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厌氧颗粒污泥形成因素研究

更新时间:2009-03-28

厌氧颗粒污泥是在具有高水力剪切力的上流式厌氧活性污泥床(UASB)中首先被发现并引起关注的,主要由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等形成的自絮凝体。在污泥颗粒化进程中,金属离子、选择压、溶解氧、碱度、温度等五个因子扮演着重要角色。

通过对增减挂钩项目的工作流程梳理,依据项目流程将整个项目从前期准备到具体实施依级别划分,并采用德尔菲法和因子分析法相结合的方式确定每个指标权重,如表1所示。本次确权研究选择县国土局增减挂钩项目管理相关工作人员及高校内参与过增减挂钩项目或对增减挂钩项目有研究的专家,合计15人,对识别的社会风险因素的风险性、影响性依次打分,分值范围为[1,5]取整数。每个风险因素的权重取值范围规定在[0,1]之间,权重的数值越大表明风险因素对增减挂钩项目带来风险冲突的可能性和影响程度越明显,即风险性越高。

1 金属离子

金属离子影响方面,Forster等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,从而使细胞凝聚在一起。Dubourguier等发现FeS被牢固吸附在M.soehngerui菌的鞘上。FeS与水相比有较高的表面张力,且甲烷丝菌易于附着于各种惰性载体上并表现出疏水性。大量研究表明,大多数颗粒污泥中都存在甲烷丝菌,因此FeS可能有助于稳定颗粒中的微生物菌群,从而对颗粒结构的稳定具有一定的作用。Grotenhuis等用EDTA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,认为钙离子对颗粒污泥的稳定性有重要作用。此外,在UASB反应器中氢氧化钙代替碳酸钠,也发现形成的颗粒污泥稳定性要好些。还有研究报道,在产酸和产甲烷颗粒污泥中,硅对颗粒的稳定性、强度等方面的作用程度要大于钙,并且硅和钙可以多种化合物的形式存在。Mahoney等在研究钙离子对微生物聚凝作用时,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认为,大量的碳酸钙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,不利于废水与污泥之间的接触。在一定的浓度范围内,某些化合物和金属离子在稳定颗粒结构和加快颗粒形成等方面可能有一定的作用。但从本质上来说,颗粒污泥的形成是微生物作用的结果。Jianyong Liu等研究结果表明,生物反应器中接种厌氧颗粒污泥可以使反应器在40d内启动,COD去除率达到90%以上,容积负荷在72.84kg COD/m3·d。但是钙含量对产甲烷活性和甲烷量的作用很复杂,在反应器启动时起到积极作用,在运行时有抑制作用。安鑫磊将零价铁引入厌氧处理过程之中,铁的还原性对稳定厌氧内环境,创造良好的适宜厌氧微生物生长的条件起到了积极作用。徐宏英等采用静态、序批的方法研究厌氧颗粒污泥对废水中二价汞离子的吸附特性及环境条件对其吸附能力的影响,并通过红外光谱和能谱对比手段,初步探讨了厌氧颗粒污泥吸附二价汞离子的机理。周敬红等研究表明在处理蔗渣渗滤液时,进水中低浓度的钙离子对颗粒污泥产甲烷活性无抑制作用,钙离子浓度达到500mg/L以上时,对厌氧颗粒污泥的活性有抑制作用。

2 选择压

在UASB反应器中上升的气流会和液体进行冲击,造成选择压。Spagheui认为,颗粒污泥的形成过程是水力负荷、产气负载等物理作用对微生物进行选择的过程。启动初期的低上升流速有利于产甲烷丝状菌等的聚集生长。一旦初期的聚集体形成,颗粒化可能只是时间问题。孟春等研究表明,提高床层流经速度能明显缩短污泥颗粒形成期限,在一定速度下的水力冲刷是污泥颗粒化的关键条件,丝状甲烷菌、胞外多聚物和菌丝束在液流剪切力下产生的包绕作用是颗粒形成的重要条件。林志福等通过改变pH值、污泥负荷Ns和C/N比,研究厌氧颗粒污泥及其上清液的EPS(胞外聚合物)产生量及组分多糖、蛋白质的变化情况。结果表明,过酸、过碱和不适当的C/N比不利于厌氧颗粒污泥形态保持和微生物生长,但Ns对厌氧颗粒污泥形态的影响不大。许敬亮等采用逐步提高污泥负荷和一步提高污泥负荷两种方法,在酶制剂废水厌氧颗粒污泥的驯化过程中,逐步提高污泥负荷有利于颗粒污泥的形成:脱氢酶活性和辅酶F420含量的变化状况可以用来考察污泥的活性情况。Alphenaar等人发现UASB反应器中结合提高液体上升流速和缩短水力停留时间两方面有利于污泥颗粒化过程。Noyola进行了一系列试验来研究UASB反应器中液体上升流速对厌氧颗粒污泥形成的影响。试验结果表明通过水力剪切作用,絮状厌氧污泥能够在非常短的时间里(不到8h)被转化为活性相对较好的厌氧颗粒污泥。Ritta等认为液体上升流速在2.5—3.0m/d,最有利于UASB反应器内污泥的颗粒化。

3 溶解氧

在厌氧操作过程中不可能绝对达到厌氧状态,在操作系统中会有微量的氧存在。朱勇等研究了溶解氧(DO)对其产甲烷活性的影响。结果表明:溶解氧的含量与厌氧颗粒污泥的活性呈负相关性。董春娟等研究了微氧条件下厌氧颗粒污泥对COD去除,表明颗粒污泥在产甲烷活性和抗冲击负荷等方面更具有优势。

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4 碱度

厌氧反应器中发酵液的碱度主要是由碳酸盐、重碳酸盐以及部分氢氧化物所组成的物质与氢离子结合的能力。碱度一方面对污泥颗粒化进程有影响,一方面对颗粒污泥活性有影响。曹刚等发现碱度对UASB污泥颗粒化的影响表现在两个方面:一是对颗粒化进程的影响;二是对颗粒污泥产甲烷活性(SMA)的影响。在一定的碱度范围且其他条件一致的情况下,进水碱度高的反应器内污泥颗粒化速度快,但颗粒污泥的SMA低;进水碱度低的反应器内污泥颗粒化速度慢,但颗粒污泥的SMA高,因此可通过调整进水碱度来影响污泥颗粒化进程及污泥的SMA。

5 温度

温度对于UASB的启动与保持系统的稳定性具有重要的影响。UASB反应器在常温(25℃)中温(33℃-41℃)和高温(55℃)下均能顺利启动,并能形成颗粒污泥。但绝大多数UASB启动过程都是在中温条件下进行的。宫小燕等采用2个相同的厌氧折流板反应器(ABR)研究不同温度、有机负荷对ABR启动过程中胞外聚合物(EPS)产生的影响。结果表明,在启动时,随着进水有机负荷的增加,污泥形态及污泥量沿着水流方向发生演替;EPS沿着水流方向在各隔室中的浓度逐渐降低;从EPS的组成看,启动初期,蛋白质的浓度高于多糖,随着OLR的提高,更多的营养物质以多糖的形式积累到胞外。有机负荷影响EPS的产生及其组成的同时,进水中有机物组成对EPS的产生也有影响。高温有利于EPS的产生;沿着水流方向,隔室内污泥优势菌的演替规律为:前端室为水解化菌,后端隔室演变为产甲烷菌。通过电镜观察到的甲烷优势菌主要为甲烷八叠球菌和甲烷丝菌。Seung Joo Lim等实验采用SGBR反应器在24℃和16℃分别处理养猪废水。在24℃时,容积负荷在0.7-5.4kgCOD/m3·d,COD去除率达到88.5%,在16℃时,容积负荷在1.6-4.0kg-COD/m3·d平均COD去除率达到68%。R.H.Zhang等实验室采用ASBR反应器采用厌氧方式处理猪废水和牛粪废水。废水分别通过高温、中温系统和中温、高温系统进行比较,发现高温、中温系统在处理猪废水时吸收硫化物效果更显著。C.S.wu等在台湾进行了大量的含丰富的纤维束的蔗糖和甘蔗渣溶液,可以通过有效的厌氧降解而得到沼气。这项研究中,分别在中温(30℃)和高温(55℃)进行厌氧颗粒污泥的培养。研究结果表明,在两中温度条件下,产甲烷量随着有机负荷的增加而增加,与高温条件对比,中温条件下的产甲烷量在研磨和碱化预处理前后变化不大。建议厌氧颗粒污泥在中温条件下进行。

近年来,为了加快厌氧颗粒污泥的培养,通过投加填料和载体促进污泥快速颗粒化已经成为一种趋势,但是对于厌氧颗粒污泥的形成机理还存在很多争议,需要学者不断地持续研究。

参考文献

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高晓峰
《黑龙江环境通报》 2018年第01期
《黑龙江环境通报》2018年第01期文献

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