D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.0L.004 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 厌氧陶粒附着膜膨胀床启动及运行实验研究 郭素红)倪文)王凯军)邹安华) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京市环境保护科学研究院，北京100037 摘要采用载体吸附法的固定化方式培养了高活性的厌氧生物膜颗粒，并研究了反应器的启动运行、工艺特性及污泥特性 等规律，探索用生物膜颗粒取代厌氧颗粒污泥的可行性，以缓解国内颗粒污泥供应不足的问题·实验装置采用厌氧附着膜膨 胀床，投加人工配水，裸载体为陶粒（湿视密度1310kgm-3,平均粒径0.32mm)·实验分初次启动、二次启动及稳定运行两个 阶段进行，反应器仅需24d就可完成启动，C0D容积负荷最高达到18kgm-3d一1，相应的C0D去除率在70%一80%之间. 关键词陶粒；厌氧附着膜膨胀床：启动运行；工艺特性：污泥特性 分类号X703.1 高质量的颗粒污泥是现代所有高效厌氧生物反 1.1 实验装置 应器高效稳定运行的决定性因素，颗粒污泥不仅具 实验装置及反应器结构形式如图1(a),(b)所 有很高的生物活性，同时具有良好的沉降性能。但 示，反应器由有机玻璃制成，规格60mm× 是颗粒污泥的培养与获得需要较长的时间（一般为 2005mm,底部为平面，布水方式采用中央给水，切 3个月)山，也需要一定的技术水平，目前国内还缺 线回流的形式，反应区有效容积4.41L,总容积8L· 少足够的高活性颗粒污泥，许多新建厌氧反应器难 湿式气体流量计 (a) 以快速启动.因而必须研发一种由分散污泥接种， 三相分离器 在短时间内形成颗粒污泥的高效厌氧反应器， 出水水封 P]在研究污泥的颗粒化现象时发现，在分散 污泥中添加无烟煤等惰性载体有利于加速污泥颗粒 化进程.在好氧生物流化床反应器中，投加细小的 颗粒状载体，微生物可以附着在其表面，最终形成颗 沉淀池 (b) 粒生物膜，使反应器内能够迅速积累高浓度的生物 P取样口 量.参照好氧流化床，Jewell开发了厌氧附着膜膨 进水口 胀床(AAFEB)反应器3]，Jeis开发了厌氧流化床 进水箱进水泵反应器 回流泵 流口 (AFB)[内反应器，二者在实验室处理多种高浓度有 图1实验反应器流程图(a)和底部结构(b) 机废水均获得了成功， Fig-1 Flow chart of an experiment reactor (a)and its bottom 陶粒及改性陶粒是近年来在好氧工艺及厌氧滤 sketch (b) 床中常用的新型水处理填料).本研究针对国内 难以找到足够高质量接种颗粒污泥的现实，借鉴 1.2实验条件 AAFEB的成功经验，将价格低廉、生物亲和性好、容 (1)载体性质，陶粒外观为黑色角状，表面多 易获得的陶粒作为载体引入厌氧附着膜膨胀床反应 孔洞：载体粒径为60~80目(0.18~0.45mm),堆 器，对其初次启动、二次启动及稳定运行进行系统的 积密度709kgm-3,湿视密度1310kgm3. 实验研究 (2)接种污泥性质，接种污泥均取自山东滨州 淀粉厂生产性UASB反应器.接种污泥在接种前已 1 实验 在室温下放置14个月左右，经破碎、筛分后制成分 散污泥接种.各阶段反应器内接种污泥性质分别如 收稿日期：2006-04-20修回日期：2006-06-22 表1所示. 基金项目：国家“863”高新技术研究发展资助项目(N。 2002AA601190) 作者简介：郭素红(1973一)，女，博士研究生：倪文(1961一)男， 教授，博士生导师
厌氧陶粒附着膜膨胀床启动及运行实验研究 郭素红1） 倪 文1） 王凯军2） 邹安华1） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 北京市环境保护科学研究院北京100037 摘 要 采用载体吸附法的固定化方式培养了高活性的厌氧生物膜颗粒并研究了反应器的启动运行、工艺特性及污泥特性 等规律探索用生物膜颗粒取代厌氧颗粒污泥的可行性以缓解国内颗粒污泥供应不足的问题．实验装置采用厌氧附着膜膨 胀床投加人工配水裸载体为陶粒（湿视密度1310kg·m －3平均粒径0∙32mm）．实验分初次启动、二次启动及稳定运行两个 阶段进行反应器仅需24d 就可完成启动COD 容积负荷最高达到18kg·m －3·d －1相应的 COD 去除率在70％～80％之间． 关键词 陶粒；厌氧附着膜膨胀床；启动运行；工艺特性；污泥特性 分类号 X703∙1 收稿日期：20060420 修回日期：20060622 基金项目：国 家 “863” 高 新 技 术 研 究 发 展 资 助 项 目 （ No． 2002AA601190） 作者简介：郭素红（1973－）女博士研究生；倪 文（1961－）男 教授博士生导师 高质量的颗粒污泥是现代所有高效厌氧生物反 应器高效稳定运行的决定性因素．颗粒污泥不仅具 有很高的生物活性同时具有良好的沉降性能．但 是颗粒污泥的培养与获得需要较长的时间（一般为 3个月） ［1］也需要一定的技术水平目前国内还缺 少足够的高活性颗粒污泥许多新建厌氧反应器难 以快速启动．因而必须研发一种由分散污泥接种 在短时间内形成颗粒污泥的高效厌氧反应器． Pol ［2］在研究污泥的颗粒化现象时发现在分散 污泥中添加无烟煤等惰性载体有利于加速污泥颗粒 化进程．在好氧生物流化床反应器中投加细小的 颗粒状载体微生物可以附着在其表面最终形成颗 粒生物膜使反应器内能够迅速积累高浓度的生物 量．参照好氧流化床Jewell 开发了厌氧附着膜膨 胀床（AAFEB）反应器［3］Jeris 开发了厌氧流化床 （AFB） ［4］反应器二者在实验室处理多种高浓度有 机废水均获得了成功． 陶粒及改性陶粒是近年来在好氧工艺及厌氧滤 床中常用的新型水处理填料［5－8］．本研究针对国内 难以找到足够高质量接种颗粒污泥的现实借鉴 AAFEB 的成功经验将价格低廉、生物亲和性好、容 易获得的陶粒作为载体引入厌氧附着膜膨胀床反应 器对其初次启动、二次启动及稳定运行进行系统的 实验研究． 1 实验 1∙1 实验装置 实验装置及反应器结构形式如图1（a）（b）所 示反 应 器 由 有 机 玻 璃 制 成规 格●60mm× 2005mm底部为平面布水方式采用中央给水切 线回流的形式反应区有效容积4∙41L总容积8L． 图1 实验反应器流程图（a）和底部结构（b） Fig．1 Flow chart of an experiment reactor （a） and its bottom sketch （b） 1∙2 实验条件 （1） 载体性质．陶粒外观为黑色角状表面多 孔洞；载体粒径为60～80目（0∙18～0∙45mm）堆 积密度709kg·m －3湿视密度1310kg·m －3． （2） 接种污泥性质．接种污泥均取自山东滨州 淀粉厂生产性 UASB 反应器．接种污泥在接种前已 在室温下放置14个月左右经破碎、筛分后制成分 散污泥接种．各阶段反应器内接种污泥性质分别如 表1所示． 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．004
.16 北京科技大学学报 第29卷 表1不同阶段接种污泥性质 Table 1 Characteristics of inoculation sludge in different stages 阶段 形态 粒度/mm Vss质量浓度/(gL-) 接种量/L 反应器内VSs质量浓度/(gL-) I 分散 0.098 38.00 1.7 8.08 分散 <0.098 22.24 2.0 8.08 (3)基质.基质为实验室自配水，分别以葡萄 第I阶段运行36d,为初次启动实验；在第I阶段实 糖、脲素、磷酸二氢钾及少许微量元素为营养源，按 验完成后，反应器停运40d,开始进行第Ⅱ阶段的二 C0D:N:P=200:5:1配制.同时还加入适量 次启动实验（运行87d),同时开展中高负荷下陶粒 NaHCO3以调节反应区内pH值， 反应器的稳定运行及工艺特性、污泥特性研究， (4)温度及pH值，实验为中温厌氧实验，所有 2.1第1阶段一初次启动 实验装置均置于一个30士2℃的恒温室内，反应器 将接种污泥与陶粒同时加入反应器，用COD质 内pH值控制在6.5~7.2之间. 量浓度为2000mgL-的配水间歇循环3d(不计入 1.3分析方法 连续运行时间)，每天更换一半配水，以维持基质浓 COD采用重铬酸钾标准测定法闺，总悬浮固体 度.随后以C0D质量浓度为2000mgL的配水 TSS和挥发性悬浮固体VSS采用称重法[，pH采 进水，无回流，上升流速0.08mh1,水力停留时间 用PHS一2型酸度计和精密pH试纸进行测量，厌氧 34h,C0D容积负荷1~1.5kgm3d1.实验工艺 污泥活性采用史氏发酵管测定]，载体及污泥生物 运行曲线如图2所示. 相用扫描电镜拍照 实验第3天，C0D去除率达88.8%；逐步增加 2 实验结果和分析 流量，至第11天，C0D容积负荷接近3kgm-3. d厂1，C0D去除率为97.6%，反应器内出现少量细小 实验分两个阶段启动并考察载体的挂膜情况， 的颗粒污泥.第24天水力停留时间缩至14.5h,容 6000 120 1206 400 (a) 100 (b) 去除率 进水 80 5 60 10 0 容积负荷 出水 0 0 0 10 20 30 40 5 10152025 30 35 48 运行时间d 运行时间d 图2反应器初次启动运行结果·(a)COD质量浓度：(b)容积负荷及COD去除率 Fig-2 Results of reactor operation during the first start-up:(a)COD concentration:(b)volumetric loading rate and COD removal efficiency 积负荷5.2kgm-3d-1,去除率97.7%，反应器内 在反应器内出现粒径在1mm左右的颗粒污泥，启 充满大量的生物膜颗粒，粒径均匀，略微增大，床层 动完成.之后，缓慢提升容积负荷，最高达18kg· 膨胀率稳定，界面清晰.控制回流比在26.5左右， m-3d,这期间C0D去除率变化趋势为：15kg· 第35天时容积负荷达9kgm3d一1，C0D去除率 m-3d-1以下，稳态波动(86%~97%)：15~18kg· 为84.2%，反应器内生物膜颗粒完全形成，成功实 m-3d1时，缓慢下降；18kgm3d以上，急剧下 现反应器的启动， 降，并伴随污泥大量解体、流失等现象。可见，在过 2.2第Ⅱ阶段—二次启动及运行实验 高容积负荷的长时间冲击下，污泥流失较多，当污泥 第I阶段启动实验完成后，反应器停止运行 保有量不足以降解所负担的有机物时，反应器的去 40d开始进行二次启动实验，向第I阶段已停运的 除效率会急速下降，在高负荷条件下，陶粒生物膜 反应器内加入适量的分散污泥和陶粒，以容积负荷 颗粒对水力负荷及COD容积负荷的耐冲击能力相 3.6kgm-3d-1,进水C0D质量浓度2500mg· 对薄弱，分析认为，陶粒为多角不规则形状，以陶粒 L1,回流比26，上升流速4.3mh一及水力停留时 为核心的生物膜颗粒，在高负荷状态下，由于承受着 间18h启动.实验工艺运行曲线如图3所示. 较大的水力剪切及气体扰动，颗粒在各个角度的受 实验运行至第10天，C0D去除率达88.2%，之 力不均，极易造成生物膜的脱落及颗粒的解体，致使 后持续增至92%，并稳定在95%左右.第20天时 污泥过量流失，反应器运行效果恶化
表1 不同阶段接种污泥性质 Table1 Characteristics of inoculation sludge in different stages 阶段 形态 粒度／mm VSS 质量浓度／（g·L －1） 接种量／L 反应器内 VSS 质量浓度／（g·L －1） Ⅰ 分散 ＜0∙098 38∙00 1∙7 8∙08 Ⅱ 分散 ＜0∙098 22∙24 2∙0 8∙08 （3） 基质．基质为实验室自配水分别以葡萄 糖、脲素、磷酸二氢钾及少许微量元素为营养源按 COD∶N∶P ＝200∶5∶1 配制．同时还加入适量 NaHCO3以调节反应区内 pH 值． （4） 温度及 pH 值．实验为中温厌氧实验所有 实验装置均置于一个30±2℃的恒温室内反应器 内 pH 值控制在6∙5～7∙2之间． 1∙3 分析方法 COD 采用重铬酸钾标准测定法［4］总悬浮固体 TSS 和挥发性悬浮固体 VSS 采用称重法［4］pH 采 用 PHS－2型酸度计和精密 pH 试纸进行测量厌氧 污泥活性采用史氏发酵管测定［5］载体及污泥生物 相用扫描电镜拍照． 2 实验结果和分析 实验分两个阶段启动并考察载体的挂膜情况． 第Ⅰ阶段运行36d为初次启动实验；在第Ⅰ阶段实 验完成后反应器停运40d开始进行第Ⅱ阶段的二 次启动实验（运行87d）同时开展中高负荷下陶粒 反应器的稳定运行及工艺特性、污泥特性研究． 2∙1 第Ⅰ阶段－－－初次启动 将接种污泥与陶粒同时加入反应器用 COD 质 量浓度为2000mg·L －1的配水间歇循环3d（不计入 连续运行时间）每天更换一半配水以维持基质浓 度．随后以 COD 质量浓度为2000mg·L －1的配水 进水无回流上升流速0∙08m·h －1水力停留时间 34hCOD 容积负荷1～1∙5kg·m －3·d －1．实验工艺 运行曲线如图2所示． 实验第3天COD 去除率达88∙8％；逐步增加 流量至第11天COD 容积负荷接近3kg·m －3· d －1COD 去除率为97∙6％反应器内出现少量细小 的颗粒污泥．第24天水力停留时间缩至14∙5h容 图2 反应器初次启动运行结果．（a） COD 质量浓度；（b） 容积负荷及 COD 去除率 Fig．2 Results of reactor operation during the first start-up： （a） COD concentration；（b） volumetric loading rate and COD removal efficiency 积负荷5∙2kg·m －3·d －1去除率97∙7％反应器内 充满大量的生物膜颗粒粒径均匀略微增大床层 膨胀率稳定界面清晰．控制回流比在26∙5左右 第35天时容积负荷达9kg·m －3·d －1COD 去除率 为84∙2％反应器内生物膜颗粒完全形成成功实 现反应器的启动． 2∙2 第Ⅱ阶段－－－二次启动及运行实验 第Ⅰ阶段启动实验完成后反应器停止运行 40d开始进行二次启动实验．向第Ⅰ阶段已停运的 反应器内加入适量的分散污泥和陶粒以容积负荷 3∙6kg·m －3·d －1进水 COD 质量浓度 2500mg· L －1回流比26上升流速4∙3m·h －1及水力停留时 间18h 启动．实验工艺运行曲线如图3所示． 实验运行至第10天COD 去除率达88∙2％之 后持续增至92％并稳定在95％左右．第20天时 在反应器内出现粒径在1mm 左右的颗粒污泥启 动完成．之后缓慢提升容积负荷最高达18kg· m －3·d －1这期间 COD 去除率变化趋势为：15kg· m －3·d －1以下稳态波动（86％～97％）；15～18kg· m －3·d －1时缓慢下降；18kg·m －3·d －1以上急剧下 降并伴随污泥大量解体、流失等现象．可见在过 高容积负荷的长时间冲击下污泥流失较多当污泥 保有量不足以降解所负担的有机物时反应器的去 除效率会急速下降．在高负荷条件下陶粒生物膜 颗粒对水力负荷及 COD 容积负荷的耐冲击能力相 对薄弱分析认为陶粒为多角不规则形状以陶粒 为核心的生物膜颗粒在高负荷状态下由于承受着 较大的水力剪切及气体扰动颗粒在各个角度的受 力不均极易造成生物膜的脱落及颗粒的解体致使 污泥过量流失反应器运行效果恶化． ·16· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第1期 郭素红等：厌氧陶粒附着膜膨胀床启动及运行实验研究 ,17 了600 120r 160 (a) (b) 去除率 4000 进水 0 8 40 容积负荷 2 出水 20 0L- 0 W 0102030405060708090 运行时间d 运行时间d 图3反应器二次启动工艺运行结果。()COD质量浓度：(b)容积负荷及COD去除率 Fig-3 Results of reactor operation during the second start-up:(a)COD concentration:(b)volumetric loading rate and COD removal efficiency 2.3陶粒生物膜反应器工艺特性 第62天，负荷15kgm-3d1,高负荷冲击致使污 (1)水力负荷对反应器运行的影响，在生物膜 泥颗粒部分解体，粒径相对变小，出水悬浮物显著增 颗粒反应器的启动和运行过程中，水力负荷起着重 多，反应器内污泥质量浓度有所下降 要作用，从运行结果可知，当水力负荷达0.18m· 了16r h时，才形成颗粒污泥.在启动期间，由于选择压 “前新 12 污泥质量浓度、 30 及传质的作用，要求适当的水力负荷才能促成分散 8 20 污泥的颗粒化，但过高的水力负荷又会导致轻质的 4 容积负荷一一 分散污泥流失过多，使反应器无法启动.在稳定运 行期，适当的水力负荷起淘洗选择作用，颗粒污泥将 00102030 405060 7000 行时间d 变得更加密实，可承受更高的水力负荷冲击，高水 力负荷条件下培养的颗粒污泥有更强的耐冲击能 图4第【阶段实验污泥质量浓度和容积负荷随运行时间变化 力，同时由于水力负荷冲击造成解体的颗粒污泥在 曲线 Fig.4 Curves of the mass concentration and volumetric loading 适宜的条件下易于恢复， rate of sludge to time during the second stage (2)容积负荷对水处理效果的影响，如图3(b) 所示，CDD去除效果与COD容积负荷变化存在着 2.4.2陶粒生物膜颗粒活性变化 严密的相关性，陶粒反应器运行的第Ⅱ阶段的COD 第Ⅱ阶段实验污泥活性变化如图5所示，接种 去除率均随着容积负荷的变化经历同样的变化规 污泥活性、第20天（容积负荷4.0kgm3d1)、第 律.在启动成功后，随着容积负荷的升高，COD去 39天（容积负荷7.5kgm3d)、第71天（容积负 除率顺次经历稳定运行期、缓慢下降期、急速下降期 荷14kgm一3d一)反应器内污泥活性（以单位时间 三个阶段后，系统最终会走向崩溃.在一定的COD 内每克VSS去除的C0D量计)平均值依次为0.82， 容积负荷范围内，若反应器内污泥足以保障基质代 1.37,2.13和2.24gd-1.可见，1一20d期间，污泥 谢的进行，改变负荷并不影响其处理效果；进一步提 活性随着容积负荷的提高而增大，比接种污泥增加 高负荷，基质代谢效果随之降低，但系统运行仍然稳 67%;20~39d期间，污泥活性再次提高55%：39~ 定.若COD容积负荷超过反应器的处理能力，系统 71d期间，负荷提高87%，污泥活性只增长5%. 运行稳定性将遭破坏，基质去除率急剧下降， 2.5 2.4陶粒生物膜反应器污泥特性 2.0 2.4.1反应器运行过程中污泥量变化 第Ⅱ阶段反应器内污泥质量浓度随时间的变化 0.5 情况如图4所示.反应器内污泥质量浓度呈先下降 20 后上升的趋势：启动初期，反应器内主要是沉降性能 运行时间d 较差的分散污泥，污泥流失速率大于其增长速率，故 污泥质量浓度随时间降低；第20天，随着颗粒污泥 图5陶粒生物膜颗粒污泥活性变化 在反应器底部形成，沉降性能有很大提高，可承受更 Fig.5 Activity of granular sludge with time 高的水力负荷，加之随后进入提负荷阶段，充足的营 厌氧颗粒污泥接种后，在基质改变的工艺运行 养物质使污泥增长速率提高，污泥生长速率大于流 前期，其主要代谢菌群的数量及比例都发生较大变 失速率，因而反应器内污泥质量浓度呈正增长态势， 化，而高负荷稳定运行时，随着负荷的变化其主要
图3 反应器二次启动工艺运行结果．（a） COD 质量浓度；（b） 容积负荷及 COD 去除率 Fig．3 Results of reactor operation during the second start-up： （a） COD concentration；（b） volumetric loading rate and COD removal efficiency 2∙3 陶粒生物膜反应器工艺特性 （1） 水力负荷对反应器运行的影响．在生物膜 颗粒反应器的启动和运行过程中水力负荷起着重 要作用．从运行结果可知当水力负荷达0∙18m· h －1时才形成颗粒污泥．在启动期间由于选择压 及传质的作用要求适当的水力负荷才能促成分散 污泥的颗粒化但过高的水力负荷又会导致轻质的 分散污泥流失过多使反应器无法启动．在稳定运 行期适当的水力负荷起淘洗选择作用颗粒污泥将 变得更加密实可承受更高的水力负荷冲击．高水 力负荷条件下培养的颗粒污泥有更强的耐冲击能 力同时由于水力负荷冲击造成解体的颗粒污泥在 适宜的条件下易于恢复． （2） 容积负荷对水处理效果的影响．如图3（b） 所示COD 去除效果与 COD 容积负荷变化存在着 严密的相关性陶粒反应器运行的第Ⅱ阶段的 COD 去除率均随着容积负荷的变化经历同样的变化规 律．在启动成功后随着容积负荷的升高COD 去 除率顺次经历稳定运行期、缓慢下降期、急速下降期 三个阶段后系统最终会走向崩溃．在一定的 COD 容积负荷范围内若反应器内污泥足以保障基质代 谢的进行改变负荷并不影响其处理效果；进一步提 高负荷基质代谢效果随之降低但系统运行仍然稳 定．若 COD 容积负荷超过反应器的处理能力系统 运行稳定性将遭破坏基质去除率急剧下降． 2∙4 陶粒生物膜反应器污泥特性 2∙4∙1 反应器运行过程中污泥量变化 第Ⅱ阶段反应器内污泥质量浓度随时间的变化 情况如图4所示．反应器内污泥质量浓度呈先下降 后上升的趋势：启动初期反应器内主要是沉降性能 较差的分散污泥污泥流失速率大于其增长速率故 污泥质量浓度随时间降低；第20天随着颗粒污泥 在反应器底部形成沉降性能有很大提高可承受更 高的水力负荷加之随后进入提负荷阶段充足的营 养物质使污泥增长速率提高污泥生长速率大于流 失速率因而反应器内污泥质量浓度呈正增长态势． 第62天负荷15kg·m －3·d －1高负荷冲击致使污 泥颗粒部分解体粒径相对变小出水悬浮物显著增 多反应器内污泥质量浓度有所下降． 图4 第Ⅱ阶段实验污泥质量浓度和容积负荷随运行时间变化 曲线 Fig．4 Curves of the mass concentration and volumetric loading rate of sludge to time during the second stage 2∙4∙2 陶粒生物膜颗粒活性变化 第Ⅱ阶段实验污泥活性变化如图5所示接种 污泥活性、第20天（容积负荷4∙0kg·m －3·d －1）、第 39天（容积负荷7∙5kg·m －3·d －1）、第71天（容积负 荷14kg·m －3·d －1）反应器内污泥活性（以单位时间 内每克 VSS 去除的 COD 量计）平均值依次为0∙82 1∙372∙13和2∙24g·d －1．可见1～20d 期间污泥 活性随着容积负荷的提高而增大比接种污泥增加 67％；20～39d 期间污泥活性再次提高55％；39～ 71d期间负荷提高87％污泥活性只增长5％． 图5 陶粒生物膜颗粒污泥活性变化 Fig．5 Activity of granular sludge with time 厌氧颗粒污泥接种后在基质改变的工艺运行 前期其主要代谢菌群的数量及比例都发生较大变 化．而高负荷稳定运行时随着负荷的变化其主要 第1期 郭素红等： 厌氧陶粒附着膜膨胀床启动及运行实验研究 ·17·
18 北京科技大学学报 第29卷 代谢菌群的数量及比例均较为恒定.本实验中，接 的生物膜颗粒污泥，在此以第Ⅱ阶段颗粒污泥为研 种的分散污泥，除了在适应新基质过程中菌群种类 究对象，对生物膜颗粒的形成机理、微生物相特征进 进行重新分布及调整外，在各种物理化学力作用下 行研究分析· 向载体表面附着的过程中，还实现了优势菌种的选 (1)生物膜的形成过程，生物膜的形成过程见 择及快速增长，这一过程即为反应器的启动期.当 图6.陶粒表面具有大于0.5m的形状不规则的孔 污泥适应新基质并形成生物膜颗粒后，重新建立的 洞，其较高的机械强度、粗糙的表面及较大的比表面 生态体系已适应新基质，生物膜中优势菌数量增多， 积，为微生物的附着提供有利条件。载体生物膜的 活性明显增强，此后，微生物进入正常代谢、增长阶 形成首先是生物被吸附至陶粒载体表面（如 段，此时基于厌氧微生物的增长速率和环境资源容 图6(c),形成局部生物膜，附着于载体表面的微生 量所限，微生物的增长速率减慢，相应的污泥活性增 物利用基质生长繁殖，并网捕存在于液相中的微生 长也随之减慢. 物絮体，在局部首先形成新生生物膜，生物膜不断发 2.4.3陶粒生物膜颗粒微生物特性 展，并覆盖整个载体表面，并最终形成生物膜颗粒 在厌氧陶粒生物膜颗粒反应器的两个阶段的启 (如图6(d) 动和稳定运行过程中，均成功培养出以陶粒为载体 (d) 图6生物膜颗粒的形成过程.(a)裸陶粒；(b)陶粒表面微孔：(c)初长膜的陶粒；(d)成熟生物膜颗粒 Fig.6 Formation of biofilm granular sludge:(a)bare ceramisites:(b)micropores in the surface of ceramisites:(c)initial stages of biofilm formation;(d)mature biofilm granular sludge (2)生物膜中微生物相特性，接种污泥为分散 生物相组成、分布及优势菌种与接种污泥相比有较 污泥，存在着球菌、短杆菌、丝状菌、无机质等，其中 大改变，其表面及剖面微生物组成和分布情况如 以短杆菌占优势，随着载体表面生物膜形成，其微 图7和图8所示 (a) (b) 图7陶粒生物膜颗粒(a)表面微生物分布·(b),(c)和(d)分别是(a)中的b,c和d点的SEM照片 Fig-7 Distributing of microorganism in the surface of biofilm granular sludge (a):(b),(c)and (d)SEMmicrographs at sites b,c.and d in Fig.(a) (a) 图8陶粒生物膜颗粒剖面微生物分布。(a)横剖面；(b)边缘：(c)中部：(d)中心 Fig.8 Distributing of microorganism in the section of biofilm granular sludge:(a)section;(b)edge;(c)middle;(d)center
代谢菌群的数量及比例均较为恒定．本实验中接 种的分散污泥除了在适应新基质过程中菌群种类 进行重新分布及调整外在各种物理化学力作用下 向载体表面附着的过程中还实现了优势菌种的选 择及快速增长这一过程即为反应器的启动期．当 污泥适应新基质并形成生物膜颗粒后重新建立的 生态体系已适应新基质生物膜中优势菌数量增多 活性明显增强．此后微生物进入正常代谢、增长阶 段此时基于厌氧微生物的增长速率和环境资源容 量所限微生物的增长速率减慢相应的污泥活性增 长也随之减慢． 2∙4∙3 陶粒生物膜颗粒微生物特性 在厌氧陶粒生物膜颗粒反应器的两个阶段的启 动和稳定运行过程中均成功培养出以陶粒为载体 的生物膜颗粒污泥．在此以第Ⅱ阶段颗粒污泥为研 究对象对生物膜颗粒的形成机理、微生物相特征进 行研究分析． （1） 生物膜的形成过程．生物膜的形成过程见 图6．陶粒表面具有大于0∙5μm 的形状不规则的孔 洞其较高的机械强度、粗糙的表面及较大的比表面 积为微生物的附着提供有利条件．载体生物膜的 形成 首 先 是 生 物 被 吸 附 至 陶 粒 载 体 表 面 （如 图6（c））形成局部生物膜附着于载体表面的微生 物利用基质生长繁殖并网捕存在于液相中的微生 物絮体在局部首先形成新生生物膜生物膜不断发 展并覆盖整个载体表面并最终形成生物膜颗粒 （如图6（d））． 图6 生物膜颗粒的形成过程．（a）裸陶粒；（b）陶粒表面微孔；（c）初长膜的陶粒；（d）成熟生物膜颗粒 Fig．6 Formation of biofilm granular sludge： （a） bare ceramisites；（b） micropores in the surface of ceramisites；（c） initial stages of biofilm formation；（d） mature biofilm granular sludge （2） 生物膜中微生物相特性．接种污泥为分散 污泥存在着球菌、短杆菌、丝状菌、无机质等其中 以短杆菌占优势．随着载体表面生物膜形成其微 生物相组成、分布及优势菌种与接种污泥相比有较 大改变．其表面及剖面微生物组成和分布情况如 图7和图8所示． 图7 陶粒生物膜颗粒（a）表面微生物分布．（b）（c）和（d）分别是（a）中的 bc 和 d 点的 SEM 照片 Fig．7 Distributing of microorganism in the surface of biofilm granular sludge （a）： （b）（c） and （d） SEM micrographs at sites bcand d in Fig．（a） 图8 陶粒生物膜颗粒剖面微生物分布．（a） 横剖面；（b） 边缘；（c） 中部；（d） 中心 Fig．8 Distributing of microorganism in the section of biofilm granular sludge： （a） section；（b） edge；（c） middle；（d） center ·18· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第1期 郭素红等：厌氧陶粒附着膜膨胀床启动及运行实验研究 .19. 成熟的颗粒污泥多为球形或椭球形，颗粒污泥 过高的COD容积负荷，实验中所能达到的最高 表面存在细菌分区生长的现象，细菌主要有球菌、短 C0D容积负荷为18kgm-3d1. 杆菌、丝状菌、链球菌等， 为研究颗粒污泥微生物相沿径向的分布特点， 参考文献 对陶粒生物膜颗粒污泥剖面进行扫描电镜分析（如 [1]许丹东，肖红，膝兰珍.高效厌氧生物反应器快速启动的研 究.甘肃环境研究与监测，1994,7(1)：28 图8所示)·陶粒颗粒污泥剖面沿径向细菌分布无 [2]Pol H.The Phenomenon of granulation of anaerobic sludge [Dis- 明显差异，边缘与中间层的细菌均以短杆菌居多，且 sertation].Wageningen:Agricultural University,1989 细菌饱满程度相当，说明生物膜活性沿径向无较大 [3]Jewell W J.Switzenbaum MS.Morris J W.Municipal wastewa- 梯度 ter treatment with the anaerobic attached microbial film expanded bed process.Water Pollut Control Fed,1981,53:482 3结论 [4]方治华，柯益华，杨平，等.厌氧流化床反应器微生物固定化 载体筛选的研究.环境科学学报，1995,15(4)：399 (1)以陶粒为载体的厌氧附着膜膨胀床反应器 [5]余莹，黄江南，林波，等.新型水处理填料一纳米改性陶粒 在11d,开始出现颗粒污泥，20~30d形成大量的颗 的研制.给水排水，2004,30(12)：95 粒污泥，24d即可完成启动，与直接接种颗粒污泥的 [6]桑军强，王占生.低温条件下生物陶粒反应器运行特性研究 反应器的启动周期相当或略快，但首次启动不宜采 环境科学，2003,24(2)：112 用过高的水力负荷，二次启动则可以采用相对高的 [7]曹丛荣，贾立敏，黄清华，等.SBAR反应器生物膜生长特性 城市环境与城市生态，2005,18(5)：15 启动负荷，经20d可完成启动. [8]岳敏，胡九成，赵海霞.国产轻质陶粒用于厌氧滤池的特性研 (2)在生物膜颗粒的形成过程中水力负荷及容 究.环境污染与防治，2004,26(1)：22 积负荷是重要的影响因素，其中水力负荷对污泥的 [9]国家环境保护局，水与废水检测分析方法，3版.北京：中国 颗粒化有着重要作用，出现颗粒化的最低流速在 环境科学出版社，1997：233 0.2mh左右.成熟的生物膜颗粒表面的微生物 [1O]吴唯民，厌氧升流式污泥床(UASB)反应器内颗粒污泥的形 成及其特性研究[学位论文]·北京：清华大学环境工程系 呈多样化分区生长现象 1984 (③)以陶粒为载体培养的生物膜颗粒不宜承受 Investigation on start -up and operation of an anaerobic attached microbial film ex- panded bed with ceramisites as biofilm carrier GUO Suhong),NI Wen),WANG Kaijun2),ZOU Ankua) 1)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China: 2)Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection.Beijing 100037,China ABSTRACI Anaerobic biofilm particles with high activity were developed by the immobilized method of carrier adsorption.The start-up and operation of the reactor,the processing characteristics and the sludge characteris- tics were investigated.The feasibility of granular sludge replaced by biofilm particles was discussed to resolve the shortage of granular sludge in China.The equipment was applied an anaerobic attached microbial film expanded bed,whose influent was artificial and whose bare carrier was ceramic media with a wet superficial density of 1310kg'mand an averaged meter of 0.32mm.The results showed that start-up of the reactor was successful only in 24d,the COD volumetric loading rate (OLR)was up to 18kg'mdand the COD removal efficiency was70%80%. KEY WORDS ceramisites;anaerobic attached microbial film expanded bed;start-up and operation;processing characteristics:sludge characteristics
成熟的颗粒污泥多为球形或椭球形颗粒污泥 表面存在细菌分区生长的现象细菌主要有球菌、短 杆菌、丝状菌、链球菌等． 为研究颗粒污泥微生物相沿径向的分布特点 对陶粒生物膜颗粒污泥剖面进行扫描电镜分析（如 图8所示）．陶粒颗粒污泥剖面沿径向细菌分布无 明显差异边缘与中间层的细菌均以短杆菌居多且 细菌饱满程度相当说明生物膜活性沿径向无较大 梯度． 3 结论 （1） 以陶粒为载体的厌氧附着膜膨胀床反应器 在11d开始出现颗粒污泥20～30d 形成大量的颗 粒污泥24d 即可完成启动与直接接种颗粒污泥的 反应器的启动周期相当或略快．但首次启动不宜采 用过高的水力负荷二次启动则可以采用相对高的 启动负荷经20d 可完成启动． （2） 在生物膜颗粒的形成过程中水力负荷及容 积负荷是重要的影响因素其中水力负荷对污泥的 颗粒化有着重要作用．出现颗粒化的最低流速在 0∙2m·h －1左右．成熟的生物膜颗粒表面的微生物 呈多样化分区生长现象． （3） 以陶粒为载体培养的生物膜颗粒不宜承受 过高的 COD 容积负荷实验中所能达到的最高 COD 容积负荷为18kg·m －3·d －1． 参 考 文 献 ［1］ 许丹东肖红滕兰珍．高效厌氧生物反应器快速启动的研 究．甘肃环境研究与监测19947（1）：28 ［2］ Pol H．The Phenomenon of granulation of anaerobic sludge ［Dissertation］．Wageningen：Agricultural University1989 ［3］ Jewell W JSwitzenbaum M SMorris J W．Municipal wastewater treatment with the anaerobic attached microbial film expanded bed process．Water Pollut Control Fed198153：482 ［4］ 方治华柯益华杨平等．厌氧流化床反应器微生物固定化 载体筛选的研究．环境科学学报199515（4）：399 ［5］ 余莹黄江南林波等．新型水处理填料－－－纳米改性陶粒 的研制．给水排水200430（12）：95 ［6］ 桑军强王占生．低温条件下生物陶粒反应器运行特性研究． 环境科学200324（2）：112 ［7］ 曹丛荣贾立敏黄清华等．SBAR 反应器生物膜生长特性． 城市环境与城市生态200518（5）：15 ［8］ 岳敏胡九成赵海霞．国产轻质陶粒用于厌氧滤池的特性研 究．环境污染与防治200426（1）：22 ［9］ 国家环境保护局．水与废水检测分析方法．3版．北京：中国 环境科学出版社1997：233 ［10］ 吴唯民．厌氧升流式污泥床（UASB）反应器内颗粒污泥的形 成及其特性研究 ［学位论文］．北京：清华大学环境工程系 1984 Investigation on start-up and operation of an anaerobic attached microbial film expanded bed with ceramisites as biofilm carrier GUO Suhong 1）NI Wen 1）WA NG Kaijun 2）ZOU A nhua 1） 1） Civil and Environmental Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China； 2） Beijing Municipal Research Institute of Environmental ProtectionBeijing100037China ABSTRACT Anaerobic biofilm particles with high activity were developed by the immobilized method of carrier adsorption．The start-up and operation of the reactorthe processing characteristics and the sludge characteristics were investigated．The feasibility of granular sludge replaced by biofilm particles was discussed to resolve the shortage of granular sludge in China．The equipment was applied an anaerobic attached microbial film expanded bedwhose influent was artificial and whose bare carrier was ceramic media with a wet superficial density of 1310kg·m －3 and an averaged meter of0∙32mm．The results showed that start-up of the reactor was successful only in24dthe COD volumetric loading rate （OLR） was up to18kg·m －3·d －1and the COD removal efficiency was70％～80％． KEY WORDS ceramisites；anaerobic attached microbial film expanded bed；start-up and operation；processing characteristics；sludge characteristics 第1期 郭素红等： 厌氧陶粒附着膜膨胀床启动及运行实验研究 ·19·
