厭氧顆粒污泥的特性及其培養(yǎng)和應(yīng)用研究

厭氧顆粒污泥的特性及其培養(yǎng)和應(yīng)用研究1、厭氧顆粒污泥的特性2、厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)3、厭氧顆粒污泥的應(yīng)用4、厭氧顆粒污泥的前景和展望1、厭氧顆粒污泥的特性厭氧顆粒污泥的外觀并不十分規(guī)則，一般呈球形或橢球形，肉眼可觀察到顆粒的表面包裹著灰白色的生物膜。成熟的厭氧顆粒污泥表面邊界清晰，直徑變化范圍為0.5~3mm（最大直徑可達(dá)7mm），密度約在1.03~1.080kg/m3之間。顏色取決于處理?xiàng)l件，特別是與Fe，Ni，Co等金屬的硫化物有關(guān)，一般呈灰黑或褐黑色。通常顆粒污泥具有良好的沉降性能。沉降速度多在5~10mm/s之間。厭氧顆粒污泥的性質(zhì)與培養(yǎng)條件有關(guān)。采用不同形式的反應(yīng)器，不同的操作條件，不同種類的處理廢水等都會培養(yǎng)出不同性質(zhì)的顆粒污泥，因此對顆粒污泥品質(zhì)的優(yōu)劣很難有明確的定義。我們討論顆粒污泥的特性時，主要考慮其顆粒化程度、沉降性能、及活性。通常情況下，顆?；潭仍礁撸皆酱蟮念w粒污泥沉降性能越好，對有機(jī)物的去除率也就越高。金濤等人[2]通過對內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器顆粒污泥沉降性能的研究，得出結(jié)論：污泥床下部大粒徑污泥比上部多，而污泥床下部的顆粒污泥的沉降速度要比上部大。然而，顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性，似乎不與上述呈同樣的規(guī)律。HulshoffPol等研究表明[3]，主要由桿狀菌、絲狀菌組成的球形及松散球形顆粒污泥的粒徑較大，且絲狀菌附著在惰性粒子表面的絲狀菌含量越多，污泥顆粒粒徑越大，沉降性能越好，對有機(jī)物去除率也就越高；主要由產(chǎn)甲烷八疊球狀菌組成的緊密球狀顆粒污泥，產(chǎn)甲烷活性較前者高很多，但其粒徑較小，沉降性能不如前者，因而所能承受的負(fù)荷也不如前者高。由此我們可以預(yù)見，分開培養(yǎng)不同菌種組成、產(chǎn)生于不同階段的顆粒污泥，會利于它們各司其職，取得更好的處理效果（尤其是脫氮除磷效果），這將成為厭氧污泥技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。沈耀良教授等[3]對于ABR反應(yīng)器處理高、低濃度廢水時污泥的顆粒化及其微生物生態(tài)特性的研究證明了這點(diǎn)。ABR反應(yīng)器中，每個隔室中進(jìn)行著由不同種群微生物參與的對有機(jī)基質(zhì)的生物降解過程。另外，徐宏英等[4]在35℃下以奶粉人工合成廢水為底物連續(xù)進(jìn)行了兩段厭氧反應(yīng)（ⅠⅡ-ASBR），對ⅠⅡ兩柱中厭氧顆粒污泥的形態(tài)及微生物組成進(jìn)行掃描電鏡觀察，并測定了其不同基質(zhì)中的比產(chǎn)甲烷活性。結(jié)果表明，ⅠⅡ-ASBR反應(yīng)器中微生物均以顆粒污泥的形式存在，Ⅰ柱的顆粒污泥粒徑大，結(jié)構(gòu)緊密，菌群復(fù)雜多樣，以球菌、桿菌及甲烷八疊球菌為主；Ⅱ柱中的顆粒污泥粒徑較小，呈明顯的多孔、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，菌群以產(chǎn)甲烷絲菌及短桿菌為主，球菌較少。若從比產(chǎn)甲烷活性角度，Ⅰ柱顆粒污泥以產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷菌及甲烷八疊球菌為主，Ⅱ柱中顆粒污泥則以桿菌及甲烷絲狀菌為優(yōu)勢。兩柱均能形成適合各自運(yùn)行模式及環(huán)境條件的優(yōu)勢菌。2、厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)21接種污泥及接種量厭氧消化污泥、河底淤泥、牲畜糞便、化糞池污泥及好氧活性污泥等均可作為污泥種而培養(yǎng)顆粒污泥。如果接種污泥已經(jīng)是顆粒污泥，只需培養(yǎng)馴化一下即可，采用顆粒污泥為種泥，可加快顆?；M(jìn)程，縮短反應(yīng)器的啟動時問。如果采用活性污泥接種的話就比較麻煩，但共同點(diǎn)必須是種泥內(nèi)含有可降解目標(biāo)廢水中有機(jī)物的微生物。一般說來，用處理同樣性質(zhì)廢水的厭氧反應(yīng)器污泥作種泥是最有利的[10]。沒有處理同樣性質(zhì)廢水的厭氧反應(yīng)器污泥作種泥時，厭氧消化污泥或糞可優(yōu)先考慮。池勇志等[11]的研究表明，為了高效、快速地降解廢水中的難生物降解有機(jī)物,建議向厭氧反應(yīng)器中投加優(yōu)勢菌(產(chǎn)甲烷菌),以進(jìn)一步提高厭氧反應(yīng)器降解廢水中難生物降解有機(jī)物的效率和速度。所需的接種量目前還沒有明確的界定，一般認(rèn)為接種量為UASB反應(yīng)器有效容積的10％一30％為佳。22廢水中有機(jī)物濃度及營養(yǎng)元素、微量元素的含量廢水的性質(zhì)對顆粒污泥的馴化、培養(yǎng)有著直接的影響，同時在很大程度上決定顆粒污泥的組分和特性。張偉[5]通過以城市污水處理廠厭氧消化污泥接種的UASB處理不同有機(jī)物濃度的廢水，得出結(jié)論：利用厭氧反應(yīng)器處理不同類型的廢水可得到不同性質(zhì)的顆粒污泥，肺水中有機(jī)物含量高的顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性較好，有機(jī)負(fù)荷高的進(jìn)水得到的顆粒污泥粒徑較大。培養(yǎng)顆粒污泥的進(jìn)水COD濃度一般在1000-5000mg/L為宜，高的進(jìn)液濃度有利于底物向構(gòu)成顆粒污泥的細(xì)菌細(xì)胞傳遞，因而有利于顆粒污泥的形成和生長。但濃度不能過高，過高時細(xì)菌生長過快，形成的污泥結(jié)構(gòu)松散、沉降性能差；過低會延長培養(yǎng)時間，甚至難以形成厭氧顆粒污泥。[1]在當(dāng)廢水中N、P等營養(yǎng)元素不足時，不易于形成顆粒，對于已經(jīng)形成的顆粒污泥會發(fā)生細(xì)胞自溶，導(dǎo)致顆粒破碎，因此要適當(dāng)加以補(bǔ)充[6]。N源不足時，可添加氮肥、含氮量高的糞便、氨基酸渣及剩余活性污泥等；P源不足時，可適當(dāng)投加磷肥。SharmaJitender等[7]研究發(fā)現(xiàn)少量鐵、鎳、鈷和錳等微量元素離子的加入能提高COD的去除率和污泥的顆?；^程速率。因?yàn)檫@些微量元素是產(chǎn)甲烷輔酶重要的組成部分，適量補(bǔ)充可以增加所有種群單位質(zhì)量微生物中活細(xì)胞的濃度以及它們的酶活性。23水力負(fù)荷和氣體上升速度水力負(fù)荷和氣體上升速度是影響厭氧顆粒污泥形成的重要因素。P．A．Alphenaar等發(fā)現(xiàn)在液體上流速度快和水力停留時間短時易形成顆粒污泥。[16]水力負(fù)荷和氣體上升速度對污泥床產(chǎn)生沿水流方向的攪拌作用和水力篩選作用，是UASB等一系列無載體厭氧反應(yīng)器形成顆粒污泥的必要條件。通過水力負(fù)荷能篩選沉降性能良好的污泥，淘汰結(jié)構(gòu)松散、沉降性能差的絮狀污泥。水力篩選作用能將微小的顆粒污泥與絮體污泥分開，污泥床底聚集比較大的顆粒污泥，而比重較小的絮體污泥則進(jìn)入懸浮層區(qū)，或被淘汰出反應(yīng)器。氣體上升速度能產(chǎn)生定向攪拌作用，剪切力使顆粒產(chǎn)生不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，有利于絲狀微生物的相互纏繞，為顆粒的形成創(chuàng)造一個外部條件。但過高有害，會使形成的顆粒污泥分散、沉降性能降低[1]。同樣，在水力負(fù)荷和氣體上升速度過低的情況下，有利于分散微生物的生長，這將產(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時，將會形成沉降性能很差的松散絲狀纏繞結(jié)構(gòu)。Riitta等[8]的研究中認(rèn)為，液體上升流速在2.5～3.0m/d之間內(nèi)，最有利于UASB反應(yīng)器內(nèi)污泥的顆?；?。24堿度曹剛等[9]研究發(fā)現(xiàn)在一定堿度范圍內(nèi)，進(jìn)水堿度高，污泥顆粒化速度快。堿度對污泥顆粒化的影響表現(xiàn)在兩方面：一是對顆?；M(jìn)程的影響；二是對顆粒污泥活性的影響。后者主要表現(xiàn)在通過調(diào)節(jié)pH值(即通過堿度的緩沖作用使pH值變化較小)使得產(chǎn)甲烷菌呈不同的生長活性，前者主要表現(xiàn)在對污泥顆粒分布及顆?；俣鹊挠绊?。在一定的堿度范圍內(nèi)，進(jìn)水堿度高的反應(yīng)器污泥顆?；俣瓤欤w粒污泥的產(chǎn)甲烷活性低；進(jìn)水堿度低的反應(yīng)器其污泥顆?；俣嚷w粒污泥的產(chǎn)甲烷活性高。因此，在污泥顆?；^程中進(jìn)水堿度可以適當(dāng)偏高(但不能使反應(yīng)器體系的pH高于8.2，這主要是因?yàn)榇藭r產(chǎn)甲烷菌會受到嚴(yán)重抑制)以加速污泥的顆粒化，使反應(yīng)器快速啟動；而在顆?；^程基本結(jié)束時，進(jìn)水堿度應(yīng)適當(dāng)偏低以提高顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性。25其他因素為了保證反應(yīng)器內(nèi)的最佳生長條件，必要時投加無機(jī)絮凝劑或高聚物可改變廢水的成分，其方法是向進(jìn)水中投加養(yǎng)分、維生素和促進(jìn)劑等。向反應(yīng)器中投加適量的細(xì)微顆粒物如粘土、陶粒、顆?；钚蕴康榷栊晕镔|(zhì)，利用顆粒物的表面性質(zhì)，加快細(xì)菌在其表面的富積，使之形成顆粒污泥的核心載體，有利于縮短顆粒污泥的出現(xiàn)時間。但投加過量的顆粒會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)，對于顆粒污泥的成長有害無益。郭曉磊等[12]向低濃度生活污水中投加絮凝劑(殼聚糖)和顆粒活性炭(GAC)的試驗(yàn)結(jié)果表明,這兩種物質(zhì)對厭氧污泥的顆?；写龠M(jìn)作用,但不如在中、高濃度污水中明顯。二者相比,GAC的效果更好一些(反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定,耐沖擊能力強(qiáng),出水水質(zhì)良好),各反應(yīng)器中形成的顆粒污泥均以產(chǎn)甲烷絲狀菌為主。適量惰性物如Ca2+、Mg2+和CO32-、SO42-等離子的存在，能夠促進(jìn)顆粒污泥初成體的聚集和粘結(jié)。3、厭氧顆粒污泥的應(yīng)用

厭氧污水處理工藝已經(jīng)成功地應(yīng)用到很多領(lǐng)域，目前大多數(shù)高效厭氧反應(yīng)器，如升流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧顆粒膨脹床(EGSB)、厭氧膨脹床(AEBR)等，其良好效果均來自于高活性厭氧顆粒污泥。31厭氧顆粒污泥處理高濃度有機(jī)廢水自1976年厭氧顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)以來，眾多研究均集中在厭氧顆粒污泥處理高濃度有機(jī)廢水方面，取得的成就大大促進(jìn)了各種厭氧處理器的發(fā)展。針對不同處理器研究的厭氧顆粒污泥成分大致相同，但組分含量差異卻很大，因此性能也有不同。從各種反應(yīng)器的發(fā)展歷程，也可以看到厭氧顆粒污泥的發(fā)展向著更高負(fù)荷、更佳性質(zhì)、更低能耗的方向發(fā)展。例如，EGSB和IC反應(yīng)器充分運(yùn)用了污泥顆?；?、流態(tài)化、反饋控制（回流）、大高徑比設(shè)計(jì)等成熟生物與工程技術(shù)，同時由于作為微生物聚合體的顆粒污泥的各項(xiàng)性能隨著反應(yīng)器的操作條件和處理負(fù)荷等因素做出相應(yīng)的調(diào)整，克服了附著生長反應(yīng)器由于使用填料而造成的易堵塞和動力消耗較大等缺點(diǎn)。[13]并且，有研究提出，對高濃度工業(yè)廢水，好氧污泥、厭氧污泥的串聯(lián)組合方式將成為最佳選擇。[15]32厭氧氨氧化(ANAMMOX)顆粒污泥ANAMMOX是目前已知最簡捷和最經(jīng)濟(jì)的生物脫氮工藝，特別適合于低碳高氨氮廢水。如垃圾滲濾液，污泥上清液等。但ANAMMOX菌生長緩慢。富集較閑難．在有機(jī)碳源存在時與反硝化菌存在競爭關(guān)系。若能形成顆粒污泥．則可以在反應(yīng)器內(nèi)大量滯留ANAMMOX菌．提高反應(yīng)器的總氮負(fù)荷和抗沖擊能力。而且可以形成反硝化菌與ANAMMOX菌的共生體系．在顆粒外圍以COD降解和反硝化作用為主，內(nèi)部則以ANAMMOX反應(yīng)為主．從而減少反硝化菌對ANAMMOX菌的抑制作用。呂永濤等[14]在厭氧生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)中成功培養(yǎng)了厭氧氨氧化(ANAMMOX)菌和顆粒污泥，獲得了穩(wěn)定運(yùn)行和較高的脫氮率。并采取合理措施有效抑制了絲狀菌生長。34厭氧顆粒污泥吸附重金屬顆粒污泥比表面積大．孔隙度高．其內(nèi)的微生物可以分泌具螯合作用的胞外高聚物。而且易于固液分離．吸附飽和后．可以很方便的從廢水中去除。因此可用來做生物吸附劑。用厭氧顆粒污泥處理含Pb廢水的報(bào)道顯示．在溫度17℃，pH為6．0。沉降50min后。Pb的去除率達(dá)到99．3％。[15]4、厭氧顆粒污泥的前景和展望33厭氧顆粒污泥降解五氯苯酚五氯苯酚(PCP)是一種重要的有機(jī)化工原料．常作為防腐劑、殺蟲劑和消毒劑，因?yàn)閯《?，被美國環(huán)保局列為優(yōu)先控制污染物。其在厭氧和好氧條件下都可以生物降解。但目前研究以厭氧條件下居多。厭氧顆粒污泥由于具有良好的沉降性能．可以為不同的微生物提供良好的生存環(huán)境．特別是可以減小有毒物質(zhì)在顆粒內(nèi)部的濃度．而被眾多研究者看好?，F(xiàn)有的相關(guān)研究或者用顆粒污泥對含PCP廢水進(jìn)行處理．或者在外加碳源的情況下接種絮狀污泥培養(yǎng)出具有PCP降解能力的特種顆粒污泥。[15]厭氧顆粒污泥工藝起步早，現(xiàn)已較為成熟，在廢水處理中具有應(yīng)用范圍廣、能耗低、負(fù)荷高、剩余污泥量少等優(yōu)點(diǎn)，尤其對高濃度工業(yè)廢水的處理效果非常顯著。但厭氧微生物生長緩慢，污泥顆?；枰^長時間，并且對溫度等其他條件要求較高，脫氮除磷效果差等缺點(diǎn)。