升流式污泥床反應(yīng)器(UASB)具有容積負荷高、生物量大、操作方便等優(yōu)點。，并在實踐中得到廣泛應(yīng)用。在厭氧運行過程中，顆粒污泥的形成非常重要。污泥能有效改善厭氧處理系統(tǒng)的運行性能，使其適應(yīng)較大的負荷沖擊、溫度和pH值變化。為了加速厭氧顆粒污泥的形成，污泥中常加入活性炭、生物陶粒、納米材料等支撐材料。硅藻土是一種常見的多孔物質(zhì)，比表面積大，化學性質(zhì)穩(wěn)定。它在化工生產(chǎn)中廣泛用作催化劑載體，但在水處理中的應(yīng)用相對較少。

中藥廢水是高濃度有機廢水，污染物含量高，如果處理不當，會對周圍環(huán)境造成不良影響。這類廢水含有高濃度有機物，非常適合厭氧處理。以硅藻土為載體構(gòu)建固定化UASB系統(tǒng)，考察其對中藥廢水的處理效果。

一、實驗方法和材料

1.1實驗廢水

實驗所用廢水收集自哈爾濱某醫(yī)學院污水處理站調(diào)節(jié)池，室溫下儲存?zhèn)溆?。廢水水質(zhì)見表1。

從表1可以看出，廢水中有機物的含量很高，COD和BOD5分別高達(13420±102)和(8322±67)mg/L。而氮、磷營養(yǎng)元素不足，不能滿足厭氧微生物代謝的營養(yǎng)平衡。因此，在進水中加入一定量的氯化銨(NH4Cl)和磷酸二氫鉀(KH2PO4 ),以維持營養(yǎng)物比例(C: N: P)為500: 5: 1。

1.2硅藻土

硅藻土是從哈爾濱一家礦業(yè)公司購買的。硅藻土在110℃的干燥箱中干燥，然后用直徑2mm的不銹鋼篩過篩。最終硅藻土的粒度為0.08～0.15毫米，比表面積為125.2平方米/克，堿度(以CaCO3計)為1570～2232毫克/克/克..

1.3接種污泥

接種污泥取自哈爾濱某污水處理廠脫水間的干污泥(含水率80%左右)，用直徑2mm的不銹鋼篩網(wǎng)對污泥進行篩選，去除大顆粒。預(yù)處理后的污泥直接接種到UASB反應(yīng)器中。污泥的總懸浮固體(TS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)分別為7.4和5.5g/L。

1.4實驗裝置

實驗采用有效容積為20L的UASB反應(yīng)器。反應(yīng)器頂部裝有氣液固三相分離器，防止大量污泥流失。反應(yīng)器外壁纏繞電熱絲，通過電加熱保持溫度在(35±1)℃安裝pH探頭和溫度探頭，實時檢測系統(tǒng)的pH值和溫度。建立了兩組反應(yīng)器。污泥接種后，在一組反應(yīng)器中加入其有效體積15%的硅藻土，另一組不加入硅藻土作為空白組。中藥廢水由可調(diào)速蠕動泵送入反應(yīng)器，設(shè)計水力停留時間(HRT)為36h。反應(yīng)器也是1.3kg/(m3 & # 8226；d)起始頁，通過控制稀釋比逐漸增加COD的容積負荷，直至滿負荷運行[8.9kg/(m3 & # 8226；d)].

1.5分析方法

COD、BOD5、TS、VSS、NH4+-N、TP、pH、堿度和色度通過標準方法測定，也在第3頁。采用濕篩法測定污泥的粒徑。形態(tài)分析采用文獻法，取1mL污泥，12000r/min離心1min，除去上清液，在離心管中加入500μL滅菌去離子水，重懸，離心，洗滌兩次。將離心后的樣品置于DNA提取試劑盒中進行提取，提取后用凝膠電泳檢測DNA提取物。利用16SrRNA基因擴增構(gòu)建樣品DNA文庫和454高通量測序分析，分析微生物群落結(jié)構(gòu)和豐富度。

二。結(jié)果和討論

2.1反應(yīng)器操作性能

反應(yīng)器的COD容積負荷為1.3kg/(m3 & # 8226；d)(對應(yīng)的進水COD為2000mg/L)。當系統(tǒng)中COD的去除率達到80%時，COD的容積負荷將逐步增加2.5、3.8、5.1、6.5和7.9kg/(m3•)。d)，直到滿負荷運行[8.9kg/(m3 & # 8226；d)].兩個UASB反應(yīng)器在整個實驗期間(150天)的操作性能如圖1所示。

從圖1可以看出，每增加一次容積負荷，系統(tǒng)中COD的去除率都有先降低后升高的趨勢，因為厭氧微生物對新的運行條件有一定的適應(yīng)期。啟動90天左右，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，COD去除率趨于穩(wěn)定。此時硅藻土組COD平均去除率為(90.8±1.1)%，出水COD穩(wěn)定在(1289±22)mg/L，空白組COD平均去除率為(82.5±1.9)%，出水COD穩(wěn)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，硅藻土的加入增強了UASB系統(tǒng)的運行性能。硅藻土組的運行性能可與其他研究成果相比較。陳等以麥飯石為載體材料固定化污泥處理石化廢水，當COD容積負荷為7.0kg/(m3 & # 8226；COD的去除率為92.7%~93.0%。

為了考察系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在運行的第100天，向進水中加入一定量的鹽酸，使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(yīng)器的運行效果。從圖1可以看出，進水pH值降低后，兩個UASB系統(tǒng)的COD去除率立即大幅下降，導致出水COD升高。硅藻土組和空白組的COD去除率分別降至(75.6±2.3)%和(65.1±1.7)%，表明低pH對厭氧微生物的代謝活性有強烈的抑制作用，導致系統(tǒng)的處理性能顯著下降。此后，厭氧微生物逐漸適應(yīng)了低pH環(huán)境，COD的去除率逐漸提高并達到穩(wěn)定狀態(tài)。最后，經(jīng)過22天的運行，硅藻土組的COD去除率恢復到(88.9±1.6)%左右，略低于pH調(diào)整前的(90.8±1.1)%，說明進水pH的影響對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生了不可逆的負面影響?？瞻捉M恢復時間較長，術(shù)后35天達到穩(wěn)定狀態(tài)。最終COD去除率穩(wěn)定在(76.6±3.2)%，比pH調(diào)整前下降了7.2%，系統(tǒng)運行性能恢復程度相對較弱。結(jié)果表明，硅藻土組比空白組具有更高的pH變化耐受性，這可能與硅藻土較高的比表面積和活性酸表面位化學的吸附能力有關(guān)。一方面，硅藻土的高表面積為微生物提供了巨大的代謝場所，可以增加微生物生物量。另一方面，硅藻土的高堿度可以在一定程度上緩沖pH的降低，其表面的硅羥基結(jié)構(gòu)可以增加表面酸強度，從而降低體系酸量。

2.2啟動過程中顆粒污泥的形成

污泥的形成對UASB系統(tǒng)的有效穩(wěn)定運行至關(guān)重要。與絮狀污泥相比，顆粒污泥具有更好的沉降性，可以提高系統(tǒng)對外界因素(如負荷、pH、有毒元素)的抗沖擊能力。一般來說，粒徑小于0.5mm的污泥可以定義為顆粒污泥?？疾炝藘山MUASB系統(tǒng)啟動過程中污泥粒徑分布的變化，如圖2所示。

從圖2可以看出，粒徑為0.5mm的原料污泥比例為81.7%，顆粒污泥很少，基本以絮狀污泥的形式存在。隨著系統(tǒng)的運行，顆粒污泥逐漸形成，污泥的粒徑逐漸增大，顆粒污泥的比例逐漸增加。在運行的第30天，空白組和硅藻土組的顆粒污泥比例分別從原料污泥的18.3%增加到32.5%和54.3%。到運行第60天，顆粒污泥比例繼續(xù)增加，分別達到53.7%和73.7%，其中粒徑小于1mm的污泥比例分別達到10.5%和16.4%。系統(tǒng)成功啟動后(第90天)，空白組和硅藻土組的顆粒污泥比例分別達到57.3%和78.7%，這是系統(tǒng)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，硅藻土組的污泥粒徑比例高于空白組，說明硅藻土作為支撐材料可以為厭氧微生物提供生長載體，加速顆粒污泥的形成，使硅藻土組的COD去除率高于空白組。成功啟動后，對反應(yīng)器的污泥進行取樣和檢測。硅藻土組顆粒污泥的VS質(zhì)量濃度和SV30分別為(38.3±2.1)g/L和(22.8±0.2)。VS質(zhì)量濃度高于對照組(28.3±1.2)g/L，SV30低于對照組(26.1±0.4)，表明

2.3植物區(qū)系結(jié)構(gòu)分析

厭氧生物處理過程中，微生物菌群可分為產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群兩大類。產(chǎn)酸菌首先將有機物降解為揮發(fā)性有機酸和醇類，然后被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。整個厭氧處理過程是在上述兩類菌群的配合下完成的?？瞻捉M和硅藻土組在運行第90天和第150天時的菌群種類和相對豐富度分析見圖3和圖4。

從圖3和圖4可以看出，兩組系統(tǒng)的菌群種類基本相同，但各菌群的相對豐度差異較大。根據(jù)分析，產(chǎn)酸細菌主要包括戈登氏菌、同熱細菌、食氫菌、白假絲酵母、嗜蛋白菌、脫硫菌和地桿菌，產(chǎn)甲烷菌主要包括巴西甲烷球菌、甲烷氧化菌、甲烷絲菌、線形甲烷球菌和甲烷八疊球菌。

在空白組中，土芽孢桿菌為優(yōu)勢產(chǎn)酸菌，其代謝產(chǎn)物主要為乙酸和丁酸，這也是其他研究中經(jīng)常報道的。手術(shù)第90天，地桿菌屬的相對豐度為(18.8±1.2)%。甲烷球菌是優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌群，是中溫厭氧發(fā)酵中常見的菌群之一，相對豐度為(30.9±2.6)%。當系統(tǒng)受到低pH值的影響時，甲烷球菌的相對豐度下降到(19.9±1.3)%，這也是COD去除率下降的原因。除甲烷絲菌外，其他產(chǎn)甲烷菌的相對豐度均有不同程度的下降，表明甲烷絲菌對pH的變化具有耐受性，芽孢桿菌的相對豐度增加到(28.8±0.8)%，念珠菌的相對豐度增加到(10.9±1.1)%，表明產(chǎn)酸菌適合在低pH下進行代謝活動。

對于硅藻土類群，除了地桿菌外，假絲酵母也是優(yōu)勢產(chǎn)酸類群，在代謝過程中主要產(chǎn)生丁酸和乙酸。手術(shù)第9 0天，土桿菌和白桿菌的相對豐度分別為(15.3±1.7)%和(14.9±0.9)%。在產(chǎn)甲烷菌中，硅甲烷球菌菌群的相對豐度為(32.8±2.5)%。當系統(tǒng)受到低pH值的影響時，甲烷球菌的相對豐度略有下降，為(29.7±1.3)%，高于空白組，從另一個角度解釋了硅藻土組COD去除率高于空白組的原因。而地桿菌和白桿菌的相對豐度變化不大，均略有增加，分別為(17.3±0.5)%和(16.9±1.2)%。可以看出，硅藻土組與空白組相比，比例結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，相對豐度變化范圍小，系統(tǒng)運行性能更加穩(wěn)定。

三。結(jié)論

(1)硅藻土作為支撐材料可以加速UASB系統(tǒng)中顆粒污泥的形成，有效提高中藥廢水的處理效果，COD去除率可達(90.8±1.1)%。pH的變化對UASB體系影響很大，但硅藻土的加入可以增強UASB體系抵抗pH沖擊的能力。在低pH值下，COD去除率仍可達到(88.9±1.6)%。

(2)添加硅藻土的UASB系統(tǒng)的比例穩(wěn)定性高于空白組，優(yōu)勢菌的相對豐度高于空白組。產(chǎn)酸菌的優(yōu)勢菌株為地芽孢桿菌和念珠菌，產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢菌株為甲烷球菌，均為厭氧生物處理中常見的菌種。(來源:黑龍江建筑學院市政與環(huán)境工程系)

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