厌氧反应器快速启动技术研究.docx
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厌氧反应器快速启动技术研究
厌氧反应器快速启动技术研究
一、外加物质效应
1投加无机絮凝剂或高聚物
为了保证反应器内的最佳生长条件,必要时可改变废水的成分,其方法是向进水中投加养分、维生素和促进剂等。
Macarie和Guyot研究发现,在处理生物难降解有机污染物亚甲基安息香酸废水时,向废水中投加FeSO4和生物易降解培养基后,可以有效地降低原系统的氧化还原能力,达到一个合适的亚甲基源水平,缩短ＵＡＳＢ的启动时间。
Imai研究了向接种污泥中添加吸水性聚合物（WAP）的作用。
WAP主要成分为丙烯酸颗粒树脂，具有可供微生物附着的高的比表面和复杂网状结构。
而且密度低（湿密度1.0g/ml），与砂及其他物质相比提高了颗粒与微生物间的接触，明显强化了以葡萄糖或VFA为基质的实验室规模和中试规模UASB反应器的颗粒化过程。
在颗粒污泥形成之后WAP被厌氧微生物慢慢降解，这造成颗粒分裂成多个小碎块，然后再次生长为成熟颗粒。
逐渐地，所有颗粒被降解。
根据试验提出用于强化颗粒化过程的反应器体积内WAP投加量为约750mg/L。
王林山等人向厌氧接种污泥中投加膨润土（BT）和聚丙烯酰胺（PAM）,采用常温间歇式进料,在一月内获得了颗粒污泥.膨润土的特征成分是蒙脱石。
聚丙烯酰胺的酰胺基与蒙脱石生成氢键,起吸附和架桥作用,从而使膨润土、污泥和细菌聚集成直径5～10mm的絮凝团，成为颗粒污泥生长核心，絮凝团丝状菌网络内菌体继续生长,使其成为密实的,近似为球形的颗粒污泥。
2 投加细微颗粒物
Lettinga等人研究表明粘土和其他无机颗粒似乎对颗粒污泥的形成有害。
他们的实践表明:
在无分散无机物质中能形成很好的颗粒污泥，颗粒挥发性固体含量很高。
另一种观点认为：
有助于悬浮污泥形成颗粒的因素之一是存在微生物能附着生长的晶核或生物载体。
细胞附着在这些颗粒上是颗粒化的第一步。
第二步是在惰性载体上形成致密和厚实的生物膜。
所以，添加惰性载体的UASB反应器中污泥颗粒化过程可解释为生物膜形成现象。
周律在反应器中投加了少量陶粒、颗粒活性炭等,启动时间明显缩短,这部分细颗粒物的体积约占反应器有效容积的2%～3%。
用石化厂含有机氯化物的废水进行对比实验表明,在其它条件相同时,投加粒径小于0.4ｍｍ的颗粒活性炭后,启动时间几乎缩短了一半。
启动阶段投加的细颗粒物似乎仅起着初期颗粒污泥晶核的作用,这是利用颗粒物的表面性质,在短期内加快那些易于形成颗粒污泥的细菌在细颗粒物表面的富集。
另外,初期投加细颗粒物后,系统的稳定性和最大有机负荷都有明显的提高。
实验中还发现,以前启动ＵＡＳＢ反应器时要求严格的水力负荷和有机负荷控制,在投加细颗粒物后这些控制措施显得并不重要了。
HuishoffPol说明了惰性载体颗粒在颗粒化过程中的重要性。
当从接种生活污水污泥中去除惰性颗粒（尺寸为40-100μm），在不去除惰性颗粒的分散污泥颗粒化所需的时间内没有观察到颗粒化。
同一学者观察到添加水-无烟煤颗粒（尺寸为0.25-0.42mm）显著减少中温条件下颗粒化所需时间。
Yoda等报道当添加100μm粉末沸石作为载体比无沸石时颗粒污泥形成得快。
Fukuzaki等发现添加聚亚安酯泡沫提高了甲烷菌群的停留。
所以处理富含丙酸污水UASB反应器在短的启动时间获得高的甲烷发酵效率。
但是，在高温颗粒化中在接种消化污泥中添加或不添加砂（50-10μm）没有差别，尽管形成的颗粒包括砂颗粒这能归因于一些惰性颗粒相对于微生物比重较大，如砂粒。
更多的微生物可能在反应器上部积累，而砂粒趋向于在反应器底部积累。
所以有利于微生物附着生长的颗粒与微生物之间的接触机会显著减少，导致颗粒化过程不显著.
Verrier等证明在厌氧消化池中添加细菌生长的载体能提高甲烷产量。
Munoz等也表明载体如海泡石和辉绿岩在中试规模厌氧消化池中提高甲烷产量。
Ross报道粉末活性炭的存在提高了处理玉米加工废水污泥的可沉降性。
Morgan等和Yu等观察到活性炭能强化颗粒化过程，颗粒活性炭的添加提高了生物吸附从而刺激颗粒污泥的形成和其吸附污染物以固定状态降解的能力。
Yu等研究了在UASB反应器启动期间粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）对于污泥颗粒化的作用。
结果表明PAC或GAC的添加能明显强化污泥颗粒化过程并加速工艺启动。
污泥颗粒化定义为当10%颗粒大于2.0mm，在不添加惰性物质时约需95天，添加PAC和GAC反应器中分别减少25和35天。
此外，通过试验PAC或GAC的添加使得微生物浓度更高，更早观察到肉眼可见颗粒，提高单位容积COD去除能力。
而且，添加GAC对于UASB反应器启动的有益作用略高于PAC。
通过添加PAC或GAC强化的颗粒化过程归因于丝状菌在活性炭表面更好的附着。
但是，此研究未详细研究PAC或GAC的性质。
PAC和GAC性质差异可能是添加PAC和GAC反应器间微小差异的原因。
下表列出了添加不同惰性载体对污泥颗粒化的影响
惰性材料
接种污泥
反应器
介质尺寸（mm）
基质
颗粒化缩短时间（d）
颗粒大小（mm）
优势菌种
泡沫塑料
絮状污泥
填充床（85和200ml）
5.0
丙酸
-
7.8-8.0
甲烷丝菌
沸石
-
上向流反应器（9.4和4.0l）
0.1
葡萄糖
20
1.0-2.0
甲烷丝菌
水无烟煤
非颗粒化厌氧消化污泥
0.1
VFA
14
2.0
甲烷丝菌
WAP
UASB1.3l
0.1-0.2
葡萄糖
20
1.8-1.9
杆状甲烷丝菌
GAC
UASB10l
VFA
模拟颗粒污泥*
2.1-2.3
丝状甲烷丝菌
10
-
GAC
UASB0.75l
0.32
蔗糖
-
0.4
甲烷丝菌
PAC
UASB7.3l
0.4
葡萄糖+蛋白胨+肉汤提取物
35
2.0-4.0
甲烷丝菌
0.2
30
2.0-4.0
甲烷丝菌
由此可见，惰性材料确实能加快UASB的启动。
尽管这些载体仅为惰性材料，在基质降解中不起重要作用，但是也应非常仔细地挑选载体，并应具有以下性质：
a比表面积高b比重接近厌氧污泥c好的憎水性d球形形状
投加过量的惰性颗粒会在水力冲刷和沼气搅拌下相互撞击、摩擦,造成强烈的剪切作用,阻碍初成体的聚集和粘结,对于颗粒污泥的成长有害无益。
另一方面，污水中高浓度絮凝性差的悬浮物质对于颗粒污泥的形成是有害的。
并且高浓度分散惰性固体对于颗粒化过程也是不利的，因为在这些情况下，对于细菌用于生长的表面积太大，聚集生长受到限制。
颗粒化完全取决于细菌生长，所以生长减慢导致颗粒化过程减缓。
在高组分细小分散悬浮固体的污水中，细菌附着在分散颗粒上会导致活的细菌的流失。
二、选择压理论
该理论认为UASB反应器颗粒化过程的本质是反应器中存在污泥颗粒的连续选择过程。
HulshoffPol等人的研究认为：
在高选择压条件下，轻的和分散的污泥被洗出而较重的组分保持在反应器中。
从而使细小分散的污泥生长最小化，细菌生长主要局限在有限数量由惰性有机和无机载体物质或种泥中存在的小的细菌聚集体组成的生长核心。
这些生长核心的粒径增加直至达到颗粒污泥和生物膜部分产生脱落的特定最大尺寸，形成新生长核，如此反复。
颗粒化初级阶段出现的丝状颗粒随着时间的增长变得更致密。
低选择压条件下，主要是分散微生物的生长，这产生膨胀型污泥。
当这些微生物不附着在固体支撑颗粒上生长时，形成沉降性能很差的松散丝状缠绕结构。
而且，气泡附着在这些松散缠绕的丝状菌上时，污泥甚至有上浮的趋势。
在生物反应器中，因气体流动或者液体流动和颗粒间碰撞引起的脱膜力是影响厌氧颗粒污泥的形成、生物结构及其稳定性的关键因素。
在一个生物膜系统中，高的水力剪切力能够产生比较结实的生物膜，而剪切力比较弱的时候，生物膜容易成为一个异质多孔和比较脆弱的生物膜。
另一方面，有证据表明，在好氧和厌氧颗粒污泥形成的过程中需要有一定的水力剪切力。
当剪切力比较弱的时候，很少观察到污泥颗粒化现象。
这些也表明了水力剪切力在生物附着和自固定化过程中的重要性。
但是，水力剪切力对颗粒污泥的形成、结构和代谢机理的影响还不十分清楚。
从上面的讨论显示，UASB反应器中的上升流速对污泥颗粒化过程具有显著的影响。
因此，研究者在通过控制UASB反应器中的水力剪切力来加速污泥颗粒化进程的研究方面付出了许多努力。
Alphenaar等人发现UASB反应器中高的液体上升流速和短的水力停留时间（HRT）两者结合有利于污泥颗粒化过程。
Noyola和Moreno进行了一系列实验来研究UASB反应器中液体上升流速对厌氧颗粒污泥形成的影响。
实验结果表明通过水剪切力作用使絮状厌氧污泥能够通过在非常短的时间里（不到8小时）而被转化为活性相对比较好的厌氧颗粒污泥。
这些厌氧颗粒污泥的SVI和污泥沉淀速度显著改善，并且颗粒污泥的沉降性的增加将导致流失污泥从46%减少到2%。
清华大学的实践表明将水力负荷提高到0.6m3/（m2·h），可以冲走大部分的絮状污泥，使密度较大的颗粒状污泥积累在反应器的底部，形成颗粒污泥层，这部分污泥层可首先获得充足的营养而较快地增长。
因此，通过提高UASB反应器中液体上升流速，将水剪切力作用于絮状厌氧污泥上，使得厌氧颗粒污泥的形成速度得到显著增强。
但是，提高水力负荷不能过快，否则大量絮状污泥的过早淘汰会导致污泥负荷过高，影响反应器的稳定运行。
厌氧浮动生物膜反应器处理高浓度有机废水
由上流式厌氧污泥床（UASB）与厌氧过滤器（AF）两种工艺结合的反应器近年来应用较多，其积累微生物能力强，启动速度快，运行中填料上附着的生物膜对降解有机物起着相当的作用，同时可避免滤池堵塞，是一种高效、稳定、易于管理的厌氧处理系统。
一般将保留了UASB三相分离器的污泥床加填料的装置称为污泥床过滤器，将不带三相分离器的污泥床—滤层反应器称为厌氧复合床反应器［1］。
本文研究了集AF和UASB为一体的新型装置——厌氧浮动床生物膜反应器（AFBBR）。
因其内装有50%体积的悬浮填料，在处理高浓度有机废水的运行中，填料浮在上部，形成了一种底部是污泥床，上部是厌氧滤池的体系。
在处理高浓度有机废水试验中显示出处理能力大、效率高的特性。
1试验材料与方法
1.1悬浮生物膜填料
FBM用天津市科林思有限公司的聚丙烯材料制成，其密度为0.92kg/m3，可在水中漂浮或随水体流动。
该填料形似拉西环，但环内有十字形支撑，外侧沿径向有许多长约0.5mm的芒刺，环的直径为11mm，高度10mm，比表面积约为527m2/m3。
1.2试验装置及工艺流程
厌氧浮动床生物膜反应器用有机玻璃柱制成，直径14.7cm，总高度100cm，有效高度79.5cm，总容积17.01L，有效容积13.48L。
AFBBR内填料的填充率为50%，即FBM占据了一半的有效容积。
AFBBR处理高浓度有机废水试验的工艺流程如图1所示。
泵入高位槽的废水经过计量阀由底部进AFBBR，处理后的水由上部排出，在生物降解过程中产生的气体从反应器顶部排出，悬浮在上部的填料由于上向水流和气体的作用而不停地上下浮动或轻微滚动。
2试验方法
2.1挂膜与启动
厌氧生物膜反应器存在的一个突出问题是挂膜困难，启动时间长。
在本试验中，首先将填料进行好氧预挂膜，利用好氧微生物繁殖快并生成多糖物质的性能，在较短时间内填料表面形成一层生物膜即膜基，改善了填料的表面性能，有利于厌氧微生物的附着、生长、缩短了反应器的启动时间［2］。
好氧污泥取自邯郸市东郊污水厂氧化沟。
污泥与填料静态接触24h后，将污泥全部排掉，投加生活污水连续运行5～6d后，填料内外表面形成一层均匀生物膜。
经好氧预挂膜后的填料与5L厌氧污泥静态接触24h，然后将污泥排掉，连续投加葡萄糖废水。
反应器启动开始采用的有机负荷为2kgCOD/（m3·d），水力负荷为1m3/（m3·d）。
2～3d后，好氧膜脱落，填料表面变黑，1周后发现填料内表面形成一薄层生物膜。
将水力负荷控制在0.5m3/（m3·d），有机负荷为1kgCOD/（m3·d），经过2周培养，膜生长均匀良好，COD去除率可达到70%以上。
此后，水力负荷增到1m3/（m3·d）,进水浓度从2000mg/L逐渐升至6000mg/L，经过50d的运行COD去除率可达到90%以上，反应器底部出现大量0.5mm左右颗粒污泥，AFBBR运行稳定。
2.2稳定运行试验
在此阶段考察了进水水质、HRT、水力冲击负荷对运行状况的影响，此阶段的运行结果见表1。
试验废水为用葡萄糖合成的污水。
表１AFBBR试验运行数据
进水
HRT（h）
容积负荷[kgCOD/（m3.d）]
去除负荷[kgCOD/（m3.d）]
出水
COD去除率（%）
Q（L/d）
COD（mg/L）
COD（mg/L）
pH
13.60
5327.7
23.79
5.38
4.86
512.39
7.05
90.40
14.03
6372.0
23.06
6.63
6.41
212.06
6.79
96.67
13.07
6893.0
23.61
7.01
6.88
129.64
6.72
98.12
13.60
9787.3
23.79
9.87
9.73
141.93
6.66
98.54
13.87
11694.3
23.33
12.03
11.33
673.96
6.57
94.24
14.00
14510.3
23.11
15.07
13.79
1229.46
6.34
91.53
13.80
20140.0
23.44
20.62
18.64
1852.61
6.42
90.42
4.25
14522.0
76.12
4.58
183.80
6.61
98.74
7.05
14522.0
45.89
7.59
111.63
6.42
99.25
10.00
14522.0
32.35
10.77
358.69
6.48
97.53
18.10
14522.0
17.87
19.50
1936.92
6.32
86.67
在改变进水水质期间，控制HRT基本不变，将进水浓度逐步升高。
在HRT变化阶段，保持进水浓度不变，数次改变水力停留时间。
最后突然降低HRT，考察反应器在水力冲击负荷下工况的变化。
整个试验在室温下进行，温度变化范围20～28℃。
3试验结果与分析
3.1容积负荷与COD去除率
负荷直接反映了食物与微生物之间的平衡关系，容积负荷的变化可以通过改变进水浓度或水力停留时间来实现。
在试验中，首先保持停留时间基本不变（平均为23.5h），进水COD浓度从5327.7mg/L逐渐升高到20140.0mg/L，相应的容积负荷从5.38kgCOD/（m3·d）增到20.62kgCOD/（m3·d），COD去除率随进水浓度增加而缓慢下降，最高达98.5%。
之后，将进水浓度控制在14522mg/L，水力停留时间分别为76.1245.89、32.35、23.11、17.87h，相应的容积负荷从4.58kgCOD/（m3·d）增到19.50kgCOD/（m3·d）。
COD去除率随水力停留时间的变化存在一个分界点，低于此值，COD去除率随水力停留时间减小而迅速下降；高于此值COD去除率基本稳定。
由表1可以看到，在试验条件下，当容积负荷增高时，AFBBR的去除［kgCOD去除/（m3·d）］增高，显示了强大的处理能力。
3.2水力冲击负荷的影响
AFBBR表现出较高的抗冲击负荷特性。
在进水浓度为20140mg/L时，水力停留时间突然从23.44h降至3h，冲击时间持续6h，容积负荷增加8倍，达到161.1kgCOD/（m3·d）。
反应器在遭到冲击后运行参数的变化见表1，COD去除率变化见图2。
在冲击负荷过后3h，COD去除率降到最低33.65%，24h后COD去除率恢复到72%，40h后恢复到80%以上，表明该反应器具有很大的缓冲能力，抗冲击负荷能力强。
这与该反应器的特点有关，该反应器上部悬浮填料起到过滤器的作用，在负荷冲击时可以防止大量污泥流失，有利于反应器性能的迅速恢复。
另一方面填料表面生物膜量仅占总生物量的15%，电子显微镜下观察，其主要是甲烷细菌，因而在冲击负荷下产酸菌虽流失多，但繁殖迅速，有利于反应器迅速恢复正常。
另外在反应器遭到冲击负荷后，采取适当的搅拌和污泥回流措施可避免反应器内挥发酸过度积累并稳定反应器内生物量，有利于反应器性能的迅速恢复。
3.3生物相分析
反应器中微生物由两部分组成：
①附着生长在填料上的生物膜；②悬浮污泥在反应器底部形成的颗粒污泥床。
试验过程中发现，生物膜主要生长在填料的内表面，外表面上几乎没有生物膜。
这可能与填料外层水流紊动大于填料内部，外表面上生物膜受到更大的剪切应力有关。
镜检发现生物膜内菌种以甲烷八叠球菌属和杆菌为主，其中甲烷八叠球菌属占视野的50%～60%，没有发现丝状菌，并存在以甲烷八叠球菌属和杆菌分别占优势的区域。
同位素示踪已证实消化器中70%以上的甲烷来自乙酸，乙酸型产甲烷细菌主要为产甲烷索氏丝状菌和八叠球菌，而当乙酸浓度高时，甲烷八叠球菌更具有竞争力，这与该反应器出水挥发酸浓度较高相一致。
反应器的底部存在颗粒污泥床，污泥床高度为30cm，颗粒粒径0.5～0.7mm，沉降性能良好SV为15%。
颗粒污泥中生物相当丰富，以杆菌、球菌、丝状菌、螺菌为主，颗粒污泥与生物膜中的生物存在明显差异。
在稳定运行时，测定反应器微生物总浓度（MLSS）为36.68g/L，其中生长的微生物量占85%，这可能是由于上升水流和产生气体的作用对外表面生物膜生长有影响。
4结论
①好氧预挂膜显著改变了载体表面性能，有利于厌氧菌的附着、生长，缩短反应器的挂膜时间。
②厌氧浮动床生物膜反应器处理高浓度有机废水，在常温下取得了良好效果。
在容积负荷为5.38～20.62kgCOD/（m3·d），水力停留时间为0.98d时，COD去除率最高达到98.54%，平均为90.4%。
③厌氧浮动床生物膜反应器内微生物浓度高，活性强，存在悬浮与附着生长的微生物系统，并有其各自的优势菌种。
④厌氧浮动床生物膜反应器缓冲能力大，抗冲击负荷能力强，无堵塞与污泥流失的问题。
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