厭氧反應器快速啟動技術研究
一、外加物質效應
1 投加無機絮凝劑或高聚物
為了保證反應器內的最佳生長條件,必要時可改變廢水的成分,其方法是向進水中投加養分、維生素和促進劑等。Macarie和Guyot研究發現,在處理生物難降解有機污染物亞甲基安息香酸廢水時,向廢水中投加FeSO4和生物易降解培養基后,可以有效地降低原系統的氧化還原能力,達到一個合適的亞甲基源水平,縮短ＵＡＳＢ的啟動時間。
Imai研究了向接種污泥中添加吸水性聚合物(WAP)的作用。WAP主要成分為丙烯酸顆粒樹脂，具有可供微生物附著的高的比表面和復雜網狀結構。而且密度低(濕密度1.0g/ml)，與砂及其他物質相比提高了顆粒與微生物間的接觸，明顯強化了以葡萄糖或VFA為基質的實驗室規模和中試規模UASB反應器的顆粒化過程。在顆粒污泥形成之后WAP被厭氧微生物慢慢降解，這造成顆粒分裂成多個小碎塊，然后再次生長為成熟顆粒。逐漸地，所有顆粒被降解。根據試驗提出用于強化顆粒化過程的反應器體積內WAP投加量為約750mg/L。
王林山等人向厭氧接種污泥中投加膨潤土(BT)和聚丙烯酰胺(PAM),采用常溫間歇式進料,在一月內獲得了顆粒污泥.膨潤土的特征成分是蒙脫石。聚丙烯酰胺的酰胺基與蒙脫石生成氫鍵,起吸附和架橋作用,從而使膨潤土、污泥和細菌聚集成直徑5～10mm的絮凝團，成為顆粒污泥生長核心，絮凝團絲狀菌網絡內菌體繼續生長,使其成為密實的,近似為球形的顆粒污泥。
2 投加細微顆粒物
Lettinga等人研究表明粘土和其他無機顆粒似乎對顆粒污泥的形成有害。他們的實踐表明:在無分散無機物質中能形成很好的顆粒污泥，顆粒揮發性固體含量很高。
另一種觀點認為：有助于懸浮污泥形成顆粒的因素之一是存在微生物能附著生長的晶核或生物載體。細胞附著在這些顆粒上是顆粒化的第一步。第二步是在惰性載體上形成致密和厚實的生物膜。所以，添加惰性載體的UASB反應器中污泥顆粒化過程可解釋為生物膜形成現象。
周律在反應器中投加了少量陶粒、顆粒活性炭等,啟動時間明顯縮短,這部分細顆粒物的體積約占反應器有效容積的2%～3%。用石化廠含有機氯化物的廢水進行對比實驗表明,在其它條件相同時,投加粒徑小于0.4ｍｍ的顆粒活性炭后,啟動時間幾乎縮短了一半。啟動階段投加的細顆粒物似乎僅起著初期顆粒污泥晶核的作用,這是利用顆粒物的表面性質,在短期內加快那些易于形成顆粒污泥的細菌在細顆粒物表面的富集。另外,初期投加細顆粒物后,系統的穩定性和最大有機負荷都有明顯的提高。實驗中還發現,以前啟動ＵＡＳＢ反應器時要求嚴格的水力負荷和有機負荷控制,在投加細顆粒物后這些控制措施顯得并不重要了。
Huishoff Pol說明了惰性載體顆粒在顆粒化過程中的重要性。當從接種生活污水污泥中去除惰性顆粒(尺寸為40-100μm)，在不去除惰性顆粒的分散污泥顆粒化所需的時間內沒有觀察到顆粒化。同一學者觀察到添加水-無煙煤顆粒(尺寸為0.25-0.42mm)顯著減少中溫條件下顆粒化所需時間。Yoda等報道當添加100μm粉末沸石作為載體比無沸石時顆粒污泥形成得快。
Fukuzaki等 發現添加聚亞安酯泡沫提高了甲烷菌群的停留。所以處理富含丙酸污水UASB反應器在短的啟動時間獲得高的甲烷發酵效率。
但是，在高溫顆粒化中在接種消化污泥中添加或不添加砂(50-10μm)沒有差別，盡管形成的顆粒包括砂顆粒這能歸因于一些惰性顆粒相對于微生物比重較大，如砂粒。更多的微生物可能在反應器上部積累，而砂粒趨向于在反應器底部積累。所以有利于微生物附著生長的顆粒與微生物之間的接觸機會顯著減少，導致顆粒化過程不顯著.
Verrier等證明在厭氧消化池中添加細菌生長的載體能提高甲烷產量。Munoz等也表明載體如海泡石和輝綠巖在中試規模厭氧消化池中提高甲烷產量。Ross報道粉末活性炭的存在提高了處理玉米加工廢水污泥的可沉降性。
Morgan等和Yu等觀察到活性炭能強化顆粒化過程，顆粒活性炭的添加提高了生物吸附從而刺激顆粒污泥的形成和其吸附污染物以固定狀態降解的能力。Yu等研究了在UASB反應器啟動期間粉末活性炭(PAC)和顆粒活性炭(GAC)對于污泥顆粒化的作用。結果表明PAC或GAC的添加能明顯強化污泥顆粒化過程并加速工藝啟動。污泥顆粒化定義為當10%顆粒大于2.0mm，在不添加惰性物質時約需95天，添加PAC和GAC反應器中分別減少25和35天。此外，通過試驗PAC或GAC的添加使得微生物濃度更高，更早觀察到肉眼可見顆粒，提高單位容積COD去除能力。而且，添加GAC對于UASB反應器啟動的有益作用略高于PAC。通過添加PAC或GAC強化的顆粒化過程歸因于絲狀菌在活性炭表面更好的附著。
但是，此研究未詳細研究PAC或GAC的性質。PAC和GAC性質差異可能是添加PAC和GAC反應器間微小差異的原因。
下表列出了添加不同惰性載體對污泥顆粒化的影響
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由此可見，惰性材料確實能加快UASB的啟動。盡管這些載體僅為惰性材料，在基質降解中不起重要作用，但是也應非常仔細地挑選載體，并應具有以下性質：
a比表面積高 b比重接近厭氧污泥 c好的憎水性 d球形形狀
投加過量的惰性顆粒會在水力沖刷和沼氣攪拌下相互撞擊、摩擦,造成強烈的剪切作用,阻礙初成體的聚集和粘結,對于顆粒污泥的成長有害無益。
另一方面，污水中高濃度絮凝性差的懸浮物質對于顆粒污泥的形成是有害的。并且高濃度分散惰性固體對于顆粒化過程也是不利的，因為在這些情況下，對于細菌用于生長的表面積太大，聚集生長受到限制。顆粒化完全取決于細菌生長，所以生長減慢導致顆粒化過程減緩。在高組分細小分散懸浮固體的污水中，細菌附著在分散顆粒上會導致活的細菌的流失。
二、選擇壓理論
該理論認為UASB反應器顆粒化過程的本質是反應器中存在污泥顆粒的連續選擇過程。Hulshoff Pol等人的研究認為：在高選擇壓條件下，輕的和分散的污泥被洗出而較重的組分保持在反應器中。從而使細小分散的污泥生長最小化，細菌生長主要局限在有限數量由惰性有機和無機載體物質或種泥中存在的小的細菌聚集體組成的生長核心。這些生長核心的粒徑增加直至達到顆粒污泥和生物膜部分產生脫落的特定最大尺寸，形成新生長核，如此反復。顆粒化初級階段出現的絲狀顆粒隨著時間的增長變得更致密。
低選擇壓條件下，主要是分散微生物的生長，這產生膨脹型污泥。當這些微生物不附著在固體支撐顆粒上生長時，形成沉降性能很差的松散絲狀纏繞結構。而且，氣泡附著在這些松散纏繞的絲狀菌上時，污泥甚至有上浮的趨勢。
在生物反應器中，因氣體流動或者液體流動和顆粒間碰撞引起的脫膜力是影響厭氧顆粒污泥的形成、生物結構及其穩定性的關鍵因素。在一個生物膜系統中，高的水力剪切力能夠產生比較結實的生物膜，而剪切力比較弱的時候，生物膜容易成為一個異質多孔和比較脆弱的生物膜。另一方面，有證據表明，在好氧和厭氧顆粒污泥形成的過程中需要有一定的水力剪切力。當剪切力比較弱的時候，很少觀察到污泥顆粒化現象。這些也表明了水力剪切力在生物附著和自固定化過程中的重要性。但是，水力剪切力對顆粒污泥的形成、結構和代謝機理的影響還不十分清楚。
從上面的討論顯示，UASB反應器中的上升流速對污泥顆粒化過程具有顯著的影響。因此，研究者在通過控制UASB反應器中的水力剪切力來加速污泥顆粒化進程的研究方面付出了許多努力。
Alphenaar等人發現UASB反應器中高的液體上升流速和短的水力停留時間(HRT)兩者結合有利于污泥顆粒化過程。Noyola和Moreno進行了一系列實驗來研究UASB反應器中液體上升流速對厭氧顆粒污泥形成的影響。實驗結果表明通過水剪切力作用使絮狀厭氧污泥能夠通過在非常短的時間里(不到8小時)而被轉化為活性相對比較好的厭氧顆粒污泥。
這些厭氧顆粒污泥的SVI和污泥沉淀速度顯著改善，并且顆粒污泥的沉降性的增加將導致流失污泥從46%減少到2%。清華大學的實踐表明將水力負荷提高到0.6m3/（m2·h），可以沖走大部分的絮狀污泥，使密度較大的顆粒狀污泥積累在反應器的底部，形成顆粒污泥層，這部分污泥層可首先獲得充足的營養而較快地增長。因此，通過提高UASB反應器中液體上升流速，將水剪切力作用于絮狀厭氧污泥上，使得厭氧顆粒污泥的形成速度得到顯著增強。但是，提高水力負荷不能過快，否則大量絮狀污泥的過早淘汰會導致污泥負荷過高，影響反應器的穩定運行。
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