生物与磁技术处理高钙有机废水的耦合机制研究

Anaerobic digestion of high Ca organic wastewater leads to serious problems such as reactor scaling, cementation of sludge bed. Magnetic treatment, used for scaling prevention, possesses a relatively good ability of controlling CaCO3 crystallization. Therefore, this research is going to explore the coupling mechanism of the high Ca organic wastewater treatment with biological and magnetic methods. Firstly, the magnetic effect on the morphology, size and amount of CaCO3 in CaCl2+NaHCO3 system will be investigated to optimize experimental conditions and reveal the mechanism of CaCO3 crystallization. Based on this, the efficiency and coupling mechanism of the treatment of high Ca organic wastewater with biological and magnetic methods are investigated. Soft scale (micro-crystals) is preferred to be formed than hard scale in the UASB reactor under magnetic effect. Some of the micro-crystals are flushed out with the effluent, while the others are preferred to be formed as the core of granular sludge with high methanogenic activity under the effect of micro-organisms, in order to fulfill the goal of co-removing Ca2+ and organic pollutants and recovering biogas with high quality. Finally, the comprehensive evaluation of the main factors, which affect UASB efficiency coupling with magnetic treatment, should be carried out to provide guidelines for practical application. Meanwhile, the coupling mechanism of high Ca organic wastewater treatment with biological and magnetic methods must be elucidated.

厌氧消化处理高钙有机废水容易引发反应器结垢、污泥床板结等问题。磁处理防垢能够抑制硬垢（方解石），促进软垢（文石）的生成，对CaCO3结晶过程有较好的控制作用。因此,本课题首次提出生物和磁技术处理高钙有机废水的效果和耦合机制研究。首先，探讨CaCl2+NaHCO3体系中磁场对碳酸钙晶形、大小、数量等的影响机制，优化实验条件。在此基础上，开展生物与磁技术处理高钙有机废水的效果和耦合机制研究。通过磁场控制，促使CO2和Ca2+在厌氧反应器（UASB）中生成软垢微晶，让部分微晶随出水排出以降低污泥的灰分，利用另一部分微晶与微生物的相互作用，促进以CaCO3为核心的颗粒污泥形成，实现钙和有机污染物的同步处理，以及沼气的原位提纯，为反应器高效稳定运行奠定基础。最后，通过比较CaCl2+NaHCO3体系和UASB体系中碳酸钙结晶的差异，寻找反应器高效运行的关键控制手段，并揭示生物与磁技术处理的耦合机理。

厌氧技术处理高钙废水时产生大量的CaCO3沉淀，严重影响反应器正常运行。基于无机核（碳酸钙等）可作为颗粒污泥的核心存在，以及文石和霰石属于软垢，易被清除，本研究开展了流化床对碳酸钙结晶过程的控制研究，以及不同Ca离子浓度、有无磁场作用条件下，颗粒污泥的培养,探讨生物与磁技术处理高钙废水的耦合机制。.研究结果表明, 提高流化床回流量有利于抑制CaCO3稳定相方解石的生成，从而促进非稳定CaCO3晶体的产生；在非稳定相中以玫瑰状球形霰石为主，随着回流量增大，针状文石含量增多。上升流速为8m/h、不同Ca2+浓度和不同磁场强度的实验研究表明，磁场作用能进一步抑制稳定相方解石的生成，相对低Ca2+浓度有利于文石的生成，相对高Ca2+浓度有利于霰石的生成，磁场作用可抑制碳酸钙非稳定相(文石和霰石)向稳定相(方解石)转变的过程。.以絮状污泥为接种污泥的实验表明，不同Ca2+浓度对以葡萄糖为基质的污泥颗粒化过程有较大的影响，高Ca2+（800mg/l）有利于以碳酸钙晶体为无机核的颗粒污泥的快速形成，运行100天后，粒径大于0.5mm的颗粒占比60%以上，COD去除率90%以上，有机负荷更高；与此同时，高Ca2+（800mg/l）对以乙酸为基质培养的污泥活性有抑制作用，无磁场作用反应器的有机负荷无法提高至8kgCOD∙m-3∙d-1以上，而有磁场（6000GS）作用反应器的有机负荷可提高至12kgCOD∙m-3∙d-1，COD去除率可维持在80%左右，运行52天的污泥粒径可达到0.5mm左右，0.25-0.5mm粒径含量高于未经磁化处理的反应器，矿物相分析证实磁场处理有利于文石在厌氧反应器中生成。.以上研究结果表明,磁场作用有利用非稳定碳酸钙矿物相的生成,在非稳定相矿物(如文石)的诱导下有利用厌氧微生物的聚集形成颗粒污泥,从而抑制碳酸钙硬垢的形成,提高反应器的稳定性和对高钙有机废水的处理效率。本研究的科学意义在于从充分利用钙的角度出发，通过磁技术对碳酸钙结晶过程的控制解决了高钙成垢影响反应器运行的问题，同时开辟了颗粒污泥培养的新方法，为今后开展颗粒污泥的应用提供了基础理论支撑。