PVA 凝胶小球在废水生物处理工艺中的应用
王利娜;刘永红;李婷;刘磊
【摘 要】PVA 凝胶小球是一种亲水性好、具有良好细菌栖息性的新型微生物固定化载体。以 PVA 凝胶小球为载体，分析研究其在废水厌氧、好氧及脱氮生物处理工艺中的应用现状，指出 PVA 生物处理系统具有微生物富集量高、系统启动快、容积负荷高、 CODCr 及 TN 去除率高等明显的技术优势。针对不同类型废水开展 PVA 生物处理工艺基础试验研究以及工程化实践，是一个值得关注的发展趋势。%PVA-gel beads are novel efficient hydrophilic immobilized carriers of microorganisms owing to its excellent biocompatibility. The application status of PVA -gel beads in biological treatment processes of wastewater including anaerobic, aerobic and denitrification was studied and analyzed, it was pointed out that, PVA biological processes have obvious technical advantages of high enrichment of microorganisms, fast system start-up, high volume loading, and high removal rates of CODCr and TN. Therefore, carrying out basic experimen-tal research and engineering practice of PVA biological treatment processes treating different kinds of wastewater is a development trend which deserves attention greatly.
【期刊名称】《工业用水与废水》
【年(卷),期】2014(000)005
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】PVA凝胶小球;厌氧;好氧;脱氮
【作 者】王利娜;刘永红;李婷;刘磊
【作者单位】西安工程大学 环境与化学工程学院，西安 710048;西安工程大学 环境与化学工程学院，西安 710048;西安工程大学 环境与化学工程学院，西安 710048;西安工程大学 环境与化学工程学院，西安 710048
【正文语种】中 文
【中图分类】X703.1
微生物固定化技术以其生物浓度高、固液分离效果好、稳定性高等优点成为当今废水处理技
术领域的研究热点之一［1］。日本某公司在传统聚乙烯醇（PVA）载体基础上成功研发的PVA凝胶小球是一种极具应用前景的高性能微生物固定化载体。据该公司内部统计资料表明，在1997～2010年期间以PVA凝胶小球为核心的PVA生物处理工艺已在日本160多个造纸、食品、制药、冶金等废水处理工程中得到应用，并表现出微生物富集量高、系统启动快、容积负荷高（1．0～9．0 kg［CODCr］／（m3·d））等优点［2］。
然而，以PVA为原料制备PVA凝胶小球的技术为该公司所独有，废水PVA生物处理技术也仅为该公司所掌握，这极大地限制了PVA生物处理工艺的推广应用。近年来我国也开始了PVA凝胶小球的制备研究工作［3－5］，但其规模化生产与在废水处理中实际工程应用尚未见报道。本研究将对PVA凝胶小球在废水生物处理工艺中的应用现状进行分析和总结，以期为相关研究与工程应用提供参考。
PVA凝胶小球是一种直径为3～5 mm，密度为1．025 g／cm3的白球形载体（如图1（a）所示），拥有从表面贯穿到中心、孔径约为20μm的多孔微结构（如图1（b）所示）。该载体可利用其表面羟基、易功能化基团等对微生物进行吸附，以自身的微孔结构作为微生物寄存空隙，从而使各种微生物能够有效富集于其内部及表面［6］（如图1（c）所示）。
相关研究认为，高效微生物固定化载体应具备良好的亲水性、高的比表面积、与水接近的密度及球形外形等特点［7］，而PVA凝胶小球正好具备了上述特征。
2．1  在厌氧生物工艺中的应用
厌氧生物工艺是一种实现废水资源化的生物处理工艺，该工艺以其高效的处理能力，同时产生生物沼气，成为未来废水处理技术的一个重要的研究与发展方向。厌氧污泥快速颗粒化即厌氧反应器的快速启动是厌氧反应器的核心技术问题，然而厌氧反应器中微生物自固定化过程缓慢，对环境和运行条件要求较为苛刻，因而造成厌氧反应器启动过程有的需要半年甚至一年之久［8］。因此有效解决污泥快速颗粒化这一工程技术难题，将大大促进厌氧反应器在废水生物处理工艺中的广泛应用。
目前，国外研究人员开展了PVA凝胶小球厌氧生物工艺中促进污泥快速颗粒化的相关研究工作。如Khang等［9］以PVA凝胶小球为微生物固定化载体在EGSB反应器（体积为8．5 L）中处理水产养殖废水。研究结果表明，加入PVA凝胶小球的EGSB反应器经过37 d的运行，PVA凝胶小球表面富集了大量微生物，小球由白变为深黄；第112天运行结束时，反应器有机负荷（OLR）从4．0 kg［CODCr］／（m3·d）升高到18．0 kg［CODCr］／（m3·
d），HRT从6．0 h缩短到1．3 h，反应器CODCr和TSS去除率分别达到94%和90%以上；而未加PVA凝胶小球的EGSB反应器在相同OLR与HRT时CODCr和 TSS去除率仅为 80%～90%和 55%～85%。Zhang［10］以PVA凝胶小球为微生物固定化载体在厌氧流化床反应器（体积为3．9 L）中处理模拟乙二醇废水。研究结果表明，启动1个月后发现小球表面变成黄；再经过46 d的运行，进水CODCr的质量浓度为3 500 mg／L，OLR达到15．0 kg［CODCr］／（m3·d）时，CODCr去除率达到95%，此时微生物富集量高达0．83 g［VSS］／g［PVA］。此外，Zhang等［11］以PVA凝胶小球为微生物固定化载体在EGSB反应器（体积为12．5 L）中处理模拟玉米浆废水。研究结果表明，经过 46 d的运行，OLR达到 2.5 kg［CODCr］／（m3·d），CODCr的去除率达到92%；再经过104 d的运行，进水CODCr的质量浓度为11 000 mg／L，OLR为22．5 kg［CODCr］／（m3·d），HRT为12 h时，CODCr的去除率高达95%，此时微生物富集量高达0．93 g［VSS］／g［PVA］。
以上研究表明，以PVA凝胶小球为微生物固定化载体的厌氧生物工艺具有CODCr去除率高、微生物富集量高、OLR高、系统启动过程快等优点。
2．2  在好氧生物工艺中的应用
近20年来通过改进曝气技术和好氧生物固定化技术提高了废水处理效果，形成了多种好氧生物工艺，它们在废水处理工程中取得了较好的效果，但大都存在着处理负荷低、污泥产量高及运行工艺复杂等缺点［12］。因此，如何提高处理负荷和降低污泥产量成为今后好氧生物工艺应用过程中面临的技术挑战之一。
目前，国内研究人员开展了PVA凝胶小球好氧生物工艺中提高处理负荷和降低污泥产量的相关研究。Rouse等［13］以PVA凝胶小球为微生物固定化载体在好氧流化床反应器（体积为200 L）中处理城市废水。研究结果表明，启动一个月后发现反应器内PVA凝胶小球表面富集了大量微生物。经过8个月的运行发现，进水CODCr和BOD5的质量浓度分别为360和210 mg／L，CODCr和BOD5容积负荷分别为4．08 kg［CODCr］／（m3·d）和2．38 kg［BOD5］／（m3·d），此时CODCr和BOD5的去除率分别达到86%和94%以上。付玮等［14］采用以PVA凝胶小球为微生物固定化载体的PVA生物处理工艺处理某印染废水。研究结果表明，经过66 d的运行，容积负荷达到2．2 kg［CODCr］／（m3·d），出水CODCr的质量浓度降到200 mg／L以下，度降至40倍以下；此外运行过程中污泥产率仅为0．083 kg［MLSS］／kg［CODCr］，远小于传统活性污泥法、复合A2／O、摇动填料生物膜反应器以及UASB-MBBR组合工艺的污泥产率。付玮［15］以PVA生物工艺处理某果汁废水，结
果表明，经过100 d的运行，容积负荷达到6．0 kg［CODCr］／（m3·d），CODCr和BOD5的去除率分别达到89%和90%左右，TOC和TN的去除率均达到75%以上，TP的去除率达到60%左右。
以上研究表明，以PVA凝胶小球为微生物固定化载体的好氧生物工艺具有容积负荷高以及污泥减量化等优点。
2．3  在生物脱氮工艺中的应用
传统生物脱氮工艺由硝化和反硝化2个阶段组成，因硝化菌和反硝化菌对生长环境要求不同，需要序列式进行反应。近年来对生物脱氮工艺在理论和技术上的突破，形成了亚硝化脱氮工艺、厌氧氨氧化工艺、亚硝化－厌氧氨氧化组合工艺、全程自养脱氮工艺等新型废水生物脱氮工艺。然而，这些工艺存在着菌增殖速率慢、难以维持较高生物量、系统抗冲击能力弱等缺点［16］。因此，解决这些问题成为今后生物脱氮工艺应用过程中面临的技术挑战之一。
目前，国外研究人员开展了PVA凝胶小球生物脱氮工艺中提高生物浓度、增强抗冲击能力（
促进污泥颗粒化）的相关研究。Rouse等［17］以PVA凝胶小球为微生物固定化载体在厌氧填充床反应器（体积为2．7 L）中处理模拟含氮废水。研究结果表明，当进水TN的质量浓度为700 mg／L，TN负荷为1．92 kg／（m3·d）时，TN的去除率达到85%左右；经过一年运行发现TN负荷为1．96 kg／（m3·d），TN的去除率达到80%左右，且PVA凝胶小球的微孔结构内富集了大量微生物。Ge等［18］以PVA凝胶小球为微生物固定化载体在好氧反应器（体积为5 L）中处理模拟含氮废水。研究结果表明，当进水TN的质量浓度为460 mg／L，TN负荷为 5．5 kg／（m3·d）时，TN的去除率达到90%左右；经过5个月的运行发现微生物在载体上的富集浓度达到27 g［MLSS］／L［PVA］，同时发现脱氮过程中没有N2O的产生。Hoa等［19］以PVA凝胶小球为微生物固定化载体利用厌氧流化床反应器（体积4．06 L）处理模拟含氮废水。研究结果表明，进水TN的质量浓度为600 mg／L，HRT从16 h降为9 h，TN负荷达到1．35 kg／（m3·d）时，TN的去除率达到85%左右；当HRT从9 h降为4 h，TN负荷达到3．0 kg／（m3·d）时，TN的去除率达到80%左右。
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