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髻筛·科技信息综述·盘拳恤鳅最熟巍毅数象(上)仲海涛`(1华南理工大学环境科学与工程学院,广州胡勇有`田静“510640;2北京中联环工程股份有限公司,北京一00835)摘要厌氧处理技术由于造价问题影响了它在低温下的应用。综述了低温下厌氧处理技术的优势及难点,低温下厌氧微生物和颗杠污泥的研究,动力学公式的推导及其参数的确定,反应器构型的影响,并特别介绍了低温下厌氧处理城市污水的研究进展。城市污水属于复杂废水,含有大童55,用两相厌氧处理系统,即UABS+EGBS或AF十AH在13℃的低温下处理可以取得50%或70%的总COD去除率,表明城市污水低温厌氧处理是可行的。关键词低温厌氧城市污水颗拉污泥反应器AnaerobicwastewatertreatmentunderlowtemPeratureeondition(I)zhongHai一taol,HuYong一youl,TianJingZ(1.(为乙Z昭℃ofEn饭orn~atZScie刀ceadnE刀91~gn,肠祝ht以iannUi~iytof不扮h耐记唱),Guangzhou510640,hCina;2,BeijinghCina一nUionEngineering肠.,Ltd.,Beijing100835)Abstraet:Anaerobiewastewatertreatmenthasbeeomemature,buteeonomieProblemslimititsaPplieationunderlowtemperatureeonditions.InthisPaperthesuPerioirtiesanddiffieultiesoflowtemperatureanaerobietreatmentaredeseribed.TheresearehonthegorwthofanaerobiemierobesatlowtemPeratureandgranularsludge,dedueingofdynamiesformulasandParametersaswellaseonfigurationsofreaetor,andalsotheadvaneeoflowtemperatureanaeorbiesewagetreatment15explained.Theeonstituentofmunieipalwastewater,whieheontainsalargeamountof55,15rathereomplex,butit15treatableunderlowtemperatureeondition.Atwo一stePsystemeonsistingofeitherup一flowanaerobiesludgebed(UASB)reaetor。ombinedwithanEGSBreaetororananaerobiCfilter(AF)combinedwithananaeorbiChybrid(AH)reaeotrwillbeopeartednormallyteratingmunieipalwastewaterat13℃withtotalCODremovaleffieieneyof50%and70%resPeetively.Bothofthemaresueeessful.Keywodrs:Anaerobieinlowtemperature;Sewage;Granularsludge;Reaetor0前言厌氧处理造价低,占地少,能耗小,又能回收利用资源,体现了3R(Reduee,Reeyele,Reuse)的现代环保思想〔’]。而颗粒污泥的引入大大提高了厌氧反应器的有机负荷,在一些热带地区,UASB已经成功地用于城市污水处理〔2〕。但一些废水的温度较低,气候温和地区的城市污水及许多工业废水浓度较低(1O00m岁L以下),将其加热到中温要耗费很多能量。近年来,国外许多学者对低温下工业废水和城市污水的厌氧处理进行了探索,取得了一定成果。试验结果表明,低温(20℃)厌氧处理同中温(30一35℃)和高温(50一55℃)厌氧处理一样,可以在较高的负荷下取得令人满意的有机物去除效果。1废水低温厌氧处理特点低温时废水粘度变大,这使搅拌混合困难,有机物在废水中的扩散及颗粒沉降缓慢,如10℃时的扩散系数是30℃的0.57川。悬浮物和胶体状coD的降解更加困难,可能导致酸化或去除率下降,严重时会导致系统失败,使得低浓度废水更难处理,复杂废水的降解更加困难,如工业废水常含有蛋白质,不同98给水排水vo一30No.22004DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2004.02.038絮恒来源的55,月旨肪或长链脂肪酸,需要更长的HRT和更大的生物量。废水中溶解的气体量变大。如溶解氧更有利于兼性菌生长〔4],抑制厌氧菌的繁殖,对于颗粒污泥来说,兼性菌的大量繁殖导致污泥上浮,出水水质恶化;cq过多会使pH降低,有可能导致酸化;甲烷在水中的溶解量增大,使得能够利用的甲烷变少,不利于回收利用,同时也可能导致更多的气泡粘附在颗粒表面,引起污泥上浮;氢气的积累会使丙酸盐的降解受到抑制5[],导致出水V下A和COD变高;玫S,N珑的溶解量增大则会对微生物产生更大的毒性。在低温下,利用氢产甲烷菌比乙酸盐利用菌的活性低得多,这一点与高温和中温时相似。但如果加强搅拌从而加强气体的传递,也许可以增强利用氢产甲烷菌的活性6[]。同时,即使在5℃的低温下,微生物也可能具有很高的丙酸盐降解率〔7〕。总的来说,在低温下,产酸菌和产甲烷菌的活性都有不同程度的下降,导致污泥产甲烷活性降低,容积负荷降低,单位容积产气率也降低,固液混合减弱,传质受到限制。相比较而言,产甲烷菌的活性降低更快,在中温或常温下建立的平衡有可能被破坏,大量vFA积累,导致反应器的酸化,以致整个厌氧系统的破坏。由于产酸菌的大量繁殖,粘附在原有的颗粒污泥表面,引起颗粒污泥上浮〔“〕。同时,微生物的净产率(g生物量/g基质转化)随温度的降低而升高,这可能是由于微生物的内源呼吸减弱所致[”了,这对于反应器在低温下运行维持较大的生物量很有利,从而提高负荷率和去除率。在低温下运行一段时间以后,反应器中的微生物活性都成倍增长。在低温下,可溶性微生物产物(SM)P变多,占出水溶解性coD的80%以上〔`。〕。据猜测,这些物质绝大部分是胞外产物,随着温度的降低和基质浓度的降低,微生物分泌增多。它们在厌氧条件下很难降解,而在好氧条件下却可以几乎全部降解,因而要获得较高要求的水质,好氧后续处理是必不可少的。对脱氮除磷以及除硫的影响,这一方面的研究较少。但从热力学角度来看,硫化物去除更容易。低温下,化学和生化反应更慢,大多数反应需要更多的能量来维持。但氢营养产甲烷反应和产乙酸反应需要的能量少(见表1)。有报道说,低温下硫酸盐还原菌仍能保持较高的活性,相对于中温时可还原更多的eOD仁“]。有毒物质在低温下对厌氧微生物的影响比高温下小,如在15℃和35℃下加入4mmol/L的癸酸,分别对颗粒污泥的产甲烷活性有45%和51%的抑制作用[川。2低温下颗粒污泥及厌氧微生物的研究目前对低温下颗粒污泥和厌氧微生物缺乏系统深入的研究,大多数研究者只是从某个方面进行探索。hSaronMcHguh等利用独立培养技术研究了6种厌氧污泥的微生物结构「`“],其中包括在低温(10一14℃)下运行了300多天的颗粒污泥。利用165rRNA基因序列和系统重组分析发现,六种污泥中的产甲烷菌都以产甲烷鬃毛菌为代表,特别是在低序号△G/kJ(37℃)}△G/幻(10℃)+71.8+82一3598内`é8+44一29一80+52128.3一25116一45.3一29.2Q八`4内`ù89lO11表1厌氧反应的活化能随温度的变化反应CH3eHZCOO一斗3氏《}卡CH3COO一+HCO多+H十+3HZeH3eHZe以〕一+0.7550最一~eH3C《玉〕一+Heo夕+0.75Hs一+o.25H十eH3eHZeoo一+2.755沈一3Heo乡+1.75Hs一+o.25H+CH3CHZCH:eOO一+2HZO斗2eH3eOO一+H十+2践eH3eHZCHZCOO一+0.550茸一2eH3eoo一+05Hs一+o.SH+eH3eHZeHZC以)一+2.550母一~4Heo-3+2.5Hs一+o.sH+cH3C以〕一十s。写一~2Hco至+sH-CH3COO一斗HZO~CH4+HC0--34H:+OS写一+H十~Hs一+4HZO4HZ+HCO丁+H+~eH4+4HZO42H+HeO-3+H+~CH3eOO一+4ZHO一131.3140.9一1118给水排水vo一30No200499宙曲仆R`钩心伟四花尸E陇`E阴.................丫恒温下。无论哪一种污泥,或是哪一种废水或运行温度,在所有检测的污泥中都有产甲烷鬃毛菌的出现,这对于颗粒污泥形成和性能至关重要L`“],低温下也不例外。这说明在低温下颗粒污泥的运行是可行的。许多研究都试图证实厌氧污泥中的优势菌种是源于生态系统的内在特性还是由于生物反应器的运行所致。目前普遍认为,生物群种的不同源于条件的优选,如温度、运行状况〔川等。厌氧消化过程的生物复杂性,反应器设计、运行条件以及处理废水的不同导致系统中微生物种群的不同,对于微生物种群的研究不但要考虑从生物角度有利,而且对新反应器的设计和运行模式的选择有利。大部分高效厌氧反应器的运行都是以颗粒污泥为基础,因此要想在低温下实现高效运行,对低温下颗粒污泥的研究至关重要。这包括颗粒污泥中的优势营养菌,以及低温下运行对它们生长代谢的影响等。温度响应曲线显示,在3一12℃下生长的污泥的最佳活性温度仍是中温(30一40℃),但这也不能说明没有嗜冷菌。可能是由于中温厌氧菌的大量繁殖阻碍了嗜冷菌的生长和繁殖8j[。必须明确的是,即使在10℃的低温下,接种污泥的产甲烷活性仍在运行一段时间以后有了显著提高,这说明中温产甲烷菌可以在低温下很好的生长[`,〕,因此在低温下运行的反应器中不必刻意加入嗜冷菌。对厌氧颗粒污泥的一些研究发现,在低温下培养300d的污泥,在恢复到中温时,其活性甚至超过了中温污泥的活性8[]。在4℃下贮存6个月后,依然能保持良好活性,意味着利用低温下生长的颗粒污泥可以迅速实现低温厌氧反应器的启动[`“]。小颗粒污泥比大颗粒污泥的有效扩散系数更大,产甲烷活性也更大8[]。目前还没有文献报道用从生长在寒冷地区的微生物中分离出来的嗜冷菌对废水进行处理的研究,大部分的研究都是利用中温污泥在低温下运行,使其适应低温,因此,大多数研究者所用的细菌不是真正的嗜冷菌而是耐冷菌。近来,科学家从冻土地区和北极的生态系统中分离了一些嗜冷菌并加以研究。14种嗜冷产甲烷古细菌和近7组产酸菌被分离出来〔`7〕,这些微生物甚至可以在1℃的低温下生长。研究者仅研究了温度对所分离的微生物的影响,而其他特征,如这些微生物的形态、种类和产甲烷活性参数等还有待深入研究。对细胞水平以及酶的产甲烷活性的研究也有助于控制厌氧条件,从而优化大规模应用下的产甲烷过程〔`“〕。最近的研究表明,低温下,不同的驯化适应过程会产生不同的酶来实现不同的产甲烷过程。因此,可以利用基因工程增加低温活性酶的热稳定性,来催化其产甲烷过程,这对于温度在低温和中温之间浮动的地区来说尤其重要。同样,可以将低温产甲烷酶植入中温菌体内增加其低温下产甲烷活性。对于嗜冷厌氧菌的反应器设计研究的文献报道还很缺乏,有必要深入研究评价运行参数,如基质限制,负荷率,接种量(现在是50%,v/v),vFA浓度,HRT,最佳碳氮比,生长动力学和水解动力学。低温下的产甲烷研究仍处于起步阶段,该研究在工业、商业及市政领域有极大的应用潜力。3低温下厌氧微生物动力学研究的必要性及进展国外许多学者对低温下厌氧微生物动力学进行了研究,以找到合适的动力学模型及相应的温度表达式来描述和预测低温下厌氧微生物的产甲烷活性。但由于基质或被处理废水的种类不同,微生物对其适应时间(驯化时间)不同,很难找到完全匹配的模型和