螺旋对称流厌氧反应器床层颗粒污泥金属元素时空变化

Awad Abdelgad, 李　岗， 陈小光， 柳建设

(东华大学环境科学与工程学院 国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心， 上海　201620)



螺旋对称流厌氧反应器床层颗粒污泥金属元素时空变化

Awad Abdelgad, 李岗， 陈小光， 柳建设

(东华大学环境科学与工程学院 国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心， 上海201620)

金属元素对厌氧颗粒污泥(AGS)的颗粒化、致密性和沉降性能等具有重要作用。文章以UASB反应器为参比，研究了螺旋对称流厌氧反应器(SSSAB)床层AGS中金属元素的时空变化规律。结果表明：SSSAB床层AGS中金属元素总量在时间上先升后稳，由接种污泥的18.81 mg·g-1SS，逐步提升并稳定在40 mg·g-1SS左右，稳定运行后的SSSAB反应器COD平均去除率达86.74%；SSSAB床层AGS中Ca和Cr等金属元素在空间上呈现梯度分布，它们与反应器高度呈正相关；金属元素总量在空间上也呈现梯度分布，它与反应器高度呈负相关，而UASB反应器则无明显的梯度分布规律。

螺旋对称流厌氧反应器； 厌氧颗粒污泥； 金属元素； 时空变化； 梯度分布

厌氧反应器因其高效节能，而在高浓度有机废水处理领域获得广泛应用。厌氧颗粒污泥(AGS)是厌氧反应器降解有机废水的载体，它由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等多物种微生物形成的自凝聚体，因而具有较高的比甲烷活性和沉降速度，可使反应器保持较高的污泥浓度和容积负荷[1,2]。金属元素是厌氧颗粒污泥的重要组成部分，它对AGS的颗粒化、致密性和沉降性能等方面发挥了重要作用[3]。螺旋对称流厌氧反应器(Spiral Symmetric Stream Anaerobic Bioreactor，SSSAB)是具有自主知识产权的专利反应器(发明专利号：ZL201210054218.6)[4]，反应器的污泥床层对称布置3块椭圆板，将反应器划分为多个腔室，使其床层呈现平推流态[5]。文章以SSSAB床层AGS为研究对象，探清AGS中金属元素时空变化规律，有助于明确SSSAB的高效机理，同时对同类型厌氧反应器的设计和操作具有重要指导意义。

1　材料和方法

1.1实验材料和装置

颗粒污泥取自SSSAB和UASB反应器床层颗粒污泥，平均粒径为φ1.14 mm，它们的接种污泥均来自某IC反应器的厌氧颗粒污泥。模拟废水以葡萄糖、乙醇、乙酸钠、及甲醇按化学需氧量(COD)4∶2∶1∶1配制，进水COD浓度范围是2000～5000 mg·L-1。

NaHCO3加入量依据出水pH值进行调节，N/C质量比0.05，营养浓缩液1 mL·L-1，其中微量元素溶液I、II均为1 mL·L-1(见表1)。实验装置如图1所示，实验过程用到的主要分析方法和仪器设备见表2。SSSAB和UASB反应器上分别设有Sample1，Sample2和Sample3这3个取样口，分别考察

反应器金属元素的纵向分布情况。

1.进水口； 2.Sample 1； 3.Sample 2； 4.Sample 3； 5.出水口； 6.出气口； 7.内构件图1　实验系统

表2　分析方法及仪器设备

1.2试验方法

取湿污泥5.0 g，放置在烘箱中，105℃条件下烘烤四个小时。将烘烤过的污泥置于干燥器冷却至室温。将冷却后的污泥用ZHM-1A型振动磨研磨，用ZHY-401型压样机压片。将做好的压片放入X射线荧光光谱分析仪(SUPER XRF 2400)中，分析颗粒污泥中的元素。所测金属元素包括：Ca，Mg，Fe，Mn，Zn，Pb，Cu和Cr。

2　结果与讨论

2.1螺旋对称流厌氧反应器去除效果

以相同的进料基质和相近的进料负荷，对SSSAB和UASB反应器的运行状况进行了对比研究。图2显示在SSSAB中，进水COD在1400～4410 mg·L-1，出水COD在72～880 mg·L-1，去除率为61.9%～97.23%。平均进水COD为2677 mg·L-1，平均出水COD为355 mg·L-1，平均去除率为86.74%。图3显示出UASB反应器中，进水COD在630～4410 mg·L-1，出水COD在92～1255 mg·L-1，COD去除率为49.57%～91.12%。平均进水COD为2312 mg·L-1，平均出水COD为563 mg·L-1，平均去除率为75.64%。可见，SSSAB中COD的去除效果和稳定性均优于UASB反应器。

2.2AGS中金属元素时空变化

2.2.1金属元素时间变化

试验所采用的接种污泥为某造纸厂IC反应器的厌氧颗粒污泥，分别对Ca，Mg，Fe，Mn，Zn，Pb，Cu和Cr八种金属元素含量进行了测量(见表3)。金属元素总含量为18.81 mg·g-1SS，在所测金属元素中Ca的含量最多，达11.60 mg·g-1SS，占总量的61.67%，这可能与Ca是AGS颗粒化的最重要金属元素之一有关[6,7]；其次为Cr，2.62 mg·g-1SS，Mg，Fe，Mn，Zn和Cu为1.25～1.85 mg·g-1SS；Pb最少，未检出。

图2　SSSAB反应器运行情况

图3　UASB反应器运行情况

将接种污泥分别置入SSSAB与UASB反应器，因其自身生长需求，吸收大量元素(如Ca，Mg等)和微量元素(如Fe，Mn等)[8-9]，通过吸附吸收重金属元素(如Cu，Pb等)[10-11]。在相同的进水水质水量条件下，分别对两个反应器内的颗粒污泥金属元素进行了跟踪测量。据图4和图5，SSSAB第181天3个取样口的金属元素总量分别为43.99 mg·g-1SS，34.25 mg·g-1SS 和 32.70 mg·g-1SS，平均值为36.98 mg·g-1SS；第 231 天3个取样口的金属元素总量分别为46.20 mg·g-1SS，39.74 mg·g-1SS，39.70 mg·g-1SS，平均值为41.88 mg·g-1SS。类似地，UASB第100天3个取样口的金属元素总量分别为43.26 mg·g-1SS，52.46 mg·g-1SS和35.86 mg·g-1SS，平均值为43.68 mg·g-1SS；第150天3个取样口的金属元素总量分别为43.35 mg·g-1SS，35.6 mg·g-1SS，34.03 mg·g-1SS，平均值为37.66 mg·g-1SS。可见，与接种污泥相比，稳定运行后的SSSAB与UASB反应器金属元素总量均大幅提高，可达40 mg·g-1SS左右，增幅约为接种污泥的2倍。

表3　接种颗粒污泥金属元素含量 (mg·g-1SS)

图4　SSSAB第181天颗粒污泥中金属元素变化情况

图5　SSSAB第231天颗粒污泥中金属元素变化情况

2.2.2金属元素空间变化

进一步分析图4～图7发现，SSSAB第181天的Ca，Fe，Mn，Zn，Cr元素的含量在空间上呈现梯度分布，均随着反应器高度的上升而升高；第231天Ca，Cr元素表现出相同规律。(Ca由下至上分别为12.8，13.30，13.70 mg·g-1SS，Cr由下至上分别为4.87，4.93，5.01 mg·g-1SS)。第181天和第231天金属元素总量在空间上也呈现梯度分布，但与反应器高度呈负相关，这可能与SSSAB床层平推流态[5]有关。UASB中，在第100天与第150天时只有Cu元素含量随反应器的高度自下至上依次降低，其他金属元素变化无明显差异，金属元素总量在空间上也不呈现梯度分布规律，这可能与UASB反应器床层全混流态[12-13]有关。

图6　UASB第100天颗粒污泥中金属元素变化情况

图7　UASB第150天颗粒污泥中金属元素变化情况

3　结　论

(1)SSSAB颗粒污泥中金属元素总量在时间上先升后稳。SSSAB中金属元素由接种颗粒污泥金属元素总量的18.81 mg·g-1SS，其中Ca元素占比最大为61.67%；稳定运行后颗粒污泥金属元素总量保持在40 mg·g-1SS左右。稳定运行后的SSSAB反应器COD平均去除率达86.74%，其去除效果和稳定性均优于UASB反应器。

(2)SSSAB颗粒污泥中Ca和Cr等金属元素含量在空间上呈现梯度分布，它们与反应器高度呈正相关；金属元素总量在空间上也呈现梯度分布，它与反应器高度呈负相关，可能与其床层平推流态有关。UASB反应器中颗粒污泥的金属元素则无明显的梯度分布规律，可能与其床层全混流态有关。

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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

项目来源： 国家自然科学基金(51208087)；教育部新教师基金(20120075120001)；中央高校基金项目

Awad Abdelgad(1978-)，男，苏丹籍，博士研究生，研究方向为厌氧生物处理，E-mail: awadabdoh@gmail.com

陈小光，E-mail：cxg@dhu.edu.cn

X703

A

1000-1166(2016)05-0003-04