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上流式厌氧污泥床（UASB）反应器启动时间长，影响其处理高浓度有机废水效率。研究人员开展添加电化学富集生物膜对 UASB 反应器性能影响的研究。结果显示添加该生物膜可加速启动、提高性能，为 UASB 技术优化提供新思路。
在环保领域，高浓度有机废水的处理一直是个让人头疼的问题。传统的处理方法要么成本高昂，要么效果不佳。上流式厌氧污泥床（UASB）反应器作为一种高效的厌氧消化技术，受到了广泛关注。它能把有机废物转化为无害物质，还能产生甲烷用于能源回收，听起来是不是很棒？可它有个大缺点，就是启动时间太长了，有时长达 8 个月。这期间不仅会出现污泥流失的情况，甲烷产量也低，化学需氧量（COD）去除率也不高，严重限制了它的推广应用。
为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们聚焦于能否通过添加从厌氧生物电化学系统（BESs）电极上富集的生物膜，来加速 UASB 反应器的启动过程并提升其性能。研究成果发表在《Enzyme and Microbial Technology》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，搭建了 20 升的实验室规模 UASB 反应器，并进行两组实验（Run I 和 Run II） 。在实验过程中，持续监测沼气产量、气体成分、COD 去除率等指标。最后，运用 16S rRNA 基因高通量测序技术，对微生物群落进行表征分析。
下面来看看具体的研究结果：
- UASB 反应器的配置和运行：使用 20 升实验室规模的 UASB 反应器，该反应器配备气液固（GLS）分离系统。Run I 仅接种厌氧污泥作为对照，Run II 则在接种相同厌氧污泥的基础上，添加从阳极和阴极 BES 工作电极及对电极上富集的生物膜。实验在 35oC 下进行，以模拟中温环境。
- 沼气生产和气体成分：实验分两个连续阶段进行。Run II 的每日甲烷产量高于 Run I，且沼气中甲烷成分达到稳定状态的时间更短。在添加相同化学需氧量（COD）的情况下，Run II 更快实现稳定的甲烷产量。在启动时间方面，Run II 中甲烷产量在 10 天内就超过 200 mL-CH4/g-COD，而 Run I 则需要 29 天。
- COD 去除效果：Run II 在 13 天后实现了 80% 的可溶性 COD 去除率，相比之下，Run I 达到同样去除率需要 23 天。这表明添加电化学富集生物膜能显著提升 UASB 反应器对有机污染物的去除效率。
- 污泥沉降性：Run II 的污泥流失在 3 天后趋于稳定，挥发性悬浮固体（VSS）去除率达到 70%，而 Run I 需要 17 天才能使污泥流失稳定下来。说明添加生物膜有助于改善污泥的沉降性能，减少污泥流失。
- 微生物群落分析：通过 16S rRNA 基因测序分析发现，两组实验存在一些相同的微生物属，但相对丰度有所不同。Run I 中甲烷丝菌属（Methanothrix）占主导，而 Run II 中其他古菌属，主要是甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）和甲烷杆菌属（Methanobacterium）的丰度有所增加。此外，肠杆菌科（Enterobacteriaceae）在两个反应器中都普遍存在，柠檬酸杆菌属（Citrobacter）、克雷伯氏菌属（Klebsiella）和肠杆菌属（Enterobacter）在不同时间点分别占据主导地位，这可能与初始接种污泥或富集生物膜菌群有关。Run II 中较高的胞外聚合物（EPS）值和蛋白质与多糖的比例，可能表明 EPS 促进了颗粒污泥的形成。
综合研究结果和讨论部分，可以得出结论：添加从阳极和阴极生物电化学系统（BESs）工作电极及对电极上富集的生物膜，能够有效加速 UASB 反应器的启动过程，显著提升其处理性能。这种方法不仅缩短了启动时间，提高了甲烷产量和 COD 去除率，还改善了污泥的沉降性能。同时，微生物群落结构的变化也表明，添加的生物膜增强了微生物的多样性，促进了颗粒化共营养群落的快速发展。这一研究成果为 UASB 反应器技术的优化和改进提供了新的方向，有望在实际废水处理工程中得到广泛应用，助力解决高浓度有机废水处理难题，实现资源的高效回收和环境的可持续发展。
