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上流式污泥床反应器(UASB)具有容积负荷高、生物量大、运转便当等优点，实践应用广。在厌氧运转过程中，颗粒污泥的构成至关重要。颗粒污泥可以有效提升厌氧处置系统的运转性能，并使其顺应较大幅度的负荷冲击、温度和pH变化。为加速厌氧颗粒污泥构成，常常在污泥中投加支撑资料，如活性炭、生物陶粒、纳米资料。硅藻土是一种常见的多孔物质，比外表积大、化学性质稳定，普遍用作化工生产中的触媒载体，在水处置中的应用相对较少。
中药废水是高浓度的有机废水，污染物含量高，若不妥善处置会对四周环境形成不良影响。该类废水含有高浓度有机物，十分合适用厌氧处置。本研讨以硅藻土为支撑资料构建了固定化UASB系统，调查其对中药废水的处置效果。
一、实验办法与资料
1.1 实验废水
实验所用废水搜集自哈尔滨某医药学院工业废水处理站调理池，室温下储存待用。该废水水质见表1。
从表1能够看出，该废水中的有机物含量很高，COD和BOD5分别高达(13420±102)、(8322±67)mg/L，但氮、磷营养元素缺乏，不能满足厌氧微生物代谢的营养比例均衡。因而，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。
1.2 硅藻土
硅藻土购自哈尔滨某矿业公司。取硅藻土先在110℃枯燥箱中烘干，然后用孔径2mm的不锈钢筛网实行筛分。最终得到的硅藻土粒径为0.08~0.15mm，比外表积为125.2m2/g，碱度(以CaCO3计)为1570~2232mg/g。
1.3 接种污泥
接种污泥取自哈尔滨某污水处置厂脱水机房干污泥(含水率约为80%)，污泥以孔径2mm的不锈钢筛网实行筛分以去除大颗粒物质。预处置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、5.5g/L。
1.4 实验设备
实验设备采用有效容积为20L玻璃钢材质的UASB反应器。反应器顶部装置气-液-固三相别离器，避免污泥大量流失。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。装置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。中药废水由可调速爬动泵保送进反应器，设计水力停留时间(HRT)为36h。反应器在低COD容积负荷下也1.3kg/(m3•d)页启动，经过控制稀释比例逐渐提升COD容积负荷直至满负荷运转[8.9kg/(m3•d)]。
1.5 剖析办法
COD、BOD5、TS、VSS、NH4+-N、TP、pH、碱度和色度采用规范办法也3页测定。污泥粒径用湿式筛分法测定。菌群品种剖析采用文献办法院取污泥1mL以12000r/min高速离心1min，去掉上清液，向离心管中参加500μL灭菌去离子水，重悬浮再次离心洗濯2次。离心后的样品置于DNA提取试剂盒实行提取，提取后用凝胶电泳检测DNA提取状况。用16SrRNA基因扩增对样品DNA实行文库构建和454高通量测序剖析，对微生物群落构造和丰厚度实行解析。
二、结果与讨论
2.1 反应器运转性能
反应器在COD容积负荷为1.3kg/(m3•d)(相应进水COD为2000mg/L)条件下启动，当系统对COD的去除率到达80%时，分步提升COD容积负荷为2.5、3.8、5.1、6.5、7.9kg/(m3•d)，直至满负荷运转[8.9kg/(m3•d)]。2组UASB反应器在整个实验期间(150d)的运转性能见图1。
由图1可见，每次提升容积负荷时，系统COD去除率均呈先降落后升高的趋向，这是由于厌氧微生物对新的运转条件有一定顺应期。经过约90d的启动运转，系统到达稳定状态，COD去除率趋于平稳。此时，硅藻土组对COD的均匀去除率为(90.8±1.1)%，出水COD稳定在(1289±22)mg/L，空白组对COD的均匀去除率为(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才能高于空白组，硅藻土的添加加强了UASB系统的运转性能。硅藻土组的运转性能可与其他研讨结果实行比拟。C.M.Chen等以麦饭石为支撑资料对污泥实行固定化并处置石化废水，当UASB的COD容积负荷为7.0kg/(m3•d)时，COD去除率为92.7%~93.0%。
为调查系统运转的稳定性，在运转第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)，察看反应器的运转效果。从图1可见，进水pH降低后，2组UASB系统的COD去除率立刻大幅降低，造成出水COD上升。硅藻土组和空白组的COD去除率分别降落至(75.6±2.3)%和(65.1±1.7)%，标明低pH对厌氧微生物的代谢活性产生较强抑止，造成系统处置性能明显降落。尔后厌氧微生物逐步顺应低pH环境，对COD的去除率逐步升高，并到达稳定状态。最终，硅藻土组经过22d的运转，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)%，阐明进水pH的冲击对产甲烷菌群产生一定水平的不可逆的负面影响。空白组的恢复时间较长，经过35d的运转才到达稳定状态，最终COD去除率稳定在(76.6±3.2)%，较调整pH前的去除率降落了7.2%，系统运转性能恢复水平相对较弱。标明硅藻土组对pH变化的耐受性要高于空白组，这可能与硅藻土较高的外表积和具有活性酸外表位点化学的吸附才能有关。一方面硅藻土的高外表积为微生物提供宏大的代谢场所，可以提升微生物量。另一方面，硅藻土的高碱度能一定水平上缓冲pH的降低，且其外表的硅羟基构造能增加外表酸强度，从而降低系统酸量。
2.2 启动过程颗粒污泥的构成
颗粒污泥的构成对UASB系统的有效稳定运转至关重要。与絮状污泥相比，颗粒污泥具有更好的沉降性，可提升系统耐外界要素(如负荷、pH及有毒元素等)的冲击才能。通常来讲，粒径逸0.5mm的污泥可被定义为颗粒污泥。调查了2组UASB系统启动过程的污泥粒径散布变化状况，如图2所示。
从图2能够看出，生污泥中粒径臆0.5mm的污泥占比为81.7%，颗粒污泥很少，根本呈絮状污泥形态。随着系统运转，颗粒化污泥逐步构成，污泥粒径逐步增大，颗粒污泥的比例逐步升高。运转第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%。运转至第60天时，颗粒污泥占比继续升高，分别提升至53.7%、73.7%，其中粒径逸1mm的污泥占比分别达10.5%、16.4%。系统启动胜利后(第90天)，空白组和硅藻土组的颗粒污泥占比分别到达57.3%、78.7%，这也是系统在满负荷运转条件下具有较高去除率的缘由。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，标明硅藻土作为支撑资料可为厌氧微生物提供生长载体，加速颗粒污泥的构成，从而使硅藻土组的COD去除率高于空白组。对启动胜利后反应器的污泥实行取样并检测，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)，阐明以硅藻土为中心构成的颗粒污泥具有更高的生物量及更好的沉降性能。
2.3 菌群构造剖析
厌氧生物处置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，然后被产甲烷菌群应用产生二氧化碳和甲烷。整个厌氧处置过程在以上两类菌群的协作下完成。空白组和硅藻土组运转第90、150天时的菌群品种和相对丰厚度剖析如图3、图4所示。
从图3、图4能够看出，2组系统的菌群品种根本相同，但各菌群的相对丰度差异较大。经剖析，产酸菌群主要包括Gordonia、Synthrophobacteria、Hydrogenophaga、Candidatus、Proteiniphilun、Desulfu鄄romons和Geobacter，产甲烷菌群主要包括Methano鄄massiliicoccus、Methanosaeta、Methanothrix、Methano鄄linea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，在其他研讨中经常被报道。运转第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也9页，其相对丰度为(30.9±2.6)%。当系统遭到低pH冲击后，Methanomassiliicoccus菌群的相对丰度降为(19.9±1.3)%，这也是系统COD去除率降落的缘由。除Methanothrix菌群外，其他产甲烷菌群的相对丰度均有不同水平的降低，标明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)%，标明产酸菌群适于在较低pH条件下实行代谢活动。
关于硅藻土组，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也7页。运转第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)%。当系统遭到低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缘由。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构造较空白组相对稳定，相对丰度变化幅度小，系统运转性能愈加稳定。
三、结论
(1)硅藻土作为支撑资料可以加快UASB系统颗粒污泥的构成，且能有效提升对中药废水的处置效果，COD去除率可达(90.8±1.1)%。pH变化对UASB系统有较大影响，但硅藻土的投加可以加强UASB系统耐pH冲击的才能。低pH条件下，COD去除率仍可到达(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置过程的常见菌群。
