1 引言
研究表明，部分抗生素可在自然環境中降解，但有些則可存在較長時間，其存在會對生態平衡造成威脅，影響微生物的種群活性，甚至可能誘導產生出抗性菌株等.土霉素(OTC)因價格低廉，目前已成為醫藥行業廣泛采用的一類抗生素.土霉素進入微生物細胞后可與核糖體結合，從而阻止其與氨酰tRNA相結合，且土霉素及其中間降解產物暴露于環境中，會對人類健康造成較大的威脅.
含OTC的高濃度有機廢水可通過水解、光解、高級氧化和生物法等工藝進行處理.其中，生物法被認為是一種經濟高效的處理技術.而在眾多的生物處理工藝中，厭氧生物處理技術在有毒有機污染物的預處理和提高廢水可生化性方面的作用十分明顯，常作為生物組合工藝的核心技術而被廣泛應用.
厭氧折流板反應器(ABR)是由Bachman和Mccarty依據生物相分離思想開發而來.ABR通過折流板被分為多個格室，可看成是由多個串聯的升流式厭氧污泥床(UASB)組成.研究發現，ABR在處理高濃度有機廢水時優勢明顯，它能實現不同種類微生物(如水解發酵菌、產酸菌和產甲烷菌)在ABR不同格室中的分離，形成各自最佳的生態位，從而使有機物梯級降解.此外，ABR獨特的水力結構決定其具有較高的耐水力和有機負荷沖擊的能力.由于ABR前面格室的產酸菌生長周期短，對有毒物質不敏感，因此，ABR在處理難降解和有毒廢水方面也得到了廣泛研究.
但抗生素類物質對產甲烷菌有較大的抑制作用，可能會對ABR系統的運行和處理效能造成較大影響.目前，關于OTC濃度對ABR處理效能和運行特性的研究工作鮮有報道.因此，本文通過開展不同OTC濃度條件下ABR運行特性的實驗研究，考察ABR處理含OTC高濃度有機廢水的可行性及其去除效果，評價OTC對ABR運行特性的影響.以期為ABR處理含抗生素類高濃度有機廢水提供工程控制參數與技術支持.
2 材料與方法
2.1 試驗裝置
ABR由有機玻璃制成(56.0 cm×10.0 cm×50.0 cm，長×寬×高)，有效容積為26 L.系統包括4個等容積的格室，每個格室均被平行的折流板分為上流室和下流室，上下流室長度分別為11.5 cm和2.5 cm.每個格室均設有水樣、污泥和氣體收集孔，水樣取樣孔距容器頂部2.5 cm，污泥取樣口距底部3.0 cm，氣體收集口設置在格室頂部.
2.2 進水水質
試驗進水采用人工模擬高濃度廢水，以蔗糖為碳源，化學需氧量(COD)根據試驗需要人工配制.配水匯總添加適量NH4Cl和KH2PO4，使COD : N : P=200 : 5 : 1.此外，添加Fe3+、Cu2+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Ni2+等微量元素.
2.3 運行條件
ABR接種污泥取自廈門集美區污水處理廠二沉池好氧活性污泥. ABR以固定水力停留時間(HRT)、逐漸增加進水COD的方式啟動，啟動初期COD控制為2000.0 mg · L-1左右，系統溫度控制為(35±1)℃，通過投加NaHCO3的方式控制進水pH值為7.00~7.50，初始堿度為450.0 mg · L-1，最后在OTC負荷為0.1 g · m-3 · d-1的條件下完成反應器的穩定運行，整個啟動過程持續49 d.根據厭氧微生物代謝動力學及本反應器的運行階段性特征，把ABR整個啟動過程分為3個階段：啟動初期(第1~7 d)、適應期(第8~35 d)和穩定期(第36~49 d). 其中，啟動初期進水COD為2000.0 mg · L-1，適應期進水COD穩定為3500.0 mg · L-1，穩定器進水COD為4500.0 mg · L-1. 待ABR運行穩定后，逐步提高進水OTC負荷為1.0、3.3和5.0 g · m-3 · d-1，考察不同OTC負荷對ABR運行特性的影響，每個OTC負荷穩定運行14 d，平均進水COD均為4400.0 mg · L-1.
2.4 分析方法
COD、pH、揮發性懸浮固體(VSS)、堿度(ALK)和氧化還原電位(ORP)的測定采用《水和廢水監測分析方法》中的標準方法，pH、COD和ALK每天測定1次，ORP每2 d測定1次.揮發酸(VFA)和生物氣體采用福立GC9790Ⅱ進行測定，以N2作為載氣. OTC采用安捷倫1200液相色譜儀進行測定，流動相為草酸 : 乙腈 : 甲醇=80 : 10 : 10(體積比)，采用紫外檢測器，分析波長為260 nm. 污泥中微生物采用日立S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察，經臨界點干燥儀干燥完畢后，用電子濺射鍍膜儀(Gatan Model 682)在樣品表面鍍上15 nm厚度的金屬膜，最后進行觀察拍照.
3 結果與討論
3.1 ABR的啟動
由圖 1可知，在ABR啟動初期，COD總去除率達95.0%左右;第8 d進入適應期，由于提高進水COD至4200.0 mg · L-1，反應器受到較大沖擊，COD去除率下降至85.0%;隨后降低進水COD為3500.0 mg · L-1左右，反應器得到了有效恢復，COD去除率恢復至90.0%以上.運行35 d后，系統pH和堿度有所波動，但COD去除率穩定在95.0%.運行至第42 d時，保持進水COD不變，加入0.1 g · m-3 · d-1土霉素后，COD去除率仍能穩定在95.0%左右.
圖 1 啟動階段ABR各參數變化(C1~C4代表格室1~4)
整個啟動過程，pH和堿度呈現降低、升高、再次降低的變化規律，并在第42 d達到穩定狀態.廢水第一格室pH值由進水的7.00~7.50大幅降低至4.74左右，可能是發酵過程產生了大量的揮發酸;而第二、第三和第四格室pH值上升，平均值分別為6.42、6.76和6.78，可能是由于酸性基質遞減所致.本研究ABR穩定狀態下系統維持的pH值與其他學者的研究差異明顯，Boopathy用五格室ABR處理養豬廢水和Bayrakdar采用四格室ABR處理酸性含鋅廢水時發現，ABR各格室的pH值維持為6.8~7.2，后兩格室產甲烷相pH值均大于6.5.堿度和pH密切相關，在穩定階段，各格室平均堿度分別為46、360、480和525 mg · L-1.此外，ABR各格室中的ORP隨著啟動過程進行逐漸降低，并達到穩定值，均小于-200 mV，這與Ren等在利用ABR處理廢水、調控丁酸發酵類型時獲得的生態條件較為相似.ABR通過前42 d的調控，已經基本達到穩態，各格室均未出現溝流和短路現象，說明ABR系統啟動獲得成功.
3.2 OTC負荷對ABR處理效能和運行特性的影響
3.2.1 COD及OTC的去除
由表 1可知，在OTC負荷分別為1.0、3.3和5.0 g · m-3 · d-1時，第一格室VSS的濃度分別為42.5、44.8和44.1 g · L-1.在各個階段，COD的總去除率波動較小，穩定在95.0%左右，出水COD在205.0~237.0 mg · L-1之間，其中，第一和第二格室對COD去除率的平均值分別達到40.0%和60.0%以上.本研究結果說明，ABR系統的確具有較強的抗有毒有害物質的沖擊能力.與此同時，在3個OTC負荷下，OTC總降解率均達到60.0%左右，也主要由系統前兩格室完成降解過程，其中，第一格室和第二格室OTC去除率的平均值分別達到35.0%和40.0%以上.
表1 COD及土霉素去除效果
3.2.2 VFA變化
檢測結果表明，處理土霉素廢水的ABR系統，其產酸發酵主要發生在第一格室，當OTC負荷為1.0 g · m-3 · d-1時，VFA的總濃度從第一格室到第四格室依次降低，第一格室為1578 mg · L-1，第二格室降為254 mg · L-1，第三和第四格室幾乎為零，這與ABR前兩格室較高的COD去除率相一致.由圖 2可知，在不同OTC負荷下，ABR第一格室中的VFA以乙酸為主，也檢測到有一定量的丙酸和丁酸生成，這一VFA構成特點在3個OTC負荷下表現一致，說明OTC負荷對ABR系統第一格室的發酵類型的影響較小.但不同OTC負荷對系統第一格室中VFA的濃度影響較大，當OTC負荷為1.0、3.3和5.0 g · m-3 · d-1時，第一格室中乙酸的濃度分別為1203、491和1150 mg · L-1，丙酸的濃度分別為298、189和127 mg · L-1.
圖 2 第一格室中VFA濃度情況
3.2.3 發酵產氣特性
表 2列出了ABR在不同OTC負荷運行階段的發酵產氣情況.由表 2可知，在高的OTC負荷下，總氣體產量有所下降，但降低幅度不大，總氣體產量和甲烷產量基本維持穩定.在OTC負荷為1.0 g · m-3 · d-1時，第一和第二格室中甲烷氣體產量分別為19.40 L · d-1和16.60 L · d-1，甲烷氣體分別占總氣體產量的52.3%和62.2%.當OTC負荷為3.3 g · m-3 · d-1和5.0 g · m-3 · d-1時，第一格室中甲烷氣體產量降低到了18.10 L · d-1和17.62 L · d-1，第二格室中甲烷氣體產量為14.80 L · d-1和13.14 L · d-1.這一結果表明，OTC負荷在小于5.0 g · m-3 · d-1范圍變動時，對甲烷產量雖然有一定的影響，但抑制程度不大.這與Massé等(2000)研究結果不太一致，他們研究發現，在20 ℃條件下的豬糞發酵過程中投加負荷分別為2.5 g · L-1d-1和3.2 g · L-1 · d-1(以COD計)的青霉素和四環素，甲烷產量分別降低了35%和25%.Lvarez與Arikan等也得到了與Massé相類似的結果，他們的研究結果表明，抗生素對產甲烷菌都能產生一定程度的抑制，導致甲烷產量降低.對于本研究結果，在下文中將結合掃描電鏡結果做進一步討論與分析.VSS可以表征活性污泥中微生物濃度，通過表 1數據分析可知，前兩格室微生物生長幾乎不受抑制，OTC對ABR系統的中微生物生長抑制作用較小
表2 ABR反應器各格室氣體產生情況
厭氧微生物的甲烷發酵是一個較為復雜的過程，一般情況下，ABR前面格室中的底物先經過產酸菌水解發酵為揮發酸，然后部分揮發酸通過產氫產乙酸菌降解為乙酸和氫氣，后面格室則由產甲烷菌產生甲烷.而在本研究中ABR甲烷發酵主要發生在前兩格室，后兩格室甲烷產量較少.產甲烷菌具有代時長、對環境變化敏感等特征，耐受pH的范圍多在6.00~8.00之間，超出此范圍則很難生長.而在本研究中出現了較為特殊的現象，即在ABR反應器的第一個格室中，在中溫條件時，甲烷發酵能在pH值為4.60的較酸性條件下發生.這對解決產甲烷過程中常易發生的周期長、產氣率低、底物利用不充分等問題提供了新的解決思路，接下來研究中有必要對此現象產生的原因及應用前景進行深入探究.本研究結果證實，在人工控制條件下的有機廢水厭氧生物處理系統也可以在酸性條件下進行甲烷發酵，相關實驗還需進行深入研究，這對提高有機廢水的處理效能及拓展現有產甲烷菌生理生態認識具有重要作用.
3.3 穩定運行階段各格室中微生物相觀察
采用掃描電鏡觀察加入抗生素后各格室污泥中微生物的分布情況和優勢菌群，結果表明，ABR各格室中微生物群落結構明顯，微生物種群豐富，不同格室中形成了各自不同的優勢種群.圖 3為加入抗生素后前兩格室的微生物分布情況.
第一格室中微生物種類齊全，存在厭氧產酸短桿菌和長桿菌.此外，還存在能以乙酸和H2/CO2為底物的產甲烷八疊球菌和鬃毛甲烷菌.這與ABR第一格室中的乙酸型代謝類型結果相一致，能很好地解釋第一格室中較高的乙酸降解率和甲烷產率的現象.水解發酵菌、產酸菌和產甲烷菌在第一格室中各自形成了良好的微生物生態位，降解有機物能力強.這表明加入抗生素后，第一格室中微生物生長沒有受到明顯抑制，污泥中較為復雜的微生物群落結構保證了反應器的穩定運行，使得ABR對有毒物質的沖擊有一定的耐受性.試驗中觀察到第二格室形成了顆粒污泥，污泥表面呈現很多孔洞，這可能與第二格室較高的產氣量有關，氣體沖破顆粒污泥，導致污泥形成了孔洞.同時造成了污泥的洗出，污泥濃度降低，這與第二格室較低的VSS值相一致.第二格室微生物種群主要是桿菌、產甲烷球菌和絲狀菌，沒有發現第一格室中的產甲烷菌.這與第二格室中較低的乙酸濃度有關，第二格室中甲烷產率也有所降低.
圖 3 ABR前兩格室污泥掃描電鏡圖(a和b第一格室中掃描電鏡圖像，c和d為第二格室中掃描電鏡圖像)
有研究表明，ABR前面格室主要以水解發酵和產酸過程為主，存在大量的產酸桿菌和絲狀菌;而后面格室以產甲烷過程為主，優勢微生物種群為產甲烷菌.而本試驗第一格室中產酸菌和產甲烷菌互營共生，產甲烷菌發揮的功能明顯.可能是由于產甲烷八疊球菌和鬃毛甲烷菌有多種甲烷合成途徑，土霉素的加入有利于產甲烷菌的生長.Br?uer等的研究結果能夠較好地說明此情況，他們研究發現，抗生素能夠抑制氫營養型產乙酸菌的生長，而促進氫營養型產甲烷菌的生長.受到抗生素刺激后，產甲烷八疊球能合成胞外聚合物(EPS)成為具有保護作用的莢膜，能阻止抗生素滲入細胞內，從而增加了對不良環境的抵抗能力. 此外，Ince等的研究表明，在37 ℃、含有OTC的甲烷發酵過程中，產甲烷微球菌受到了較大程度的抑制，而OTC對產甲烷八疊球菌和鬃毛產甲烷菌幾乎沒有抑制作用.因此，在本研究中的較大OTC負荷沖擊下，第一格室中仍有大量產甲烷菌存在，其與產乙酸菌互營共生，實現了第一格室中有機物的徹底降解.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
圖 4為ABR后兩格室的掃描電鏡圖.從圖中可以看出，第三格室優勢種群為絲狀菌和短桿菌，同時存在少量的鏈球菌.第三格室中較低的COD導致微生物營養缺乏，群落相對單一.第四格室中微生物種類齊全，但密集度低，優勢種群為絲狀菌和以H2/CO2為底物的甲烷微球菌，同時存在鬃毛產甲烷菌、鏈球菌和短桿菌.
圖 4 ABR后兩格室污泥掃描電鏡圖(a和b為第三格室掃描電鏡圖像，c和d為第四格室掃描電鏡圖像)
4 結論
1)在逐步提高OTC負荷的過程中，ABR中COD去除率一直保持在95.0%左右，說明ABR具有較強耐OTC沖擊負荷的能力.同時，OTC的降解率維持在60.0%左右，表明ABR工藝用于對含土霉素高濃度廢水的降解具有一定的推廣價值.
2)在提高OTC負荷的條件下，ABR反應器各格室pH值波動不大，pH沿格室升高，第一格室到第四格室中pH值分別為4.50、6.00、6.40和6.40. ABR運行性能保持穩定.
3)隨著OTC負荷的提高，產氣量基本保持恒定.OTC負荷為1.0 g · m-3 · d-1和5.0 g · m-3 · d-1時，第一格室產氣量分別為37.10 L和34.70 L，其中，甲烷分別占52%和50%，本研究中出現了酸性條件產甲烷現象.
