颗粒污泥的形成原理及主要工艺条件

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：根据目前的研究成果，尚不明确培养这三种类型的颗粒污泥所需的各自工艺条件及相互关系。

UASB反应器能够在高负荷条件下处理废水的最重要原因，是在反应器内以产甲烷细菌为主体的厌氧微生物形成了1～5mm的颗粒污泥，从而保证了很高的生物量。因此，探索掌握培养颗粒污泥的工艺条件，是研究UASB工艺的一个重要部分，是解决该工艺实际应用的关键技术问题。国内外研究者一直对UASB反应器的启动与形成颗粒污泥的条件、机理等进行着研究，以求在初次启动阶段获得满意的厌氧污泥，使之具有优良的沉降性能和很高的产甲烷能力。

1.颗粒污泥形成的原理

在UASB污泥颗粒化过程中，根据接种污泥的性质、底物的成分及启动条件，可能形成以下三种类型的颗粒污泥。（1）杆菌颗粒：紧密球形颗粒，主要由杆状菌、丝状菌组成，颗粒直径1～3mm；（2）丝菌颗粒：颗粒大致呈球形，主要由松散互卷的丝状菌组成，丝状菌附着在惰性粒子上，颗粒直径1～5mm；（3）球菌颗粒：紧密球状颗粒，主要由甲烷八叠球菌属组成，颗粒直径0.1～0.5mm。根据目前的研究成果，尚不明确培养这三种类型的颗粒污泥所需的各自工艺条件及相互关系。对这三种颗粒污泥来说，杆菌颗粒和丝菌颗粒的沉淀性能好，虽然球菌颗粒的产甲烷活性较高，但因所形成的颗粒小，故使反应器所能承受的有机负荷不如前两种颗粒污泥的高。

Lettinga等研究认为，细菌很容易在惰性材料表面上附着并结团（絮凝）。污泥结团的主要核心是较重的污泥及颗粒，细菌则以某种程度附着在上面。通过新生成细菌的附着、截留使这些较重的“基本核心”增长成较密实的污泥絮体。当反应器有利于微生物生长时，这一过程进行得很快。在启动后期，污泥絮体及附着其上不断繁殖的细菌，在重力（压力）、水流及逸出的气泡剪切力的扰动和影响下发生生物团聚作用。

近期的研究结果表明，颗粒污泥中存在着大量的丝状甲烷菌属，如索氏丝状甲烷菌，这些丝状菌具有极强的附着能力，可促进颗粒的形成。研究表明，丝状甲烷菌属可以通过控制适当的工艺条件进行筛选使之成为优势菌种，这对污泥颗粒化的理论研究与应用具有很大意义。电子显微镜观察可见颗粒内部丝体发达，几乎没有粘质物和无机物，菌体间保持一定空隙，丝体具有竹节状，端部呈圆盘状。在颗粒污泥表面覆盖着薄层粘液层，在这些粘液层中繁殖着大量短杆菌，一般为产酸细菌。

2.UASB反应器初次启动的操作原则

启动阶段主要有两个目的：其一，使污泥适应将要处理废水中的有机物；其二，使污泥具有良好的沉降性能。综合各研究者的试验结果，应注意遵循以下5条原则：①最初的污泥负荷应低于0.1～0.2kgCOD/（kgSS·d）；②废水中原来存在和产生出来的各种挥发酸未能有效地分解之前，不应增加反应器负荷；③反应器内的环境条件应控制在有利于厌氧细菌（产甲烷菌）繁殖的范围内；④接种污泥量应尽可能多，一般应为10～15kgVSS/m3；⑤控制一定的上升流速，允许多余的（稳定性差的）污泥冲洗出来，截留住重质污泥。根据一些研究者的研究报告及作者的实践体会，形成颗粒污泥的过程可以归纳为以下三个阶段。

第1阶段：启动与提高污泥活性阶段。有机负荷量≤2kgCOD/（m3·d），时间约1～1.5个月，有机负荷逐步增加，水力筛选将细小污泥洗出，较重的污泥成分留在反应器内，最终沉淀性能较好的污泥已不被冲洗流失。

第2阶段：形成颗粒污泥阶段。根据废水性质，有机负荷选择1～3kgCOD/（m3·d），颗粒逐渐成长为直径1～3mm左右的颗粒污泥。此阶段约需1～1.5月，污泥的活性（产甲烷能力）得到提高。

第3阶段：逐渐形成颗粒污泥层阶段。反应器的有机负荷大于3～5kgCOD/（m3·d），随着负荷的提高，反应器的污泥总量逐渐增加，污泥层逐渐增高。

一般来说，在接种污泥充足、操作控制得当的情况下，形成具有一定高度的颗粒污泥层需要3～4个月时间。

3.影响污泥颗粒化的因素

总的来说，颗粒污泥的形成受污泥接种物的性质、底物成分、反应器的工艺条件、微生物的性质以及微生物菌种间、微生物与底物间的相互作用等影响，是生物、化学及物理因素等多种作用的结果。

（1）接种污泥：Lettira提出稠密型厌氧污泥（～60kg/m3）比稀薄型的污泥要好。前者的单位生物量产甲烷能力（比产甲烷活性）虽然低于后者，但前者的沉淀性能好，不易因产生过度膨胀而流失。

（2）废水的性质：废水的性质包括有机组分、浓度、悬浮物含量及可生物降解性能等，这些对污泥结团（颗粒化）都有影响。

底物种类对污泥颗粒化影响较大，含碳水化合物和易降解废水易形成颗粒污泥。对于生物降解性差的化工等废水，在启动时适当加入淀粉等易生物降解物质是有利的。

COD浓度对污泥的颗粒化有一定影响，在低浓度的废水里结团会更快，其原因尚不清楚。启动时，COD浓度以4000～5000mg//L为宜，对浓度过高的废水最好采用稀释的方法。

进水悬浮物的含量应控制在一定范围，为成功地培养形成颗粒污泥，通常应控制悬浮物浓度在2g/L以下。一般来说，高浓度的惰性分散固体（如黏土等）不利于颗粒污泥的形成。

（3）反应器的工艺条件：在培养颗粒污泥的过程中，各种条件都应控制在有利于细菌生长的范围内，主要控制参数有温度、挥发酸、固体停留时间（SRT）以及有机负荷等。

到目前为止，中试及生产性装置成功地培养出颗粒污泥的研究报道均在中温范围（33～41℃），高温下污泥结团过程与中温类似，但颗粒较小，易流失。UASB反应器排泥量很少，特别是在启动和运行最初的100～200d几乎不需排泥，因此污泥龄（SRT）很长。反应器在启动和运行期间的有机负荷影响较大，前已叙及。

控制反应器出水的挥发酸浓度可选择污泥的优势菌种。由于甲烷八叠球菌属的底物亲合力低、比产甲烷速率高，因而可以用维持高的出水乙酸浓度的方法选择甲烷八叠球菌属。为了培养以丝状菌为主的颗粒污泥，利用甲烷丝菌属对底物亲合力较高的特点，维持低的出水乙酸浓度来达到使甲烷丝菌属成为主要降解乙酸的产甲烷优势菌的目的。

4.影响颗粒污泥直径大小的因素

颗粒污泥的直径随有机负荷提高而增大，实际上，颗粒污泥的大小受底物在传质过程中所能进入颗粒内部的深度支配。当颗粒大小与传质之间不相适应时，颗粒内即会因营养不足发生细胞自溶，最终导致颗粒破碎。高的负荷或高的进水有机物浓度可使底物更多进入颗粒内部，从而允许有大的颗粒存在和生长。一般，当反应器有机负荷降低一段时间后，会导致颗粒污泥强度降低，但由于低负荷下产气也减少，与此有关的流体剪切力与内部产气压力也减少，负荷的突然降低虽然会导致中空的颗粒污泥产生，但并不一定使颗粒明显破裂。当突然降低有机负荷一段时间后再增加负荷，会产生颗粒污泥的破碎。这种情形可发生在用颗粒污泥接种的二次启动过程及反应器停止运行后再次启动中。

虽然颗粒化过程与很多因素有关，但较大的上升流速与产气量可选择性地洗出较小的颗粒和絮状污泥，无疑是其中关键因素之一。高负荷产生大量生物气也有助于洗出细小污泥，这是高负荷下颗粒污泥平均直径较大的又一原因。

颗粒污泥的形成原理及主要工艺条件

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