UASB反应器处理含蛋白质废水颗粒污泥形成的研究刘双江

12卷3期环坟科学uAsB反应器处理含蛋白质废水颗粒污泥形成的研究刘双江胡纪革顾夏声(清华大学环境工程系)摘要以含蛋白质废水为基质,UASB反应器内培养颗粒污泥的试验结果表明,控制反应器出水pH在7.2一7.,之间,出水丙酸浓度不超过300mg/L条件下,污泥负荷大于0.67kgCOD/kgvss·d时反应器内形成了颗粒污泥.MPN法计数发酵性细菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌、乙酸裂解产甲烷菌和甲酸/H:十co:产甲烷菌的数最,只有当各类群细菌数量达到一定水平并且有合适的比例时才能形成颗粒污泥,颗粒污尼成熟后其组成相对稳定.颗粒污泥同接种污泥相比,其最大比产甲烷活性提高较大,是细菌数量增加的缘故关祖词UAsB反应器;蛋白质废水厌氧处理;颗粒污泥;产甲烷细菌升流式厌氧污泥床反应器(简称uAsB反应器)的运行效率与颗粒污泥的形成有密切关系.近10年来国内外研究表明,含低级脂肪酸或碳水化合物的有机废水都能培养出颗粒污泥,在两步厌氧消化工艺中的产甲烷相uAsB反应器内也能形成颗粒污泥〔`一4,.但是采用uAsB工艺处理含蛋白质废水时,由于反应器内难于形成颗粒污泥,反应器不能高效、稳定运行.schulze等人研究指出,pH和NH才一N浓度是影响含蛋白质废水形成颗粒污泥的两个因素〔习.迄今为止,有关含蛋白质废水培养颗粒污泥的条件还不十分清楚.为了研究这一问题,本研究选用含蛋白质量较高的豆制品废水为主要基质,研究了含蛋白质废水培养颗粒污泥的条件,并研究了颗粒污泥形成过程中不同类群细菌数量和活性的变化规律,分析讨论了含蛋白质废水培养颗粒污泥的特点.管加工而成,反应器总容积为3.2L,高84.5。m,内径c7m,沿反应器高度设有8个取样口,试验装置与工艺流程见图1.口口}}}喇喇喇一一啸刘刘垫、图l试验装置及工艺流程图.l配水箱.5取样口2.进水泵3.热交换器4.污泥床区6.悬浮层区7.沉降区3水封9.湿式气体流量计一、材料与方法(一)试脸设备本试验所用uASB反应器为有机玻璃(二)试验水质试验水样由豆制品废水补加10关工业葡萄糖组成.豆制品废水取自北京豆制品六厂产生的黄浆水稀释而成,该废水参照工厂DOI:10.13227/j.hjkx.1991.03.00212卷3期表1豆制品黄浆水和试验水样水质项尸一一}pH豆制品黄浆水试验水样7。O*6。0一7.5COD浓度(mg/L)15000一200003800一5,00未*{NH才一、{凯氏氮}氰孺一}二竺些一卜竺些兰}三些生上!7吕.一891`700一’850}`“`’6一“0061’7一221387一457}2今`8一286`户,。一!碱度一一二{三一!一二燮些兰200/19一221200/16一20{1000一1500*新鲜黄浆水测定值,**包括外加葡萄塘的COD值.总出水COD浓度和碱度配制,其主要指标见表1.从表1中可以看到,豆制品废水中NH才一N浓度和凯氏氮浓度相差较大,氮元索主要以有机氮形态存在.根据工厂的生产工艺和所用原料分析,废水中有机物以蛋白质和淀粉为主.表1中所列废水的蛋白质含量是依据蛋白质含氮量(16多)计算而来.为了保证反应器的稳定运行,进水中补加NaZco:以保证其碱度在1000一1500mg/L(以Coco,计).又三)分析项目1化学分析项目(1)COD重铬酸钾标准法测定;(2、pHpHS一2型酸度计和精密试纸;(3)NH才一N饱和硼酸吸收法测定;(4)凯氏氮参照文献〔6];(5)有机酸的测定均采用sP一2305气相色谱仪,氢离子火焰检测器,定量测定采用外标法计算.2.不同类群细菌的数量和活性测定(l)细菌数量测定采用MPN法进行,三个重复.发酵性细菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌、乙酸裂解产甲烷菌和利用甲酸/HZ+cq的产甲烷菌计数用培养基的配制、分装、灭菌和接种见文献〔7〕.(z)不同类群细菌活性的测定试验装置见文献〔8〕,分别以乙酸、丙酸和丁酸为底物,测定污泥的最大比产甲烷速率,用以评价污泥中降解乙酸、丙酸和丁酸的细菌的活性.试验还以豆制品废水为底物测定了颗粒污泥形成过程中污泥活性的变化.二、结果与讨论(一)反应器的运行及颗粒污泥的形成1.反应器的运行过程反应器以北京苇沟养猪场厌氧消化污尼为接种污泥,接种量为109VSs/L反应器,接种后第二天开始连续进料,通过控制进水浓度和逐渐缩短水力停留时间,慢慢提高反应器负荷,经过65天运行后,反应器负荷达13kgeOD/m子·d,e0D去除率为75拓.自第65天后,反应器进水中不再补加10睡工业葡萄糖,而完全以豆制品废水为基质,维持反应器的运行负荷在12一13kgCOD/砂·d之间,其COD去除率仍能保持高于75汤的水平.反应器运行过程见图2和图.3力卜谕目知O九h孟,叼.0.0.0.0些15守·的的A团名、ao口切心容积负荷但么叹协一J气Jl匀缪T/污泥负荷.卜尸.于.1卜.1ólresesLeeLes内024ǎU口U64口卫已口.J,孟11(欲以拢井书00习908070605040ōù兮\心一气一点三~J一一一亩花犷或一拓喃一哺-喃偏2全井乡了t冲0工020304050时间(d)ǎP·。日/000.己担么形仲料琳盼畔弧抖拟泌衅护ǎ月à卜侧国去除率进水哪训6000训硼溯绷1000产闷\比日à侧泛自00时间阅图2反应器运动过程中进、出水COD及去除率的变化图3反应器运行过程中负荷、HRT和VSS/TS比值的变化12卷3期2.反应器内颗粒污泥的形成当反应器运行到第35天时取污泥观察,发现了直径1.omm左右的颗粒污泥,此时反应器容积负荷为3.gkgCOD/m,·d,污泥负荷为o.67kgCOD/kgVSs·d,在保证COD去除不低于75%和出水pH不低于7,2条件下,继续提高反应器负荷,以加快颗粒污泥成科学.,熟.在第65夭时从反应器内取泥观察,发现反应器内污泥已以颗粒状为主.根据反应器的运行情况,把颗粒污泥形成过程划分为污泥驯化期、提高负荷期、颗粒污泥成熟期和稳定运行期,各时期运行参数与污泥特征见表2.从表2中可以看到,以含蛋白质为主要颗粒污泥形成过程中运行参数与污泥特征项目污泥驯化期(第1一16d)提高负荷期(第17一35d)颗粒污泥成熟期(第36一6sd)稳定运行期*(第66一80d)进水CoD(mg/L)出水CoD(mg/L)COD去除率(%)容积负荷(kgCOD/m,·d)污泥负荷(kgCoD/kgvssHRT(h)产气率(m,沼气Zm,·d)沼气中甲烷含量(%)乙酸浓度(mg/L)丙酸浓度(mg/L)丁酸浓度(mg/L)5400一56001100一260055一760。6一11015一02900。6一l。038一6518一122146一7,00一1803600一3900800一1500,8一781.1一390。2一0。6735一23l。0一1.560一69]61一250207一310/3500一3800600一90075一853。9一13。50。67一1.2523一5l。5一8.965一7189一172250一307/斗300一50001100一130075一7611。6一13。51。25一1.356一940一6.964一72180一210241一257鳌…JI?,深泥为污变粒颗色泥污黑污泥特征絮状,球菌杆菌居多絮状,后期出现较多小颗粒状污泥,丝状菌增多污泥中以丝状菌为主,主要为颗粒状污泥,亦有小絮体*此运行期间未加10%工业葡萄塘.有机质废水培养颗粒污泥时当污泥负荷达到.067kgCOD/kgvSS·d才开始出现颗粒污泥,这比以碳水化合物为基质培养颗粒污泥的污泥负荷0.30kgeOD/kgvss·d要高闻.根据试险研究,pH和NH才一N浓度不是影响颗粒污泥形成的主要因素,只要反应器运行良好,出水pH一般在.72一7.5之间.除了进水中具有一定的碱度外,蛋白质氨化作用产生的NH、可能也是使出水pH升高的一个原因.试验过程中测得最高NH才一N浓度为360mg/L,此浓度通常不会引起抑制作用〔9,.由于工厂废水量较小,控制处理后废水中NH才一N浓度的经济、有效的措施尚有待进一步研究.含蛋白质废水厌氧处理时有两个特点,其一,进水中NH牛一N浓度低,氮主要以有机氮形式存在(见表1),由于许多厌氧菌如产甲烷菌只能利用NH才一N,不能以有机氮做为生长的氮源,因此蛋白质的氨化作用是该废水厌氧消化的一个重要环节,这可能也是启动uAsB反应器时污泥驯化期较长的缘故;其二,废水产酸发酵阶段的主要产物以丙酸为主(表2),研究表明,在低级脂肪酸中丙酸的临界抑制浓度最低,丙酸的积累往往造成反应器运行效率的下降叫,因此在培养颗粒污泥的过程中本试验控制丙酸浓度一般不超过300mg/L.(二)颗粒污泥形成过程中不同类群细菌数量和活性的变化1.不同类群细菌数量的变化MPN计数法研究颗粒污泥形成过程中发酵性细菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌、乙酸裂解产甲烷菌和甲酸/H:+cq产甲烷菌数量的结果见表3.从表3中可以看到,从反。10。环境应器接种到出现颗粒污泥,五种类群的细菌数量都有较大幅度的增加,其中以甲酸了HZ十co:产甲烷菌增长最多,从7.5x103个/m妹,增加到6.5xl。,个/ml污二,其余四个类群细菌数量也大致增加了2一3个数量级;从颗粒污泥形成期开始到稳定运行期结束,稳定运行l个半月,污泥中除乙酸裂解产甲烷菌从3.0x10`个/ml污二增加到4.5x108个12卷3期/ml。外,其余类群细菌数量变化都不大.这些结果表明,只有当污泥中各类群细菌达到一定数量并具有合适的比例后,才有可能形成颗粒污泥图.在颗粒污泥成熟和稳定运行期间,除乙酸裂解产甲烷菌外其它细菌数量的变化不大,这种不同类群细菌增长的不同变化规律可能表明它们在颗粒污泥形成过程中的功能有所不同.表3顺粒污泥形成过程中不同类群细菌数盆的变化细菌数量(个/二1污泥)细菌类群接种物(第1夭)第4,天第80天发酵性细菌丙酸分解菌丁酸分解菌乙酸裂解产甲烷菌甲酸/H:+Co:产甲烷菌1.IX10,4.5又x031。!X1044.5K1047.5x1037.5X10`4.,又1062.0X1063.0X1066。5X10丁3。0丫10,2.5只1039.三)匕1074.5丫10,7.5XIO72.污泥负荷与细菌数量的关系以进水cOD为基础的污泥负荷代表了提供给细菌生长的营养水平和能量高低,因此污泥负荷高低在一定程度上影响着细菌的数量水平,而细菌的生长繁殖又直接关系着颗粒污泥的形成.以碳水化合物为基质培养颗粒污泥发现,只有当污泥负荷高于.03kg·c0D/kg·VSS·d才能形成颗粒污泥.图4表示本试验系统污泥负荷与细菌数量的关系.图4反应器负荷与细菌数量的关系1.发酵性细菌2.丙酸分解菌3.丁酸分解菌4.乙酸裂解产甲烷菌5.甲酸ZH:十CO:产甲烷菌①容积负荷(kgCOD/m,·d)⑧污泥负荷(kgCOD/kgVSS·d)从图4可以看出,在较低负荷反应器形成颗粒污泥之前,污泥负荷高低对细菌数量变化影响较大,污泥负荷从0.1提高到。87kgcoD/kgvss·d时,发酵性细菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌、乙酸裂解产甲烷菌和甲酸/HZ+c02产甲烷菌的数量分别提高了2一4个数量级;而在较高负荷条件下颗粒污泥形成之后,污泥负荷对细菌数量水平影响较小,这可能与颗粒污泥形成之后其结构和组成都相对稳定、对环境条件变化有一定适应能力有关.3.颗粒污泥形成过程中污泥活性的变化为了研究颗粒污泥形成过程中污泥活性变化特征及其与细菌数量变化的相关性,试,验过程中分别以乙酸、丙酸和丁酸及豆制品废水为基质,测定了污泥最大比产甲烷速率的变化,结果见图,.从图5中可以看出,随反应器的运行和颗粒污泥的形成,污泥的活性不断提高,到第65天颗粒污泥成熟后同接种污泥的活性相比,污泥分解乙酸、丙酸和丁酸产甲烷的能力提高了3一4倍,降解豆制品废水产甲烷的能一2卷3期环瑰科学产声。以以卜匕、lu尸扮iuL、并瀚琪玉礼妇拭嚼仁5l.多群1.22}一寺0.9151209.0.0.00.060.6nJ.价九80L0一一了一nù一一乃Oì八曰一一