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UASB和EGSB反應(yīng)器處理中低濃度廢水胞外多聚底物的反應(yīng)動力學(xué)

文檔作者：王曉張肖文檔來源：德州市環(huán)境保護科學(xué)研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月07日
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UASB和EGSB
王曉張肖
(德州市環(huán)境保護科學(xué)研究所山東德州253034)
摘要對uASB和EGSB 2反應(yīng)器中對中(5∥LCOD)和低(0．59，LCOD)濃度廢水中EPS(胞外多聚底物)的濃度及分布的
動力學(xué)進行研究。研究表明EPS總濃度的作用，對UASB的穩(wěn)定運行更加明顯。
關(guān)鍵詞厭氧處理顆粒污泥膨脹床胞外多聚底物顆粒上流式厭氧污泥床
中圖分類號：×703 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672—9064(2013)01—088—02
上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器是一種世界應(yīng)用的成
熟技術(shù)體系．顆粒污泥膨脹床(EGSB)反應(yīng)器是UASB反應(yīng)
器于高表面流率操作下的翻版．它是通過高回流比．生物氣
產(chǎn)量及提高高徑比來實現(xiàn)的。極有可能因EGSB反應(yīng)器在水
力控制下有更高的有機符合率，才使得它更加流行．并逐步
取代UASB反應(yīng)器．盡管幾乎所有的厭氧反應(yīng)器被用于處理
中高濃度的廢水：但近年來，更多的努力則用于對低濃度工
業(yè)和生活污水的厭氧處理?。在這種意義上．UASB和EGSB
還可用于處理那些COD低于2000m扎的工業(yè)和生活污水。
UASB和EGSB的運行有賴于顆粒污泥現(xiàn)象。顆粒的組
成不僅在于微生物，同樣有賴于無機物質(zhì)，且其物理，化學(xué)，
生物類型都因污泥中生物種子、污水的化學(xué)組成和反應(yīng)器中
床體高度而呈現(xiàn)很大的不同。盡管顆粒污泥在不同類型的廢
水和控制載體上都有發(fā)現(xiàn)．但在一些特殊的廢水中顆粒污泥
卻無法形成。UASB和EGSB 2反應(yīng)器的操作運行是通過處
理不同廢水進行的。尤其是對EGSB中顆粒污泥的性質(zhì)．是
通過處理稀釋后的啤酒廢水觀察的．但未進行進一步研究。
本研究則對2不同反應(yīng)器中EPS濃度(總多聚糖。酸化多聚
糖．蛋白質(zhì)及DNA)及其酸化多聚糖的分布和其運行參數(shù)進
行水力學(xué)研究。
1材料和方法
1．1 反應(yīng)器
安裝UASB和EGSB 2反應(yīng)器。EGSB反應(yīng)器的有效體
積為2．55L．UASB反應(yīng)器的有效體積為2．66L。2反應(yīng)器均置
于自動調(diào)溫室中．其溫度是37℃。上流速率通過回流比來確
定．根據(jù)工業(yè)反應(yīng)器中常見條件．在UASB和EGSB 2反應(yīng)
器中上流速率分別是0．7rn／ll和7m／}l。接種菌種來自酵母生
產(chǎn)廢水中顆?；惶玫奈勰啵淇倯腋∥锖蛽]發(fā)性懸浮物
量分別是68．3和49．9，其產(chǎn)甲烷活性是0．33kgc0D，k∥ssd。
用于該反應(yīng)器的是2種不同的底物．在啟動和顆粒污泥
形成之前，采用中等濃度的人工合成的廢水。其COD為59／
L，這種底物是葡萄糖、酵母浸膏、乙醇、乙酸、丙酸鹽、丁酸
鹽、氮磷營養(yǎng)源及緩沖劑(29NaHC03，L)的混合物。這2個反
應(yīng)器一直以此種底物進水，直至其有機負荷率達5kgCOD／
kgd。
1．2分析方法
揮發(fā)性脂肪酸由氣相色譜測定。COD、正磷酸鹽、總懸浮
固體、揮發(fā)性懸浮固體根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法[2]進行分析測定，氨氮
通過選擇電極進行測定。利用Schmidt和Ah打ngⅢ建議的方
法對EPs(溫度，攪動速度，時間)的萃取環(huán)境進行測定，目的
為了獲得一最佳參數(shù)。因此．分別進一步采用65℃．70r加in。
4h，利用磷酸鹽緩沖溶液作為萃取溶液。在提取物樣品中多
聚糖。烏龍酸。蛋白質(zhì)．DNA都被測定，應(yīng)用葡萄糖作基準(zhǔn)對
多聚糖進行了化驗。糖醛酸作為多聚糖的一復(fù)制單元。是一
般意義上生物濾池及菌膠團的代表底物。糖醛酸通過以半乳
糖醛酸作為基準(zhǔn)的m一苯基苯酚方法進行了測定。
在穩(wěn)定運行期．2反應(yīng)器都能觀察到生物SMA的增加．
同時固體(例如生物量)穩(wěn)定地減少。其處理能力的提高在
EGSB反應(yīng)器中較UASB反應(yīng)器更加明顯．其原因是該反應(yīng)
器中產(chǎn)甲烷菌的活性比UASB中的高8％。更為重要的是。在
整個處理MCW的過程中．EGSB反應(yīng)器中較UASB反應(yīng)器
中pH值高。2反應(yīng)器中也都需要投加額外的堿度，同樣有大
量的CO：產(chǎn)生。水力因素可能有利于C0：在水相中的轉(zhuǎn)移，
因此．可提高EGSB反應(yīng)器的緩沖能力。
在第20天的操作中底物被改變．被稀釋的啤酒廢水以
較低濃度作為2反應(yīng)器的進水。負荷率的增加同先前一樣．
在第25天達5kgCOD／m，d，為研究2反應(yīng)器中有機負荷增加
的作用及顆粒污泥的性質(zhì)．在接下來的15d中．進水有機負
荷(0LR)達7 kgCOD，m3d。
處理LCW的初期．2反應(yīng)器有相似的處理能力．但當(dāng)
0LR超3kgCOD，m3d時，出現(xiàn)了較大的區(qū)別。根據(jù)第20天到
第25天的總體評價，反映了2反應(yīng)器中較差的運行。盡管。
UASB反應(yīng)器一直保持較高的COD去除率．同時．有較高
SMA(分別是5％，6％。12％)。此外，VFA濃度是用MCW的處
理時的5倍．2反應(yīng)器中的丙酸的量都較低．這是先前所沒
有檢測到的。2反應(yīng)器中均有增值污泥的流失現(xiàn)象．尤其在
EGSB反應(yīng)器中，它與36％的MCW操作時的相當(dāng)。盡管pH
的作用在第20天到第25天的階段與處理MCW階段有同
樣的形式，pH值在EGSB反應(yīng)器中僅比UASB反應(yīng)器處理
LCW時高0．2。當(dāng)有機負荷從5增加到7kgCOD／m3d時，
作者簡介：王曉(1982～)，女，山東德州人，助理工程師，本科學(xué)歷，主要從事環(huán)境評價工作。
萬方數(shù)據(jù) 2013．No．1 o
UASB和EGSB 2反應(yīng)器中就出現(xiàn)了明顯的區(qū)別。在這一階
段．UASB反應(yīng)器對LCW的適應(yīng)能力還是較好的．并且有一
個很好的可接受的處理能力．但在EGSB反應(yīng)器中．卻出現(xiàn)
了十分明顯的不穩(wěn)定信號。事實上，在以LCW為底物進行啟
動時．UASB反應(yīng)器顯示了一個更好的COD向甲烷的轉(zhuǎn)化
率，一個較高的VFA降解指標(biāo)類似的丙酸鹽化指標(biāo)，及生物
SMA的轉(zhuǎn)化。但其他參數(shù)，如水相中COD去除率的降低，或
是反應(yīng)器中污泥流失現(xiàn)象的增加．這些都表明該操作有待進
一步提高。相反．EGSB反應(yīng)器既沒有表現(xiàn)出適應(yīng)也沒有表
現(xiàn)出穩(wěn)定．它的COD去除率卻降到了40％．其COD向甲烷
的轉(zhuǎn)化率為O．161CH4，去除1娟0D，或者說生物SMA為
0．82k酊OD，kgVSS．d。此外，當(dāng)VFA逐漸增加，在pH值急劇
減少到5．6時，尤其是丙酸增加、污泥流失時，EGSB反應(yīng)器
就瀕臨啟動失敗。
從UASB和EGSB反應(yīng)器中顆粒污泥提取的EPS．隨著
整個成熟期、處理MCW的末期以及整個處理LCW的過程
均有所出現(xiàn)。處理MCW的第10到20天，負荷為5kgCOD，
m3d．在這一穩(wěn)定期．2反應(yīng)器的顆粒污泥負荷濃度為
150lll婭PS版VSS。多聚糖的水解產(chǎn)物在EPs中主要是蛋白
質(zhì)．操作過程中的多聚糖總EPS約為20％。當(dāng)2反應(yīng)器的顆
粒污泥用于處理MCW時，多糖酸(例如黏多糖)在EPS中的
濃度突出的高．并可在穩(wěn)定的顆粒污泥中100％檢測到多聚
糖酸。最大的不同是UASB反應(yīng)器中的顆粒污泥在多聚糖酸
的濃度上高出33％。
每一反應(yīng)器中底物的改變對EPS的內(nèi)涵有著不同的影
響。2反應(yīng)器中的EPS的突然增大是由微生物的代謝壓力造
成的．并加大了細胞的衰亡速度及釋放胞內(nèi)物質(zhì)的能力．這
一過程從第10天到第15天。從第25天以后EPS的總濃度
及其內(nèi)涵在2反應(yīng)器中出現(xiàn)了不同。直到運行結(jié)束．UASB
反應(yīng)器中的濃度幾乎保持不變．甚至一些指標(biāo)較處理MCW
時還要高。EGSB反應(yīng)器中的顆粒污泥中的總EPS則急劇減
少。EPs中的蛋白質(zhì)，是前期操作的主要化合物，此時蛋白質(zhì)
卻表現(xiàn)出一個急劇的減?。贓GSB反應(yīng)器中降到一個很低
的指標(biāo)。另一方面，2反應(yīng)器中總多聚糖的濃度卻急劇增加。
Bastine aIld Keller?曾報道．較好顆粒污泥性質(zhì)出現(xiàn)在中等
濃度的蛋白質(zhì)．總多聚糖的比率是3_4，如處理罐頭廢水和屠
宰廢水時，污泥的顆粒化較差。其他作者曾觀察到隨著蛋白
質(zhì)濃度的降低。污泥的絮凝性變差的現(xiàn)象。本研究中，僅在
EGSB反應(yīng)器中觀察到．最佳的結(jié)果出現(xiàn)在比率為3．5～4．0
之間．當(dāng)比率下降時聚合性變差。當(dāng)?shù)孜锇l(fā)生改變時。2反應(yīng)
器中均觀察到了多聚糖酸大幅度地急劇減小。然而．在
UASB反應(yīng)器中顆粒污泥濃度卻比最后的50d的高了30％
到70％。在顆粒污泥中．多聚糖酸和多肽通過多價陽離子促
進細菌間的相互連接。本研究，操作過程的后段。EGSB反應(yīng)
器中的顆粒污泥具有2～3mg多聚糖酸廠vSS。
在第20天時．當(dāng)?shù)孜飶腗CW到LCW轉(zhuǎn)變時．其反應(yīng)
器中DNA濃度也表現(xiàn)了極大的不同。在EGSB反應(yīng)器中顆
粒污泥DNA急劇減少是因衰老細胞及流失污泥。在運行的
第17天．在UASB顆粒污泥表層的一個狹窄的區(qū)域獲得了
多聚糖的積累．并且．中間部位的絮凝性差一些。這一外部輪
廓符合穩(wěn)定的顆粒污泥．這一結(jié)果與de Beer et al(1996)獲
得的UASB中穩(wěn)定的顆粒污泥處理葡萄糖和VFA及乳酸鹽
的結(jié)果類似。來自EGSB反應(yīng)器的顆粒污泥表現(xiàn)了運行相中
多聚糖酸的均勻分布，并使內(nèi)部有了更高的濃度。多聚糖酸
的分布表明．當(dāng)處理MCW時，UASB顆粒污泥中有45％的熒
光性來源于外層細胞壁．而EGSB反應(yīng)器中的更高的熒光性
則來源于污泥的內(nèi)部流動。然而．在EGSB中的卻基本保持
單一．故其穩(wěn)定性和系統(tǒng)基本不受影響。2反應(yīng)器中的顆粒
污泥輪廓的觀察是在第28天時底物充分的改變后得到的．
尤其是在EGSB中．2反應(yīng)器中顆粒污泥的外層有以較弱的
熒光層．分別占總熒光度的16％和26％。此外．UASB中的顆
粒在顆粒污泥內(nèi)部保持較為單一的分布．并且其表層有著總
熒光度的50％：EGSB反應(yīng)器則無明顯的分隔，它的多聚糖
層并不連續(xù)．所以反映了顆粒污泥較差的穩(wěn)定性。
2結(jié)論
當(dāng)以稀釋的啤酒廢水作為底物時．EGSB反應(yīng)器的運行
惡化，然而，UASB反應(yīng)器能很快適應(yīng)新底物，并保持穩(wěn)定良
好的運行。進一步的研究．發(fā)現(xiàn)不同的運作時期污泥的性質(zhì)
與運行有密切關(guān)系。在整個過程中．UASB反應(yīng)器中的顆粒
污泥EPs較高。然而．這一參數(shù)看起來并不十分重要，就像
當(dāng)顆粒污泥的粘附性質(zhì)不好時在UASB反應(yīng)器中仍能觀察
到很高的濃度一樣。EGSB反應(yīng)器中蛋白質(zhì)與總多聚糖的比
值減小是在顆粒污泥性質(zhì)惡化時出現(xiàn)的．2反應(yīng)器中當(dāng)以稀
釋的啤酒廢水進水時．造成顆粒污泥的性質(zhì)惡化．從而使多
聚糖酸減少。對多聚糖分布的研究表明．當(dāng)顆粒污泥有較好
的絮凝性質(zhì)時．其細胞外多聚糖酸的積累較多。
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