上流式污泥床反應(yīng)器(UASB)具有容積負(fù)荷高、生物量大、運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用廣。在厭氧運(yùn)行過(guò)程中，顆粒污泥的形成至關(guān)重要。顆粒污泥能夠有效提高厭氧處理系統(tǒng)的運(yùn)行性能，并使其適應(yīng)較大幅度的負(fù)荷沖擊、溫度和pH變化。為加速厭氧顆粒污泥形成，往往在污泥中投加支撐材料，如活性炭、生物陶粒、納米材料。硅藻土是一種常見(jiàn)的多孔物質(zhì)，比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，廣泛用作化工生產(chǎn)中的觸媒載體，在水處理中的應(yīng)用相對(duì)較少。
中藥廢水是高濃度的有機(jī)廢水，污染物含量高，若不妥善處理會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響。該類廢水含有高濃度有機(jī)物，非常適合用厭氧處理。本研究以硅藻土為支撐材料構(gòu)建了固定化UASB系統(tǒng)，考察其對(duì)中藥廢水的處理效果。
一、實(shí)驗(yàn)方法與材料
1.1 實(shí)驗(yàn)廢水
實(shí)驗(yàn)所用廢水收集自哈爾濱某醫(yī)藥學(xué)院廢水處理站調(diào)節(jié)池，室溫下貯存待用。該廢水水質(zhì)見(jiàn)表1。
從表1可以看出，該廢水中的有機(jī)物含量很高，COD和BOD5分別高達(dá)(13420±102)、(8322±67)mg/L，但氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素不足，不能滿足厭氧微生物代謝的營(yíng)養(yǎng)比例平衡。因此，在進(jìn)水投加一定量的氯化銨(NH4Cl)和磷酸二氫鉀(KH2PO4)，以維持營(yíng)養(yǎng)比(C：N：P)為500：5：1。
1.2 硅藻土
硅藻土購(gòu)自哈爾濱某礦業(yè)公司。取硅藻土先在110℃干燥箱中烘干，然后用孔徑2mm的不銹鋼篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。最終得到的硅藻土粒徑為0.08~0.15mm，比表面積為125.2m2/g，堿度(以CaCO3計(jì))為1570~2232mg/g。
1.3 接種污泥
接種污泥取自哈爾濱某污水處理廠脫水機(jī)房干污泥(含水率約為80%)，污泥以孔徑2mm的不銹鋼篩網(wǎng)進(jìn)行篩分以去除大顆粒物質(zhì)。預(yù)處理后的污泥直接接種至UASB反應(yīng)器。接種時(shí)污泥總懸浮物(TS)和揮發(fā)性懸浮物(VSS)分別為7.4、5.5g/L。
1.4 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置采用有效容積為20L玻璃鋼材質(zhì)的UASB反應(yīng)器。反應(yīng)器頂部安裝氣-液-固三相分離器，防止污泥大量流失。反應(yīng)器外壁纏繞電熱絲，用電加熱的方式維持溫度在(35±1)℃左右。安裝pH探頭和溫度探頭以實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)pH和溫度。反應(yīng)器設(shè)置2組，污泥接種后，一組反應(yīng)器投加其有效容積15%的硅藻土，另一組未投加硅藻土作為空白組。中藥廢水由可調(diào)速蠕動(dòng)泵輸送進(jìn)反應(yīng)器，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間(HRT)為36h。反應(yīng)器在低COD容積負(fù)荷下也1.3kg/(m3•d)頁(yè)啟動(dòng)，通過(guò)控制稀釋比例逐步提高COD容積負(fù)荷直至滿負(fù)荷運(yùn)行[8.9kg/(m3•d)]。
1.5 分析方法
COD、BOD5、TS、VSS、NH4+-N、TP、pH、堿度和色度采用標(biāo)準(zhǔn)方法也3頁(yè)測(cè)定。污泥粒徑用濕式篩分法測(cè)定。菌群種類分析采用文獻(xiàn)方法院取污泥1mL以12000r/min高速離心1min，去掉上清液，向離心管中加入500μL滅菌去離子水，重懸浮再次離心洗滌2次。離心后的樣品置于DNA提取試劑盒進(jìn)行提取，提取后用凝膠電泳檢測(cè)DNA提取情況。用16SrRNA基因擴(kuò)增對(duì)樣品DNA進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建和454高通量測(cè)序分析，對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和豐富度進(jìn)行解析。
二、結(jié)果與討論
2.1 反應(yīng)器運(yùn)行性能
反應(yīng)器在COD容積負(fù)荷為1.3kg/(m3•d)(相應(yīng)進(jìn)水COD為2000mg/L)條件下啟動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)COD的去除率達(dá)到80%時(shí)，分步提高COD容積負(fù)荷為2.5、3.8、5.1、6.5、7.9kg/(m3•d)，直至滿負(fù)荷運(yùn)行[8.9kg/(m3•d)]。2組UASB反應(yīng)器在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間(150d)的運(yùn)行性能見(jiàn)圖1。
由圖1可見(jiàn)，每次提高容積負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)COD去除率均呈先下降后升高的趨勢(shì)，這是因?yàn)閰捬跷⑸飳?duì)新的運(yùn)行條件有一定適應(yīng)期。經(jīng)過(guò)約90d的啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，COD去除率趨于平穩(wěn)。此時(shí)，硅藻土組對(duì)COD的平均去除率為(90.8±1.1)%，出水COD穩(wěn)定在(1289±22)mg/L，空白組對(duì)COD的平均去除率為(82.5±1.9)%，出水COD穩(wěn)定在(2354±18)mg/L?？梢?jiàn)硅藻土組對(duì)有機(jī)物的去除能力高于空白組，硅藻土的添加增強(qiáng)了UASB系統(tǒng)的運(yùn)行性能。硅藻土組的運(yùn)行性能可與其他研究結(jié)果進(jìn)行比較。C.M.Chen等以麥飯石為支撐材料對(duì)污泥進(jìn)行固定化并處理石化廢水，當(dāng)UASB的COD容積負(fù)荷為7.0kg/(m3•d)時(shí)，COD去除率為92.7%~93.0%。
為考察系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在運(yùn)行第100天，向進(jìn)水中投加一定鹽酸將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(yùn)行效果。從圖1可見(jiàn)，進(jìn)水pH降低后，2組UASB系統(tǒng)的COD去除率立即大幅降低，導(dǎo)致出水COD上升。硅藻土組和空白組的COD去除率分別下降至(75.6±2.3)%和(65.1±1.7)%，表明低pH對(duì)厭氧微生物的代謝活性產(chǎn)生較強(qiáng)抑制，導(dǎo)致系統(tǒng)處理性能明顯下降。此后厭氧微生物逐漸適應(yīng)低pH環(huán)境，對(duì)COD的去除率逐漸升高，并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終，硅藻土組經(jīng)過(guò)22d的運(yùn)行，COD去除率恢復(fù)到(88.9±1.6)%左右，略低于pH調(diào)整前的(90.8±1.1)%，說(shuō)明進(jìn)水pH的沖擊對(duì)產(chǎn)甲烷菌群產(chǎn)生一定程度的不可逆的負(fù)面影響?？瞻捉M的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)35d的運(yùn)行才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終COD去除率穩(wěn)定在(76.6±3.2)%，較調(diào)整pH前的去除率下降了7.2%，系統(tǒng)運(yùn)行性能恢復(fù)程度相對(duì)較弱。表明硅藻土組對(duì)pH變化的耐受性要高于空白組，這可能與硅藻土較高的表面積和具有活性酸表面位點(diǎn)化學(xué)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巨大的代謝場(chǎng)所，能夠提高微生物量。另一方面，硅藻土的高堿度能一定程度上緩沖pH的降低，且其表面的硅羥基結(jié)構(gòu)能增加表面酸強(qiáng)度，從而降低系統(tǒng)酸量。
2.2 啟動(dòng)過(guò)程顆粒污泥的形成
顆粒污泥的形成對(duì)UASB系統(tǒng)的有效穩(wěn)定運(yùn)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，可提高系統(tǒng)耐外界因素(如負(fù)荷、pH及有毒元素等)的沖擊能力。通常來(lái)講，粒徑逸0.5mm的污泥可被定義為顆粒污泥?？疾炝?組UASB系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的污泥粒徑分布變化情況，如圖2所示。
從圖2可以看出，生污泥中粒徑臆0.5mm的污泥占比為81.7%，顆粒污泥很少，基本呈絮狀污泥形態(tài)。隨著系統(tǒng)運(yùn)行，顆?；勰嘀饾u形成，污泥粒徑逐漸增大，顆粒污泥的比例逐漸升高。運(yùn)行第30天，空白組和硅藻土組的顆粒污泥比例由生污泥的18.3%分別升至32.5%、54.3%。運(yùn)行至第60天時(shí)，顆粒污泥占比繼續(xù)升高，分別提高至53.7%、73.7%，其中粒徑逸1mm的污泥占比分別達(dá)10.5%、16.4%。系統(tǒng)啟動(dòng)成功后(第90天)，空白組和硅藻土組的顆粒污泥占比分別達(dá)到57.3%、78.7%，這也是系統(tǒng)在滿負(fù)荷運(yùn)行條件下具有較高去除率的原因。在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，硅藻土組污泥的粒徑占比均高于空白組的同等粒徑占比，表明硅藻土作為支撐材料可為厭氧微生物提供生長(zhǎng)載體，加速顆粒污泥的形成，從而使硅藻土組的COD去除率高于空白組。對(duì)啟動(dòng)成功后反應(yīng)器的污泥進(jìn)行取樣并檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)硅藻土組中顆粒污泥的VS質(zhì)量濃度和SV30分別為(38.3±2.1)g/L、(22.8±0.2)，VS質(zhì)量濃度高于對(duì)照組的(28.3±1.2)g/L，SV30低于對(duì)照組的(26.1±0.4)，說(shuō)明以硅藻土為核心形成的顆粒污泥具有更高的生物量及更好的沉降性能。
2.3 菌群結(jié)構(gòu)分析
厭氧生物處理過(guò)程中微生物菌群主要分為兩大類，即產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群。產(chǎn)酸菌群首先將有機(jī)物降解為揮發(fā)性有機(jī)酸和醇類，然后被產(chǎn)甲烷菌群利用產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。整個(gè)厭氧處理過(guò)程在以上兩類菌群的協(xié)作下完成?？瞻捉M和硅藻土組運(yùn)行第90、150天時(shí)的菌群種類和相對(duì)豐富度分析如圖3、圖4所示。
從圖3、圖4可以看出，2組系統(tǒng)的菌群種類基本相同，但各菌群的相對(duì)豐度差別較大。經(jīng)分析，產(chǎn)酸菌群主要包括Gordonia、Synthrophobacteria、Hydrogenophaga、Candidatus、Proteiniphilun、Desulfu鄄romons和Geobacter，產(chǎn)甲烷菌群主要包括Methano鄄massiliicoccus、Methanosaeta、Methanothrix、Methano鄄linea和Methanosarcina。
在空白組，Geobacter為產(chǎn)酸菌群的優(yōu)勢(shì)菌群，其代謝產(chǎn)物主要為乙酸和丁酸，在其他研究中經(jīng)常被報(bào)道。運(yùn)行第90天，Geobacter菌群的相對(duì)豐度為(18.8±1.2)%。Methanomassiliicoccus為產(chǎn)甲烷菌群的優(yōu)勢(shì)菌群，該菌群是中溫厭氧發(fā)酵過(guò)程常見(jiàn)的菌群之一也9頁(yè)，其相對(duì)豐度為(30.9±2.6)%。當(dāng)系統(tǒng)受到低pH沖擊后，Methanomassiliicoccus菌群的相對(duì)豐度降為(19.9±1.3)%，這也是系統(tǒng)COD去除率下降的原因。除Methanothrix菌群外，其余產(chǎn)甲烷菌群的相對(duì)豐度均有不同程度的降低，表明Methanothrix菌群對(duì)pH的變化有一定耐受性。Geobacter菌群的相對(duì)豐度升至(28.8±0.8)%，此外Candidatus菌群的相對(duì)豐度也升至(10.9±1.1)%，表明產(chǎn)酸菌群適于在較低pH條件下進(jìn)行代謝活動(dòng)。
對(duì)于硅藻土組，除Geobacter菌群外，Candidatus菌群亦為產(chǎn)酸菌群的優(yōu)勢(shì)菌群，該菌群在代謝過(guò)程主要產(chǎn)生丁酸和乙酸也7頁(yè)。運(yùn)行第90天，Geobacter和Candidatus菌群的相對(duì)豐度分別為(15.3±1.7)%、(14.9±0.9)%。在產(chǎn)甲烷菌群中，Methanomassiliicoccus菌群的相對(duì)豐度最高，為(32.8±2.5)%。當(dāng)系統(tǒng)受到低pH沖擊后，Methanomassiliicoccus菌群的相對(duì)豐度小幅降低，降至(29.7±1.3)%，高于空白組，從另一角度解釋了硅藻土組COD去除率高于空白組的原因。而Geobacter和Candidatus菌群的相對(duì)豐度變化不大，均小幅升高，分別為(17.3±0.5)%、(16.9±1.2)%?？梢?jiàn)，硅藻土組的菌群比例結(jié)構(gòu)較空白組相對(duì)穩(wěn)定，相對(duì)豐度變化幅度小，系統(tǒng)運(yùn)行性能更加穩(wěn)定。
三、結(jié)論
(1)硅藻土作為支撐材料能夠加快UASB系統(tǒng)顆粒污泥的形成，且能有效提高對(duì)中藥廢水的處理效果，COD去除率可達(dá)(90.8±1.1)%。pH變化對(duì)UASB系統(tǒng)有較大影響，但硅藻土的投加能夠增強(qiáng)UASB系統(tǒng)耐pH沖擊的能力。低pH條件下，COD去除率仍可達(dá)到(88.9±1.6)%。
(2)投加硅藻土的UASB系統(tǒng)的菌群比例穩(wěn)定性高于空白組，且優(yōu)勢(shì)菌群的相對(duì)豐度均高于空白組。產(chǎn)酸菌群的優(yōu)勢(shì)菌種為Geobacter和Candidatus，產(chǎn)甲烷菌群的優(yōu)勢(shì)菌種為Methanomassiliicoccus，以上菌群均為厭氧生物處理過(guò)程的常見(jiàn)菌群。
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