PVA厭氧顆粒污泥快速培養(yǎng)研究

李 婷， 劉永紅， 王利娜， 蔡會勇， 劉 磊

(西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院， 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， 蔡會勇， 劉 磊

(西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院， 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，研究其對厭氧污泥顆粒化進程及反應(yīng)器運行效果的影響。在PVA顆粒污泥初成體形成的情況下，UASB反應(yīng)器連續(xù)運行74 d。試驗結(jié)果表明：經(jīng)過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97%，容積負荷由1.05 kgCOD·m-3d-1提升至13.33 kgCOD·m-3d-1，水力停留時間由35 h縮短至8 h；運行結(jié)束時，COD去除率穩(wěn)定在90%左右，容積負荷達到13.54 kgCOD·m-3d-1。通過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；顆粒化

高品質(zhì)厭氧顆粒污泥的形成與長期穩(wěn)定保持是高效厭氧反應(yīng)器快速啟動和高負荷穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[1]，而顆粒污泥的自固定化過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)域的一個研究熱點。為解決顆粒污泥快速培養(yǎng)這一難題，近年來國內(nèi)外研究者開展了大量生物載體促進污泥顆?；M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)，滿足生物載體促進厭氧污泥顆粒化進程所需具備的特征，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始應(yīng)用于顆粒污泥的快速培養(yǎng)研究中[7-9]。而針對不同類型的廢水，不同粒徑的PVA凝膠顆粒對污泥顆粒化進程及反應(yīng)器運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，探究其對厭氧污泥顆?；M程及反應(yīng)器運行效果的影響，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 試驗裝置

試驗采用自行設(shè)計的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)進水堿度至2000 mg·L-1左右，并加入微生物生長所必需的微量元素。

1.3 接種污泥及PVA凝膠顆粒

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

1.4 試驗方法

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)，室溫下間歇進葡萄糖廢水并保持出水回流。經(jīng)過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[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)運行74 d，對PVA厭氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)進行研究。

1.5 分析項目及方法

COD采用5B-3C快速測定儀測定；pH值采用PHS-3C型酸度計測定；總堿度采用甲基橙指示劑滴定法測定[12]；VFA采用酸堿滴定法測定[13]；PVA顆粒污泥沉降速度采用重力沉降法測定[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)器的啟動與運行

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

反應(yīng)器各階段運行條件見表1所示。

表1 反應(yīng)器各階段運行條件

2.1.1 不同階段COD去除效果

反應(yīng)器運行不同階段COD去除情況見圖1所示。

第1～10 d，進水COD穩(wěn)定在2166 mg·L-1左右，COD去除率達到88%，容積負荷達到1.32 kgCOD·m-3d-1；第11～16 d，進水COD增大至2600 mg·L-1左右，COD去除率穩(wěn)定在89%左右。此時反應(yīng)器啟動成功。

圖1 進出水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97%)，容積負荷快速提升至7.88 kgCOD·m-3d-1。第33 d起，進一步增大反應(yīng)器進水COD濃度，當濃度提至4000 mg·L-1左右時，COD去除率降至88%，但僅過3 d后即恢復(fù)至90%；當濃度提至4500 mg·L-1左右時，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，容積負荷穩(wěn)定在13.32 kgCOD·m-3d-1左右，反應(yīng)器運行穩(wěn)定。最終反應(yīng)器進水COD濃度為4673 mg·L-1，最高容積負荷達到13.54 kgCOD·m-3d-1，產(chǎn)氣量達到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)器運行過程中重要的控制指標，運行期間出水VFA及反應(yīng)區(qū)pH值的變化情況見圖2所示。

圖2 出水VFA及反應(yīng)區(qū)pH值的變化

由圖2可知，啟動運行期間，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，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16 d的運行，反應(yīng)器即啟動成功；隨著反應(yīng)器容積負荷的不斷提升，COD去除率并未出現(xiàn)明顯的先下降后上升趨勢，而是一直處于較高去除率，可見PVA顆粒污泥耐沖擊負荷能力較強；其耐酸能力亦較強，高負荷運行期間并未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，有效維持了厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定運行狀態(tài)。而本實驗室采用此反應(yīng)器接種傳統(tǒng)厭氧顆粒污泥(粒徑1.09 mm左右，呈灰色)達到相同負荷需174 d，運行期間出現(xiàn)了嚴重的酸化現(xiàn)象，且恢復(fù)時間較長[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74 d的運行，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價顆粒污泥質(zhì)量好壞的主要指標之一[17]。不同運行階段PVA顆粒平均沉降速度變化情況見圖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；啟動初期，PVA顆粒平均沉降速度集中在180～200 m·h-1之間；負荷提升階段，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到240 m·h-1以上；穩(wěn)定運行階段，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，試驗得到的PVA顆粒污泥沉降速度更優(yōu)，滿足較大水力負荷及產(chǎn)氣量對其的沖擊，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，可在高負荷下穩(wěn)定運行，隨著反應(yīng)器運行負荷的不斷提高，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)束時表面(×5000)

圖10 PVA顆粒SEM圖像結(jié)束時內(nèi)部(×3500)

由圖7和圖8可見，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(見圖9)。微生物相呈現(xiàn)多樣化，菌種類型豐富，各種類型細菌以微小群落形式隨機分布，不同菌落互相交融，形成混棲的菌群。細菌排列緊密，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，同時存在著極少的短桿菌和球菌(見圖10)。

3 結(jié)論

(1) 以PVA凝膠顆粒為載體，經(jīng)過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，啟動運行16 d，實現(xiàn)了UASB反應(yīng)器的快速啟動；反應(yīng)器運行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間；隨后42 d有效維持了反應(yīng)器的穩(wěn)定運行。

(2) 通過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)器的高負荷運行奠定了基礎(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

項目來源： 國家自然科學基金項目(21176197)；國家科技重大專項項目(2009ZX07212-002-002)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2011KTZB03-03-01)；陜西省科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2008k07-14)

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

TQ9；X703.1

A

1000-1166(2016)01-0010-04