IC反应器内两种颗粒污泥培养的对比试验

2015-08-08张彦范振山张杰杨世关

湖北农业科学 2015年13期

张彦范振山张杰杨世关

摘要：以蚓粪作为添加剂，对IC反应器进行启动并培养厌氧颗粒污泥，与未添加蚓粪的试验进行对比分析。结果表明，添加蚓粪在IC反应器启动初期有助于反应器负荷的提高；添加蚓粪后培养出的厌氧颗粒污泥直径大部分为1～4 mm，粒径1～2 mm的污泥质量占比最大，粒径在3～5 mm的颗粒污泥比未添加蚓粪时少8%；以蚓粪为添加剂形成的厌氧颗粒污泥沉降性能良好。

关键词：IC反应器；蚓粪；添加剂；厌氧颗粒污泥培养；对比

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）13-3128-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.014

Comparative Experiment of Two Kinds of Granular Sludge Cultivation in IC Reactor

ZHANG Yan1a，FAN Zhen-shan1b，ZHANG Jie2，YANG Shi-guan3

（1a. Department of Mechanical Engineering； 1b. Department of Automotive Engineering， Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450121， China； 2.Henan Provincial Audit Department， Zhengzhou 450003， China； 3.National Engineering Laboratory of Biomass Power Generation Equipment/School of the Renewable Energy， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： Comparative experiment of two kinds of anaerobic granular sludge cultivation in IC reactor was studied. The results showed that the addition of vermicompost in IC reactor start-up stage contributed to improving load of the reactor. After the addition of vermicompost，most of the granular sludge diameter was 1～4 mm，1～2 mm granular sludge accounted for the most proportion， at the same time 3～5 mm granular sludge decreased by 8%.The anaerobic granular sludge with vermicompost as additive had good settling performance.

Key words： IC reactor； vermicompost； additive； anaerobic granular sludge cultivation； comparison

厌氧生物处理技术具有双重功能，既能降解废弃物，同时又可以制取能源，但厌氧微生物生长条件苛刻、繁殖缓慢，废水厌氧生物处理技术的关键是厌氧颗粒污泥的形成富集[1-3]。投放添加剂是一种使污泥活性提高，促进污泥颗粒化的有效措施。蚓粪作为一种内部具有有益于厌氧细菌、有益微生物生存的多孔结构，有助于稳定pH、增加厌氧发酵产气量的黑色均一细碎物质，有良好的吸收及保持营养物质的能力，具有良好的排水性、通气性，持水量高，不易水中松散[4-7]。本研究在IC反应器内以蚓粪作添加剂，与不添加蚓粪相对比，研究其对IC反应器启动及厌氧污泥颗粒化的影响，对比分析培养出的颗粒污泥特性。

1 材料与方法

1.1 材料

蚓粪：蚯蚓粪为赤子爱胜蚯蚓处理牛粪后所产粪便，自然干燥后用孔径为3 mm的筛网筛除大颗粒和其他杂质。

接种污泥：郑州种猪场废水一级沉淀池的深灰褐色絮状污泥，TVS（总挥发性固体）/TSS（总悬浮物固体）为49.17%，IC反应器内的污泥接种量为反应器容积的15%。

试验废水：试验中用到了加入葡萄糖、营养元素、微量元素等的人工废水和郑州种猪场猪粪经稀释、过滤等方法调节其COD（化学需氧量）浓度而成的猪粪废水，其成分分别见表1、表2。

1.2 试验设备

试验所用IC反应器试验系统示意图见图1，包括IC反应器与气体流量计、辅助热源、储气装置、储水槽、水泵等辅助设备[8，9]。

IC反应器制作材料为有机玻璃，由气液分离器、污泥回流管、气体提升管、三相分离器、布水器、精细处理区、污泥床反应区等组成，有效容积88 L，直径25 cm，高度217 cm。

1.3 测定项目与方法

COD：采用重铬酸钾滴定法[10]，用JH-12型COD恒温加热器定期测定。

颗粒污泥粒径分布：湿式筛分析法[11-13]。

颗粒污泥沉降速度：v=H/t，其中H为1 000 mL量筒注满清水的高度，t为单个颗粒污泥从筒口沉降到量筒底的时间，秒表测量。用10～20个某粒径范围任取的颗粒污泥平均值作为该粒径的沉降速度。

1.4 试验设计

试验在中温条件下进行，反应器的运行温度控制在35±1 ℃；为使菌种恢复活性并迅速生长繁殖，在IC反应器内驯化接种污泥30 d以上。驯化时，进水流量25～30 L/d，COD浓度为1 500～2 000 mg/L。

1.4.1 未加蚓粪猪粪废水污泥驯化先以人工废水驯化，再逐步增大猪粪废水比例，直至完全替代人工废水，当出水COD小于1 000 mg/L时，认为完成污泥驯化。

1.4.2 添加蚓粪人工废水污泥驯化在IC反应器内添加2.5 kg蚓粪，添加水平为反应器内废水质量的3.5%，进满废水后静置48 h，以便其中有益菌适应IC反应器微生物环境。

1.4.3 对比试验依次在2 000、4 000、6 000 mg/L进水COD浓度条件下对未加蚓粪猪粪废水污泥培养试验与添加蚓粪人工废水污泥培养试验进行对比，根据反应器运行中污泥承受能力，逐渐增加进水有机负荷与进水流量。

2 结果与分析

2.1 IC反应器COD浓度与进水流量随时间变化的对比

两种试验过程中IC反应器进出水COD浓度与进水流量在试验过程中随时间变化情况如图2所示。由图2可以看出，两种试验过程中，在开始启动阶段，为了给反应器一个相对稳定的适应期，反应器保持基本相同的运行参数，进水流量与COD浓度维持在较低水平。由图2b可知，最初2 d添加蚓粪试验出水COD较高，但随着反应进行，这种现象第三天后消失，说明添加蚓粪对废水COD有一定的贡献，但随着运行时间增加而不再明显。随后反应器的进水水力负荷和有机负荷逐渐提高，反应器内均有污泥洗出情况。运行结束时，添加蚓粪试验在COD为2 000、4 000、6 000 mg/L阶段的时长分别12、12、17 d，而未加蚓粪时长分别为15、17、22 d。启动结束时，反应器有机负荷相当约为10.3 kg COD/（m3·d）。对比可知添加蚓粪后反应器在启动初期承受负荷变化能力较强，且随着运行时间的不断延长，添加蚓粪后IC启动比未加蚓粪表现出了耐受更高水力负荷和有机负荷的能力。

2.2 污泥外观观察对比

反应器启动结束后分别对污泥床区污泥淘洗并观察。结果显示，两种试验情况下形成的颗粒污泥均表面光滑、边界清晰；未加蚓粪形成的颗粒污泥形状以圆形或扁圆形为主；添加蚓粪后形成的颗粒污泥形状多为椭圆和不规则形，不规则形的黑色污泥颗粒较多，且颜色较浅，不易散开，研磨可发现部分污泥颗粒中心存在蚓粪颗粒残留物，此颗粒污泥多是以蚓粪消化后的骨架为载体形成的。

在反应器内添加蚓粪后，蚓粪与废水、厌氧微生物相互作用，为反应器内厌氧发酵微生物提供微量元素、营养成分，使内部的微生物有充足的营养供应并改变了微生物生存环境；同时厌氧微生物附着于蚓粪粗糙表面降解蚓粪有机质并生长。因此能良好保持自身形态的蚓粪骨架，可作为微生物固定化、颗粒化的良好载体。

2.3 颗粒污泥粒径分布对比

IC反应器两种试验运行结束后，分别取其底部污泥进行测定，结果见图3。由图3可以看出，两种试验情况下的污泥粒径大部分为1～4 mm，添加蚓粪后形成的污泥中粒径为1～2 mm的污泥质量占比最大，为31.1%，粒径在3～5 mm的颗粒污泥比未添加蚓粪的少8%。未加蚓粪试验污泥颗粒粒径相对较大，粒径为2～3 mm的污泥质量占比最大，为28.5%；试验中大于5 mm的相差不大。造成这种结果的原因部分是蚓粪中含有较多的小微粒。另外，添加蚓粪中粒径超过5 mm的颗粒污泥多呈不规则形状，部分原因可能是蚓粪颗粒形状不规则和大小不均衡。

2.4 污泥沉降速度对比

与未加蚓粪相比，添加蚓粪的颗粒污泥粒径大于1 mm的污泥沉降速度为38～51 mm/s，有很大提高，沉降性能更好（图4）。这应归因于经过厌氧消化的蚓粪颗粒形成的无机核比重较大。受蚯蚓肥料中无机质细粒、颗粒骨架影响，污泥中无机质含量增加，2～4 mm粒径沉降速度增大。粒径大于5 mm的污泥结构松散、易破碎、内部营养易供应不足，污泥体积较大，沉降速度有所下降。

3 结论

蚓粪在IC反应器启动和培养颗粒污泥时作为添加剂，有利于厌氧反应器的启动和反应器负荷的提高。能良好保持自身形态的残余蚓粪骨架，可作为对微生物颗粒化、固定化起很大作用的良好载体，以蚓粪为添加剂形成的厌氧颗粒污泥沉降性能良好。

参考文献：

[1] 贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工业出版社，1998.

[2] 张彦.蚓粪促进厌氧发酵效果的试验研究[D].郑州：河南农业大学，2006.

[3] 王彦青，廉振民.蚯蚓与重金属污染治理及蚓粪应用的研究进展[J].陕西师范大学学报（自然科学版），2003，31（增刊）：59-63.

[4] 范振山，张彦，杨世关，等.蚓粪对厌氧发酵主要性能参数的影响[J].湖北农业科学，2013，52（13）：3038-3040.

[5] 张彦，范振山，杨世关，等.蚯蚓粪对厌氧污泥颗粒化的影响[J].湖北农业科学，2014，53（13）：3032-3025.

[6] 陈宝书，陈本建，张惠霞，等.蚯蚓粪营养成分的研究[J].四川草原，1998（3）：22-24.

[7] 曾正清.蚯蚓和乳酸菌（L4）对猪粪尿臭气浓度和免疫机能的影响及其机理研究[D].北京：中国农业大学，2003.

[8] 张杰.IC反应器处理猪粪废水条件下厌氧污泥颗粒化研究[D].郑州：河南农业大学，2004.

[9] 杨世关.内循环（IC）厌氧反应器实验研究[D].郑州：河南农业大学，2002.