低浓度污水厌氧污泥颗粒化促进技术研究

郭晓磊， 胡勇有
(华南理工大学环境科学与工程系，广东广州 510640)

　　摘　 要：向低浓度生活污水中投加絮凝剂(壳聚糖)和颗粒活性炭(GAC)的试验结果表明，这两种物质对厌氧污泥的颗粒化均有促进作用，但不如在中、高浓度污水中明显。二者相比，GAC的效果更好一些(反应器的运行稳定，耐冲击能力强，出水水质良好)，各反应器中形成的颗粒污泥均以产甲烷丝状菌为主。?
　　关键词：低浓度生活污水；厌氧污泥；颗粒化；壳聚糖；GA C?
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)04-0019-04

Study on the Promotion of Anaerobic Sludge Granulation in Low Strength Domestic Wastewater
GUO Xiao?lei, HU Yong?you?
(Dept of Environmental Science and Engineering,South China University of T echnology,Guangzhou 510640,China)

　　Abstract：Study was made by adding flocculent (Chitosan) and granular activated carbon (GAC) into the low strength domestic wastewater.The results show that both chitosan and GAC can promote the granulation of anaerobic sludge,but their effect in low strength wastewater is not as obvious as that in the medium and high strength wastewater.As compared with chitosan, GAC has better effect (steady operation of reactor,strong shock resistance, good effluent quality).The methanogenic filamen tous bacteria predominate on the surface of granular sludge produced in all reac tors.?
　　Keywords: n; chitosan; GAC

1 试验仪器与方法

　　使用3个相同的UASB反应器做平行试验，装置结构如图1所示。?
　　采用人工合成污水(以无水葡萄糖作为碳源、氯化铵为氮源、磷酸二氢钾为磷源、酵母浸膏为微生物的营养补充，并添加镍、锰、锌、铜等微量元素，其中微量元素配置成原液，浓度为人工配水中含量的1000倍)，其组成见文献［1］，其中COD为168 mg/L，BOD为118mg/L。

　　COD、BOD、SS、SVI的测定采用标准方法［2］，对挥发性脂肪酸(VFA)总量采用滴定法测定［3］，颗粒污泥粒径分布采用湿筛法测定［1］，对挥发性脂肪酸组分采用气相色谱法测定［1］，颗粒污泥的微生物观察根据文献［1］进行。?

2 　结果与讨论

2.1 反应器的启动
　　取厌氧污泥进行接种，其SVI值为42 mL/g，SS为23.47 g/L，比甲烷活性(SMA)为0.043kgCOD/(kgVSS·d)。在3组平行试验中，第一组仅加入厌氧污泥作为种泥(称为对照组)，第二组加入壳聚糖10.62 mg/gVSS(称为壳聚糖组)，每星期投加一次^［1］，第 三组把100 mL用56目筛网筛选粒径＜0.3 mm的颗粒活性炭(称为GAC组)经过活化后加入反应 器。3组反应器的厌氧污泥接种量均为2.5 L，污泥浓度为4.33 gVSS/L。?
　　采用逐步加大水力负荷的办法提高有机负荷，启动初期的水力停留时间(HRT)分别是：对照组为10.22 h，壳聚糖组为10.1 h，GAC组为9.81 h；容积负荷分别是：对照组为0.394 kgCOD/(m³·d)，壳聚糖组为0.399 kgCOD/(m³·d)，GAC组为0.411 kgCOD/(m³·d )。启动气温为18 ℃，水温为14.9℃。当COD去除率较为稳定时即可加大水力负荷，最终达到对照组的停留时间为5.33 h，壳聚糖为4.75h，GAC组为5.16 h；对照组的容 积负 荷为0.757kgCOD/(m³·d)，壳聚糖组为0.848 kgCOD/(m³·d)，GAC组为0.781kgCOD/(m³·d)。?
2?2 对COD的去除
　　运行初期加入接种污泥后，3组反应器均出现了轻微的污泥上浮现象，这是污泥活性太低、短时不能适应的缘故。反应器从启动到运行跨越了冬、春两季，温度变化较大。?
　　在运行过程中，3组反应器对COD的去除率不同。运行初期壳聚糖组COD去除率最高，4d就已达到36.67%，同期的对照组和GAC组分别为24.39%和28.28%。在前期的运行中，壳聚糖组的去除率一直高过GAC组，但反应器的稳定性较差，去除率波动较大；GAC组的前期去除率低于壳聚糖组但高于对照组，系统较为稳定，到后期GAC组的去除率逐渐超过壳聚糖组，到79 d时GAC组的出水COD为56.63 mg/L，去除率达到66.3%，容积产气率为0.1 05m³/(m³·d)；壳聚糖组出水COD为67.79 mg/L，去除率为59.65%，容积产气率为0.098m³/(m³·d)，均略优于对照组［COD浓度为71.88 mg/L，去除率为57.21%，容积产气率为0.087m³/(m³·d)］。GAC组系统稳定是因为颗粒活性炭 本身是一种吸附剂，能对各种冲击负荷起缓冲作用。
2?3 冲击负荷对反应器的影响
　　 启动后期先后利用pH值和容积负荷的骤然改变进行了不同程度的冲击试验(结果见图2～4)。 ?

　　图2～4中A、C、D点分别为不同的负荷改变对反应器的冲击反映。A点代表短时间进水浓度的提高(COD为312 mg/L)，对照组容积负荷为1.406 kgCOD/(m³·d)，壳聚糖组为1.57 5 kgCOD/(m³·d)，GAC组为1.139 kgCOD/(m³·d)，持续了8h。可以看出，短时间的浓度负荷冲击对GAC组几乎没有影响，仅仅是出水中的VFA和SS浓度有所升高，对照组和壳聚糖组的COD去除率下降幅度很小，到第2天这两组就恢复正常了。?
　　C点表示停留时间的改变对反应器的影响，持续时间为6 d，各时段的停留时间见表1。

表1 停留时间变化　 h? 时间段 对照组 壳聚糖组 GAC组 8：30—18：30 3.86 4.24 4.06 18：30—8：30 5.92 6.07 5.85

　　在停留时间持续变动的过程中各反应器的处理效果均有所下降，GAC组下降幅度较小，其他两组下降幅度较大，当停留时间恢复到原来的水平后，各反应器的处理效率随之正常。?
　　D点是长时间的浓度冲击，进水COD为326 mg/L，对照组容积负荷为1.469 kgCOD/(m³ ·d)，壳聚糖组为1.646kgCOD/(m^3·d)，GAC组为1.516 kgCOD/(m³·d)，持续时间为1 0 d。由于进水浓度和容积负荷的提高，反应器中的产气量大大增加，出水中的SS也急剧上升，稳定一段后的出水SS才逐步下降，但出水中的VFA含量升高。3组反应器的处理效率都有所下降，GAC组 在4 d后处理效率上升到原来的水平，到试验结束时处理效率升高到72.88%；壳聚糖组下降 得较多，7 d后达到原来的水平(63.87%)；对照组与壳聚糖组的情况相似，在第6天恢复到原来的处理效率(63%)。
　　B点代表反应器受到进水pH值的冲击，试验中将反应器进水的pH值调至6.0左右，进水约8 h后恢复原来的进水pH值。发现pH值对反应器的运行影响较大，GAC组的COD去除率由66.2 5%降到49.82%，对照组降至38.04%，壳聚糖组由原来的60.06%降到40%，而且容积产气 率也急剧降低［GAC组从0.118m³/(m³·d)降至0.057m³/(m³·d)，对照组由0.096m³/(m³·d)降至0.031m³/(m³·d)，壳聚糖组由0.103m³/(m³·d)降 至0.042m³/(m³·d)］。pH值恢复后的第2天，GAC组的COD去除率立即恢复到原有水平，而其余两组在2d后才恢复正常。?
　　从以上试验结果可以看出，3组反应器对冲击负荷都有一定的缓冲能力，短时的浓度负荷增 加和进水pH值下降的冲击均不会对反应器造成大的危害，而长期的停留时间的变化会造成反 应器效率的降低，但不会对反应器本体构成危害。长期的浓度负荷冲击开始时会造成反应器 效率的降低，这是由于负荷的突然升高导致产甲烷菌增殖速率滞后于产酸菌增殖速率，造成了有机酸的积累，使代谢产物增多，反过来抑制了产甲烷菌的活性，使有机物的分解速率下 降所致，而短时的浓度冲击不会造成有机酸的积累，当反应器适应了浓度冲击后，产甲烷菌的活性恢复，处理效率也逐步上升。3组反应器中，以GAC组耐冲击负荷能力最强。?
2?4 颗粒污泥粒径的变化
　　试验考察了接种污泥、各反应器中不同阶段污泥的粒径分布。接种污泥中有93.6%的污泥粒径＜0.22 mm，3组反应器在运行过程中厌氧污泥不断地转化为颗粒污泥，运行初期壳聚 糖 组的颗粒化进程较快，到第30天已有27.6%的污泥粒径＞0.22 mm，到第100天时粒径＞0.22 mm的污泥比例已达到44.4%；对照组的颗粒化程度较慢，运行30d后粒径＞0.22 mm的污泥比 例为19.4%，100 d后上升为38.9%；GAC组的颗粒化进程初期不如壳聚糖组，第30天时粒径＞0.22 mm的污泥比例为25.3%，100 d后高达47.2%。
　　从试验可以看出，投加壳聚糖和颗粒活性炭都能在一定程度上加快颗粒化的进程、缩短颗粒化的时间，但两者的颗粒化进程不同，这与其各自的促进颗粒化的机理有关。一般认为细菌的粘连是颗粒化过程的开始阶段，因壳聚糖带有正电荷能中和细菌表面的负电荷，从而降低了细菌之间的静电排斥力，克服了细菌粘连时的能垒，使细菌形成最初的污泥核心，加速了颗粒化的进程。同时，因壳聚糖是天然聚合物，能加强微生物聚集体内代谢产物(如乙酸、H₂)的传递，从而减少了对乙酸菌和产甲烷菌的抑制，促进了颗粒污泥的生长^{［4、5 ］}。?
　　颗粒活性炭一般都进行过化学处理，其表面具有各类含氧官能团(主要以—CHO、—OH、—COOH、—C=O等4种形式存在)这些官能团在酸性条件下会成为带电中心，使活性炭的表面有正电荷区域存在。尽管反应器的进水pH值控制在中性条件下，但在反应器内部由于水解酸化菌的存在，产生了有机脂肪酸，使反应器内部的活性炭表面带正电荷，在静电引力的作用下细菌粘连 在活性炭表面或因活性炭正电荷的中和作用而互相粘连，活性炭在这里所起到的是凝结核的作用，而且活性炭在自己的周围会形成一个基质浓缩圈以吸引更多的厌氧微生物，增加细菌相互碰撞粘连的机会。当细菌包裹在活性炭表面形成微生物聚集体一段时间后，由于各种原因造成其表面强度下降，在水力冲击下会破碎形成小的聚集体，成为颗粒污泥新的内核，这就是造成壳聚糖组初期的颗粒化速度快、颗粒活性炭组后期颗粒化进程快的原因。?
2.5?COD的平衡
　　各反应器在不同时间的COD量平衡见表2。?

表2 ?COD的平衡 组别 时间 甲烷 微生物 其他 VFA COD(mg/L) 比例(%) COD(mg/L) 比例(%) COD(mg/L) 比例(%) COD(mg/L) 比例(%) 壳聚糖 第16天 15.74 9 43.06 26 90 54 19.2 11 第79天 55.29 33 44.92 27 54.59 32 13.2 8 对照组 第16天 13.44 8 37.78 23 97.78 58 18 11 第79天 50.37 30 45.75 27 56.88 34 15 9 GAC 第16天 15.15 9 42.25 25 92 55 18.6 11 第79天 64.37 39 47 28 45.83 27 10.8 6

　　在试验的开始阶段厌氧污泥的活性较低，反应器中没有形成颗粒污泥，甲烷菌的转化能力低，基质大部分用于维持微生物的生长需要，壳聚糖组用于微生物生长的比例最高(为26%)，有65%的COD随出水流出反应器，其中有占COD总量11%的VFA存在，这三者的比例在 GAC组分别为25%、66%和11%，而对照组为23%、69%和11%，因此在这一阶段壳聚糖组的颗粒化进程最快。到试验后期污泥的活性增强，甲烷菌的转化能力增强，以甲烷形式去除的COD比例增加(GAC组为39%，壳聚糖组为33%，对照组只有30%)，GAC组用于自身生长的COD比例为28%，是3组中最高的，其他两组的情况相近(均为27%)，随出水流失的COD和VFA的比例在GAC组为33%和6%，壳聚糖组为40%和8%，对照组为43%和9%。?
　　从试验结果可以看出，运行初期壳聚糖组中的污泥活性较高，颗粒化进程较快，而后期GA C组中污泥的活性最高。应该指出的是，虽然到运行后期3组反应器中有27%～28%的COD用于微生物的生长，但其总体数量还是很低的，这在一定程度上制约了反应器污泥颗粒化的过程；在壳聚糖和GAC促进微生物聚集体的成长后，微生物聚集体通过吸收基质得到营养成分，从而由小变大最终形成颗粒污泥，该阶段的快慢与得到的营养有很大关系，这就是壳聚糖和颗粒活性炭的促进作用不如在高浓度下明显的原因。?
2.6 厌氧颗粒污泥的电镜观察
　　试验后期对3组反应器中形成的颗粒污泥进行了扫描电镜观察，发现颗粒污泥在外形上没有大的区别，呈黑灰色，形状各异(多数呈椭圆形)，放置在空气中颗粒污泥逐渐变成灰白色，最后污泥解体。污泥表面以产甲烷丝状菌为主，它们以各种方式缠绕在污泥表面，偶尔可见到一些杆状菌、球状菌。在壳聚糖组的污泥表面存在一些未知的菌落；GAC组形成的颗粒污泥中包裹有少数细小颗粒活性炭。

3 　结论

　　① 投加壳聚糖和颗粒活性炭均对厌氧污泥的颗粒化过程有促进作用，在运行初期 壳聚糖的效果明显一些，但反应器的运行不稳定；后期颗粒活性炭的效果更加明显，而且反应器的运行稳定、出水水质良好，为各阶段颗粒污泥粒径分布的分析提供了证明。
　　② 壳聚糖和颗粒活性炭的颗粒化促进作用不如在中、高浓度下明显，在低浓度下污泥的颗粒化进程受到低基质的限制。
　　③ 3组反应器形成的污泥没有大的差别，均以甲烷丝状菌为主，GAC组中取出的颗粒污泥内包裹有细小的颗粒活性炭。

参考文献：

　　［1］郭晓磊.极低浓度生活污水UASB处理技术及促进厌氧污泥颗粒化技术研究［D］.华南理工大学硕士学位论文，2001.
　　［2］国家环保局.水与废水监测分析方法(第3版)［M］.北京：中国环境科学出版社，1989，362-365.
　　［3］贺延龄.废水的厌氧生物处理［M］.北京：中国轻工业出版社，1998.
　　［4］Thiele J H,Chatrain M,Zeikus J C.Control of interspecies electron flow during anaerobic digestion:role of floc formation in syntrophic methanogen esis［J］.Appl Eniron Microbiol，1988,54(1):10-19.
　　［5］Hughes J,Ramsden D K,Symes K C.The flocculation of bacteria using cationic synthetic flocculants and Chitosan［J］.Biotechnol Tech,1990,4(1):55-60.

　　作者简介：郭晓磊(1971- )，男，江西新余人，硕士，主要从事废水处理工程技术研究。
　　电　　话：（020)87505659?
　　E-mail:[email protected]
　　收稿日期：2001-11-04