EGSB反应器的启动及微生物相变化研究

EGSB反应器的启动及微生物相变化研究王强1，王路光2，王靖飞2，田在峰2(1.河北大学化学与环境科学学院，河北保定071002；2.国家环境保护制药废水污染控制工程技术中心，河北省水环境科学试验室，河北省环境科学研究院，河北石家庄050051)[摘要]EGSB反应器是在UASB反应器的形式上改进而来的新一代反应器，被认为是最有前途的高效厌氧反应器。采用小试规模的EGSB反应器，以葡萄糖模拟废水为处理对象，考察了其启动运行的规律及特点。反应器在中温条件下稳定运行60d，容积负荷达12kgCOD/（m3·d），COD去除率达到95%以上，成功地实现了启动。同时，在启动过程中不同阶段对颗粒污泥形态特征及微生物相进行了观察，系统地研究了其变化情况。[关键词]EGSB反应器；启动；颗粒污泥；微生物相[中图分类号]X703.3[文献标识码]A[文章编号]1003-5095(2008）04-0022-04厌氧生物处理技术至今已有100多年的发展历史，1974年荷兰的Lettinga等开发出上流式厌氧污泥床（UASB）反应器[1]，实现了污泥停留时间和水力停留时间的分离，增加了反应器内污泥的浓度，提高了处理效率，但是由于其不能保证进废水与活性污泥之间的充分接触，使得这种类型的反应器的应用受到了限制。本研究采用第三代厌氧反应器——EGSB反应器，虽然在结构形式、污泥形态上与UASB有很大的相似之处，但其在运行特征上与UASB又有较大的区别。EGSB增加了出水循环系统，有效提高了反应器中液体上升流速，高的上升流速使颗粒污泥床处于膨胀状态，在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下，既能保持较大的污泥量又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触，达到了真正高效的目的，成为当今最受瞩目的高效厌氧反应器之一[2，3]。本研究采用中、高浓度葡萄糖模拟废水，在中温条件下对EGSB反应器的启动运行情况进行了研究，系统地考察了颗粒污泥在启动过程中不同阶段的形态特征和微生物相的变化情况，为EGSB反应器的应用提供了科学的依据。1实验装置、材料与方法1.1实验装置本研究所采用的装置及工艺流程如图1所示。反应器由圆柱形有机玻璃加工而成，反应器的反应区体积为13.4L，反应区高径比为20∶1。反应区外部采用保温避光材料包裹，并用循环加热水浴对保温层中的水进行循环加热，以保持反应区内温度在35～38℃之间。图1EGSB反应器及工艺流程1进水箱；2进水泵；3EGSB反应器；4循环加热水浴；5出水箱；6回流泵；7出水；8取样口；9三相分离器；10水封瓶；11湿式气体流量计；12碱液；13湿式气体流量计1.2实验用水采用模拟有机废水，用葡萄糖、尿素、磷酸二氢钾按COD∶N∶P=200∶5∶1的比例配制而成。同时加入Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Mo2+等微量元素，并根据运行情况加入适量Na2CO3以维持反应器内部的pH值在6.8～7.5之间。1.3接种污泥接种污泥为取自某淀粉厂UASB反应器中的颗粒污泥，污泥的VSS/SS=0.89。接种量为7L，反应器内的污泥浓度约为20gVSS/L。1.4主要分析项目COD：HACH45600型COD快速测定仪；pH：采用电极法[4]；碱度：采用标准酸碱滴定法[4]；悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)：重量法[5]；VFA：Dionex-600离子色谱；颗粒污泥的扫描电镜观察，基本过程为：样品的取材与固定，冷冻干燥，喷金，电镜观察，照相；颗粒污泥沉速：参考文献[6]。2实验结果及讨论2.1反应器启动运行过程及结果启动过程总共经历了60d，可以分为颗粒污泥驯化期（1～22d）和容积负荷提高期（23～45d），启动完成期（46～60d）。反应器的整个启动过程中运行参数变化如图2、图3所示。时间/d图2EGSB反应器进出水COD浓度及COD去除率变化情况启动期运行情况时间/d图3EGSB反应器容积负荷、pH值及水力停留时间变化情况2.1.1颗粒污泥驯化期启动初期在低浓度、低流速的条件下运行，对颗粒污泥进行驯化。反应器启动的容积负荷约为4kgCOD/（m3·d），进水COD浓度约为2000mg/L，水力停留时间为12h。在最初两天里，COD去除率在85%以上，可见接种污泥活性较好。在第5天，以1∶1启动出水回流。上升流速提升初期污泥流失现象比较严重，絮状污泥和沉降性能差的颗粒污泥被洗出反应器。随后，污泥床层以上的部分逐渐澄清。运行至第7天，出现了清晰的泥水分界面。运行至22天，反应器容积负荷达到5kgCOD/（m3·d），COD去除率稳定保持在95%以上，此时可以认为颗粒污泥已经适应了废水水质，活性也得到了一定的提升。需要注意的是，在这个阶段的第8～13天COD去除率下降，出水中VFA浓度升高，出水pH值降低，反应器出现酸化的趋势。笔者认为这是由于反应器内部碱度不足造成的，所以采取增加回流量和增加进水碱度的方法进行了调节。经过调节，反应器的运行性能逐渐恢复。至第14天，COD去除率恢复到96%以上。2.1.2容积负荷提高期从第23天开始，以增加进水COD浓度的方式来提高反应器的容积负荷。运行结果发现，以每次1kgCOD/（m3·d）的幅度提高负荷不会对反应器的性能产生影响，COD去除率能够稳定保持在95%以上。在第33天，增大容积负荷的提高幅度，从7kgCOD/（m3·d）直接提升至9kgCOD/（m3·d）。提升负荷后，反应器内的pH值和COD去除率出现波动。通过及时调节，COD去除率逐渐回升，说明反应器目前抗冲击性能还比较差。运行至第45天，反应器容积负荷达到10kgCOD/（m3·d），COD去除率达到98.9%。2.1.3启动完成期从第46天起，通过增加回流量的方式提高反应器的上升流速，至53天，反应器上升流速达到2m/h，污泥床得到了充分的膨胀。反应器运行第54天，再次以2kgCOD/（m3·d）的幅度提高容积负荷，容积负荷达到了12kgCOD/（m3·d）。此时出水指标没有引起波动，COD去除率稳定保持在95%以上，反应器运行稳定，已经具备了一定的抗冲击能力，可以认为启动完成。2.2启动过程中异常情况分析——酸化现象反应器内部的酸碱平衡是影响反应器运行效率的关键因素之一。反应器酸化过程中主要出现产气速率下降、出水COD浓度增大、pH值降低等异常现象。从表征反映器异常变化的时间准确性来看，气体产率＞出水COD浓度＞pH值[7]。本研究中由于进水水质稳定，所以气体产率的变化能够最灵敏的表征出反应器的运行状况。在本研究的第8天起，气体产率下降，随后几天出水pH值最低降至6.0，反应器表现出酸化的趋势。分析原因可能是启动负荷选择偏高，而反应器内部碱度不足造成的。反应器内的产酸菌很快将易降解的基质分解成为有机酸等物质，而产甲烷菌利用这些物质并最终产生甲烷的过程是一个相对缓慢的过程，此时反应器内部的碱度不足以中和产生的有机酸，导致有机酸逐渐积累，产甲烷菌适宜的环境遭到破坏，功能受到抑制。由于厌氧反应器的出水碱度高于进水碱度，所以采取增加回流量的方法对反应器进行了调节。增加回流量一方面可以稀释进水COD浓度，降低底部污泥负荷；另一方面可将高碱度的出水重新利用，节省了进水中碱性物质的投加量。一般认为，随着容积负荷的增大，反应器内部对于碱度的需求也逐渐增大。在本研究中，控制进水碱度在1000mgCaCO3/L以上，出水低于1500mgCaCO3/L时再增加投碱量，结果表明该碱度的控制方式基本保证了反应器运行的稳定。2.3反应器内颗粒污泥的变化情况在EGSB反应器启动阶段，由于运行条件的变化，由UASB反应器接种的颗粒污泥存在一个转型过渡期，在逐渐适应EGSB反应器运行方式的过程中，其性能和微生物群落也发生着重新改变、适应和调整的过程。2.3.1接种颗粒污泥的形态特征及微生物相接种污泥粒径较小，主要为黑色颗粒，形状比较均一，绝大多数为球状和椭球状，污泥强度不高。通过电镜观察可以看到污泥的外表附着一些松散的絮状物质（图4，a），也能够观察到许多孔穴和通道。这些孔道是营养物质的必要传输通道，基质通过这些通道，被颗粒内部的微生物利用。同时，这些孔道也是排放气体的通道。良好的沉降性能是颗粒污泥主要特征。Schmidt[8]根据沉降速率可将颗粒污泥分为3类：第一类，沉降性能不好，其沉降速度小于20m/h；第二类，沉降性能满意，沉降速度在20～50m/h；第三类，沉降性能良好,沉降速度在50～100m/h。经测定，接种污泥沉降性能一般，沉降速度在22～28m/h。a接种污泥外观b接种污泥表面菌群c接种污泥内部菌群图4接种污泥的电镜扫描图通过电镜观察，接种污泥表面可以看到由或长或短的丝状、杆状菌相互缠绕形成的良好的网络结构（图4，b），在这些网络结构上球菌和短杆菌聚集或零散地黏附生长。从剖面观察其内部细菌组成（如图4，c），可以看见内部丝状菌为主，夹杂少量的球菌，菌种比较单一，并未观察到一些文献中提到的分层现象[9]。有些丝状菌成束生长在一起，根据其形态特征推测[9]，该优势菌应该为索式产甲烷丝菌。2.3.2启动完成后颗粒污泥的形态特征及微生物相反应器启动完成后，颗粒污泥粒径随污泥床高度的升高呈递减趋势，污泥床下部颗粒粒径在3mm左右，而上部颗粒则在1mm左右。颗粒污泥的颜色主要以灰白色为主，形状不规则（图5，a）。颗粒污泥的表面形成凹凸不平的山峦和低谷，孔洞交错，这使得颗粒的比表面积明显增加，更有利于泥水接触、提高传质效果。与接种污泥相比，此阶段污泥的沉降速度有了较大的提升，沉降速度在38～64m/h之间，这主要是由于启动后颗粒污泥的粒径和密度增加的原因。沉降速率的增大使得反应器在以后的运行中更容易控制上升流速等参数，也为EGSB反应器的高效运行提供了条件。a颗粒污泥外观b颗粒污泥表面菌群c颗粒污泥内部菌群d大颗粒外观图5启动完成期颗粒污泥电镜图通过扫描电镜观察，发现细菌生长良好，表面仍以丝状菌和杆菌为主（图5，b）。内部菌种变得十分丰富，丝状菌、杆菌和球菌都占相当的比例，菌体饱满，排列密集，呈混杂分布（图5，c）。可见容积负荷及水力负荷的适当提高有利于菌种的筛选。最终在水质、水力条件的综合作用下得到了微生物相丰富的颗粒污泥，大大提高了系统的处理负荷，增强了其耐冲击的能力。此时的污泥活性有了明显的提升，比产甲烷活性几乎是接种前的2倍，达到了346mLCH4/gVSS·d。这个阶段，在较大的污泥表面能够观察到大小不一的裂缝（图5，d），这是水力剪切、外部碰撞及内部气体释放等综合作用的表现，也标志着它的老化过程，到一定程度便会断裂形成小个体，重新去经历分化组合的过程。3结论（1）接种取自UASB反应器的颗粒污泥，在60d内完成了EGSB反应器的启动，容积负荷达到12kg/（m3·d），COD去除率稳定在95%以上，并具备一定的抗冲击能力。（2）反应器体系中应该保证足够的碱度，控制进水碱度1000mgCaCO3/L以上，出水低于1500mgCaCO3/L时再增加投碱量的方式，可使反应器出水的pH维持在6.8～7.5的范围之内，保证了反应器运行稳定，得到了良好的效果。（3）颗粒污泥在逐渐适应EGSB反应器运行方式的过程中，其微生物群落也发生着重新适应和调整的过程。在本研究中不同阶段的颗粒污泥表面和内部的微生物相互交融，形成了一个互营共生的微生态系统。在容积负荷和水力条件不断改变的过程中，颗粒污泥中的优势菌种经历了由丝状菌为主，最终成为各菌种混栖的变化。参考文献王凯军，左剑恶，等.UASB工艺的理论与工程实践[M].北京：中国环境科学出版社，2000，3-5.赵立军，滕登用，刘金玲，等，废水厌氧生物处理技术综述与研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2001（5）：58-66.G.Lettinga.Anaerobicdigestionandwastewatertreatmentsystems[J].DepartmentofEnvironmentalTechnology，1998.国家环境保护总局.水与废水检测分析方法（第四版）[M].北京