聚季铵盐对厌氧生化反应器中微生物自身固定化的促进作用

书书书　第５５卷　第３期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５５　№３　２００４年３月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｍａｒｃｈ　２００４檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文聚季铵盐对厌氧生化反应器中微生物自身固定化的促进作用岳秀萍　李亚新　刘美霞（太原理工大学环境工程系，山西太原０３００２４）摘　要　厌氧生化反应器初次启动时培养足量的颗粒污泥需要花费数月甚至１年时间，投加高分子聚合物能够有效地促进厌氧微生物自身固定化的进程，聚合物性能、投加量以及投加方式对厌氧微生物的性能产生影响．通过生物化学甲烷势（ＢＭＰ）测定原理研究了聚季铵盐的厌氧生物可降解程度；采用厌氧毒性测定（ＡＴＡ）方法对比了不同浓度下的聚季铵盐对厌氧污泥比产甲烷活性（ＳＭＡ）和沉降性能的影响．结果表明，适量的聚季铵盐对厌氧微生物自身固定化有促进作用，建议采用间隔９～１０ｄ的多次投加方式，厌氧生化反应器中聚季铵盐浓度介于１０～２０ｍｇ·Ｌ－１为宜．关键词　高分子聚合物　聚季铵盐　厌氧生化反应器　固定化　颗粒化　启动中图分类号　Ｘ１７　ＴＱ９２　　　　　文献标识码　Ａ文章编号　０４３８－１１５７（２００４）０３－０４１８－０４犈犉犉犈犆犜犗犉犘犗犔犢犙犝犃犜犈犕犃犚犢犛犃犔犜犗犖犛犈犔犉犐犕犕犗犅犐犔犐犣犃犜犐犗犖犗犉犕犐犆犚犗犅犈犛犐犖犃犖犃犈犚犗犅犐犆犅犐犗犆犎犈犕犐犆犃犔犚犈犃犆犜犗犚犢犝犈犡犻狌狆犻狀犵，犔犐犢犪狓犻狀犪狀犱犔犐犝犕犲犻狓犻犪（犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犜犪犻狔狌犪狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犜犪犻狔狌犪狀０３００２４，犛犺犪狀狓犻，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋　Ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔａｒｔｕｐｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒｍａｙｓｐｅｎｄｍａｎｙｍｏｎｔｈｓｅｖｅｎａｙｅａｒｔｏｄｅｖｅｌｏｐｇｒａｎｕｌａｒｂｉｏｍａｓｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｒｅｇａｒｄｅｄａｓａｏｂｓｔａｃｌｅａｆｆｅｃｔｉｎｇｗｉｄｅｓｐｒｅａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｅｌｆｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｂｅｓｉｎａｎａｅｒｏｂｉｃｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒｍａｙｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｐｏｌｙｍｅｒｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｉｎｉｔｉａｌｓｔａｒｔｕｐ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｄｏｓｅａｎｄｗａｙｏｆａｄｄｉｔｉｏｎｓｈｏｗｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｎｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇａｃｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄｓｅｔｔｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｍｉｃｒｏｂｅｓ．Ｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙａｒｅｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｆｏｒｍｓｌｕｄｇｅｇｒａｎｕｌｅｓｗｉｔｈｔｈｅａｉｄｏｆａｄｄｉｎｇｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔｉｎｔｏａｎａｅｒｏｂｉｃｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒ，ｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｗａｙｏｆａｄｄｉｔｉｏｎａｎｄｔｏｑｕａｎｔｉｆｙｔｈｅｄｏｓｅ．Ｓｉｘｔｅｅｎｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｓｅｅｄｅｄｗｉｔｈａｎａｅｒｏｂｉｃａｌｌｙｄｉｇｅｓｔｅｄｂｉｏｓｏｌｉｄｓ．Ａｎａｅｒｏｂｉｃｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈａｎｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ（ＢＭＰ）．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｎｓｐｅｃｉａｌｍｅｔｈａｎｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇａｃｔｉｖｉｔｙ（ＳＭＡ）ｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｍｉｃｒｏｂｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｔｏｘｉｃｉｔｙａｓｓａｙ（ＡＴＡ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔｃａｎｅｘｅｒｔａｐｏｓｉｔｉｖｅｉｍｐａｃｔｏｎｓｅｌｆｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｍｉｃｒｏｂｅｓ．ＴｈｅｈｉｇｈｅｓｔＳＭＡｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｍｉｃｒｏｂｅｓａｐｐｅａｒｅｄａｔ５—１０ｍｇ·Ｌ－１（ｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）．Ｔｈｅｓｅｔｔｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｌｕｄｇｅｉｎｃｒｅａｓｅｄａｓｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔｄｏｓａｇｅｗａｓｉｎｃｒｅａｃｅｄ，ｂｕｔｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｓｌｕｄｇｅｆｌｏａｔｉｎｇｏｃｃｕｒｒｅｄａｔ３０—４０ｍｇ·Ｌ－１．Ｉｔｗａｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｔｈａｔｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔｗａｓａｄｄｅｄｉｎｔｏａｎａｅｒｏｂｉｃｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒｄｕｒｉｎｇｓｔａｒｔｕｐａｔ９—１０ｄｉｎｔｅｒｖａｌｓａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｏｐｔｉｍｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎｗａｓｆｒｏｍ１０ｔｏ２０ｍｇ·Ｌ－１．犓犲狔狑狅狉犱狊　ｈｉｇｈｐｏｌｙｍｅｒ，ｐｏｌｙｑｕａｔｅｍａｒｙｓａｌｔ，ａｎａｅｒｏｂｉｃｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒ，ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ，ｓｔａｒｔｕｐ　　２００３－０５－０５收到初稿，２００３－０９－１２收到修改稿．联系人及第一作者：岳秀萍，女，４０岁，副教授，博士研究生．基金项目：山西省自然科学基金资助项目（Ｎｏ．２００１１０１３）．　　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００３－０５－０５．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＹＵＥＸｉｕｐｉｎｇ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２００１１０１３）．　引　言高分子聚合物在混凝沉淀水处理工艺中主要用于除浊、脱色、去除废水中各种杂质以及污泥脱水等，它在微生物固定化方面的应用还是一个较新的研究领域．与传统的悬浮生物处理工艺相比，微生物固定化废水处理技术有利于提高厌氧生化反应器内微生物数量，具有处理效率高、运行稳定、固液分离效果好等优点，是近年来各国学者的研究热点之一，其中多数研究集中在多聚体包埋微生物技术，而高分子聚合物对厌氧微生物自身固定化的促进作用的研究相对较少．微生物自身固定化（或称微生物间自交联固定［１］）是固定化微生物技术之一，是指悬浮状微生物接种于厌氧生化反应器后，通过严格控制反应器的运转负荷、环境因素，依靠微生物自身的絮凝作用形成颗粒状生物体（颗粒污泥）的方法．此法所需固定化时间长且受环境因素影响大，厌氧生化反应器从污泥接种到完成污泥颗粒化可能要花费几个月甚至１年时间［２］．在厌氧生化反应器启动初期投加高分子聚合物是为了强化和促进微生物的絮凝作用以缩短固定化颗粒污泥的进程．Ｗｉｒｔｚ和Ｄａｇｕｅ［２］在厌氧序批式反应器（ＡＳＢＲ）快速启动研究中认为，阳离子聚合物对生物絮凝体颗粒化的促进作用最为突出，与未投加聚合物的反应器相比将污泥颗粒化进程缩短了３个月；ＴｓｕｙｏｓｈｉＩｍａｉ等［３］在上流式厌氧污泥床反应器（ＵＡＳＢ）启动时向接种的消化污泥中投加了吸水性聚合物（ｗａｔｅｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｏｌｙｍｅｒ，简写ＷＡＰ），以葡萄糖和挥发酸（ＶＦＡ）２种人工配置废水评价了ＷＡＰ加速ＵＡＳＢ启动的可行性；Ｕｙａｎｉｋ等［４，５］在厌氧折板式反应器（ＡＢＲ）处理冰淇淋废水中认为ＫｙｍｅｎｓｅＳＬＸ２明显地增加了生物在反应器内的停留时间，降低了出水中悬浮物浓度（ＳＳ）；王林山［６］也报道了向ＵＡＳＢ中投加膨润土和聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）能促进颗粒污泥形成、缩短启动期；ＥｌＭａｍｏｕｎｉ等［７］对比了合成聚合物Ｐｅｒｃｏｌ７６３与天然聚合物壳聚糖对ＵＡＳＢ反应器厌氧悬浮污泥颗粒化速率的影响，提出由于壳聚糖的聚糖结构在聚集厌氧污泥时起到与胞外聚合物相似的作用，表现出良好的颗粒化性能．针对促进厌氧生化反应器中污泥颗粒化的应用目的，选用适宜的聚合物种类、确定最佳投加剂量和投加方法是重要的研究内容．聚季铵盐属阳离子型有机高分子聚合物，利于与带负电荷的微生物细胞产生静电吸引和吸附架桥作用［２］，而且在ｐＨ值容易波动且偏碱性溶液的厌氧生化反应器中能够保持稳定的絮凝性能［８］．本试验以阳离子聚丙烯酰胺（聚季铵盐类）为研究对象，通过测定聚季铵盐的厌氧生物可降解性、不同浓度下对厌氧微生物产甲烷活性和生物絮体沉降性能的影响，确定聚季铵盐在厌氧生化反应器启动初期适合的投加量和投加方式．１　试验装置与方法１１　试验装置与材料试验装置由２５０ｍｌ生化反应瓶、产气量测定系统、恒温箱（３５℃）和振荡器组成，见图１．厌氧微生物培养液以脱脂奶粉配置而成，加入ＮａＨＣＯ３调节碱度，维持反应瓶中ｐＨ值在６．９～７．８范围；进水中以Ｓｐｅｅｃｅ［９］推荐营养物配置营养液（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓ、Ｎ、Ｐ等）以保证微生物代谢的需要．接种污泥取自太原市杨家堡污水处理厂消化池，生化反应瓶中污泥接种量约６．５ｇ·Ｌ－１．反应期间用空气振荡器间歇搅拌．１６个生化反应瓶分成８组，每组２个反应瓶进行平行试验，表１中所示的试验数据为２个平行试样的平均值．反应瓶中２００ｍｌ的消化液由接种污泥、培养液、营养液和聚季铵盐稀溶液组成；不同的聚季铵盐溶液投加剂量使各反应瓶中具有不同的聚季铵盐质量浓度和包泥量（聚合物质量／污泥质量）．反应瓶填装完毕后通入氮气２～３ｍｉｎ驱除消化液中的溶解氧和瓶顶空间的空气，然后迅速封盖以保持反应器中厌氧状态．Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ１—ｒｅａｃｔｏｒ；２—ｃａｓｅｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；３—ｖａｌｖｅ；４—ｇｒａｄｕａｔｅｃｙｌｉｎｄｅｒ　１２　试验方法聚季铵盐对厌氧污泥颗粒化的促进作用应通过测定厌氧生化反应器在投加聚合物后厌氧污泥性质·９１４·　第５５卷第３期　　岳秀萍等：聚季铵盐对厌氧生化反应器中微生物自身固定化的促进作用的变化来评价，包括比产甲烷活性（ｓｐｅｃｉｆｉｃｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ，简写ＳＭＡ）和沉降性能（ｓｅｔｔｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）等．由于厌氧微生物（尤其是产甲烷菌）对环境变化非常敏感，所投加的聚合物如果对产甲烷菌有毒性抑制作用，会破坏厌氧代谢过程的平衡，造成挥发酸等中间产物积累，使反应器中ｐＨ值下降，导致厌氧消化过程失败．所以，试验参照产甲烷毒性测定［１０］（ａｎａｅｒｏｂｉｃｔｏｘｉｃｉｔｙａｓｓａｙ，简写ＡＴＡ）原理研究聚季铵盐对产甲烷菌活性的影响．厌氧污泥的比产甲烷活性（ＳＭＡ）以累计产甲烷量生化反应时间曲线（ｃｕｒｖｅｏｆｍｅｔｈａｎｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇｙｉｅｌｄｓ）中最大活性区间的产甲烷速率计算［１１］ＳＭＡ＝２４犚ＣＦ·犞·ＴＳＳ式中　犚为产甲烷速率（曲线中最大活性区间的平均斜率），ｍｌ·ｈ－１；ＣＦ为含饱和水蒸气的甲烷以ｍｌ为单位的体积转换为以ｇ为单位的ＣＯＤ的转换系数；犞为反应器中消化液的体积，Ｌ；ＴＳＳ为反应器中污泥的浓度，ｇ·Ｌ－１．聚季铵盐的厌氧生物可降解性通过生物化学甲烷势（ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈａｎｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ，简写ＢＭＰ）测定方法进行评价，用于判断聚季铵盐的抗生物降解程度．试验进行了３０ｄ．甲烷产量由排水集气系统逐日或隔日测定，产气经过盛装３ｍｏｌ·Ｌ－１ＮａＯＨ溶液的量筒以吸收沼气中的ＣＯ２，ＣＨ４产量由量