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16卷1期环境科学发泡多孔性藻阮酸钙胶体在UASB反应器生物造粒中的应用研究许丹东肖红(兰州铁道学院环境工程系,兰州730070)摘要在uAsB反应器启动初期.以发泡性藻阮酸钙胶体为形成生物粒子的核和促进造粒的辅助剂,进行加速uAsB反应器启动试验的研究,并论述了藻阮酸钙胶体的制作过程。在uSAB反应器中,接种污泥后立即培养,然后投入已制成的该胶体与菌种混合。经过20d的连续运转,甲烷含量达70%、Toc去除率为70%,颖粒内部作为核的藻阮酸钙胶体已被徽生物所取代,生物粒子的沉速为3O0mm/min,粒子数为7000个/ml左右。试验表明,在较短的时间内形成了高活性和良好沉降性能的颗粒污泥,取得较为满意的结果。关镇词颗粒污泥,UASB反应器,藻肮酸钙.厌氧。厌氧徽生物与好氧徽生物处理相比节省能源,对高、低浓度有机废水都有良好的处理效果。UASB反应器以其容积负荷大、处理效果好、构造简单、运转费用低廉等特点,优于其它类型的厌氧反应器。但厌氧徽生物生长缓慢,造成反应器启动阶段生物造粒过程所需时间长,影响装置实用化进程。本研究以发泡性藻阮酸钙胶体作为生物粒子的中心核及造粒的促进剂,在实验室条件下进行中温连续培养。较好地完成了uAsB反应器的快速启动,并在较短时间内培养出高活性及良好沉降性能的颗粒状污泥。本文着重总结了发泡多孔性藻肮酸钙胶体的特性、制造过程及颗粒污泥培养结果。藻阮属于碳水化合物,但与淀粉和纤维素不同,因有较高活性的一CooH基,所以具有多种反应特性。与碱性金属盐、镁盐、按盐或某些种类的有机盐等有水溶性,而与其它金属盐多无水溶性。4一DI「露糖醛附HHa卜4L:俩各袖醛酸少,、/|!|l||l又、、二n、l!|.lesles一Où图l藻阮酸分子式(分子量176)1试验方法和结果1.1藻肮酸钙胶体的结构和性质藻阮是在褐藻类中包含的物质,主要作为细胞膜或细胞间隔物质而存在。是经褐藻类如海带、海草等提出精制的亲水性高分子电解质物质。在结构上是以庄1,4结合的甘露糖醛酸D-MannuroniCaeid「M〕和a一l,4结合的古洛糖醛酸L一Guluronieaeid〔G]的聚合体,分子结构见图1。M,G的排列以及M/G的比,由原料的种类或所处部位的不同而异,并且对所制成的胶体强度有一定的影响。经试验表明:M/G比越小,即G的含量高则可制成硬度较高的胶体。1.2发泡多孔性藻肮酸钙胶体的制作多孔性藻阮酸钙胶体,主要以藻肮酸钠、牛血清白蛋白(BSA)、碳酸氢钠以及氯化钙制成。可以由投加各物质浓度,控制胶体的硬度及内部细孔径。经对比试验所选择的各物质的比例如表1所示。在使用时可根据需要调整各组分的比例,达到实际要求。首先将藻肮酸钠粉制品溶于水,待完全溶解后依次加入牛血清白蛋白(sBA)和NaHco3,高速搅拌。搅拌时,使空气溶于混合溶液中,经数h的溶解搅拌过程,形成含有大量气泡的乳白色收稿日期:1994一03一12DOI:10.13227/j.hjkx.1995.01.012环境科学16卷l期粘稠液体。随后选用所需载体直径相应的针管及注射器,在搅拌的同时,滴入ca.CI·盐溶液中,在藻肮酸钠溶液与caclZ接触的过程中,发生离子交换反应。钠离子被钙离子所交换,形成有一定硬度的藻肮酸钙胶体颗粒。表l藻阮酸钙胶体组分组分二藻阮酸钠牛血清白蛋白浓度(%)组分浓度(mol/)L1.SN时{C030.03〔…。(120.50.1表2。浓度分别为22oomg/L,4300mg/L,6500mg/L,12000mg/L。此外,为了对比多孔载体被水中离子溶解的程度,其中一个试管只加入基质而不接种菌种,结果如图3所示。多孔载体依clcZc3c;的顺序,随时间的变化而被厌氧徽生物分解。未接种菌种的试管内,载体未发现被溶解现象。此外多孔性载体在被软化降解的同时,污泥逐渐呈絮凝状。将制成的含有大量气泡的胶体颗粒进行真空减压操作,在负压的条件下,操作约hl左右,迅速恢复至常压。这样所包含在胶体内部的大量气泡会释放出来,形成多孔性胶体颗粒。用内径0.4mm的针管可制成直径约Zmm左右的多孔性载体颗粒,经试验发现,载体内部孔径与所加碳酸氢钠浓度、牛血清白零白(BSA)的量有关。随碳酸氢钠浓度的增加载体内部孔径加大(见图2)。在操作过程中NaHCo。增加的同时,藻肮酸钠和牛血清白蛋白(sBA)浓度降低,孔径也会增大。综合分析其原因是:NaHc03增加会增大制作过程二氧化碳气体发生量。而藻阮酸钠浓度的降低,使溶液浓度降低,空气易溶于混合液,载体内部易形成大气泡。sBA浓度降低则会因气泡不稳定,而发泡使气泡联通。这些均可根据对载体的要求,适当改变各物质组分的浓度。妥_~即哥翻截510时间(d)1520图3藻阮酸钙胶体随基质浓度残留率曲线1.el=2200ms/L2.eZ一4300ms/L3.03=6500mg/L4.e。=12000ms/L5.。。一4400ms/L(未接种污泥):::一///}}}}.1...2.2在uAsB反应器造粒中的作用uAsB反应器装置如图4所示。反应器选用高一50Omm,内径一SOmm的玻璃柱反应器。进水pH=7.4,Toc=650ms/L,控制反应温度35士IOC,有机负荷(Toc/M研ss)4.okg/(m3·d),水力停留时间(HRT)为4h。所用醋酸钠人工合成污水,组分同表2。ǎ日已àP必韶程表2人工合成污水组分表NaHCO3浓度(mol[)7301602650图2藻阮酸钙胶体内孔径与NaHc氏浓度的关系2藻阮酸钙胶体在徽生物培养中的应用2.1藻阮酸钙胶体的特性为了考察藻阮酸钙胶体的特性,在15ml玻璃试管中接种厌氧菌种sml,同时加入直径Zmm左右的多孔胶体10颗,然后加入基质(Toc),见组分CH3C00Na·HZOMgSO;.7H20Ca1C2·2H20FeC13·6H20浓度(ms/L)组分HN一CIKHZPO-NaZS0sT(X二浓度(mg/L)洲110141uAsB反应器内的接种污泥,采用某市厌氧废水处理厂的厌氧污泥为菌种。在接种后,立即进入连续培养。投入制成的多孔藻阮酸钙胶体,16卷l期环境科学约占接种污泥体积的10%,与菌种混合。伴随培养时间,测定甲烷生成量、Toc去除率及pH值。经20d的连续运转,甲烷含量达70%左右,气体发生量约0.45L/gToc,pH为8.0,Toc去除率约为70%。结果见图5。lllllllll``舀舀舀舀舀舀舀666666666图4厌氧污泥床(UAsB)工艺流程1.基质水箱2.进水泵3.污泥层4.反应器5.上清层6.温水箱7.温水泵8.气量表9.饱和Nacl气体吸收瓶二。、厅~皿叫l”J6经镜检,形成的生物粒子表面被非生物物质覆盖,其内部主要以丝状或短杆状的杆菌和小包状球菌不规则包裹而成。推测认为是以为陌咖沼椒沁卜七sP.和荆吮彻服泛刃甲~sP.菌为主。生物粒子的沉降速度为30Omm/min,粒子数为7000个/ml左右。颗粒内部作为核的藻肮酸钙胶体已被微生物所取代,形成了活性高、沉降性能好的生物颗粒。由于藻脱酸的絮凝作用,促进了污泥结成较大絮体的机率。与同样运转条件未加多孔胶体的平行试验相对比,形成生物颗粒的时间由3个月缩短为20d。藻阮酸钙胶体的制作原料主要以藻肮酸钠为主,本品价格较低廉(市场售价约为40元/kg),由于制成的胶体有极大的孔隙率,每kg藻肮酸钠原料可制成约700L多孔藻阮酸钙胶体球。按占接种污泥体积10%投加,对于辅助启动usAB反应器,在经济上是可以承受的。冲4工{。_一!2604020并醒翻口O卜离踢如,国O81012141618时间(d)图SU人sB反应器工艺参数变化曲线1.PH值变化曲线2.CH4含t(%)3.T0c去除率(%)在投入多孔载体的初期,一部分载体会因附着于反应器所产生的气体上而上浮。但经d1左右便会吸附悬浮性污泥,逐渐下沉。在污泥上层形成絮状污泥,载体表面附着高浓度微生物,半透明载体被厌氧微生物包裹而呈褐色。经1周左右,部分载体逐渐软化变形。取而代之的是微小生物颗粒的形成。经观察颗粒表面主要以丝状菌为主,经20d运转后,开始形成直径为0.5一1.omm的生物颗粒,与试验开始时底部MLvSS浓度稍高,而其它部分MLvss浓度均一,上部多为絮状污泥进行比较,由于非活性的污泥上浮流失,减少了反应器内的总污泥量。而底部逐渐形成细小的生物粒子层,上部、中部MLvSS浓度降低,在生物粒子层的MLvSS稳定在20一309/L。随反应器的运行,生物颗粒的比例在逐渐增加。3小结(l)多孔载体在反应器内吸附高浓度的微生物,形成生物粒子的核,载体自身的可降解性使附着的微生物有良好的滋生环境。随着生物粒子的逐渐形成,中心核被逐渐分解,而由菌体自身增殖成为完整的生物颗粒。(2)由于藻阮酸的絮凝作用,可以促进悬浮性污泥形成絮状体,并增加污泥之间的接触造粒机率,有效地形成生物颗粒,加快了uAsB反应器启动。(3)通过改变构成载体各物质组分的浓度,改变载体的内部孔径、孔构造以及载体的强度。(4)藻肮酸钙属于碳水化合物,可被微生物降解,所以如何调整与生物粒子形成时间的节奏以及阐明生物粒子的生成机理,还需要进一步探讨。致谢本研究得到日本国东京工业大学生命理工学部生物工学科海野肇教授、后藤健彦博士的指导和帮助,在此表示谢意。参考文献1田谷正仁.癸酵工学.1987,6`(4):249HUANJINGKEXUEVol.16No.l,1995AbstraetsChineseJournalofEnvironmen扭1cSieneeInunobi】挽de一Mierobial一CellA/0Procsse.WangeLi.(ResearehCenterforEeo一EnvironmentalScienees,ChineseAeademyofSeienees,eBijing100085),Yuyuxin(D巾t.ofEnviron.Eng.,TsinghuaUniv.,eBijing100084):hC矶.J.nE,~曰夕d.,16(l),1995,PP.29一31Immobiliezd一mierobial一eell(IMC)teehnology,anewteehniqueforbiologiealwastewatertreatment,wasusedtotreatasPenttetraeyelineliquor.Theexperimen饭1resultsshowedthattheremovalsofbothCODandtetraeyelinewere96%ataCoDloadingof2.07kg/(m3·d).AscomParedwithaeonventionalA/0process,therewasaninereaseofConloadingby16.3%andofgaspr阅uetionby4.57times.TheIMCteehnologywasfoundtohavesomefurtheradvanatges,ineludingamorestable。讲ratinnandallowingahigherPollutantloadingandlesslSudgegeneration.Keywords二anaerobie一aerobieProcess,tetraeyeline,immoblllZedmiCrobialCell.Pulsedstreamercorona15effeetivetoremoveHZS·ThenegativelyPulsedstreamercoronawasfoundtohaveaHZSremovaleffieieneyof88%andaoPwerutilizationeffieieneyof6.749八kw·h).InthesameoepratingeonditionwithnegativelyPulsedstreamereorona,thePositivelystreamereoronawasfoundtohaveaHZsremovaleffiei