PVA厌氧颗粒污泥快速培养研究

李 婷， 刘永红， 王利娜， 蔡会勇， 刘 磊

(西安工程大学 环境与化学工程学院， 西安 710048)



PVA厌氧颗粒污泥快速培养研究

李 婷， 刘永红， 王利娜， 蔡会勇， 刘 磊

(西安工程大学 环境与化学工程学院， 西安 710048)

文章以粒径为5 mm的聚乙烯醇(PVA)凝胶颗粒为生物载体，研究其对厌氧污泥颗粒化进程及反应器运行效果的影响。在PVA颗粒污泥初成体形成的情况下，UASB反应器连续运行74 d。试验结果表明：经过32 d的培养，得到沉降性能优良的PVA颗粒污泥，反应器COD去除率高达97%，容积负荷由1.05 kgCOD·m-3d-1提升至13.33 kgCOD·m-3d-1，水力停留时间由35 h缩短至8 h；运行结束时，COD去除率稳定在90%左右，容积负荷达到13.54 kgCOD·m-3d-1。通过扫描电镜观察到成熟PVA颗粒污泥外表面丝状菌上交联生长着杆菌、球菌，内部主要附着丝状菌。

PVA凝胶颗粒；生物载体；厌氧反应器；颗粒化

高品质厌氧颗粒污泥的形成与长期稳定保持是高效厌氧反应器快速启动和高负荷稳定运行的关键[1]，而颗粒污泥的自固定化过程受诸多因素共同制约，自固定化现象的研究一直是废水生物处理领域的一个研究热点。为解决颗粒污泥快速培养这一难题，近年来国内外研究者开展了大量生物载体促进污泥颗粒化进程的研究[2-5]。

由于PVA(聚乙烯醇)凝胶颗粒与厌氧颗粒污泥具有相似的物理性质，满足生物载体促进厌氧污泥颗粒化进程所需具备的特征，即高的比表面积、与厌氧颗粒污泥接近的比重及球形外形[6]，近几年作为一种新型生物载体开始应用于颗粒污泥的快速培养研究中[7-9]。而针对不同类型的废水，不同粒径的PVA凝胶颗粒对污泥颗粒化进程及反应器运行效果的影响均有所差异。

因此，本文将以粒径为5 mm的PVA凝胶颗粒为载体，采用葡萄糖模拟废水培养PVA厌氧颗粒污泥，探究其对厌氧污泥颗粒化进程及反应器运行效果的影响，以期为厌氧颗粒污泥的工程化快速培养提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用自行设计的UASB反应器(总容积13.6 L，高2.10 m，内径0.09 m)。水浴加热保持反应器内温度在35℃±2℃。

1.2 试验用水

采用模拟葡萄糖废水，添加葡萄糖，NHCl4和KH2PO4调节废水的m(COD)∶m(N)∶m(P)为200∶5∶1[10]。用NaHCO3调节进水碱度至2000 mg·L-1左右，并加入微生物生长所必需的微量元素。

1.3 接种污泥及PVA凝胶颗粒

接种絮状污泥取自咸阳某印染厂厌氧池。PVA凝胶颗粒购于日本某公司，密度1025 kg·m-3，直径5 mm。

1.4 试验方法

向容器中投加混匀的厌氧絮状污泥与PVA凝胶颗粒(混合体积比为2.5∶1，其中PVA凝胶颗粒1.2 L)，室温下间歇进葡萄糖废水并保持出水回流。经过14 d培养，观察到大部分PVA凝胶颗粒由原先的白色变为灰黑色，停止培养试验[11]。将PVA颗粒污泥初成体(约1.2 L)及3 L的絮状污泥投加到UASB反应器中，连续运行74 d，对PVA厌氧颗粒污泥的快速培养进行研究。

1.5 分析项目及方法

COD采用5B-3C快速测定仪测定；pH值采用PHS-3C型酸度计测定；总碱度采用甲基橙指示剂滴定法测定[12]；VFA采用酸碱滴定法测定[13]；PVA颗粒污泥沉降速度采用重力沉降法测定[14]；PVA颗粒微生物相采用VEGAⅡXMUINCA扫描电镜观察。

2 结果与讨论

2.1 UASB反应器的启动与运行

启动初期进水COD浓度2400 mg·L-1左右，水力停留时间35 h，容积负荷1.34 kgCOD·m-3d-1左右。负荷提升阶段，通过交替缩短水力停留时间和增大进水浓度的方式逐步提升反应器的容积负荷，水力停留时间逐步缩短至8 h，进水COD浓度逐步增大至4686 mg·L-1，容积负荷提升至13.26 kg COD·m-3d-1。稳定运行阶段，进水COD浓度维持在4600 mg·L-1左右，水力停留时间保持8 h不变，容积负荷稳定在13.44 kgCOD·m-3d-1左右。

反应器各阶段运行条件见表1所示。

表1 反应器各阶段运行条件

2.1.1 不同阶段COD去除效果

反应器运行不同阶段COD去除情况见图1所示。

第1～10 d，进水COD稳定在2166 mg·L-1左右，COD去除率达到88%，容积负荷达到1.32 kgCOD·m-3d-1；第11～16 d，进水COD增大至2600 mg·L-1左右，COD去除率稳定在89%左右。此时反应器启动成功。

图1 进出水COD浓度及其去除率变化情况

第17～32 d，逐步将水力停留时间从27 h缩短至8 h，反应器COD去除率一直稳定在90%以上(最高达97%)，容积负荷快速提升至7.88 kgCOD·m-3d-1。第33 d起，进一步增大反应器进水COD浓度，当浓度提至4000 mg·L-1左右时，COD去除率降至88%，但仅过3 d后即恢复至90%；当浓度提至4500 mg·L-1左右时，COD去除率降至88%，8 d后恢复至90%。

第66 d起，COD去除率稳定在91%左右，容积负荷稳定在13.32 kgCOD·m-3d-1左右，反应器运行稳定。最终反应器进水COD浓度为4673 mg·L-1，最高容积负荷达到13.54 kgCOD·m-3d-1，产气量达到110.7 L·d-1的峰值。

2.1.2 出水VFA及反应区pH值的变化

VFA及pH值是反应器运行过程中重要的控制指标，运行期间出水VFA及反应区pH值的变化情况见图2所示。

图2 出水VFA及反应区pH值的变化

由图2可知，启动运行期间，反应器内pH值维持在6.7～7.2之间，基本满足不同阶段厌氧微生物所需的pH值条件[15]。随着反应器容积负荷的不断提升，反应器内挥发性脂肪酸有所累积，pH值出现下降趋势，但并未出现酸化现象。从第33 d起，VFA值高于8.0 mmol·L-1，到第38 d达到最大值11.5 mmol·L-1，第41 d反应器内pH值降至最低6.7。通过增加NaHCO3的投加量，第48 d起反应器内VFA逐步恢复正常水平，pH值趋于稳定。

综上所述，接种PVA颗粒污泥初成体，经过16 d的运行，反应器即启动成功；随着反应器容积负荷的不断提升，COD去除率并未出现明显的先下降后上升趋势，而是一直处于较高去除率，可见PVA颗粒污泥耐冲击负荷能力较强；其耐酸能力亦较强，高负荷运行期间并未出现酸化现象，有效维持了厌氧反应器的稳定运行状态。而本实验室采用此反应器接种传统厌氧颗粒污泥(粒径1.09 mm左右，呈灰色)达到相同负荷需174 d，运行期间出现了严重的酸化现象，且恢复时间较长[16]。

2.2 PVA颗粒污泥的物理特性与微生物相特征

2.2.1 PVA颗粒外观与沉降速度变化

PVA凝胶颗粒外观变化见图3～图5所示。

图3 空白PVA凝胶颗粒

图4 PVA颗粒污泥初成体

图5 成熟PVA颗粒污泥

由图3～图5可知，PVA凝胶颗粒为白色；经过14 d培养PVA颗粒污泥初成体呈灰黑色，表明已有部分絮状污泥附着于PVA凝胶外表面；随后经过74 d的运行，PVA颗粒污泥逐渐成熟，最终几乎全变为黑色。

PVA颗粒沉降速度大小是评价颗粒污泥质量好坏的主要指标之一[17]。不同运行阶段PVA颗粒平均沉降速度变化情况见图4所示。

图6 PVA颗粒平均沉降速度变化

由图6可知，PVA颗粒污泥初成体平均沉降速度集中在160～200 m·h-1之间；启动初期，PVA颗粒平均沉降速度集中在180～200 m·h-1之间；负荷提升阶段，PVA颗粒平均沉降速度主要集中在200～240 m·h-1之间，38%的PVA颗粒平均沉降速度达到240 m·h-1以上；稳定运行阶段，PVA颗粒平均沉降速度均大于200 m·h-1，已有51%的PVA颗粒沉降速度达到240 m·h-1以上。

与传统高品质厌氧颗粒污泥沉降速度[18]相比，试验得到的PVA颗粒污泥沉降速度更优，满足较大水力负荷及产气量对其的冲击，从而不至于被冲出反应器。反应器内保留了较高浓度的微生物量，可在高负荷下稳定运行，随着反应器运行负荷的不断提高，反应器内并未出现PVA颗粒污泥大量流失的现象。

2.2.2 PVA颗粒微生物相

PVA凝胶颗粒与成熟PVA颗粒污泥扫描电镜见图7～图9所示。

图7 PVA颗粒SEM图像空白表面(×5000)

图8 PVA颗粒SEM图像空白内部(×5000)

图9 PVA颗粒SEM图像结束时表面(×5000)

图10 PVA颗粒SEM图像结束时内部(×3500)

由图7和图8可见，PVA凝胶颗粒从表面到内部布满大量微孔网状结构，其中表面及内部孔径分别约为4 μm，20 μm[19]，这有利于释放气体和输送物质[13]。随着反应器的连续运行，反应器内PVA颗粒污泥表面最终附着有大量的微生物(见图9)。微生物相呈现多样化，菌种类型丰富，各种类型细菌以微小群落形式随机分布，不同菌落互相交融，形成混栖的菌群。细菌排列紧密，以球菌、短杆菌为主，另外还存在着一定数量的丝状菌。PVA颗粒污泥内部菌群数量较少，主要附着有丝状菌，同时存在着极少的短杆菌和球菌(见图10)。

3 结论

(1) 以PVA凝胶颗粒为载体，经过14 d快速培养即得到PVA颗粒污泥初成体；接种PVA颗粒污泥初成体，启动运行16 d，实现了UASB反应器的快速启动；反应器运行32 d形成了沉降性能优良的PVA颗粒污泥，大大缩短了传统高品质厌氧颗粒污泥形成所需的时间；随后42 d有效维持了反应器的稳定运行。

(2) 通过扫描电镜观察到成熟PVA颗粒污泥外表面及内部有效富集了大量的微生物，为反应器的高负荷运行奠定了基础。

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Study on Fast Cultivation of PVA Anaerobic Granular Sludge

LI Ting, LIU Yong-hong, WANG Li-na, CAI Hui-yong, LIU Lei

(School of Environmental and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xian 710048, China)

The promoting effect by PVA-gel bio-carriers with diameter of 5 mm on formation of anaerobic granular sludge and its operation performance in UASB reactor were studied. With formation of embryonic PVA granules, the results of 74 days continuous operation showed that the PVA granular sludge with good settling property were obtained after 32 days cultivation. Organic loading rate was increased from 1.05 kgCOD·m-3d-1to 13.33 kgCOD·m-3d-1. The COD removal rate could be as high as 97%. Hydraulic retention time was reduced from 35 h to 8 h. Organic loading rate reached 13.54 kgCOD·m-3d-1with stable COD removal rate of 90% at the end of experiment. By SEM methods, the filamentous, bacillus and coccus bacteria were found on the surface of the PVA-gel beads, while in the interior only filamentous bacteria were found.

PVA-gel beads; bio-carriers; anaerobic reactor; granulation

2015-03-30

项目来源： 国家自然科学基金项目(21176197)；国家科技重大专项项目(2009ZX07212-002-002)；陕西省科技统筹创新工程计划项目(2011KTZB03-03-01)；陕西省科学技术研究发展计划项目(2008k07-14)

李 婷(1988-)，女，硕士研究生，研究方向为废水的厌氧生物处理，E-mail:liting365@139.com

TQ9；X703.1

A

1000-1166(2016)01-0010-04