中药废水是一种高浓度有机废水，若处理不当排放到水体中，将会对周围水环境及居民生活产生极大的负面影响。针对高浓度有机废水，通常采用厌氧消化技术进行处理^〔1〕。作为应用最广泛的高效厌氧处理技术，上流式厌氧污泥床（UASB）具有容积负荷高、生物量大、运行方便等优点^〔2〕。在UASB运行过程中，内部厌氧颗粒污泥的驯化培养是至关重要的，颗粒污泥沉降性好、代谢效率高，能适应较大幅度的负荷冲击、温度和pH变化，可有效提高厌氧处理系统的运行性能^〔3〕。目前，为加速厌氧颗粒污泥的形成，活性炭、硅藻土、生物陶粒等支撑材料均已应用于UASB系统进行微生物固定化^〔4-5〕，并取得较好的处理效果。

生物炭是一种碳含量很高的物质，其可由农作物秸秆、动物粪便、生活垃圾、污泥等有机废弃物高温热解制成。与活性炭结构相似，生物炭具有致密的多孔结构，能为微生物提供很大的生长场所，其还有较强的吸附性能，在水源净化、重金属吸附及土壤修复中已有众多的应用^〔6〕。但到目前为止，生物炭在UASB系统中驯化颗粒污泥来处理高浓度有机废水的研究却很少。本研究旨在以牛粪生物炭作为支撑材料构建固定化UASB系统，考察其对中药废水的处理性能。

实验用中药废水取自哈尔滨市某医药学院中药废水处理系统收集池。废水收集后室温下贮存待用。其COD（14 337.5±98.6）mg/L、BOD₅（6 789.8±102.3）mg/L、SS（456.2±12.3）mg/L、NH₄⁺-N（15.7±3.2）mg/L、TP（4.7±0.8）mg/L、碱度（1 850±25.3）mg/L、pH 6.7±0.2、色度（1 670±23）倍。可以看出，该中药废水中含有高浓度的有机物，但氮、磷营养元素不足，进水通过投加一定量的氯化铵（NH₄Cl）和磷酸二氢钾（KH₂PO₄）来维持营养比（C:N:P）为500:5:1，以满足厌氧微生物的增殖代谢基本需求。

接种污泥取自哈尔滨市文昌污水处理厂脱水机房干污泥（含水率80%左右），污泥收集后用孔径1.7~2.0 mm的不锈钢筛网筛分，去除粒径≥2 mm的颗粒后，直接接种至UASB反应器。接种时的TS、VSS分别为7.8、5.5 g/L。

生物炭制备原材料采用牛粪，牛粪从黑龙江省某奶牛养殖场收集，收集后的牛粪先用孔径1.7~2.0 mm的不锈钢筛网筛分，去除大颗粒物质。然后放置在坩埚中用马弗炉以700 ℃高温热解4 h，温升速率为200 ℃/h，热解后的牛粪自然冷却至室温并进行研磨均质。制备的牛粪生物炭特性如下：比表面积112.6 m²/g，粒径0.5~1.0 mm，灰分2%。

实验装置采用两组玻璃钢材质的UASB反应器，反应器总容积为20 L。顶部安装气-液-固三相分离器，以防止污泥的大量流失。反应器外壁缠绕电热丝采用电加热的方式维持温度在（35±1）℃左右。反应器安装pH探头和温度探头以实时检测系统pH和温度。污泥接种后，一组反应器投加其有效容积15%的生物炭，另一组未投加生物炭作为空白对照组。中药废水由蠕动泵输送至反应器，进水流速可由蠕动泵进行调节。

反应器在低容积负荷1.0 kgCOD/（m³·d）条件下启动后，通过降低水力停留时间（HRT）的方式逐步提高容积负荷至满负荷5.0 kgCOD/（m³·d）运行。

COD、BOD₅、SS、VSS、NH₄⁺-N、TP、pH、碱度和色度采用国家标准方法^〔7〕进行分析。污泥粒径采用湿式筛分法进行测定，菌群种类分析采用文献〔8〕中的方法。

图1为两组UASB系统启动过程中COD去除变化情况。

从图1可以看出，生物炭固定化UASB系统的启动周期为64 d，而对照组的启动周期为95 d，投加生物炭后，UASB系统启动周期缩短了32.6%，这表明生物炭的添加能够加速厌氧微生物的增殖和驯化，从而促进UASB系统的运行稳定化。当固定化UASB系统容积负荷为1.0 kgCOD/（m³·d）时，系统运行25 d达到稳定状态（COD去除率偏差在5%内），此时系统COD去除率相对较低，为60.1%±1.2%。系统于第26天提高容积负荷至3.0 kgCOD/（m³·d），这时COD去除率会呈现短暂的下降，这是因为厌氧微生物对新的容积负荷条件需要有一定的适应。当微生物适应新环境后，COD呈稳定上升趋势，系统运行至第49天时达到稳定状态，系统COD去除率为74.9%±1.3%。此时进一步提高系统容积负荷至满负荷状态，在稳定状态下，COD去除率升高至91.3%±1.9%。而对于对照组，每一阶段的运行需要比固定化UASB系统更长的时间来达到稳定状态，且同等负荷下的COD去除率均低于固定化UASB系统。启动成功后的对照组的COD去除率为79.5%±1.5%，比固定化UASB系统低16.3%。这表明，生物炭固定化污泥系统具有更高的有机物去除效果，这主要因为生物炭的多孔结构能够为厌氧微生物提供较大的生长场所，从而提高污泥生物量。另外，生物炭可加快菌群之间的种间电子传递速率，促进微生物的协同作用及代谢活性。本研究结果可与其他文献报道的结果进行比较，C. M. Chen等^〔4〕曾以硅藻土为污泥固定材料建立UASB系统处理石化废水，在容积负荷7.0 kgCOD/（m³·d）下得到COD去除率为92.7%~93.0%，并高于对照组的88.4%。H. A. Gasim等^〔9〕构建活性炭固定化UASB系统处理高盐含酚废水，当系统运行容积负荷≤5.0 kgCOD/（m³·d）时，系统COD去除率可保持在90%以上。何传秋等^〔10〕建立活性炭固定化UASB系统处理高浓度啤酒废水，在系统运行容积负荷7.0 kgCOD/（m³·d）的运行条件下，可实现最大COD去除率为92.2%。

在UASB系统中，颗粒污泥的形成能够有效提高系统的运行性能，颗粒污泥具有良好的沉降性，从而可减少污泥流失并延长污泥停留时间（SRT）。颗粒污泥系统具有较强的抗负荷冲击能力及减轻有毒物质对厌氧微生物的抑制效应。图2为两组UASB系统启动过程中污泥粒径分布情况。

通常，粒径≥0.5 mm的污泥定义为颗粒污泥。从图2可以看出，不同粒径范围内的污泥比例随运行时间变化较大。生污泥中大部分粒径在0.1 mm以下，占比约87.7%±2.6%，而粒径≥0.5 mm的污泥占比仅1.2%±0.2%，基本无颗粒污泥存在。随着运行时间的推进，UASB系统中颗粒污泥的比例逐渐增多。在固定化UASB系统中，颗粒污泥占比由启动时的1.2%±0.2%大幅度提高到75.3%±1.8%（第64天），其中以0.5~0.7 mm范围内的粒径占比最多（38.2%±1.1%），一旦系统启动成功后，颗粒污泥性质稳定，粒径分布基本无变化（第65天—第95天）。而对照组启动成功后的颗粒污泥占比为55.9%±2.2%（第95天），明显低于固定化UASB系统，且同粒径范围内的颗粒污泥占比均低于固定化UASB系统。这表明，生物炭作为支撑材料能够加速颗粒污泥的形成，这与图1中的系统COD去除率的变化表现相对应。经检测，固定化UASB系统中颗粒污泥的TS为（32.6±1.2）g/L，高于对照组的（26.7±0.9）g/L，另外固定化UASB系统中颗粒污泥的SV₃₀为24.0±0.1，低于对照组的28.8±0.2，说明生物炭固定化颗粒污泥具有更高的生物量及更好的沉降性能。

系统启动成功后，固定化UASB系统和对照组的pH分别稳定在7.12和7.01左右，在厌氧产甲烷菌群的最适pH范围内（6.5~8.5）。为考察UASB系统对进水pH变化的耐受性，在进水中投加一定量的31%的盐酸溶液调节pH至5.6，低于产甲烷菌群的最低pH要求。图3显示了两组UASB系统在低pH下的COD去除变化情况。

从图3可以看出，一旦进水pH降低至5.6，两组UASB系统的COD去除率立即大幅度降低，固定化UASB系统和对照组的COD去除率分别降低至70.7%±2.2%和59.8%±1.7%，出水COD分别升高至（4171.4±55）mg/L和（5 768.8±78）mg/L，这表明pH的降低对厌氧微生物的代谢活性产生了较强的抑制作用，导致系统处理性能的明显下降。随着系统的运行，厌氧微生物逐渐适应低pH环境，在稳定运行阶段，COD去除率均有所回升。固定化UASB系统经过26 d的恢复期达到稳定状态，系统COD去除率上升至86.1%±2.1%，低于pH调整前的91.3%±1.9%。而对照组需要更长的恢复期，为40 d，且COD去除率上升幅度较小，为64.1%±1.1%，较pH调整前的COD去除率（79.5%±1.3%）降低了14.4%。这表明，添加生物炭后，系统对pH变化的耐受性强于未投加生物炭的系统。但值得注意的是两组系统均能未恢复到pH调整前的运行性能，说明pH的大幅度变化会对厌氧产甲烷菌群产生不同程度的不可逆的影响，因此，维持系统适宜的pH是保证厌氧系统稳定运行的重要因素。

图4为两组UASB系统在满负荷运行条件下的菌群分布分析。在废水厌氧生物处理过程中，有机物首先经变产酸菌群通过水解和酸化作用转化为挥发性有机酸（VFAs）和醇类，此过程有机物去除率较低。然后VFAs和醇类由产甲烷菌群进一步转化为甲烷和二氧化碳，大部分有机物在此过程中被去除，因此，厌氧生物处理是由不同功能的菌群共同协作完成。

从图4可以看出，尽管两组系统中同类菌群比例有差异，但菌群的多样性并无差别。系统消化液中发现的主要菌群包括E. harbinense、P. cyclohexani-cum、S. inulinus、C. beijerinckii、M. Sporanaerobacter、M. Prevotella、M. Mesotoga，其中M. Sporanaerobacter、M. Prevotella、M. Mesotoga菌群起产甲烷代谢作用且为厌氧生物处理过程中的常见菌群^〔11-12〕。M. Spora-naerobacter、M. Prevotella、M. Mesotoga菌群在固定化UASB系统中占比分别为25.8%、9.8%、11.7%，在对照组中占比分别为18.9%、11.3%、8.9%。由此可见，固定化UASB系统中产甲烷菌群占比为47.3%，高于对照组的39.1%，这也是固定化UASB系统具有更高COD去除率的主要原因。这表明，产甲烷菌群在生物炭表面更容易生长富集。

生物炭固定化UASB对中药废水具有很高的COD去除效率（91.3%±1.9%），且启动周期较对照组可缩短32.6%；生物炭作为支撑材料能够加速厌氧颗粒污泥的形成，并提高UASB系统对低pH的耐受性；生物炭固定化UASB中的产甲烷菌群主要为M. Sporanaerobacter、M. Prevotella和M. Mesotoga，且菌群占比均高于对照组。