高钙废水厌氧处理系统中碳酸钙沉淀的微生物调节机制研究

The biggest challenges for anaerobic treatment of wastewaters with high concentration of calcium are the decrease of mass transfer efficiency and sludge deterioration caused by the precipitation of calcium carbonate in the reactors. At present, the main method to investigate this problem is to study the influence of the precipitation of calcium carbonate on the performance of the reactors and the change of sludge quality. Considering that the impact of impurity ions on the precipitation of calcium carbonate has been extensively studied and many widely acceptted conclusions have obtained, this proposal mainly focuses on microbially mediated calcium carbonate precipitation in anaerobic treatment of wastewater with high concentration of calcium. Firstly, microelectrode and isotope tracer analysis will be used to investigate the effect of anaerobic granular sludge micro-environment, extracellular polymeric substances (EPS) and methanogens on the precipitation of calcium carbonate. On the basis of the results from microelectrode and isotope tracer analysis, the mechanism of microbially mediated calcium carbonate precipitation can be preliminarily explored. Then the location of calcium carbonate precipitated within anaerobic granular sludge will be study through operation of several UASB reactors fed with different substrates.The study on these issues is expected to broaden the view on the precipitation of calcium carbonate in the anaerobic system, and to find out the reasonable proposals to solve these problems of calcium carbonate precipitation in anaerobic biological treatment.

反应器中碳酸钙的沉淀引起的传质效率降低、污泥恶化是高钙废水厌氧处理面临的最大难题。目前对该问题的研究主要停留在通过反应器运行效果和污泥品质变化判断碳酸钙沉淀影响程度的层面。考虑到杂质离子对碳酸钙沉淀影响的研究已经较为成熟，本项目借鉴生物矿物学等领域的研究方法，着重于厌氧系统碳酸钙沉淀中微生物调节机制的研究。首先采用微电极分析和同位素示踪等手段，在空间尺度上从生物聚集体水平到细胞水平，深入研究厌氧颗粒污泥微环境、EPS和产甲烷菌对碳酸钙沉淀的影响，并通过综合分析初步探明厌氧系统碳酸钙沉淀的微生物调节机制。然后从时间尺度上，研究反应器长期运行时碳酸钙在污泥中的积累位置，并与颗粒污泥微环境、EPS和产甲烷菌等对碳酸钙沉淀的短期影响效应相联系，进一步论证碳酸钙沉淀中微生物的调节机制。本研究有助于提升对厌氧系统中碳酸钙沉淀的认识水平，并为高钙废水处理中缓减甚至避免碳酸钙的沉淀提供理论依据。

废纸造纸、柠檬酸、乳清等很多工业废水都含有高浓度的钙，这类废水在进行厌氧处理时，反应器中碳酸钙沉淀引起的传质效率降低、污泥品质恶化是一个普遍的问题。.本项目在对生产规模厌氧系统中钙沉淀现场研究的基础上，采用间歇实验和长期连续运行反应器等多种方法，从厌氧颗粒污泥内部微环境、EPS等多个角度针碳酸钙沉淀现象和规律进行了研究。.生产现场研究表明，废纸造纸行业中来自原料的钙会引起厌氧污泥中以CaCO3为主要成分的无机物的积累，大幅降低其产甲烷活性，影响废水处理效率。以自制的pH、Na+、Ca2+和CO32-四种微电极分析实验室不同进水的厌氧颗粒污泥，并结合16S rDNA和多种底物的产甲烷活性分析，结果表明，进水底物的复杂程度决定厌氧颗粒污泥中微生物种群和空间分布，蔗糖和丁酸进水的污泥中嗜乙酸产甲烷菌分布在核心，而嗜乙酸产甲烷菌在乙酸进水污泥的表面和核心均匀分布，乙酸和丁酸进水的污泥都缺乏降解更复杂结构有机物的微生物。微生物对有机物的降解使厌氧颗粒污泥不同位置形成特定的pH和CO32-微环境，碳酸钙会在污适宜的pH和CO32-位置沉淀，碳酸钙的沉淀会引起周围微环境pH和CO32-的降低。UASB反应器长期连续运行也发现了同样的规律，蔗糖进水的污泥中碳酸钙沉淀在污泥核心积累，污泥灰分升高至36%，但产甲烷活性没有降低；乙酸进水的污泥中碳酸钙沉淀积累在污泥表面形成硬壳，阻碍传质，使产甲烷活性大幅降低。EPS是厌氧污泥的重要组成，其中蛋白质占80%左右，EPS会通过抑制成核延长碳酸钙沉淀的诱导期，EPS同时具有稳定碳酸钙的方解石晶型的作用。.本研究揭示了进水底物与厌氧颗粒污泥中微生物种群和空间分布的关系，发现了有机物代谢产生的微环境对碳酸钙沉淀和积累的作用机制，以此为基础建立的厌氧颗粒污泥扩散-反应模型，在利用微电极测试数据获取模型参数后，可以预测和评价复杂高钙废水厌氧处理时CaCO3沉淀的趋势和程度，为解决高钙废水处理中碳酸钙的沉淀提供了理论依据。