作者：雷利荣 林奕鹏 王彩梦 李广胜 （华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640）

摘 要： 采用序批式颗粒污泥床反应器 （Sequencing Batch Biofilter Granular Reactor，SBBGR） 培养、 驯化好氧颗粒污泥，并应用于处理二次纤维造纸废水二级出水，探讨废水中污染物的去除效果，分 析反应器中微生物种群的变化。结果表明，在进水CODCr和BOD5分别为 （190±33. 4） mg/L和 （7. 2± 1. 7） mg/L 条件下，出水 CODCr可降至 （95±22） mg/L，去除率为 （47. 7±5） %；红外光谱和气相色 谱-质谱联用仪 （GC-MS） 分析表明，SBBGR对芳香族化合物为代表的特征污染物具有良好的降解去 除效果；微生物群落分析表明，经过驯化后具有降解废水中芳香族化合物能力的微生物在污泥中的 相对丰度提高，SBBGR有降解木质素的能力。

关键词：SBBGR；二级出水；好氧颗粒污泥；微生物群落；废水处理

制浆造纸工业是我国工业水污染物产生的主要行 业之一[1] ,其中废纸的回收利用更是占据了重要的一部 分，其废水具有排放量大、污染物浓度高的特点。目 前生化处理是二次纤维造纸废水二级处理的主要工 艺，可去除 90% 以上的 COD。但二级出水中仍含有 一定量的有色物质、难降解有机物以及固体悬浮物 （SS），其中木素及其衍生物的存在是二次纤维造纸废 水难降解的首要原因[2-3] 。这些难降解有机物需要通过 深度处理去除，但目前常见的深度处理技术存在着二 次污染、处理成本高等各种问题。因此，使用生物处 理技术去除废水中的难降解木素及其衍生物具有重大 意义。 SBBGR 反应器作为一种新型的废水处理技术， 是在 SBR 反应器内装填纤维填料、陶粒、活性炭等 填料，然后在填料中培养出好氧颗粒污泥的一种新型 反应器。其具有较高的污泥浓度，同时存在好氧、缺 氧与厌氧环境，为好氧、缺氧和厌氧微生物提供了生 存条件，有较丰富的生物相，能够同时进行好氧和厌 氧代谢活动[4] 。丰富的生物相、高生物量及高微生物 活性使 SBBGR 具备较高的污染物去除性能[5] 。Lotito 等人[6] 用 SBBGR 处理混合市政-纺织废水，结果表明 COD、总固体悬浮物 （TSS）、总氮 （TN） 和表面活性剂去除率分别为82. 1%、94. 7%、87. 5%和77. 1%， 与处理相同废水的集中式工厂 （水力停留时间 30 h） 性能比较表明，SBBGR 系统能够以更简单的处理方 案，更低的水力停留时间 （11 h） 和更低的污泥产量 处理质量相当的废水。DeSanctis等人[7] 用SBBGR对生 活污水进行处理，在去除SS、COD和TN方面非常有 效，平均出水浓度分别为5 mg/L、32 mg/L和10 mg/L， 且消毒性能高于传统的城市污水处理厂。造纸废水深 度处理的难点来源于木素等难以生物降解的有机 物[8-9] 。有研究用序批式好氧颗粒污泥反应器技术处理 单宁/木质素，在单宁/木质素的初始浓度为 50 mg/L 时，去除率达到 97%；进水浓度增加到 100 mg/L 时， 单宁/木质素的去除率缓慢下降到 60% 左右[10] ，这一 定程度上可以说明 SBBGR 具有降解木素等难降解有 机物的能力。已有研究证明序批式生物膜反应器 （SBBR） 能降解木素类污染物[11] ，CAI 等人[12] 采用不 同的生物反应器处理二次纤维造纸废水二级出水，包 括SBBR、搅拌罐式反应器 （STR） 和浸没式曝气反应 器 （SAR），发现 SBBR、STR和 SAR对 COD的去除率 分 别 为 （39. 7±5. 9）% 、（30. 9±8. 5）% 和 （15. 7± 8. 9）%。SBBGR在SBBR中驯化出污泥浓度和微生物 活性高的好氧颗粒污泥，使得反应器内同时存在好 氧、缺氧与厌氧环境，因而提高了难降解污染物的去 除效果。有报道表明厌氧环境可提高木质素等难降解 物污染物的去除效果[13-15] 。本研究以SBBGR系统处理 二次纤维造纸废水二级出水，探讨对废水中污染物的 降解去除效果，分析系统中微生物群落的变化，为开 发一种绿色高效的废水处理技术提供科学数据。

1 实 验

1. 1 接种污泥 实验用污泥样品取自广东某造纸污水处理厂 二沉池回流污泥，呈褐色，污泥浓度 （MLSS） 为 5. 82 g TSS/L，挥发性固体悬浮物 （MLVSS）/MLSS 值 在0. 52~0. 58之间。

1. 2 实验仪器与试剂 水质分光光度计(DR2800,美国 HACH)；COD 消 解仪(DRB200,美国HACH)；曝气装置(ACO-9601,中国 广东海利集团)；pH精密酸度计(PB-10,赛多利斯科学 仪器有限公司)；溶解氧测定仪(HQ40d,美国 HACH)； 循环蠕动泵(77601-00,美国 Cole-Parmer)；进水蠕动泵 (NKCP-C-S10B,中国卡默尔)；恒温水浴锅(HH-4,中国 常州奥华仪器)；BOD测定仪(BODTrakII,美国HACH)； 恒温振荡器(ZD-85,常州澳华仪器有限公司)；冷冻干 燥仪(LC-10N-50A,上海力辰邦西仪器科技有限公司)； 气相色谱-质谱联用仪(Agilent5973,美国 Agilent Tech⁃ nology)； 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 (TENSOR27,德 国 Bruker)。 无水乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾、碳酸氢钠、 磷酸钠、磷酸氢二钾、氯化钾、氯化钠、浓硫酸和氢 氧化钠，购于广州化学试剂厂，乙酸乙酯、二氯甲 烷，购于上海润捷化学试剂有限公司，以上试剂均为 分析纯。

1. 3 实验用水 实验用水分为人工模拟废水及广东某造纸厂的二 次纤维造纸废水二级出水。SBBGR 使用人工模拟废 水培养运行 90 天进入驯化过程，驯化过程使用模拟 废水和造纸废水混合。驯化过程历经5个阶段，每个 阶段运行 8 天，实际造纸废水分别占进水的 20%、 40%、60%、80%和100%，历时40天后驯化完成。 人工模拟废水中投加适量Na3PO4、K2HPO4、KCl、 NaCl 等物质提供微量元素给反应器内微生物营养所 需；碳源、氮源、磷源分别由无水乙酸钠、NH4Cl、 KH2PO4提供，将废水的CODCr、氨氮、TN的浓度分别 控制在 1000 mg/L、40~60 mg/L 和 8. 0~2. 0 mg/L；用碳 酸氢钠调节pH值为7. 4±0. 2。 二次纤维造纸废水二级出水 CODCr、BOD5、TN、 总磷 （TP） 分别为 190±33. 4、7. 2±1. 7、5. 6~9. 6、 1. 83~4. 22 mg/L，pH值为6. 8~7. 5，呈浅黄色，色度 在163~179 C. U. 之间。

1. 4 实验方法 图 1 为 SBBGR 示意图。SBBGR 反应器是一个圆 柱形有机玻璃柱 （内径：60 mm；高度：500 mm；几 何体积：1 L；接种污泥体积：400 mL）。反应器下部 分放置若干塑料填料 （长度：10 mm；直径：10 mm； 有效比表面积：500 m2 /m3 ；孔隙率 95%），为污泥生 长依附提供支撑材料；反应器上部分放入曝气装置、 溶解氧和温度电极、pH 电极。反应器底部有 4 个流 通口，两个接入水泵，用于进水阶段的入水；两个流 通口接循环泵，在运行阶段使废水在反应器中循环， 确保氧气的均匀分布。反应器运行周期为 8 h，分为 进水阶段(10 min)、暂停阶段(进水前后各 10 min)和反 应阶段 （450 min）。反应器在循环泵暂停运行 10 min 后开始进水，同时在反应器上方完成出水。进水完毕 10 min后，循环泵继续运行。反应器置于恒温水浴锅 中，温度设为 （32±1） ℃。

1. 5 分析方法 使用水质分光光度计采用重铬酸钾法、过硫酸盐氧化法、消解-抗坏血酸法，分别测定 CODCr浓度、 TN、TP；根据国家标准 GB 11901—89测定 SS；使用 PHS-3E 型 pH 计测定 pH 值；通过 HQ40d 溶解氧测定 仪测定溶解氧；采取5日生化培养法测定BOD5。

1. 6 红外光谱分析 取 50 mL 待测水样，在 4000 r/min 转速下离心 20 min，取上清液进行冷冻干燥，干燥后的样品用溴 化钾压片法制样，用于红外光谱分析。

1. 7 GC-MS分析 准备3份200 mL的水样，用0. 45 µm的微孔滤膜 过滤，其中两份分别用 1 mol/L 的硫酸和氢氧化钠溶 液调节 pH 值至 2 和 12。将水样分开置于分液漏斗， 加入 30 mL乙酸乙酯和 20 mL二氯甲烷后在恒温振荡 器中振荡30 min，充分混合后静置20 min，分层后取 出有机相完成一次萃取，向剩余水相中继续加入 30 mL 乙酸乙酯和 20 mL 二氯甲烷继续萃取，重复上 述操作，萃取3次后将所有有机相收集在一起，加入 无水硫酸钠脱水，脱水后自然蒸发至 5 mL，保存样 品用于GC-MS分析。 GC-MS 分析条件：HP5 石英毛细管柱 （30 m× 0. 25 mm×0. 25 µm），系统进样器 （7683B，由美国 Agilent Technology生产） 自动进样，分流比10∶1；使 用高纯氦气为载气，流量1 mL/min，进样量l µL；升 温程序为柱温 60℃，进样口 280℃；质谱条件为电子 轰击电压 1. 2 kV，电子轰击能量 70 eV，质量扫描范 围30~500 amu，检索谱库为NIST14。

1. 8 微生物分析 将接种污泥和成熟好氧颗粒污泥样品送至苏州金 唯智生物科技有限公司使用 Illumina测序平台进行高 通量测序。对污泥进行 16S rDNA 扩增子测序，通过 特异性引物扩增样本中原核生物16S rDNA的可变区， 构建高通量测序文库并对 16S rDNA 可变区序列进行 分析，从而鉴定环境中原核微生物的组成与丰度。测 序得到的每一条序列来自于一个菌种，对序列进行归 类操作，将序列按照彼此的相似性归类为许多小组， 一个小组就是一个操作分类单元 （OTU）。在 97% 的 相似水平下对所有序列进行 OTU 划分并进行生物信 息统计分析。 2 结果与讨论

2. 1 污泥颗粒化培养过程 使用人工模拟废水培养，在反应器启动第 5 天， 接种污泥在填料外形成一层较薄的生物膜，呈褐色絮 状；培养过程中生物膜逐渐变厚，在生物膜厚度达到 一定程度后，将循环泵流量从 120 mL/min 增加至 150 mL/min，以增大反应器内的水力剪切力，使部分 生物膜分离沉积在填料内部；反应器启动第 40 天， 填料内部可观察到 1~2 mm 粒径的颗粒污泥；随后颗 粒污泥在填料内部生长，在第 50天污泥粒径达到 2~ 5 mm，反应器启动完成。此时反应器中微生物由两 部分组成：附着在塑料填料外部的生物膜，填料孔隙 内生长的与孔隙大小相似的颗粒污泥。填料中的好氧 颗粒污泥如图2所示。

2. 2 二级出水中污染物的去除 驯化阶段目的是使反应器中的微生物逐渐适应造纸废水的环境，使能降解废水中包括难降解有机物在 内的污染物的微生物得以生存增长，而不能适应的逐 渐被淘汰[16] 。驯化过程见 1. 2，驯化结束后反应器进 入稳定运行阶段。驯化及稳定运行阶段反应器的 CODCr去除效果如图3所示。 从图 可以看出，随着进水中二级出水比例的升 高，出水 驯化结束 时出水的 7%；而稳 定运行阶段出水的 mg/L，去 除率为 （ 水的 BOD/ COD低于 研究中二 级出水的 5为 （ ） ， 3
CODCr的去除率发生了明显下降，
CODCr为
144
mg/L，去除率为
38. CODCr
稳定在
（95±22） 47.
7±5) %。一般认为，当废0.
3 时，废水的可生化性较差，本BOD
7.
2±1.
7
mg/L
BOD/COD 低于 0. 05，废水中大部分的有机物都难以通过生物降解。 因此当入水中容易被降解的人工废水逐渐转换成难降 解的二级出水时，降解去除变得困难。本研究中，二 级出水的 CODCr去除率为
（47.
7±5) %，表明废水中 的部分难降解污染物经过SBBGR处理后被去除。 SBBGR对废水SS和色度的去除效果如图4所示。 反应器稳定运行进水 SS 为 （366±33） mg/L，出水 SS 为 （45±12） mg/L，去除率稳定在 80% 以上，表明反 应器对废水 SS 有显著的去除效果。研究认为生物反 应器中 SS 的去除主要由生物膜决定，生物膜可以吸 附和捕获大量的 SS，使反应器对 SS 达到良好的去除 效果[8] 。SBBGR中的大部分微生物在填料的孔隙中以 颗粒状的污泥生长，从而在填料表面形成生物膜，因 此对SS有良好的去除效果。 经好氧处理后废水色度一般会发生提高，这可能 是由于高分子质量的有机物的降解导致发色官能团的 形成[17] ，生化过程中微生物产生的新陈代谢残余物和 污泥的解体也是色度提高的重要原因[18] 。Cai 等人[13] 用3种好氧工艺处理二次纤维造纸废水二级出水，均 发现了色度的增加，其中 SBBR 的增加最低。从图 4 还可以看出，废水经过 SBBGR 处理后色度没有明显 变化。可能是 SBBGR 中好氧颗粒污泥具有较高的污 泥浓度与微生物活性，对污染物的降解较为彻底，且 颗粒污泥的结构较为紧实，减少了污泥解体导致的色 度增加。 2. 3 FT-IR分析 对二次纤维造纸废水二级出水及 SBBGR 反应器 出水进行 FT-IR 分析，结果如图 5所示，吸收峰的解 析如表1所示。由图 5 可知，经 SBBGR 处理后，二次纤维造纸 废水二级出水在3446、1650、1448、1145及622 cm-1 处吸收峰强度明显降低。由表1可知，这些吸收峰波 数对应于O-H伸缩振动、C==O伸缩振动、苯环C==C拉 伸振动、醚类 C-O-C 伸缩振动及苯环氢面内弯曲振 动。结果表明，经SBBGR处理，二级出水中的醇类、 醛类、芳香族化合物及醚类物质被有效降解或转化。

2. 4 GC-MS分析 对 SBBGR 处理前后的二次纤维造纸废水二级出 水进行 GC-MS 分析，谱图如图 6 所示。将质谱图与 GC-MS数据标准库比较确定出有机物种类。 从图6可以看出，在二次纤维造纸废水二级出水 中检出了5种苯类化合物，包括1,3-二甲基-苯、对二 甲苯及乙苯等，而 SBBGR 出水中未检出这 5 种苯类 化合物，说明这些污染物可以被 SBBGR 有效降解； 同时，二次纤维造纸废水二级出水中检出3,4-二甲氧 基-苯甲醛及3,4-二甲氧基-苯甲醇，而SBBGR出水中 未检出这两种污染物，说明其经过 SBBGR 处理被有 效降解，表明 SBBGR 对芳香族类类污染物具有较好 的降解去除能力。研究显示，苯类化合物能在好氧和 厌氧的条件下通过生物降解[19] ，而 SBBGR 可以同时 提供这两种环境。 从图6还可以看出，在二次纤维造纸废水二级出 水中检出了 6 种酯类化合物，SBBGR 出水中也检出 6种酯类化合物，但是二次纤维造纸废水二级出水中 检出的十六酸甲酯在 SBBGR 出水中未检出，同时 SBBGR 出水中检出了邻苯二甲酸二丁酯等新的酯类 物质。说明 SBBGR 对酯类物质的去除能力有限，并 且邻苯二甲酸酯类有机物作为一种塑料增塑剂在环境 中的降解速率缓慢，生物降解效果不明显，通常需要 高级氧化技术作进一步的处理[20] 。 2. 5 微生物分析 取驯化前 SBBGR 反应器中的污泥和处理二次纤 维造纸废水二级出水稳定运行的 SBBGR 反应器中的 污泥，分别进行高通量测序分析。污泥样品的微生物 丰度和多样性指数如表2所示，微生物在门和属水平 下的物种分布如图8所示。 Chao1 指数和 ACE 指数是反映菌群丰富度的指标，数值越大表明丰富度越高，而 Shannon 指数和 Simpson 指数是反映菌群多样性的指标，其数值越大 表明群落多样性越高。从表2可知，处理二次纤维造 纸废水二级出水后稳定运行阶段 SBBGR 反应器中微 生物的序列数和 OTU 数量有所增加，Chao1 指数和 ACE 指数降低，Shannon 指数和 Simpson 指数增高， 表明反应器在处理二次纤维造纸废水二级出水后菌群 丰富度略微降低但物种多样性有所增加。这可能是因 为培养阶段的人工模拟废水中有机负荷较高且容易被 生物降解，微生物得以大量繁殖；在切换成有机负荷 低、有机成分复杂且难降解的二次纤维造纸废水二级 出水后，部分微生物的繁殖受到了抑制，导致物种丰 富度的下降。 图7为不同分类水平下的物种分布图。如图7（a）所 示，在门水平上，驯化前主要为变形菌门（Proteobacte⁃ ria）（51. 09%）、拟杆菌门 （Bacteroidetes）（30. 34%）、 酸杆菌门 （Acidobacteria）（9. 45%）；驯化后主要为 变 形 菌 门 （Proteobacteria）（52. 57%）、 拟 杆 菌 门 （Bacteroidetes）（31. 29%）、 酸 杆 菌 门 （Acidobacteria） （7. 42%）。驯化前后污泥在门水平上的差异不大，其 绝对优势菌种均为拟杆菌门和变形杆菌门，其在有机 物的利用降解过程发挥着重要的作用，变形菌门在木 质素降解中作出重要的贡献[13] ，拟杆菌门能分泌出超 氧化物歧化酶促进木质素的分解[21-23] 。 在属水平上（见图7（b）），驯化前的主要菌种为竞 争性假丝酵母属 （Candidatus_Competibacter）（13. 5%）、 动胶杆菌属 （Zoogloea）（8. 3%）、橙黄褐指藻杆菌属 （Phaeodactylibacter）（4. 85%）；驯化后中主要菌种为陶 厄氏菌属 （Thauera）（7. 93%）、竞争性假丝酵母属 （Candidatus_Competibacter）（4. 93%） 和 脱 硫 微 菌 属 （Desulfomicrobium）（3. 6%）。 经 过 处 理 二 次 纤 维 造 纸 废 水 二 级 出 水 后 ， SBBGR 中微生物的多样性得到了提高，未确定分类 的菌属 （Unclassified） 含量从3. 8%增至8. 7%，表明 由于外界环境的改变产生了大量新的微生物种群。竞 争性假丝酵母菌是反硝化聚糖菌的一种，因为二次纤 维造纸废水二级出水有机物及氮含量低，竞争性假丝 酵母属的增殖受到了抑制，含量下降。同时，陶厄氏 菌相对丰度提高，代替竞争性假丝酵母菌成为了驯化 后污泥中的相对丰度最高的菌属，陶厄氏菌具备较强的环境适应性以及降解芳香族有机物的能力[24] ，这也 能解释 GC-MS 分析中二次纤维造纸废水二级出水中 的芳香族有机物被有效降解的结果。另外，脱硫微菌 属是一种严格的厌氧菌，能在厌氧条件下参与对木质 素的降解[25] ，其微生物含量从 0. 45% 提高到 3. 6%， 一定程度上证明了 SBBGR 中形成的厌氧区在对木质 素等难降解物的处理发挥了重要作用。 3 结 论

3. 1 使用人工模拟废水培养 SBBGR 反应器 90 天后， 用二次纤维造纸废水二级出水逐渐替代人工模拟 废水，经过 40 天的驯化，SBBGR 处理二次纤维造纸 废水二级出水，在进水 CODCr和 BOD5分别为 （190± 33. 4） 和 （7. 2±1. 7） mg/L条件下，出水CODCr可降至 （95±22） mg/L，去除率为 （47. 7±5） %。

3. 2 红外光谱和气相色谱-质谱联用仪 （GC-MS） 分 析表明，SBBGR 能有效降解去除废水中的污染物， 尤其是对芳香族化合物为代表的特征污染物具有良好 的降解去除效果。

3. 3 微生物群落分析表明，驯化后的SBBGR反应器 中微生物丰富度略微降低但物种多样性有所增加，具 有降解芳香族有机物能力的陶厄氏菌和脱硫微菌的相 对丰度有所提高。