一种解除厌氧反应器中软性纤维填料生物膜结团的方法

摘要

本发明公开了一种解除厌氧反应器中软性纤维填料生物膜结团的方法,在已经发生生物膜结团的软性纤维填料厌氧反应器的原料中添加鼠李糖脂，将溶解有鼠李糖脂的原料通过进料过程引入反应器内；利用反应器内的循环泵，使鼠李糖脂在反应器内充分分散，并与结团生物膜充分接触，在鼠李糖脂的作用下，生物膜胞外的聚合物中的疏水大分子溶解度增加，疏水大分子溶解进入液相，从而温和瓦解脱除过厚生物膜；然后通过循环泵的水利冲击及搅动及作用，已瓦解的松散生物膜脱离软性纤维填料载体；脱除的过厚生物膜经过沉淀进入反应器底部，通过排泥过程从反应器内去除。本发明所使用的鼠李糖脂，不仅无毒，可生物降解性强且表面活性较强，可适应极端情况pH和温度情况。

说明书

技术领域：

本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种解除厌氧反应器中软性纤维填料生物膜结 团的方法。

背景技术：

能源问题是当前世界面临的主要问题之一，随着现代社会对于化石能源的高度依赖和大 量消耗，能源短缺成为经济发展的重大潜在风险。随着我国经济的高速增长，能源供求形势 日益严峻，我国能源消费和温室气体排放量已经跃居世界第一位。基于此，开发可再生能源 和新能源成为促进我国经济社会持续健康发展的重大战略需求。生物质能在替代石油资源方 面具有相当的优势，其规模化应用对于缓解化石燃料紧缺、减少污染以及温室气体排放有重 要意义。

我国作为一个处在经济快速增长期的的人口大国，在迅速发展的同时也产生了数量可观 的有机废弃物，折合标准煤达1600万吨，具有巨大的能源开发潜力。但是在我国实际有机污 水处理过程中，常常是以治理废水为目的而忽略了能源的回收，导致投入可观而成效很不理 想，还浪费了巨量生物质能。通过高效的厌氧发酵技术，在处理污水的同时提取沼气是理想 的双赢处理手段。高效的厌氧消化系统应当具备以下条件：足够的微生物停留时间，厌氧微 生物和废水能充分接触，传质性能好，反应效率高等。研究表明，使用填料作为厌氧反应器 微生物附着的载体能将大量厌氧微生物固定，使反应器内保持有较高浓度的微生物，从而有 效提高反应器的运行性能。

厌氧滤池(AF)是美国斯坦福大学的两位学者首先研制的，是采用填充材料作为微生物 载体的一种高速厌氧系统。厌氧菌在填充材料上附着生长形成生物膜，生物膜与填充材料一 起形成固定的滤床。废水在向上流动的过程中，废水中的有机物被生物膜吸附并分解，进而 通过微生物的代谢作用将有机物转化为甲烷和二氧化碳。一般来说，单位体积的反应器内载 体的表面积越大，可承受的有机负荷越高，且填料还要具有相当的空隙率。空隙率高，在相 同负荷条件下水力停留时间越长，有机物去除率越高；同时高空隙率还有利于防止滤池堵塞 和短流产生。因此对填料的选择尤其重要。表1对比了常用AF填料的特性，可见软性纤维 填料的性能与造价均优于其他填料。

表1 填料特性对比

佟树声等人于1990年提出一种纤维填料生物膜固定床系统，即在改进的AF反应器中使 用软性纤维填料作为载体。软性纤维填料的纤维丝均匀分布在液相空间，形成微生物的附着 载体，微生物呈立体网状结构附着在纤维上，生物膜的表面积大，具有极强的消化能力。该 系统具有产气率高，设备简单，易于操作等特点，其沼气池容产气率最高可达23L/(L·d)，显 著优于现有的厌氧处理系统；COD去除率达到80％以上，厌氧处理后废水可达到排放标准。 但是软性纤维填料在长时间运行中易产生填料结团，大大降低其处理效率及产气效率，成为 其推广应用的瓶颈所在。如图1所示，在运行过程中软性纤维填料上附着的网状生物膜不断 生长，密度越来越大，致使软性纤维填料的纤维出现粘连，继而造成生物膜堵塞结团，此时 基质与生物膜的接触面积变小，处理效率急剧下降。

90年代期间，此种纤维填料技术在我国较为盛行，研究人员做了大量工艺条件和处理效 果方面的研究，证明其有很强的处理能力和很高的产沼气能力，但是此技术未能得到持续发 展，主因即为填料生物膜结球问题无法得到解决。一旦发生填料结团，则需更换填料，不仅 带来系统停止运行带来的损失，还需要重新进行挂膜启动过程，造成人力物力的浪费。

现有的控制以及去除生物膜的技术手段，其最大的不足之处在于所用添加剂均具有强力 的抑制和杀灭生物膜的作用。例如CN101448399和CN101878290A公开的的专利“生物膜 控制剂组合物”、“生物膜除去剂”，利用化学制剂控制生物膜，抑制生物膜的形成，对生 物膜有强力清除作用。CN102459557A，刘颋等人公开的“具有生物膜除去功能的液体清洁组 合物”发明专利提出了一种化学表面活性剂、水解酶和异噻唑啉酮复配的清洁剂，去除生物 膜医疗器具上的生物膜。CN104257645A公开的欧内勒等人申请的专利“生物膜有机体的抑 制”提出抗菌抗生物膜剂的产品，主要是用于治疗微生物感染。CN101478878公开的小罗伯 特等人申请的专利“生物膜控制”提供的同样是用于杀死细菌并控制生物膜合成的组合物。

以上公开的专利主要目的在于杀灭细菌及完全去除生物膜，而在厌氧反应器中的软性纤 维填料生物膜结团的情况中，这些方法并不适用。因为强力去除生物膜的产品用于厌氧生物 膜反应器中，虽然能够达到脱除生物膜的效果，但是会抑制功能微生物的活性，减少有效微 生物的生物量，甚至可能导致系统性能下降甚至发酵过程中断，与结团导致的更换填料的后 果并无二致。因此，对于生物反应器中的生物膜控制，并不适合采用强力的控制手段。

CN102500228A公开的余关龙等申请的专利“一种控制生物滴滤器内生物膜过度蓄积的 方法”提出利用多元醇型和聚氧乙烯型非离子表面活性剂，包括聚乙二醇辛基苯基醚(Triton  X-100)、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯控制生物膜的过度积蓄，虽然是属于较 为温和的控制方法，但是事实上Triton X-100本身具有毒性，在生物制品中常作为灭活剂和 裂解剂使用；而虽然聚氧乙烯类非离子型表面活性剂本身的毒性较低，但是某些种类聚氧乙 烯类非离子型表面活性剂代谢产物的毒性很高，脂肪醇聚氧乙烯醚经研究证实对盐藻生长具 有抑制作用，有一定毒性风险；脂肪酸聚氧乙烯酯经证实对细胞增殖有抑制作用。利用化学 表面活性剂对厌氧生物反应器的生物膜进行调控，具有毒性抑制风险，可能导致反应器性能 下降，微生物失活。

发明内容：

本发明的目的是提供一种解除厌氧反应器中软性纤维填料生物膜结团的方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种解除厌氧反应器中软性纤维填料生物膜结团的方法，该方法包括以下步骤：

a、在已经发生生物膜结团的软性纤维填料厌氧反应器的原料中添加鼠李糖脂 (rhamnolipid)，将溶解有鼠李糖脂的原料通过进料过程引入反应器内；所述软性纤维填料以 醛化纤纶为基础材料，直径在120mm-130mm之间；所述鼠李糖脂投加质量与生物膜干重的 比值为0.2-0.3：1；

b、通过反应器内的循环泵，使鼠李糖脂在反应器内充分分散，并与结团生物膜充分接触， 在鼠李糖脂的作用下，生物膜胞外的聚合物(EPS)中的疏水大分子(多糖和蛋白质)溶解 度增加，疏水大分子溶解进入液相，从而温和瓦解脱除过厚生物膜；然后通过循环泵的水利 冲击及搅动作用，已瓦解的松散生物膜脱离软性纤维填料载体；

c、脱除的过厚生物膜经过沉淀进入反应器底部，通过排泥过程从反应器内去除。

优选地，所述软性填料厌氧反应器为载有软性纤维填料的上流管式反应器。

本发明利用鼠李糖脂的增溶性质，使其连接于生物膜胞外聚合物EPS的疏水大分子(多 糖及蛋白质)与水分子之间，增加其溶解性使其能够脱离生物膜，从而达到瓦解过厚生物膜 的作用。

与现有技术相比，本发明的突出效果在于：

本发明所使用的鼠李糖脂，不仅无毒，可生物降解性强且表面活性较强，可适应极端情 况pH和温度情况。鼠李糖脂应用于厌氧软性填料生物反应器的生物膜控制中，能够增加生 物膜的主要成分——胞外聚合物(EPS)中的疏水大分子蛋白质和多糖的溶解度，使其脱离 生物膜进入液相中，从而达到瓦解生物膜的作用。失去内部支持的生物膜变得较为松散，在 反应器内循环泵的水力冲击下，过厚的生物膜脱离载体，达到良好的脱除作用。鼠李糖脂通 过溶解胞外聚合物温和瓦解生物膜，不仅不会对微生物造成伤害，也不会完全脱除生物膜， 通过适量的添加，能够使得处理过后的生物膜维持一定的生物量，从而使得结团反应器恢复 高效运行。而且，整个调控过程不需要中断反应器运行，且无需更换填料，节省了人力物力， 节约了运行成本。

附图说明：

图1是填料正常和结团结构示意图。

图2是本申请实施例的管式上流厌氧反应器的结构示意图，

其中1、软性纤维填料，2、内部料液循环泵，3、热水夹层，4、热水入口，5、原料入 口，6、取样口，7、温度计，8、PH计，9、出水口，10、热水出口，11、沼气出口。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

本实例采用管式上流厌氧反应器，如图2所示，所述管式上流厌氧反应器垂直装填有软 性纤维填料1。管式反应器直径为150mm，高900mm，径高比为1：6，总体积为16L；软性 纤维填料为醛化纤纶，直径为130mm，填料上下间距为80mm。反应器通过蠕动泵进行下部 进料，同时设有内部料液循环泵2；外部设有热水夹层3加温保温，保持温度为37摄氏度。 原料采用人工模拟废水，以葡萄糖为主要原料，COD为10000mg/L；接种污泥取自本实验室 的全混式厌氧反应器。有机负荷为10000mgCOD/(L·d)，水力停留时间24h。经过三个月的运 行，反应器中的软性纤维填料1上附着生物膜逐渐增厚，纤维丝开始粘连结团，处理效率下 降，出水COD去除率从80％左右降至50％左右。此时在进水中加入260mg/gDM(Dry Matter， 生物膜干重)的鼠李糖脂，利用进水过程将其引入反应器。通过反应器内部料液循环泵2的 水利冲击及搅动，使得鼠李糖脂在反应器内充分分散，与结团生物膜充分接触。此时，通过 鼠李糖脂的增溶作用，在鼠李糖脂的作用下，生物膜胞外的聚合物(EPS)中的疏水大分子 (多糖和蛋白质)溶解度增加从而得以脱离生物膜进入液相，使得生物膜的紧密结构变得松 散，从而温和瓦解脱除过厚生物膜；然后通过循环泵的水利冲击及搅动作用，已瓦解的松散 生物膜得以脱离软性纤维填料1载体，脱除的过厚生物膜经过沉淀进入反应器底部，形成污 泥床，通过排泥过程从反应器内去除。

通过微生物活力检测，发现鼠李糖脂的引入并未对厌氧生物膜中的微生物活性造成影响， 而由于填料阻塞造成的反应效率下降在加入鼠李糖脂处理之后去除率回升至70％以上。