ABR工藝處理生活污水研究

中國招氣China Biogas 2006,24(1))ABR工藝處理生活污水研究楊琦,尚海濤(中國地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京10083)摘要: 本文對折流擋板厭氧反應器處理生活污水進(jìn)行了研究。反應器沿流向分為三格,實(shí)驗溫度為25 C,水力停留時(shí)間12小時(shí),pH在7~7.6。實(shí)驗結果表明:COD的去除率可維持在70%左右,產(chǎn)氣主要含有甲烷、二氧化碳和氫氣,每格最大產(chǎn)甲烷活性依次為211 mLCH.*g5S-'d-,314 mLCH4 . gVSS-'d-',319 mLCH.gVSS-'d-';出水產(chǎn)物為乙酸和丙酸;每格優(yōu)勢菌種依次為桿菌球菌甲烷絲狀菌和甲烷八疊球菌。填料掛膜量(濕重)沿著(zhù)流向逐漸降低,平均為4.27 g"cm~3。關(guān)鍵詞:厭氧擋板反應器;產(chǎn)甲浣活性;生活污水中圖分類(lèi)號: S216.4; X703文獻標識碼: A文章編號: 1000 - 1662006)01 - 090 - 06The Study oo Anaerobic BaMed Reactor Treating Municipal Wastewater / YANG Qi, SHANG Hai-ta0/(School of waterResources & Environment, Chnina University of Gesienees, Beijing 10083, China)Ahstract: In this study the anaerobic bafled reactor (ABR) was used to treat municipal wastcwater. ABR was separated to threesequential urits, and worked at the condition of pH 7.0~ 7.6, lemperature 25 C, HRT 12 h, and glucose as substrate. The re-sults indicated: COD renoral eficiency could remain at 70% , the product gas was mainly composed of methanc, carbon dioxideand hyrogen, the maximal methane producing acininy senuenially were 211 mLCH *gVSS-'d-' ,314 mLCH."gVSS-ld-1 ,319mLCH, . gVSS ~'d-1 ;The main components of efluent were acctic acid uand propanoic acid; The dominant microrguisus sequen-tally were Bailus，Cocus ，Methanothrix and Methanosaet. The mass of allached bio- menbrane decreased along the flow, andthe avenge mass o atached bio membrane in terms of wet weight was 4.27 g*cm~ 3 .Key words; Anaerobic bafled reactor; Methane producing activity; Municipal wastewater污泥以葡萄糖為基質(zhì)條件下的產(chǎn)甲烷活性,以及污1前言泥對不同基質(zhì)條件下所表現出來(lái)的產(chǎn)甲烷活性的區城市生活污水的處理方法有很多種,生物處理別,探討ABR反應器處理生活污水的可能性。同時(shí)法以其運行管理費用低廉及較好的處理效果,在污對厭氧反應器掛膜生物量進(jìn)行了考察。水(尤其是生活污水)處理領(lǐng)域中一直占主導地位。2研究方法，ABR反應器具有許多獨特的優(yōu)點(diǎn),如結構簡(jiǎn)單,系統的穩定性好,耐沖擊負荷,出水水質(zhì)好等,但國內2.1 試驗工藝流程外對ABR反應器處理生活污水的研究較少。此外，ABR反應器裝置如圖1所示。反應器的制作材對于反應器的構造,工藝流程,設計參數,運行控制料為有機玻璃,反應器有效容積為218.5L,平分為3參數等方面的研究還有待于深人。特別是ABR反格,反應區填充一種稱(chēng)為三維立體蟬窩狀填料的介應器所特有的推流式特性,以及由此所引起的微生質(zhì)。為便于試驗操作,反應器蓋板未與反應器粘合。物分相特性的研究尚屬空白。因此，研究反應器內當需要測定氣體產(chǎn)量時(shí),可用玻璃膠將蓋板與反應部微生物相的生態(tài)分布,種群演變,代謝活性等,已器密封為- -體。進(jìn)水由蠕動(dòng)泵注人反應器,以折流成為一個(gè)有待解決的重要課題。同時(shí),這方面的研方式通過(guò)反應區,原水中的有機物被填料上的生物究也有助于加深對厭氧降解機理的認識。膜在厭氧條件下水解酸化、產(chǎn)甲烷。本文通過(guò)研究ABR反應器處理生活污水沿程2.2試驗 基質(zhì)各類(lèi)揮發(fā)酸(VFA)組成變化,產(chǎn)氣組成的變化,每格中國煤化工D濃度:300 mg*fYHCNMHG收稿日期: 2005-07-19修回日期: 205-11-20作者簡(jiǎn)介:楊琦(1966- ),男,刪教授,主要從事水污染防治研究。Fiail:;q@ cugb. edu.cn10中國沼氣China Biogas 2006,24(1)熱導池(TCD)。揮發(fā)性有機酸:檢測項目包括乙酸、進(jìn)水出水丙酸、丁酸,所用的儀器為北京分析儀器廠(chǎng)的SP -2305A型氣相色譜儀檢測器為FID。填料層.3結果與討論3.1 COD 去除效果污泥床圖2,3,4,5表示反應器運行穩定后,在水力停圖1 ABR 反應器裝置示意圖留時(shí)間12小時(shí)條件下,連續運行期間監測的有機物L(fēng)-' ,500 mg:L-1,700 mg"L', 900 mg.L-'其水質(zhì)見(jiàn)去除情況。即當進(jìn)水C0Dc分別為300 mg'L-'(污表1,其中主要營(yíng)養元素BOD3:N:P= 200:5:1。所泥負荷為0.06 kg COD. kgMLSS-'d1),500 mg*L-I有配水均為自來(lái)水。自來(lái)水為地下水,硬度較高,具(污泥負荷為0. 10 kg COD kgMLSS-+d-I), 700 mg.有較高的鈣鎂離子濃度。因自來(lái)水本身的堿度約L-(污泥負荷為0.14 kg COD kgMISS-'d-1) ,900 mg250 mg* L'(本實(shí)驗中堿度均以碳酸鈣計),而厭氧(污泥負荷為0.18 kg C0OD kgMLSS-'d-')時(shí)反工藝要求的堿度-般為1500 mg'L-', 因此,在配水應器的去除效率和出水值。當COD濃度較低時(shí),其中加入碳酸鈉來(lái)提高堿度,以保證實(shí)驗的順利進(jìn)行。處理效率在70% ~ 80%之間,當COD濃度較高時(shí)，每克碳酸鈉堿度相當于0.943克碳酸鈣?；|(zhì)中的其處理效率在60% ~ 70%之間。N元素由氯化銨供給,P元素由磷酸二氫鉀供給。00廠(chǎng)此外,根據實(shí)驗進(jìn)行情況,不定時(shí)添加各種微量元素E 80780和各種維生素以及各種氨基酸。各種微量元素包60-460括:鐵、鎂、鈣等離子;各種氨基酸和維生素的來(lái)源:一+山水coD酵母蛋白、胰蛋白胨、牛肉膏等。40 4表1ABR厭氧反應器配水水質(zhì)s 20--+去除率-20300mgCOD-I.-mgCOD-L-1 mgCOD.L- mgCOD-L.-1 .組成100L水含的100L水含的 100L水含的 100L 水含的時(shí)間(d)成分(8)_成分(2)__ 成分(g)... 戰分(B)日2 進(jìn)水COD為300 mg*L-'時(shí)去除效果葡萄糖2541.4758.3375淀粉22.537.552.567.5200p00KHPQ,7.911.0814.2Ne2CO,16.6723.333: 150NH,Cl1931.6744.33-60 三畫(huà)100-MgS0, .7H2O5.939.8813.8417.79+出水COD)FeSO,.7H2O0.030.050.070.09CaC).2H00.570.951.331.7150-十去除率20言硫脲6.679.33蛋白胨3.33.675°牛肉青_4.67圖3進(jìn)水COD為500 mg*L 1時(shí)去除效果2.3 檢測項目與方法350|] 100在反應器運行過(guò)程中主要檢測項目包括:C0D,。 3018。250BOD,NH' -N, TP, MISS, MLVSS,均采用標準方法進(jìn)200行測定。氣體產(chǎn)量及氣體組分:取-定體積的反應起150器混合液,以排液法測定反應器的產(chǎn)氣量。為保證一- 去除率產(chǎn)氣量不因溶解而發(fā)生誤差,所用溶液為20%的中國煤化工NaOH溶液(被NaCl飽和)。試驗中用自行設計的集氣管收集各反應室氣樣。氣樣的組分分析用北京分YHCNMHG析儀器廠(chǎng)的SP-2304A型氣相色譜儀測定,檢測器為圖4進(jìn)水COD為700 mg:L~'時(shí)去除效果中國招氣China Biogas 2006,24(1)11S00一10024^ 400H8E 300-60言16200-40相a2+出水 COD十去除率8 100123456789101112時(shí)間(d)圖5進(jìn)水COD。為900 rmg'L-'時(shí)去除效果圖7進(jìn)水COD為900 mg*[-'時(shí)產(chǎn)甲烷情況. 3.2 產(chǎn)甲烷量其中:W=Xx Vr圖6,7表示進(jìn)水CODc分別為700 mg*L-',900式中,U為最大比產(chǎn)甲烷速率(mLCH,.mg*L" I時(shí)反應器產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間的變化情況。gVSS-ld-');K為產(chǎn)甲烷曲線(xiàn)上直線(xiàn)段斜率(mLCH4污泥產(chǎn)甲烷活性是指單位重量的污泥(以VSs.hr-');X為污泥濃度(gVSS'L-);Vr為反應區容計)在單位時(shí)間內的所產(chǎn)生的甲烷量,反映污泥所能積(L);To為標態(tài)絕對溫度(273 K); n為測試時(shí)室具有的去除COD的潛力，是污泥品質(zhì)的重要參數。溫絕對溫度(K)。.反應器內各格污泥對基質(zhì)葡萄糖的產(chǎn)甲烷性能存在已匆: K1=1.94 mLCH4. hr-', K2= 2.25 mLCH4.明顯的遞變規律?？傮w上沿程各格的最大比甲烷產(chǎn)hr-', K3=1.91 mLCH4.hr~';MLSS\= I9.6g"L-',率逐漸增大。污泥首先將葡萄糖分解為各類(lèi)中間產(chǎn)MLSS=l5.2g"L-',M.SSy=l2.7g-L"I;W;=0.196 g,物,當中間產(chǎn)物組成達到最佳濃度時(shí),污泥的比甲烷W2=0.152 g, W3=0.127 g,C0D=900 mg*L~'。產(chǎn)率達到最大。第一、二格不存在類(lèi)似的延遲作用，則:第-格: Umx.cn, =211 mLCH,'gVSS-'d-';顯示這兩格污泥對葡萄糖基質(zhì)完全適應。第二格:Umx cH, = 314 mlCH4"gVSS-'d"';在各類(lèi)基質(zhì)中,第三格污泥對以第二格出水為第三格:Umx.cH, = 319 mLCH4"gSS-'d-1基質(zhì)的比產(chǎn)甲烷速率最大.這說(shuō)明ABR反應器中各格污泥經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間的馴化培養,已完全適應了相眾所周知,污水酸化水解時(shí)問(wèn)一般在2小時(shí)左應位置的基質(zhì)條件,這從一個(gè)方面證實(shí)了分階段多右,通過(guò)產(chǎn)甲烷活性的測定我們可以知道,第一格的相厭氧處理工藝技術(shù)上的可行性。停留時(shí)間在4小時(shí)左右,因此產(chǎn)甲烷活性較低,而第上述結果顯示, ABR的各格污泥產(chǎn)甲烷活性是二格和第三格產(chǎn)甲烷活性較高。原因是,雖然沿著(zhù)不一樣的,第三格污泥的產(chǎn)甲烷活性最高,第一格污廢水流向,由于營(yíng)養的減少使得反應器中厭氧污泥泥產(chǎn)甲烷活性最低?？傮w上,污泥產(chǎn)甲烷活性隨著(zhù)的濃度逐漸降低,產(chǎn)甲烷量會(huì )受到- -定影響，表現為反應器污泥的成熟和負荷的提高而明顯改善。前高后低;但是,如果換算為單位質(zhì)量厭氧污泥的產(chǎn)甲烷量(即比產(chǎn)甲烷速率),雖然第三格中產(chǎn)甲烷量20少,但是污泥濃度小，所以計算出的產(chǎn)甲烷速率反而_16最大,反映了第三格具有最好的污泥活性。3.3ABR沿程各格溶液中VFA組成的變化.在反應運行穩定期,檢測葡萄糖厭氧降解過(guò)程主要中間產(chǎn)物為各類(lèi)揮發(fā)酸，包括甲酸、乙酸、丙酸、0123時(shí)間(d678910丁酸等。ABR沿程各格內揮發(fā)酸的組成如圖8。關(guān)于葡萄糖在A(yíng)BR中的降解中間產(chǎn)物,眾所周圖6進(jìn)水 COD為700 mg:L-時(shí)產(chǎn)甲烷情況知，葡萄糖以乙酸發(fā)酵和丙酸發(fā)酵途徑為主，產(chǎn)物以對Unm.cH的計算:乙酸斗中國煤化工上。 反應器沿程Umx.CH, =24. To.K(1)各格YHCNMH(三衣度較丁酸高,但VT仍遠只應器的前兩格內。12中國沼氣China Biogas 2006, 24(1)350可能的原因有二。其一為反應器第-格內尚未達到00完全酸化,產(chǎn)甲烷菌仍然能夠大量生長(cháng)，電鏡掃描圖口總揮發(fā)酸50-口丙酸片證實(shí)第- -格內生長(cháng)了大量的索氏產(chǎn)甲烷絲菌。其2000丁酸二可能是第一格內存在大量以H和CO2為基質(zhì)合成solCH4的產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)。有文獻報道,利用氫的產(chǎn)甲烷E 100菌對酸化過(guò)程pH等條件的變化承受能力較強。第一格第二格第三格0|50f圖8 COD 為900 mg'L-'沿程各格VFA變化0r口甲烷厭氧反應器中葡萄糖酵解產(chǎn)物中各類(lèi)VFA的比例■二氧化碳0葉口氫氣差別很大,酵解途徑對各類(lèi)環(huán)境因子敏感,易隨基20-質(zhì)、pH、電位、溫度等因素的變化而變化。酵解過(guò)程of顯然與參與的微生物的類(lèi)群有關(guān),因此,接種污泥的性質(zhì)可能也會(huì )對影響到酵解途徑。-般認為,以乙圖9 C0D= 900 mgL-時(shí),沿程各格產(chǎn)氣組分酸酵解途徑為主時(shí)反應器可以保持在較高的效率下3.5 ABR 微生物相的探討運行,而以丙酸酵解途徑為主時(shí)，從動(dòng)力學(xué)角度分析反應器啟動(dòng)階段完成時(shí),ABR沿程各格污泥的不利于反應器性能的提高。關(guān)于是否存在人工條件表觀(guān)性質(zhì)差異明顯 ,且表現出一-定的規律性。當反控制酵解途徑以趨利避害的可能性,還需要進(jìn)一步應進(jìn)人穩定期后,為進(jìn)一步了解污泥微生物相的構研究。成,對各格污泥取樣做電鏡掃描,以觀(guān)察組成顆粒污3.4 沿程各格氣體組分分析泥的微生物形態(tài),進(jìn)而深入分析探討現象發(fā)生的條各格的氣體組分測定結果如圖9所示。圖中顯件與機理。示,產(chǎn)氣中氫氣的比例沿程逐漸減小，甲烷的比例逐各污泥樣品在不同放大倍數下的電鏡掃描圖像格提高。顯然葡萄糖的酸化過(guò)程主要是在第一格內見(jiàn)圖10,11, 12,13。35 倍放大圖像可以清晰地觀(guān)察完成的。但在第一格內仍然有大量的甲烷氣產(chǎn)生,到各格污泥顆?；那闆r(圖10A)。.A.顆粒污泥形態(tài)B.污泥桿菌C.球蔭D.絲狀菌圖10第一格顆粒污泥形態(tài)及優(yōu)勢菌群電鏡圖圖11第-格顆粒污泥電鏡圖圖12第三格顆粒污泥電中國煤化工鏡(索氏產(chǎn)甲烷絲狀菌)(產(chǎn)甲烷八疊球蔭二菌)YHCNMHG5000倍照片可以清晰顯示顆粒污泥表面細菌的形態(tài)、大小等特征。照片顯示,顆粒污泥的主體是中國沼氣China Biogas 2006,24(1)13由各類(lèi)細菌構成的，組成細菌形態(tài)各異,有絲狀菌、索氏產(chǎn)甲烷絲菌占絕對優(yōu)勢,并且常成束地生長(cháng)在桿菌、球菌、鏈球菌、弧菌,以及一些螺旋菌(如圖一起。污泥表面某些部位絲狀菌生長(cháng)較少,這些部10,11,12,13)。位可以看見(jiàn)其它類(lèi)型的細菌生長(cháng),主要以一些零星比較各單元污泥照片,其中的差異十分明顯。生長(cháng)的球菌為主。從第三格開(kāi)始,顆粒污泥表面的第一格污泥樣品的顆粒結構較好,粒度較均勻,形狀絲狀菌數量明顯減少,微生物相組成中甲烷八疊球以球形和桿狀水解細菌為主。污泥顆粒表面的細菌菌細菌為優(yōu)勢菌種,整體上看細菌的數量明顯少于生長(cháng)良好。從形態(tài)，上判斷,優(yōu)勢菌有兩類(lèi),一為桿前兩格污泥。菌,一為絲狀菌。桿菌長(cháng)約1.0 pum,直徑約0.4 pum,電鏡掃描圖像雖然僅能提供顆粒污泥表面的微桿菌端頭為半球形,從形態(tài)上判斷應該是梭狀芽孢生物相情況,但從上面的分析可以看到,ABR的啟桿菌( Clotridium p. )。梭狀芽孢桿菌廣泛存在于以動(dòng)過(guò)程實(shí)質(zhì).上是各格反應區建立微生態(tài)平衡的一個(gè)葡萄糖為基質(zhì)的酸化相中,是常見(jiàn)的優(yōu)勢發(fā)酵細菌過(guò)程?？傮w上看,在啟動(dòng)結束時(shí)ABR各格內的顆粒類(lèi)群。不同的梭狀芽孢桿菌,葡萄糖的發(fā)酵產(chǎn)物也污泥還遠未達到成熟,尤其以反應器后端顆粒污泥不同。例如，巴氏梭狀芽孢桿菌的葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)物上的微生物量偏少,顆粒污泥形態(tài)結構與成熟顆粒.以乙酸占絕對優(yōu)勢,而丁酸梭狀芽孢桿菌的發(fā)酵產(chǎn)污泥有明顯差別。這主要是因為ABR的分相特性物則以丁酸為主。絲狀菌形態(tài)特點(diǎn)突出,絲狀體為致使顆粒污泥的發(fā)育成熟過(guò)程較慢,另一個(gè)原因是短竹節狀的圓桿連接而成,端頭平整,桿徑約0.5由于負荷較低,反應器的后端微生物所能獲得的營(yíng)μm能形成極長(cháng)的菌體。絲狀菌可分散或成束生長(cháng)。養源不足,微生物的生長(cháng)速度受到限制，延遲了顆粒根據形態(tài)推斷,該菌應為索氏產(chǎn)甲烷絲菌。此外,電污泥的成熟。鏡也觀(guān)察到少量弧菌和球菌的存在。電鏡還觀(guān)察到3.6折流式厭氧生物反應器運行結束后掛摸情況一種與索氏產(chǎn)甲烷絲菌明顯屬于不同類(lèi)型的絲狀菌折流式厭氧生物反應器運行結束后掛摸情況生長(cháng)。該菌絲狀體不分節,直徑稍大,約0.7 pum。(濕重)見(jiàn)表2。眾所周知，索氏產(chǎn)甲烷絲菌革蘭氏染色陰性,能表2折流式厭氧生物反應 器運行結束后掛膜情況生長(cháng)在含有乙酸鹽為唯一-有機成份的礦物鹽培養基號填料體積填料原重掛膜后濕重 單位體 積韭膜量中。在低乙酸濃度基質(zhì)時(shí),索氏產(chǎn)甲烷絲菌的生長(cháng)(em')(g)(B)(g*uan~3)第一格535.7487.533405.33在動(dòng)力學(xué)和生理特性上優(yōu)于甲烷八疊球菌細菌。電第二格538.0489.627824.26鏡觀(guān)察表明,第一格污泥顆粒表面絲狀菌相互交錯.s04.2458.820803.22纏繞在一起形成網(wǎng)狀構造,而其它的細菌如桿菌、注:1.填料體積:指填料的實(shí)體體積,而非填充體積:2.單位體積拉球菌則附著(zhù)在該網(wǎng)上生長(cháng)。第一格顆粒污泥的發(fā)育膜量計算中沒(méi)有考慮填料的吸水率,膜含水率9.6%。成長(cháng)過(guò)程中絲狀菌顯然起著(zhù)重要的作用。從微生物從掛膜量來(lái)看,最后一格掛膜量較少第-格掛觀(guān)點(diǎn)上看,絲狀微生物象其它生物一樣,形態(tài)結構與膜量最多。主要是因為第一格營(yíng)養較充足,最后一功能密切相關(guān),長(cháng)絲狀的形態(tài)有利于附著(zhù)生長(cháng),具有格營(yíng)養較少。填料的平均掛膜量為4.27 g. cm-3。比其它形態(tài)細菌更大的比表面積,有利于攝取低濃4結論度底物,在低底物濃度時(shí)比其它類(lèi)型細菌更快的增殖速率。ABR反應器用于處理生活污水可取得良好效第-格污泥電鏡觀(guān)察結果數據表明,低負荷條果。件下第一格生長(cháng)了大量的發(fā)酵性細菌,葡萄糖的酵(1)COD的去除率可維持在70%左右;解以乙酸為主要產(chǎn)物,產(chǎn)生的沼氣中含大量的氫氣。(2)產(chǎn)氣量中氣體成分甲烷占70%左右、其次在pH為5.8-6.2間,乙酸濃度200~ 300 mg.L-'為二氧化碳和氫氣;時(shí),索氏產(chǎn)甲烷絲菌在第-格內大量生長(cháng),代謝乙(3)出水中含有乙酸最多,其次是丙酸;酸,產(chǎn)生甲烷。因此,在低負荷下第- -格除完成葡萄” 中國煤化工格優(yōu)勢南為產(chǎn)甲糖的酸化外,還進(jìn)行了大量的產(chǎn)甲烷過(guò)程,產(chǎn)氣組分烷絲t八疊球菌和發(fā)硫中甲烷氣的比例相當高。絲狀菌TYHCNMHG'第二格污泥電鏡觀(guān)察結果顯示,微生物組成中(5)填料濕重掛膜量平均為第一格5.33 g.14中國沼氣China Biogas 2006,24(1)cmn-3 ,第二格4.26 g*cm-3,,第三格3.22 g'cm- :。[5] W P Barber, D C Stuckey, The UIse of The Anarobic Bfled三格平均為4.27 g'cm-3。Reuctor(ABR) for Wastecwater Treatment: A Reriew[J] WatRcs, 199, 33 (7):1559 - 1578.參考文獻:[6]沈耀良. 新型厭氧處理工藝一厭氧折流板反應器[J].重慶環(huán)境科學(xué), 1994,16(5):36- 38.[1] C Lttinga, J Field, J van Lier, G Zeeman, L W Hulsho[7] 嚴月根,錢(qián)易.兩相厭氧工藝的理論基礎及實(shí)際應用Pol. 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