實驗：厭氧污泥活性的測試

實驗六厭氧污泥活性的測試厭氧污泥的活性，實際上是指單位質(zhì)量的厭氧污泥（以VSS計）在單位時間內(nèi)最多能產(chǎn)生的甲烷量，或者，是指單位質(zhì)量的厭氧污泥（以VSS計）在單位時間內(nèi)最多能去除的有機物（以COD計）。因此，厭氧污泥活性一般可以用兩個參數(shù)測量，即最大比產(chǎn)甲烷速率和最大比COD去除率。二者的定義分別如下：最大比產(chǎn)甲烷速率（）：單位質(zhì)量的厭氧污泥在單位時間內(nèi)的最大產(chǎn)甲烷量（mlCH4/gVSS.d）；最大比COD去除速率（Umax.COD）：單位質(zhì)量的厭氧污泥在單位時間內(nèi)的最大的COD降解量（gCOD/gVSS.d）。一、實驗原理厭氧生物處理過程中的有機物降解速率或甲烷生成速率可用第五章中提出的相似的Monod公式來描述，即：（1）式中：S——基質(zhì)濃度（gCOD或BOD/L）；t——時間（d）；Umax——最大比基質(zhì)降解速度（d1）；X——微生物或污泥濃度（gVSS/L）；Ks——飽和常數(shù)。（2）式中：VCH4——間歇反應(yīng)開始后的積累甲烷產(chǎn)量（ml）；Yg——基質(zhì)的甲烷轉(zhuǎn)化系數(shù)（mlCH4/gCOD）；Vr——間歇反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)容積（L）。由（1）、（2）式得：（3）因為厭氧細菌的世代周期一般相對很長，合成量相對較少，在短期內(nèi)（1~2天內(nèi)）可以認為厭氧微生物的生物量不會發(fā)生變化，即上式中的X可以認為是一個常數(shù)；同時，由于在反應(yīng)初期基質(zhì)濃度很高，即可以認為S>>Ks，此時式（3）就可以簡化為：（4）或：（5）其中的就是上面提到的厭氧污泥的最大比產(chǎn)甲烷速率。從式（5）可以知道，我們只要能夠通過試驗求得某種污泥的產(chǎn)甲烷速率，就可以得到該種污泥的最大比產(chǎn)甲烷速率，即其活性。從可以進一步推算出衡量厭氧污泥活性的另一個指標——最大比COD去除速率（Umax.COD），一般可以有下面的兩種方法：第一，先求出COD對CH4的轉(zhuǎn)化系數(shù)Yg，再由Yg和計算Umax.COD，即：（6）則：（7）上兩式中：——間歇培養(yǎng)結(jié)束時的累積甲烷產(chǎn)量（ml）；——培養(yǎng)瓶內(nèi)初始COD濃度（g/L）；——標志絕對溫度（273K）；——測試時室溫絕對溫度（K）第二，假定在厭氧條件下，約有15%的有機物會被用于合成菌體細胞，剩下的有機物則被轉(zhuǎn)化為甲烷，又根據(jù)1gCOD在厭氧條件下完全分解理論上能產(chǎn)生350mlCH4，由此得出最大比COD去除速率和最大比產(chǎn)甲烷速率之間的關(guān)系如下：（8）二、測試裝置及方法（一）測試裝置厭氧污泥活性的測試可以采用如下的間歇試驗的方法，其裝置如下圖所示。史氏發(fā)酵管恒溫水浴槽錐形瓶史氏發(fā)酵管恒溫水浴槽錐形瓶厭氧污泥活性測試的間歇試驗裝置圖如圖所示，裝有一定量受試厭氧污泥的100ml錐形反應(yīng)瓶被放置在可以控溫的恒溫水浴槽內(nèi)，反應(yīng)瓶內(nèi)還裝有被調(diào)整到一定濃度的受試的有機物溶液或某種有機廢水，反應(yīng)瓶用橡膠塞密封并通過細小的乳膠管與25ml史氏發(fā)酵管相連，可以保證反應(yīng)瓶內(nèi)所產(chǎn)生的沼氣能夠以小氣泡的形式進入史氏發(fā)酵管內(nèi)，并在通過濃度為2N的NaOH的NaCl飽和溶液的過程中，沼氣中的CO2、H2S等酸性氣體可以被堿液吸收，而余下的、被計量的氣體可認為是完全是甲烷氣體。（二）試驗條件（1）溫度：溫度對污泥活性有很大的影響，一般選取中溫（351C）或常溫（20~251C）進行測試，也可以根據(jù)需要選擇其它溫度；（2）pH值：由于一般認為產(chǎn)甲烷細菌的最佳pH值是在6.8~7.2的范圍內(nèi)，而對于普通的厭氧污泥，其pH值范圍可以放寬到6.5~7.5的范圍，因此，在厭氧污泥活性的測試試驗中一般通過在反應(yīng)瓶中加入NaHCO3將其pH值調(diào)節(jié)到7.0左右；（3）基質(zhì)濃度及污泥濃度：基質(zhì)濃度一般設(shè)定為5000mgCOD/L，而污泥濃度取3~7gVSS/L，保證二者的比值約為0.7~1.6，基質(zhì)中還必須加入適量的N、P等營養(yǎng)元素，必要時還需要加入微量金屬元素和酵母浸出膏或某些特殊的維生素等，在稀釋時應(yīng)該用去氧水進行稀釋。（三）測試步驟（1）首先在錐形瓶容積為100ml處作好標記，再加入濃度為10000mgCOD/L的營養(yǎng)母液50ml，再加入一定量的受試厭氧污泥（保持COD/VSS=0.7~1.6），并用去氧水稀釋至100ml；（2）把恒溫水浴槽調(diào)至所需要的反應(yīng)溫度，將錐形瓶、橡膠管、史氏發(fā)酵管等連接好，并利用N2將錐形瓶上部的空氣驅(qū)除；（3）將錐形瓶搖勻并放置在水浴槽內(nèi)開始試驗，一般每小時讀取史氏發(fā)酵管內(nèi)的產(chǎn)甲烷氣體量一次，每次讀數(shù)后都需要再次將錐形瓶輕輕搖動以使基質(zhì)與污泥充分接觸以及基質(zhì)濃度分布均勻，一般整個反應(yīng)過程共需要約10h，但對于活性較低的污泥可能需要的時間更長；（4）當反應(yīng)瓶內(nèi)的污泥不再大量產(chǎn)氣后，即可認為反應(yīng)基本結(jié)束，此時，需要將錐形瓶內(nèi)的混合液進行離心分離（或過濾）后測量其VSS量；（5）進行數(shù)據(jù)整理，計算出及Umax.COD。（6）一般要求每個試驗需有2~3個平行樣，以保證試驗結(jié)果的可靠性。（四）、測試數(shù)據(jù)的處理由于間歇反應(yīng)開始啟動，培養(yǎng)瓶的氣室內(nèi)存在著空氣（或氮氣）會使反應(yīng)初期用堿液吸收計量出的甲烷產(chǎn)量讀數(shù)偏高，引起誤差，反應(yīng)初期進入史氏發(fā)酵管的沼氣中的空氣體積分數(shù)可用下式表示：（9）式中：Ea——培養(yǎng)瓶的出氣中，空氣（或N2）的體積分數(shù)；Vg(t)——反應(yīng)開始后到t時的累計出氣量（ml）；Va——培養(yǎng)瓶中氣室的容積（ml）。由（9）式計算可知，當為3.5時，Ea為0.03，即當累計出氣量為氣室容積的3.5倍時，進入史氏發(fā)酵管的氣體中的空氣（或N2）含量只占3%，此時可以認為氣室內(nèi)的空氣（或N2）已基本排完。實際試驗時，取史氏發(fā)酵管計量的產(chǎn)氣量達氣室容積3.5倍以后的數(shù)據(jù)作為求的計算數(shù)值，便可消除空氣（或N2）的影響。（五）與Umax.COD的計算04080120040801201602000481216202428反應(yīng)時間（h)累積甲烷產(chǎn)量(ml)直線段3.5倍Va斜率厭氧污泥活性測試試驗中累積產(chǎn)甲烷量隨時間的變化曲線一般情況下，在反應(yīng)的初期，由于反應(yīng)瓶內(nèi)的底物濃度相對較高，累積甲烷產(chǎn)量會以較為恒定的速度增加，即產(chǎn)甲烷過程呈零級反應(yīng)，如圖所示的線性增加的直線段；經(jīng)過一段時間的反應(yīng)后，反應(yīng)瓶內(nèi)的基質(zhì)濃度由于不斷的被降解而迅速下降，使產(chǎn)甲烷過程不再呈零級反應(yīng)，在圖中表現(xiàn)為隨時間呈非線性變化。由于我們關(guān)心的只是最大比產(chǎn)甲烷速率，因此只需要采用一元線性回歸的方法求出—t曲線上的直線段的斜率K，再通過一些計算就可得到受試污泥在試驗條件下的最大比產(chǎn)甲烷速率，還可以根據(jù)上述的公式（7）或公式（8）進一步計算出其最大比COD去除速率Umax.COD。如前所述，應(yīng)取值為3.5Va以后的數(shù)據(jù)點作為直線段的起點求斜率K。因此，在試驗過程中，可以不必測出整個累積曲線，而只需測出直線段即可，所以一般來說試驗時間