上流式污泥床反應器(UASB)具有容積負荷高、生物量大、運行方便等優點，實際應用廣。在厭氧運行過程中，顆粒污泥的形成至關重要。顆粒污泥能夠有效提高厭氧處理系統的運行性能，并使其適應較大幅度的負荷沖擊、溫度和pH變化。為加速厭氧顆粒污泥形成，往往在污泥中投加支撐材料，如活性炭、生物陶粒、納米材料。硅藻土是一種常見的多孔物質，比表面積大、化學性質穩定，廣泛用作化工生產中的觸媒載體，在水處理中的應用相對較少。
中藥廢水是高濃度的有機廢水，污染物含量高，若不妥善處理會對周圍環境造成不良影響。該類廢水含有高濃度有機物，非常適合用厭氧處理。本研究以硅藻土為支撐材料構建了固定化UASB系統，考察其對中藥廢水的處理效果。
一、實驗方法與材料
1.1 實驗廢水
實驗所用廢水收集自哈爾濱某醫藥學院廢水處理站調節池，室溫下貯存待用。該廢水水質見表1。
從表1可以看出，該廢水中的有機物含量很高，COD和BOD5分別高達(13420±102)、(8322±67)mg/L，但氮、磷營養元素不足，不能滿足厭氧微生物代謝的營養比例平衡。因此，在進水投加一定量的氯化銨(NH4Cl)和磷酸二氫鉀(KH2PO4)，以維持營養比(C：N：P)為500：5：1。
1.2 硅藻土
硅藻土購自哈爾濱某礦業公司。取硅藻土先在110℃干燥箱中烘干，然后用孔徑2mm的不銹鋼篩網進行篩分。最終得到的硅藻土粒徑為0.08~0.15mm，比表面積為125.2m2/g，堿度(以CaCO3計)為1570~2232mg/g。
1.3 接種污泥
接種污泥取自哈爾濱某污水處理廠脫水機房干污泥(含水率約為80%)，污泥以孔徑2mm的不銹鋼篩網進行篩分以去除大顆粒物質。預處理后的污泥直接接種至UASB反應器。接種時污泥總懸浮物(TS)和揮發性懸浮物(VSS)分別為7.4、5.5g/L。
1.4 實驗裝置
實驗裝置采用有效容積為20L玻璃鋼材質的UASB反應器。反應器頂部安裝氣-液-固三相分離器，防止污泥大量流失。反應器外壁纏繞電熱絲，用電加熱的方式維持溫度在(35±1)℃左右。安裝pH探頭和溫度探頭以實時檢測系統pH和溫度。反應器設置2組，污泥接種后，一組反應器投加其有效容積15%的硅藻土，另一組未投加硅藻土作為空白組。中藥廢水由可調速蠕動泵輸送進反應器，設計水力停留時間(HRT)為36h。反應器在低COD容積負荷下也1.3kg/(m3•d)頁啟動，通過控制稀釋比例逐步提高COD容積負荷直至滿負荷運行[8.9kg/(m3•d)]。
1.5 分析方法
COD、BOD5、TS、VSS、NH4+-N、TP、pH、堿度和色度采用標準方法也3頁測定。污泥粒徑用濕式篩分法測定。菌群種類分析采用文獻方法院取污泥1mL以12000r/min高速離心1min，去掉上清液，向離心管中加入500μL滅菌去離子水，重懸浮再次離心洗滌2次。離心后的樣品置于DNA提取試劑盒進行提取，提取后用凝膠電泳檢測DNA提取情況。用16SrRNA基因擴增對樣品DNA進行文庫構建和454高通量測序分析，對微生物群落結構和豐富度進行解析。
二、結果與討論
2.1 反應器運行性能
反應器在COD容積負荷為1.3kg/(m3•d)(相應進水COD為2000mg/L)條件下啟動，當系統對COD的去除率達到80%時，分步提高COD容積負荷為2.5、3.8、5.1、6.5、7.9kg/(m3•d)，直至滿負荷運行[8.9kg/(m3•d)]。2組UASB反應器在整個實驗期間(150d)的運行性能見圖1。
由圖1可見，每次提高容積負荷時，系統COD去除率均呈先下降后升高的趨勢，這是因為厭氧微生物對新的運行條件有一定適應期。經過約90d的啟動運行，系統達到穩定狀態，COD去除率趨于平穩。此時，硅藻土組對COD的平均去除率為(90.8±1.1)%，出水COD穩定在(1289±22)mg/L，空白組對COD的平均去除率為(82.5±1.9)%，出水COD穩定在(2354±18)mg/L。可見硅藻土組對有機物的去除能力高于空白組，硅藻土的添加增強了UASB系統的運行性能。硅藻土組的運行性能可與其他研究結果進行比較。C.M.Chen等以麥飯石為支撐材料對污泥進行固定化并處理石化廢水，當UASB的COD容積負荷為7.0kg/(m3•d)時，COD去除率為92.7%~93.0%。
為考察系統運行的穩定性，在運行第100天，向進水中投加一定鹽酸將pH降至5.8，低于厭氧微生物的最適pH范圍(6.8~8.5)，觀察反應器的運行效果。從圖1可見，進水pH降低后，2組UASB系統的COD去除率立即大幅降低，導致出水COD上升。硅藻土組和空白組的COD去除率分別下降至(75.6±2.3)%和(65.1±1.7)%，表明低pH對厭氧微生物的代謝活性產生較強抑制，導致系統處理性能明顯下降。此后厭氧微生物逐漸適應低pH環境，對COD的去除率逐漸升高，并達到穩定狀態。最終，硅藻土組經過22d的運行，COD去除率恢復到(88.9±1.6)%左右，略低于pH調整前的(90.8±1.1)%，說明進水pH的沖擊對產甲烷菌群產生一定程度的不可逆的負面影響。空白組的恢復時間較長，經過35d的運行才達到穩定狀態，最終COD去除率穩定在(76.6±3.2)%，較調整pH前的去除率下降了7.2%，系統運行性能恢復程度相對較弱。表明硅藻土組對pH變化的耐受性要高于空白組，這可能與硅藻土較高的表面積和具有活性酸表面位點化學的吸附能力有關。一方面硅藻土的高表面積為微生物提供巨大的代謝場所，能夠提高微生物量。另一方面，硅藻土的高堿度能一定程度上緩沖pH的降低，且其表面的硅羥基結構能增加表面酸強度，從而降低系統酸量。
2.2 啟動過程顆粒污泥的形成
顆粒污泥的形成對UASB系統的有效穩定運行至關重要。與絮狀污泥相比，顆粒污泥具有更好的沉降性，可提高系統耐外界因素(如負荷、pH及有毒元素等)的沖擊能力。通常來講，粒徑逸0.5mm的污泥可被定義為顆粒污泥。考察了2組UASB系統啟動過程的污泥粒徑分布變化情況，如圖2所示。
從圖2可以看出，生污泥中粒徑臆0.5mm的污泥占比為81.7%，顆粒污泥很少，基本呈絮狀污泥形態。隨著系統運行，顆粒化污泥逐漸形成，污泥粒徑逐漸增大，顆粒污泥的比例逐漸升高。運行第30天，空白組和硅藻土組的顆粒污泥比例由生污泥的18.3%分別升至32.5%、54.3%。運行至第60天時，顆粒污泥占比繼續升高，分別提高至53.7%、73.7%，其中粒徑逸1mm的污泥占比分別達10.5%、16.4%。系統啟動成功后(第90天)，空白組和硅藻土組的顆粒污泥占比分別達到57.3%、78.7%，這也是系統在滿負荷運行條件下具有較高去除率的原因。在整個啟動過程中，硅藻土組污泥的粒徑占比均高于空白組的同等粒徑占比，表明硅藻土作為支撐材料可為厭氧微生物提供生長載體，加速顆粒污泥的形成，從而使硅藻土組的COD去除率高于空白組。對啟動成功后反應器的污泥進行取樣并檢測，發現硅藻土組中顆粒污泥的VS質量濃度和SV30分別為(38.3±2.1)g/L、(22.8±0.2)，VS質量濃度高于對照組的(28.3±1.2)g/L，SV30低于對照組的(26.1±0.4)，說明以硅藻土為核心形成的顆粒污泥具有更高的生物量及更好的沉降性能。
2.3 菌群結構分析
厭氧生物處理過程中微生物菌群主要分為兩大類，即產酸菌群和產甲烷菌群。產酸菌群首先將有機物降解為揮發性有機酸和醇類，然后被產甲烷菌群利用產生二氧化碳和甲烷。整個厭氧處理過程在以上兩類菌群的協作下完成。空白組和硅藻土組運行第90、150天時的菌群種類和相對豐富度分析如圖3、圖4所示。
從圖3、圖4可以看出，2組系統的菌群種類基本相同，但各菌群的相對豐度差別較大。經分析，產酸菌群主要包括Gordonia、Synthrophobacteria、Hydrogenophaga、Candidatus、Proteiniphilun、Desulfu鄄romons和Geobacter，產甲烷菌群主要包括Methano鄄massiliicoccus、Methanosaeta、Methanothrix、Methano鄄linea和Methanosarcina。
在空白組，Geobacter為產酸菌群的優勢菌群，其代謝產物主要為乙酸和丁酸，在其他研究中經常被報道。運行第90天，Geobacter菌群的相對豐度為(18.8±1.2)%。Methanomassiliicoccus為產甲烷菌群的優勢菌群，該菌群是中溫厭氧發酵過程常見的菌群之一也9頁，其相對豐度為(30.9±2.6)%。當系統受到低pH沖擊后，Methanomassiliicoccus菌群的相對豐度降為(19.9±1.3)%，這也是系統COD去除率下降的原因。除Methanothrix菌群外，其余產甲烷菌群的相對豐度均有不同程度的降低，表明Methanothrix菌群對pH的變化有一定耐受性。Geobacter菌群的相對豐度升至(28.8±0.8)%，此外Candidatus菌群的相對豐度也升至(10.9±1.1)%，表明產酸菌群適于在較低pH條件下進行代謝活動。
對于硅藻土組，除Geobacter菌群外，Candidatus菌群亦為產酸菌群的優勢菌群，該菌群在代謝過程主要產生丁酸和乙酸也7頁。運行第90天，Geobacter和Candidatus菌群的相對豐度分別為(15.3±1.7)%、(14.9±0.9)%。在產甲烷菌群中，Methanomassiliicoccus菌群的相對豐度最高，為(32.8±2.5)%。當系統受到低pH沖擊后，Methanomassiliicoccus菌群的相對豐度小幅降低，降至(29.7±1.3)%，高于空白組，從另一角度解釋了硅藻土組COD去除率高于空白組的原因。而Geobacter和Candidatus菌群的相對豐度變化不大，均小幅升高，分別為(17.3±0.5)%、(16.9±1.2)%。可見，硅藻土組的菌群比例結構較空白組相對穩定，相對豐度變化幅度小，系統運行性能更加穩定。
三、結論
(1)硅藻土作為支撐材料能夠加快UASB系統顆粒污泥的形成，且能有效提高對中藥廢水的處理效果，COD去除率可達(90.8±1.1)%。pH變化對UASB系統有較大影響，但硅藻土的投加能夠增強UASB系統耐pH沖擊的能力。低pH條件下，COD去除率仍可達到(88.9±1.6)%。
(2)投加硅藻土的UASB系統的菌群比例穩定性高于空白組，且優勢菌群的相對豐度均高于空白組。產酸菌群的優勢菌種為Geobacter和Candidatus，產甲烷菌群的優勢菌種為Methanomassiliicoccus，以上菌群均為厭氧生物處理過程的常見菌群。
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