厌氧颗粒污泥反应器处理中药废水

升流式污泥床反应器(UASB)具有容积负荷高、生物量大、操作方便等优点。，并在实践中得到广泛应用。在厌氧运行过程中，颗粒污泥的形成非常重要。污泥能有效改善厌氧处理系统的运行性能，使其适应较大的负荷冲击、温度和pH值变化。为了加速厌氧颗粒污泥的形成，污泥中常加入活性炭、生物陶粒、纳米材料等支撑材料。硅藻土是一种常见的多孔物质，比表面积大，化学性质稳定。它在化工生产中广泛用作催化剂载体，但在水处理中的应用相对较少。

中药废水是高浓度有机废水，污染物含量高，如果处理不当，会对周围环境造成不良影响。这类废水含有高浓度有机物，非常适合厌氧处理。以硅藻土为载体构建固定化UASB系统，考察其对中药废水的处理效果。

一、实验方法和材料

1.1实验废水

实验所用废水收集自哈尔滨某医学院污水处理站调节池，室温下储存备用。废水水质见表1。

从表1可以看出，废水中有机物的含量很高，COD和BOD5分别高达(13420±102)和(8322±67)mg/L。而氮、磷营养元素不足，不能满足厌氧微生物代谢的营养平衡。因此，在进水中加入一定量的氯化铵(NH4Cl)和磷酸二氢钾(KH2PO4 ),以维持营养物比例(C: N: P)为500: 5: 1。

1.2硅藻土

硅藻土是从哈尔滨一家矿业公司购买的。硅藻土在110℃的干燥箱中干燥，然后用直径2mm的不锈钢筛过筛。最终硅藻土的粒度为0.08～0.15毫米，比表面积为125.2平方米/克，碱度(以CaCO3计)为1570～2232毫克/克/克..

1.3接种污泥

接种污泥取自哈尔滨某污水处理厂脱水间的干污泥(含水率80%左右)，用直径2mm的不锈钢筛网对污泥进行筛选，去除大颗粒。预处理后的污泥直接接种到UASB反应器中。污泥的总悬浮固体(TS)和挥发性悬浮固体(VSS)分别为7.4和5.5g/L。

1.4实验装置

实验采用有效容积为20L的UASB反应器。反应器顶部装有气液固三相分离器，防止大量污泥流失。反应器外壁缠绕电热丝，通过电加热保持温度在(35±1)℃安装pH探头和温度探头，实时检测系统的pH值和温度。建立了两组反应器。污泥接种后，在一组反应器中加入其有效体积15%的硅藻土，另一组不加入硅藻土作为空白组。中药废水由可调速蠕动泵送入反应器，设计水力停留时间(HRT)为36h。反应器也是1.3kg/(m3 & # 8226；d)起始页，通过控制稀释比逐渐增加COD的容积负荷，直至满负荷运行[8.9kg/(m3 & # 8226；d)].

1.5分析方法

COD、BOD5、TS、VSS、NH4+-N、TP、pH、碱度和色度通过标准方法测定，也在第3页。采用湿筛法测定污泥的粒径。形态分析采用文献法，取1mL污泥，12000r/min离心1min，除去上清液，在离心管中加入500μL灭菌去离子水，重悬，离心，洗涤两次。将离心后的样品置于DNA提取试剂盒中进行提取，提取后用凝胶电泳检测DNA提取物。利用16SrRNA基因扩增构建样品DNA文库和454高通量测序分析，分析微生物群落结构和丰富度。

二。结果和讨论

2.1反应器操作性能

反应器的COD容积负荷为1.3kg/(m3 & # 8226；d)(对应的进水COD为2000mg/L)。当系统中COD的去除率达到80%时，COD的容积负荷将逐步增加2.5、3.8、5.1、6.5和7.9kg/(m3•)。d)，直到满负荷运行[8.9kg/(m3 & # 8226；d)].两个UASB反应器在整个实验期间(150天)的操作性能如图1所示。

从图1可以看出，每增加一次容积负荷，系统中COD的去除率都有先降低后升高的趋势，因为厌氧微生物对新的运行条件有一定的适应期。启动90天左右，系统达到稳定状态，COD去除率趋于稳定。此时硅藻土组COD平均去除率为(90.8±1.1)%，出水COD稳定在(1289±22)mg/L，空白组COD平均去除率为(82.5±1.9)%，出水COD稳定在(2354±18)mg/L，可见硅藻土组对有机物的去除能力高于空白组，硅藻土的加入增强了UASB系统的运行性能。硅藻土组的运行性能可与其他研究成果相比较。陈等以麦饭石为载体材料固定化污泥处理石化废水，当COD容积负荷为7.0kg/(m3 & # 8226；COD的去除率为92.7%~93.0%。

为了考察系统的稳定性，在运行的第100天，向进水中加入一定量的盐酸，使pH降至5.8，低于厌氧微生物的最适pH范围(6.8~8.5)，观察反应器的运行效果。从图1可以看出，进水pH值降低后，两个UASB系统的COD去除率立即大幅下降，导致出水COD升高。硅藻土组和空白组的COD去除率分别降至(75.6±2.3)%和(65.1±1.7)%，表明低pH对厌氧微生物的代谢活性有强烈的抑制作用，导致系统的处理性能显著下降。此后，厌氧微生物逐渐适应了低pH环境，COD的去除率逐渐提高并达到稳定状态。最后，经过22天的运行，硅藻土组的COD去除率恢复到(88.9±1.6)%左右，略低于pH调整前的(90.8±1.1)%，说明进水pH的影响对产甲烷菌产生了不可逆的负面影响。空白组恢复时间较长，术后35天达到稳定状态。最终COD去除率稳定在(76.6±3.2)%，比pH调整前下降了7.2%，系统运行性能恢复程度相对较弱。结果表明，硅藻土组比空白组具有更高的pH变化耐受性，这可能与硅藻土较高的比表面积和活性酸表面位化学的吸附能力有关。一方面，硅藻土的高表面积为微生物提供了巨大的代谢场所，可以增加微生物生物量。另一方面，硅藻土的高碱度可以在一定程度上缓冲pH的降低，其表面的硅羟基结构可以增加表面酸强度，从而降低体系酸量。

2.2启动过程中颗粒污泥的形成

污泥的形成对UASB系统的有效稳定运行至关重要。与絮状污泥相比，颗粒污泥具有更好的沉降性，可以提高系统对外界因素(如负荷、pH、有毒元素)的抗冲击能力。一般来说，粒径小于0.5mm的污泥可以定义为颗粒污泥。考察了两组UASB系统启动过程中污泥粒径分布的变化，如图2所示。

从图2可以看出，粒径为0.5mm的原料污泥比例为81.7%，颗粒污泥很少，基本以絮状污泥的形式存在。随着系统的运行，颗粒污泥逐渐形成，污泥的粒径逐渐增大，颗粒污泥的比例逐渐增加。在运行的第30天，空白组和硅藻土组的颗粒污泥比例分别从原料污泥的18.3%增加到32.5%和54.3%。到运行第60天，颗粒污泥比例继续增加，分别达到53.7%和73.7%，其中粒径小于1mm的污泥比例分别达到10.5%和16.4%。系统成功启动后(第90天)，空白组和硅藻土组的颗粒污泥比例分别达到57.3%和78.7%，这是系统在满负荷运行条件下具有较高去除率的原因。在整个启动过程中，硅藻土组的污泥粒径比例高于空白组，说明硅藻土作为支撑材料可以为厌氧微生物提供生长载体，加速颗粒污泥的形成，使硅藻土组的COD去除率高于空白组。成功启动后，对反应器的污泥进行取样和检测。硅藻土组颗粒污泥的VS质量浓度和SV30分别为(38.3±2.1)g/L和(22.8±0.2)。VS质量浓度高于对照组(28.3±1.2)g/L，SV30低于对照组(26.1±0.4)，表明

2.3植物区系结构分析

厌氧生物处理过程中，微生物菌群可分为产酸菌群和产甲烷菌群两大类。产酸菌首先将有机物降解为挥发性有机酸和醇类，然后被产甲烷菌利用产生二氧化碳和甲烷。整个厌氧处理过程是在上述两类菌群的配合下完成的。空白组和硅藻土组在运行第90天和第150天时的菌群种类和相对丰富度分析见图3和图4。

从图3和图4可以看出，两组系统的菌群种类基本相同，但各菌群的相对丰度差异较大。根据分析，产酸细菌主要包括戈登氏菌、同热细菌、食氢菌、白假丝酵母、嗜蛋白菌、脱硫菌和地杆菌，产甲烷菌主要包括巴西甲烷球菌、甲烷氧化菌、甲烷丝菌、线形甲烷球菌和甲烷八叠球菌。

在空白组中，土芽孢杆菌为优势产酸菌，其代谢产物主要为乙酸和丁酸，这也是其他研究中经常报道的。手术第90天，地杆菌属的相对丰度为(18.8±1.2)%。甲烷球菌是优势产甲烷菌群，是中温厌氧发酵中常见的菌群之一，相对丰度为(30.9±2.6)%。当系统受到低pH值的影响时，甲烷球菌的相对丰度下降到(19.9±1.3)%，这也是COD去除率下降的原因。除甲烷丝菌外，其他产甲烷菌的相对丰度均有不同程度的下降，表明甲烷丝菌对pH的变化具有耐受性，芽孢杆菌的相对丰度增加到(28.8±0.8)%，念珠菌的相对丰度增加到(10.9±1.1)%，表明产酸菌适合在低pH下进行代谢活动。

对于硅藻土类群，除了地杆菌外，假丝酵母也是优势产酸类群，在代谢过程中主要产生丁酸和乙酸。手术第9 0天，土杆菌和白杆菌的相对丰度分别为(15.3±1.7)%和(14.9±0.9)%。在产甲烷菌中，硅甲烷球菌菌群的相对丰度为(32.8±2.5)%。当系统受到低pH值的影响时，甲烷球菌的相对丰度略有下降，为(29.7±1.3)%，高于空白组，从另一个角度解释了硅藻土组COD去除率高于空白组的原因。而地杆菌和白杆菌的相对丰度变化不大，均略有增加，分别为(17.3±0.5)%和(16.9±1.2)%。可以看出，硅藻土组与空白组相比，比例结构相对稳定，相对丰度变化范围小，系统运行性能更加稳定。

三。结论

(1)硅藻土作为支撑材料可以加速UASB系统中颗粒污泥的形成，有效提高中药废水的处理效果，COD去除率可达(90.8±1.1)%。pH的变化对UASB体系影响很大，但硅藻土的加入可以增强UASB体系抵抗pH冲击的能力。在低pH值下，COD去除率仍可达到(88.9±1.6)%。

(2)添加硅藻土的UASB系统的比例稳定性高于空白组，优势菌的相对丰度高于空白组。产酸菌的优势菌株为地芽孢杆菌和念珠菌，产甲烷菌的优势菌株为甲烷球菌，均为厌氧生物处理中常见的菌种。(来源:黑龙江建筑学院市政与环境工程系)

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