有机负荷对UASB产氢反应器中颗粒污泥的影响研究

王梦一,刘 爽,李文哲,鞠文聪,殷丽丽,孙铭超,刘长军

(1.东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030;2.黑龙江省农村能源总站,哈尔滨 150008)

0 引言

厌氧发酵产氢技术既可以处理有机废弃物,又可以产生氢气,是废弃物资源化利用的有效方式[1-2]。升流式厌氧污泥床(UASB)反应器在处理低浓度有机废水并生产沼气方面发挥了重要作用。由于UASB反应器能够形成微生物浓度高、沉降性能良好和结构稳定的颗粒污泥,使体系保持较高的生物量,提高了其抗冲击能力[3],近年来,利用UASB反应器厌氧发酵产氢也受到了广泛的关注。

前期实验表明,有机负荷是影响UASB反应器厌氧发酵效率的一个重要因素,直接影响产氢颗粒污泥的形成和产氢效率[3]。国内外研究学者针对不同有机负荷下颗粒污泥的生长及理化性质的变化进行了一些探索性的工作[4-8]。李亚峰等人在工程研究中发现,USAB反应器的高有机负荷既加速了颗粒污泥的生长又加速了颗粒污泥的破坏[9]。J.T.C.GROTENHUIS等人研究发现,增加进水底物浓度会提升颗粒污泥的产甲烷性能[10]。但有关有机负荷对UASB产氢反应器颗粒污泥性质影响的研究鲜有报道。

为此,利用UASB反应器培养产氢颗粒污泥,通过研究有机负荷对产氢速率、颗粒污泥粒径、沉降性能,以及EPS组成和含量的影响,揭示不同有机负荷对产氢颗粒污泥特性的影响,为其规模化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置

图1为发酵装置的结构示意图。发酵系统由UASB反应器、蠕动泵、储液罐和集气袋等组成,反应器的总体积为10L,工作体积为8L。试验的水力停留时间为6h,发酵温度为(35±1)℃。

图1 UASB反应器试验系统示意图Fig.1 Schematic layout of the UASB reactor experimental system

1.2 实验材料

1.2.1 接种污泥

接种污泥取自东北农业大学实验室以葡萄糖为基质培养的产氢污泥,pH值为5.4,污泥总悬浮固体浓度(SS)为64.43g/L,挥发性悬浮固体浓度(VSS)为57.82g/L,VSS/SS=89.74%,反应器的接种量为有效体积的25%。

1.2.2 底物组成

实验底物是以葡萄糖为碳源,按C∶N∶P=100∶5∶1配成的有机废水,同时加入氯化铵、磷酸二氢钾及多种微量元素,以提供微生物生长所需的营养。底物具体组成及含量如表1所示。

表1 底物成分及含量Table 1 The substrate composition and content mg/L

1.3 实验设计

反应器的运行参数如表2所示。

表2 反应器运行参数Table 2 Operation parameter of the UASB reactor

在实验过程中,保持上升流速不变,通过改变底物葡萄糖浓度来改变反应器内的有机负荷。实验是在体系产氢速率、pH等参数达到稳定状态后开始的。

1.4 测试方法

发酵产生的气体采用100L集气袋收集,并用排水法测定其体积;气体组成成分和含量利用气相色谱法测定,设备型号为GC-6890N(安捷伦,美国),装载TDX-01型填充柱和热导检测器。色谱条件如下：利用流量40mL/min的氩气为载气,进料口温度为120℃,炉温为170℃,检测器温度为220℃。整个样品测定时间为2.5min,采用外标法对气体进行标定[11];SS、VSS参照标准方法测定[12];污泥粒径分布采用标准筛分法测定,取一定量的颗粒污泥,使其依次通过孔径为5、4、3、2、1.6、1.43、1、0.6mm的标准筛网,然后收集各筛网截留的颗粒污泥,烘干并称重,由此可计算不同粒径范围颗粒污泥质量占污泥总质量的百分比。颗粒污泥的平均粒径采用加权平均方法进行估算[13]。

颗粒污泥样品的松散附着的胞外聚合物(LB-EPS)和紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)的提取按照两阶段热提取方法提取[14-15]。将样品置于10mL离心管中离心(4000r/min,5min),离心后弃上清液后,将剩余的污泥用浓度为0.85%的NaCl溶液(50℃)悬浮至原体积,然后迅速摇匀;将上述污泥悬浮液离心(4000r/min,10min),所得上清液经过0.45μm滤膜过滤,滤液即为LB-EPS。将上述剩余的污泥用浓度为0.85%的NaCl溶液再次悬浮至原体积,所得污泥悬浮液在80℃水浴锅中加热30min,待冷却后离心(4000r/min,15min);所得清液经过0.45μm滤膜过滤,滤液即为TB-EPS。污泥样品中LB-EPS和TB-EPS的量以蛋白质和多糖加和的形式表征,蛋白质和多糖浓度分别采用福林-酚法和苯酚-硫酸法进行测定。

2 结果与分析

2.1 有机负荷对产氢的影响

不同有机负荷下反应器内总悬浮固体浓度(SS)、挥发性悬浮固体浓度(VSS)及葡萄糖利用率,如表3所示。有机负荷从40gCOD/(L·d)增加到80gCOD/(L·d),反应器内的污泥浓度SS从53.49g/L增加到85.29g/L,VSS从43.98g/L增加到75.30g/L,生物量增多。当有机负荷增至90gCOD/(L·d),体系SS继续增加,而VSS基本不变。由此说明在较高的有机负荷下,反应器内污泥量仍在增加,但污泥中的活性组分的含量却没有随之增加,污泥的活性度在降低。

表3 反应器内污泥浓度及葡萄糖利用率Table 3 Sludge concentration and glucose utilization rate in the UASB reactor

由表3和图2可知：有机负荷从40gCOD/(L·d)增加至80gCOD/(L·d)的过程中,体系葡萄糖利用率高于97%,产氢速率从2.23L/(L·d)增加至8.6L/(L·d);当有机负荷增至90gCOD/(L·d),葡萄糖利用率低于70%,产氢速率明显下降。因为随着有机负荷的增加,反应系统特定的微生物群落结构和数量已经达到平衡状态,此时制约产氢效能的关键因素已经不是有机物量和生物量,而是发酵微生物活性。在有机负荷为90gCOD/(L·d)时,进料葡萄糖浓度为21.10g/L,由于进料浓度过高,使得系统内离子活度降低,渗透压升高,颗粒污泥内部传质速率没有随之增加,导致底物转化不完全。

图2 反应器运行过程中产氢速率随有机负荷的变化Fig.2 Changes of Hydrogen production rate and organic load in the reactor

与此同时,过高的底物浓度使得产氢菌群细胞内总有机酸含量升高,细胞活性降低,抑制产氢。从第55天开始,将有机负荷降低至80gCOD/(L·d),产氢速率又逐渐增加,说明反应器内颗粒污泥具有较强的抗冲击负荷能力,能够在短时间内恢复到良好状态。

2.2 有机负荷对颗粒污泥粒径和EPS的影响

试验过程中,对不同有机负荷下颗粒污泥的粒径进行了测量,结果如图3所示。有机负荷从40gCOD/(L·d)增加至80gCOD/(L·d),颗粒污泥粒径明显增大,且增加有机负荷造成的粒径分布变化是小颗粒和大颗粒污泥占的比例较大,中间粒径范围的颗粒污泥所占的比例较小。粒径在0～0.6mm的颗粒污泥所占百分比从43.21%减少至20.78%,粒径在0.6～1mm的颗粒污泥所占比例从38.48%减少至14.89%;粒径在1.6～2mm的颗粒污泥所占百分比从2.68%增加至11.64%,粒径在2～3mm的颗粒污泥所占比例从0.68%增加至13.65%。有机负荷增至50gCOD/(L·d),反应器内开始出现粒径大于3mm的大颗粒污泥;有机负荷为80gCOD/(L·d)时,粒径在3～4mm和4～5mm的颗粒污泥所占比例分别为20.42%和6.4%;有机负荷继续增至90gCOD/(L·d),系统受高负荷影响,颗粒污泥结构不稳定,粒径不再明显增大,甚至有解体上浮的趋势。

图3 不同有机负荷下颗粒污泥粒径分布的变化Fig.3 Particle size distribution of granular sludge with the different organic load in the reactor

由图3可以看出：在一定的有机负荷范围内,颗粒污泥的粒径随着负荷的增加而增大。分析认为：高有机负荷一方面加快了颗粒污泥的成长,另一方面也加速了部分颗粒污泥的破裂,而破裂后的污泥碎体又可以作核心,重新形成颗粒污泥,二次核心的不断产生也保证了体系内污泥量的增加。此外,进料葡萄糖浓度与基质浓度是正相关的,从而与基质的穿透深度正相关。进料浓度高时,溶解性的底物和发酵中间产物在颗粒污泥中的扩散速度加快,有利于营养物质进入到颗粒内部,促使颗粒污泥粒径不断增大。但是,当颗粒污泥半径超出系统最大基质穿透深度,其核心将发生基质传递限制,导致颗粒污泥内部由于营养不足而发生自溶,形成空核;颗粒污泥稳定性变差,最终发生破裂。

胞外聚合物(EPS)是细菌分泌于体外的一些高分子聚合物,主要成分是蛋白质和多糖,现有研究结果表明微生物代谢产物EPS是促进污泥颗粒化的主要因素[16-18]。如图4所示。有机负荷从40gCOD/(L·d)增加至80gCOD/(L·d),颗粒污泥平均粒径从0.7mm增加到1.92mm,EPS含量从103.49mg/g VSS增加至283.85mg/g VSS,EPS含量占污泥总质量(VSS)的百分比从10.35%增加至28.39%,在整个有机负荷增大过程中,蛋白质含量先增加后减小,多糖含量持续增加。因为随着有机负荷的不断增加,颗粒污泥不能及时利用全部的碳源来维持生长和新陈代谢,而是将过量的碳源转移到胞内或者EPS中。

图4 不同有机负荷下颗粒污泥平均粒径与EPS的变化Fig.4 Changes of the average particles diameter of granular sludge and EPS with the different organic load in the reactor

EPS组分分层划分理论认为,其主要由两部分组成：内层是粘附在微生物聚集体细胞表面的荚膜聚合物,称为TB-EPS;外层是LB-EPS,其结构疏松,密度较小,是没有边界的粘稠液体[19]。由图5可以看出：有机负荷从40gCOD/(L·d)增加至80gCOD/(L·d),LB-EPS的含量先减少后增加,

图5 不同有机负荷下颗粒污泥EPS组分的变化Fig.5 Changes of LB-EPS and TB-EPS in the granular sludge with the different organic load in the reactor

TB-EPS的含量持续增加。当有机负荷80gCOD/(L·d)时,LB-EPS和TB-EPS的含量分别为89.21mg/g VSS和194.64mg/g VSS,TB-EPS的含量是LB-EPS的2.18倍,说明此时颗粒污泥结构较为紧实,强度较高。从图5还可以看出：有机负荷增加至90gCOD/(L·d),TB-EPS的含量明显减少,LB-EPS的含量明显增加;但当有机负荷过高时,颗粒污泥外层聚集大量的LB-EPS会使泥水分离效果变差,削弱其结构强度[18]。同时,LB-EPS含量较高,增加了颗粒污泥表面的负担,容易增强细胞之间的排斥力,从而降低颗粒污泥的沉降性。

2.3 有机负荷对pH和液相末端产物的影响

反应器运行过程中pH和液相末端产物的变化如表4所示。第1～30天,有机负荷从40gCOD/(L·d)增加到50gCOD/(L·d),pH基本不变,维持在5.35左右,没有占绝对优势的液相产物,此阶段属于混合型发酵类型;从第31天开始,继续增大有机负荷,pH开始呈现下降趋势,丁酸和乙酸含量增加,且丁酸含量增加幅度较大,乙醇含量降低。由此说明此阶段反应器内各类微生物在竞争底物和利于自身生长代谢生态位的过程中,丁酸型发酵菌群正在成为优势菌群。当有机负荷增加至80gCOD/(L·d),丁酸的含量远大于其他酸或醇,且丁酸加乙酸的含量占总液相产物的质量分数在68%以上,呈现丁酸型发酵;继续增加有机负荷至90gCOD/(L·d),pH迅速降低至4.60左右,发酵类型仍为丁酸型发酵,反应体系出现了明显的有机酸积累抑制产氢现象。有相关研究表明：在高有机负荷条件下,由于丁酸型发酵不稳定,体系难以保持NADH/NAD+的相对平衡,且有机酸积累明显,发酵代谢途径有向产生较少酸性末端产物的乙醇型方向转化的潜力,以保护氢酶和微生物本身的生命活性[20-22]。在本试验过程中,发酵类型并没有向乙醇型发生转变。原因是在较低pH环境下,发酵微生物为保持胞内pH平衡而增加了对ATP的需求,使得微生物主要的代谢途径没有发生变化。为了保持反应器稳定运行,降低有机负荷后,体系pH经过一段时间又恢复至适宜产氢的范围。

表4 反应器内pH及液相末端产物Table 4 pH and liquid end products in the UASB reactor

3 结论

研究表明：在40～80gCOD/(L·d)范围内,提高有机负荷不但能够提高产氢速率,还能提高颗粒污泥沉降性能和强度。当有机负荷为80gCOD/(L·d)时,产氢速率达到最大值8.6L/(L·d),平均粒径1.92mm,EPS含量达283.85mg/gVSS,且LB-EPS和TB-EPS的含量分别为89.21mg/gVSS和194.64mg/gVSS。当有机负荷进一步增加时,产氢速率降低,颗粒污泥沉降性能和强度变差。