UASB和egsb反应器中厌氧颗粒污泥生物学特性的比较
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应用与环境生物学报 2000 ,6 (5) :473～476 Chin J Appl Environ Biol = ISSN 1006 - 687X
2000210225
UASB 和 EGSB 反应器中厌氧颗粒污泥 生物学特性的比较 3
周洪波 陈 坚 3 3 任洪强 丁丽丽 华兆哲
(无锡轻工大学生物工程学院环境生物技术研究室 江苏无锡 214036)
摘 要 测定了实验室规模的 2 L EGSB 和 UASB 反应器中培养的厌氧颗粒污泥在不同基质中的比产甲烷活 性 、辅酶 F420含量和胞外多聚物含量. 结果表明 ,EGSB 反应器颗粒污泥在葡萄糖上的比产甲烷活性 、利用乙酸的 甲烷菌和产氢产乙酸菌的活性和胞外多聚物含量明显高于 UASB 反应器颗粒污泥. 而 UASB 反应器颗粒污泥中 利用甲酸和氢的甲烷菌的活性以及辅酶 F420的含量较 EGSB 反应器颗粒污泥更高. 辅酶 F420可以指示同种厌氧颗 粒污泥的甲烷菌活性. 放置三个月以上的厌氧颗粒污泥 ,产氢产乙酸菌活性几乎丧失 ,利用甲酸和氢的甲烷菌 受到的影响相对较小. 图 2 表 2 参 13 关键词 UASB ; EGSB ; 厌氧颗粒污泥 ; 生物学性质 CLC TQ921. 7 : X703
Fig. 1 Schmatic of experimental apparatus for anaerobic sludge culture 12EGSB 反应器 ; 22UASB 反应器 ; 32合成废水 ; 42泵 ; 52换热
微量元素[5] 1 mL L - 1 . pH 用 NaHCO3 调 节 至 6. 8 ～ 器 ; 62进水口 ; 72出水口 ; 82三相分离器 ; 92取样口
( Lab of Environmental Biotechnology , School of Biotechnology , Wuxi University of Light Industry , Wuxi , Jiangsu , 214036 , China)
Abstract The specific methane production activities , contents of coenzyme F420 and extracelluar polymers
COMPARATIVE STUDY ON THE BIOLO GICAL CHARACTERISTICS OF ANAEROBIC GRANULAR SL UD GES
FROM UASB AND EGSB REACTORS
ZHOU Hongbo , CHEN Jian 3 3 , REN Hongqiang , DING Lili & HUA Zhaozhe
器. 水力停留时间 ( tHR) UASB 反应器为 24 h , EGSB 反 应器为全回流 ,24 h 换水一次. 取反应器下部的厌氧
颗粒污泥作实验. 具体培养条件和不同颗粒污泥的物
理性质见文献[4] . 本文中新鲜颗粒污泥是指直接从反
应器中取出的污泥 ,长期放置的颗粒污泥是指在室温
下放置 3 个月后的污泥.
were determined in anaerobic granular sludges cultured in 2 L bench2scale EGSB and UASB reactors. Results showed that in sludge from EGSB reactor , the specific methane production activity in glucose , the activities of acetate2utilizing methanogens and hydrogen2producing acetogens and content of extracellular polymers were ap2 parently higher than those in sludge from UASB reactor. However , the activities of formate2utilizing and hydro2 gen2utilizing methanogens , and content of coenzyme F420 in sludge from UASB reactor were higher than those in sludge from EGSB reactor. The content of coenzyme F420 could indicate the activity of methanogens in the same kind of sludge. In sludges deposited for 3 months , little activity of hydrogen2producing acetogens was deter2 mined , whereas the activities of formate2utilizing and hydrogen2utilizing methanogens were less affected by stor2 age. Fig 2 , Tab 2 , Ref 13 Keywords UASB ; EGSB ; anaerobic granular sludge ; biological characteristics CLC TQ921. 7 : X703
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
5期
周洪波等 : UASB 和 EGSB 反应器中厌氧颗粒污泥生物学特性的比较
4 75
的颗粒污泥 ,因而可以承受更高的 COD 负荷.
表 1 显示 UASB 反应器颗粒污泥中利用甲酸盐的甲烷菌明显比 EGSB 反应器颗粒污泥中同类甲烷菌多 ,
这也间接说明 UASB 反应器颗粒污泥利用氢的甲烷菌数量较 EGSB 反应器颗粒污泥多 ,因为约 50 %的利用氢
的甲烷菌能够利用甲酸盐[9] . 而 EGSB 反应器颗粒污泥在乙酸和戊酸中的比产甲烷活性略高 ,因此 EGSB 反应
器颗粒污泥利用乙酸和戊酸的厌氧菌数量稍多. EGSB 反应器颗粒污泥在丙酸 、丁酸和乳酸中的比产甲烷活性
为考察不同来源 (UASB 和 EGSB 反应器) 和不同状态 (新鲜和长期放置后) 厌氧颗粒污泥中各种厌氧微生 物特别是产甲烷菌的活性 ,作者分别采用甲酸 、乙酸 、丙酸 、丁酸 、戊酸 、乳酸等为基质测定不同颗粒污泥的比 产甲烷活性. 结果如表 1 所示. 由于葡萄糖合成废水是测定污泥活性最常用基质 ,因此 ,颗粒污泥利用葡萄糖 产甲烷的情况也一并列入表 1.
产生的能量较少或自由能变化为正值 ,因而反应速率下降或不能进行 ,丙酸 、丁酸和乳酸积累[10] , 使利用丙
酸 、丁酸和乳酸的产氢产乙酸菌得到富集.
表 1 不同颗粒污泥在不同基质上的最大比产甲烷活性[ Rmax (CH4) / mL g- 1 d - 1 ] Table 1 Maximum specific methane production rates of granular sludges in different substrates
1 材料和方法
1. 1 实验材料
1. 1. 1 厌氧颗粒污泥来源和培养系统 以无锡太
湖水啤酒有限公司废水处理厂 UASB 反应器中的颗
粒污泥为接种污泥 ,采用葡萄糖合成废水分别在 2 L
UASB 和 2 L EGSB 反应器中长期培养 (图 1) . 反应器
在 35 ℃的恒温箱中 ,进水经换热后从底部进入反应
1. 2. 1 颗粒污泥比产甲烷活性的测定 用史氏发酵法[6] .
1. 2. 2 厌氧颗粒污泥中辅酶 F420的测定 紫外分光光度法[6] .
1. 2. 3 胞外多聚物的测定 硫酸法[7] .
1. 2. 4 VSS 测定 重量法[8] .
2 结果和分析
2. 1 两种厌氧颗粒污泥在不同基质中的产甲烷活性
1. 1. 2 人工合成废水组成 (ρ/ g L - 1) 葡萄糖 2 ,
(NH4) 2CO3 0. 04 , CaCl2 0. 004 , KH2PO4 0. 04 , 酵母膏
图 1 厌氧颗粒污泥培养装置
0. 08 , NH4Cl 0. 04 , MgSO4 0. 008 ,加自来水配制至 1 L.
上流式厌氧污泥床 (Upflow Anaerobic Sludges Bed , 简称 UASB) 是 20 世纪 70 年代开发的第二代废水厌氧生 物处理反应器中典型的一种. 由于在 UASB 反应器中能形成产甲烷活性高 、沉降性能良好的颗粒污泥 ,因而 UASB 反应器具有很高的有机负荷 (ρt (COD) = 15 kg m3 d - 1) ,近 10 年来得到了最广泛的应用 ,目前约占全世界 正在运行的厌氧反应器中总数的 67 %[1] . 厌氧膨胀颗粒床反应器 ( Expanded Granular Sludge Bed , 简称为 EGSB)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7. 0.
12EGSB reactor ; 22UASB reactor ; 32Feed reservior ; 42Pump ; 52
1. 2 分析方法
Heater ; 62Inlet ; 72Outlet ; 82Three2phase separator ; 92Sampling point
4 74 应 用 与 环 境 生 物 学 报 6 卷
是在 UASB 反应器的基础上开发的第三代高效厌氧反应器 ,其特点包括 : (1) 液体表面上升流速大 ,从而使反 应器中传质效果好 ; (2) 采用颗粒污泥接种 ,并且颗粒污泥结构良好 ,抗冲击负荷能力强 ; (3) COD 去除负荷高 , 特别是在低温条件下处理中低浓度废水时 ,优势明显 ; (4) 高径比 ( h/ d) 较大 ,占地面积小等特点 ,被认为是最 有前途的第三代厌氧反应器[2 ,3] . 目前 ,国际上只有少数国家对 EGSB 反应器进行研究 ,工业规模的 EGSB 反应 器为数还少 ,我国对 EGSB 反应器的研究也刚刚开始.
由于厌氧颗粒污泥是 UASB 和 EGSB 反应器高效 、稳定运行的关键 ,而两种反应器在结构 、性能和运行参 数上的不同 ,必然导致其中的厌氧颗粒污泥性能上的差异. 因此对这两种反应器中厌氧颗粒污泥厌氧微生物 活性 、酶学性质和胞外多聚物和进行比较研究 ,无疑将对这两种反应器特别是 EGSB 反应器的工业应用提供 一定的理论基础 .
则是明显高于 UASB 反应器颗粒污泥 ,表明利用这三类有机酸的产氢产乙酸菌在 EGSB 反应器颗粒污泥中数
量较多. 这可能是由于 EGSB 反应器颗粒污泥中利用氢的甲烷菌数量相对较少 ,种间氢转递作用减弱直接造
成氢分压的升高 ,而按照热力学原理 ,在较高氢分压条件下 ,葡萄糖发酵生成的丙酸和丁酸降解为乙酸的反应
收稿日期 : 2000205215 接受日期 : 2000207227 3 本研究得到同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室 2000 年开放课题基金资助. 3 3 通讯联系人 (Corresponding author)
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
从表 1 可以看出 ,EGSB 反应器颗粒污泥在以葡萄糖为基质中的比产甲烷活性显著大于 UASB 反应器颗 粒污泥的活性 ,前者是后者的 1. 5 倍以上. 除了甲酸 ,在不同有机酸中的比产甲烷活性也以 EGSB 反应器颗粒 污泥高. 这充分说明 ,与 UASB 反应器相比 , EGSB 反应器作为第三代高效厌氧反应器确实能培养出更高活性
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UASB 和 EGSB 反应器中厌氧颗粒污泥 生物学特性的比较 3
周洪波 陈 坚 3 3 任洪强 丁丽丽 华兆哲
(无锡轻工大学生物工程学院环境生物技术研究室 江苏无锡 214036)
摘 要 测定了实验室规模的 2 L EGSB 和 UASB 反应器中培养的厌氧颗粒污泥在不同基质中的比产甲烷活 性 、辅酶 F420含量和胞外多聚物含量. 结果表明 ,EGSB 反应器颗粒污泥在葡萄糖上的比产甲烷活性 、利用乙酸的 甲烷菌和产氢产乙酸菌的活性和胞外多聚物含量明显高于 UASB 反应器颗粒污泥. 而 UASB 反应器颗粒污泥中 利用甲酸和氢的甲烷菌的活性以及辅酶 F420的含量较 EGSB 反应器颗粒污泥更高. 辅酶 F420可以指示同种厌氧颗 粒污泥的甲烷菌活性. 放置三个月以上的厌氧颗粒污泥 ,产氢产乙酸菌活性几乎丧失 ,利用甲酸和氢的甲烷菌 受到的影响相对较小. 图 2 表 2 参 13 关键词 UASB ; EGSB ; 厌氧颗粒污泥 ; 生物学性质 CLC TQ921. 7 : X703
Fig. 1 Schmatic of experimental apparatus for anaerobic sludge culture 12EGSB 反应器 ; 22UASB 反应器 ; 32合成废水 ; 42泵 ; 52换热
微量元素[5] 1 mL L - 1 . pH 用 NaHCO3 调 节 至 6. 8 ～ 器 ; 62进水口 ; 72出水口 ; 82三相分离器 ; 92取样口
( Lab of Environmental Biotechnology , School of Biotechnology , Wuxi University of Light Industry , Wuxi , Jiangsu , 214036 , China)
Abstract The specific methane production activities , contents of coenzyme F420 and extracelluar polymers
COMPARATIVE STUDY ON THE BIOLO GICAL CHARACTERISTICS OF ANAEROBIC GRANULAR SL UD GES
FROM UASB AND EGSB REACTORS
ZHOU Hongbo , CHEN Jian 3 3 , REN Hongqiang , DING Lili & HUA Zhaozhe
器. 水力停留时间 ( tHR) UASB 反应器为 24 h , EGSB 反 应器为全回流 ,24 h 换水一次. 取反应器下部的厌氧
颗粒污泥作实验. 具体培养条件和不同颗粒污泥的物
理性质见文献[4] . 本文中新鲜颗粒污泥是指直接从反
应器中取出的污泥 ,长期放置的颗粒污泥是指在室温
下放置 3 个月后的污泥.
were determined in anaerobic granular sludges cultured in 2 L bench2scale EGSB and UASB reactors. Results showed that in sludge from EGSB reactor , the specific methane production activity in glucose , the activities of acetate2utilizing methanogens and hydrogen2producing acetogens and content of extracellular polymers were ap2 parently higher than those in sludge from UASB reactor. However , the activities of formate2utilizing and hydro2 gen2utilizing methanogens , and content of coenzyme F420 in sludge from UASB reactor were higher than those in sludge from EGSB reactor. The content of coenzyme F420 could indicate the activity of methanogens in the same kind of sludge. In sludges deposited for 3 months , little activity of hydrogen2producing acetogens was deter2 mined , whereas the activities of formate2utilizing and hydrogen2utilizing methanogens were less affected by stor2 age. Fig 2 , Tab 2 , Ref 13 Keywords UASB ; EGSB ; anaerobic granular sludge ; biological characteristics CLC TQ921. 7 : X703
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
5期
周洪波等 : UASB 和 EGSB 反应器中厌氧颗粒污泥生物学特性的比较
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的颗粒污泥 ,因而可以承受更高的 COD 负荷.
表 1 显示 UASB 反应器颗粒污泥中利用甲酸盐的甲烷菌明显比 EGSB 反应器颗粒污泥中同类甲烷菌多 ,
这也间接说明 UASB 反应器颗粒污泥利用氢的甲烷菌数量较 EGSB 反应器颗粒污泥多 ,因为约 50 %的利用氢
的甲烷菌能够利用甲酸盐[9] . 而 EGSB 反应器颗粒污泥在乙酸和戊酸中的比产甲烷活性略高 ,因此 EGSB 反应
器颗粒污泥利用乙酸和戊酸的厌氧菌数量稍多. EGSB 反应器颗粒污泥在丙酸 、丁酸和乳酸中的比产甲烷活性
为考察不同来源 (UASB 和 EGSB 反应器) 和不同状态 (新鲜和长期放置后) 厌氧颗粒污泥中各种厌氧微生 物特别是产甲烷菌的活性 ,作者分别采用甲酸 、乙酸 、丙酸 、丁酸 、戊酸 、乳酸等为基质测定不同颗粒污泥的比 产甲烷活性. 结果如表 1 所示. 由于葡萄糖合成废水是测定污泥活性最常用基质 ,因此 ,颗粒污泥利用葡萄糖 产甲烷的情况也一并列入表 1.
产生的能量较少或自由能变化为正值 ,因而反应速率下降或不能进行 ,丙酸 、丁酸和乳酸积累[10] , 使利用丙
酸 、丁酸和乳酸的产氢产乙酸菌得到富集.
表 1 不同颗粒污泥在不同基质上的最大比产甲烷活性[ Rmax (CH4) / mL g- 1 d - 1 ] Table 1 Maximum specific methane production rates of granular sludges in different substrates
1 材料和方法
1. 1 实验材料
1. 1. 1 厌氧颗粒污泥来源和培养系统 以无锡太
湖水啤酒有限公司废水处理厂 UASB 反应器中的颗
粒污泥为接种污泥 ,采用葡萄糖合成废水分别在 2 L
UASB 和 2 L EGSB 反应器中长期培养 (图 1) . 反应器
在 35 ℃的恒温箱中 ,进水经换热后从底部进入反应
1. 2. 1 颗粒污泥比产甲烷活性的测定 用史氏发酵法[6] .
1. 2. 2 厌氧颗粒污泥中辅酶 F420的测定 紫外分光光度法[6] .
1. 2. 3 胞外多聚物的测定 硫酸法[7] .
1. 2. 4 VSS 测定 重量法[8] .
2 结果和分析
2. 1 两种厌氧颗粒污泥在不同基质中的产甲烷活性
1. 1. 2 人工合成废水组成 (ρ/ g L - 1) 葡萄糖 2 ,
(NH4) 2CO3 0. 04 , CaCl2 0. 004 , KH2PO4 0. 04 , 酵母膏
图 1 厌氧颗粒污泥培养装置
0. 08 , NH4Cl 0. 04 , MgSO4 0. 008 ,加自来水配制至 1 L.
上流式厌氧污泥床 (Upflow Anaerobic Sludges Bed , 简称 UASB) 是 20 世纪 70 年代开发的第二代废水厌氧生 物处理反应器中典型的一种. 由于在 UASB 反应器中能形成产甲烷活性高 、沉降性能良好的颗粒污泥 ,因而 UASB 反应器具有很高的有机负荷 (ρt (COD) = 15 kg m3 d - 1) ,近 10 年来得到了最广泛的应用 ,目前约占全世界 正在运行的厌氧反应器中总数的 67 %[1] . 厌氧膨胀颗粒床反应器 ( Expanded Granular Sludge Bed , 简称为 EGSB)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7. 0.
12EGSB reactor ; 22UASB reactor ; 32Feed reservior ; 42Pump ; 52
1. 2 分析方法
Heater ; 62Inlet ; 72Outlet ; 82Three2phase separator ; 92Sampling point
4 74 应 用 与 环 境 生 物 学 报 6 卷
是在 UASB 反应器的基础上开发的第三代高效厌氧反应器 ,其特点包括 : (1) 液体表面上升流速大 ,从而使反 应器中传质效果好 ; (2) 采用颗粒污泥接种 ,并且颗粒污泥结构良好 ,抗冲击负荷能力强 ; (3) COD 去除负荷高 , 特别是在低温条件下处理中低浓度废水时 ,优势明显 ; (4) 高径比 ( h/ d) 较大 ,占地面积小等特点 ,被认为是最 有前途的第三代厌氧反应器[2 ,3] . 目前 ,国际上只有少数国家对 EGSB 反应器进行研究 ,工业规模的 EGSB 反应 器为数还少 ,我国对 EGSB 反应器的研究也刚刚开始.
由于厌氧颗粒污泥是 UASB 和 EGSB 反应器高效 、稳定运行的关键 ,而两种反应器在结构 、性能和运行参 数上的不同 ,必然导致其中的厌氧颗粒污泥性能上的差异. 因此对这两种反应器中厌氧颗粒污泥厌氧微生物 活性 、酶学性质和胞外多聚物和进行比较研究 ,无疑将对这两种反应器特别是 EGSB 反应器的工业应用提供 一定的理论基础 .
则是明显高于 UASB 反应器颗粒污泥 ,表明利用这三类有机酸的产氢产乙酸菌在 EGSB 反应器颗粒污泥中数
量较多. 这可能是由于 EGSB 反应器颗粒污泥中利用氢的甲烷菌数量相对较少 ,种间氢转递作用减弱直接造
成氢分压的升高 ,而按照热力学原理 ,在较高氢分压条件下 ,葡萄糖发酵生成的丙酸和丁酸降解为乙酸的反应
收稿日期 : 2000205215 接受日期 : 2000207227 3 本研究得到同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室 2000 年开放课题基金资助. 3 3 通讯联系人 (Corresponding author)
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
从表 1 可以看出 ,EGSB 反应器颗粒污泥在以葡萄糖为基质中的比产甲烷活性显著大于 UASB 反应器颗 粒污泥的活性 ,前者是后者的 1. 5 倍以上. 除了甲酸 ,在不同有机酸中的比产甲烷活性也以 EGSB 反应器颗粒 污泥高. 这充分说明 ,与 UASB 反应器相比 , EGSB 反应器作为第三代高效厌氧反应器确实能培养出更高活性