处理难生物降解有机物的厌氧颗粒污泥形成的研究进展

Posted 2023-01-13 生物降解

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针对以UASB为代表的无载体厌氧反应器处理含难生物降解有机物废水时的启动问题，综述了影响厌氧颗粒污泥形成的因素。此外，为了高效、快速地降解废水中的难生物降解有机物，可以考虑针对不同的难生物降解有机物，投加经过驯化、筛选的优势菌。
与好氧生物处理相比，厌氧生物处理由于具有处理成本低、处理有机负荷大和可处理许多在好氧条件下难生物降解的有机物等特点，因此国内外许多研究人员都采用厌氧生物处理或厌氧生物处理与好氧生物处理相结合的工艺来处理难生物降解有机物。为了提高厌氧生物反应器中的生物量，厌氧生物反应器中的生物多以颗粒污泥存在，此类无载体厌氧生物反应器的形式包括UASB、EGSB和IC等。
对于处理含难生物降解有机物废水的以UASB为代表的上述无载体厌氧反应器而言，其在实际应用时存在两个主要问题：
(1)反应器初次启动过程缓慢，短的需要2～3个月，长的达半年甚至一年之久；
(2)对难生物降解有机物的处理效率低，处理时间长。因此，上述无载体厌氧反应器能否高效运行的关键在于能否培养出具有良好沉降性能、能高效处理难生物降解有机物的厌氧颗粒污泥。
1 厌氧颗粒污泥形成的主要技术条件
1.1 废水性质
一般处理含糖类废水易于形成颗粒污泥，而脂类废水和蛋白质废水及有毒难降解废水则较难培养出颗粒污泥，或不能培养出颗粒污泥。要求废水的C：N：P约为200：5：1，否则要适当加以补充。投加补充适量的镍、钴、钼和锌等微量元素有利于提高污泥产甲烷活性，因为这些元素是产甲烷辅酶重要的组成部分。
1.2 污泥负荷率
影响污泥颗粒化进程最主要的运行控制条件是可降解有机物(COD)污泥负荷率，当污泥负荷率达0.3 kgCOD/(kgVSS&#903；d)以上时便能开始形成颗粒污泥。这为微生物的繁殖提供充足的食料(碳源和能源)，是微生物增长的物质基础。当污泥负荷率达到0.6 kgCOD/(kgVSS&#903；d)时，颗粒化速度加快，所以当颗粒污泥出现后，应迅速将COD污泥负荷率提高到0.6 kgCOD/(kgVSS&#903；d)左右水平，这有利于颗粒化进行。
1.3 水力负荷率和产气负荷率
升流条件是以UASB为代表的一系列无载体厌氧反应器形成颗粒污泥的必要条件。代表升流条件的物理量是水流的上升流速和沼气的上升流速，即是水力负荷率和产气负荷率，通常将两者作用的总和称为系统的选择压(Selection Pressure)。选择压对污泥床产生沿高度(水流)方向的搅拌作用和水力筛选作用。定向搅拌作用产生的剪切力使微小的颗粒产生不规则的旋转运动，有利于丝状微生物的相互缠绕，为颗粒的形成创造一个外部条件。水力筛选作用能将微小的颗粒污泥与絮体污泥分开，污泥床底聚集比较大的颗粒污泥，而比重较小的絮体污泥则进入悬浮层区，或被淘汰出反应器。因废水是从床底进入，使得颗粒污泥首先获得充足的食料而快速增长，这有利于污泥颗粒化的实现。Ritta等认为液体上升流速在2.5～3.0 m/d时，最有利于UASB反应器内污泥的颗粒化。
1.4 碱度
碱度对污泥颗粒化的影响表现在两方面：一是对颗粒化进程的影响；二是对颗粒污泥活性的影响。前者主要表现在对污泥颗粒分布及颗粒化速度的影响；后者主要表现在通过调节pH (即通过碱度的缓冲作用使pH变化较小)使得产甲烷菌呈不同的生长活性。在一定的碱度范围内，进水碱度高的反应器污泥颗粒化速度快，但颗粒污泥的SMA(Specific Methanogenic Activity，产甲烷活性)低；进水碱度低的反应器其污泥颗粒化速度慢，但颗粒污泥的SMA高。因此，在污泥颗粒化过程中进水碱度可以适当偏高(但不能使反应器的pH>8.2，这主要是因为此时产甲烷菌会受到严重抑制)以加速污泥的颗粒化，使反应器快速启动；而在颗粒化过程基本结束时，进水碱度应适当偏低以提高颗粒污泥的SMA。
1.5 接种污泥
有资料表明，处理同类废水时，当接种量为反应器容积的1/4～1/3时，反应器经两周左右的运行就能达到设计负荷率。
1.6 环境条件
常温(20 ℃左右)、中温(35 ℃左右)、高温(55 ℃左右)均可培养出厌氧颗粒污泥。一般说，温度越高，实现污泥颗粒化所需的时间越短，但温度过高或过低对培养颗粒污泥都是不利的。此外，保持适宜的pH (6.8～7.6)也是极为重要的。
2 存在问题
对于处理难生物降解有机物的以UASB为代表的一系列无载体厌氧反应器而言，接种污泥是厌氧颗粒污泥形成的必不可少的条件之一。由于接种污泥仅仅是作为“种子"，而厌氧颗粒污泥的产生是建立在新繁殖厌氧菌的基础上，当采用普通厌氧污泥作为无载体厌氧反应器的种泥处理难生物降解有机物废水时，由于形成厌氧颗粒污泥的微生物并非由降解难生物降解有机物的优势菌组成，导致在处理含难生物降解有机物时处理效率不高，处理速度不快。只有投加经过驯化、筛选的优势菌，才能使形成的厌氧颗粒污泥更有针对性地高效、快速地降解废水中的难生物降解有机物。
对于影响厌氧颗粒污泥形成的主要技术条件中的废水性质、污泥负荷率、水力负荷率和产气负荷率、碱度和环境条件而言，它们可以统称为影响厌氧颗粒污泥形成的外因。如果能从厌氧颗粒污泥形成的内因——厌氧颗粒污泥形成的机理入手，则有可能在适宜的外因下，进一步加快厌氧颗粒污泥形成的速度。
3 当前发展趋势
3.1 投加优势菌
针对难生物降解有机物，投加经过驯化、筛选的优势菌，使形成的厌氧颗粒污泥更有针对性地高效、快速地降解废水中的难生物降解有机物。
3.2 从厌氧颗粒污泥形成的内因——厌氧颗粒污泥形成的机理入手，进一步加快厌氧颗粒污泥的形成速度
3.2.1投加无机絮凝剂或高聚物
王林山等研究了通过投加膨润土和聚丙烯酰胺作为惰性载体加快处理啤酒废水的UASB反应器的启动，在间歇式进料的工况下，7 d内出现颗粒污泥，4周内形成稳定颗粒污泥床。
Imai等研究了在小试规模下，通过投加水吸收聚合物颗粒来加快处理人工合成的葡萄糖和挥发性有机酸(VFA)的有机废水的UASB反应器的启动，研究表明：在水吸收聚合物投加量为750 mg/L的情况下，70 d内完成厌氧污泥的颗粒化，同时，颗粒污泥具有很好的产甲烷活性与很好的沉降性能。
Yu等进行了通过加入絮凝剂三氯化铝来加快处理人工合成有机废水的UASB启动的研究，通过加入絮凝剂三氯化铝(Al3+加入量为300 mg/L)，可以使UASB的启动周期比对照缩短1个月，同时UASB内的生物量比对照增加10%。
Randall等进行了通过加入阳离子聚合物来加快处理人工合成有机废水的厌氧序批式反应器(ASBR)启动的研究，通过加入阳离子聚合物，可以使ASBR中颗粒污泥的生成时间比对照缩短75%。
Uyanik等进行了通过加入聚合物(Kymene SLK-2)研究厌氧折板反应器(ABR)的启动。由于聚合物的加入，使得ABR内生物量增加和ABR内污泥流失减少，从而在3个月内形成了厌氧颗粒污泥，并且形成的厌氧颗粒污泥的活性高于对照。
3.2.2 投加细微颗粒物
周律等研究了通过投加颗粒活性炭加快处理啤酒废水的UASB反应器的启动，结果使启动时间由原来的3～6个月缩短为1个月。
3.2.3 投加金属离子
Yu 等和肖本益等研究了二价金属离子对UASB颗粒污泥形成的影响。研究表明，由于可电离羧基的胞外聚合物(ECP)的存在使细菌体带负电荷，而这些多聚物能够吸引胞外的阳离子，从而产生一种将细胞束缚在一起的多聚物基质，有利于加速颗粒污泥的形成。
4 小结
处理含难生物降解有机物废水的以UASB为代表的上述无载体厌氧反应器而言，其能否高效运行的关键在于能否培养出具有良好的沉降性能、能高效处理废水中难生物降解有机物的厌氧颗粒污泥。由于影响厌氧颗粒污泥形成的因素很多，针对每一种废水无载体厌氧反应器的启动方法都有所不同。因此，在启动过程中对一些具有普遍性的措施应严格把握，对一些加速启动的特殊手段最好还是以试验数据作为参考。此外，为了高效、快速地降解废水中的难生物降解有机物，可以考虑针对难生物降解有机物，投加经过驯化、筛选的优势菌。