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厌氧生物膜反应器的启动及运行控制：近15年的研究综述
摘 要
厌氧生物膜反应器必须以这样一种方式运行：一方面通过活性生物膜的快速生长来优化启动期，另一方面通过对生物膜的主动控制进行常规操作以避免扩散限制和堵塞。 本文概述了过去15年在INRA-LBE进行的研究。 厌氧生物膜反应器的启动期可以通过施加短的接种时间（即，接种物和支持介质之间的接触）而显著缩短。 然后，有机负荷率的增加应该在短暂的水力停留时间和低流体动力学约束条件下进行，以利于生物膜生长。 启动后，应控制生物膜的生长，以保持较高的比活度并防止堵塞。 这可以通过在颗粒生物膜系统中用流体动力学来增加或减少剪切力和磨损来实现，但这种方法在厌氧固定床反应器中要困难得多。
1.介绍
厌氧消化是用于处理具有高有机碳浓度的废水的好氧处理的可行替代方案，如在厌氧消化中，当产生可用于产生热量或电力得甲烷时就会产生相对较少的污泥。 最广泛使用的厌氧废水处理工艺是高速系统，其中水压和固体保留时间不配套，无法实现高生物量保留（Rajeshwari等人，2000年）。 这些工艺可以在上流式厌氧污泥床（UASB），膨胀式颗粒污泥床（EGSB）和内循环（IC）工艺中使用自固定的生物质作为颗粒。（Lettinga，1995; Nicolella等，2000; McHugh等人，2003; 刘和 Tay，2004）。 在其他情况下，生物质被固定在厌氧过滤器（AF）中的惰性填充材料之上，（Rajeshwari等人，2000年），流化床中惰性流动颗粒之间（FB）（Nicolella等，2000），或湍动床反应器（Buffie`re 等人，2000; Buffie`re和Moletta，2000b; Arnaiz等人，2003， 2007）或混合反应堆（Rajinikanth等人，2008年，2009年).
厌氧固定膜反应器被认为需要更复杂的过程控制和操作条件以及较长的启动时间（Salkinoja-Salonen等人，1983; 希基 等人，1991; Weiland和Rozzi，1991; Pun〜al等，2000）。 据报道，厌氧过程的启动时间为2至9个月（Lauwers等人，1990）。 在启动期间，形成活性生物膜。 这种生物膜的成熟在很大程度上决定了系统的后期性能。 相反，有氧系统可以更快地启动。
在INRA-LBE，我们一直在研究厌氧生物膜反应器约15年。 本文介绍并讨论了厌氧生物膜反应器在固定床和移动床两种系统的启动期和常规操作下的不同结果。
2.启动：如何尽可能快地生长活性生物膜？
启动的目标是在载体上开发活性生物膜，达到标准有机负荷率（OLR），并获得令人满意的处理性能。 在许多情况下，在达到去除效率的稳定状态之前，厌氧反应器的启动需要4个月或超过一年的嗜热过程（Kim和Speece， 2002）。 缩短启动时间是提高厌氧过程经济竞争力的关键（Weiland和Rozzi，1991).
在下文中，我们讨论启动过程中的两个不同步骤：（1）接种期间，载体与接种污泥紧密接触以启动生物膜附着;（2）逐渐增加有机投加速率以刺激微生物生物膜的生长。我们展示了如何缩短和优化这两个步骤。
2.1.接种
在大多数情况下，厌氧反应器分批次接种。 在接种过程中，载体材料和具有活性以及适应的接种污泥在反应器内接触。 接触时间的长短根据经验选择，可以从几天到一个月以上不等（Marin等，1999; Ye等人，2005）。 一般认为，浓缩接种物和载体之间的长接触时间是必要的，并且将有利于分批条件下的生物膜生长。
Cresson等人。 （2007年a） 研究了反向湍流床反应器中来自厌氧污泥的细菌对矿物颗粒的初始粘附。分子指纹识别工具PCR-SSCP（Dabert等人，2002), Cresson等人。 (2007a) 显示，仅接触12小时后，微生物附着在载体颗粒上。 这种早期生物膜的细菌分子指纹与接种物非常接近。与传统的接种方法相比，只需要非常短的时间来获得微生物在支持介质上的粘附并引发生物膜形成。 因此，可以大大缩短接种期的持续时间。 这个结果在后来的研究中得到了我们的证实，在这些研究中我们选择了几个小时的接种时间（勒松 等人，2006年，2007b，2008年）。采用24小时甚至更少的时间， 使用商业载体物质Cloisonylreg;（reg;）的厌氧固定床反应器（1m3）启动也获得了很大的成功（Cresson，2006).
载体材料的全局性质对厌氧生物膜反应器性能的影响一直是许多研究的主题（Garcıa-Caldero#39;n等人，1996; Picanccedil;o 等人，2001; 杨等人，2004）。 最近， Habouzit等人 (2009) 研究了不同载体材料上的产甲烷聚生体的早期粘附（2小时）。 他们表明，不仅在数量上而且在质量上，载体的性质和物理化学性质显著影响细菌和古细菌的早期粘附。 粘附微生物群落的古细菌/细菌的比例由支持材料的性质决定。
2.2.有机负荷率的增加
接种后，有机负荷率通常会逐渐连续增加。 厌氧消化是微生物协同相互作用的结果，这个过程中甲烷的生成会成为抑制条件。 必须仔细监测有机负荷率的增加，以避免可能导致产甲烷菌被抑制并因此导致启动过程失败的系统超载的情况。 在我们的研究中，我们旨在通过在不抑制系统的情况下支持活性生物膜的生长来缩短这个时期。 在此期间调整的主要参数是反应堆中的水力停留时间（HRT）和水动力条件。
2.2.1.短HRT淘汰竞争浮游微生物操作增加有机负荷率的常规方法是以逐渐增加的流入流量作为进料进入反应器，同时保持进水COD浓度恒定，直到当COD去除率达到80%。这种传统方法通常是成功的，但需要几个月的时间才能达到治疗效果的稳定状态。 这种方法增强了有机底物悬浮物和生物膜生物质之间的竞争。 这一点已经被 Tijhuis等人 (1994)重点关注并用于启动有氧空气生物膜反应器。 他们表明，系统的稀释率必须低于微生物的最大生长速率以促进生物膜的生长。
对于厌氧过程， Michaud等人。 （2005年） 的研究显示，六天的初始HRT比一天的HRT对于通过产甲烷接种物定殖颗粒载体不太有利。 Cresson等人。 （2008年） 证实了水力停留时间对产甲烷逆湍流床生物反应器启动阶段的影响。 监测两个相同的反应器，唯一不同的参数是水力HRT：其中一个反应器在一天的恒定HRT下用稀释的废水进料，有机负荷率通过减少底物稀释而增加; 第二个反应器以恒定的20kgCOD/msup3;的进水浓度进料，有机负荷率通过将HRT从40降低至1天而增加。 45天后，两个反应器以20kgCOD/msup3;/d和1天的HRT的有机负荷率运行。 在生物膜生长中观察到强烈的差异，如图所示 图。1：
在恒定短HRT下运行的反应器中，生物膜浓度比在增加HRT时运行的反应器高4.5。 这种差异归因于反应器中的浮游生物与生物膜微生物之间的竞争，其始于长时间的HRT。 由于HRT低，悬浮的生物质在其他反应器中迅速被冲走。 Najafpour等人 （2006年） 在接种粒状污泥的混合厌氧反应器的启动过程中施加1.5天的恒定HRT。 他们在26天后获得23kgCOD/msup3;/d的有机负荷率。 最近， Alvarado-Lassman等人。 （2010年） 研究了厌氧反流化床反应器的启动阶段。 他们在连续模式下获得了更好的结果，其中浮游生物和生物膜之间出现了串联竞争。
2.2.2.低剪切力有利于生物膜的积聚和最小化分离
剪切力控制生物膜的形成，但其影响在生物反应器的启动阶段尚未得到很好的表征。 生物膜在反应器中的积累主要是由于剪切造成的生长和脱落之间的平衡（van Loosdrecht等，1995）。 当局部剪切力超过生物膜的凝聚力时，会发生生物膜分离。 在稳定状态下，生长和分离之间的平衡决定了生物膜的物理结构，并由此决定了微粒生物膜情况下的沉降和流化特性（van Loosdrecht等人，2002; Stoodley等人，2002）。 因此，高剪切会导致形成薄而致密的更有活性的性生物膜，但它们有可能会减缓生物膜的形成。
Cresson等人。（2007年b） 研究了水动力条件对逆湍流床生物反应器的启动阶段的影响。 两个相同的反应器，仅由不同速度的气体来实现载体流化并对产生的主要流体动力强度进行监控。 在前96天内，在反应器中观察到底物去除速度更快的启动，并且流体动力学强度更低。 该结果与经受高流体动力强度的反应器的较低的附着生物量和较高的比去除率相关。 如图2，
图2
我们在启动期结束时呈现殖民化颗粒的图片。 在高流体动力学强度下生长的细而平滑的生物膜之间可以看到明显的差异（图2A）和在低剪切力下生长的蓬松生物膜（图2B）。 Tijhuis等人 （1996）.在有氧气升式反应器中也得到了类似的结果。
一旦启动完成并且反应器稳定在6kgCOD/msup3;/d的有机负荷率下，通过调节气体速度施加相同的流体动力强度。如图3
图3
我们介绍了两个反应器在生物膜生产，脱落和积累方面的变化。 实验结果表明，对于这种类型的过程，生物膜的发展高度依赖于调节流体力学强度和控制生长和分离速率的气体速度。 最初受到低气体速度的系统的生物膜生长的持续表明，可能强烈增加流体动力强度，而不引起生物膜的大量分离和活性生物质的损失，从而导致反应器的潜在故障。 因此，似乎有可能通过气体速度控制这种类型的生物反应器中的生物膜生长。 生物质的分离是避免载体材料损失的方法，这是由于载体上生物量过度积累导致的密度变化造成的。
流体动力学条件可以成功控制生物膜特征。 在逆湍流床生物反应器启动期间实施低流体动力强度使得可以处理更大的污染量，并且能够更快地达到更大的体积转化能力。 关于生物膜的发展，实施低流体动力学剪切力使得固定在载体上的生物质以更快的速度积累。 相反，由高气速产生的强大的水力剪切力使得生物膜生长速度减慢但是能显著提高特异性污染物去除率。
我们建议通过施加最小剪切力来启动生物反应器，以便在生物膜发育的早期阶段增强生物膜生长。然后，在载体上积聚足够量的适应性良好的生物质后，可以增加水力剪切力。
2.3.甲烷产量：监测生物膜安装的具体指标
遵循和优化启动阶段的困难之一是缺乏适当的测量，包括在线或离线数据。 在固定床方法的情况下通常难以或甚至不可能对取样的定殖载体进行取样并测量附着的生物质。 Michaud等人。 （2002年， 2005) 表明甲烷产量YCH4可以用作一种间接参数用于评估一个厌氧生物膜反应器的启动。
YCH4定义为除去给定数量的有机物质后产生的甲烷量。该参数是有机碳与甲烷生态系统中分解代谢和合成代谢之间平衡的结果。在启动阶段开始时，YCH4非常低，表明微生物构建生物膜的重要的合成代谢活性。 然后，其值增加到接近理论值0.35LCH4g-1的稳定水平，该数值对应于最终建立稳定的产甲烷生态系统的值。YCH4随时间的变化过程描述了诱导生物膜形成（YCH4的减少显示接种物污泥洗出），生长（YCH4的增加）和稳态（YCH4稳定在理论值附近）的三个阶段。 如图4
图四
显示了厌氧反向湍流床反应器启动期间甲烷产量演变的一个例子（Michaud等人，2002）。 应该指出，YCH4提供了分解代谢活性（甲烷产生）与合成代谢活性（生物膜产生）之间的比率的信息。 因此，它非常类似于刘等人。（2003年）提出的用来描述好氧生物膜中分解代谢和合成代谢之间的分布的模型 在这种情况下，分解代谢和合成代谢之间的溶解有机碳（DOC）分布可以通过引入二氧化碳的DOC（SCO2）与转化为生物量的DOC（Sg）的比率来描述。 厌氧生物膜上的甲烷产量等于该SCO2 / Sg比率。
3.运行时操作：如何控制过程以维持活性生物膜？
当启动阶段完成时，厌氧固定膜反应器能够处理名义有机负荷率，处理效率符合大多数排放要求。但是，尽管反应器性能（如脱碳效率，出水水质，沼气生产）稳定，生物膜仍在继续增长。 生物膜反应器处理废水的时间长，在此期间，需要控制生物膜的数量和活性，以维持整个反应器的性能。根据所使用的工艺（固定床或移动床），控制生物膜的方式也有所不同。
3.1.固定床反应器：堵塞
当在高负荷条件下长时间工作时，固定床反应器的主要问题是过量的生物质积聚导致床的堵塞。 因此，有效体积（即液体体积）减小，从而限制了该过程的处理能力。 因此，部分反应器容积将作为“死区”或“停滞水区”运行，液体流过优先路径，从而降低反应器中基底的停留时间以及进入的底物和可行的微生物群体之间的接触程度。 在工业规模的运用机械解的解决方案被用于减少堵塞（例如，高液体速度，气体注入）。
根据载体介质的特性（尺寸，形貌，表面结构，孔隙率）及其在反应器内的排列情况，固定床可主要用作厌氧过滤器：固定在该反应器内的大部分生物质不仅由附着物生物膜附着于介质表面形成，也通过捕获在间隙空隙空间内的悬浮生物质形成（Rajeshwari等人， 2000）。 因此这种生物反应器的堵塞现象特别明显。 在许多研究中，研究的重点是填充床以及介质特性对生物质性能，例如流体动力学和生物量保留的影响（泰 和Show，1998; Show和Tay，1999）。 使用孔隙率大的载体介质可以减少短路的程度，从而导致更好的处理性能。 换句话说，对于厌氧固定床，增加载体介质的比表面积以其孔隙率可能导致较低的处理性能。
在本段中，我们展示了在LBE上运行7年以上的0.982 m3的先导式上行厌氧固定床工艺所获得的结果。 所选介质Cloisonylreg;管是多通道管状结构，如图5所示
图5
图5A限制了过滤效果并避免捕获生物量。 从1997年的接种开始，厌氧固
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