郭曉磊， 胡勇有
(華南理工大學環境科學與工程系，廣東廣州 510640)

　　摘　 要：向低濃度生活污水中投加絮凝劑(殼聚糖)和顆粒活性炭(GAC)的試驗結果表明，這兩種物質對厭氧污泥的顆粒化均有促進作用，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(反應器的運行穩定，耐沖擊能力強，出水水質良好)，各反應器中形成的顆粒污泥均以產甲烷絲狀菌為主。?
　　關鍵詞：低濃度生活污水；厭氧污泥；顆粒化；殼聚糖；GA C?
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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 試驗儀器與方法

　　使用3個相同的UASB反應器做平行試驗，裝置結構如圖1所示。?
　　采用人工合成污水(以無水葡萄糖作為碳源、氯化銨為氮源、磷酸二氫鉀為磷源、酵母浸膏為微生物的營養補充，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［1］，其中COD為168 mg/L，BOD為118mg/L。

　　COD、BOD、SS、SVI的測定采用標準方法［2］，對揮發性脂肪酸(VFA)總量采用滴定法測定［3］，顆粒污泥粒徑分布采用濕篩法測定［1］，對揮發性脂肪酸組分采用氣相色譜法測定［1］，顆粒污泥的微生物觀察根據文獻［1］進行。?

2 　結果與討論

2.1 反應器的啟動
　　取厭氧污泥進行接種，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組平行試驗中，第一組僅加入厭氧污泥作為種泥(稱為對照組)，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目篩網篩選粒徑＜0.3 mm的顆粒活性炭(稱為GAC組)經過活化后加入反應 器。3組反應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荷的辦法提高有機負荷，啟動初期的水力停留時間(HRT)分別是：對照組為10.22 h，殼聚糖組為10.1 h，GAC組為9.81 h；容積負荷分別是：對照組為0.394 kgCOD/(m³·d)，殼聚糖組為0.399 kgCOD/(m³·d)，GAC組為0.411 kgCOD/(m³·d )。啟動氣溫為18 ℃，水溫為14.9℃。當COD去除率較為穩定時即可加大水力負荷，最終達到對照組的停留時間為5.33 h，殼聚糖為4.75h，GAC組為5.16 h；對照組的容 積負 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COD的去除
　　運行初期加入接種污泥后，3組反應器均出現了輕微的污泥上浮現象，這是污泥活性太低、短時不能適應的緣故。反應器從啟動到運行跨越了冬、春兩季，溫度變化較大。?
　　在運行過程中，3組反應器對COD的去除率不同。運行初期殼聚糖組COD去除率最高，4d就已達到36.67%，同期的對照組和GAC組分別為24.39%和28.28%。在前期的運行中，殼聚糖組的去除率一直高過GAC組，但反應器的穩定性較差，去除率波動較大；GAC組的前期去除率低于殼聚糖組但高于對照組，系統較為穩定，到后期GAC組的去除率逐漸超過殼聚糖組，到79 d時GAC組的出水COD為56.63 mg/L，去除率達到66.3%，容積產氣率為0.1 05m³/(m³·d)；殼聚糖組出水COD為67.79 mg/L，去除率為59.65%，容積產氣率為0.098m³/(m³·d)，均略優于對照組［COD濃度為71.88 mg/L，去除率為57.21%，容積產氣率為0.087m³/(m³·d)］。GAC組系統穩定是因為顆粒活性炭 本身是一種吸附劑，能對各種沖擊負荷起緩沖作用。
2?3 沖擊負荷對反應器的影響
　　 啟動后期先后利用pH值和容積負荷的驟然改變進行了不同程度的沖擊試驗(結果見圖2～4)。 ?

　　圖2～4中A、C、D點分別為不同的負荷改變對反應器的沖擊反映。A點代表短時間進水濃度的提高(COD為312 mg/L)，對照組容積負荷為1.406 kgCOD/(m³·d)，殼聚糖組為1.57 5 kgCOD/(m³·d)，GAC組為1.139 kgCOD/(m³·d)，持續了8h。可以看出，短時間的濃度負荷沖擊對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天這兩組就恢復正常了。?
　　C點表示停留時間的改變對反應器的影響，持續時間為6 d，各時段的停留時間見表1。

表1 停留時間變化　 h? 時間段 對照組 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

　　在停留時間持續變動的過程中各反應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，當停留時間恢復到原來的水平后，各反應器的處理效率隨之正常。?
　　D點是長時間的濃度沖擊，進水COD為326 mg/L，對照組容積負荷為1.469 kgCOD/(m³ ·d)，殼聚糖組為1.646kgCOD/(m^3·d)，GAC組為1.516 kgCOD/(m³·d)，持續時間為1 0 d。由于進水濃度和容積負荷的提高，反應器中的產氣量大大增加，出水中的SS也急劇上升，穩定一段后的出水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的水平，到試驗結束時處理效率升高到72.88%；殼聚糖組下降 得較多，7 d后達到原來的水平(63.87%)；對照組與殼聚糖組的情況相似，在第6天恢復到原來的處理效率(63%)。
　　B點代表反應器受到進水pH值的沖擊，試驗中將反應器進水的pH值調至6.0左右，進水約8 h后恢復原來的進水pH值。發現pH值對反應器的運行影響較大，GAC組的COD去除率由66.2 5%降到49.82%，對照組降至38.04%，殼聚糖組由原來的60.06%降到40%，而且容積產氣 率也急劇降低［GAC組從0.118m³/(m³·d)降至0.057m³/(m³·d)，對照組由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值恢復后的第2天，GAC組的COD去除率立即恢復到原有水平，而其余兩組在2d后才恢復正常。?
　　從以上試驗結果可以看出，3組反應器對沖擊負荷都有一定的緩沖能力，短時的濃度負荷增 加和進水pH值下降的沖擊均不會對反應器造成大的危害，而長期的停留時間的變化會造成反 應器效率的降低，但不會對反應器本體構成危害。長期的濃度負荷沖擊開始時會造成反應器 效率的降低，這是由于負荷的突然升高導致產甲烷菌增殖速率滯后于產酸菌增殖速率，造成了有機酸的積累，使代謝產物增多，反過來抑制了產甲烷菌的活性，使有機物的分解速率下 降所致，而短時的濃度沖擊不會造成有機酸的積累，當反應器適應了濃度沖擊后，產甲烷菌的活性恢復，處理效率也逐步上升。3組反應器中，以GAC組耐沖擊負荷能力最強。?
2?4 顆粒污泥粒徑的變化
　　試驗考察了接種污泥、各反應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組反應器在運行過程中厭氧污泥不斷地轉化為顆粒污泥，運行初期殼聚 糖 組的顆粒化進程較快，到第30天已有27.6%的污泥粒徑＞0.22 mm，到第100天時粒徑＞0.22 mm的污泥比例已達到44.4%；對照組的顆粒化程度較慢，運行30d后粒徑＞0.22 mm的污泥比 例為19.4%，100 d后上升為38.9%；GAC組的顆粒化進程初期不如殼聚糖組，第30天時粒徑＞0.22 mm的污泥比例為25.3%，100 d后高達47.2%。
　　從試驗可以看出，投加殼聚糖和顆粒活性炭都能在一定程度上加快顆粒化的進程、縮短顆粒化的時間，但兩者的顆粒化進程不同，這與其各自的促進顆粒化的機理有關。一般認為細菌的粘連是顆粒化過程的開始階段，因殼聚糖帶有正電荷能中和細菌表面的負電荷，從而降低了細菌之間的靜電排斥力，克服了細菌粘連時的能壘，使細菌形成最初的污泥核心，加速了顆粒化的進程。同時，因殼聚糖是天然聚合物，能加強微生物聚集體內代謝產物(如乙酸、H₂)的傳遞，從而減少了對乙酸菌和產甲烷菌的抑制，促進了顆粒污泥的生長^{［4、5 ］}。?
　　顆粒活性炭一般都進行過化學處理，其表面具有各類含氧官能團(主要以—CHO、—OH、—COOH、—C=O等4種形式存在)這些官能團在酸性條件下會成為帶電中心，使活性炭的表面有正電荷區域存在。盡管反應器的進水pH值控制在中性條件下，但在反應器內部由于水解酸化菌的存在，產生了有機脂肪酸，使反應器內部的活性炭表面帶正電荷，在靜電引力的作用下細菌粘連 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核的作用，而且活性炭在自己的周圍會形成一個基質濃縮圈以吸引更多的厭氧微生物，增加細菌相互碰撞粘連的機會。當細菌包裹在活性炭表面形成微生物聚集體一段時間后，由于各種原因造成其表面強度下降，在水力沖擊下會破碎形成小的聚集體，成為顆粒污泥新的內核，這就是造成殼聚糖組初期的顆粒化速度快、顆粒活性炭組后期顆粒化進程快的原因。?
2.5?COD的平衡
　　各反應器在不同時間的COD量平衡見表2。?

表2 ?COD的平衡 組別 時間 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

　　在試驗的開始階段厭氧污泥的活性較低，反應器中沒有形成顆粒污泥，甲烷菌的轉化能力低，基質大部分用于維持微生物的生長需要，殼聚糖組用于微生物生長的比例最高(為26%)，有65%的COD隨出水流出反應器，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%，而對照組為23%、69%和11%，因此在這一階段殼聚糖組的顆粒化進程最快。到試驗后期污泥的活性增強，甲烷菌的轉化能力增強，以甲烷形式去除的COD比例增加(GAC組為39%，殼聚糖組為33%，對照組只有30%)，GAC組用于自身生長的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%，對照組為43%和9%。?
　　從試驗結果可以看出，運行初期殼聚糖組中的污泥活性較高，顆粒化進程較快，而后期GA C組中污泥的活性最高。應該指出的是，雖然到運行后期3組反應器中有27%～28%的COD用于微生物的生長，但其總體數量還是很低的，這在一定程度上制約了反應器污泥顆粒化的過程；在殼聚糖和GAC促進微生物聚集體的成長后，微生物聚集體通過吸收基質得到營養成分，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養有很大關系，這就是殼聚糖和顆粒活性炭的促進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
　　試驗后期對3組反應器中形成的顆粒污泥進行了掃描電鏡觀察，發現顆粒污泥在外形上沒有大的區別，呈黑灰色，形狀各異(多數呈橢圓形)，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細小顆粒活性炭。

3 　結論

　　① 投加殼聚糖和顆粒活性炭均對厭氧污泥的顆粒化過程有促進作用，在運行初期 殼聚糖的效果明顯一些，但反應器的運行不穩定；后期顆粒活性炭的效果更加明顯，而且反應器的運行穩定、出水水質良好，為各階段顆粒污泥粒徑分布的分析提供了證明。
　　② 殼聚糖和顆粒活性炭的顆粒化促進作用不如在中、高濃度下明顯，在低濃度下污泥的顆粒化進程受到低基質的限制。
　　③ 3組反應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包裹有細小的顆粒活性炭。

參考文獻：

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　　［2］國家環保局.水與廢水監測分析方法(第3版)［M］.北京：中國環境科學出版社，1989，362-365.
　　［3］賀延齡.廢水的厭氧生物處理［M］.北京：中國輕工業出版社，1998.
　　［4］Thiele J H,Chatrain M,Zeikus J C.Control of interspecies electron flow during anaerobic digestion:role of floc formation in syntrophic methanogen esis［J］.Appl Eniron Microbiol，1988,54(1):10-19.
　　［5］Hughes J,Ramsden D K,Symes K C.The flocculation of bacteria using cationic synthetic flocculants and Chitosan［J］.Biotechnol Tech,1990,4(1):55-60.

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