法
1.3.1 制漿廢水嗜熱菌生物膜處理系統(tǒng)構(gòu)建
構(gòu)建制漿廢水嗜熱菌生物膜處理系統(tǒng)，接種制漿廢水處理工程生物池污泥10g/L，反應(yīng)器S1的溫度控制為50℃、有機負荷（以COD計，下同）為0.4kg/（m3∙d）、DO為3.0mg/L、pH為7.0、周期運行時間為12h，運行工況為瞬時進水→曝氣（11.5h）→沉淀（0.5h）→瞬間排水。同時，運行溫度為30℃的對照組反應(yīng)器S2。
1.3.2 制漿廢水嗜熱菌處理系統(tǒng)影響因素研究
通過平行試驗，考察有機負荷、DO、pH對制漿廢水嗜熱菌系統(tǒng)處理效能的影響。階段1：在溫度為50℃、DO為3.0mg/L、pH為7.0條件下，控制反應(yīng)器有機負荷分別為0.2、0.4和0.6kg/（m3∙d）；階段2：在溫度為50℃、有機負荷為0.4kg/（m3∙d）、pH為7.0條件下，控制反應(yīng)器DO分別為2.0、3.0、4.0mg/L；階段3：在溫度為50℃、有機負荷為0.4kg/（m3∙d）、DO為3.0mg/L條件下，控制反應(yīng)器pH分別為6.0、7.0、8.0。
1.3.3 制漿廢水嗜熱菌-混凝組合系統(tǒng)效能研究
在溫度為50℃、有機負荷為0.4kg/（m3∙d）、DO為3.0mg/L、pH為7.0的條件下運行生物反應(yīng)器，根據(jù)預(yù)混凝試驗結(jié)果，混凝單元投加混凝劑聚合硫酸鐵（PFS）和助凝劑聚丙烯酰胺（PAM），投加量分別為225和1mg/L，考察制漿廢水嗜熱菌-混凝組合系統(tǒng)的處理效能。
2、結(jié)果與討論
2.1 制漿廢水嗜熱菌生物膜處理系統(tǒng)構(gòu)建
制漿廢水嗜熱菌（50℃）生物膜系統(tǒng)（S1反應(yīng)器）及常溫（30℃）生物膜系統(tǒng)（S2反應(yīng)器）的運行效果如圖2所示。
由圖2可知，隨著啟動時間的增加，反應(yīng)器S1、S2對COD和色度的去除率逐漸升高。運行可分為3個階段：1~10、11~40、41~60d。反應(yīng)器S1在3個階段對COD和色度的平均去除率分別為26.32%、36.78%、58.03%和3.96%、16.83%、32.39%；反應(yīng)器S2在3個階段對COD和色度的平均去除率分別為24.87%、35.13%、58.76%和3.94%、16.77%、32.15%。在第3階段運行穩(wěn)定后，測得高溫系統(tǒng)S1和常溫系統(tǒng)S2中生物膜的生物量分別為14.20和14.47g/L。可以看出，制漿廢水嗜熱菌生物膜系統(tǒng)的處理效能與常溫系統(tǒng)相比無顯著差異，制漿廢水嗜熱菌處理系統(tǒng)可以代替常溫生物處理系統(tǒng)，并省去現(xiàn)有處理工程中的冷卻系統(tǒng)。
分別采集S1和S2系統(tǒng)構(gòu)建前、后的微生物樣品，進行16SrRNA高通量測序，兩個系統(tǒng)中門水平和屬水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)如圖3所示。
由圖3（a）可知，反應(yīng)器運行60d后，高溫系統(tǒng)S1中優(yōu)勢菌門主要有Chloroflexi、Proteobacteria、Bacteroridetes。與接種污泥相比，S1系統(tǒng)中Chloroflex菌門的相對豐度由27.31%增至43.88%，其門下的Chloroflexus菌屬增加了12.13%，而在S2系統(tǒng)中則降至25.08%；S1、S2系統(tǒng)中Proteobacteria菌門的相對豐度由42.22%分別降至15.29%、16.55%；S1系統(tǒng)中Bacteroridetes菌門的相對豐度由9.25%升高到12.01%，在S2系統(tǒng)中則降至2.15%。
在高溫系統(tǒng)S1中，有機物降解功能菌屬主要有Blastocatella（3.45%）、Defluviicoccus（1.40%）、Truepera（0.85%）、Gaiella（0.78%）、Anoxybacillus（0.62%）和Kallotenue（0.36%），其中，Blastocatella菌屬是好氧化能有機營養(yǎng)菌，其屬下的Blastocatellafastidiosa具有降解纖維素的能力；Defluviicoccus和Gaiella菌屬具有降解多環(huán)芳烴和多元酚的能力；Truepera、Anoxybacillus和Kallotenue菌屬具有嗜熱特性，它們在纖維素和半纖維素的分解中發(fā)揮了重要作用。在常溫系統(tǒng)S2中，Blastocatella、Defluviicoccus、Truepera、Gaiella和Kallotenue菌屬的相對豐度分別為0.01%、0.1%、0.17%、0.08%和0.12%，遠低于它們在高溫系統(tǒng)S1中的相對豐度，并且，S2系統(tǒng)中未檢出Anoxybacillus菌屬。上述結(jié)果表明，制漿廢水高溫嗜熱菌生物膜系統(tǒng)與常溫系統(tǒng)中的有機物降解功能菌屬種群結(jié)構(gòu)存在顯著差異。在高溫嗜熱菌系統(tǒng)中，無法適應(yīng)高溫的微生物被逐步淘汰，嗜熱菌成為優(yōu)勢菌。另外，以附著在組合填料載體表面的生物膜形式生長避免了嗜熱菌沉降性差的問題。
2.2 制漿廢水嗜熱菌系統(tǒng)處理效能的影響因素
2.2.1 有機負荷的影響有機負荷對制漿廢水嗜熱菌生物膜系統(tǒng)處理
效能的影響如圖4所示。可知，有機負荷對嗜熱菌系統(tǒng)去除COD的影響顯著，而對去除色度的影響不顯著。隨著有機負荷的增加，系統(tǒng)對COD、色度的去除率均先升高后降低。當(dāng)進水COD和色度分別為（506±10）mg/L和（321±5）倍、有機負荷為0.2kg/（m3∙d）時，出水COD和色度分別為（208±6）mg/L和（271±7）倍；當(dāng)有機負荷由0.2kg/（m3∙d）增至0.4kg/（m3∙d）時，系統(tǒng)對COD的去除率由58.33%增至68.49%，色度去除率由15.45%升至23.27%；當(dāng)有機負荷繼續(xù)增至0.6kg/（m3∙d）時，COD去除率降低了6.71%，色度去除率降低了5.44%。分析認為，本研究通過改變水力停留時間來調(diào)控有機負荷，當(dāng)提高有機負荷至0.4kg/（m3∙d）時，嗜熱菌系統(tǒng)對廢水中有機物的降解較完全，出水COD濃度降低；當(dāng)有機負荷進一步升至0.6kg/（m3∙d）時，由于系統(tǒng)降解能力不足，出水中有機物濃度升高。制漿廢水中的色度主要是由溶解在廢水中的木質(zhì)素及其衍生物等難降解有機物引起的，而木質(zhì)素是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)狀高聚物，其生物可降解性較差，故不同有機負荷條件下系統(tǒng)對色度的去除率均不高。
2.2.2 DO濃度的影響
與有機負荷的影響類似，DO濃度對嗜熱菌系統(tǒng)去除COD的影響顯著，而對去除色度的影響不顯著。隨著DO濃度的增加，系統(tǒng)對COD的去除率先升高后降低。當(dāng)進水COD和色度分別為（506±10）mg/L和（321±5）倍、DO濃度為2.0mg/L時，出水COD和色度分別為（198±6）mg/L和（247±3）倍，去除率分別為60.86%和22.93%；當(dāng)DO濃度增至3.0mg/L時，系統(tǒng)出水COD濃度降至（163±5）mg/L，去除率升至67.79%，而色度去除率略增至24.61%；當(dāng)DO濃度繼續(xù)增至4.0mg/L時，COD和色度去除率分別降低了5.14%和1.93%。由2.1節(jié)可知，在嗜熱菌系統(tǒng)中優(yōu)勢菌群為嗜熱好氧菌屬，其所需DO濃度高于常溫生物處理系統(tǒng)。
2.2.3 pH的影響
pH亦是對嗜熱菌系統(tǒng)去除COD的影響顯著，對去除色度的影響不顯著。隨著pH的增加，系統(tǒng)對COD的去除率先升高后降低。當(dāng)進水COD和色度分別為（506±10）mg/L和（321±5）倍、pH為6.0時，出水COD和色度分別為（206±9）mg/L和（276±9）倍，去除率分別為59.26%和13.84%；當(dāng)pH增至7.0時，系統(tǒng)對COD和色度的去除率分別升至68.18%和24.30%；當(dāng)pH繼續(xù)增至8.0時，COD和色度去除率分別降低了4.42%和0.25%。因此，嗜熱菌生物膜處理系統(tǒng)在中性偏堿性的條件下處理效能更高。
2.3 制漿廢水嗜熱菌-混凝組合系統(tǒng)的處理效能
制漿廢水嗜熱菌-混凝組合系統(tǒng)的處理效能如圖5所示。可知，經(jīng)制漿廢水嗜熱菌-混凝組合工藝處理后，平均出水COD濃度為76mg/L、色度為47倍，對COD和色度的總?cè)コ史謩e為84.98%和85.36%，達到了《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB3544—2008）。其中，嗜熱菌生物處理單元對COD和色度的去除分擔(dān)率分別為68.58%和23.36%，混凝單元對COD和色度的去除分擔(dān)率分別為16.40%和62.00%，嗜熱菌生物處理單元主要去除廢水中的可生物降解有機物，混凝處理單元主要去除廢水中的難降解有機物。
對進水、嗜熱菌處理單元出水和混凝單元出水中的有機物進行三維熒光光譜分析，結(jié)果見圖6，各區(qū)域的熒光強度見圖7。其中，區(qū)域Ⅰ~Ⅶ分別代表類酪氨酸、類色氨酸、溶解性微生物代謝產(chǎn)物、類富里酸、類糖化蛋白質(zhì)、類黑精和類木質(zhì)纖維素、類腐殖酸。由圖6和圖7可知，高溫制漿廢水經(jīng)過嗜熱菌-混凝組合工藝處理后，出水的三維熒光光譜各區(qū)域熒光強度較進水發(fā)生了顯著變化。進水有機物總熒光強度為3.07×108a.u.·nm2，熒光峰位于Ⅵ區(qū)（類黑精和類木質(zhì)纖維素），且Ⅵ區(qū)熒光強度占比高達32.50%，表明類黑精和類木質(zhì)纖維素是制漿廢水中最主要的有機污染物，而這類有機物難以生物降解。經(jīng)過嗜熱菌單元處理后，出水總熒光強度下降了9.52×107a.u.·nm2，其中Ⅴ區(qū)和Ⅵ區(qū)熒光強度占比分別降低了2.91%和0.69%，這表明嗜熱菌生物處理單元去除了一小部分類糖化蛋白質(zhì)、類黑精和類木質(zhì)纖維素等難降解有機物，但各區(qū)域熒光強度占比變化不大，其中Ⅵ區(qū)的熒光強度占比依舊高達31.81%，因此，出水中仍然以類黑精和類木質(zhì)纖維素這類生物難降解有機物為主。嗜熱菌單元出水經(jīng)過混凝處理之后，總熒光強度進一步下降了2.08×107a.u.·nm2，其中，Ⅴ區(qū)和Ⅵ區(qū)熒光強度占比分別降低了4.33%和13.74%，可見混凝單元主要去除的是難降解大分子有機物，其中，木質(zhì)素及其衍生物的去除使廢水色度顯著降低，色度去除率明顯高于嗜熱菌處理系統(tǒng)。
3、結(jié)論
①高溫嗜熱菌生物膜處理系統(tǒng)和常溫系統(tǒng)對高溫制漿廢水中COD、色度的去除效果無顯著差異，COD去除率分別為46.49%和48.74%，色度去除率分別30.81%和31.24%。16SrRNA高通量測序結(jié)果表明，高溫嗜熱菌生物膜處理系統(tǒng)與常溫系統(tǒng)中的有機物降解功能菌群落結(jié)構(gòu)及豐度存在顯著差異。
②有機負荷、DO濃度、pH對高溫制漿廢水嗜熱菌生物膜系統(tǒng)去除COD具有顯著影響，而對去除色度的影響不顯著。制漿廢水嗜熱菌生物膜系統(tǒng)在有機負荷為0.4kg/（m3∙d）、DO為3.0mg/L、pH為7.0的最佳工況條件下，對COD和色度的去除率分別可達到68.49%和23.27%。
③制漿廢水嗜熱菌-混凝組合工藝對COD和色度的總?cè)コ史謩e為84.98%和85.36%，嗜熱菌生物膜單元和混凝單元對COD的去除分擔(dān)率分別為68.58%和16.40%，對色度的去除分擔(dān)率分別為23.36%和62.00%。三維熒光光譜分析表明，制漿廢水中引起色度的類黑精和類木纖維素等物質(zhì)主要通過混凝單元去除。（來源：重慶設(shè)計集團有限公司市政設(shè)計研究院，中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室）
