上流式污泥床反应器(UASB)具有容积负荷高、生物量大、运行方便等优点,实际应用广^〔1〕。在厌氧运行过程中,颗粒污泥的形成至关重要。颗粒污泥能够有效提高厌氧处理系统的运行性能,并使其适应较大幅度的负荷冲击、温度和pH变化^〔2〕。为加速厌氧颗粒污泥形成,往往在污泥中投加支撑材料,如活性炭、生物陶粒、纳米材料。硅藻土是一种常见的多孔物质,比表面积大、化学性质稳定,广泛用作化工生产中的触媒载体,在水处理中的应用相对较少。

中药废水是高浓度的有机废水,污染物含量高,若不妥善处理会对周围环境造成不良影响。该类废水含有高浓度有机物,非常适合用厌氧处理。本研究以硅藻土为支撑材料构建了固定化UASB系统,考察其对中药废水的处理效果。

实验所用废水收集自哈尔滨某医药学院废水处理站调节池,室温下贮存待用。该废水水质见表1。

从表1可以看出,该废水中的有机物含量很高, COD和BOD₅分别高达(13 420±102)、(8 322±67) mg/L,但氮、磷营养元素不足,不能满足厌氧微生物代谢的营养比例平衡。因此,在进水投加一定量的氯化铵(NH₄Cl)和磷酸二氢钾(KH₂PO₄),以维持营养比(C:N:P)为500:5:1。

硅藻土购自哈尔滨某矿业公司。取硅藻土先在110 ℃干燥箱中烘干,然后用孔径2 mm的不锈钢筛网进行筛分。最终得到的硅藻土粒径为0.08~0.15 mm,比表面积为125.2 m²/g,碱度(以CaCO₃计)为1 570~2 232 mg/g。

接种污泥取自哈尔滨某污水处理厂脱水机房干污泥(含水率约为80%),污泥以孔径2 mm的不锈钢筛网进行筛分以去除大颗粒物质。预处理后的污泥直接接种至UASB反应器。接种时污泥总悬浮物(TS)和挥发性悬浮物(VSS)分别为7.4、5.5 g/L。

实验装置采用有效容积为20 L玻璃钢材质的UASB反应器。反应器顶部安装气-液-固三相分离器,防止污泥大量流失。反应器外壁缠绕电热丝,用电加热的方式维持温度在(35±1) ℃左右。安装pH探头和温度探头以实时检测系统pH和温度。反应器设置2组,污泥接种后,一组反应器投加其有效容积15%的硅藻土,另一组未投加硅藻土作为空白组。中药废水由可调速蠕动泵输送进反应器,设计水力停留时间(HRT)为36 h。反应器在低COD容积负荷下〔1.3 kg/(m³·d)〕启动,通过控制稀释比例逐步提高COD容积负荷直至满负荷运行〔8.9 kg/(m³·d)〕。

COD、BOD₅、TS、VSS、NH₄⁺-N、TP、pH、碱度和色度采用标准方法^〔3〕测定。污泥粒径用湿式筛分法测定。菌群种类分析采用文献〔4〕方法：取污泥1 mL以12 000 r/min高速离心1 min,去掉上清液,向离心管中加入500 μL灭菌去离子水,重悬浮再次离心洗涤2次。离心后的样品置于DNA提取试剂盒进行提取,提取后用凝胶电泳检测DNA提取情况。用16S rRNA基因扩增对样品DNA进行文库构建和454高通量测序分析,对微生物群落结构和丰富度进行解析。

反应器在COD容积负荷为1.3 kg/(m³·d)(相应进水COD为2 000 mg/L)条件下启动,当系统对COD的去除率达到80%时,分步提高COD容积负荷为2.5、3.8、5.1、6.5、7.9 kg/(m³·d),直至满负荷运行〔8.9 kg/(m³·d)〕。2组UASB反应器在整个实验期间(150 d)的运行性能见图1。

由图1可见,每次提高容积负荷时,系统COD去除率均呈先下降后升高的趋势,这是因为厌氧微生物对新的运行条件有一定适应期。经过约90 d的启动运行,系统达到稳定状态, COD去除率趋于平稳。此时,硅藻土组对COD的平均去除率为(90.8±1.1)%,出水COD稳定在(1 289±22) mg/L,空白组对COD的平均去除率为(82.5±1.9)%,出水COD稳定在(2 354±18) mg/L。可见硅藻土组对有机物的去除能力高于空白组,硅藻土的添加增强了UASB系统的运行性能。硅藻土组的运行性能可与其他研究结果进行比较。C. M. Chen等^〔5〕以麦饭石为支撑材料对污泥进行固定化并处理石化废水,当UASB的COD容积负荷为7.0 kg/(m³·d)时, COD去除率为92.7%~93.0%。

为考察系统运行的稳定性,在运行第100天,向进水中投加一定盐酸将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可见,进水pH降低后, 2组UASB系统的COD去除率立即大幅降低,导致出水COD上升。硅藻土组和空白组的COD去除率分别下降至(75.6±2.3)%和(65.1±1.7)%,表明低pH对厌氧微生物的代谢活性产生较强抑制,导致系统处理性能明显下降。此后厌氧微生物逐渐适应低pH环境,对COD的去除率逐渐升高,并达到稳定状态。最终,硅藻土组经过22 d的运行, 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的冲击对产甲烷菌群产生一定程度的不可逆的负面影响。空白组的恢复时间较长,经过35 d的运行才达到稳定状态,最终COD去除率稳定在(76.6±3.2)%,较调整pH前的去除率下降了7.2%,系统运行性能恢复程度相对较弱。表明硅藻土组对pH变化的耐受性要高于空白组,这可能与硅藻土较高的表面积和具有活性酸表面位点化学的吸附能力有关^〔5〕。一方面硅藻土的高表面积为微生物提供巨大的代谢场所,能够提高微生物量；另一方面,硅藻土的高碱度能一定程度上缓冲pH的降低,且其表面的硅羟基结构能增加表面酸强度,从而降低系统酸量。

颗粒污泥的形成对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,可提高系统耐外界因素(如负荷、pH及有毒元素等)的冲击能力。通常来讲,粒径≥0.5 mm的污泥可被定义为颗粒污泥^〔6〕。考察了2组UASB系统启动过程的污泥粒径分布变化情况,如图2所示。

从图2可以看出,生污泥中粒径≤0.5 mm的污泥占比为81.7%,颗粒污泥很少,基本呈絮状污泥形态。随着系统运行,颗粒化污泥逐渐形成,污泥粒径逐渐增大,颗粒污泥的比例逐渐升高。运行第30天,空白组和硅藻土组的颗粒污泥比例由生污泥的18.3%分别升至32.5%、54.3%。运行至第60天时,颗粒污泥占比继续升高,分别提高至53.7%、73.7%,其中粒径≥1 mm的污泥占比分别达10.5%、16.4%。系统启动成功后(第90天),空白组和硅藻土组的颗粒污泥占比分别达到57.3%、78.7%,这也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,硅藻土组污泥的粒径占比均高于空白组的同等粒径占比,表明硅藻土作为支撑材料可为厌氧微生物提供生长载体,加速颗粒污泥的形成,从而使硅藻土组的COD去除率高于空白组。对启动成功后反应器的污泥进行取样并检测,发现硅藻土组中颗粒污泥的VS质量浓度和SV₃₀分别为(38.3±2.1) g/L、(22.8±0.2), VS质量浓度高于对照组的(28.3±1.2) g/L, SV₃₀低于对照组的(26.1±0.4),说明以硅藻土为核心形成的颗粒污泥具有更高的生物量及更好的沉降性能。

厌氧生物处理过程中微生物菌群主要分为两大类,即产酸菌群和产甲烷菌群。产酸菌群首先将有机物降解为挥发性有机酸和醇类,然后被产甲烷菌群利用产生二氧化碳和甲烷^〔7〕。整个厌氧处理过程在以上两类菌群的协作下完成。空白组和硅藻土组运行第90、150天时的菌群种类和相对丰富度分析如图3、图4所示。

从图3、图4可以看出, 2组系统的菌群种类基本相同,但各菌群的相对丰度差别较大。经分析,产酸菌群主要包括Gordonia、Synthrophobacteria、Hydrogenophaga、Candidatus、Proteiniphilun、Desulfuromons和Geobacter,产甲烷菌群主要包括Methanomassiliicoccus、Methanosaeta、Methanothrix、Methanolinea和Methanosarcina。

在空白组, Geobacter为产酸菌群的优势菌群,其代谢产物主要为乙酸和丁酸,在其他研究中经常被报道^〔8〕。运行第90天, Geobacter菌群的相对丰度为(18.8±1.2)%。Methanomassiliicoccus为产甲烷菌群的优势菌群,该菌群是中温厌氧发酵过程常见的菌群之一^〔9〕,其相对丰度为(30.9±2.6)%。当系统受到低pH冲击后, Methanomassiliicoccus菌群的相对丰度降为(19.9±1.3)%,这也是系统COD去除率下降的原因。除Methanothrix菌群外,其余产甲烷菌群的相对丰度均有不同程度的降低,表明Methanothrix菌群对pH的变化有一定耐受性。Geobacter菌群的相对丰度升至(28.8±0.8)%,此外Candidatus菌群的相对丰度也升至(10.9±1.1)%,表明产酸菌群适于在较低pH条件下进行代谢活动。

对于硅藻土组,除Geobacter菌群外, Candidatus菌群亦为产酸菌群的优势菌群,该菌群在代谢过程主要产生丁酸和乙酸^〔7〕。运行第90天, Geobacter和Candidatus菌群的相对丰度分别为(15.3±1.7)%、(14.9±0.9)%。在产甲烷菌群中, Methanomassiliicoccus菌群的相对丰度最高,为(32.8±2.5)%。当系统受到低pH冲击后, Methanomassiliicoccus菌群的相对丰度小幅降低,降至(29.7±1.3)%,高于空白组,从另一角度解释了硅藻土组COD去除率高于空白组的原因。而Geobacter和Candidatus菌群的相对丰度变化不大,均小幅升高,分别为(17.3±0.5)%、(16.9±1.2)%。可见,硅藻土组的菌群比例结构较空白组相对稳定,相对丰度变化幅度小,系统运行性能更加稳定。

(1)硅藻土作为支撑材料能够加快UASB系统颗粒污泥的形成,且能有效提高对中药废水的处理效果, COD去除率可达(90.8±1.1)%。pH变化对UASB系统有较大影响,但硅藻土的投加能够增强UASB系统耐pH冲击的能力。低pH条件下, COD去除率仍可达到(88.9±1.6)%。

(2)投加硅藻土的UASB系统的菌群比例稳定性高于空白组,且优势菌群的相对丰度均高于空白组。产酸菌群的优势菌种为Geobacter和Candidatus,产甲烷菌群的优势菌种为Methanomassiliicoccus,以上菌群均为厌氧生物处理过程的常见菌群。