我国畜禽养殖废水每年排放了大量TN、TP和COD。养殖废水中有机物、氮、磷和悬浮物含量高，且存在重金属、抗生素和病原微生物，对环境的危害不容忽视。目前，主要采用固液分离、厌氧消化、好氧法及生态法等工艺处理养殖废水。厌氧消化可同时回收资源和能源，且运行成本较低，是理想的处理技术之一。但传统厌氧消化系统存在启动时间长、处理效果不稳定、甲烷化效率低、污泥流失严重等问题。厌氧膜生物反应器（AnMBR）是厌氧技术与膜分离技术的结合，能高效截留污染物，保证优异的出水水质，显著提升甲烷化效率。此外，AnMBR中水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）分离，有利于世代周期较长的功能菌群（如产甲烷菌）在反应器中富集，从而提高系统的稳定性和甲烷产量。

尽管利用AnMBR处理废物的研究较多，但有关其处理实际养殖废水长期运行的报道却比较少见。另外，与传统厌氧消化系统（如UASB）相比，AnMBR在有机物去除效果和能源回收效能等方面的优势还不得而知，相关的机制和生物学原理仍需进一步研究。基于此，笔者利用AnMBR与UASB同时处理实际养猪废水，考察其在不同HRT条件下对养猪废水中污染物的去除效果、甲烷生成性能、能源回收效率等，再结合微生物活性特点及微生物群落结构特征，解析AnMBR强化养猪废水实现能源高效回收的过程与机制，旨在为AnMBR处理养殖废水的实际应用提供参考。

1、材料与方法

1.1 厌氧反应器

AnMBR反应器由有机玻璃制成，总体积为3.0L，其中工作体积为2.6L（见图1）。反应器上部植入氯化聚乙烯平板膜组件，膜面积为0.2m2，孔径为0.2μm左右。废水存储于进水桶中（4℃），通过蠕动泵注入反应器。进水泵与液位传感器连接以保持反应器内液面恒定。出水泵与膜组件相连，从膜组件抽出滤液。为避免膜污染过快，出水泵采用间歇模式（开8min，关2min）运行。出水管上安装压力传感器监测和记录跨膜压差（TMP）。当TMP超过40kPa时，出水泵反转清洗膜组件，恢复膜通量。运行过程中，利用循环热水浴维持反应器内的温度为（37±1）℃，产气量采用湿式气体流量计测定。

实验分两个阶段进行，第一阶段系统的HRT为15d，第二阶段反应器流量提升至0.26L/d，HRT调节为10d。运行期间每天从反应器中排出剩余污泥，保证反应器的污泥停留时间为60d左右。为探讨AnMBR与传统厌氧消化系统的不同，以及在有机物去除效果、能源回收效能方面的优势，同时运行一组UASB反应器作为对照。

1.2 养猪废水的来源与特点

1.2.1 养猪废水

养猪废水取自陕西省西安市蓝田县某养猪场废水贮存池。猪场内约有100头在栏肉猪，废水主要来源于尿液、部分粪便、饲料残渣和猪舍冲洗水等。养猪废水运至实验室后首先利用筛网过滤去除大于5mm的颗粒残渣，而后储存于2~4℃冰箱中备用。预处理后废水中总化学需氧量（TCOD）、TN、NH4+-N及总悬浮物（TSS）分别为13.3~27.8、1.2~3.1、0.9~1.7和8.1~9.9g/L。

1.2.2 接种污泥

反应器的接种污泥为西安市某啤酒废水处理厂中温厌氧消化池污泥。污泥经过自然沉淀后去除上清液，而后分别接种至AnMBR和UASB中。接种污泥的悬浮固体浓度（MLSS）及挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）分别为10.9和5.4g/L，MLVSS/MLSS值为0.49左右。

1.3 分析项目及方法

1.3.1 常规分析方法

水样中的COD、溶解性化学需氧量（SCOD）、TSS和挥发性悬浮固体（VSS）按照国家标准方法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解分光光度法测定，NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定。气体组分采用气相色谱仪分析，仪器配有填充柱和热导检测器分析仪（TCD），载气为氩气。反应器出水中的挥发性脂肪酸（VFAs）和乳酸等采用高效液相色谱仪分析。

1.3.2 甲烷生成活性(SMA)分析方法

为探究厌氧微生物的产甲烷特性，参照先前的研究进行了甲烷生成活性实验。首先利用生理盐水缓冲液清洗厌氧污泥，去除有机物及杂质，然后将20mL污泥分装至血清瓶中（工作容积为80mL）。将预先配制的营养液（K2HPO4为1.76g/L、NH4Cl为0.45g/L、MgSO4·7H2O为0.2g/L、CaCl2为0.3g/L）煮沸0.5h，去除溶解氧，冷却至室温后使用。向每个血清瓶添加50mL底物（醋酸钠）和10mL营养液，以确保所有血清瓶中的F/M值为0.5左右。随后，利用氮气吹洗血清瓶5min，去除氧气，再利用橡胶塞密封，并迅速使用铝卷压紧。所有血清瓶均置于恒温摇床中培养。定期测定瓶中生物气的产量和成分。设置3组平行实验，计算Rmax，并通过修正的Gompertz方程模拟确定SMA，见式（1）。

式中：P为甲烷的累积产生量，mL；P0为最大产甲烷潜力，mL；Rmax为甲烷的最大产生速率，mL/h；λ为延滞期，h；t为消化反应时间，h。

1.3.3 微生物群落分析

为考察污泥中微生物的群落结构，进行了高通量测序分析。细菌采用的扩增引物为341F：CCTACGGGNGGCWGCAG和805R：GACTACHVGGGTATCTAATCC，古菌的测试采用340F：CCCTAYGGGGYGCASCAG、1000R：GGCCATGCACYWCYTCTC（第一轮）和349F：GYGCASCAGKCGMGAAW、806R：GGACTACVSGGGTATCTAAT（第二轮）进行。利用IlluminaMiSeq平台进行测序分析，并对获得的基因序列进行筛选和比对，进而获得微生物的种类及相对丰度。

2、结果与讨论

2.1 污染物去除效果

运行过程中反应器对COD的去除效果如图2所示。

尽管进水水质波动较大，但AnMBR运行稳定后对COD的去除率保持在80%~90%，而UASB出水中的COD浓度受进水波动的影响较大，去除率只有40%~60%，明显低于AnMBR。可见与UASB相比，AnMBR对有机物的去除效果更好。这可能与两方面原因有关：首先，膜孔径较小，可将大部分颗粒态或大分子有机物截留于反应器内，从而保证了出水的COD浓度较低；另外，由于膜组件的高效分离作用，使得SRT与HRT完全分离，更有利于微生物在反应器内富集，进而有助于物质快速降解转化，保证出水水质。此外，随着反应器的持续运行，微生物在反应器内逐渐被驯化成熟，两组反应器对COD的去除效果逐渐提高并保持稳定。

氨氮是产甲烷过程的重要影响因素之一。高氨氮浓度会改变微生物的群落结构，影响代谢途径，抑制厌氧微生物的活性，进而降低甲烷产量。运行过程中反应器对NH4+-N的去除效果如图3所示。可知，AnMBR和UASB中氨氮浓度的变化基本相似。AnMBR出水氨氮浓度在1250~2050mg/L之间，而UASB出水氨氮浓度为1320~2150mg/L，均不会对甲烷发酵过程产生严重影响。另外，两组反应器中的pH平均值为7.1±0.2，随着HRT的缩短，pH呈下降趋势，但始终维持在6.9~7.5之间，有利于厌氧消化产生甲烷。

各反应器中VFAs的变化如图4所示。第一阶段开始时，AnMBR出水VFAs浓度为2g/L左右，这可能是由于反应器中微生物没有完全适应运行条件所致，但随着反应器的运行，出水VFAs浓度逐渐下降，最终维持在1g/L以下，这可能与操作过程中细菌被驯化有关。VFAs的高效去除保证了甲烷的生成，同时也有利于获得较好的出水水质。UASB出水VFAs浓度始终高于AnMBR，表明膜组件的植入有利于VFAs的高效转化，这可能是因为膜组件的截留作用更有利于功能微生物在反应器中富集，使反应器表现出更强的有机物降解能力。此外，反应器出水中丙酸和乙酸为VFAs的主要成分（见表1），这可能与进水中物质的组分特性及反应器内微生物群落结构有关。

2.2 甲烷回收性能

各反应器中生物气产量的变化如图5所示。可以看出，缩短HRT有利于提高生物气产量。在AnMBR中，当HRT为15d时（第一阶段），生物气产量逐渐增加至0.9L/d左右，缩短HRT至10d时（第二阶段），生物气产量增加至1.3L/d。这是由于在较低的HRT条件下，更多的有机物进入反应器中，从而使甲烷产量更高。第一阶段中UASB的生物气产量仅为0.7L/d，第二阶段时生物气产量提升至1.1L/d左右，均低于AnMBR中的生物气产量，表明AnMBR能够强化物质转化，提升生物气回收效率。

两个反应器中在第一阶段产生的生物气成分主要为CH4、CO2及少量N2，第二阶段主要为CH4与CO2。第一、二阶段AnMBR的生物气中甲烷含量分别为81.4%和82.5%，略高于UASB的（分别为79.0%和81.8%），说明AnMBR有助于甲烷化进程。AnMBR在第一阶段的平均甲烷产量为0.27L/gCOD，而第二阶段却降低至0.23L/gCOD。推断在此阶段，较高的有机负荷率（OLR）或F/M抑制了微生物的活性。据报道，高F/M会改变微生物的群落结构及活性，最终导致甲烷产量下降。而UASB的平均甲烷产量也由第一阶段的0.22L/gCOD降至第二阶段的0.19L/gCOD。在AnMBR中，大分子或难降解有机物被膜组件截留于反应器中，有效延长了其在反应器中的停留时间，为有机物的甲烷化过程提供了有利条件。此外，膜组件还有助于功能微生物菌群富集，提高微生物活性，进而提高甲烷产率。

2.3 微生物活性的变化

第一阶段两组反应器的甲烷产率均较大，且AnMBR的甲烷产率及产量高于UASB，这可能与产甲烷微生物的活性有关。为此，探究了两组反应器的甲烷生成特性。结果发现，AnMBR污泥的最大甲烷产率和SMA值分别为1.21mL/h和6.65mgCOD/（gVSS∙h），远大于UASB污泥的最大甲烷产率（0.87mL/h）和SMA值。此外，AnMBR污泥的甲烷生成迟滞时间为6.7h，明显小于UASB污泥的（7.2h），表明AnMBR污泥具有更高的产甲烷活性，进一步证实了AnMBR甲烷产量更高。

2.4 厌氧污泥微生物群落结构分析

2.4.1 细菌群落分析

采用高通量测序技术分析了厌氧污泥中细菌的群落结构，结果如图6所示。可以看出，AnMBR与UASB的优势菌均为Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria，相对丰度之和分别为92.7%与93.7%。其中Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes能有效降解纤维素、蛋白质和果胶等，有助于去除废水中的复杂有机物。此外，Proteobacteria种类繁多，具有去除难降解有机物的能力，有利于物质的转化。AnMBR中Proteobacteria的相对丰度为18.5%，高于UASB污泥的（17.03%），这可能是AnMBR对有机物的去除率高于UASB的原因。Actinobacteria可降解木质素，能够为养殖废水中复杂有机物的转化提供条件。AnMBR与UASB中Actinobacteria的相对丰度分别为5.41%与8.37%，有利于有机物的高效降解，并为产甲烷菌提供优质底物，促进甲烷生成。另外，Firmicutes中的某些种属（如Tissierella）能高效降解蛋白质、葡萄糖等，并产生VFAs（乙酸、丁酸和丙酸）等产甲烷菌的优质基质，从而有利于甲烷的生成。

2.4.2 古细菌群落分析

图7为厌氧污泥中古细菌的相对丰度。可以看出，AnMBR污泥中优势古菌属为Methanosarcina、Methanothrix、Methanoculleus和Methanobacterium，其相对丰度之和高达96.6%，而UASB污泥中优势古菌属为Methanosarcina，相对丰度为97.4%。由此可见，相较于UASB，AnMBR污泥中古菌微生物群落更加丰富。微生物群落的丰富度和物种的多样性反映了反应器的稳定性，可见相比于UASB，AnMBR处理养猪废水更加稳定，进一步解释了AnMBR中甲烷产量大于UASB的原因。

此外，Methanosarcina和Methanothrix属是乙酸类营养型甲烷菌，Methanoculleus属是嗜氢营养型甲烷菌，Methanobacterium则属于多营养型产甲烷菌。氢营养型产甲烷菌能够利用甲烷化过程中产生的H2与CO2生成CH4，AnMBR污泥中氢营养型甲烷菌的相对丰度远高于UASB污泥的，说明甲烷的生成途径更多，底物降解多样性更丰富，进一步解释了AnMBR生物气中甲烷含量较高的原因。

2.5 能量收支平衡分析

以单位体积养猪废水为计算基准，养猪废水分别在AnMBR与UASB中进行厌氧发酵，从而获得甲烷，产能按式（2）、（3）计算。

式中：E1为AnMBR系统处理单位体积养猪废水的净产能，kW∙h/m3；PG1为AnMBR处理单位体积养猪废水产甲烷转化的电能，kW∙h/m3；P1、P2分别为AnMBR系统的进、出水泵所消耗的电能，kW∙h/m3；E2为UASB系统处理单位体积养猪废水的净产能，kW∙h/m3；PG2为UASB处理单位体积养猪废水产甲烷转化的电能，kW∙h/m3；P3、P4分别为UASB系统的进、出水泵所消耗的电能，kW∙h/m3；PM、PM2分别为系统中的水浴锅、搅拌装置所消耗的电能，kW∙h/m3。

单位体积养猪废水产甲烷转化的电能PG按式（4）计算。

式中：V为甲烷量，mol；α为甲烷的理论可用能量，取0.222kW∙h/mol；η为甲烷产电的热转化效率，取33%；Q为养猪废水体积，m3。

泵所需的能量按照式（5）计算。

式中：P为所需的能量，kW∙h/m3；Q1为进、出水泵流量，m3/s；γ为9800N/m3；h为压力水头，m；Q2为反应器进、出水流量，m3/h。

以厌氧发酵单位体积养猪废水作为计算基准，各项能源参数结果见表2（HRT=15d）。可以看出，处理1m3养猪废水时，AnMBR可产生约15.19kW∙h的电能，除去泵以及搅拌、水浴锅的能耗，净产能约为4.18kW∙h，说明AnMBR处理养猪废水可实现能源净收益。而UASB生成甲烷转化的电能为11.84kW∙h，除去泵以及搅拌、水浴锅的能耗，净产能仅为0.83kW∙h。由此可见，与UASB相比，利用AnMBR进行能源回收的优势更明显。

3、结论

①在不同HRT条件下，AnMBR对COD的去除率较为稳定，且保持在80%~90%，远高于UASB的40%~60%。AnMBR出水中VFAs含量较低，且以乙酸和丙酸为主。AnMBR对有机物的去除效果优于UASB。

②当HRT为15d时，两组反应器的甲烷产量均较高。AnMBR中甲烷产量可达0.27L/gCOD，高于UASB的甲烷产量和产率，且AnMBR中厌氧污泥的SMA值更大，微生物活性更强。

③厌氧污泥中Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria为主要的功能菌群，为复杂有机物的降解提供了条件。与UASB相比，AnMBR污泥中不仅存在乙酸型产甲烷菌，还存在大量氢营养型产甲烷菌，有机物降解途径更丰富，甲烷生成途径更多样，进而保证了更高的甲烷产量。

④AnMBR处理养殖废水时的净产能为4.18kW·h/m3，而UASB仅为0.83kW·h/m3，这表明AnMBR适合处理养殖废水，且能达到较好的能源回收效果。但运行过程中AnMBR的膜污染特性及相关控制措施，仍需进一步研究。