UASB反应器中高效能厌氧产酸污泥颗粒化的研究杨虹

上海交通大学学报第29卷第5期JouRNALoFsHANGHAIJIAoToNGuNIvERsITYvol.29腿52995UASB反应器中高效能厌氧产酸污泥颗粒化的研究杨红(生物科学与技术系)摘要在产酸UASB反应器中,以配制葡萄糖废水为基质能够快速培养得到高活性、高沉降性的厌氧产酸颗拉污泥,形成高效能的产酸颗拉污泥床,反应器体积有机负荷达21ogCOD/L·d时,酸化率为93%;观察研究了产酸污泥颗粒化过程中生物相和气体成分的变化规律,得出了产酸污泥颗粒化的主要控制条件是在反应器启动初期控制反应器内的pH为4.0左右;最后,探讨并提出了产酸污泥颗拉化机理.关键词废水处理,厌氧消化,产酸相,上流式厌氧污泥来反应器(UASB),颗拉化中图法分类号X172O引言自从两相厌氧生物废水处理问世以来,在对产酸相进行的大部分研究中,所采用的反应器一般为全混流或絮状污泥UASB反应器〔`一`〕.这些厌氧产酸反应器的共同缺点是没有像单相或产甲烷相厌氧反应器那样体现第二代厌氧反应器的主要思想,即没有通过菌体成膜或成颗粒在反应器中形成高效能的产酸污泥菌体,导致体积有机负荷小,产酸相处理效能不够理想.由于UASB反应器是最为广泛应用的厌氧生物废水处理反应器,故在此反应器中尝试进行无载体产酸颗粒污泥的培育和研究具有实践意义.本研究是在UASB反应器中以葡萄糖为基质尝试培养产酸颗粒污泥,主要研究内容包括:产酸污泥颗粒化的过程条件和机理研究、产酸颗粒污泥UASB反应器运行效能的研究.1材料和方法收稿日期:1994一11一28作者:男,2964年生,博士.上海,200050.DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.1995.05.027上海交通大学学报1995年第5期2.2产酸污泥颗粒化的主要控制条件本研究快速培育出了AGS,主要控制特点是在产酸UASB启动初期就控制pH在一个很低的范围内.因在低pH下(4.0)开始启动产酸UASB时,甲烷菌的破碎死亡很快发生,导致原单相颗粒污泥(以下简称GSSP)很快破碎形成大量碎片.以这些碎片为核心,产酸菌很快附着其上生氏而形成大量的AGS,颗粒长大到一定程度后就会破碎(因微生物聚体的最大直径受限于传质阻力和外部剪切力〔8〕),其碎片又可作为新的核心而形成AGS;如果启动初期的pH较高(5.8)〔们,产甲烷菌的破碎和自溶不能大量发生,GSSP也就较少破碎,以此大的GSSP为核心,产酸菌附着其上生长而形成的聚体直径远大于低pH下启动而形成的聚体的直径.这是因为:①在高pH下,聚体的GSSP内核中的产甲烷菌可以维持相当的代谢水平,不会有大量甲烷菌的自溶和破碎发生,故聚体易长到很大而不破碎;②在传质限制对产酸菌层基质供给的影响情况相同时,即使同一径向厚度的产酸菌层,由于高pH下聚体的GSSP核心较大,因而此聚体也将远大于低pH下的聚体.高pH下启动,菌体能分泌大量的粘性物质,大量粘性物质的分泌无助于颗粒的形成〔8〕.聚体大而且粘性物质太多就使得高pH下启动形成的聚体极易逐渐粘合在一起而迅速膨胀形成棉絮状污泥.与此相反,在低pH下启动,聚体小且粘性物质适量(图4)因而极易颗粒化.可见产酸UASB启动初期的低pH控制是产酸污泥颗粒化的关键.2.3产酸污泥颗粒化机理图7以含部分GSSP的污泥为接种污泥的产酸污泥颗粒化机理1一接种GSSP,2一GSSP的破碎,3一含有GSSP碎片内核的AGS的形成,4一含GSSP碎片内核的AGS的解体;5一小颗粒簇,6一AGS的增大,7一GSSP碎片的洗出,8一GSSP碎片的再次为核,9一AGS的解体在产酸污泥颗粒化过程的初期,原接种污泥中的部分单相颗粒污泥(GSSP)是不可缺少的.因GSSP及其碎片有一定的大小和重量,具有相对长的停留时间,这就为产酸菌的附着和颗粒化提供了一个良好的基础核.GSSP碎片作为AGS的核仅仅是一个过渡形式.当AGS逐渐成熟后,GSSP碎片也就逐渐消失了.GSSP及其碎片逐渐消失的原因主要是:①在低pH下,GSSP碎片不能再生形成新的GSSP;②这些GSSP碎片被逐渐洗出.这就形成了由有GSSP碎片内核的AGS向无GSSP碎片内核的AGS的完全过渡.可以看出:产酸污泥颗粒化过程是一个动态过程.颗粒聚体的长大是基于连续的产酸菌生长和一定程度的小颗粒的聚合而达到的.另一方面,颗粒聚体的直径又受限于传质阻力造成的局部基质供应不充分和气流水流造成的外部剪切力,这就造成超过一定直径的颗粒又连续不断地破碎,其破碎片又作为新的核心形成新的颗粒聚体.那么颗粒聚体中的每一个菌体的相对位置和微环境也是不断变化的.综合产酸污泥颗粒化过程中的实验结果和讨论可以推出一个以含部分GSSP的污泥为接种污泥的产酸污泥颗粒化机理(图7).杨虹:uABs反应器中高效能厌氧产酸污泥颗粒化的研究2.4产酸颗粒污泥uAsB反应器运行效能的研究表2不同pH下产酸颗粒污泥UAsB反应器稳定运行结果(进水浓度一12.sgCOD/L,反应器容积有机负荷一21馆COD/L·d)PH4.55.05.46.06.5酸化率(%)82.787.293.089.687.5污泥床浓度/gVSS·L一`44.544.045.046.245.5见于报道的厌氧产酸反应器的容积产酸速率均小于10馆COD/L·d〔`’`’9〕,故可以看出:产酸颗粒污泥UASB的运行效能(容积负荷210gCOD/L·d,酸化率93%)较全混流产酸反应器及絮状污泥产酸UASB大大提高.这主要是因为:①完全的相分离优化了产酸污泥中的菌体质量;②颗粒化使菌体在反应器中具有很高浓度.其结果是产酸颗粒污泥UASB的容积负荷成倍提高.3结论(1)在UASB反应器中,以葡萄糖配水为基质能够快速培养得到高沉降性的产酸颗粒污泥(AGs),形成高浓度高效能的产酸颗粒污泥床,其体积负荷达21鲍c0D/L·d时酸化率达93%;其效能明显优于絮状污泥UASB和全混流产酸反应器等.(2)产酸UASB启动初期控制pH在低范围(PH4),则污泥极易颗粒化;反之控制pH在较高范围(pH5.8),污泥则极易絮状化膨胀.因此,pH控制是产酸颗粒污泥成功培育的关键.(3)综合产酸污泥颗粒化过程中的生物相观察和气体分析,本文提出了以单相厌氧污泥(含部分颗粒污泥)为接种污泥的产酸颗粒污泥动态形成机理.参考文献1CohenA,ZoetemeyerRJ,VanDeursenA,etal.Anaerobiedigestionofglueosewithseparatedaeidprodutionandnrethaneformation.WaterRes,1979,13:571~5802ZoetemeyerRJ,VanDenHeuvelJC,CohenA.pHinflueneeonaeidogeniedissimilationofglueoseinananaerobiedi-gestor.WaterRes,1982,16:303~3113GijzenHJ.High一ratetwo一phaseproeessfortheanaerobiedegradationofeellulose,employinbgRuminmieroorganismsforaneffieient.BioteehBioeng,1988,31:418~4254竺建荣.二相升流式厌氧污泥床工艺微生物学特性的研究:〔博士论文〕.清华大学,199。5杨虹.二相厌氧消化新技术研究:仁博士论文〕.无锡轻工业学院,19936中国科学院成都生物研究所.沼气发酵常规分析.北京:北京科技出版社,19847YangHong.Studiesoftheaeidogeniephaseofanaerobiedigestion.In:IntSymPonEnvironmentalandChemiealEngi-neering·GuangZhou:southChinaUniversityofTeeh月ologypress,19928BeeftinkHH,StaugaardP.Struetureanddynamiesofanaerobiebaeterialaggregatesinagas一liftreaetor.WatseiTeeh-nol,1986,19:311一3229DinopoulouG,RuddT,LesterJN.Anaerobieaeidogenesisofaeomplexwastewater:I.Theinflueneeofoperationalparametersonreaetorperformanee.BioteehBioeng,1988,31:958一968(下转第186页)186上海交通大学学报1995年第5期的这类决策问题具有积极意义.其中,目标之间的关联用统计方法仁`二可以得到.然而,由于笔者这方面研究还处于初始阶段,加上篇幅有限,有些问题还不可能展开讨论,例如:偏好关联效用、效用水平相关等等,这一些将作进一步研究并另文探讨.参考文献KeeneyR,RaiffaH.Deelslonsofmultipleobjeetives.NewYork:Jo}znWiely匕501:s,1976.57一66SteinC.Estimationofthemeanofamultivavitenornlaldistrlbution.ProePragueSymposAsymptotieStatlsties,1973,(9):43一51RubinsteinM.Thefundamentaltheoren飞ofparameter一prefereneeseeurityvaluatlon.JFinanelalandQuantltatlveAnal,1989,(8):34一39方开泰.实用多元统计分析.上海:华东师范大学出版社·1,89.82一102TheDeeisionUtilityofLotteryInterrelationQuanLinChe,,She,:g〔五aoZhaoJunheZhangZhon幻unAbstraetInthisPaPer,theeurrentsituationoftheinterrelationoftwolotteriesanditsProblemshavebeenanalyzedandstudied.Thisissue,aswellasthesharedPerfereneeofdif-ferentsubjeetivesandtheinflueneesthatlotterybaekgroundexertsonutilityareeonsideredtogether.This15thefirsttimethattherelationofutility15examinedfromtheangleofthesystemofthedeeisionsubjeetive,baekgroundandobjeetives.Keywordslottery,utilityinterrelation,deeisionutility(上接第169页)StudyonAnaerobieAeidogenieSludgeGranulationinUASBReaCtorYangHongAbstraetTheaeidogeniegranularsludge(AGS)eanbeeultivatedrapidlywithglueoseasthesubstrateinanaeidogenieUASBreaetor.Whenthehigheffieientsludgebedoftheaei-dogenieUASB15established,thevolumeloadingrate21OgCOD/I才·dandtheaeidifieationeffieieney93%areaehieved.Thevariationregularityofthemierobialphaseandgasproduetseompositionwasinvestigatedintheeours