螺旋对称流厌氧反应器常温下的运行特性

AWAD Abdelgadir，陈小光，戴若彬，柳建设，罗颖，马璞月，倪圣笙

（1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；2工业研究与咨询中心，268-喀土穆，苏丹）

螺旋对称流厌氧反应器常温下的运行特性

AWAD Abdelgadir1，2，陈小光1，戴若彬1，柳建设1，罗颖1，马璞月1，倪圣笙1

（1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；2工业研究与咨询中心，268-喀土穆，苏丹）

螺旋对称流厌氧反应器（SSSAB）的最高有机负荷能在中温条件下（35℃）可达361.5kgCOD/（m3·d），然而在常温条件下（10～30℃）其运行性能及污泥特征尚不明确，需进一步探究。以分段组合式厌氧反应器（TCAB）和升流式厌氧污泥床反应器（UASB）为参比，在常温下，以相同的操作条件研究了SSSAB的运行性能和污泥特征。实验结果表明：SSSAB的COD平均去除率（88%）高于TCAB和UASB（80%和78%），SSSAB的一级反应动力学常数为5.4d-1，高于TCAB的3.6d-1和UASB的2.2d-1。SSSAB内颗粒污泥宏观上相比于TCAB及UASB轮廓清晰、黑亮密实，且SSSAB颗粒污泥表面微观上较为粗糙，存在许多孔道。SSSAB颗粒污泥的胞外聚合物（EPS）总量高于TCAB及UASB，为底物的质量传递创造了条件，SSSAB颗粒污泥EPS的蛋白质（PN）/多糖（PS）较低，更有利于维持高污泥强度和优良的沉降性能。相比于UASB，SSSAB厌氧颗粒污泥凝聚性的分布更优，且其凝聚性波动更小。

螺旋对称流厌氧反应器；常温；运行特性；稳定性；污泥特性；胞外聚合物

厌氧生物处理法具有剩余污泥产量少、无需曝气、产生生物质能沼气等优点［1］，因而近年来一直备受关注。特别是自LETTINGA等［2］于20世纪80年代发明升流式厌氧污泥床反应器（UASB）后，厌氧反应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点［4］，限制了它的进一步推广应用。鉴于此，本文作者课题组通过在反应器床层螺旋对称设置了3块椭圆板，旨在维持功能菌群稳定强化相间传质，并采用分段集气，以降低气泡尾流夹带效应，增强反应器污泥持留能力，由此研发了一种具有自主知识产权的螺旋对称流厌氧反应器（SSSAB，专利号ZL201210054218.6）。初步研究表明，在反应器温度为35℃时，SSSAB的最高有机负荷可达361.5kgCOD/（m3·d），同时容积去除负荷为268.3kg COD/（m3·d），处于国内外所报道厌氧反应器效能的前列［5］。

尽管SSSAB在35℃时取得了超高负荷，但常温下其运行性能及其污泥特征尚不明确。工程上由于保温增温效果不佳或管理不当，许多厌氧反应器往往处于常温条件下运行，罐体温度常年在10～30℃之间，随四季更替变化，从而影响反应器的处理效能。故本文以SSSAB为研究对象，采用UASB、分段组合式反应器（TCAB）［6］作对比，通过为期220d（历经夏秋冬三季）的常温运行，探究SSSAB的运行特性，以期为SSSAB的工程化应用提供理论依据和数据参考。

1　材料和方法

1.1试验装置

试验采用装置如图1所示，SSSAB、TCAB及UASB均由有机玻璃制成，有效容积均为4.0L。模拟废水由反应器布水区（底部）进入，经反应区（中部）反应，于分离区（顶部）经三相分离器出水。SSSAB内设3块120°螺旋对称布置的椭圆板，将SSSAB床层分割成上、中、下3个腔室，每个腔室都设有集气管，从而实现分段集气。

SSSAB和UASB反应器均不设保温措施，温度范围为10～30℃，低于中温厌氧发酵的最佳温度（35℃左右）。当两反应器启动成功后进行常温运行实验。整个试验过程维持三反应器的水量、水质和温度条件相同，HRT波动范围为18h、15h、12h、9h，COD浓度范围1400～15600mg/L，温度随外界温度变化而变化。

1.2接种污泥与模拟废水

接种污泥取自某造纸废水处理厂的厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器，污泥面积平均直径（SMD［7］）1.136mm，密度1.049g/cm3，Zeta电位-48.4mV，污泥接种量2.5L，挥发性悬浮固体/悬浮固体（VSS/SS）为0.72。

模拟废水中，葡萄糖、乙醇、乙酸钠及甲醇按COD 4∶2∶1∶1的比例配制，NaHCO3加入量根据出水pH进行调节至7.0～7.3，NH4Cl、KH2PO4以碳氮磷比300∶5∶1投加。营养浓缩液、微量元素溶液在SSSAB、TCAB中加入量均为1mL/L，三者成分见文献［8］。

1.3运行策略

反应器的运行可分为10个时期，第一个时期为启动期，3座反应器均在30℃下完成启动，历时45d，COD去除率稳定在90%以上，之后9个时期各参数发生波动，如表1所示。

1.4测试方法

COD：重铬酸钾法，主要仪器MD200 COD测定仪。污泥形貌：数码相机拍摄，主要设备为Canon IXUS 115 HS相机。Zeta电位：离心所取污泥，弃上清液，用去离子水配制浓度为6g/L的污泥混合液，打入样品池后进行Zeta电位测定，测量10次取平均值，主要仪器为SC-04低速离心机、ZETA-METER 3.0+微电泳仪。扫描电子显微镜（SEM）：经预处理后［9］用S-3400N II（Hitachi，Japan）扫描电子显微镜进行观察。EPS：提取方法采用热提法［10］，EPS内蛋白质（PN）含量测试采用BCA法［11］，多糖（PS）含量采用蒽酮法［12］。

图1　实验装置示意图

表1　反应器运行策略（不包括启动期）

1.5动力学模型

采用一级反应动力学，进一步考察SSSAB降解有机物的速率。一级动力学方程见式（1）。

式中，RRs为容积去除负荷，kgCOD/（m3·d）；Kc为一级反应动力学常数，d-1；Se为出水底物浓度，kgCOD/m3。将式（1）进行变换可得式（2）。

式中，S0为进水底物浓度，kgCOD/m3；H为HRT，d；V为反应器容积，m3；Q为进水流量，m3/d。Kc即为不同稳态条件下的实验数据所绘RRs-Se直线的斜率。

1.6统计学分析

采用IBM SPSS Statistics 22.0进行数据的统计学分析，包括平均值、标准偏差及不同反应器COD去除率均值差异的显著性检验。样本均值差异的显著性检验采用单因素ANOVA，α=0.05，事后检验采用Boferroni检验法。

2　结果与讨论

2.1反应器性能

2.1.1COD去除率

SSSAB、TCAB及UASB去除率实验运行结果见图2。由图2可见，随着各个操作参数（温度、进水COD及流量）的变化，反应器的去除率出现了明显的波动，对于SSSAB，其最高可达97%，最低则低于80%。不过可以可看出，在相同的冲击负荷下，SSSAB的COD去除率明显高于TCAB和UASB，统计学结果表明SSSAB的COD平均去除率为88%，高于TCAB的80%和UASB的78%；SSSAB的COD去除率标准偏差为5.22%，低于TCAB的5.44%和UASB的7.98%。由ANOVA分析发现，SSSAB的COD去除率与TCAB及UASB具有显著性差异（α＜0.05）。由此可见，SSSAB的平均COD去除率和COD去除率的稳定性均显著优于TCAB和UASB。此外，虽然操作参数有一定波动，但是SSSAB的平均去除率也为88%，属于文献报道中的较高水平［13-14］。

HRT可直接影响底物和污泥接触的时间和混合程度，是反应器运行的一个重要操作参数［15］。依图2可获得HRT（分别为9h、12h、15h、18h）对反应器去除率的影响（见图3）。图3表明最适宜的HRT为15h，此时3台反应器的COD去除率均达到最高：SSSAB的COD去除率超过96%，高于TCAB的90%、UASB的89%。这可能是由于当HRT低于15h时，相间接触时间不够，而HRT长于15h时，床层膨胀率较低，相间接触不充分。

依图2的数据还可以得到有机负荷（OLR）对反应器去除率的影响（图4）。图4中不同的有机负荷率［4.0kgCOD/（m3·d）、7.1kgCOD/（m3·d）、11.5kgCOD/（m3·d）、25kgCOD/（m3·d）］主要是通过COD去除率的变化（COD浓度分别为2488mg/L、4410mg/L、7160mg/L和15640mg/L，HRT 15h）而改变的。从图4可见，当有机负荷为4.0kgCOD/（m3·d）时，SSSAB、TCAB、UASB的COD去除率都达到了最大值，分别是：SSSAB为96.5%，TCAB为90.4%，UASB为88.5%。常温下，当OLR高达25kgCOD/（m3·d）时SSSAB的去除率仍能维持在79%，明显优于对照的TCAB（71%）和UASB（63%）。

2.1.2降解动力学常数

由图5可求，SSSAB、TCAB和UASB的Kc值分别为5.4d-1、3.6d-1及2.2d-1。可见，SSSAB的Kc值明显高于TCAB和UASB，即SSSAB降解有机物的速率明显高于其他两种反应器，究其原因，可能是由于上述反应器内流体力学特性和床层颗粒污泥特性的差异（详见后文），导致降解底物的速率不同。

图2　SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情况

图3　HRT对SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情况的影响

图4　OLR对SSSAB、TCAB及UASB的COD去除情况的影响

图5　SSSAB、TCAB及UASB去除COD的一级动力学常数拟合

2.2污泥特性

2.2.1颗粒污泥形貌

颗粒污泥形貌在一定程度上可反映其密实性，它是污泥持留的重要保障之一。宏观上，SSSAB内颗粒污泥的轮廓清晰［见图6（b）］、粒径均一、颜色黑亮、颗粒密实，与接种污泥的颗粒污泥形貌最为接近；TCAB次之，且颗粒污泥出现了解体的痕迹；UASB最差，其内的颗粒污泥发生明显的解体，出现大量絮状污泥，且污泥颜色偏棕色。

图6　不同反应器内颗粒污泥的宏观形貌

微观上，由图7的SEM图发现，SSSAB内颗粒污泥的表面［图7（a）］与另外两者［图7（b）、（c）］显著不同，TCAB与UASB内的污泥显得光滑，而SSSAB的污泥表面粗糙，存在许多孔道，这有利于底物的进入和甲烷的释放，为SSSAB内颗粒污泥的气液固传质提供了良好的通道。

2.2.2胞外聚合物（EPS）

厌氧颗粒污泥的EPS是由微生物分泌的高分子量物质以及一些细胞裂解和底物水解的产物共同组成，主要包括蛋白（PN）和多糖（PS）［16］，PN与 PS的和记为EPS总量。由图8可见，在实验进行至220d后，SSSAB、TCAB及UASB内颗粒污泥的EPS量（36.5mg/gVSS、30.3mg/gVSS、28.0mg/gVSS）较之接种污泥（19.8mg/g VSS）均明显增加，这可能是由于底物及其他操作条件的变化引起的，有文献报道，温度的冲击或负荷的变化均会刺激EPS的分泌［17］。值得注意的是，SSSAB内颗粒污泥的EPS总量明显高于TCAB及UASB，这可能有利于SSSAB内颗粒污泥抵御负荷的冲击［18］。此外，SSSAB内颗粒污泥的PN/PS值最低（1.31），表明SSSAB内颗粒污泥具有更高的污泥强度和更优的沉降性能［19-20］。

2.2.3污泥Zeta电位

Zeta电位可反映厌氧颗粒污泥的凝聚性，而凝聚性是防止颗粒污泥解体的重要保障。Zeta电位是在有电场的条件下，带电固体颗粒会发生电泳现象，产生固体颗粒表面的液体固定层和滑动层之间的电位差［21］，其可作为颗粒污泥凝聚性衡量尺度［22］。Zeta电位绝对值越大，颗粒污泥的凝聚性愈差。表2给出了SSSAB与UASB的Zeta电位（mV）及其波动（由于样品受损，未测量TCAB内污泥的Zeta电位；表中sample 1和sample 2表示反应器床层下端取样口和上端取样口），波动以数据标准偏差表示。

由表2可见，SSSAB上端厌氧颗粒污泥Zeta电位平均值的绝对值为41.5mV，低于下端平均值的绝对值44.5mV，则SSSAB上端的厌氧颗粒污泥比下端的凝聚性好，“上实下松”的分布不易发生污泥洗出。由表2还可见，UASB内上端厌氧颗粒污泥Zeta电位平均值的绝对值为45.0mV，高于下端平均值的绝对值42.7mV，则UASB上端的厌氧颗粒污泥比下端的凝聚性差，“上松下实”的分布易导致污泥洗出，这与运行后期UASB床层宏观上出现大量絮体污泥相吻合［见图6（d）］。此外，SSSAB的标准偏差上下（10.1和12.2）均小于UASB对应高度的值（13.6和15.4），即SSSAB颗粒污泥的凝聚性波动较为稳定，可扼制因凝聚性较差而导致部分颗粒污泥破碎被洗出的现象。因此，与UASB相比，SSSAB厌氧颗粒污泥凝聚性的分布更优，且其凝聚性波动更小。

表2　不同高度下SSSAB与UASB的Zeta电位及其波动 单位：mV

图8　不同反应器内颗粒污泥的胞外聚合物

3　结 论

（1）在常温下，保持相同的操作条件，SSSAB的COD平均去除率和一级反应动力学常数显著高于TCAB和UASB。

（2）较之TCAB及UASB，SSSAB内颗粒污泥形貌更加轮廓清晰，且未见明显解体现象，且SSSAB颗粒污泥表面较为粗糙，存在许多孔道，为颗粒污泥的气液固传质提供了良好的通道。

（3）SSSAB颗粒污泥的EPS总量高于TCAB及UASB，有利于其与底物的质量传递，且SSSAB颗粒污泥的PN/PS较低，更有利于维持更高的污泥强度和更优的沉降性能。

（4）Zeta电位测量结果表明SSSAB厌氧颗粒污泥凝聚性的分布更优，且其凝聚性波动更小。

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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。

国家自然科学基金（51208087）及过程装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金（GK201402）项目。

Awad Abdelgadir（1978—），男，博士研究生，研究方向为厌氧生物处理。联系人：陈小光，副教授，研究方向为厌氧生物处理设备开发及过程研究。E-mail cxg@dhu.edu.cn。