厭氧顆粒污泥反應(yīng)器處理中藥廢水

升流式污泥床反應(yīng)器(UASB)具有容積負(fù)荷高、生物量大、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。，并在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。在厭氧運(yùn)行過程中，顆粒污泥的形成非常重要。污泥能有效改善厭氧處理系統(tǒng)的運(yùn)行性能，使其適應(yīng)較大的負(fù)荷沖擊、溫度和pH值變化。為了加速厭氧顆粒污泥的形成，污泥中常加入活性炭、生物陶粒、納米材料等支撐材料。硅藻土是一種常見的多孔物質(zhì)，比表面積大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。它在化工生產(chǎn)中廣泛用作催化劑載體，但在水處理中的應(yīng)用相對(duì)較少。

中藥廢水是高濃度有機(jī)廢水，污染物含量高，如果處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響。這類廢水含有高濃度有機(jī)物，非常適合厭氧處理。以硅藻土為載體構(gòu)建固定化UASB系統(tǒng)，考察其對(duì)中藥廢水的處理效果。

一、實(shí)驗(yàn)方法和材料

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)學(xué)院污水處理站調(diào)節(jié)池，室溫下儲(chǔ)存?zhèn)溆谩U水水質(zhì)見表1。

從表1可以看出，廢水中有機(jī)物的含量很高，COD和BOD5分別高達(dá)(13420±102)和(8322±67)mg/L。而氮、磷營養(yǎng)元素不足，不能滿足厭氧微生物代謝的營養(yǎng)平衡。因此，在進(jìn)水中加入一定量的氯化銨(NH4Cl)和磷酸二氫鉀(KH2PO4 ),以維持營養(yǎng)物比例(C: N: P)為500: 5: 1。

1.2硅藻土

硅藻土是從哈爾濱一家礦業(yè)公司購買的。硅藻土在110℃的干燥箱中干燥，然后用直徑2mm的不銹鋼篩過篩。最終硅藻土的粒度為0.08～0.15毫米，比表面積為125.2平方米/克，堿度(以CaCO3計(jì))為1570～2232毫克/克/克..

1.3接種污泥

接種污泥取自哈爾濱某污水處理廠脫水間的干污泥(含水率80%左右)，用直徑2mm的不銹鋼篩網(wǎng)對(duì)污泥進(jìn)行篩選，去除大顆粒。預(yù)處理后的污泥直接接種到UASB反應(yīng)器中。污泥的總懸浮固體(TS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)分別為7.4和5.5g/L。

1.4實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用有效容積為20L的UASB反應(yīng)器。反應(yīng)器頂部裝有氣液固三相分離器，防止大量污泥流失。反應(yīng)器外壁纏繞電熱絲，通過電加熱保持溫度在(35±1)℃安裝pH探頭和溫度探頭，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的pH值和溫度。建立了兩組反應(yīng)器。污泥接種后，在一組反應(yīng)器中加入其有效體積15%的硅藻土，另一組不加入硅藻土作為空白組。中藥廢水由可調(diào)速蠕動(dòng)泵送入反應(yīng)器，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間(HRT)為36h。反應(yīng)器也是1.3kg/(m3 & # 8226；d)起始頁，通過控制稀釋比逐漸增加COD的容積負(fù)荷，直至滿負(fù)荷運(yùn)行[8.9kg/(m3 & # 8226；d)].

1.5分析方法

COD、BOD5、TS、VSS、NH4+-N、TP、pH、堿度和色度通過標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，也在第3頁。采用濕篩法測(cè)定污泥的粒徑。形態(tài)分析采用文獻(xiàn)法，取1mL污泥，12000r/min離心1min，除去上清液，在離心管中加入500μL滅菌去離子水，重懸，離心，洗滌兩次。將離心后的樣品置于DNA提取試劑盒中進(jìn)行提取，提取后用凝膠電泳檢測(cè)DNA提取物。利用16SrRNA基因擴(kuò)增構(gòu)建樣品DNA文庫和454高通量測(cè)序分析，分析微生物群落結(jié)構(gòu)和豐富度。

二。結(jié)果和討論

2.1反應(yīng)器操作性能

反應(yīng)器的COD容積負(fù)荷為1.3kg/(m3 & # 8226；d)(對(duì)應(yīng)的進(jìn)水COD為2000mg/L)。當(dāng)系統(tǒng)中COD的去除率達(dá)到80%時(shí)，COD的容積負(fù)荷將逐步增加2.5、3.8、5.1、6.5和7.9kg/(m3•)。d)，直到滿負(fù)荷運(yùn)行[8.9kg/(m3 & # 8226；d)].兩個(gè)UASB反應(yīng)器在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間(150天)的操作性能如圖1所示。

從圖1可以看出，每增加一次容積負(fù)荷，系統(tǒng)中COD的去除率都有先降低后升高的趨勢(shì)，因?yàn)閰捬跷⑸飳?duì)新的運(yùn)行條件有一定的適應(yīng)期。啟動(dòng)90天左右，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，COD去除率趨于穩(wěn)定。此時(shí)硅藻土組COD平均去除率為(90.8±1.1)%，出水COD穩(wěn)定在(1289±22)mg/L，空白組COD平均去除率為(82.5±1.9)%，出水COD穩(wěn)定在(2354±18)mg/L，可見硅藻土組對(duì)有機(jī)物的去除能力高于空白組，硅藻土的加入增強(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成果相比較。陳等以麥飯石為載體材料固定化污泥處理石化廢水，當(dāng)COD容積負(fù)荷為7.0kg/(m3 & # 8226；COD的去除率為92.7%~93.0%。

為了考察系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在運(yùn)行的第100天，向進(jìn)水中加入一定量的鹽酸，使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可以看出，進(jìn)水pH值降低后，兩個(gè)UASB系統(tǒng)的COD去除率立即大幅下降，導(dǎo)致出水COD升高。硅藻土組和空白組的COD去除率分別降至(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有強(qiáng)烈的抑制作用，導(dǎo)致系統(tǒng)的處理性能顯著下降。此后，厭氧微生物逐漸適應(yīng)了低pH環(huán)境，COD的去除率逐漸提高并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最后，經(jīng)過22天的運(yùn)行，硅藻土組的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)%，說明進(jìn)水pH的影響對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生了不可逆的負(fù)面影響?？瞻捉M恢復(fù)時(shí)間較長，術(shù)后35天達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終COD去除率穩(wěn)定在(76.6±3.2)%，比pH調(diào)整前下降了7.2%，系統(tǒng)運(yùn)行性能恢復(fù)程度相對(duì)較弱。結(jié)果表明，硅藻土組比空白組具有更高的pH變化耐受性，這可能與硅藻土較高的比表面積和活性酸表面位化學(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了巨大的代謝場(chǎng)所，可以增加微生物生物量。另一方面，硅藻土的高堿度可以在一定程度上緩沖pH的降低，其表面的硅羥基結(jié)構(gòu)可以增加表面酸強(qiáng)度，從而降低體系酸量。

2.2啟動(dòng)過程中顆粒污泥的形成

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，可以提高系統(tǒng)對(duì)外界因素(如負(fù)荷、pH、有毒元素)的抗沖擊能力。一般來說，粒徑小于0.5mm的污泥可以定義為顆粒污泥。考察了兩組UASB系統(tǒng)啟動(dòng)過程中污泥粒徑分布的變化，如圖2所示。

從圖2可以看出，粒徑為0.5mm的原料污泥比例為81.7%，顆粒污泥很少，基本以絮狀污泥的形式存在。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，顆粒污泥逐漸形成，污泥的粒徑逐漸增大，顆粒污泥的比例逐漸增加。在運(yùn)行的第30天，空白組和硅藻土組的顆粒污泥比例分別從原料污泥的18.3%增加到32.5%和54.3%。到運(yùn)行第60天，顆粒污泥比例繼續(xù)增加，分別達(dá)到53.7%和73.7%，其中粒徑小于1mm的污泥比例分別達(dá)到10.5%和16.4%。系統(tǒng)成功啟動(dòng)后(第90天)，空白組和硅藻土組的顆粒污泥比例分別達(dá)到57.3%和78.7%，這是系統(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)過程中，硅藻土組的污泥粒徑比例高于空白組，說明硅藻土作為支撐材料可以為厭氧微生物提供生長載體，加速顆粒污泥的形成，使硅藻土組的COD去除率高于空白組。成功啟動(dòng)后，對(duì)反應(yīng)器的污泥進(jìn)行取樣和檢測(cè)。硅藻土組顆粒污泥的VS質(zhì)量濃度和SV30分別為(38.3±2.1)g/L和(22.8±0.2)。VS質(zhì)量濃度高于對(duì)照組(28.3±1.2)g/L，SV30低于對(duì)照組(26.1±0.4)，表明

2.3植物區(qū)系結(jié)構(gòu)分析

厭氧生物處理過程中，微生物菌群可分為產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群兩大類。產(chǎn)酸菌首先將有機(jī)物降解為揮發(fā)性有機(jī)酸和醇類，然后被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。整個(gè)厭氧處理過程是在上述兩類菌群的配合下完成的。空白組和硅藻土組在運(yùn)行第90天和第150天時(shí)的菌群種類和相對(duì)豐富度分析見圖3和圖4。

從圖3和圖4可以看出，兩組系統(tǒng)的菌群種類基本相同，但各菌群的相對(duì)豐度差異較大。根據(jù)分析，產(chǎn)酸細(xì)菌主要包括戈登氏菌、同熱細(xì)菌、食氫菌、白假絲酵母、嗜蛋白菌、脫硫菌和地桿菌，產(chǎn)甲烷菌主要包括巴西甲烷球菌、甲烷氧化菌、甲烷絲菌、線形甲烷球菌和甲烷八疊球菌。

在空白組中，土芽孢桿菌為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)酸菌，其代謝產(chǎn)物主要為乙酸和丁酸，這也是其他研究中經(jīng)常報(bào)道的。手術(shù)第90天，地桿菌屬的相對(duì)豐度為(18.8±1.2)%。甲烷球菌是優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌群，是中溫厭氧發(fā)酵中常見的菌群之一，相對(duì)豐度為(30.9±2.6)%。當(dāng)系統(tǒng)受到低pH值的影響時(shí)，甲烷球菌的相對(duì)豐度下降到(19.9±1.3)%，這也是COD去除率下降的原因。除甲烷絲菌外，其他產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度均有不同程度的下降，表明甲烷絲菌對(duì)pH的變化具有耐受性，芽孢桿菌的相對(duì)豐度增加到(28.8±0.8)%，念珠菌的相對(duì)豐度增加到(10.9±1.1)%，表明產(chǎn)酸菌適合在低pH下進(jìn)行代謝活動(dòng)。

對(duì)于硅藻土類群，除了地桿菌外，假絲酵母也是優(yōu)勢(shì)產(chǎn)酸類群，在代謝過程中主要產(chǎn)生丁酸和乙酸。手術(shù)第9 0天，土桿菌和白桿菌的相對(duì)豐度分別為(15.3±1.7)%和(14.9±0.9)%。在產(chǎn)甲烷菌中，硅甲烷球菌菌群的相對(duì)豐度為(32.8±2.5)%。當(dāng)系統(tǒng)受到低pH值的影響時(shí)，甲烷球菌的相對(duì)豐度略有下降，為(29.7±1.3)%，高于空白組，從另一個(gè)角度解釋了硅藻土組COD去除率高于空白組的原因。而地桿菌和白桿菌的相對(duì)豐度變化不大，均略有增加，分別為(17.3±0.5)%和(16.9±1.2)%。可以看出，硅藻土組與空白組相比，比例結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，相對(duì)豐度變化范圍小，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可以加速UASB系統(tǒng)中顆粒污泥的形成，有效提高中藥廢水的處理效果，COD去除率可達(dá)(90.8±1.1)%。pH的變化對(duì)UASB體系影響很大，但硅藻土的加入可以增強(qiáng)UASB體系抵抗pH沖擊的能力。在低pH值下，COD去除率仍可達(dá)到(88.9±1.6)%。

(2)添加硅藻土的UASB系統(tǒng)的比例穩(wěn)定性高于空白組，優(yōu)勢(shì)菌的相對(duì)豐度高于空白組。產(chǎn)酸菌的優(yōu)勢(shì)菌株為地芽孢桿菌和念珠菌，產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢(shì)菌株為甲烷球菌，均為厭氧生物處理中常見的菌種。(來源:黑龍江建筑學(xué)院市政與環(huán)境工程系)

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