3.6实验六厌氧污泥活性的测试--水处理教案(清华大学精品课程)

实验六厌氧污泥活性的测试厌氧污泥的活性，实际上是指单位质量的厌氧污泥（以VSS计）在单位时间内最多能产生的甲烷量，或者，是指单位质量的厌氧污泥（以VSS计）在单位时间内最多能去除的有机物（以COD计）。因此，厌氧污泥活性一般可以用两个参数测量，即最大比产甲烷速率和最大比COD去除率。二者的定义分别如下：最大比产甲烷速率（4CHU.max）：单位质量的厌氧污泥在单位时间内的最大产甲烷量（mlCH4/gVSS.d）；最大比COD去除速率（Umax.COD）：单位质量的厌氧污泥在单位时间内的最大的COD降解量（gCOD/gVSS.d）。一、实验原理厌氧生物处理过程中的有机物降解速率或甲烷生成速率可用第五章中提出的相似的Monod公式来描述，即：SKXSUdtdSsmax（1）式中：S——基质浓度（gCOD或BOD/L）；t——时间（d）；Umax——最大比基质降解速度（d1）；X——微生物或污泥浓度（gVSS/L）；Ks——饱和常数。)(dtdSVYdtdVrgCH4（2）式中：VCH4——间歇反应开始后的积累甲烷产量（ml）；Yg——基质的甲烷转化系数（mlCH4/gCOD）；Vr——间歇反应器的反应区容积（L）。由（1）、（2）式得：SKXSUVYdtdVsrgCHmax4（3）因为厌氧细菌的世代周期一般相对很长，合成量相对较少，在短期内（1~2天内）可以认为厌氧微生物的生物量不会发生变化，即上式中的X可以认为是一个常数；同时，由于在反应初期基质浓度很高，即可以认为SKs，此时式（3）就可以简化为：XVUXVUYdtdVrCHrgCH44maxmax)(（4）或：441CHCHrUdtdVXVmax（5）其中的4CHU.max就是上面提到的厌氧污泥的最大比产甲烷速率。从式（5）可1以知道，我们只要能够通过试验求得某种污泥的产甲烷速率dtdVCH4，就可以得到该种污泥的最大比产甲烷速率，即其活性。从4CHU.max可以进一步推算出衡量厌氧污泥活性的另一个指标——最大比COD去除速率（Umax.COD），一般可以有下面的两种方法：第一，先求出COD对CH4的转化系数Yg，再由Yg和4CHU.max计算Umax.COD，即：1004TTVSStVYrCHg)()(（6）则：gCHCODYUU4maxmax（7）上两式中：)(tVCH4——间歇培养结束时的累积甲烷产量（ml）；0S——培养瓶内初始COD浓度（g/L）；0T——标志绝对温度（273K）；1T——测试时室温绝对温度（K）第二，假定在厌氧条件下，约有15%的有机物会被用于合成菌体细胞，剩下的有机物则被转化为甲烷，又根据1gCOD在厌氧条件下完全分解理论上能产生350mlCH4，由此得出最大比COD去除速率和最大比产甲烷速率之间的关系如下：3501514%)(maxmaxCHCODUU（8）二、测试装置及方法（一）测试装置厌氧污泥活性的测试可以采用如下的间歇试验的方法，其装置如下图所示。厌氧污泥活性测试的间歇试验装置图如图所示，装有一定量受试厌氧污泥的100ml锥形反应瓶被放置在可以控温史氏发酵管恒温水浴槽锥形瓶2的恒温水浴槽内，反应瓶内还装有被调整到一定浓度的受试的有机物溶液或某种有机废水，反应瓶用橡胶塞密封并通过细小的乳胶管与25ml史氏发酵管相连，可以保证反应瓶内所产生的沼气能够以小气泡的形式进入史氏发酵管内，并在通过浓度为2N的NaOH的NaCl饱和溶液的过程中，沼气中的CO2、H2S等酸性气体可以被碱液吸收，而余下的、被计量的气体可认为是完全是甲烷气体。（二）试验条件（1）温度：温度对污泥活性有很大的影响，一般选取中温（351C）或常温（20~251C）进行测试，也可以根据需要选择其它温度；（2）pH值：由于一般认为产甲烷细菌的最佳pH值是在6.8~7.2的范围内，而对于普通的厌氧污泥，其pH值范围可以放宽到6.5~7.5的范围，因此，在厌氧污泥活性的测试试验中一般通过在反应瓶中加入NaHCO3将其pH值调节到7.0左右；（3）基质浓度及污泥浓度：基质浓度一般设定为5000mgCOD/L，而污泥浓度取3~7gVSS/L，保证二者的比值约为0.7~1.6，基质中还必须加入适量的N、P等营养元素，必要时还需要加入微量金属元素和酵母浸出膏或某些特殊的维生素等，在稀释时应该用去氧水进行稀释。（三）测试步骤（1）首先在锥形瓶容积为100ml处作好标记，再加入浓度为10000mgCOD/L的营养母液50ml，再加入一定量的受试厌氧污泥（保持COD/VSS=0.7~1.6），并用去氧水稀释至100ml；（2）把恒温水浴槽调至所需要的反应温度，将锥形瓶、橡胶管、史氏发酵管等连接好，并利用N2将锥形瓶上部的空气驱除；（3）将锥形瓶摇匀并放置在水浴槽内开始试验，一般每小时读取史氏发酵管内的产甲烷气体量一次，每次读数后都需要再次将锥形瓶轻轻摇动以使基质与污泥充分接触以及基质浓度分布均匀，一般整个反应过程共需要约10h，但对于活性较低的污泥可能需要的时间更长；（4）当反应瓶内的污泥不再大量产气后，即可认为反应基本结束，此时，需要将锥形瓶内的混合液进行离心分离（或过滤）后测量其VSS量；（5）进行数据整理，计算出4CHU.max及Umax.COD。（6）一般要求每个试验需有2~3个平行样，以保证试验结果的可靠性。（四）、测试数据的处理由于间歇反应开始启动，培养瓶的气室内存在着空气（或氮气）会使反应初期用碱液吸收计量出的甲烷产量读数偏高，引起误差，反应初期进入史氏发酵管的沼气中的空气体积分数可用下式表示：)exp()(atgaVVE（9）式中：Ea——培养瓶的出气中，空气（或N2）的体积分数；Vg(t)——反应开始后到t时的累计出气量（ml）；3Va——培养瓶中气室的容积（ml）。由（9）式计算可知，当atgVV)(为3.5时，Ea为0.03，即当累计出气量为气室容积的3.5倍时，进入史氏发酵管的气体中的空气（或N2）含量只占3%，此时可以认为气室内的空气（或N2）已基本排完。实际试验时，取史氏发酵管计量的产气量达气室容积3.5倍以后的数据作为求4CHU.max的计算数值，便可消除空气（或N2）的影响。（五）4CHU.max与Umax.COD的计算将厌氧污泥和底物放入培养瓶后，经过一定时间的培养，可得如下图所示的累计甲烷产量（4CHV）曲线。一般情况下，在反应的初期，由于反应瓶内的底物浓度相对较高，累积甲烷产量4CHV会以较为恒定的速度增加，即产甲烷过程呈零级反应，如图所示的线性增加的直线段；经过一段时间的反应后，反应瓶内的基质浓度由于不断的被降解而迅速下降，使产甲烷过程不再呈零级反应，在图中表现为4CHV随时间呈非线性变化。由于我们关心的只是最大比产甲烷速率，因此只需要采用一元线性回归的方法求出4CHV—t曲线上的直线段的斜率K，再通过一些计算就可得到受试污泥在试验条件下的最大比产甲烷速率4CHU.max，还可以根据上述的公式（7）或公式（8）进一步计算出其最大比COD去除速率Umax.COD。如前所述，应取4CHV值为3.5Va以后的数据点作为直线段的起点求斜率K。因此，在试验过程中，可以不必测出整个4CHV累积曲线，而只需测出直线段040801201602000481216202428反应时间（h)累积甲烷产量(ml)直线段3.5倍Va斜率244/.maxrCHVXUK厌氧污泥活性测试试验中累积产甲烷量随时间的变化曲线4即可，所以一般来说试验时间共需10h左右。计算中，一般可忽略试验环境的大气压与标准状态下的大气压的偏差，并可忽略史氏发酵管集气段气压与外界大气压的偏差（此偏差不超过1.2%）则可用下式近似计算4CHU.max：10244TTVXKUrCH.max（10）式中：K——累积甲烷产量—时间曲线上直线段的斜率（mlCH4/h）。