CaSO4为微溶性无机物，可作为微生物载体，为微生物提供附着，促进微生物的聚集。同时，释放的Ca2+可作为微生物生长的无机盐，有助于微生物活性的提高，强化反应器的运行性能〔6〕。本研究在接种污泥中添加Ca2+和SO42-，形成难溶性CaSO4，并通过阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）促进CaSO4和絮状污泥黏附，强化微生物在CaSO4表面聚集，加快污泥颗粒化进程。实验以含酚废水为研究对象，考察预处理污泥对污泥颗粒化、运行性能和微生物群落的影响。
1 实验材料与方法
1.1 实验装置及运行方式
实验采用两套中温UASB反应器，控制温度在（37±2）℃，反应器的高度和内径分别为1 000 mm和80 mm，有效容积4.5 L。其中R1为对照组（接种污泥未经预处理），R2为实验组，采用CaSO4和CPAM预处理污泥作为接种污泥。两个反应器的运行周期为238 d，运行前期（第1天—第149天）投加乙酸钠，提高微生物活性。第150天后反应器以含酚废水为唯一碳源培养，第168天后反应器进入稳定运行期，停留时间（HRT）和容积负荷（OLR）分别为23.5 h和2.89 kgCOD/（m3·d）。运行226 d后将进水pH调整至6.0，考察两个反应器的耐酸冲击能力。
1.2 接种污泥和含酚废水
接种污泥为絮状污泥，取自锦西石化污水处理厂水解酸化池。污泥VSS/TSS和SVI分别为71.73%、78.03 mL/g。反应器R2接种污泥预处理方法如下：MgSO4（0.44 g/gTSS）和CPAM（0.02 g/gTSS）加入到絮状污泥中，200 r/min搅拌5 min，随后加入CaCl2（0.40 g/gTSS），100 r/min搅拌12 h，得到硫酸钙污泥絮凝物。
图1
1.3 测量参数及分析方法
化学需氧量（COD）、可挥发性固体（VSS）、总悬浮固体（TSS）、总酚和产甲烷活性（SMA）采用标准方法测量〔8〕。沼气采用5 L集气袋收集，甲烷含量采用气相色谱仪（温岭GC7806）测量，检测器、注箱、进样温度分别为150、80、100 ℃。污泥胞外聚合物（EPS）提取采用水热法，蛋白质（PN）和多糖（PS）采用苯酚-硫酸法和考马斯亮蓝法测定〔9〕。污泥粒径采用湿筛法测量〔9〕。污泥相对疏水性参照文献〔10〕方法进行测量。颗粒污泥形态采用扫描电镜（S-3000N SEM，日本日立）测量。污泥微生物群落采用高通量测序方法测量。DNA采用PowerMax® Soil DNAIsolation Kit试剂盒提取。PCR扩增选用引物为515F（5’-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3’）和806R（5’- GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3’）。PCR扩增、混样、建库方法参照文献〔11〕中的方法。微生物注释及多样性指数采用美吉云平台（www.i-sanger.com）分析。
2 结果与讨论
2.1 污泥预处理对污泥颗粒化的影响
不同运行阶段，R1和R2反应器内颗粒污泥的粒径分布如图2所示。
图2
通常颗粒污泥的粒径范围在0.14~5.0 mm〔12〕，本研究颗粒污泥的最小尺寸设为0.25 mm。从图2可知，R2反应器颗粒化程度明显优于R1。运行90 d，R1反应器颗粒污泥所占质量分数为49.68%，污泥粒径主要以0.25~0.45 mm为主。同样以含酚废水为处理对象，Y. J. Chang等〔13〕以逐步提高酚浓度和缩短停留时间方式培养颗粒污泥，培养10个月，颗粒污泥的粒径范围为0.67~0.77 mm。这表明以含酚废水培养的颗粒污泥粒径较小，且污泥颗粒化进程是相当缓慢的。通过CaSO4和CPAM预处理，R2反应器仅需3个月便可实现污泥颗粒化，颗粒污泥的质量分数达到89.98%，且在反应器底部出现了粒径大于0.9 mm的颗粒污泥，质量分数可达34.69%。这表明CaSO4可作为颗粒污泥的初始“晶核”，实现颗粒污泥的快速形成。反应器进入稳定期（226 d）后，R1和R2颗粒污泥的质量分数有所降低，R1和R2反应器颗粒污泥的质量分数分别为63.51%和86.01%。值得注意的是，R2粒径大于0.9 mm的颗粒污泥占34.12%，高于R1的9.32%。以上结果表明污泥预处理促进大颗粒污泥的生长。
表1总结了不同反应器成熟的颗粒污泥的特性。
表1 不同反应器颗粒污泥的特性
| 参数 | R1 | R2 |
| SVI/（mL·g-1） | 48.54 | 35.27 |
| VSS/TSS | 0.84 | 0.80 |
| 相对疏水性/% | 0.55 | 0.77 |
| EPS/（mg·g-1VSS） | 24.07 | 23.80 |
| PS | 6.26 | 11.42 |
| PN | 17.81 | 12.38 |
| PN/PS | 0.74 | 0.52 |
| SMA/（gCOD·g-1VSS·d-1） | 0.189 | 0.199 |
R2颗粒污泥产甲烷活性均高于R1，这表明种泥预处理不仅可加快污泥颗粒化进程，同时影响微生物的群落结构，提高产甲烷菌的活性。同时，CaSO4的添加导致颗粒污泥的无机成分的比重增加，颗粒污泥的密度增大，强化了颗粒污泥的沉降性能。两个反应器的EPS含量基本相同，但R2颗粒污泥的PS明显高于R1。PS的增加提高了颗粒污泥的机械强度〔9〕。
2.2 UASB运行性能的比较
图3反映了不同反应器COD去除率和总酚去除率的变化情况。
图3
接种后（第1天），R1和R2反应器的COD去除率基本相同，分别为83.78%和84.49%，这表明污泥预处理方式不影响微生物活性。第149天前，进水投加乙酸钠提高废水的可生化性。一般认为进水总酚大于500 mg/L，将对生物产生明显的抑制〔3〕。运行89 d，进水总酚调整为580 mg/L，在随后的3 d内，两个反应器的总酚去除率基本维持在93%左右，而R1的COD去除率从86.77%降至66.41%，R2的COD去除率从88.61%降至73.59%，这表明酚浓度冲击对酚类降解菌的影响较小，而对产甲烷菌的毒害作用较大，同时污泥预处理加速污泥颗粒化，微生物耐毒性提高，有助于反应器的稳定运行〔14〕。运行至第150天，进水以含酚废水为唯一碳源，两个反应器COD和总酚的去除率均有所降低。H. H. P. Fang等〔15〕指出在对甲酚和苯酚质量浓度为400 mg/L和1 200~1 500 mg/L，HRT为24 h条件下，UASB可实现75%~80%的COD去除。本研究含酚废水的组成更为复杂，不仅含有苯酚和对甲酚，还含有更难生物降解的邻甲酚和间甲酚〔3〕。经过168 d的驯化后，反应器进入稳定期，此时HRT为23.5 h，OLR约为2.80 kgCOD/（m3·d）），R1和R2平均总酚去除率分别为90.25%和91.47%，平均COD去除率为75.30%和78.86%。第226天，进水pH调整至6.0，两个反应器的COD去除率显著降低。R1 COD去除率恢复至80%需要13 d，而R2只需10 d。结果表明，种泥预处理可提高UASB的去除效果和耐冲击能力。
图4反映了不同反应器产甲烷量的变化情况。运行初期（前34 d），两个反应器进水为乙酸钠（320- 1 281 mg/L）和低浓度酚（40~200 mg/L）。酚类化合物的微生物抑制性和低的微生物活性导致运行初期两个反应器的产甲烷量较低。R2的平均产甲烷量和甲烷转化率为682.61 mL/d和0.117 mL/gCOD，显著高于R1的42.62 mL/d和0.008 mL/gCOD。这表明污泥预处理形成的CaSO4污泥絮凝体有助于降低酚类有毒物质对产甲烷菌的冲击，提高了污染物的转化和甲烷的生成。随着运行周期的延长，产甲烷菌在反应器富集，R1和R2的产甲烷量差异变小。进入稳定运行期，OLR约为2.80 kgCOD/（m3·d），R1和R2的平均产气量分别为1690.54 L/d和1 988.72 L/d，对应的甲烷转化率分别为0.15 mL/gCOD和0.18 mL/gCOD，此结果与颗粒污泥产甲烷活性一致。
图4
2.3 微生物群落结构分析
表2 不同污泥样本的Alpha多样性指数
| 污泥样品 | Shannon | Simpson | ACE | 测序深度 |
| R1 | 3.57 | 0.069 | 385.92 | 0.999 0 |
| R2 | 3.88 | 0.045 | 401.29 | 0.999 2 |
比较了不同反应器中的生物群落见图5。
图5
图5（a）为门分类水平下微生物群落结构。两个反应器微生物以Proteobacteria、Firmicutes、Euryarchaeota、Bacteroidetes和Chloroflexi五个门为主，R1和R2总占比可达79.40%和76.19%。然而，各个门的相对丰度存在差异。Euryarchaeota门主要以产甲烷菌为主，这类微生物可加快污泥颗粒化进程和短链脂肪酸的生物转化〔7〕。Euryarchaeota在R1和R2的相对丰度基本相同，分别为14.81%和13.10%。Proteobacteria、Firmicutes和Chloroflexi可降解酚类化合物，广泛存在于处理含酚废水的生物反应器〔17〕。R2反应器中3类微生物的总占比为56.9%，高于R1的51.46%。
图5（b）为属分类水平下微生物群落结构。Syntrophorhabdus、Methanosaeta、Blvii28_wastewater-sludge_group、Syntrophus、Cryptanaerobacter是两个反应器的优势菌属。而Syntrophorhabdus、Cryptanaerobacter、Syntrophus、Pelotomaculum和Pseudomonas为主要的苯酚/甲酚降解菌。Syntrophorhabdus和Cryptanaerobacter可将苯酚转化为苯甲酸，在氢营养型产甲烷菌的作用下进一步转化成乙酸和氢气〔18〕。Syntrophus和Pelotomaculum为异养苯甲酸降解菌，而Pseudomonas是一种革兰性阴性菌，隶属于Proteobacteria门，可同时降解苯酚和对甲酚〔19-20〕。R2反应器内5种菌属的总占比为30.9%，略高于R1的29.7%。这表明采用CaSO4和CPAM预处理污泥有助于酚类降解菌的富集，提高了反应器的运行性能。Caldisericum在R2反应器具有更高相对丰度，这类水解酸化菌的富集可加速难降解污染物的水解与转化〔7〕。CaSO4微溶于水，增加了水中Ca2+和SO42-浓度，刺激了硫还原菌Desulfovibrio的生长，加快短链脂肪酸的生成，提高反应器的甲烷转化率〔21〕。
3 结论
采用CaSO4和CPAM对接种污泥预处理可有效加速污泥颗粒化，运行90 d，反应器颗粒污泥质量分数为89.98%，明显高于对照组的49.68%，且所形成的颗粒污泥具有粒径大，沉降性佳和产甲烷活性高的特点。同时，污泥预处理促进污泥颗粒化，强化了UASB处理含酚废水的性能。反应器稳定运行，在HRT为23.5 h，OLR约为2.80 kgCOD/（m3·d）条件下，接种预处理污泥反应器的COD和总酚去除率达78.86%和91.47%，高于对照组的75.30%和90.25%。Syntro-phorhabdus、Cryptanaerobacter、Syntrophus、Pelotomaculum和Pseudomonas为UASB主要的酚类化合物降解菌。污泥预处理促进了酚类降解菌的富集，促进了酚类化合物的降解。
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