厌氧颗粒污泥形成探讨

影响厌氧污泥颗粒化的因素,_1q6k&FN厌氧污泥颗粒化是一个非常复杂的过程，受到诸多因素的影响，可以归纳为：环境因素、废水特征、接种污泥和操作因素。+n*m9d:~6T/x2u-S+s8Q1环境因素1.1温度废水的厌氧处理主要依靠水中微生物的生命活动来达到处理的目的,不同的微生物生长需要不同的温度范围,根据反应器内微生物的这一特性,通常将反应器划分为低温(16～25℃)UASB反应器、中温(30～40℃)UASB反应器、及高温(50～60℃)UASB反应器。一般说来，稳定每增加10℃，厌氧反应速度约增加一倍。低温下，颗粒污泥的形成需要很长的时间，而中、高温则较短。中温条件下UASB的应用最为广泛，而高温条件主要是用在废水本身温度较高的场合，而且由于温度较高，NH3及其它一些化学物质的毒性随之增加，这给高温下厌氧颗粒污泥的形成带来了一定的障碍。1.2pH值及pH缓冲能力pH值是厌氧处理的又一个重要因素。厌氧过程中,水解菌与产酸菌对pH有较大的适应范围,而甲烷菌则对pH值比较敏感,适宜它的生长范围是6.5～7.8。若反应器内废水pH值超过这个范围,会引起由于甲烷菌受到抑制而出现的酸积累等问题,因而甲烷菌的这一特性也就决定了反应器内反应区所应控制的pH值范围。反应器内乙酸的形成是对pH值影响最大的一个因素。不同特性的废水进入反应器后对pH值的影响也不同,例如含碳水化合物的废水会引起pH值的降低,而含大量蛋白质和氨基酸的废水则会造成pH值上升。因而,进液时废水可有不同的pH值,关键是保证进液后pH值的稳定,使废水有一定的缓冲能力,防止酸积累对甲烷菌产生毒性影响。在操作过程中出水回流不仅在反应器启动阶段提供反应器一定的水力负荷,且由于出水碱度高于进水碱度,可增加废水的缓冲能力,减少化学物质的添加[41];不过,更多地是采用向废水中添加化学药品如Na2CO3、NaOH、Ca(OH)2、NaHCO3等碱性物质,以在废水中形成碳酸氢盐缓冲系统,保证系统pH值的稳定。但是在投加化学药品时,要充分考虑到盐类的毒性作用,投加浓度不能高于其毒性浓度。!V/a8{1U,c)K0I;\1.3营养物和微量元素[1]!R+X3C;{%e,Z%y8u3M微生物的生长需要一定量的营养物和微量元素,添加营养物的数量及微量元素的种类要依据组成细胞的化学成分而定。UASB反应器中,细菌种类可能有产酸菌、酸分解菌、产甲烷菌等几种。不论在哪几种微生物,C、N、P都是微生物生长所不可缺少的。一般说来,对于未酸化的废水,C∶N∶P=130∶5∶1;而对于基本上完全酸化的废水C∶N∶P=1000∶5∶1～330∶5∶1。对于部分酸化的废水,可视具体情况根据上述数据参考而定。除此以外,微量元素对微生物良好生长也有重要的作用。以甲烷菌为例来说,甲烷菌需要相对高浓度的Fe、Co、Ni等,而在某些废水中不含有或含有的浓度非常低。在此情况下,只有向废水中补充这些微量元素。已在进水合成基质成分的试验中,添加过Fecl2•4H2O,CuCl2等物质[42]。不过,具体要添加哪种微量金属溶液,还要依据进液废水的情况而定。6kJ,S+C1J!w0H,U0n2废水特征.@1j$B1R(U8[9z废水特征及操作设计条件均是UASB反应器启动的影响因素。2.1进水COD浓度经过人们大量的研究认为,在初次启动UASB反应器时,进水COD浓度宜在500mg/L左右[43]。若COD浓度较高,可采用出水回流进行稀释的方法。出水中,不能含有高的不可降解的COD,以防反应器过负荷。随着颗粒污泥的逐渐形成,逐步提高负荷,最终实现原水进液。4Y'd8O2F#`(}8Y-}*g但是竺建荣等人[43]认为,进水稀释后,要最终实现原水或高浓度水的处理,需一定的调整时间,有时会因浓度高低相差太多而造成颗粒污泥特性的改变或恶化。若采用原水或高浓度水直接培养颗粒污泥,只要操作适当,就可解决这一问题,这一点非常有研究前景的。2.2悬浮物B,s5MK0H;i&e2C1Q废水中的悬浮物会造成污泥产甲烷活性的降低,阻碍有机物的降解,引起污泥流失,降低污泥颗粒化的速度,甚至根本不能形成颗粒污泥。UASB反应器较其他高速厌氧反应器有令人满意的悬浮物去除效果。当悬浮物低于300mg/L时[1],不会对反应器的初次启动有太大的不利影响,这也是UASB反应器较其他反应器优越的特征之一。)Oi2A!^)D-y;\对于高浓度的悬浮物,可在反应器前增加预处理装置,如沉淀池等,通过絮凝、混凝等方式予以去除。若悬浮物是可生物降解的,则不必对其进行预处理。2.3毒性化合物的存在对废水特征进行分析时,还必须充分考虑废水中是否存在毒性化合物或在降解过程中可能转化为毒性化合物的物质。这些物质的存在对敏感的甲烷菌有不利影响,抑制微生物的活性,阻碍污泥颗粒化。&^;Rn1s5c一般说来,毒性物质分为无机毒性物质(如氨、无机硫化物、盐及重金属等)、有机毒性物质以及生物异型化合物。这些物质根据存在浓度、存在形态及环境因素如pH值的不同而显示不同的毒性作用。例如,接种污泥中高的硫酸盐会造成低的产甲烷量[44],氨的毒性则体现在游离氨的毒性上,pH为7时,游离氨仅为总氨氮的1%,而pH为8时,游离氨的比例可上升10倍。此外,当氨的浓度被稀释至低于抑制浓度时,则毒性消失,具有可逆性。所有这些特点在用UASB反应器处理含蛋白质或氨基酸的废水时,要充分考虑。可采用对废水稀释或对污泥进行驯化来消除毒性,保证反应器的启动成功。3接种污泥UASB的处理能力主要取决于两个参数：反应器内保存的生物体数量和残留生物体的比活性,因而反应器的启动快慢很大程度上决定于接种污泥的性质。一般说来,用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有利的,但在没有同类型污泥时,寻找合适的种泥便成了能否启动成功的关键之一。厌氧消化污泥或粪便可优先考虑,陆正禹等[45]在常温下启动UASB处理啤酒废水时发现,好氧污泥也可作为厌氧反应器的接种污泥,但反应器的运行稳定性和抗冲击负荷的能力不足,随着运行时间的延长可以达到厌氧污泥接种的水平,但驯化时间远远长于厌氧污泥接种的情况。不同的厌氧污泥同样对反应器的启动具有一定的影响,Fang等[46]分别利用絮状消化污泥,正常运行的UASB颗粒污泥及碎裂的颗粒污泥接种,发现虽然三个反应器经过110天后都能形成颗粒污泥,但用絮状污泥接种的厌氧反应器启动时间明显长于后两者。利用UASB处理有毒有机废水时,对消化污泥进行短期的人工培养,可以有效地缩短启动时间[47]。Lepisto[48]等在一项研究中发现,利用中温颗状污泥接种,经28ｄ可以得到稳定的亚甲基源与60%以上的COD去除率。厌氧微生物的生长率比好氧微生物要低得多,因此在启动厌氧反应器时,有足够的接种量要比好氧系统更重要。根据Lettinga的经验,中温型UASB反应器的污泥接种量需稠密型污泥12～15kgVSS/m3或稀薄型污泥6kgVSS/m3。高温型UASB反应器最佳接种量在6～15kgVSS/m3。过低的接种污泥量会造成初始的污泥负荷过高,污泥量的迅速增长会使反应器内各种群数量不平衡,降低运行的稳定性,一旦控制不当便会造成反应器的酸化。较多的接种菌液可大大缩短启动所需的时间,但过多的接种污泥量没有必要。$@!~5K!l2u#g,G2l9l#x4操作因素操作因素主要是水力负荷和污泥负荷。研究表明[49]，厌氧污泥在颗粒化过程中，一定的上升流速和气流搅拌对颗粒污泥的形成影响十分明显。在污泥颗粒化过程中,亚核形成阶段和亚核增长阶段是关键性阶段。流体动量传递效应是颗粒化过程的必要条件。UASB启动期,依重力沉降形成的絮状污泥层的流通性能不良,污泥床易形成沟流或柱塞式整体上浮,影响亚核的形成。因此布水均匀性和最低流速的控制十分重要。另外，在启动时,污泥负荷不应太高。在以VFA混合物进液时,以消化污泥为接种污泥的实验中,反应器启动负荷由0.5～1.5kgCOD/(m3．d)或污泥负荷由0.05～0.1kgCOD/(m3．d)开始。水流与产气选择性地洗出细小的颗粒污泥或絮状污泥,这也是污泥颗粒化的一个关键的因素。因此,此时洗出的污泥因降解性能差而不再回流至反应器。但是要注意的是,洗出的污泥量不能太多,否则会因负荷过高而导致反应器内酸积累,系统运行不稳定。当可降解COD被去除80%后,再逐步提高负荷。若以VFA混合液进液,对于含碳水化合物的溶解性废水,污泥负荷达到0.3kgCOD/(m3．d)就会出现颗粒污泥,而以蛋白质为主的有机负荷,当污泥负荷达到0.67kgCOD/(m3．d)时才会出现颗粒污泥。颗粒污泥出现后,可逐渐加大水力负荷,减少水力停留时间,以促进颗粒污泥的快速形成,缩短启动时间。厌氧污泥颗粒化机制#P(q5{.h;R-d*W/o(V目前，厌氧颗粒污泥形成机制的研究主要从两个方面来进行，一是通过比较培养颗粒污泥的不同工艺条件和过程，提出厌氧颗粒污泥的可能形成机制；二是通过研究不同工艺条件和过程培养得到的厌氧颗粒污泥的性能，推测厌氧颗粒污泥的可能形成机制。具体来说，有以下几种不同的学说。1无机物作用说6A+K.V)t$`+E持这种机制学说的研究者认为：颗粒污泥的形成，无机物（包括、Ca（PO4）2、CaCO3、FeS、SiO2等化合物和金属离子）在其中起着主要作用。具体说来有如下几种作用方式：9h(gE)u,N+n:L+W-y9a1.1中和作用c-U3D&^2C7S*|,]6MForste[26]r等人认为，由于钙和硅带正电，被吸附在带负电的细胞表面，中和了电荷，使细菌表面的电荷减少形成疏水性，从而使细菌凝聚在一起。1.2惰性物作用p;p!W'~1I:j5~Dubourguier[27]等发现FeS被牢固吸附在M.soehngenii细菌的鞘上，由于FeS与水相比有较高的表面张力和Methanothrixsp.具有易于附着于各种惰性表面的疏水性，基于大量Methanothrixsp.的存在是大多数颗粒污泥的共性，因此，FeS可能有助于稳定颗粒中的菌团，从而对颗粒污泥的稳定具有一定的作用。5?.c6{6w,Nx:q6_1.3增强颗粒污泥的稳定性3O3L.w0A#u0`/O(v7^Grotenhuis[28]等人用EGTA络合颗粒污泥中钙离子，通过测定络合前后颗粒污泥的强度，得出结论，钙离子对颗粒污泥的稳定性有重要作用。此外，在UASB反应器中用Ca（OH）2代替NaCO3,也发现形成的颗粒污泥稳定性好一些。陈坚等人[29]的研究发现，在产酸和产甲烷颗粒污泥中，Si对颗粒的稳定性，强度等方面的作用程度要强于Ca，而且Si和Ca可以多种化合物的形式存在。1.4加速颗粒化过程&G2e.k-~0a$O1P$YMahoney[30]等人在研究钙离子对微生物凝聚作用时，发现加钙离子形成的颗粒污泥沉降性能好，并且加钙离子可加快反应器的启动。但Lettinga曾认为大量的CaCO3会覆盖在颗粒的外表面，除活性损失外，还增大颗粒的密度，使反应器底部污泥浓度过高不利于废水与污泥的接触。(L0^5q0i9H+h,t2N3r1.5絮凝作用王宝贞[31]等人发现加入絮凝剂Al2(SO4)3和ZnSO4有利于颗粒污泥的形成，于是认为颗粒污泥的形成可能与无机物的絮凝作用有关。$m:G8j4f$Q2粘液说cb$C)k;^2@8R5p*h/}#r持这种机制学说的研究者主要依据是：借助于透视和扫描电子显微镜，可以发现颗粒污泥中某些细菌，如产甲烷八叠球菌和某些杆菌会分泌出一层薄薄的粘液层，即胞外多聚物（ExtracellularPolymers,简称ECP），从而推测其在颗粒污泥的形成中有着重要的作用。D&t)o'o(T!x胞外多聚物以荚膜或胞外粘液形式积累，已被普遍认为与菌体附着和絮凝过程有关。已有研究表明，ECP可在共生细胞间提供形成各种键，如多糖－蛋白质特殊连接键、氢键、极性键等的条件。在生物膜的形成和稳定过程中ECP具有的重要作用多有报导。因此，ECP在颗粒化过程中起着重要作用的观点得到了许多研究者的认同。一般认为ECP的作用在于其