Awad Abdelgad, 李　崗， 陳小光， 柳建設(shè)

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心， 上海　201620)

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螺旋對稱流厭氧反應(yīng)器床層顆粒污泥金屬元素時(shí)空變化

Awad Abdelgad, 李崗， 陳小光， 柳建設(shè)

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心， 上海201620)

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

螺旋對稱流厭氧反應(yīng)器； 厭氧顆粒污泥； 金屬元素； 時(shí)空變化； 梯度分布

厭氧反應(yīng)器因其高效節(jié)能，而在高濃度有機(jī)廢水處理領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。厭氧顆粒污泥(AGS)是厭氧反應(yīng)器降解有機(jī)廢水的載體，它由產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌和水解發(fā)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(yīng)器保持較高的污泥濃度和容積負(fù)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?；?、致密性和沉降性能等方面發(fā)揮了重要作用[3]。螺旋對稱流厭氧反應(yīng)器(Spiral Symmetric Stream Anaerobic Bioreactor，SSSAB)是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利反應(yīng)器(發(fā)明專利號：ZL201210054218.6)[4]，反應(yīng)器的污泥床層對稱布置3塊橢圓板，將反應(yīng)器劃分為多個(gè)腔室，使其床層呈現(xiàn)平推流態(tài)[5]。文章以SSSAB床層AGS為研究對象，探清AGS中金屬元素時(shí)空變化規(guī)律，有助于明確SSSAB的高效機(jī)理，同時(shí)對同類型厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作具有重要指導(dǎo)意義。

1　材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料和裝置

顆粒污泥取自SSSAB和UASB反應(yīng)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(yīng)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(xué)需氧量(COD)4∶2∶1∶1配制，進(jìn)水COD濃度范圍是2000～5000 mg·L-1。

NaHCO3加入量依據(jù)出水pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，N/C質(zhì)量比0.05，營養(yǎng)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(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)過程用到的主要分析方法和儀器設(shè)備見表2。SSSAB和UASB反應(yīng)器上分別設(shè)有Sample1，Sample2和Sample3這3個(gè)取樣口，分別考察

反應(yīng)器金屬元素的縱向分布情況。

1.進(jìn)水口； 2.Sample 1； 3.Sample 2； 4.Sample 3； 5.出水口； 6.出氣口； 7.內(nèi)構(gòu)件圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表2　分析方法及儀器設(shè)備

1.2試驗(yàn)方法

取濕污泥5.0 g，放置在烘箱中，105℃條件下烘烤四個(gè)小時(shí)。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(jī)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，F(xiàn)e，Mn，Zn，Pb，Cu和Cr。

2　結(jié)果與討論

2.1螺旋對稱流厭氧反應(yīng)器去除效果

以相同的進(jìn)料基質(zhì)和相近的進(jìn)料負(fù)荷，對SSSAB和UASB反應(yīng)器的運(yùn)行狀況進(jìn)行了對比研究。圖2顯示在SSSAB中，進(jìn)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(jìn)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(yīng)器中，進(jìn)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(jìn)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(wěn)定性均優(yōu)于UASB反應(yīng)器。

2.2AGS中金屬元素時(shí)空變化

2.2.1金屬元素時(shí)間變化

試驗(yàn)所采用的接種污泥為某造紙廠IC反應(yīng)器的厭氧顆粒污泥，分別對Ca，Mg，F(xiàn)e，Mn，Zn，Pb，Cu和Cr八種金屬元素含量進(jìn)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(dá)11.60 mg·g-1SS，占總量的61.67%，這可能與Ca是AGS顆?；淖钪匾饘僭刂挥嘘P(guān)[6,7]；其次為Cr，2.62 mg·g-1SS，Mg，F(xiàn)e，Mn，Zn和Cu為1.25～1.85 mg·g-1SS；Pb最少，未檢出。

圖2　SSSAB反應(yīng)器運(yùn)行情況

圖3　UASB反應(yīng)器運(yùn)行情況

將接種污泥分別置入SSSAB與UASB反應(yīng)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(jìn)水水質(zhì)水量條件下，分別對兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥金屬元素進(jìn)行了跟蹤測量。據(jù)圖4和圖5，SSSAB第181天3個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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?？梢姡c接種污泥相比，穩(wěn)定運(yùn)行后的SSSAB與UASB反應(yīng)器金屬元素總量均大幅提高，可達(dá)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(jìn)一步分析圖4～圖7發(fā)現(xiàn)，SSSAB第181天的Ca，F(xiàn)e，Mn，Zn，Cr元素的含量在空間上呈現(xiàn)梯度分布，均隨著反應(yīng)器高度的上升而升高；第231天Ca，Cr元素表現(xiàn)出相同規(guī)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(xiàn)梯度分布，但與反應(yīng)器高度呈負(fù)相關(guān)，這可能與SSSAB床層平推流態(tài)[5]有關(guān)。UASB中，在第100天與第150天時(shí)只有Cu元素含量隨反應(yīng)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(xiàn)梯度分布規(guī)律，這可能與UASB反應(yīng)器床層全混流態(tài)[12-13]有關(guān)。

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(jié)　論

(1)SSSAB顆粒污泥中金屬元素總量在時(shí)間上先升后穩(wěn)。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(wěn)定運(yùn)行后顆粒污泥金屬元素總量保持在40 mg·g-1SS左右。穩(wěn)定運(yùn)行后的SSSAB反應(yīng)器COD平均去除率達(dá)86.74%，其去除效果和穩(wěn)定性均優(yōu)于UASB反應(yīng)器。

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

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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

項(xiàng)目來源： 國家自然科學(xué)基金(51208087)；教育部新教師基金(20120075120001)；中央高?；痦?xiàng)目

Awad Abdelgad(1978-)，男，蘇丹籍，博士研究生，研究方向?yàn)閰捬跎锾幚?，E-mail: awadabdoh@gmail.com

陳小光，E-mail：cxg@dhu.edu.cn

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1000-1166(2016)05-0003-04