厭氧反應(yīng)器快速啟動(dòng)技術(shù)研究
一、外加物質(zhì)效應(yīng)1 投加無機(jī)絮凝劑或高聚物
為了保證反應(yīng)器內(nèi)的最佳生長(zhǎng)條件,必要時(shí)可改變廢水的成分,其方法是向進(jìn)水中投加養(yǎng)分、維生素和促進(jìn)劑等。Macarie和Guyot研究發(fā)現(xiàn),在處理生物難降解有機(jī)污染物亞甲基安息香酸廢水時(shí),向廢水中投加FeSO4和生物易降解培養(yǎng)基后,可以有效地降低原系統(tǒng)的氧化還原能力,達(dá)到一個(gè)合適的亞甲基源水平,縮短ＵＡＳＢ的啟動(dòng)時(shí)間。
Imai研究了向接種污泥中添加吸水性聚合物(WAP)的作用。WAP主要成分為丙烯酸顆粒樹脂，具有可供微生物附著的高的比表面和復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而且密度低(濕密度1.0g/ml)，與砂及其他物質(zhì)相比提高了顆粒與微生物間的接觸，明顯強(qiáng)化了以葡萄糖或VFA為基質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和中試規(guī)模UASB反應(yīng)器的顆粒化過程。在顆粒污泥形成之后WAP被厭氧微生物慢慢降解，這造成顆粒分裂成多個(gè)小碎塊，然后再次生長(zhǎng)為成熟顆粒。逐漸地，所有顆粒被降解。根據(jù)試驗(yàn)提出用于強(qiáng)化顆粒化過程的反應(yīng)器體積內(nèi)WAP投加量為約750mg/L。
王林山等人向厭氧接種污泥中投加膨潤(rùn)土(BT)和聚丙烯酰胺(PAM),采用常溫間歇式進(jìn)料,在一月內(nèi)獲得了顆粒污泥.膨潤(rùn)土的特征成分是蒙脫石。聚丙烯酰胺的酰胺基與蒙脫石生成氫鍵,起吸附和架橋作用,從而使膨潤(rùn)土、污泥和細(xì)菌聚集成直徑5～10mm的絮凝團(tuán)，成為顆粒污泥生長(zhǎng)核心，絮凝團(tuán)絲狀菌網(wǎng)絡(luò)內(nèi)菌體繼續(xù)生長(zhǎng),使其成為密實(shí)的,近似為球形的顆粒污泥。
2 投加細(xì)微顆粒物
Lettinga等人研究表明粘土和其他無機(jī)顆粒似乎對(duì)顆粒污泥的形成有害。他們的實(shí)踐表明:在無分散無機(jī)物質(zhì)中能形成很好的顆粒污泥，顆粒揮發(fā)性固體含量很高。
另一種觀點(diǎn)認(rèn)為：有助于懸浮污泥形成顆粒的因素之一是存在微生物能附著生長(zhǎng)的晶核或生物載體。細(xì)胞附著在這些顆粒上是顆粒化的第一步。第二步是在惰性載體上形成致密和厚實(shí)的生物膜。所以，添加惰性載體的UA
周律在反應(yīng)器中投加了少量陶粒、顆粒活性炭等,啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短,這部分細(xì)顆粒物的體積約占反應(yīng)器有效容積的2%～3%。用石化廠含有機(jī)氯化物的廢水進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,在其它條件相同時(shí),投加粒徑小于0.4ｍｍ的顆粒活性炭后,啟動(dòng)時(shí)間幾乎縮短了一半。啟動(dòng)階段投加的細(xì)顆粒物似乎僅起著初期顆粒污泥晶核的作用,這是利用顆粒物的表面性質(zhì),在短期內(nèi)加快那些易于形成顆粒污泥的細(xì)菌在細(xì)顆粒物表面的富集。另外,初期投加細(xì)顆粒物后,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和最大有機(jī)負(fù)荷都有明顯的提高。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),以前啟動(dòng)ＵＡＳＢ反應(yīng)器時(shí)要求嚴(yán)格的水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷控制,在投加細(xì)顆粒物后這些控制措施顯得并不重要了。
Huishoff Pol說明了惰性載體顆粒在顆粒化過程中的重要性。當(dāng)從接種生活污水污泥中去除惰性顆粒(尺寸為40-100μm)，在不去除惰性顆粒的分散污泥顆粒化所需的時(shí)間內(nèi)沒有觀察到顆粒化。同一學(xué)者觀察到添加水-無煙煤顆粒(尺寸為0.25-0.42mm)顯著減少中溫條件下顆粒化所需時(shí)間。Yoda等報(bào)道當(dāng)添加100μm粉末沸石作為載體比無沸石時(shí)顆粒污泥形成得快。
Fukuzaki等 發(fā)現(xiàn)添加聚亞安酯泡沫提高了甲烷菌群的停留。所以處理富含丙酸污水UASB反應(yīng)器在短的啟動(dòng)時(shí)間獲得高的甲烷發(fā)酵效率。
但是，在高溫顆粒化中在接種消化污泥中添加或不添加砂(50-10μm)沒有差別，盡管形成的顆粒包括砂顆粒這能歸因于一些惰性顆粒相對(duì)于微生物比重較大，如砂粒。更多的微生物可能在反應(yīng)器上部積累，而砂粒趨向于在反應(yīng)器底部積累。所以有利于微生物附著生長(zhǎng)的顆粒與微生物之間的接觸機(jī)會(huì)顯著減少，導(dǎo)致顆粒化過程不顯著.
Verrier等證明在厭氧消化池中添加細(xì)菌生長(zhǎng)的載體能提高甲烷產(chǎn)量。Munoz等也表明載體如海泡石和輝綠巖在中試規(guī)模厭氧消化池中提高甲烷產(chǎn)量。Ross報(bào)道粉末活性
Morgan等和Yu等觀察到活性炭能強(qiáng)化顆粒化過程，顆粒活性炭的添加提高了生物吸附從而刺激顆粒污泥的形成和其吸附污染物以固定狀態(tài)降解的能力。Yu等研究了在UASB反應(yīng)器啟動(dòng)期間粉末活性炭(PAC)和顆粒活性炭(GAC)對(duì)于污泥顆粒化的作用。結(jié)果表明PAC或GAC的添加能明顯強(qiáng)化污泥顆粒化過程并加速工藝啟動(dòng)。污泥顆粒化定義為當(dāng)10%顆粒大于2.0mm，在不添加惰性物質(zhì)時(shí)約需95天，添加PAC和GAC反應(yīng)器中分別減少25和35天。此外，通過試驗(yàn)PAC或GAC的添加使得微生物濃度更高，更早觀察到肉眼可見顆粒，提高單位容積COD去除能力。而且，添加GAC對(duì)于UASB反應(yīng)器啟動(dòng)的有益作用略高于PAC。通過添加PAC或GAC強(qiáng)化的顆粒化過程歸因于絲狀菌在活性炭表面更好的附著。
但是，此研究未詳細(xì)研究PAC或GAC的性質(zhì)。PAC和GAC性質(zhì)差異可能是添加PAC和GAC反應(yīng)器間微小差異的原因。
下表列出了添加不同惰性載體對(duì)污泥顆粒化的影響
| 惰性材料 | 接種污泥 | 反應(yīng)器 | 介質(zhì)尺寸(mm) | 基質(zhì) | 顆粒化縮短時(shí)間(d) | 顆粒大小(mm) | 優(yōu)勢(shì)菌種 |
| 泡沫塑料 | 絮狀污泥 | 填充床(85和200ml) | 5.0 | 丙酸 | - | 7.8-8.0 | 甲烷絲菌 |
| 沸石 | - | 上向流反應(yīng)器(9.4和4.0l) | 0.1 | 葡萄糖 | 20 | 1.0-2.0 | 甲烷絲菌 |
| 水無煙煤 | 非顆粒化厭氧消化污泥 | 0.1 | VFA | 14 | 2. 0 | 甲烷絲菌 | |
| WAP | UASB1.3l | 0.1-0.2 | 葡萄糖 | 20 | 1.8-1.9 | 桿狀甲烷絲菌 | |
| GAC | UASB10l | VFA | 模擬顆粒污泥* | 2.1-2.3 | 絲狀甲烷絲菌 | ||
| 10 | - | ||||||
| GAC | UASB0.75l | 0.32 | 蔗糖 | - | 0.4 | 甲烷絲菌 | |
| PAC | UASB7.3l | 0.4 | 葡萄糖+蛋白胨+肉湯提取物 | 35 | 2.0-4.0 | 甲烷絲菌 | |
| 0.2 | 30 | 2.0-4.0 | 甲烷絲菌 |
由此可見，惰性材料確實(shí)能加快UASB的啟動(dòng)。盡管這些載體僅為惰性材料，在基質(zhì)降解中不起重要作用，但是也應(yīng)非常仔細(xì)地挑選載體，并應(yīng)具有以下性質(zhì)：
a比表面積高b比重接近厭氧污泥c好的憎水性d球形形狀
投加過量的惰性顆粒會(huì)在水力沖刷和沼氣攪拌下相互撞擊、摩擦,造成強(qiáng)烈的剪切作用,阻礙初成體的聚集和粘結(jié),對(duì)于顆粒污泥的成長(zhǎng)有害無益。
另一方面，污水中高濃度絮凝性差的懸浮物質(zhì)對(duì)于顆粒污泥的形成是有害的。并且高濃度分散惰性固體對(duì)于顆粒化過程也是不利的，因?yàn)樵谶@些情況下，對(duì)于細(xì)菌用于生長(zhǎng)的表面積太大，聚集生長(zhǎng)受到限制。顆粒化完全取決于細(xì)菌生長(zhǎng)，所以生長(zhǎng)減慢導(dǎo)致顆粒化過程減緩。在高組分細(xì)小分散懸浮固體的污水中，細(xì)菌附著在分散顆粒上會(huì)導(dǎo)致活的細(xì)菌的流失。
二、選擇壓理論
該理論認(rèn)為UASB反應(yīng)器顆粒化過程的本質(zhì)是反應(yīng)器中存在污泥顆粒的連續(xù)選擇過程。Hulshoff Pol
低選擇壓條件下，主要是分散微生物的生長(zhǎng)，這產(chǎn)生膨脹型污泥。當(dāng)這些微生物不附著在固體支撐顆粒上生長(zhǎng)時(shí)，形成沉降性能很差的松散絲狀纏繞結(jié)構(gòu)。而且，氣泡附著在這些松散纏繞的絲狀菌上時(shí)，污泥甚至有上浮的趨勢(shì)。
在生物反應(yīng)器中，因氣體流動(dòng)或者液體流動(dòng)和顆粒間碰撞引起的脫膜力是影響厭氧顆粒污泥的形成、生物結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在一個(gè)生物膜系統(tǒng)中，高的水力剪切力能夠產(chǎn)生比較結(jié)實(shí)的生物膜，而剪切力比較弱的時(shí)候，生物膜容易成為一個(gè)異質(zhì)多孔和比較脆弱的生物膜。另一方面，有證據(jù)表明，在好氧和厭氧顆粒污泥形成的過程中需要有一定的水力剪切力。當(dāng)剪切力比較弱的時(shí)候，很少觀察到污泥顆粒化現(xiàn)象。這些也表明了水力剪切力在生物附著和自固定化過程中的重要性。但是，水力剪切力對(duì)顆粒污泥的形成、結(jié)構(gòu)和代謝機(jī)理的影響還不十分清楚。
從上面的討論顯示，UASB反應(yīng)器中的上升流速對(duì)污泥顆粒化過程具有顯著的影響。因此，研究者在通過控制UASB反應(yīng)器中的水力剪切力來加速污泥顆粒化進(jìn)程的研究方面付出了許多努力。
Alphenaar等人發(fā)現(xiàn)UASB反應(yīng)器中高的液體上升流速和短的水力停留時(shí)間(HRT)兩者結(jié)合有利于污泥顆粒化過程。Noyola和Moreno進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來研究UASB反應(yīng)器中液體上升流速對(duì)厭氧顆粒污泥形成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過水剪切力作用使絮狀厭氧污泥能夠通過在非常短的時(shí)間里(不到8小時(shí))而被轉(zhuǎn)化為活性相對(duì)比較好的厭氧顆粒污泥。
這些厭氧顆粒污泥的S
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