UASB系统启动过程中颗粒污泥形成全过程的机理性分析谢汉方

5月微生物学杂志·实践与技术·UASB系统启动过程中颗粒污泥形成全过程的机理性分析谢汉方苏希(辽宁省环境保护科学研究所,沈阳110031)上流式厌氧污泥床(UASB)作为高负荷厌氧反应器已得到公认,该反应器中培育成的颗粒污泥对提高处理效能极为有效。因此,育成颗粒污泥便成为启动过程中的关键。现己证实该法适用于制糖、淀粉加工、土豆加工、酒精、味精、柠檬酸、溶剂废醛和豆制品加工等工厂的废水处理。本文旨在简明扼要地综述育成颗粒污泥的经验。并伴以机制的阐述,以供实用中参考。一基质的条件首先,要培育颗粒污泥对基质有一定要求。有机废液的基质分为偏碳水化合物类,如制糖、淀粉、土豆加工废水等和偏蛋白质类,如豆制品加工废水。在颗粒污泥培育中基质COD:N:P通常为20:0:51(文献报道育成颗粒污泥的比例范围为110~200,5,l)。对偏碳水化合物类污水需添加N和P(通常投加尿素和磷酸盐)。对偏蛋白质类的应添加碳素类物质,如葡萄糖等,为降低成本是否可以用其它碳水化合物类污水补充尚需进一步试验,刘双江做过此类污水颗粒污泥的培育获得成功以〕,但不添加葡萄糖,颗粒污泥无法实现。可见碳素比例适当对促成颗粒污泥形成是必需的,据研究,葡萄糖的添加对增加胞外多聚物,促进细胞间的聚集起着粘连作用〔i〕。在培育颗拉污泥时,进水COD通常为1000一500Om慈/L,控制在此范围,既防止COD过低造成营养不良,又防止高浓度极易造成厌氧反应偏酸性,导致厌氧反应的各类菌种生长中比例失调。因此,适中的COD保证水力筛选的线速度,细菌正常培育时期内所需的营养,使细胞稳实地生长,沉降性能好,整个反应系统稳定性也好,有利于颗粒污泥的形成。此外,应注意进水水质中碱度通常应在i000mg/L(以CaCO。计)左右,有时甚至应大于I000m岁L。国内清华大学在进行啤酒废水的研究中,曾因忽略碱度控制,使颗粒污泥形成受挫。可以添加适量碳酸钠,使处理基质缓冲性好,系统pH保持在6.5一7.5。另外,有些文献还介绍了添加微量元素M。、Co、Ni对微生物生长、污泥活性提高、促进颗粒污泥形成是有益的〔“〕。二接种污泥的条件培育颗粒污泥虽对接种污泥无特殊要求,因为一般均能产生颗粒污泥〔“〕,但接种污泥品质差异对形成颗粒污泥的快慢有直接影响。接种污泥的品质主要包括:污泥的沉降性能,表观松散絮状程度,55、vss/55,最大比产甲烷速率〔4〕、最大比COD去除率、电镜鉴别微生物量丰富的程度等。总之,可归结为沉降性、微生物数量微生物学杂志第14卷和活性三者。通常沉降性能好、55和VSS/55较大、微生物量丰富、最大比产甲烷速率和最大比COD去除率较大,则微生物的量和质俱佳,活性高,对加快启动过程和颗粒污泥形成有利,因此,保证污泥沉降性好和厌氧微生物丰富,活性高是重要的。应特别强调,接种污泥必须沉降性好,这样的污泥不易膨胀流失,应优先采用消化池底部污泥,虽较上层的活性低,起动速率慢一些。但因沉降性好尚能保持有足够多的时间裕量使生物相停留在反应器上形成颗粒污泥〔”〕。污泥接种量按55、VSS/55和污泥活性程度而决定其多少,通常范围为5一15g.VSS/I。接种时应去除浮水和漂着的杂竹,然后用40自筛过筛,当由具体情况决定某一接种浓度后,即按总有效体积计算接种总量,接种后一般反应器应静置一天。接种污泥的状况对启动快慢和颗粒污泥形成所需时间有一定影响。刘双江用三种不同污泥分别接种于用葡萄糖配制的相同基质中,均培育得颗粒污泥,但时间长短不一,作为经验借鉴,现将该情况汇集于表1中。表1三种接种污泥处理葡萄糖配制基质培育颗粒污泥情况对比l一、::种类1。。。g/l。}vss/551月于,xCH:{沉。:性{开竺出粤黔粒污泥{黔竺污咨齐全成`“一一一-匕-一一一一嘿婴毕下丁缨件升型尽一-A{2。·7…。“`{接近。…彗;。`蒸…6。{`。”日}15.6}0.39{0.33}今子匕之三_r、丫二、{251bU_{一}…_}万系“已{贫’}_}__C125.2}O。了Z{U。4了}`渴}11}J乙!{}1’`}{..曰..........口口.表l中A类污泥菌量少,活性太差,沉降性较好,经较长时间才育成颗粒污泥。相比之下B类和C类污泥就快得多。三颗粒污泥育成的控制过程育成颗粒污泥的全过程通常分为三个阶段:一、滞后阶段,二、提高负荷阶段,三、颗粒污泥出现到成熟的阶段。当接种污泥品质高时,可免除滞后阶段。滞后阶段呈负荷极低的运行阶段,因接种污泥对基质不适应或污泥中微生物贫乏,活性差而设置的,故也称驯化阶段,其时间长短决定于污泥里微生物相(菌的组成和数量及其活性所造成的微生物群的某种结构)的状况。、第一阶段后厌氧微生物相状况有了提高,厌氧反应系统的运行性能较前改善;因此,务必在负荷提高的第二阶段中使污泥负荷和容积负荷以较大幅度提高,随之,几厌氧系统COD去除率也有显著提高,到该阶段结束时已开始有颗粒污泥出现。其较明显的标志是通常污泥负荷均超过0.3kgCOD/kgVS.Sd。这表明只有达到一定负荷时甲烷菌才能获得丰富营养和能量,加速生长,达到一定数量才能形成颗粒污泥。第三阶段中容积负荷应以更大幅度、更大速率提高,于是污泥负荷也相应大增,从而加快颗粒污泥的成熟,随之COD去除率提高到更高水平。这就是颗粒污泥形成的全过程。由于偏碳水化合物类基质与偏蛋白质类基质的差异,从本质上而言前者厌氧发第l期谢汉方等:UASB系统启动过程中颗粒污泥形成的机理性分析27酵中以乙酸型发酵或丁酸型发酵为主,后者丙酸型发酵超过前者;所以,两种基质所形成的颗粒污泥的菌相有差异。在形成颗粒污泥的启动过程中,后者的进水COD浓度、污泥负荷、出水pH和碱度一般均高于前者。相比之下后者启动较前者难度大。为了得到数量的概念,以实例〔’〕为成功经验。现将用同种性状污泥分别接种于葡萄糖配制基质和豆制品加工废液培育颗粒污泥的情况整理汇总后列于表2中。综上所述,在启动过程中至少可以得到如下几点:1、应根据不同污泥性状采取相应的启动措施。2、在保证反应器运行稳定条件下、适当提高反应器负荷,可加快颗粒污泥成熟,缩短培育颗粒污泥时间。3、当污泥负荷达0.3kgCOD/kg·VSS·d以上开始形成颗粒污泥时应不失时机地迅速提高污泥负荷到0.6一0.7kgCOD/kg·VS.SC,不宜停留在0.3一0.51kgCOD/kg·VS.Sd范围内,防止絮状污泥争夺营养,迅速增长。4、应注意分别不同类型的水质采取相应的措施。5、颗粒污泥的形成不是个别因素影响的产物,而是多种因素综合影响的结果,应灵活机动而又不失原则地采取配套措施,按过程发展具体情况因势利导。一四其它因素一定的水力负荷(0.25m“/m3·h)有利于筛选沉降性好的污泥,淘汰结构松散的污泥,且水流动的机械作用和剪切力对生物颗粒的形成有影响。接种污泥如提供适当颗粒体,甚至少量破碎颗粒污泥,可促进颗粒污泥的形成。大量接种沉降性差的污泥容易造成膨胀流失(膨胀流失决不等于冲刷流失),只有反应器运行过程中自然筛选、滞留沉降性好的污泥的冲刷流失才是符合需要的筛选过程。适量钙离子(80mg/L)的添加,其产生的电搭桥作用促进颗粒污泥形成,甚至磷酸盐的存在也是颗粒污泥提前出现的因素,但也有学者认为,这样形成的颗粒在无钙离子存在下育成的,易解体(e)。还有其它因素对颗粒污泥的形成有影响,如温度、水力负荷、污泥的状态、钙离子和磷酸盐等。在常温(如25℃)、中温和高温(如55℃)都有过颗粒污泥育成的经验,但高温一般较中温培育所需时间短,且中温条件培育颗粒污泥强调接种含一定数量颗粒。五结论UASB系统启动过程颗粒污泥的形成是包括疏水作用、微生物相中互营共生作用和胞外多聚物粘连作用等内因和外界因素水流冲刷、沼气搅拌、各种控制条件共同作用下的复杂过程。不能机械认为是某一两个因素影响的结果,例如在豆制品废水的启动过程中污泥负荷同样在0.67一i.25kgCOD/kg·VSS·d条件下,有的反应器内形成颗粒污泥,而有的反应器中就没有形成。又如胞外多聚物的增加会促成颗粒污泥的形成,但是在组成颗粒污泥重要的优势菌产甲烷丝菌和其它许多细菌细胞外并未明显胞外多聚物存在。颗粒污泥的形成中尚有许多间题正待研究,如抑制颗粒污泥形成的因素,颗粒污泥形成后再生、解体和稳定性的考察研究,乃至颗粒污泥形成的机理本身仍需探深索微。虽然有了一些启动过程形成颗粒污泥微生物学杂志第14卷表2同种污泥接种葡萄糖配制基质和豆制品加工废液培育颗粒污泥过程比较病飞犷…滞后阶段提高负荷阶段亏泥出成熟厂几照一天数(日)1一23124一60公云一瓜一65进水COD(mg/L)840一1310llC8一4030的经验,但仍无法构成“专家系统”的完整条件,即尚没有保证形成颗粒污泥充分必要条件的经验可循,因为,还没有找到标志必然形成颗粒污泥的“识别”和“控制”性因素或条件,所以,目前培育过程的经验仅仅是存在着育成颗粒污泥的可能性(有时甚至是极大可能性)的各种先验条件的综合试探。容积负荷参考文献川川!l刊已川(kgCOD/m3’d){5400一56003500一3800350。一3乙00一…“些今…二二巴。·3一1·1{1·1一匕·”}“·,一11·4派泥员荷kgCOD/kgVSd)BO。6一1。lo·24一o·47一o·48一。·351.1一3。。{3.。一1.411。9一8。性6。4一s。8gJ{35一2323一8A一BHRJ(h)出水碱度(mg/L.以CaCO3计)…全…{B}一立~冲i兰二燮i1540一1770}1790一2000834一15681840一21C0出水pH6。5一7。5{6。e一7。2刘双江升流式厌氧污泥层反应器内颗粒污泥形成过程中均微生物学研究博士论文i寿华大学1990吴唯民等L+i离子浓度对厌氧消化的影响中国环境科学1958一8(1):68一71胡纪萃中国环境科学19888(2):61一65胡纪萃最大比COD去除率测定及其应用清华大学环境工程系198了刘双江等中国科境科学199010(5):344Huls五0ff。L,Lettihga,G.:Wat,Sei.Teeh1956:15(2):41一537。2一7.4}7。2一7。4COD去涂率(拓)B7。5一7。oA!/;}一;;二磊-!5。.8一74.8了。.。一8。.:58一了8}75一85一刃注A葡萄糖配制基质;B豆制品加工废水美国用生物工程技术研制成功抗病虫害植物笑国孟山都公司最近利用生物工程技术研制成功具有抗病虫害的植物,在世界上首次实现了这种植物的实用化,预计1995年这种棉花籽将上市出售。美国孟山都公司在生物工程研究上处于世界前列。他们将产生棉铃虫病原菌毒素的遗传因子提取出来,并将其混入棉籽中,用这种棉籽种出的棉花具有抗棉铃虫性。棉铃虫病原菌的毒素只对棉铃虫有害,对其它生物则毫无影响,这对自然、环保十分有利。可以说这种防虫治虫是划时代的技术。目前孟山都公司正向美国环保部申请此项专利,并将进一步研制抗病虫害的马铃薯、玉米等,预计3~4年内可投放市场。张翠艘摘自《利`技日报》1993。12.11。