厌氧反应器快速启动技术研究

摘要：介绍了目前快速启动厌氧反应器的方法及效果，为废水处理的工程实践提供借鉴。在过去的20多年，利用UASB去除废水技术的可行性和有效性已经得到充分的证实，现在全世界大约有900多座UASB单元在运行。但是，在国内大量应用高效厌氧反应器的工程实践中，仍然常常遇到许多问题，如：颗粒污泥的形成与活性保持即快速启动问题，颗粒污泥的形成机制以及优化启动措施一直是各国学者注目的课题。关于选择压作用,胞外多聚物(ECP)的粘合作用,外加微细粒子形成亚核作用以及某些无机离子在促进颗粒化的作用均已有报道。这些研究工作从不同的角度强调了生物催化反应体系中微生物种属、代谢产物或外加物质的效应。

关键词：厌氧反应器

 一、外加物质效应

1 投加无机絮凝剂或高聚物

为了保证反应器内的最佳生长条件,必要时可改变废水的成分,其方法是向进水中投加养分、维生素和促进剂等。Macarie和Guyot研究发现,在处理生物难降解有机污染物亚甲基安息香酸废水时,向废水中投加FeSO₄和生物易降解培养基后,可以有效地降低原系统的氧化还原能力,达到一个合适的亚甲基源水平,缩短ＵＡＳＢ的启动时间。

Imai研究了向接种污泥中添加吸水性聚合物(WAP)的作用。WAP主要成分为丙烯酸颗粒树脂，具有可供微生物附着的高的比表面和复杂网状结构。而且密度低(湿密度1.0g/ml)，与砂及其他物质相比提高了颗粒与微生物间的接触，明显强化了以葡萄糖或VFA为基质的实验室规模和中试规模UASB反应器的颗粒化过程。在颗粒污泥形成之后WAP被厌氧微生物慢慢降解，这造成颗粒分裂成多个小碎块，然后再次生长为成熟颗粒。逐渐地，所有颗粒被降解。根据试验提出用于强化颗粒化过程的反应器体积内WAP投加量为约750mg/L。

王林山等人向厌氧接种污泥中投加膨润土(BT)和聚丙烯酰胺(PAM),采用常温间歇式进料,在一月内获得了颗粒污泥.膨润土的特征成分是蒙脱石。聚丙烯酰胺的酰胺基与蒙脱石生成氢键,起吸附和架桥作用,从而使膨润土、污泥和细菌聚集成直径5～10mm的絮凝团，成为颗粒污泥生长核心，絮凝团丝状菌内菌体继续生长,使其成为密实的,近似为球形的颗粒污泥。

2　投加细微颗粒物

Lettinga等人研究表明粘土和其他无机颗粒似乎对颗粒污泥的形成有害。他们的实践表明:在无分散无机物质中能形成很好的颗粒污泥，颗粒挥发性固体含量很高。

另一种观点认为：有助于悬浮污泥形成颗粒的因素之一是存在微生物能附着生长的晶核或生物载体。细胞附着在这些颗粒上是颗粒化的第一步。第二步是在惰性载体上形成致密和厚实的生物膜。所以，添加惰性载体的UASB反应器中污泥颗粒化过程可解释为生物膜形成现象。

周律在反应器中投加了少量陶粒、颗粒活性炭等,启动时间明显缩短,这部分细颗粒物的体积约占反应器有效容积的2%～3%。用石化厂含有机氯化物的废水进行对比实验表明,在其它条件相同时,投加粒径小于0.4ｍｍ的颗粒活性炭后,启动时间几乎缩短了一半。启动阶段投加的细颗粒物似乎仅起着初期颗粒污泥晶核的作用,这是利用颗粒物的表面性质,在短期内加快那些易于形成颗粒污泥的细菌在细颗粒物表面的富集。另外,初期投加细颗粒物后,系统的稳定性和最大有机负荷都有明显的提高。实验中还发现,以前启动ＵＡＳＢ反应器时要求严格的水力负荷和有机负荷控制,在投加细颗粒物后这些控制措施显得并不重要了。

Huishoff Pol说明了惰性载体颗粒在颗粒化过程中的重要性。当从接种生活污水污泥中去除惰性颗粒(尺寸为40-100μm)，在不去除惰性颗粒的分散污泥颗粒化所需的时间内没有观察到颗粒化。同一学者观察到添加水-无烟煤颗粒(尺寸为0.25-0.42mm)显著减少中温条件下颗粒化所需时间。Yoda等报道当添加100μm粉末沸石作为载体比无沸石时颗粒污泥形成得快。

Fukuzaki等 发现添加聚亚安酯泡沫提高了甲烷菌群的停留。所以处理富含丙酸污水UASB反应器在短的启动时间获得高的甲烷发酵效率。

但是，在高温颗粒化中在接种消化污泥中添加或不添加砂(50-10μm)没有差别，尽管形成的颗粒包括砂颗粒这能归因于一些惰性颗粒相对于微生物比重较大，如砂粒。更多的微生物可能在反应器上部积累，而砂粒趋向于在反应器底部积累。所以有利于微生物附着生长的颗粒与微生物之间的接触机会显著减少，导致颗粒化过程不显著.

Verrier等证明在厌氧消化池中添加细菌生长的载体能提高甲烷产量。Munoz等也表明载体如海泡石和辉绿岩在中试规模厌氧消化池中提高甲烷产量。Ross报道粉末活性炭的存在提高了处理玉米加工废水污泥的可沉降性。

Morgan等和Yu等观察到活性炭能强化颗粒化过程，颗粒活性炭的添加提高了生物吸附从而刺激颗粒污泥的形成和其吸附污染物以固定状态降解的能力。Yu等研究了在UASB反应器启动期间粉末活性炭(PAC)和颗粒活性炭(GAC)对于污泥颗粒化的作用。结果表明PAC或GAC的添加能明显强化污泥颗粒化过程并加速工艺启动。污泥颗粒化定义为当10%颗粒大于2.0mm，在不添加惰性物质时约需95天，添加PAC和GAC反应器中分别减少25和35天。此外，通过试验PAC或GAC的添加使得微生物浓度更高，更早观察到肉眼可见颗粒，提高单位容积COD去除能力。而且，添加GAC对于UASB反应器启动的有益作用略高于PAC。通过添加PAC或GAC强化的颗粒化过程归因于丝状菌在活性炭表面更好的附着。       

但是，此研究未详细研究PAC或GAC的性质。PAC和GAC性质差异可能是添加PAC和GAC反应器间微小差异的原因。

下表列出了添加不同惰性载体对污泥颗粒化的影响

由此可见，惰性材料确实能加快UASB的启动。尽管这些载体仅为惰性材料，在基质降解中不起重要作用，但是也应非常仔细地挑选载体，并应具有以下性质：

a比表面积高b比重接近厌氧污泥c好的憎水性d球形形状

投加过量的惰性颗粒会在水力冲刷和沼气搅拌下相互撞击、摩擦,造成强烈的剪切作用,阻碍初成体的聚集和粘结,对于颗粒污泥的成长有害无益。

另一方面，污水中高浓度絮凝性差的悬浮物质对于颗粒污泥的形成是有害的。并且高浓度分散惰性固体对于颗粒化过程也是不利的，因为在这些情况下，对于细菌用于生长的表面积太大，聚集生长受到限制。颗粒化完全取决于细菌生长，所以生长减慢导致颗粒化过程减缓。在高组分细小分散悬浮固体的污水中，细菌附着在分散颗粒上会导致活的细菌的流失。

二、选择压理论

该理论认为UASB反应器颗粒化过程的本质是反应器中存在污泥颗粒的连续选择过程。Hulshoff Pol等人的研究认为：在高选择压条件下，轻的和分散的污泥被洗出而较重的组分保持在反应器中。从而使细小分散的污泥生长最小化，细菌生长主要局限在有限数量由惰性有机和无机载体物质或种泥中存在的小的细菌聚集体组成的生长核心。这些生长核心的粒径增加直至达到颗粒污泥和生物膜部分产生脱落的特定最大尺寸，形成新生长核，如此反复。颗粒化初级阶段出现的丝状颗粒随着时间的增长变得更致密。

低选择压条件下，主要是分散微生物的生长，这产生膨胀型污泥。当这些微生物不附着在固体支撑颗粒上生长时，形成沉降性能很差的松散丝状缠绕结构。而且，气泡附着在这些松散缠绕的丝状菌上时，污泥甚至有上浮的趋势。

在生物反应器中，因气体流动或者液体流动和颗粒间碰撞引起的脱膜力是影响厌氧颗粒污泥的形成、生物结构及其稳定性的关键因素。在一个生物膜系统中，高的水力剪切力能够产生比较结实的生物膜，而剪切力比较弱的时候，生物膜容易成为一个异质多孔和比较脆弱的生物膜。另一方面，有证据表明，在好氧和厌氧颗粒污泥形成的过程中需要有一定的水力剪切力。当剪切力比较弱的时候，很少观察到污泥颗粒化现象。这些也表明了水力剪切力在生物附着和自固定化过程中的重要性。但是，水力剪切力对颗粒污泥的形成、结构和代谢机理的影响还不十分清楚。

从上面的讨论显示，UASB反应器中的上升流速对污泥颗粒化过程具有显著的影响。因此，研究者在通过控制UASB反应器中的水力剪切力来加速污泥颗粒化进程的研究方面付出了许多努力。

Alphenaar等人发现UASB反应器中高的液体上升流速和短的水力停留时间(HRT)两者结合有利于污泥颗粒化过程。Noyola和Moreno进行了一系列实验来研究UASB反应器中液体上升流速对厌氧颗粒污泥形成的影响。实验结果表明通过水剪切力作用使絮状厌氧污泥能够通过在非常短的时间里(不到8小时)而被转化为活性相对比较好的厌氧颗粒污泥。

这些厌氧颗粒污泥的SVI和污泥沉淀速度显著改善，并且颗粒污泥的沉降性的增加将导致流失污泥从46%减少到2%。清华大学的实践表明将水力负荷提高到0.6m³/（m²·h），可以冲走大部分的絮状污泥，使密度较大的颗粒状污泥积累在反应器的底部，形成颗粒污泥层，这部分污泥层可首先获得充足的营养而较快地增长。因此，通过提高UASB反应器中液体上升流速，将水剪切力作用于絮状厌氧污泥上，使得厌氧颗粒污泥的形成速度得到显著增强。但是，提高水力负荷不能过快，否则大量絮状污泥的过早淘汰会导致污泥负荷过高，影响反应器的稳定运行。