郭曉磊， 胡勇有
(華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，廣東廣州 510640)

　　摘　 要：向低濃度生活污水中投加絮凝劑(殼聚糖)和顆?；钚蕴?GAC)的試驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種物質(zhì)對(duì)厭氧污泥的顆粒化均有促進(jìn)作用，但不如在中、高濃度污水中明顯。二者相比，GAC的效果更好一些(反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定，耐沖擊能力強(qiáng)，出水水質(zhì)良好)，各反應(yīng)器中形成的顆粒污泥均以產(chǎn)甲烷絲狀菌為主。?
　　關(guān)鍵詞：低濃度生活污水；厭氧污泥；顆?；?；殼聚糖；GA C?
　　中圖分類號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)04-0019-04

Study on the Promotion of Anaerobic Sludge Granulation in Low Strength Domestic Wastewater
GUO Xiao?lei, HU Yong?you?
(Dept of Environmental Science and Engineering,South China University of T echnology,Guangzhou 510640,China)

　　Abstract：Study was made by adding flocculent (Chitosan) and granular activated carbon (GAC) into the low strength domestic wastewater.The results show that both chitosan and GAC can promote the granulation of anaerobic sludge,but their effect in low strength wastewater is not as obvious as that in the medium and high strength wastewater.As compared with chitosan, GAC has better effect (steady operation of reactor,strong shock resistance, good effluent quality).The methanogenic filamen tous bacteria predominate on the surface of granular sludge produced in all reac tors.?
　　Keywords: n; chitosan; GAC

1 試驗(yàn)儀器與方法

　　使用3個(gè)相同的UASB反應(yīng)器做平行試驗(yàn)，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。?
　　采用人工合成污水(以無(wú)水葡萄糖作為碳源、氯化銨為氮源、磷酸二氫鉀為磷源、酵母浸膏為微生物的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充，并添加鎳、錳、鋅、銅等微量元素，其中微量元素配置成原液，濃度為人工配水中含量的1000倍)，其組成見文獻(xiàn)［1］，其中COD為168 mg/L，BOD為118mg/L。

　　COD、BOD、SS、SVI的測(cè)定采用標(biāo)準(zhǔn)方法［2］，對(duì)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)總量采用滴定法測(cè)定［3］，顆粒污泥粒徑分布采用濕篩法測(cè)定［1］，對(duì)揮發(fā)性脂肪酸組分采用氣相色譜法測(cè)定［1］，顆粒污泥的微生物觀察根據(jù)文獻(xiàn)［1］進(jìn)行。?

2 　結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器的啟動(dòng)
　　取厭氧污泥進(jìn)行接種，其SVI值為42 mL/g，SS為23.47 g/L，比甲烷活性(SMA)為0.043kgCOD/(kgVSS·d)。在3組平行試驗(yàn)中，第一組僅加入?yún)捬跷勰嘧鳛榉N泥(稱為對(duì)照組)，第二組加入殼聚糖10.62 mg/gVSS(稱為殼聚糖組)，每星期投加一次^［1］，第 三組把100 mL用56目篩網(wǎng)篩選粒徑＜0.3 mm的顆?；钚蕴?稱為GAC組)經(jīng)過活化后加入反應(yīng) 器。3組反應(yīng)器的厭氧污泥接種量均為2.5 L，污泥濃度為4.33 gVSS/L。?
　　采用逐步加大水力負(fù)荷的辦法提高有機(jī)負(fù)荷，啟動(dòng)初期的水力停留時(shí)間(HRT)分別是：對(duì)照組為10.22 h，殼聚糖組為10.1 h，GAC組為9.81 h；容積負(fù)荷分別是：對(duì)照組為0.394 kgCOD/(m³·d)，殼聚糖組為0.399 kgCOD/(m³·d)，GAC組為0.411 kgCOD/(m³·d )。啟動(dòng)氣溫為18 ℃，水溫為14.9℃。當(dāng)COD去除率較為穩(wěn)定時(shí)即可加大水力負(fù)荷，最終達(dá)到對(duì)照組的停留時(shí)間為5.33 h，殼聚糖為4.75h，GAC組為5.16 h；對(duì)照組的容 積負(fù) 荷為0.757kgCOD/(m³·d)，殼聚糖組為0.848 kgCOD/(m³·d)，GAC組為0.781kgCOD/(m³·d)。?
2?2 對(duì)COD的去除
　　運(yùn)行初期加入接種污泥后，3組反應(yīng)器均出現(xiàn)了輕微的污泥上浮現(xiàn)象，這是污泥活性太低、短時(shí)不能適應(yīng)的緣故。反應(yīng)器從啟動(dòng)到運(yùn)行跨越了冬、春兩季，溫度變化較大。?
　　在運(yùn)行過程中，3組反應(yīng)器對(duì)COD的去除率不同。運(yùn)行初期殼聚糖組COD去除率最高，4d就已達(dá)到36.67%，同期的對(duì)照組和GAC組分別為24.39%和28.28%。在前期的運(yùn)行中，殼聚糖組的去除率一直高過GAC組，但反應(yīng)器的穩(wěn)定性較差，去除率波動(dòng)較大；GAC組的前期去除率低于殼聚糖組但高于對(duì)照組，系統(tǒng)較為穩(wěn)定，到后期GAC組的去除率逐漸超過殼聚糖組，到79 d時(shí)GAC組的出水COD為56.63 mg/L，去除率達(dá)到66.3%，容積產(chǎn)氣率為0.1 05m³/(m³·d)；殼聚糖組出水COD為67.79 mg/L，去除率為59.65%，容積產(chǎn)氣率為0.098m³/(m³·d)，均略優(yōu)于對(duì)照組［COD濃度為71.88 mg/L，去除率為57.21%，容積產(chǎn)氣率為0.087m³/(m³·d)］。GAC組系統(tǒng)穩(wěn)定是因?yàn)轭w?；钚蕴?本身是一種吸附劑，能對(duì)各種沖擊負(fù)荷起緩沖作用。
2?3 沖擊負(fù)荷對(duì)反應(yīng)器的影響
　　 啟動(dòng)后期先后利用pH值和容積負(fù)荷的驟然改變進(jìn)行了不同程度的沖擊試驗(yàn)(結(jié)果見圖2～4)。 ?

　　圖2～4中A、C、D點(diǎn)分別為不同的負(fù)荷改變對(duì)反應(yīng)器的沖擊反映。A點(diǎn)代表短時(shí)間進(jìn)水濃度的提高(COD為312 mg/L)，對(duì)照組容積負(fù)荷為1.406 kgCOD/(m³·d)，殼聚糖組為1.57 5 kgCOD/(m³·d)，GAC組為1.139 kgCOD/(m³·d)，持續(xù)了8h?？梢钥闯?，短時(shí)間的濃度負(fù)荷沖擊對(duì)GAC組幾乎沒有影響，僅僅是出水中的VFA和SS濃度有所升高，對(duì)照組和殼聚糖組的COD去除率下降幅度很小，到第2天這兩組就恢復(fù)正常了。?
　　C點(diǎn)表示停留時(shí)間的改變對(duì)反應(yīng)器的影響，持續(xù)時(shí)間為6 d，各時(shí)段的停留時(shí)間見表1。

表1 停留時(shí)間變化　 h? 時(shí)間段 對(duì)照組 殼聚糖組 GAC組 8：30—18：30 3.86 4.24 4.06 18：30—8：30 5.92 6.07 5.85

　　在停留時(shí)間持續(xù)變動(dòng)的過程中各反應(yīng)器的處理效果均有所下降，GAC組下降幅度較小，其他兩組下降幅度較大，當(dāng)停留時(shí)間恢復(fù)到原來(lái)的水平后，各反應(yīng)器的處理效率隨之正常。?
　　D點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間的濃度沖擊，進(jìn)水COD為326 mg/L，對(duì)照組容積負(fù)荷為1.469 kgCOD/(m³ ·d)，殼聚糖組為1.646kgCOD/(m^3·d)，GAC組為1.516 kgCOD/(m³·d)，持續(xù)時(shí)間為1 0 d。由于進(jìn)水濃度和容積負(fù)荷的提高，反應(yīng)器中的產(chǎn)氣量大大增加，出水中的SS也急劇上升，穩(wěn)定一段后的出水SS才逐步下降，但出水中的VFA含量升高。3組反應(yīng)器的處理效率都有所下降，GAC組 在4 d后處理效率上升到原來(lái)的水平，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)處理效率升高到72.88%；殼聚糖組下降 得較多，7 d后達(dá)到原來(lái)的水平(63.87%)；對(duì)照組與殼聚糖組的情況相似，在第6天恢復(fù)到原來(lái)的處理效率(63%)。
　　B點(diǎn)代表反應(yīng)器受到進(jìn)水pH值的沖擊，試驗(yàn)中將反應(yīng)器進(jìn)水的pH值調(diào)至6.0左右，進(jìn)水約8 h后恢復(fù)原來(lái)的進(jìn)水pH值。發(fā)現(xiàn)pH值對(duì)反應(yīng)器的運(yùn)行影響較大，GAC組的COD去除率由66.2 5%降到49.82%，對(duì)照組降至38.04%，殼聚糖組由原來(lái)的60.06%降到40%，而且容積產(chǎn)氣 率也急劇降低［GAC組從0.118m³/(m³·d)降至0.057m³/(m³·d)，對(duì)照組由0.096m³/(m³·d)降至0.031m³/(m³·d)，殼聚糖組由0.103m³/(m³·d)降 至0.042m³/(m³·d)］。pH值恢復(fù)后的第2天，GAC組的COD去除率立即恢復(fù)到原有水平，而其余兩組在2d后才恢復(fù)正常。?
　　從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3組反應(yīng)器對(duì)沖擊負(fù)荷都有一定的緩沖能力，短時(shí)的濃度負(fù)荷增 加和進(jìn)水pH值下降的沖擊均不會(huì)對(duì)反應(yīng)器造成大的危害，而長(zhǎng)期的停留時(shí)間的變化會(huì)造成反 應(yīng)器效率的降低，但不會(huì)對(duì)反應(yīng)器本體構(gòu)成危害。長(zhǎng)期的濃度負(fù)荷沖擊開始時(shí)會(huì)造成反應(yīng)器 效率的降低，這是由于負(fù)荷的突然升高導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌增殖速率滯后于產(chǎn)酸菌增殖速率，造成了有機(jī)酸的積累，使代謝產(chǎn)物增多，反過來(lái)抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，使有機(jī)物的分解速率下 降所致，而短時(shí)的濃度沖擊不會(huì)造成有機(jī)酸的積累，當(dāng)反應(yīng)器適應(yīng)了濃度沖擊后，產(chǎn)甲烷菌的活性恢復(fù)，處理效率也逐步上升。3組反應(yīng)器中，以GAC組耐沖擊負(fù)荷能力最強(qiáng)。?
2?4 顆粒污泥粒徑的變化
　　試驗(yàn)考察了接種污泥、各反應(yīng)器中不同階段污泥的粒徑分布。接種污泥中有93.6%的污泥粒徑＜0.22 mm，3組反應(yīng)器在運(yùn)行過程中厭氧污泥不斷地轉(zhuǎn)化為顆粒污泥，運(yùn)行初期殼聚 糖 組的顆粒化進(jìn)程較快，到第30天已有27.6%的污泥粒徑＞0.22 mm，到第100天時(shí)粒徑＞0.22 mm的污泥比例已達(dá)到44.4%；對(duì)照組的顆?；潭容^慢，運(yùn)行30d后粒徑＞0.22 mm的污泥比 例為19.4%，100 d后上升為38.9%；GAC組的顆?；M(jìn)程初期不如殼聚糖組，第30天時(shí)粒徑＞0.22 mm的污泥比例為25.3%，100 d后高達(dá)47.2%。
　　從試驗(yàn)可以看出，投加殼聚糖和顆?；钚蕴慷寄茉谝欢ǔ潭壬霞涌祛w?；倪M(jìn)程、縮短顆粒化的時(shí)間，但兩者的顆?；M(jìn)程不同，這與其各自的促進(jìn)顆粒化的機(jī)理有關(guān)。一般認(rèn)為細(xì)菌的粘連是顆?；^程的開始階段，因殼聚糖帶有正電荷能中和細(xì)菌表面的負(fù)電荷，從而降低了細(xì)菌之間的靜電排斥力，克服了細(xì)菌粘連時(shí)的能壘，使細(xì)菌形成最初的污泥核心，加速了顆粒化的進(jìn)程。同時(shí)，因殼聚糖是天然聚合物，能加強(qiáng)微生物聚集體內(nèi)代謝產(chǎn)物(如乙酸、H₂)的傳遞，從而減少了對(duì)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌的抑制，促進(jìn)了顆粒污泥的生長(zhǎng)^{［4、5 ］}。?
　　顆?；钚蕴恳话愣歼M(jìn)行過化學(xué)處理，其表面具有各類含氧官能團(tuán)(主要以—CHO、—OH、—COOH、—C=O等4種形式存在)這些官能團(tuán)在酸性條件下會(huì)成為帶電中心，使活性炭的表面有正電荷區(qū)域存在。盡管反應(yīng)器的進(jìn)水pH值控制在中性條件下，但在反應(yīng)器內(nèi)部由于水解酸化菌的存在，產(chǎn)生了有機(jī)脂肪酸，使反應(yīng)器內(nèi)部的活性炭表面帶正電荷，在靜電引力的作用下細(xì)菌粘連 在活性炭表面或因活性炭正電荷的中和作用而互相粘連，活性炭在這里所起到的是凝結(jié)核的作用，而且活性炭在自己的周圍會(huì)形成一個(gè)基質(zhì)濃縮圈以吸引更多的厭氧微生物，增加細(xì)菌相互碰撞粘連的機(jī)會(huì)。當(dāng)細(xì)菌包裹在活性炭表面形成微生物聚集體一段時(shí)間后，由于各種原因造成其表面強(qiáng)度下降，在水力沖擊下會(huì)破碎形成小的聚集體，成為顆粒污泥新的內(nèi)核，這就是造成殼聚糖組初期的顆?；俣瓤臁㈩w?；钚蕴拷M后期顆?；M(jìn)程快的原因。?
2.5?COD的平衡
　　各反應(yīng)器在不同時(shí)間的COD量平衡見表2。?

表2 ?COD的平衡 組別 時(shí)間 甲烷 微生物 其他 VFA COD(mg/L) 比例(%) COD(mg/L) 比例(%) COD(mg/L) 比例(%) COD(mg/L) 比例(%) 殼聚糖 第16天 15.74 9 43.06 26 90 54 19.2 11 第79天 55.29 33 44.92 27 54.59 32 13.2 8 對(duì)照組 第16天 13.44 8 37.78 23 97.78 58 18 11 第79天 50.37 30 45.75 27 56.88 34 15 9 GAC 第16天 15.15 9 42.25 25 92 55 18.6 11 第79天 64.37 39 47 28 45.83 27 10.8 6

　　在試驗(yàn)的開始階段厭氧污泥的活性較低，反應(yīng)器中沒有形成顆粒污泥，甲烷菌的轉(zhuǎn)化能力低，基質(zhì)大部分用于維持微生物的生長(zhǎng)需要，殼聚糖組用于微生物生長(zhǎng)的比例最高(為26%)，有65%的COD隨出水流出反應(yīng)器，其中有占COD總量11%的VFA存在，這三者的比例在 GAC組分別為25%、66%和11%，而對(duì)照組為23%、69%和11%，因此在這一階段殼聚糖組的顆粒化進(jìn)程最快。到試驗(yàn)后期污泥的活性增強(qiáng)，甲烷菌的轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，以甲烷形式去除的COD比例增加(GAC組為39%，殼聚糖組為33%，對(duì)照組只有30%)，GAC組用于自身生長(zhǎng)的COD比例為28%，是3組中最高的，其他兩組的情況相近(均為27%)，隨出水流失的COD和VFA的比例在GAC組為33%和6%，殼聚糖組為40%和8%，對(duì)照組為43%和9%。?
　　從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，運(yùn)行初期殼聚糖組中的污泥活性較高，顆?；M(jìn)程較快，而后期GA C組中污泥的活性最高。應(yīng)該指出的是，雖然到運(yùn)行后期3組反應(yīng)器中有27%～28%的COD用于微生物的生長(zhǎng)，但其總體數(shù)量還是很低的，這在一定程度上制約了反應(yīng)器污泥顆?；倪^程；在殼聚糖和GAC促進(jìn)微生物聚集體的成長(zhǎng)后，微生物聚集體通過吸收基質(zhì)得到營(yíng)養(yǎng)成分，從而由小變大最終形成顆粒污泥，該階段的快慢與得到的營(yíng)養(yǎng)有很大關(guān)系，這就是殼聚糖和顆粒活性炭的促進(jìn)作用不如在高濃度下明顯的原因。?
2.6 厭氧顆粒污泥的電鏡觀察
　　試驗(yàn)后期對(duì)3組反應(yīng)器中形成的顆粒污泥進(jìn)行了掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥在外形上沒有大的區(qū)別，呈黑灰色，形狀各異(多數(shù)呈橢圓形)，放置在空氣中顆粒污泥逐漸變成灰白色，最后污泥解體。污泥表面以產(chǎn)甲烷絲狀菌為主，它們以各種方式纏繞在污泥表面，偶爾可見到一些桿狀菌、球狀菌。在殼聚糖組的污泥表面存在一些未知的菌落；GAC組形成的顆粒污泥中包裹有少數(shù)細(xì)小顆?；钚蕴俊?

3 　結(jié)論

　?、? 投加殼聚糖和顆粒活性炭均對(duì)厭氧污泥的顆?；^程有促進(jìn)作用，在運(yùn)行初期 殼聚糖的效果明顯一些，但反應(yīng)器的運(yùn)行不穩(wěn)定；后期顆?；钚蕴康男Ч用黠@，而且反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定、出水水質(zhì)良好，為各階段顆粒污泥粒徑分布的分析提供了證明。
　　② 殼聚糖和顆?；钚蕴康念w?；龠M(jìn)作用不如在中、高濃度下明顯，在低濃度下污泥的顆粒化進(jìn)程受到低基質(zhì)的限制。
　?、? 3組反應(yīng)器形成的污泥沒有大的差別，均以甲烷絲狀菌為主，GAC組中取出的顆粒污泥內(nèi)包裹有細(xì)小的顆?；钚蕴?。

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　　作者簡(jiǎn)介：郭曉磊(1971- )，男，江西新余人，碩士，主要從事廢水處理工程技術(shù)研究。
　　電　　話：（020)87505659?
　　E-mail:ppyyhu@scut.edu.cn
　　收稿日期：2001-11-04