施云芬　孫　萌　張更宇

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院, 吉林 132012)

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厭氧顆粒污泥人工床層快速培養(yǎng)與吸附動(dòng)力學(xué)分析

施云芬孫萌張更宇

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院, 吉林 132012)

為加快顆粒污泥的形成速率，解決顆粒污泥培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)、污泥活性差的問(wèn)題，通過(guò)向厭氧池中加入人工污泥床層快速培養(yǎng)厭氧顆粒污泥，實(shí)現(xiàn)厭氧顆粒污泥培養(yǎng)的可控性。采用電子掃描電鏡對(duì)培養(yǎng)好的厭氧顆粒污泥微觀形態(tài)進(jìn)行觀察，通過(guò)電子顯微鏡觀察顆粒污泥形態(tài)變化，確定顆粒污泥分形維數(shù)。以顆粒污泥的數(shù)量分布、平均粒徑、含水率為表征參數(shù)，建立厭氧顆粒污泥的吸附動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明，厭氧顆粒污泥附著在人工污泥床層上，由于人工污泥床層均勻分布使得形成粒徑為4～5 mm的厭氧顆粒污泥質(zhì)量占總污泥質(zhì)量的80%，分形維數(shù)在2.68～2.83之間，顆粒輪廓清晰，顆粒污泥在水力負(fù)荷達(dá)到5 kg/(L·d)時(shí)，人工污泥床層上形成的顆粒污泥質(zhì)量濃度仍保持在5.84 kg/m3，顆粒污泥耐沖擊能力強(qiáng)；針對(duì)吸附在人工污泥床層上的厭氧顆粒污泥建立吸附動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)池中污泥的內(nèi)循環(huán)可以促進(jìn)厭氧顆粒污泥的形成，當(dāng)厭氧反應(yīng)池任意斷面顆粒污泥向上和向下的污泥濃度之比為0.8～0.9時(shí)，形成的厭氧顆粒污泥吸附性能最強(qiáng)。

厭氧顆粒污泥； 人工污泥床層； 動(dòng)力學(xué)； 分形維數(shù)

引言

規(guī)?；瘏捬鯊U水處理中，厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性和高效能在一定程度上取決于能否培養(yǎng)出沉降性能好和比產(chǎn)甲烷活性(Specific methanogenic activity, SMA)高的厭氧顆粒污泥，如果厭氧反應(yīng)器內(nèi)的污泥以松散的絮狀體存在，則易出現(xiàn)污泥流失、有機(jī)負(fù)荷低、處理效果差等問(wèn)題[1]。

施云芬等[2]以養(yǎng)豬廢水為進(jìn)水，以離子交換樹(shù)脂、粉煤灰、聚合氯化鋁等為惰性載體進(jìn)行厭氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥培養(yǎng)成熟后反應(yīng)器內(nèi)存在大顆粒污泥且分散排布在反應(yīng)器底部，污泥床層明顯存在，占反應(yīng)器容積1/3左右。SHANMUGAM等[3]在培養(yǎng)厭氧顆粒污泥時(shí)發(fā)現(xiàn)存在污泥床層的現(xiàn)象，這種床層的出現(xiàn)會(huì)影響顆粒污泥內(nèi)部吸附強(qiáng)度，降低了甲烷的產(chǎn)生量，而且厭氧顆粒污泥沉降過(guò)程中會(huì)造成顆粒污泥松散、污泥脫落的問(wèn)題。厭氧顆粒污泥培養(yǎng)中在厭氧反應(yīng)器內(nèi)形成污泥床層，但是形成的污泥床層耐水流沖擊性差，且成熟顆粒污泥之間的孔隙率不同導(dǎo)致污泥床層不穩(wěn)定[4]。

COSTA等[5]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒污泥粒徑大于1 mm時(shí)，污泥床層孔隙率相應(yīng)增大10%，并且厭氧反應(yīng)器出水COD去除率隨著污泥之間相互作用力的增大而增大；ZHANG 等[6]發(fā)現(xiàn)由于厭氧反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中選擇壓的不同，污泥相互之間的作用強(qiáng)度也有所不同，隨著選擇壓的增大，污泥之間的吸附呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；BARTACEK等[7]研究了摻鎳對(duì)產(chǎn)甲烷顆粒污泥吸附動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明鎳在厭氧顆粒污泥中的吸附過(guò)程是由粒子擴(kuò)散引起的；YANG 等[8]采用賓漢模型對(duì)UASB中污泥濃度和運(yùn)行溫度進(jìn)行評(píng)估并分析顆粒污泥流變學(xué)特性，結(jié)果表明，污泥濃度的提高可以改變顆粒污泥流變學(xué)特性；ADRIANA 等[9]研究表明顆粒污泥在較低的SVI值條件下，具有較高的沉降性能。

因此，如何形成一種人工可控制的性能穩(wěn)定的污泥床層及探討形成機(jī)理值得研究。本文通過(guò)模擬人工污泥床層進(jìn)行厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)，對(duì)厭氧顆粒污泥中不同菌種的吸附特性進(jìn)行研究。

1　材料和方法

1.1反應(yīng)池的運(yùn)行

試驗(yàn)采用自制培養(yǎng)厭氧顆粒污泥的反應(yīng)池如圖1所示，它是集厭氧顆粒污泥培養(yǎng)和人工污泥床層為一體的厭氧反應(yīng)池(1 000 mm×500 mm×1 000 mm)，反應(yīng)池有效容積450 L。反應(yīng)池主體由厚度為5 mm的鋼板圍成，外壁敷設(shè)厚度為10 cm的聚苯板作保溫[10]；人工污泥床層系統(tǒng)中底部塑料板和頂部塑料板分別由底部固定支架和頂部固定支架固定，底部塑料板和頂部塑料板之間由空心填料支座連接，空心填料支座透過(guò)底部塑料板和頂部塑料板，空心填料支座周?chē)O(shè)有填料，填料上均勻纏繞碳纖維，這樣就形成了人工污泥床層；厭氧培養(yǎng)裝置底部進(jìn)水系統(tǒng)中進(jìn)水總管路通過(guò)五通閥分為4條支路由進(jìn)水泵輸送到厭氧培養(yǎng)裝置底部中心并且進(jìn)入?yún)捬跖囵B(yǎng)裝置中，保證了足夠的進(jìn)水負(fù)荷，厭氧培養(yǎng)裝置中接種污泥受到水力沖擊后處于懸浮狀態(tài)，附著于人工污泥床層上，厭氧培養(yǎng)裝置頂部側(cè)壁設(shè)有溢流堰和出水系統(tǒng)，其中出水系統(tǒng)在溢流堰下部；厭氧培養(yǎng)裝置底部側(cè)壁設(shè)有排泥系統(tǒng)，污泥通過(guò)排泥系統(tǒng)由排泥泵輸送到污泥收集池中二次使用。

圖1　人工模擬床層反應(yīng)池示意圖Fig.1　Artificial anaerobic granular sludge reactor1.溢流堰　2.頂部固定支架　3.絲狀填料　4.碳纖維　5.底部固定支架　6.進(jìn)水系統(tǒng)　7.厭氧培養(yǎng)裝置　8.離心泵　9.污泥收集池　10.真空泵　11.底部玻璃板　12.空心填料支架　13.頂部玻璃板　14.出水系統(tǒng)　15.集氣罐

1.2接種污泥和培養(yǎng)方式

接種污泥采用吉林市酒精廠UASB反應(yīng)器中的失活污泥，接種量為40 L，質(zhì)量濃度為947.98 mg/L。反應(yīng)池進(jìn)水采用有機(jī)物質(zhì)和N、P含量豐富的養(yǎng)豬廢水，不需外加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[11]。反應(yīng)池運(yùn)行過(guò)程中逐漸提高豬廢水濃度[12-13]。厭氧顆粒污泥培養(yǎng)過(guò)程分為3個(gè)階段：污泥馴化階段、顆粒污泥形成階段、顆粒污泥成熟階段[14]。在各個(gè)階段開(kāi)始培養(yǎng)時(shí)采用電子顯微鏡觀察反應(yīng)池中污泥，對(duì)比加入人工污泥床層和未加入人工污泥床層2個(gè)反應(yīng)池中的顆粒污泥，其中加入人工污泥床層的反應(yīng)池為1號(hào)反應(yīng)池，未加入人工污泥床層的反應(yīng)池為2號(hào)反應(yīng)池。表1為接種污泥指標(biāo)。

1.3分析方法

化學(xué)需氧量(COD)、混合液質(zhì)量濃度(MLSS)等指標(biāo)均采用國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[15]。

顆粒污泥的評(píng)價(jià)指標(biāo)(數(shù)量分布、平均粒徑、含水率)等根據(jù)BEUN等[16]的方法測(cè)定。

顆粒污泥形態(tài)觀察：采用電子掃描電鏡對(duì)培養(yǎng)好的厭氧顆粒污泥進(jìn)行觀察[17]。

表1　接種污泥指標(biāo)Tab.1　Inoculation sludge index

向上表面線(xiàn)性流速v1(m/s)：通過(guò)單位橫截面積流入量和流入時(shí)間計(jì)算，即

v1=Q1/t

式中Q1——單位橫截面積流入量，m

t——時(shí)間，s

向上表面線(xiàn)性氣體流速vg(m/s)：通過(guò)氣體流量計(jì)測(cè)定，氣體通過(guò)流量計(jì)時(shí)，通過(guò)速度傳感器測(cè)算出氣體流速。

顆粒污泥的沉降速度vs(m/s)：將一定量污泥放入若干沉降柱內(nèi)(直徑100 mm，高度1000 mm)，通過(guò)測(cè)算污泥沉降至柱底部所用時(shí)間，計(jì)算出污泥沉降速度

vs=H/t

式中H——沉降柱高度，m

分形維數(shù)Df：通過(guò)電子顯微鏡連接數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)測(cè)定，即將電子顯微鏡連接到計(jì)算機(jī)上，通過(guò)顯微鏡觀察顆粒污泥形態(tài)變化，同時(shí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)抓拍，分析顆粒污泥分形維數(shù)，保持室內(nèi)溫度20～25℃。

2　結(jié)果與討論

在厭氧顆粒污泥形成過(guò)程中，對(duì)加入人工污泥床層和未加入人工污泥床層2個(gè)反應(yīng)池中的顆粒污泥進(jìn)行對(duì)比，接種污泥均為絮狀污泥。第1.2節(jié)已有敘述，在此不再贅述。

2.1絮狀接種污泥顆?；^(guò)程

有機(jī)廢水初始COD值為3 000～5 000 mg/L，反應(yīng)池內(nèi)溫度為35～40℃[18-20]，pH值為7.0，進(jìn)水堿度為1 000 mg/L。采用靜態(tài)馴化方式對(duì)2個(gè)反應(yīng)池中接種污泥馴化，設(shè)置水力停留時(shí)間為25 h，測(cè)定2個(gè)反應(yīng)池取樣口COD值，1號(hào)反應(yīng)池和2號(hào)反應(yīng)池在馴化階段進(jìn)行到第15天和第20天時(shí)，取樣口COD去除率達(dá)到90%，馴化階段結(jié)束。

顆粒污泥形成階段從反應(yīng)池底部進(jìn)水，沖擊反應(yīng)池中污泥，使污泥在1號(hào)反應(yīng)池中與人工污泥床層接觸并且聚集其上，縮短水力停留時(shí)間為10 h，1號(hào)反應(yīng)池和2號(hào)反應(yīng)池在顆粒污泥形成階段進(jìn)行到第24天和第50天時(shí)，出水COD去除率達(dá)到90%，1號(hào)反應(yīng)池產(chǎn)甲烷量10.48 mL/(g·d)，2號(hào)反應(yīng)池產(chǎn)甲烷量6.48 mL/(g·d)，1號(hào)反應(yīng)池中污泥分布在人工污泥床層中，其中粒徑在1～2 mm的污泥占污泥總數(shù)的85%，顆粒污泥形成階段結(jié)束。

顆粒污泥成熟階段提高進(jìn)水負(fù)荷使COD負(fù)荷在28.9 kg/(cm2·d)，水力停留時(shí)間縮短為7 h，1號(hào)反應(yīng)池中污泥在人工污泥床層中不斷積累并相互聚集，形成大顆粒污泥，其中粒徑在4～5 mm的污泥質(zhì)量占污泥總質(zhì)量的70%，粒徑在3～4 mm的污泥質(zhì)量占污泥總質(zhì)量的15%，粒徑在3 mm以下的污泥質(zhì)量占污泥總質(zhì)量的15%，1號(hào)反應(yīng)池和2號(hào)反應(yīng)池在顆粒污泥成熟階段進(jìn)行到第30天和第61天時(shí)，測(cè)定1號(hào)反應(yīng)池和2號(hào)反應(yīng)池出水COD去除率達(dá)到90%，1號(hào)反應(yīng)池中產(chǎn)甲烷量23.48 mL/(g·d)，2號(hào)反應(yīng)池中產(chǎn)甲烷量13.48 mL/(g·d)，顆粒污泥成熟階段結(jié)束。

本試驗(yàn)1號(hào)反應(yīng)池和2號(hào)反應(yīng)池培養(yǎng)厭氧顆粒污泥時(shí)間分別為69 d和136 d，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)1號(hào)反應(yīng)池和2號(hào)反應(yīng)池中厭氧顆粒污泥平均沉降速度分別為85.4 m/h和56.54 m/h，1號(hào)反應(yīng)池中厭氧顆粒污泥活性高，且性能穩(wěn)定。污泥在人工污泥床層中均勻分布，人工污泥床層與2號(hào)反應(yīng)池中形成的污泥床層相比，人工污泥床層由于具有特定的床層結(jié)構(gòu)，污泥依附于人工污泥床層上，污泥之間相互吸附形成粒徑較大的顆粒狀污泥，且吸附在人工污泥床層上的顆粒污泥孔隙率均勻，耐水力沖擊能力強(qiáng)，人工污泥床層整體結(jié)構(gòu)不會(huì)破損，在掃描電鏡下觀察顆粒污泥孔道疏松，便于甲烷的傳輸，形成的顆粒污泥粒徑均勻且污泥內(nèi)部的粘度系數(shù)高，穩(wěn)定性能強(qiáng)，產(chǎn)甲烷量多[21-23]。厭氧顆粒污泥培養(yǎng)過(guò)程中各反應(yīng)池COD去除率變化情況如圖2所示，產(chǎn)甲烷量變化情況如圖3所示，掃描電鏡觀察成熟厭氧顆粒污泥形態(tài)如圖4所示，電子顯微鏡觀察2個(gè)反應(yīng)池中污泥在各個(gè)階段特性如圖5所示。

圖2　1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)池出水COD去除率變化情況Fig.2　Changing of effluent COD in reactors No.1 and No.2

圖3　1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)池產(chǎn)甲烷量變化情況Fig.3　Changing of methane-producing amount in reactors No.1 and No.2

圖4　各反應(yīng)池中成熟厭氧顆粒污泥形態(tài)Fig.4　Mature anaerobic granular sludge

圖5　厭氧反應(yīng)池中污泥在各個(gè)階段的特性Fig.5　Sludge characteristics at each stage in two morphology in pool reaction pools

2個(gè)反應(yīng)池中厭氧顆粒污泥成熟后，同時(shí)處理質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的養(yǎng)豬廢水，1號(hào)反應(yīng)池處理養(yǎng)豬廢水過(guò)程中水力負(fù)荷維持在8.52 kg/(L·d)，產(chǎn)甲烷率變化公式為

(1)

式中C——產(chǎn)甲烷量，mL/(g·d)

C0——初始產(chǎn)甲烷量，mL/(g·d)

t1——時(shí)刻t0——初始產(chǎn)甲烷時(shí)刻

結(jié)果表明，甲烷產(chǎn)生率由開(kāi)始的1.3 mL/(g·d)逐漸增大到3.2 mL/(g·d)，說(shuō)明厭氧顆粒污泥在處理廢水過(guò)程中產(chǎn)甲烷菌活性良好，運(yùn)行第20天時(shí)，甲烷產(chǎn)生量達(dá)到穩(wěn)定33 mL/(g·d)，出水COD去除率達(dá)到89%，測(cè)定1號(hào)反應(yīng)池運(yùn)行結(jié)束后污泥沉降速度為79.87 m/h，粒徑為4～5 mm之間的污泥質(zhì)量占總體污泥質(zhì)量的80%。與1號(hào)反應(yīng)池人工污泥床層相比，2號(hào)反應(yīng)池中污泥吸附形成的床層在過(guò)高的水力負(fù)荷條件下會(huì)發(fā)生污泥破損現(xiàn)象，且形成的污泥床層存在污泥孔隙率變化無(wú)規(guī)則等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致污泥流失現(xiàn)象嚴(yán)重，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水力負(fù)荷達(dá)到4.52 kg/(L·d) 時(shí)，根據(jù)式(1)，甲烷產(chǎn)生率由開(kāi)始的0.5逐漸增大到1.5，運(yùn)行第45天時(shí)，甲烷產(chǎn)生量達(dá)到穩(wěn)定的21 mL/(g·d)，出水COD去除率達(dá)到89%，測(cè)定2號(hào)反應(yīng)池運(yùn)行結(jié)束后污泥沉降速度為30 m/h，粒徑為4～5 mm之間的污泥質(zhì)量占總體污泥質(zhì)量的56%。1號(hào)和2號(hào)厭氧反應(yīng)池處理養(yǎng)豬廢水過(guò)程中COD去除率變化情況如圖6所示，產(chǎn)甲烷率變化情況如圖7所示，運(yùn)行結(jié)束后各反應(yīng)池中粒徑分布情況如圖8所示。

圖6　1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)池運(yùn)行過(guò)程中COD去除率變化情況Fig.6　Changing of COD of reactor Nos.1 and 2 in processing

圖7　1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)甲烷率變化情況Fig.7　Changing of methane-producing amount of reactors No.1 and No.2 in processing

圖8　1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)池運(yùn)行后污泥粒徑分布情況Fig.8　Sludge particle size distribution in reactors No.1 and No.2 after operation

2.2厭氧顆粒污泥吸附動(dòng)力學(xué)模型的建立

厭氧顆粒污泥的吸附特性主要與反應(yīng)池內(nèi)不同高度處的污泥傳輸速率和傳輸過(guò)程中的反應(yīng)池溫度變化有關(guān)[24]。根據(jù)流體力學(xué)分析方法測(cè)定1號(hào)反應(yīng)池不同高度處的污泥傳輸速率與溫度之間的關(guān)系并建立污泥吸附動(dòng)力學(xué)模型。如圖9所示，污泥處在反應(yīng)池同一高度時(shí)，隨著傳輸速率的增大反應(yīng)池溫度也相應(yīng)增大。

圖9　1號(hào)反應(yīng)池中污泥的流體力學(xué)變化Fig.9　Sludge hydrodynamics trends in No.1 reactor

厭氧顆粒污泥形成過(guò)程中污泥吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的研究逐漸成熟[25]，本試驗(yàn)建立1號(hào)反應(yīng)池中顆粒污泥的吸附動(dòng)力學(xué)模型，模型建立條件：①研究過(guò)程中外界條件恒定不變。②在調(diào)查條件下，厭氧反應(yīng)池中顆粒污泥形態(tài)恒定不變。③厭氧反應(yīng)池運(yùn)行過(guò)程中傳質(zhì)阻力恒定不變。④厭氧顆粒污泥吸附形式應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)模型。

圖10表示人工污泥床層中污泥傳質(zhì)速率簡(jiǎn)圖，圖中Fw,n表示第n個(gè)斷面中天然氣產(chǎn)率；Cm,n-1是第n-1個(gè)斷面中污泥質(zhì)量濃度；Cm,n是第n個(gè)斷面中污泥質(zhì)量濃度；ΔVn表示污泥床層第n-1個(gè)斷面到n個(gè)斷面的橫截面體積，m3；ΔVn-1表示污泥床層第n-2個(gè)斷面到n-1個(gè)斷面的橫截面體積，m3。

圖10　人工模擬床層中污泥傳輸速率簡(jiǎn)圖Fig.10　Sludge transfer rates sketch in artificial sludge bed

由于進(jìn)水負(fù)荷的沖擊作用，使得污泥產(chǎn)生向上傳輸?shù)膭?dòng)力。將人工污泥床層等分為n個(gè)斷面，取其中第n-1和第n個(gè)斷面進(jìn)行分析。第n-1到第n個(gè)斷面的污泥傳輸通量(Фm,n-1, kg/h)可以表示為

Φm,n-1=km,n-1Fw,n-1Cm,n-1

(2)

式中km,n-1——污泥傳輸常量

Fw,n-1——第n-1個(gè)斷面中天然氣產(chǎn)率，%

因此

Fw,n-1=kwΦg,n-1

(3)

式中Фg,n-1——第n-1個(gè)斷面到第n個(gè)斷面過(guò)程中氣體產(chǎn)量

kw——向上傳輸?shù)膯挝粴怏w體積，m3

由式(2)、(3)得出

Φm,n-1=kwkm,n-1Φg,n-1Cm,n-1

(4)

從第n-1到第n個(gè)斷面向下傳輸?shù)奈勰嗤?Фm,n，kg/h)是由于污泥沉降和污泥在反應(yīng)池中逆循環(huán)引起的。

Φm,n=(vs,n-0.85v1)ACm,nsinα+km,nFw′,nCm,n

(5)

式中α——污泥向上運(yùn)動(dòng)中與豎直方向夾角

vs,n——第n個(gè)斷面中污泥的沉降速度，m/s

v1——進(jìn)水表面的直線(xiàn)向上流速，m/s

A——反應(yīng)池?cái)嗝婷娣e，m2

Fw′,n——第n個(gè)斷面天然氣產(chǎn)率，%

由式(4)、(5)得出

(6)

式中kt,n-1、kt,n——在第n-1到第n個(gè)斷面之間污泥向上和向下傳輸率

a——斷面長(zhǎng)度，mm

b——斷面寬度，mm

表2為污泥在不同斷面中的污泥傳輸變量變化情況。人工污泥床層反應(yīng)池中顆粒污泥的形成過(guò)程中，顆粒污泥從第n-1個(gè)到第n個(gè)斷面之間的污泥質(zhì)量濃度比隨著進(jìn)水強(qiáng)度的增加而減小，當(dāng)向上和向下污泥傳質(zhì)濃度之比達(dá)到0.8～0.9，顆粒污泥吸附性能和動(dòng)力學(xué)特性最強(qiáng)。

2.3厭氧顆粒污泥分形維數(shù)的確定

分形理論主要用于研究工程的系統(tǒng)特性，沒(méi)有固定的形成模式[26-27]。評(píng)價(jià)分形理論的重要參數(shù)是分形維數(shù)(Df)，對(duì)厭氧顆粒污泥而言，分形維數(shù)的確定需要較高的顆粒輪廓清晰度[28-29]。分形維數(shù)不僅可以準(zhǔn)確分析出顆粒污泥結(jié)構(gòu)，而且可以反映出顆粒的絮凝程度，是描述顆粒密集程度的一個(gè)重要指標(biāo)。Df的理論值為1～3，隨著顆粒絮體密集程度的增大，Df隨之增加[30-31]。

根據(jù)圖5分析，1號(hào)反應(yīng)池中顆粒污泥的Df在2.68～2.83之間，2號(hào)反應(yīng)池中顆粒污泥的Df在1.84～1.98之間，未成顆粒的絮狀污泥的Df在1.23～1.43之間，由此可知，顆粒污泥形成的機(jī)理是顆粒之間相互吸附聚集，絮狀污泥附著在人工污泥床層上，避免了顆粒污泥形成過(guò)程中水解酸化階段產(chǎn)生的產(chǎn)酸菌的積累，人工污泥床層結(jié)構(gòu)均勻使得形成的顆粒污泥粒徑大，顆粒輪廓清晰，顆粒污泥耐沖擊性能強(qiáng)。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分形維數(shù)大于2時(shí)，絮體聚集過(guò)程中滲透性能大大減少，說(shuō)明厭氧顆粒污泥表面水解酸化菌的活性高于顆粒污泥內(nèi)部產(chǎn)甲烷菌活性，絮狀污泥附著在人工污泥床層上，水解酸化菌產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸可以快速分解，這樣不僅降低了水解酸化菌的活性同時(shí)也避免了反應(yīng)池運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生酸化中毒的危險(xiǎn)，而且提高了顆粒污泥內(nèi)部產(chǎn)甲烷菌的活性，大大縮短了顆粒污泥形成周期。厭氧顆粒污泥總體因子(S)可以表示厭氧顆粒污泥空間填充能力即厭氧顆粒污泥密實(shí)度，厭氧顆粒污泥密實(shí)度的強(qiáng)弱對(duì)污泥聚集過(guò)程中表現(xiàn)出的流動(dòng)性能有較大的影響，其計(jì)算公式為

表2　污泥在不同斷面中的污泥傳輸變量變化情況Tab.2　Sludge transmission variable changes in different sections

(7)

式中RH——水力半徑，mm

RA——顆粒污泥半徑，mm

其中反應(yīng)池運(yùn)行過(guò)程中水力半徑和顆粒污泥半徑之比為

(8)

1號(hào)反應(yīng)池中厭氧顆粒污泥的總體結(jié)構(gòu)因子S在0.934～0.941之間，2號(hào)反應(yīng)池中厭氧顆粒污泥的總體結(jié)構(gòu)因子S在0.824～0.901之間，未成顆粒的絮狀污泥的總體結(jié)構(gòu)因子S在0.542～0.659之間，說(shuō)明加入人工污泥床層的反應(yīng)池中顆粒污泥動(dòng)力學(xué)特性、顆粒污泥沉降性能與絮狀污泥相比更為明顯。

3　結(jié)論

(1)厭氧反應(yīng)池中加入人工污泥床層可以縮短顆粒污泥培養(yǎng)時(shí)間，厭氧顆粒污泥附著在人工污泥床層上聚集絮凝，增大了顆粒污泥相互之間的空隙，提高了厭氧顆粒污泥活性。

(2)建立厭氧顆粒污泥的吸附動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)污泥在厭氧反應(yīng)池中內(nèi)循環(huán)可以促進(jìn)厭氧顆粒污泥的形成，當(dāng)厭氧反應(yīng)池任意斷面顆粒污泥向上和向下的污泥濃度之比為0.8～0.9時(shí)，形成的厭氧顆粒污泥吸附性能最強(qiáng)。

(3)加入人工污泥床層的厭氧池中形成的成熟厭氧顆粒污泥分形維數(shù)與未加入人工污泥床層反應(yīng)池中顆粒污泥分形維數(shù)相比有所提高，成熟顆粒污泥相互吸附增大了顆粒污泥的密實(shí)度，提高了顆粒污泥的耐沖擊性能。

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Rapid Cultivation of Anaerobic Granular Sludge within Artificial Sludge Bed and Analysis of Adsorption Kinetics

Shi YunfenSun MengZhang Gengyu

(CollegeofChemicalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

The installation of artificial sludge blanket layer to the anaerobic ponds has accelerated the sludge formation rates, shortened the cultivation time and improved the sludge activity. It also enhances the operability of the formation process of the anaerobic granular sludge.The impacts on the formation of anaerobic granular sludge from the artificial sludge bed and the mechanisms of granular sludge adsorption were investigated. Scanning electron microscope (SEM) was used to measure the shapes of the anaerobic granular sludge and furthermore determine their fractal dimension. A granular sludge adsorption model was developed based on the distribution patterns, average particle sizes and water contents of the granular sludge. Results show that when attached to the artificial sludge blanket layer, the anaerobic granular sludge was evenly distributed across the layer, with particle sizes between 4 mm and 5 mm, and made up to 80% of the total sludge in the system. Under the SEM, their shapes were clearly observed and their fractal dimensions were between 2.68 and 2.83. Results also show strong stability of granular sludge on the artificial sludge layer. When the hydraulic loading rate reached 5 kg/(L·d), they still maintained an average concentration of 5.84 kg/m3. Results from the granular sludge adsorption model indicated that the internal circulation of the sludge inside the reaction pond can stimulate the formation of the anaerobic granular sludge. Peak adsorption capacity of the anaerobic granular sludge was achieved when the concentration ratio of up-flow/down-flow sludge fell between 0.8 and 0.9. This study will provide a reference to the formation of anaerobic granular sludge for the industrial treatment of wastewater with high organic concentrations.

anaerobic granular sludge; artificial sludge blanket; dynamics; fractal dimension

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.032

2016-03-11

2016-04-11

吉林省環(huán)保廳科研項(xiàng)目(吉環(huán)科字2009-13號(hào))和吉林市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201232404)

施云芬(1964—)，女，教授，主要從事廢水處理研究，E-mail： 928830935@qq.com

X703.1

A

1000-1298(2016)09-0227-07