AWAD Abdelgadir，陳小光，戴若彬，柳建設(shè)，羅穎，馬璞月，倪圣笙

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620；2工業(yè)研究與咨詢中心，268-喀土穆，蘇丹）

螺旋對(duì)稱流厭氧反應(yīng)器常溫下的運(yùn)行特性

AWAD Abdelgadir1，2，陳小光1，戴若彬1，柳建設(shè)1，羅穎1，馬璞月1，倪圣笙1

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620；2工業(yè)研究與咨詢中心，268-喀土穆，蘇丹）

螺旋對(duì)稱流厭氧反應(yīng)器（SSSAB）的最高有機(jī)負(fù)荷能在中溫條件下（35℃）可達(dá)361.5kgCOD/（m3·d），然而在常溫條件下（10～30℃）其運(yùn)行性能及污泥特征尚不明確，需進(jìn)一步探究。以分段組合式厭氧反應(yīng)器（TCAB）和升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）為參比，在常溫下，以相同的操作條件研究了SSSAB的運(yùn)行性能和污泥特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SSSAB的COD平均去除率（88%）高于TCAB和UASB（80%和78%），SSSAB的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為5.4d-1，高于TCAB的3.6d-1和UASB的2.2d-1。SSSAB內(nèi)顆粒污泥宏觀上相比于TCAB及UASB輪廓清晰、黑亮密實(shí)，且SSSAB顆粒污泥表面微觀上較為粗糙，存在許多孔道。SSSAB顆粒污泥的胞外聚合物（EPS）總量高于TCAB及UASB，為底物的質(zhì)量傳遞創(chuàng)造了條件，SSSAB顆粒污泥EPS的蛋白質(zhì)（PN）/多糖（PS）較低，更有利于維持高污泥強(qiáng)度和優(yōu)良的沉降性能。相比于UASB，SSSAB厭氧顆粒污泥凝聚性的分布更優(yōu)，且其凝聚性波動(dòng)更小。

螺旋對(duì)稱流厭氧反應(yīng)器；常溫；運(yùn)行特性；穩(wěn)定性；污泥特性；胞外聚合物

厭氧生物處理法具有剩余污泥產(chǎn)量少、無需曝氣、產(chǎn)生生物質(zhì)能沼氣等優(yōu)點(diǎn)［1］，因而近年來一直備受關(guān)注。特別是自LETTINGA等［2］于20世紀(jì)80年代發(fā)明升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）后，厭氧反應(yīng)器在全世界迅速普及［3］。然而，UASB仍然存在易短流、混合不充分且易酸化的缺點(diǎn)［4］，限制了它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。鑒于此，本文作者課題組通過在反應(yīng)器床層螺旋對(duì)稱設(shè)置了3塊橢圓板，旨在維持功能菌群穩(wěn)定強(qiáng)化相間傳質(zhì)，并采用分段集氣，以降低氣泡尾流夾帶效應(yīng)，增強(qiáng)反應(yīng)器污泥持留能力，由此研發(fā)了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的螺旋對(duì)稱流厭氧反應(yīng)器（SSSAB，專利號(hào)ZL201210054218.6）。初步研究表明，在反應(yīng)器溫度為35℃時(shí)，SSSAB的最高有機(jī)負(fù)荷可達(dá)361.5kgCOD/（m3·d），同時(shí)容積去除負(fù)荷為268.3kg COD/（m3·d），處于國內(nèi)外所報(bào)道厭氧反應(yīng)器效能的前列［5］。

盡管SSSAB在35℃時(shí)取得了超高負(fù)荷，但常溫下其運(yùn)行性能及其污泥特征尚不明確。工程上由于保溫增溫效果不佳或管理不當(dāng)，許多厭氧反應(yīng)器往往處于常溫條件下運(yùn)行，罐體溫度常年在10～30℃之間，隨四季更替變化，從而影響反應(yīng)器的處理效能。故本文以SSSAB為研究對(duì)象，采用UASB、分段組合式反應(yīng)器（TCAB）［6］作對(duì)比，通過為期220d（歷經(jīng)夏秋冬三季）的常溫運(yùn)行，探究SSSAB的運(yùn)行特性，以期為SSSAB的工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用裝置如圖1所示，SSSAB、TCAB及UASB均由有機(jī)玻璃制成，有效容積均為4.0L。模擬廢水由反應(yīng)器布水區(qū)（底部）進(jìn)入，經(jīng)反應(yīng)區(qū)（中部）反應(yīng)，于分離區(qū)（頂部）經(jīng)三相分離器出水。SSSAB內(nèi)設(shè)3塊120°螺旋對(duì)稱布置的橢圓板，將SSSAB床層分割成上、中、下3個(gè)腔室，每個(gè)腔室都設(shè)有集氣管，從而實(shí)現(xiàn)分段集氣。

SSSAB和UASB反應(yīng)器均不設(shè)保溫措施，溫度范圍為10～30℃，低于中溫厭氧發(fā)酵的最佳溫度（35℃左右）。當(dāng)兩反應(yīng)器啟動(dòng)成功后進(jìn)行常溫運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過程維持三反應(yīng)器的水量、水質(zhì)和溫度條件相同，HRT波動(dòng)范圍為18h、15h、12h、9h，COD濃度范圍1400～15600mg/L，溫度隨外界溫度變化而變化。

1.2接種污泥與模擬廢水

接種污泥取自某造紙廢水處理廠的厭氧膨脹顆粒污泥床（EGSB）反應(yīng)器，污泥面積平均直徑（SMD［7］）1.136mm，密度1.049g/cm3，Zeta電位-48.4mV，污泥接種量2.5L，揮發(fā)性懸浮固體/懸浮固體（VSS/SS）為0.72。

模擬廢水中，葡萄糖、乙醇、乙酸鈉及甲醇按COD 4∶2∶1∶1的比例配制，NaHCO3加入量根據(jù)出水pH進(jìn)行調(diào)節(jié)至7.0～7.3，NH4Cl、KH2PO4以碳氮磷比300∶5∶1投加。營(yíng)養(yǎng)濃縮液、微量元素溶液在SSSAB、TCAB中加入量均為1mL/L，三者成分見文獻(xiàn)［8］。

1.3運(yùn)行策略

反應(yīng)器的運(yùn)行可分為10個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期為啟動(dòng)期，3座反應(yīng)器均在30℃下完成啟動(dòng)，歷時(shí)45d，COD去除率穩(wěn)定在90%以上，之后9個(gè)時(shí)期各參數(shù)發(fā)生波動(dòng)，如表1所示。

1.4測(cè)試方法

COD：重鉻酸鉀法，主要儀器MD200 COD測(cè)定儀。污泥形貌：數(shù)碼相機(jī)拍攝，主要設(shè)備為Canon IXUS 115 HS相機(jī)。Zeta電位：離心所取污泥，棄上清液，用去離子水配制濃度為6g/L的污泥混合液，打入樣品池后進(jìn)行Zeta電位測(cè)定，測(cè)量10次取平均值，主要儀器為SC-04低速離心機(jī)、ZETA-METER 3.0+微電泳儀。掃描電子顯微鏡（SEM）：經(jīng)預(yù)處理后［9］用S-3400N II（Hitachi，Japan）掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。EPS：提取方法采用熱提法［10］，EPS內(nèi)蛋白質(zhì)（PN）含量測(cè)試采用BCA法［11］，多糖（PS）含量采用蒽酮法［12］。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1　反應(yīng)器運(yùn)行策略（不包括啟動(dòng)期）

1.5動(dòng)力學(xué)模型

采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，進(jìn)一步考察SSSAB降解有機(jī)物的速率。一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程見式（1）。

式中，RRs為容積去除負(fù)荷，kgCOD/（m3·d）；Kc為一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，d-1；Se為出水底物濃度，kgCOD/m3。將式（1）進(jìn)行變換可得式（2）。

式中，S0為進(jìn)水底物濃度，kgCOD/m3；H為HRT，d；V為反應(yīng)器容積，m3；Q為進(jìn)水流量，m3/d。Kc即為不同穩(wěn)態(tài)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪RRs-Se直線的斜率。

1.6統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用IBM SPSS Statistics 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及不同反應(yīng)器COD去除率均值差異的顯著性檢驗(yàn)。樣本均值差異的顯著性檢驗(yàn)采用單因素ANOVA，α=0.05，事后檢驗(yàn)采用Boferroni檢驗(yàn)法。

2　結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)器性能

2.1.1COD去除率

SSSAB、TCAB及UASB去除率實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果見圖2。由圖2可見，隨著各個(gè)操作參數(shù)（溫度、進(jìn)水COD及流量）的變化，反應(yīng)器的去除率出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，對(duì)于SSSAB，其最高可達(dá)97%，最低則低于80%。不過可以可看出，在相同的沖擊負(fù)荷下，SSSAB的COD去除率明顯高于TCAB和UASB，統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果表明SSSAB的COD平均去除率為88%，高于TCAB的80%和UASB的78%；SSSAB的COD去除率標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.22%，低于TCAB的5.44%和UASB的7.98%。由ANOVA分析發(fā)現(xiàn)，SSSAB的COD去除率與TCAB及UASB具有顯著性差異（α＜0.05）。由此可見，SSSAB的平均COD去除率和COD去除率的穩(wěn)定性均顯著優(yōu)于TCAB和UASB。此外，雖然操作參數(shù)有一定波動(dòng)，但是SSSAB的平均去除率也為88%，屬于文獻(xiàn)報(bào)道中的較高水平［13-14］。

HRT可直接影響底物和污泥接觸的時(shí)間和混合程度，是反應(yīng)器運(yùn)行的一個(gè)重要操作參數(shù)［15］。依圖2可獲得HRT（分別為9h、12h、15h、18h）對(duì)反應(yīng)器去除率的影響（見圖3）。圖3表明最適宜的HRT為15h，此時(shí)3臺(tái)反應(yīng)器的COD去除率均達(dá)到最高：SSSAB的COD去除率超過96%，高于TCAB的90%、UASB的89%。這可能是由于當(dāng)HRT低于15h時(shí)，相間接觸時(shí)間不夠，而HRT長(zhǎng)于15h時(shí)，床層膨脹率較低，相間接觸不充分。

依圖2的數(shù)據(jù)還可以得到有機(jī)負(fù)荷（OLR）對(duì)反應(yīng)器去除率的影響（圖4）。圖4中不同的有機(jī)負(fù)荷率［4.0kgCOD/（m3·d）、7.1kgCOD/（m3·d）、11.5kgCOD/（m3·d）、25kgCOD/（m3·d）］主要是通過COD去除率的變化（COD濃度分別為2488mg/L、4410mg/L、7160mg/L和15640mg/L，HRT 15h）而改變的。從圖4可見，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為4.0kgCOD/（m3·d）時(shí)，SSSAB、TCAB、UASB的COD去除率都達(dá)到了最大值，分別是：SSSAB為96.5%，TCAB為90.4%，UASB為88.5%。常溫下，當(dāng)OLR高達(dá)25kgCOD/（m3·d）時(shí)SSSAB的去除率仍能維持在79%，明顯優(yōu)于對(duì)照的TCAB（71%）和UASB（63%）。

2.1.2降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)

由圖5可求，SSSAB、TCAB和UASB的Kc值分別為5.4d-1、3.6d-1及2.2d-1。可見，SSSAB的Kc值明顯高于TCAB和UASB，即SSSAB降解有機(jī)物的速率明顯高于其他兩種反應(yīng)器，究其原因，可能是由于上述反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)特性和床層顆粒污泥特性的差異（詳見后文），導(dǎo)致降解底物的速率不同。

圖2　SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情況

圖3　HRT對(duì)SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情況的影響

圖4　OLR對(duì)SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情況的影響

圖5　SSSAB、TCAB及UASB去除COD的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)擬合

2.2污泥特性

2.2.1顆粒污泥形貌

顆粒污泥形貌在一定程度上可反映其密實(shí)性，它是污泥持留的重要保障之一。宏觀上，SSSAB內(nèi)顆粒污泥的輪廓清晰［見圖6（b）］、粒徑均一、顏色黑亮、顆粒密實(shí)，與接種污泥的顆粒污泥形貌最為接近；TCAB次之，且顆粒污泥出現(xiàn)了解體的痕跡；UASB最差，其內(nèi)的顆粒污泥發(fā)生明顯的解體，出現(xiàn)大量絮狀污泥，且污泥顏色偏棕色。

圖6　不同反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的宏觀形貌

微觀上，由圖7的SEM圖發(fā)現(xiàn)，SSSAB內(nèi)顆粒污泥的表面［圖7（a）］與另外兩者［圖7（b）、（c）］顯著不同，TCAB與UASB內(nèi)的污泥顯得光滑，而SSSAB的污泥表面粗糙，存在許多孔道，這有利于底物的進(jìn)入和甲烷的釋放，為SSSAB內(nèi)顆粒污泥的氣液固傳質(zhì)提供了良好的通道。

2.2.2胞外聚合物（EPS）

厭氧顆粒污泥的EPS是由微生物分泌的高分子量物質(zhì)以及一些細(xì)胞裂解和底物水解的產(chǎn)物共同組成，主要包括蛋白（PN）和多糖（PS）［16］，PN與 PS的和記為EPS總量。由圖8可見，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至220d后，SSSAB、TCAB及UASB內(nèi)顆粒污泥的EPS量（36.5mg/gVSS、30.3mg/gVSS、28.0mg/gVSS）較之接種污泥（19.8mg/g VSS）均明顯增加，這可能是由于底物及其他操作條件的變化引起的，有文獻(xiàn)報(bào)道，溫度的沖擊或負(fù)荷的變化均會(huì)刺激EPS的分泌［17］。值得注意的是，SSSAB內(nèi)顆粒污泥的EPS總量明顯高于TCAB及UASB，這可能有利于SSSAB內(nèi)顆粒污泥抵御負(fù)荷的沖擊［18］。此外，SSSAB內(nèi)顆粒污泥的PN/PS值最低（1.31），表明SSSAB內(nèi)顆粒污泥具有更高的污泥強(qiáng)度和更優(yōu)的沉降性能［19-20］。

2.2.3污泥Zeta電位

Zeta電位可反映厭氧顆粒污泥的凝聚性，而凝聚性是防止顆粒污泥解體的重要保障。Zeta電位是在有電場(chǎng)的條件下，帶電固體顆粒會(huì)發(fā)生電泳現(xiàn)象，產(chǎn)生固體顆粒表面的液體固定層和滑動(dòng)層之間的電位差［21］，其可作為顆粒污泥凝聚性衡量尺度［22］。Zeta電位絕對(duì)值越大，顆粒污泥的凝聚性愈差。表2給出了SSSAB與UASB的Zeta電位（mV）及其波動(dòng)（由于樣品受損，未測(cè)量TCAB內(nèi)污泥的Zeta電位；表中sample 1和sample 2表示反應(yīng)器床層下端取樣口和上端取樣口），波動(dòng)以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

由表2可見，SSSAB上端厭氧顆粒污泥Zeta電位平均值的絕對(duì)值為41.5mV，低于下端平均值的絕對(duì)值44.5mV，則SSSAB上端的厭氧顆粒污泥比下端的凝聚性好，“上實(shí)下松”的分布不易發(fā)生污泥洗出。由表2還可見，UASB內(nèi)上端厭氧顆粒污泥Zeta電位平均值的絕對(duì)值為45.0mV，高于下端平均值的絕對(duì)值42.7mV，則UASB上端的厭氧顆粒污泥比下端的凝聚性差，“上松下實(shí)”的分布易導(dǎo)致污泥洗出，這與運(yùn)行后期UASB床層宏觀上出現(xiàn)大量絮體污泥相吻合［見圖6（d）］。此外，SSSAB的標(biāo)準(zhǔn)偏差上下（10.1和12.2）均小于UASB對(duì)應(yīng)高度的值（13.6和15.4），即SSSAB顆粒污泥的凝聚性波動(dòng)較為穩(wěn)定，可扼制因凝聚性較差而導(dǎo)致部分顆粒污泥破碎被洗出的現(xiàn)象。因此，與UASB相比，SSSAB厭氧顆粒污泥凝聚性的分布更優(yōu)，且其凝聚性波動(dòng)更小。

表2　不同高度下SSSAB與UASB的Zeta電位及其波動(dòng) 單位：mV

圖8　不同反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的胞外聚合物

3　結(jié) 論

（1）在常溫下，保持相同的操作條件，SSSAB的COD平均去除率和一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)顯著高于TCAB和UASB。

（2）較之TCAB及UASB，SSSAB內(nèi)顆粒污泥形貌更加輪廓清晰，且未見明顯解體現(xiàn)象，且SSSAB顆粒污泥表面較為粗糙，存在許多孔道，為顆粒污泥的氣液固傳質(zhì)提供了良好的通道。

（3）SSSAB顆粒污泥的EPS總量高于TCAB及UASB，有利于其與底物的質(zhì)量傳遞，且SSSAB顆粒污泥的PN/PS較低，更有利于維持更高的污泥強(qiáng)度和更優(yōu)的沉降性能。

（4）Zeta電位測(cè)量結(jié)果表明SSSAB厭氧顆粒污泥凝聚性的分布更優(yōu)，且其凝聚性波動(dòng)更小。

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Operational characteristics of spiral symmetry stream anaerobic bioreactor under room temperature

AWAD Abdelgadir1，2，CHEN Xiaoguang1，DAI Ruobin1，LIU Jianshe1，LUO Ying1，MA Puyue1，NI Shengsheng1
（1State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2Industrial Research and Consultancy Center，IRCC，268-Khartoum，Sudan）

A maximum organic loading rate of 361.5kgCOD/（m3·d） is achieved in spiral symmetry stream anaerobic bioreactor（SSSAB） under mesophilic condition（35℃）. However，the performance and sludge features，which require further research，are still unclear under room temperature（10—30℃）. In comparison to three compartmentalized anaerobic bioreactor（TCAB）and upflow anaerobic sludge blanket reactor（UASB），the performance and sludge features were studied with same operational conditions under room temperature. The results showed that：the average COD removal efficiency of SSSAB（88%） was higher than that of TCAB and UASB（80% and 78%）. The first-order kinetic constant of SSSAB was 5.4d-1，higher than that of TCAB（3.6d-1）and UASB（2.2d-1）. In macro scale，compared with that from TCAB and UASB，the anaerobic granular sludge from SSSAB was clearer，more black and denser. Moreover，the surface ofanaerobic granular sludge from SSSAB was rough and full of channels. The total amount of extracellular polymeric substance（EPS） of anaerobic granular sludge from SSSAB was higher than that of TCAB and UASB，which provided conditions for mass transfer between sludge and substrates. The protein（PN）/ polysaccharide（PS）ratio of the sludge from SSSAB was lowest，which might indicate that it had more favorable strength and settling ability. The distribution of flocculability of the sludge from SSSAB was more reasonable，and its fluctuation was smaller compared with that from UASB.

spiral symmetry stream anaerobic bioreactor；room temperature；operational characteristic；stability；sludge characteristic；extracellular polymeric substance

X 703.1

A

1000-6613（2016）11-3426-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.006

2016-04-07；修改稿日期：2016-04-25。

國家自然科學(xué)基金（51208087）及過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（GK201402）項(xiàng)目。

Awad Abdelgadir（1978—），男，博士研究生，研究方向?yàn)閰捬跎锾幚?。?lián)系人：陳小光，副教授，研究方向?yàn)閰捬跎锾幚碓O(shè)備開發(fā)及過程研究。E-mail cxg@dhu.edu.cn。