螺旋對稱流厭氧反應器床層顆粒污泥金屬元素時空變化

Awad Abdelgad, 李　崗， 陳小光， 柳建設

(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)

?

螺旋對稱流厭氧反應器床層顆粒污泥金屬元素時空變化

Awad Abdelgad, 李崗， 陳小光， 柳建設

(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)

金屬元素對厭氧顆粒污泥(AGS)的顆粒化、致密性和沉降性能等具有重要作用。文章以UASB反應器為參比，研究了螺旋對稱流厭氧反應器(SSSAB)床層AGS中金屬元素的時空變化規律。結果表明：SSSAB床層AGS中金屬元素總量在時間上先升后穩，由接種污泥的18.81 mg·g-1SS，逐步提升并穩定在40 mg·g-1SS左右，穩定運行后的SSSAB反應器COD平均去除率達86.74%；SSSAB床層AGS中Ca和Cr等金屬元素在空間上呈現梯度分布，它們與反應器高度呈正相關；金屬元素總量在空間上也呈現梯度分布，它與反應器高度呈負相關，而UASB反應器則無明顯的梯度分布規律。

螺旋對稱流厭氧反應器； 厭氧顆粒污泥； 金屬元素； 時空變化； 梯度分布

厭氧反應器因其高效節能，而在高濃度有機廢水處理領域獲得廣泛應用。厭氧顆粒污泥(AGS)是厭氧反應器降解有機廢水的載體，它由產甲烷菌、產乙酸菌和水解發酵菌等多物種微生物形成的自凝聚體，因而具有較高的比甲烷活性和沉降速度，可使反應器保持較高的污泥濃度和容積負荷[1,2]。金屬元素是厭氧顆粒污泥的重要組成部分，它對AGS的顆粒化、致密性和沉降性能等方面發揮了重要作用[3]。螺旋對稱流厭氧反應器(Spiral Symmetric Stream Anaerobic Bioreactor，SSSAB)是具有自主知識產權的專利反應器(發明專利號：ZL201210054218.6)[4]，反應器的污泥床層對稱布置3塊橢圓板，將反應器劃分為多個腔室，使其床層呈現平推流態[5]。文章以SSSAB床層AGS為研究對象，探清AGS中金屬元素時空變化規律，有助于明確SSSAB的高效機理，同時對同類型厭氧反應器的設計和操作具有重要指導意義。

1　材料和方法

1.1實驗材料和裝置

顆粒污泥取自SSSAB和UASB反應器床層顆粒污泥，平均粒徑為φ1.14 mm，它們的接種污泥均來自某IC反應器的厭氧顆粒污泥。模擬廢水以葡萄糖、乙醇、乙酸鈉、及甲醇按化學需氧量(COD)4∶2∶1∶1配制，進水COD濃度范圍是2000～5000 mg·L-1。

NaHCO3加入量依據出水pH值進行調節，N/C質量比0.05，營養濃縮液1 mL·L-1，其中微量元素溶液I、II均為1 mL·L-1(見表1)。實驗裝置如圖1所示，實驗過程用到的主要分析方法和儀器設備見表2。SSSAB和UASB反應器上分別設有Sample1，Sample2和Sample3這3個取樣口，分別考察

反應器金屬元素的縱向分布情況。

1.進水口； 2.Sample 1； 3.Sample 2； 4.Sample 3； 5.出水口； 6.出氣口； 7.內構件圖1　實驗系統

表2　分析方法及儀器設備

1.2試驗方法

取濕污泥5.0 g，放置在烘箱中，105℃條件下烘烤四個小時。將烘烤過的污泥置于干燥器冷卻至室溫。將冷卻后的污泥用ZHM-1A型振動磨研磨，用ZHY-401型壓樣機壓片。將做好的壓片放入X射線熒光光譜分析儀(SUPER XRF 2400)中，分析顆粒污泥中的元素。所測金屬元素包括：Ca，Mg，Fe，Mn，Zn，Pb，Cu和Cr。

2　結果與討論

2.1螺旋對稱流厭氧反應器去除效果

以相同的進料基質和相近的進料負荷，對SSSAB和UASB反應器的運行狀況進行了對比研究。圖2顯示在SSSAB中，進水COD在1400～4410 mg·L-1，出水COD在72～880 mg·L-1，去除率為61.9%～97.23%。平均進水COD為2677 mg·L-1，平均出水COD為355 mg·L-1，平均去除率為86.74%。圖3顯示出UASB反應器中，進水COD在630～4410 mg·L-1，出水COD在92～1255 mg·L-1，COD去除率為49.57%～91.12%。平均進水COD為2312 mg·L-1，平均出水COD為563 mg·L-1，平均去除率為75.64%。可見，SSSAB中COD的去除效果和穩定性均優于UASB反應器。

2.2AGS中金屬元素時空變化

2.2.1金屬元素時間變化

試驗所采用的接種污泥為某造紙廠IC反應器的厭氧顆粒污泥，分別對Ca，Mg，Fe，Mn，Zn，Pb，Cu和Cr八種金屬元素含量進行了測量(見表3)。金屬元素總含量為18.81 mg·g-1SS，在所測金屬元素中Ca的含量最多，達11.60 mg·g-1SS，占總量的61.67%，這可能與Ca是AGS顆粒化的最重要金屬元素之一有關[6,7]；其次為Cr，2.62 mg·g-1SS，Mg，Fe，Mn，Zn和Cu為1.25～1.85 mg·g-1SS；Pb最少，未檢出。

圖2　SSSAB反應器運行情況

圖3　UASB反應器運行情況

將接種污泥分別置入SSSAB與UASB反應器，因其自身生長需求，吸收大量元素(如Ca，Mg等)和微量元素(如Fe，Mn等)[8-9]，通過吸附吸收重金屬元素(如Cu，Pb等)[10-11]。在相同的進水水質水量條件下，分別對兩個反應器內的顆粒污泥金屬元素進行了跟蹤測量。據圖4和圖5，SSSAB第181天3個取樣口的金屬元素總量分別為43.99 mg·g-1SS，34.25 mg·g-1SS 和 32.70 mg·g-1SS，平均值為36.98 mg·g-1SS；第 231 天3個取樣口的金屬元素總量分別為46.20 mg·g-1SS，39.74 mg·g-1SS，39.70 mg·g-1SS，平均值為41.88 mg·g-1SS。類似地，UASB第100天3個取樣口的金屬元素總量分別為43.26 mg·g-1SS，52.46 mg·g-1SS和35.86 mg·g-1SS，平均值為43.68 mg·g-1SS；第150天3個取樣口的金屬元素總量分別為43.35 mg·g-1SS，35.6 mg·g-1SS，34.03 mg·g-1SS，平均值為37.66 mg·g-1SS。可見，與接種污泥相比，穩定運行后的SSSAB與UASB反應器金屬元素總量均大幅提高，可達40 mg·g-1SS左右，增幅約為接種污泥的2倍。

表3　接種顆粒污泥金屬元素含量 (mg·g-1SS)

圖4　SSSAB第181天顆粒污泥中金屬元素變化情況

圖5　SSSAB第231天顆粒污泥中金屬元素變化情況

2.2.2金屬元素空間變化

進一步分析圖4～圖7發現，SSSAB第181天的Ca，Fe，Mn，Zn，Cr元素的含量在空間上呈現梯度分布，均隨著反應器高度的上升而升高；第231天Ca，Cr元素表現出相同規律。(Ca由下至上分別為12.8，13.30，13.70 mg·g-1SS，Cr由下至上分別為4.87，4.93，5.01 mg·g-1SS)。第181天和第231天金屬元素總量在空間上也呈現梯度分布，但與反應器高度呈負相關，這可能與SSSAB床層平推流態[5]有關。UASB中，在第100天與第150天時只有Cu元素含量隨反應器的高度自下至上依次降低，其他金屬元素變化無明顯差異，金屬元素總量在空間上也不呈現梯度分布規律，這可能與UASB反應器床層全混流態[12-13]有關。

圖6　UASB第100天顆粒污泥中金屬元素變化情況

圖7　UASB第150天顆粒污泥中金屬元素變化情況

3　結　論

(1)SSSAB顆粒污泥中金屬元素總量在時間上先升后穩。SSSAB中金屬元素由接種顆粒污泥金屬元素總量的18.81 mg·g-1SS，其中Ca元素占比最大為61.67%；穩定運行后顆粒污泥金屬元素總量保持在40 mg·g-1SS左右。穩定運行后的SSSAB反應器COD平均去除率達86.74%，其去除效果和穩定性均優于UASB反應器。

(2)SSSAB顆粒污泥中Ca和Cr等金屬元素含量在空間上呈現梯度分布，它們與反應器高度呈正相關；金屬元素總量在空間上也呈現梯度分布，它與反應器高度呈負相關，可能與其床層平推流態有關。UASB反應器中顆粒污泥的金屬元素則無明顯的梯度分布規律，可能與其床層全混流態有關。

[1]郭曉磊,胡勇有,高孔榮.厭氧顆粒污泥極其形成機理[J].給水排水,2000,26(1):33-38.

[2]賀延齡.廢水的厭氧生物處理[M].北京：中國輕工業出版社,1998:146.

[3]Anwar Ahmad, Rumana Ghufran, Zularisam Abd. Wahid. Role of calcium oxide in sludge granulation and methanogenesis for the treatment of palm oil mill effluent using UASB reactor[J]. Journal of Hazardous Materials, 2011(198):40-48.

[4]陳小光,徐曉雪,薛 罡,等. 一種螺旋對稱流厭氧反應器:中國, ZL201210054218.6[P].2013.

[5]Xiaoguang Chen, Ruobin Dai, Xinyi Xiang, et al. Rheological behaviors of anaerobic granular sludge in a spiral symmetry stream anaerobic bioreactor[J].Water Science & Technology, 2015, 72(4):658-664.

[6]Muhammad Sajjad, Kwang Soo Kim. Studies on the interactions of Ca2+and Mg2+with EPS and their role in determining the physicochemical characteristics of granular sludge in SBR system[J]. Process Biochemistry,2015,50(6): 966-972.

[7]Dandan Zhou, Mengyuan Liu, Linlin Gao, et al.Calcium accumulation characterization in the aerobic granules cultivated in a continuous-flow airlift bioreactor[J]. Biotechnology Letters, 2013(35):871-877.

[8]Xiaolei Cao, Yuxing Sheng,Hongbin Cao, et al. Comparison of Mg2+and Ca2+enhancing anaerobic granulation in an expanded granular sludge-bed reactor[J]. Science China Chemistry, 2014(57): 1596-1601.

[9]Veronica Facchin, Cristina Cavinato, Francesco Fatone, et al. Effect of trace element supplementation on the mesophilic anaerobic digestion of foodwaste in batch trials: The influence of inoculum origin[J]. Biochemical Engineering Journal, 2013(70):71-77.

[10] Zhiqiang Zhang, Pan Wang, Jiao Zhang , et al. Removal and mechanism of Cu (II) and Cd (II) from aqueous singlE-metal solutions by a novel biosorbent from waste-activated sludge[J]. Environmental science and pollution research,2014,21(18): 10823-10829.

[11] Wen Liu, Jiangshui Zhang, Yinjia Jin, et al. Adsorption of Pb(II), Cd(II) and Zn(II) by extracellular polymeric substances extracted from aerobic granular sludge: Efficiency of protein[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering,2015,3(2): 1223-1232.

[12] Ashish Singhal, James Gomes, V V Praveen, et al. Axial dispersion model for upflow anaerobic sludge blanket reactors[J]. Biotechnology Progress, 1998, 14(4): 645-648.

[13] 王衛京, 左秀錦, 朱 波.UASB 厭氧反應器內流場數值模擬[J].大連大學學報, 2007, 28(3): 8-10.

Temporal and Spatial Variation of Metal Elements of Granular Sludge in the Spiral Symmetric Stream Anaerobic Bioreactor /

Awad Abdelgad, LI Gang, CHEN Xiao-guang, LIU Jian-she /

(College of Environmental Science and Engineerin，Donghua University， State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry, Shanghai 201620，China)

Metal elements play an important role in the granulation, density of the anaerobic granular sludge (AGS) and its settling performance. With a UASB reactor as the comparison, the temporal and spatial variations of metal elements of AGS in the bed of Spiral Symmetric Stream Anaerobic Bioreactor (SSSAB) were studied. The results showed that the total amount of metal elements of the AGS in the SSSAB reactor was firstly raised and then stabilized, in which the AGS metal elements in inoculation sludge gradually increased and stabilized from 18.81 mg·g-1SS to around 40 mg·g-1SS.The average COD removal efficiency of the SSSAB reached to 86.74% during the stable operation. The calcium and chromium of AGS in sludge bed of SSSAB presented a spatial gradient distribution, which were positively correlated with the height of the reactor. The total amount of metal elements also showed a spatial gradient distribution, but it was negatively correlated with the height of the reactor, while the UASB reactor has no obvious gradient distribution.

Spiral Symmetric Stream Anaerobic Bioreactor (SSSAB); anaerobic granular sludge; metal element; temporal and spatial variation; gradient distribution

2015-09-30

2015-10-14

項目來源： 國家自然科學基金(51208087)；教育部新教師基金(20120075120001)；中央高校基金項目

Awad Abdelgad(1978-)，男，蘇丹籍，博士研究生，研究方向為厭氧生物處理，E-mail: awadabdoh@gmail.com

陳小光，E-mail：cxg@dhu.edu.cn

X703

A

1000-1166(2016)05-0003-04