李 婷， 劉永紅， 王利娜， 蔡會(huì)勇， 劉 磊

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 西安 710048)

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PVA厭氧顆粒污泥快速培養(yǎng)研究

李 婷， 劉永紅， 王利娜， 蔡會(huì)勇， 劉 磊

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 西安 710048)

文章以粒徑為5 mm的聚乙烯醇(PVA)凝膠顆粒為生物載體，研究其對(duì)厭氧污泥顆?；M(jìn)程及反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響。在PVA顆粒污泥初成體形成的情況下，UASB反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行74 d。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)32 d的培養(yǎng)，得到沉降性能優(yōu)良的PVA顆粒污泥，反應(yīng)器COD去除率高達(dá)97%，容積負(fù)荷由1.05 kgCOD·m-3d-1提升至13.33 kgCOD·m-3d-1，水力停留時(shí)間由35 h縮短至8 h；運(yùn)行結(jié)束時(shí)，COD去除率穩(wěn)定在90%左右，容積負(fù)荷達(dá)到13.54 kgCOD·m-3d-1。通過(guò)掃描電鏡觀察到成熟PVA顆粒污泥外表面絲狀菌上交聯(lián)生長(zhǎng)著桿菌、球菌，內(nèi)部主要附著絲狀菌。

PVA凝膠顆粒；生物載體；厭氧反應(yīng)器；顆?；?/p>

高品質(zhì)厭氧顆粒污泥的形成與長(zhǎng)期穩(wěn)定保持是高效厭氧反應(yīng)器快速啟動(dòng)和高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[1]，而顆粒污泥的自固定化過(guò)程受諸多因素共同制約，自固定化現(xiàn)象的研究一直是廢水生物處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。為解決顆粒污泥快速培養(yǎng)這一難題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了大量生物載體促進(jìn)污泥顆?；M(jìn)程的研究[2-5]。

由于PVA(聚乙烯醇)凝膠顆粒與厭氧顆粒污泥具有相似的物理性質(zhì)，滿足生物載體促進(jìn)厭氧污泥顆?；M(jìn)程所需具備的特征，即高的比表面積、與厭氧顆粒污泥接近的比重及球形外形[6]，近幾年作為一種新型生物載體開(kāi)始應(yīng)用于顆粒污泥的快速培養(yǎng)研究中[7-9]。而針對(duì)不同類型的廢水，不同粒徑的PVA凝膠顆粒對(duì)污泥顆?；M(jìn)程及反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響均有所差異。

因此，本文將以粒徑為5 mm的PVA凝膠顆粒為載體，采用葡萄糖模擬廢水培養(yǎng)PVA厭氧顆粒污泥，探究其對(duì)厭氧污泥顆粒化進(jìn)程及反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響，以期為厭氧顆粒污泥的工程化快速培養(yǎng)提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的UASB反應(yīng)器(總?cè)莘e13.6 L，高2.10 m，內(nèi)徑0.09 m)。水浴加熱保持反應(yīng)器內(nèi)溫度在35℃±2℃。

1.2 試驗(yàn)用水

采用模擬葡萄糖廢水，添加葡萄糖，NHCl4和KH2PO4調(diào)節(jié)廢水的m(COD)∶m(N)∶m(P)為200∶5∶1[10]。用NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度至2000 mg·L-1左右，并加入微生物生長(zhǎng)所必需的微量元素。

1.3 接種污泥及PVA凝膠顆粒

接種絮狀污泥取自咸陽(yáng)某印染廠厭氧池。PVA凝膠顆粒購(gòu)于日本某公司，密度1025 kg·m-3，直徑5 mm。

1.4 試驗(yàn)方法

向容器中投加混勻的厭氧絮狀污泥與PVA凝膠顆粒(混合體積比為2.5∶1，其中PVA凝膠顆粒1.2 L)，室溫下間歇進(jìn)葡萄糖廢水并保持出水回流。經(jīng)過(guò)14 d培養(yǎng)，觀察到大部分PVA凝膠顆粒由原先的白色變?yōu)榛液谏Ｖ古囵B(yǎng)試驗(yàn)[11]。將PVA顆粒污泥初成體(約1.2 L)及3 L的絮狀污泥投加到UASB反應(yīng)器中，連續(xù)運(yùn)行74 d，對(duì)PVA厭氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)進(jìn)行研究。

1.5 分析項(xiàng)目及方法

COD采用5B-3C快速測(cè)定儀測(cè)定；pH值采用PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定；總堿度采用甲基橙指示劑滴定法測(cè)定[12]；VFA采用酸堿滴定法測(cè)定[13]；PVA顆粒污泥沉降速度采用重力沉降法測(cè)定[14]；PVA顆粒微生物相采用VEGAⅡXMUINCA掃描電鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 UASB反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行

啟動(dòng)初期進(jìn)水COD濃度2400 mg·L-1左右，水力停留時(shí)間35 h，容積負(fù)荷1.34 kgCOD·m-3d-1左右。負(fù)荷提升階段，通過(guò)交替縮短水力停留時(shí)間和增大進(jìn)水濃度的方式逐步提升反應(yīng)器的容積負(fù)荷，水力停留時(shí)間逐步縮短至8 h，進(jìn)水COD濃度逐步增大至4686 mg·L-1，容積負(fù)荷提升至13.26 kg COD·m-3d-1。穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水COD濃度維持在4600 mg·L-1左右，水力停留時(shí)間保持8 h不變，容積負(fù)荷穩(wěn)定在13.44 kgCOD·m-3d-1左右。

反應(yīng)器各階段運(yùn)行條件見(jiàn)表1所示。

表1 反應(yīng)器各階段運(yùn)行條件

2.1.1 不同階段COD去除效果

反應(yīng)器運(yùn)行不同階段COD去除情況見(jiàn)圖1所示。

第1～10 d，進(jìn)水COD穩(wěn)定在2166 mg·L-1左右，COD去除率達(dá)到88%，容積負(fù)荷達(dá)到1.32 kgCOD·m-3d-1；第11～16 d，進(jìn)水COD增大至2600 mg·L-1左右，COD去除率穩(wěn)定在89%左右。此時(shí)反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

圖1 進(jìn)出水COD濃度及其去除率變化情況

第17～32 d，逐步將水力停留時(shí)間從27 h縮短至8 h，反應(yīng)器COD去除率一直穩(wěn)定在90%以上(最高達(dá)97%)，容積負(fù)荷快速提升至7.88 kgCOD·m-3d-1。第33 d起，進(jìn)一步增大反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度，當(dāng)濃度提至4000 mg·L-1左右時(shí)，COD去除率降至88%，但僅過(guò)3 d后即恢復(fù)至90%；當(dāng)濃度提至4500 mg·L-1左右時(shí)，COD去除率降至88%，8 d后恢復(fù)至90%。

第66 d起，COD去除率穩(wěn)定在91%左右，容積負(fù)荷穩(wěn)定在13.32 kgCOD·m-3d-1左右，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定。最終反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度為4673 mg·L-1，最高容積負(fù)荷達(dá)到13.54 kgCOD·m-3d-1，產(chǎn)氣量達(dá)到110.7 L·d-1的峰值。

2.1.2 出水VFA及反應(yīng)區(qū)pH值的變化

VFA及pH值是反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中重要的控制指標(biāo)，運(yùn)行期間出水VFA及反應(yīng)區(qū)pH值的變化情況見(jiàn)圖2所示。

圖2 出水VFA及反應(yīng)區(qū)pH值的變化

由圖2可知，啟動(dòng)運(yùn)行期間，反應(yīng)器內(nèi)pH值維持在6.7～7.2之間，基本滿足不同階段厭氧微生物所需的pH值條件[15]。隨著反應(yīng)器容積負(fù)荷的不斷提升，反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸有所累積，pH值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但并未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。從第33 d起，VFA值高于8.0 mmol·L-1，到第38 d達(dá)到最大值11.5 mmol·L-1，第41 d反應(yīng)器內(nèi)pH值降至最低6.7。通過(guò)增加NaHCO3的投加量，第48 d起反應(yīng)器內(nèi)VFA逐步恢復(fù)正常水平，pH值趨于穩(wěn)定。

綜上所述，接種PVA顆粒污泥初成體，經(jīng)過(guò)16 d的運(yùn)行，反應(yīng)器即啟動(dòng)成功；隨著反應(yīng)器容積負(fù)荷的不斷提升，COD去除率并未出現(xiàn)明顯的先下降后上升趨勢(shì)，而是一直處于較高去除率，可見(jiàn)PVA顆粒污泥耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)；其耐酸能力亦較強(qiáng)，高負(fù)荷運(yùn)行期間并未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，有效維持了厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。而本實(shí)驗(yàn)室采用此反應(yīng)器接種傳統(tǒng)厭氧顆粒污泥(粒徑1.09 mm左右，呈灰色)達(dá)到相同負(fù)荷需174 d，運(yùn)行期間出現(xiàn)了嚴(yán)重的酸化現(xiàn)象，且恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)[16]。

2.2 PVA顆粒污泥的物理特性與微生物相特征

2.2.1 PVA顆粒外觀與沉降速度變化

PVA凝膠顆粒外觀變化見(jiàn)圖3～圖5所示。

圖3 空白PVA凝膠顆粒

圖4 PVA顆粒污泥初成體

圖5 成熟PVA顆粒污泥

由圖3～圖5可知，PVA凝膠顆粒為白色；經(jīng)過(guò)14 d培養(yǎng)PVA顆粒污泥初成體呈灰黑色，表明已有部分絮狀污泥附著于PVA凝膠外表面；隨后經(jīng)過(guò)74 d的運(yùn)行，PVA顆粒污泥逐漸成熟，最終幾乎全變?yōu)楹谏?/p>

PVA顆粒沉降速度大小是評(píng)價(jià)顆粒污泥質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)之一[17]。不同運(yùn)行階段PVA顆粒平均沉降速度變化情況見(jiàn)圖4所示。

圖6 PVA顆粒平均沉降速度變化

由圖6可知，PVA顆粒污泥初成體平均沉降速度集中在160～200 m·h-1之間；啟動(dòng)初期，PVA顆粒平均沉降速度集中在180～200 m·h-1之間；負(fù)荷提升階段，PVA顆粒平均沉降速度主要集中在200～240 m·h-1之間，38%的PVA顆粒平均沉降速度達(dá)到240 m·h-1以上；穩(wěn)定運(yùn)行階段，PVA顆粒平均沉降速度均大于200 m·h-1，已有51%的PVA顆粒沉降速度達(dá)到240 m·h-1以上。

與傳統(tǒng)高品質(zhì)厭氧顆粒污泥沉降速度[18]相比，試驗(yàn)得到的PVA顆粒污泥沉降速度更優(yōu)，滿足較大水力負(fù)荷及產(chǎn)氣量對(duì)其的沖擊，從而不至于被沖出反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)保留了較高濃度的微生物量，可在高負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，隨著反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷的不斷提高，反應(yīng)器內(nèi)并未出現(xiàn)PVA顆粒污泥大量流失的現(xiàn)象。

2.2.2 PVA顆粒微生物相

PVA凝膠顆粒與成熟PVA顆粒污泥掃描電鏡見(jiàn)圖7～圖9所示。

圖7 PVA顆粒SEM圖像空白表面(×5000)

圖8 PVA顆粒SEM圖像空白內(nèi)部(×5000)

圖9 PVA顆粒SEM圖像結(jié)束時(shí)表面(×5000)

圖10 PVA顆粒SEM圖像結(jié)束時(shí)內(nèi)部(×3500)

由圖7和圖8可見(jiàn)，PVA凝膠顆粒從表面到內(nèi)部布滿大量微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中表面及內(nèi)部孔徑分別約為4 μm，20 μm[19]，這有利于釋放氣體和輸送物質(zhì)[13]。隨著反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行，反應(yīng)器內(nèi)PVA顆粒污泥表面最終附著有大量的微生物(見(jiàn)圖9)。微生物相呈現(xiàn)多樣化，菌種類型豐富，各種類型細(xì)菌以微小群落形式隨機(jī)分布，不同菌落互相交融，形成混棲的菌群。細(xì)菌排列緊密，以球菌、短桿菌為主，另外還存在著一定數(shù)量的絲狀菌。PVA顆粒污泥內(nèi)部菌群數(shù)量較少，主要附著有絲狀菌，同時(shí)存在著極少的短桿菌和球菌(見(jiàn)圖10)。

3 結(jié)論

(1) 以PVA凝膠顆粒為載體，經(jīng)過(guò)14 d快速培養(yǎng)即得到PVA顆粒污泥初成體；接種PVA顆粒污泥初成體，啟動(dòng)運(yùn)行16 d，實(shí)現(xiàn)了UASB反應(yīng)器的快速啟動(dòng)；反應(yīng)器運(yùn)行32 d形成了沉降性能優(yōu)良的PVA顆粒污泥，大大縮短了傳統(tǒng)高品質(zhì)厭氧顆粒污泥形成所需的時(shí)間；隨后42 d有效維持了反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 通過(guò)掃描電鏡觀察到成熟PVA顆粒污泥外表面及內(nèi)部有效富集了大量的微生物，為反應(yīng)器的高負(fù)荷運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

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Study on Fast Cultivation of PVA Anaerobic Granular Sludge

LI Ting, LIU Yong-hong, WANG Li-na, CAI Hui-yong, LIU Lei

(School of Environmental and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xian 710048, China)

The promoting effect by PVA-gel bio-carriers with diameter of 5 mm on formation of anaerobic granular sludge and its operation performance in UASB reactor were studied. With formation of embryonic PVA granules, the results of 74 days continuous operation showed that the PVA granular sludge with good settling property were obtained after 32 days cultivation. Organic loading rate was increased from 1.05 kgCOD·m-3d-1to 13.33 kgCOD·m-3d-1. The COD removal rate could be as high as 97%. Hydraulic retention time was reduced from 35 h to 8 h. Organic loading rate reached 13.54 kgCOD·m-3d-1with stable COD removal rate of 90% at the end of experiment. By SEM methods, the filamentous, bacillus and coccus bacteria were found on the surface of the PVA-gel beads, while in the interior only filamentous bacteria were found.

PVA-gel beads; bio-carriers; anaerobic reactor; granulation

2015-03-30

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176197)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07212-002-002)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTZB03-03-01)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2008k07-14)

李 婷(1988-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)閺U水的厭氧生物處理，E-mail:liting365@139.com

TQ9；X703.1

A

1000-1166(2016)01-0010-04