1 引言
研究表明，部分抗生素可在自然环境中降解，但有些则可存在较长时间，其存在会对生态平衡造成威胁，影响微生物的种群活性，甚至可能诱导产生出抗性菌株等.土霉素(OTC)因价格低廉，目前已成为医药行业广泛采用的一类抗生素.土霉素进入微生物细胞后可与核糖体结合，从而阻止其与氨酰tRNA相结合，且土霉素及其中间降解产物暴露于环境中，会对人类健康造成较大的威胁.
含OTC的高浓度有机废水可通过水解、光解、高级氧化和生物法等工艺进行处理.其中，生物法被认为是一种经济高效的处理技术.而在众多的生物处理工艺中，厌氧生物处理技术在有毒有机污染物的预处理和提高废水可生化性方面的作用十分明显，常作为生物组合工艺的核心技术而被广泛应用.
厌氧折流板反应器(ABR)是由Bachman和Mccarty依据生物相分离思想开发而来.ABR通过折流板被分为多个格室，可看成是由多个串联的升流式厌氧污泥床(UASB)组成.研究发现，ABR在处理高浓度有机废水时优势明显，它能实现不同种类微生物(如水解发酵菌、产酸菌和产甲烷菌)在ABR不同格室中的分离，形成各自最佳的生态位，从而使有机物梯级降解.此外，ABR独特的水力结构决定其具有较高的耐水力和有机负荷冲击的能力.由于ABR前面格室的产酸菌生长周期短，对有毒物质不敏感，因此，ABR在处理难降解和有毒废水方面也得到了广泛研究.
但抗生素类物质对产甲烷菌有较大的抑制作用，可能会对ABR系统的运行和处理效能造成较大影响.目前，关于OTC浓度对ABR处理效能和运行特性的研究工作鲜有报道.因此，本文通过开展不同OTC浓度条件下ABR运行特性的实验研究，考察ABR处理含OTC高浓度有机废水的可行性及其去除效果，评价OTC对ABR运行特性的影响.以期为ABR处理含抗生素类高浓度有机废水提供工程控制参数与技术支持.
2 材料与方法
2.1 试验装置
ABR由有机玻璃制成(56.0 cm×10.0 cm×50.0 cm，长×宽×高)，有效容积为26 L.系统包括4个等容积的格室，每个格室均被平行的折流板分为上流室和下流室，上下流室长度分别为11.5 cm和2.5 cm.每个格室均设有水样、污泥和气体收集孔，水样取样孔距容器顶部2.5 cm，污泥取样口距底部3.0 cm，气体收集口设置在格室顶部.
2.2 进水水质
试验进水采用人工模拟高浓度废水，以蔗糖为碳源，化学需氧量(COD)根据试验需要人工配制.配水汇总添加适量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 运行条件
ABR接种污泥取自厦门集美区污水处理厂二沉池好氧活性污泥. ABR以固定水力停留时间(HRT)、逐渐增加进水COD的方式启动，启动初期COD控制为2000.0 mg · L-1左右，系统温度控制为(35±1)℃，通过投加NaHCO3的方式控制进水pH值为7.00~7.50，初始碱度为450.0 mg · L-1，最后在OTC负荷为0.1 g · m-3 · d-1的条件下完成反应器的稳定运行，整个启动过程持续49 d.根据厌氧微生物代谢动力学及本反应器的运行阶段性特征，把ABR整个启动过程分为3个阶段：启动初期(第1~7 d)、适应期(第8~35 d)和稳定期(第36~49 d). 其中，启动初期进水COD为2000.0 mg · L-1，适应期进水COD稳定为3500.0 mg · L-1，稳定器进水COD为4500.0 mg · L-1. 待ABR运行稳定后，逐步提高进水OTC负荷为1.0、3.3和5.0 g · m-3 · d-1，考察不同OTC负荷对ABR运行特性的影响，每个OTC负荷稳定运行14 d，平均进水COD均为4400.0 mg · L-1.
2.4 分析方法
COD、pH、挥发性悬浮固体(VSS)、碱度(ALK)和氧化还原电位(ORP)的测定采用《水和废水监测分析方法》中的标准方法，pH、COD和ALK每天测定1次，ORP每2 d测定1次.挥发酸(VFA)和生物气体采用福立GC9790Ⅱ进行测定，以N2作为载气. OTC采用安捷伦1200液相色谱仪进行测定，流动相为草酸 : 乙腈 : 甲醇=80 : 10 : 10(体积比)，采用紫外检测器，分析波长为260 nm. 污泥中微生物采用日立S-4800扫描电子显微镜(SEM)进行观察，经临界点干燥仪干燥完毕后，用电子溅射镀膜仪(Gatan Model 682)在样品表面镀上15 nm厚度的金属膜，最后进行观察拍照.
3 结果与讨论
3.1 ABR的启动
由图 1可知，在ABR启动初期，COD总去除率达95.0%左右;第8 d进入适应期，由于提高进水COD至4200.0 mg · L-1，反应器受到较大冲击，COD去除率下降至85.0%;随后降低进水COD为3500.0 mg · L-1左右，反应器得到了有效恢复，COD去除率恢复至90.0%以上.运行35 d后，系统pH和碱度有所波动，但COD去除率稳定在95.0%.运行至第42 d时，保持进水COD不变，加入0.1 g · m-3 · d-1土霉素后，COD去除率仍能稳定在95.0%左右.
图 1 启动阶段ABR各参数变化(C1~C4代表格室1~4)
整个启动过程，pH和碱度呈现降低、升高、再次降低的变化规律，并在第42 d达到稳定状态.废水第一格室pH值由进水的7.00~7.50大幅降低至4.74左右，可能是发酵过程产生了大量的挥发酸;而第二、第三和第四格室pH值上升，平均值分别为6.42、6.76和6.78，可能是由于酸性基质递减所致.本研究ABR稳定状态下系统维持的pH值与其他学者的研究差异明显，Boopathy用五格室ABR处理养猪废水和Bayrakdar采用四格室ABR处理酸性含锌废水时发现，ABR各格室的pH值维持为6.8~7.2，后两格室产甲烷相pH值均大于6.5.碱度和pH密切相关，在稳定阶段，各格室平均碱度分别为46、360、480和525 mg · L-1.此外，ABR各格室中的ORP随着启动过程进行逐渐降低，并达到稳定值，均小于-200 mV，这与Ren等在利用ABR处理废水、调控丁酸发酵类型时获得的生态条件较为相似.ABR通过前42 d的调控，已经基本达到稳态，各格室均未出现沟流和短路现象，说明ABR系统启动获得成功.
3.2 OTC负荷对ABR处理效能和运行特性的影响
3.2.1 COD及OTC的去除
由表 1可知，在OTC负荷分别为1.0、3.3和5.0 g · m-3 · d-1时，第一格室VSS的浓度分别为42.5、44.8和44.1 g · L-1.在各个阶段，COD的总去除率波动较小，稳定在95.0%左右，出水COD在205.0~237.0 mg · L-1之间，其中，第一和第二格室对COD去除率的平均值分别达到40.0%和60.0%以上.本研究结果说明，ABR系统的确具有较强的抗有毒有害物质的冲击能力.与此同时，在3个OTC负荷下，OTC总降解率均达到60.0%左右，也主要由系统前两格室完成降解过程，其中，第一格室和第二格室OTC去除率的平均值分别达到35.0%和40.0%以上.
表1 COD及土霉素去除效果
3.2.2 VFA变化
检测结果表明，处理土霉素废水的ABR系统，其产酸发酵主要发生在第一格室，当OTC负荷为1.0 g · m-3 · d-1时，VFA的总浓度从第一格室到第四格室依次降低，第一格室为1578 mg · L-1，第二格室降为254 mg · L-1，第三和第四格室几乎为零，这与ABR前两格室较高的COD去除率相一致.由图 2可知，在不同OTC负荷下，ABR第一格室中的VFA以乙酸为主，也检测到有一定量的丙酸和丁酸生成，这一VFA构成特点在3个OTC负荷下表现一致，说明OTC负荷对ABR系统第一格室的发酵类型的影响较小.但不同OTC负荷对系统第一格室中VFA的浓度影响较大，当OTC负荷为1.0、3.3和5.0 g · m-3 · d-1时，第一格室中乙酸的浓度分别为1203、491和1150 mg · L-1，丙酸的浓度分别为298、189和127 mg · L-1.
图 2 第一格室中VFA浓度情况
3.2.3 发酵产气特性
表 2列出了ABR在不同OTC负荷运行阶段的发酵产气情况.由表 2可知，在高的OTC负荷下，总气体产量有所下降，但降低幅度不大，总气体产量和甲烷产量基本维持稳定.在OTC负荷为1.0 g · m-3 · d-1时，第一和第二格室中甲烷气体产量分别为19.40 L · d-1和16.60 L · d-1，甲烷气体分别占总气体产量的52.3%和62.2%.当OTC负荷为3.3 g · m-3 · d-1和5.0 g · m-3 · d-1时，第一格室中甲烷气体产量降低到了18.10 L · d-1和17.62 L · d-1，第二格室中甲烷气体产量为14.80 L · d-1和13.14 L · d-1.这一结果表明，OTC负荷在小于5.0 g · m-3 · d-1范围变动时，对甲烷产量虽然有一定的影响，但抑制程度不大.这与Massé等(2000)研究结果不太一致，他们研究发现，在20 ℃条件下的猪粪发酵过程中投加负荷分别为2.5 g · L-1d-1和3.2 g · L-1 · d-1(以COD计)的青霉素和四环素，甲烷产量分别降低了35%和25%.Lvarez与Arikan等也得到了与Massé相类似的结果，他们的研究结果表明，抗生素对产甲烷菌都能产生一定程度的抑制，导致甲烷产量降低.对于本研究结果，在下文中将结合扫描电镜结果做进一步讨论与分析.VSS可以表征活性污泥中微生物浓度，通过表 1数据分析可知，前两格室微生物生长几乎不受抑制，OTC对ABR系统的中微生物生长抑制作用较小
表2 ABR反应器各格室气体产生情况
厌氧微生物的甲烷发酵是一个较为复杂的过程，一般情况下，ABR前面格室中的底物先经过产酸菌水解发酵为挥发酸，然后部分挥发酸通过产氢产乙酸菌降解为乙酸和氢气，后面格室则由产甲烷菌产生甲烷.而在本研究中ABR甲烷发酵主要发生在前两格室，后两格室甲烷产量较少.产甲烷菌具有代时长、对环境变化敏感等特征，耐受pH的范围多在6.00~8.00之间，超出此范围则很难生长.而在本研究中出现了较为特殊的现象，即在ABR反应器的第一个格室中，在中温条件时，甲烷发酵能在pH值为4.60的较酸性条件下发生.这对解决产甲烷过程中常易发生的周期长、产气率低、底物利用不充分等问题提供了新的解决思路，接下来研究中有必要对此现象产生的原因及应用前景进行深入探究.本研究结果证实，在人工控制条件下的有机废水厌氧生物处理系统也可以在酸性条件下进行甲烷发酵，相关实验还需进行深入研究，这对提高有机废水的处理效能及拓展现有产甲烷菌生理生态认识具有重要作用.
3.3 稳定运行阶段各格室中微生物相观察
采用扫描电镜观察加入抗生素后各格室污泥中微生物的分布情况和优势菌群，结果表明，ABR各格室中微生物群落结构明显，微生物种群丰富，不同格室中形成了各自不同的优势种群.图 3为加入抗生素后前两格室的微生物分布情况.
第一格室中微生物种类齐全，存在厌氧产酸短杆菌和长杆菌.此外，还存在能以乙酸和H2/CO2为底物的产甲烷八叠球菌和鬃毛甲烷菌.这与ABR第一格室中的乙酸型代谢类型结果相一致，能很好地解释第一格室中较高的乙酸降解率和甲烷产率的现象.水解发酵菌、产酸菌和产甲烷菌在第一格室中各自形成了良好的微生物生态位，降解有机物能力强.这表明加入抗生素后，第一格室中微生物生长没有受到明显抑制，污泥中较为复杂的微生物群落结构保证了反应器的稳定运行，使得ABR对有毒物质的冲击有一定的耐受性.试验中观察到第二格室形成了颗粒污泥，污泥表面呈现很多孔洞，这可能与第二格室较高的产气量有关，气体冲破颗粒污泥，导致污泥形成了孔洞.同时造成了污泥的洗出，污泥浓度降低，这与第二格室较低的VSS值相一致.第二格室微生物种群主要是杆菌、产甲烷球菌和丝状菌，没有发现第一格室中的产甲烷菌.这与第二格室中较低的乙酸浓度有关，第二格室中甲烷产率也有所降低.
图 3 ABR前两格室污泥扫描电镜图(a和b第一格室中扫描电镜图像，c和d为第二格室中扫描电镜图像)
有研究表明，ABR前面格室主要以水解发酵和产酸过程为主，存在大量的产酸杆菌和丝状菌;而后面格室以产甲烷过程为主，优势微生物种群为产甲烷菌.而本试验第一格室中产酸菌和产甲烷菌互营共生，产甲烷菌发挥的功能明显.可能是由于产甲烷八叠球菌和鬃毛甲烷菌有多种甲烷合成途径，土霉素的加入有利于产甲烷菌的生长.Bräuer等的研究结果能够较好地说明此情况，他们研究发现，抗生素能够抑制氢营养型产乙酸菌的生长，而促进氢营养型产甲烷菌的生长.受到抗生素刺激后，产甲烷八叠球能合成胞外聚合物(EPS)成为具有保护作用的荚膜，能阻止抗生素渗入细胞内，从而增加了对不良环境的抵抗能力. 此外，Ince等的研究表明，在37 ℃、含有OTC的甲烷发酵过程中，产甲烷微球菌受到了较大程度的抑制，而OTC对产甲烷八叠球菌和鬃毛产甲烷菌几乎没有抑制作用.因此，在本研究中的较大OTC负荷冲击下，第一格室中仍有大量产甲烷菌存在，其与产乙酸菌互营共生，实现了第一格室中有机物的彻底降解.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。
图 4为ABR后两格室的扫描电镜图.从图中可以看出，第三格室优势种群为丝状菌和短杆菌，同时存在少量的链球菌.第三格室中较低的COD导致微生物营养缺乏，群落相对单一.第四格室中微生物种类齐全，但密集度低，优势种群为丝状菌和以H2/CO2为底物的甲烷微球菌，同时存在鬃毛产甲烷菌、链球菌和短杆菌.
图 4 ABR后两格室污泥扫描电镜图(a和b为第三格室扫描电镜图像，c和d为第四格室扫描电镜图像)
4 结论
1)在逐步提高OTC负荷的过程中，ABR中COD去除率一直保持在95.0%左右，说明ABR具有较强耐OTC冲击负荷的能力.同时，OTC的降解率维持在60.0%左右，表明ABR工艺用于对含土霉素高浓度废水的降解具有一定的推广价值.
2)在提高OTC负荷的条件下，ABR反应器各格室pH值波动不大，pH沿格室升高，第一格室到第四格室中pH值分别为4.50、6.00、6.40和6.40. ABR运行性能保持稳定.
3)随着OTC负荷的提高，产气量基本保持恒定.OTC负荷为1.0 g · m-3 · d-1和5.0 g · m-3 · d-1时，第一格室产气量分别为37.10 L和34.70 L，其中，甲烷分别占52%和50%，本研究中出现了酸性条件产甲烷现象.