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81995年5月中国沼气C五ioaBiogas第11卷第2期二相UASB反应器中产酸颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥的物理性质和化学成分陈坚刘晓梅吴敬李春生伦世仪(无锡轻工业学院发酵工程系)摘要:本文甘二相UASB反应器中产酸和产甲烷颗拉污泥的物理性质和化学成分进行了初步的研究。结果表明:(1)二种领杜污泥均具有良好的沉降性能,并且产酸领杜污泥的湿密度、强度和稳定性均优于产甲烷颗拉污泥。(2)二种颗粒污泥的表面元素基本相同,但内部Ca,iS含量相差较大,并且均未发现有FeS存在。(3)产酸和产甲烷领拉污泥中胞外多聚物(耳CP)的含量分别为0.57肠和1`46肠(以污泥干重计)。ECP中的主要成分为糖和糖醛酸。关健词:厌.氛消化二步过程UASB反应器颗粒污泥究尚未见报道。1前言二相UASB(上流式厌氧污泥床)工艺的基本指导思想是将相分离的特点与高效反应器的优势相结合〔,,幻。因此,二相UASB反应器中厌氧污泥颗粒化的意义主要表现在两个方面:首先,酸化相UASB反应器中产酸颗粒污泥的形成有利于提高反应器的酸化速率,优化产酸相的产物分布;其次,甲烷相UAsB反应器中产甲烷颗粒污泥的形成有助于提高反应器甲烷的产量和质量,保证整个系统运行的稳定性和处理能力.本文对UASB反应器中产酸颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥的物理性质和化学成分,包括颗粒污泥的湿密度,强度、稳定性、沉降性能和颗粒污泥的表面元素、灰分中的化合物、微量元素、颗粒内胞外多聚物的含量及成分等问题进行了初步的研究。至今为止,有关二相UASB反应器中颗粒污泥性质的研2材料与方法2.1污泥来源、反应器运行条件和水质成分实验采用的产酸和产甲烷颗粒污泥分别取自二相UASB系统的产酸相和产甲烷相反应器(均加.75L).整个二相系统经四个月的连续运行培养得到了成熟的产醛打口产甲烷颗粒污泥。运行条件为:产酸相有机负荷7okgCOD/m’·d,HRT3小时,酸化率200肠,pHS.o;产甲烷相有机负荷46kgCOD/m昌·d,HRTg.5小时,COD去除率85肠,pH7.0。培养采用的水质成分为:工业葡萄糖59/L,KH:PO4o.lg/L,NH`Cl0.19/L,酵母膏0.29/L,MgSO`0.029/L(NH4):CO。0.19/L,CaCI:0.029/L,NaHC031.19/L,ZnClo.olg/L。运行控制温度35’C,进水pH6.o。2.2分析浏定项目国家自然科学基金资助项目(39100003)。本文收稿:1。日2一。了一02,修回.1903一01一271日。3年s月陈坚等二相UASB反应器中产酸颖粒污泥和产甲烷颗粒污泥的物理性质和化学成分9(l)颗粒污泥的湿密度:根据文献〔5〕。(2)颗粒污泥的强度:采用材料试验机测定颗粒污泥的抗压强度(N/m“)。(3)颗粒污泥的沉降速率:采用2二长、1.scm直径的有机玻璃管计时测定。(4)颗粒污泥的稳定性:取一定量的顺粒污泥放入100ml的三角瓶中,在各种不利条件下(表1)考察颗粒的结构变化。表1颗粒污泥稳定性试验条件(11)透射电子显微镜镜检:r根据文献〔4〕。乡务号1234560。INNaOH0.INHCI1肠蛋白酶蒸钾心沌蒸馏水a.38’C(60转/分)pH7.。(特殊pH除外)下,摇瓶24小时;b.煮佛20分钟:c.加压(latm)xo分钟.(5)55的钡J定采用los.C烘干法;VSS采用55o.C灼烧法。(6)颗粒污泥中碳、氮比(C/N)的确定:采用Carl。一Erbal/106型元素分析仪(意大刹),污泥样品经105’C烘干后测牵了屯。(7)颗粒污泥灰分中化合沉淀物的确定:采用D/二ax一IB型x射线衍射分析仪丫百本).分析条件是:Cu靶,电压一35六,`电流ZomA,扫锚连deg/msn,步长o.oZdeg.样品经105’C烘干,300’C灼烧等预处理。(8)颗粒表面元素分析:采用EDAX一91。。型能谱仪(美国)。样品经乙醇、丙浦梯度脱水等处理。(9)颗粒污泥中Ni、Co、Ca等元素狈l定:用上海产3030型原子吸收分光光度计。(10)颗粒内胞外多聚物(E二tra。ezlu一larpolymers,简称ECP)的分析:提取方法根据文献〔约。采用苯酚一硫酸法测定总糖含量,以葡萄糖为标准样品。采用咔吐一硫酸法测定糖醛酸含量,以半乳糖醛酸为标推样品。3结果与讨论3.1仄氧颗杜污泥的物理性质(1)形态和大小:成熟的产酸颗粒污泥外观呈蛾卵石形,大小不一,一般粒径在。.5~4mm之间,无光泽,内核红褐色。成熟的产甲烷颗粒污泥外观与产酸颗粒相同,只是粒径稍小,在。.5、Zlnm之间,表面呈灰色,内部深褐色。两种颗粒污泥在形态方面的差异与反应器进水基质和内部环境的不同有关。(2)湿密度和强度:产酸和产甲烷颗粒污泥的湿密度分别为1.0369/cm“和1.017g/e。”。强度分别为0.236欠10“N/二空和。.06)106州mZ。显然产酸颗粒的湿密度和强度均高于产甲烷颗粒污泥。以前的研究发现〔“〕,在单相UASB反应器中的颗粒污泥湿密度在1.033、1.0689/cm“之间,与二相厌氧颗粒污泥的湿密度基本相近。考虑到各种颗粒污泥的湿密度与单个分散细胞的密度均基本相等闭,而在湿树度相近的条件下,粒径的大小是决定沉降性能的唯一因素,因此,无论在单相还是二相UASB反应器中,菌体存在于颗粒污泥中将比单个分散存在的沉降速率要大得多。关于颗粒污泥的强度,己有报道在工业规模的UASB反应器中颗粒污泥的强度为o·26~1·51X106N/nI“〔3〕,而在实验室规模反应器中用乙酸、丙酸培养的颗粒污泥强度为0.07~o.13X10“N/m“〔5〕,本实验结果低于前者,而与后者比较接近。这是因为(a)存在于大型反应器中的颗粒污泥是在承受较大的液体流动剪切力,气体扰动作用和静水压力的条件下形成的,在这种倩况下,外界客观条件与本实验条件有很大的差别(b)虽然培养基质的不同将会影响颗粒污泥中的菌体分布及组成,相应的颗粒污泥的强度也忍01993年5月中国沼气第11卷第2期有所变化,但对前者来说,这种影响较弱。(3)沉降性能:图l为实验测得的两种厌氧颗粒污泥的沉降速率。从图中一可以看出,在相同直径时,产酸颗粒污泥要优于产甲烷颗粒污泥,这一结果一与湿密度的测定是必心的问题。表2给出了产酸和产甲烷颗粒污泥的稳定性试验结果。试验发现(a)除了在。.INNaOH作用的隋况下颗粒污泥破损外,在其他条件下,两种颗粒污泥均能保持结构完整。(b)从获损或结构完整的程度上比较,产酸颗粒污泥的稳足性要优于产甲烷颗粒污泥,这与强度的试验结果是一致的,但与最近南朝鲜学者的报道有出入〔2〕.表2颗粒污泥稳定性试验结果姆阅乃ù`、产加压煮沸条件o,INo.INZ肠纤维Na0HHCI萦酶1务蛋白酶帐广卜犷公也娜改++十十十+十+++藻礼蕊或甘.,叨U,IU。`产酸相一产甲烷相一0.5IG2.03.0顺粒污泥直径(~)一:破损+.完整图1颖粒污泥在清水中的自由沉降速度,_.一一产徽绷位污泥,一。一。一产甲烧颐拉污泥一致的.图中还给出了根据storkse公式得到的球状粒子的沉降速率曲线,显然这一曲线与两种颗粒污泥沉降速率的实测值有相当的出入,估计可能是由于颗粒的形状不规则,与球体有一定的偏差造成的。(4)稳定性:在生产规模的UASB反应器中,颗粒污泥不仅要承受上升流体流动的剪切力等外界作用,而且还可能遇到如反应器中过负荷出现酸化等情况。因此,从实际应用的角度,颗粒污泥的稳定性是人们关·3.2厌氧颗拉污泥的化学成分表3为产酸颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥麦面矿物质元素的分析结果。从表中可以发现在两种颗粒污泥中Na、Zn、S主、Ca、P、S等元素的含量均较高,为颗粒污泥的主要元素。其原因作者认为:(a)由于进水基质中含有大量的NaHCO3,因此大量的Na离子无疑会被吸附到颗粒污泥的表面。(b)Zn是产甲烷菌活性的激活离子,由于产甲烷颗粒污泥具有很高的比产甲烷活性帅,因此其Zn含量高于产酸颗粒污泥近一倍是可能的。(。)颗粒污泥中的51应该来自接种污泥,因为培养基质中未加入iS,这说明接种表3立相厌氧颗粒污泥表面矿物质元素的分析结果元素Na.MgAl51KCaFeC住ZnP5CI1。8l。06。15.01。13。610.38。827。43.80.e4.25.6133.717.91.5:5.5口`九」3.2.5.466.25..14产甲烷相(肠)产酸相(肠)污泥对颗粒污泥的形成是有一定的作用的。(d)P、S是微生物菌体的组成元素,而颗粒污泥实际上是高浓度微生物的聚集体,因此,P、S应该有很高的比例,这与单相UASB反应器中的颗粒污泥是一致的〔5〕。己有研究发现,Ca对颗粒污泥结构的稳定性有重要作用阁。为了进一步考察这一点,对二种颗粒污泥中的Ca、Ni、C。等元素进行了原子叨次分析,结果如表4.从表中可以看到:(a)产甲烷颗粒污泥中的C`1,。3年5月陈坚等二相UBSA反应器中产酸颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥的物理性质和化学成分11一远高于产酸颗粒污泥,但强度却不如。因此表4颖粒污泥中Ca、Ni、C。元素分析结果元素Ni10009概Co(g/2ooogVSS)Ca(灰分肠)产酸相产甲烷相9。0637。36竺·4竺了一4(.053。34旅对颗粒污泥结构所起的作用仍需进一步研究.(b)由于在培养基质中并未人为地添加Ni、C。等微量元素,而实验发现二种服粒污泥中,尤其是产甲烷颗粒污泥中Ni、已。含量远高于纯产甲烷菌,因此可以认为几氧污泥颗粒化过程中共生菌群能够从培养丢贡中富集C。、Ni等微量元素.为了了解上述几种主要无机元素在颗粒污泥中的存在形式,对产酸和产甲烷题粒污泥中的灰分进行了x一衍射分析,结果如表5。表5表明:(a)与单相UASB反应器中的颗粒污泥明显不同的是,在二相颗粒污泥中均未发现有FeS存在.因此有些学者提出FeS在厌氧污泥颗粒化过程中的作用学说〔幻至少在本实验条件下不能成立。(b)产酸颗粒污泥的灰分中is化合物高达60.5肠,产甲烷颗粒污泥的灰分中Ca化合物高达41.2呱。由于产酸颗粒污泥的强度和稳定性均要好于产甲烷颗粒污泥,因此似乎iS对颗粒污泥结构方面的作用要强于C.a表5二相厌氧颗粒污泥的灰分中化合物分析结果(单位:肠)化合产酸510242。9Caesioo盆x(OH)至17。6NaH:PO;5。2ZnO18。lCaHPO一P`532.313.9饭相化合物产甲烷相NaoAI一51`ox-4。3Na:HPO`7。57Ca。(PO`)。OH工0.3Ca:510`Als(OH)s(P04):30。918ZnS31。9买验中还测定了二种颗粒污泥的C、H、入三种元素(产酸颗粒污泥C:28.07帕,N:1.07肠,H:4.19肠)。颗粒污泥中的C/N与培养基质的C/N没有本质的关系,但由于颗粒污泥中的微生物组成受进水成分的影服,因此,产甲烷颗粒污泥与产酸颗粒污泥的C/N相差很大,而且均不同于一般提出的产甲烷菌的C/N(一般对产甲烷菌中的成分采用分子式C。。H。,O::N::P,即C/N重量比为建.3)。咆外多聚物(ECP)在生物膜的形成和稳定过程中具有重要的作用〔,”〕。在颗粒污妮中ECP的作用已成为许多研究者关心的间题。借助于扫锚和透射电子显微镜技术可以直接观察到产甲烷颗粒污泥中ECP的存在,而在产酸颗粒污泥中ECP并未发现。对二种颗粒污泥中提取ECP并分析测定发现,以污泥干重计,产酸颗粒污泥中EPC的含量仅为刃.57肠,而产甲烷颗粒污泥中ECP含量达到1.46肠,是产酸颗粒污泥的二倍之多,而且无论哪种颗粒污泥,_其中ECP的主要成分均为糖和糖醛酸:产酸颗粒污泥糖。.43呱,糖`醛酸0.14肠;产甲烷颗粒污泥糖1.17肠,糖醛酸0.286肠。4结论(1)二相UASB反应器中产酸颗粒污泥的湿密度、强度和稳定性均优于产甲烷颗粒污泥。二种颗粒污泥均有良好的沉降性能。(2)产酸和产甲烷颗粒污泥的表面元素基本相同,但内部Ca、S呈含量相差较大,并且与单相UASB中颗粒污泥不同的是,二种颗粒污泥中均未发现有FeS