螺旋對稱流厭氧反應器常溫下的運行特性

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

（1東華大學環境科學與工程學院，國家環境保護紡織工業污染防治工程技術中心，上海 201620；2工業研究與咨詢中心，268-喀土穆，蘇丹）

螺旋對稱流厭氧反應器常溫下的運行特性

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

（1東華大學環境科學與工程學院，國家環境保護紡織工業污染防治工程技術中心，上海 201620；2工業研究與咨詢中心，268-喀土穆，蘇丹）

螺旋對稱流厭氧反應器（SSSAB）的最高有機負荷能在中溫條件下（35℃）可達361.5kgCOD/（m3·d），然而在常溫條件下（10～30℃）其運行性能及污泥特征尚不明確，需進一步探究。以分段組合式厭氧反應器（TCAB）和升流式厭氧污泥床反應器（UASB）為參比，在常溫下，以相同的操作條件研究了SSSAB的運行性能和污泥特征。實驗結果表明：SSSAB的COD平均去除率（88%）高于TCAB和UASB（80%和78%），SSSAB的一級反應動力學常數為5.4d-1，高于TCAB的3.6d-1和UASB的2.2d-1。SSSAB內顆粒污泥宏觀上相比于TCAB及UASB輪廓清晰、黑亮密實，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，為底物的質量傳遞創造了條件，SSSAB顆粒污泥EPS的蛋白質（PN）/多糖（PS）較低，更有利于維持高污泥強度和優良的沉降性能。相比于UASB，SSSAB厭氧顆粒污泥凝聚性的分布更優，且其凝聚性波動更小。

螺旋對稱流厭氧反應器；常溫；運行特性；穩定性；污泥特性；胞外聚合物

厭氧生物處理法具有剩余污泥產量少、無需曝氣、產生生物質能沼氣等優點［1］，因而近年來一直備受關注。特別是自LETTINGA等［2］于20世紀80年代發明升流式厭氧污泥床反應器（UASB）后，厭氧反應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［4］，限制了它的進一步推廣應用。鑒于此，本文作者課題組通過在反應器床層螺旋對稱設置了3塊橢圓板，旨在維持功能菌群穩定強化相間傳質，并采用分段集氣，以降低氣泡尾流夾帶效應，增強反應器污泥持留能力，由此研發了一種具有自主知識產權的螺旋對稱流厭氧反應器（SSSAB，專利號ZL201210054218.6）。初步研究表明，在反應器溫度為35℃時，SSSAB的最高有機負荷可達361.5kgCOD/（m3·d），同時容積去除負荷為268.3kg COD/（m3·d），處于國內外所報道厭氧反應器效能的前列［5］。

盡管SSSAB在35℃時取得了超高負荷，但常溫下其運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，許多厭氧反應器往往處于常溫條件下運行，罐體溫度常年在10～30℃之間，隨四季更替變化，從而影響反應器的處理效能。故本文以SSSAB為研究對象，采用UASB、分段組合式反應器（TCAB）［6］作對比，通過為期220d（歷經夏秋冬三季）的常溫運行，探究SSSAB的運行特性，以期為SSSAB的工程化應用提供理論依據和數據參考。

1　材料和方法

1.1試驗裝置

試驗采用裝置如圖1所示，SSSAB、TCAB及UASB均由有機玻璃制成，有效容積均為4.0L。模擬廢水由反應器布水區（底部）進入，經反應區（中部）反應，于分離區（頂部）經三相分離器出水。SSSAB內設3塊120°螺旋對稱布置的橢圓板，將SSSAB床層分割成上、中、下3個腔室，每個腔室都設有集氣管，從而實現分段集氣。

SSSAB和UASB反應器均不設保溫措施，溫度范圍為10～30℃，低于中溫厭氧發酵的最佳溫度（35℃左右）。當兩反應器啟動成功后進行常溫運行實驗。整個試驗過程維持三反應器的水量、水質和溫度條件相同，HRT波動范圍為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加入量根據出水pH進行調節至7.0～7.3，NH4Cl、KH2PO4以碳氮磷比300∶5∶1投加。營養濃縮液、微量元素溶液在SSSAB、TCAB中加入量均為1mL/L，三者成分見文獻［8］。

1.3運行策略

反應器的運行可分為10個時期，第一個時期為啟動期，3座反應器均在30℃下完成啟動，歷時45d，COD去除率穩定在90%以上，之后9個時期各參數發生波動，如表1所示。

1.4測試方法

COD：重鉻酸鉀法，主要儀器MD200 COD測定儀。污泥形貌：數碼相機拍攝，主要設備為Canon IXUS 115 HS相機。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，打入樣品池后進行Zeta電位測定，測量10次取平均值，主要儀器為SC-04低速離心機、ZETA-METER 3.0+微電泳儀。掃描電子顯微鏡（SEM）：經預處理后［9］用S-3400N II（Hitachi，Japan）掃描電子顯微鏡進行觀察。EPS：提取方法采用熱提法［10］，EPS內蛋白質（PN）含量測試采用BCA法［11］，多糖（PS）含量采用蒽酮法［12］。

圖1　實驗裝置示意圖

表1　反應器運行策略（不包括啟動期）

1.5動力學模型

采用一級反應動力學，進一步考察SSSAB降解有機物的速率。一級動力學方程見式（1）。

式中，RRs為容積去除負荷，kgCOD/（m3·d）；Kc為一級反應動力學常數，d-1；Se為出水底物濃度，kgCOD/m3。將式（1）進行變換可得式（2）。

式中，S0為進水底物濃度，kgCOD/m3；H為HRT，d；V為反應器容積，m3；Q為進水流量，m3/d。Kc即為不同穩態條件下的實驗數據所繪RRs-Se直線的斜率。

1.6統計學分析

采用IBM SPSS Statistics 22.0進行數據的統計學分析，包括平均值、標準偏差及不同反應器COD去除率均值差異的顯著性檢驗。樣本均值差異的顯著性檢驗采用單因素ANOVA，α=0.05，事后檢驗采用Boferroni檢驗法。

2　結果與討論

2.1反應器性能

2.1.1COD去除率

SSSAB、TCAB及UASB去除率實驗運行結果見圖2。由圖2可見，隨著各個操作參數（溫度、進水COD及流量）的變化，反應器的去除率出現了明顯的波動，對于SSSAB，其最高可達97%，最低則低于80%。不過可以可看出，在相同的沖擊負荷下，SSSAB的COD去除率明顯高于TCAB和UASB，統計學結果表明SSSAB的COD平均去除率為88%，高于TCAB的80%和UASB的78%；SSSAB的COD去除率標準偏差為5.22%，低于TCAB的5.44%和UASB的7.98%。由ANOVA分析發現，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去除率的穩定性均顯著優于TCAB和UASB。此外，雖然操作參數有一定波動，但是SSSAB的平均去除率也為88%，屬于文獻報道中的較高水平［13-14］。

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

依圖2的數據還可以得到有機負荷（OLR）對反應器去除率的影響（圖4）。圖4中不同的有機負荷率［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，當有機負荷為4.0kgCOD/（m3·d）時，SSSAB、TCAB、UASB的COD去除率都達到了最大值，分別是：SSSAB為96.5%，TCAB為90.4%，UASB為88.5%。常溫下，當OLR高達25kgCOD/（m3·d）時SSSAB的去除率仍能維持在79%，明顯優于對照的TCAB（71%）和UASB（63%）。

2.1.2降解動力學常數

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降解有機物的速率明顯高于其他兩種反應器，究其原因，可能是由于上述反應器內流體力學特性和床層顆粒污泥特性的差異（詳見后文），導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SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情況的影響

圖4　OLR對SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情況的影響

圖5　SSSAB、TCAB及UASB去除COD的一級動力學常數擬合

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性，它是污泥持留的重要保障之一。宏觀上，SSSAB內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，與接種污泥的顆粒污泥形貌最為接近；TCAB次之，且顆粒污泥出現了解體的痕跡；UASB最差，其內的顆粒污泥發生明顯的解體，出現大量絮狀污泥，且污泥顏色偏棕色。

圖6　不同反應器內顆粒污泥的宏觀形貌

微觀上，由圖7的SEM圖發現，SSSAB內顆粒污泥的表面［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，這有利于底物的進入和甲烷的釋放，為SSSAB內顆粒污泥的氣液固傳質提供了良好的通道。

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以及一些細胞裂解和底物水解的產物共同組成，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，在實驗進行至220d后，SSSAB、TCAB及UASB內顆粒污泥的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，有文獻報道，溫度的沖擊或負荷的變化均會刺激EPS的分泌［17］。值得注意的是，SSSAB內顆粒污泥的EPS總量明顯高于TCAB及UASB，這可能有利于SSSAB內顆粒污泥抵御負荷的沖擊［18］。此外，SSSAB內顆粒污泥的PN/PS值最低（1.31），表明SSSAB內顆粒污泥具有更高的污泥強度和更優的沉降性能［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電位是在有電場的條件下，帶電固體顆粒會發生電泳現象，產生固體顆粒表面的液體固定層和滑動層之間的電位差［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（由于樣品受損，未測量TCAB內污泥的Zeta電位；表中sample 1和sample 2表示反應器床層下端取樣口和上端取樣口），波動以數據標準偏差表示。

由表2可見，SSSAB上端厭氧顆粒污泥Zeta電位平均值的絕對值為41.5mV，低于下端平均值的絕對值44.5mV，則SSSAB上端的厭氧顆粒污泥比下端的凝聚性好，“上實下松”的分布不易發生污泥洗出。由表2還可見，UASB內上端厭氧顆粒污泥Zeta電位平均值的絕對值為45.0mV，高于下端平均值的絕對值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”的分布易導致污泥洗出，這與運行后期UASB床層宏觀上出現大量絮體污泥相吻合［見圖6（d）］。此外，SSSAB的標準偏差上下（10.1和12.2）均小于UASB對應高度的值（13.6和15.4），即SSSAB顆粒污泥的凝聚性波動較為穩定，可扼制因凝聚性較差而導致部分顆粒污泥破碎被洗出的現象。因此，與UASB相比，SSSAB厭氧顆粒污泥凝聚性的分布更優，且其凝聚性波動更小。

表2　不同高度下SSSAB與UASB的Zeta電位及其波動 單位：mV

圖8　不同反應器內顆粒污泥的胞外聚合物

3　結 論

（1）在常溫下，保持相同的操作條件，SSSAB的COD平均去除率和一級反應動力學常數顯著高于TCAB和UASB。

（2）較之TCAB及UASB，SSSAB內顆粒污泥形貌更加輪廓清晰，且未見明顯解體現象，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度和更優的沉降性能。

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

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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。

國家自然科學基金（51208087）及過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金（GK201402）項目。

Awad Abdelgadir（1978—），男，博士研究生，研究方向為厭氧生物處理。聯系人：陳小光，副教授，研究方向為厭氧生物處理設備開發及過程研究。E-mail cxg@dhu.edu.cn。