Characterization of a new continuous gas-mixing sulfidogenic anaerobic bioreactor: Hydrodynamics and sludge granulation

新型連續(xù)氣體混合硫酸鹽還原厭氧生物反應(yīng)器的表征：流體力學和污泥顆粒化

來源：Water Research, Volume 135, 2018, Pages 251-261

《水研究》，第135卷，2018年，第251-261頁

 

摘要

摘要部分闡述了連續(xù)氣體再循環(huán)（CGR）被證明是一種有效方法，用于減輕高速硫酸鹽還原上流污泥床（SRUSB）反應(yīng)器中污泥浮選的持續(xù)問題，這些反應(yīng)器產(chǎn)氣量少。研究調(diào)查了CGR混合對SRUSB反應(yīng)器混合 regime 的影響，通過45天的測試在不同平均剪切速率下（Phase I），確定了最佳混合強度為4.2 s?1，此時短路流和死區(qū)體積最小。在Phase II中，反應(yīng)器在最佳條件下運行150天，污泥轉(zhuǎn)化為微顆粒（300-350 μm），具有高硫酸鹽還原菌活性、低污泥浮選潛力和高沉降性。這些結(jié)果歸因于污泥特性，如低松散結(jié)合與緊密結(jié)合胞外聚合物比例、弱粘性表面特性和小尺寸顆粒促進質(zhì)量傳遞。

 

研究目的

研究目的是解決高速硫酸鹽還原上流污泥床（SRUSB）反應(yīng)器中污泥浮選的問題，通過應(yīng)用連續(xù)氣體再循環(huán)（CGR）混合來最小化浮選，并研究CGR對反應(yīng)器流體力學、污泥顆粒化和性能的影響，以優(yōu)化混合強度，提高反應(yīng)器的長期穩(wěn)定性和效率。

 

研究思路

研究思路分為兩個階段：Phase I為短期流體力學研究，在45天內(nèi)測試五種混合強度（平均剪切速率0.9、1.5、2.7、4.2和7.2 s?1），通過示蹤劑測試評估混合 regime、短路流和死區(qū)比例，并比較能量消耗；Phase II為長期運行評估，在最佳混合強度4.2 s?1下重新接種并操作150天，監(jiān)測有機物去除、污泥顆粒化、污泥特性（如EPS結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、微生物群落）和使用微傳感器分析硫化物濃度剖面。方法包括實驗室規(guī)模反應(yīng)器設(shè)置、化學分析、物理測量和分子生物學技術(shù)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測量了反應(yīng)器流體力學數(shù)據(jù)，包括保留時間分布曲線、短路流比例和死區(qū)體積，數(shù)據(jù)來自Fig. 1。研究意義是評估混合效率，表明CGR混合在4.2 s?1下能實現(xiàn)最小短路流（1.3±0.1%）和死區(qū)（0.2±0.01%），優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部流動，提高處理效率。

 

2 測量了有機物去除和硫酸鹽還原性能，如COD去除效率和硫酸鹽還原量，數(shù)據(jù)來自Fig. 2。研究意義是驗證CGR混合能提高反應(yīng)器性能，在最佳混合強度下COD去除效率超過90%，硫酸鹽還原量高，表明硫酸鹽還原菌活性增強。

 

3 測量了能量消耗比較CGR混合和液壓混合，數(shù)據(jù)來自Fig. 3。研究意義是證明CGR混合更節(jié)能，在相同污泥床膨脹下消耗功率更低（0.0007 W），為反應(yīng)器設(shè)計提供經(jīng)濟性依據(jù)。

 

4 測量了污泥沉降性和浮選潛力，如污泥體積指數(shù)和污泥浮選潛力，數(shù)據(jù)來自Fig. 4a和Fig. 4b。研究意義是評估固體-液體分離特性，顯示CGR混合能維持低SVI（<30 mL/g）和低SFP（<20%），防止污泥浮選，增強操作穩(wěn)定性。

 

5 測量了污泥顆粒大小和生長率，數(shù)據(jù)來自Fig. 5a和Fig. 5f。研究意義是跟蹤顆粒化過程，表明在65天內(nèi)形成微顆粒（300-350 μm），生長率逐漸降低，有助于理解顆粒形成動力學。

 

6 測量了污泥胞外聚合物結(jié)構(gòu)和化學組成，如LB-EPS、TB-EPS比例和蛋白質(zhì)/多糖比，數(shù)據(jù)來自Fig. 4c和Fig. 4d。研究意義是揭示EPS在顆粒化中的作用，低LB-EPS/TB-EPS比例（0.06-0.1）和PN/PS比（2.5-3.5）促進顆粒穩(wěn)定性。

7 測量了污泥表面性質(zhì)，如Zeta電位、疏水性和粘度，數(shù)據(jù)來自Fig. 4e、Fig. 4f和Fig. 4g。研究意義是分析表面特性對浮選的影響，強負電荷（-23±2 mV）、低疏水性（37±3%）和低粘度（0.7±0.1 mPa·s）減少氣體附著，控制浮選。

8 測量了微生物群落分布通過FISH分析，數(shù)據(jù)來自Fig. 6。研究意義是顯示硫酸鹽還原菌在顆粒中均勻分布（占65%），表明顆粒結(jié)構(gòu)均勻，支持高活性。

 

9 測量了硫化物濃度在污泥顆粒內(nèi)的剖面使用丹麥Unisense微傳感器，數(shù)據(jù)來自Fig. 7。研究意義是評估質(zhì)量傳遞，顯示小顆粒中硫化物濃度梯度低，表明質(zhì)量傳遞阻力小，底物滲透深。

 

結(jié)論

1 CGR混合在SRUSB反應(yīng)器中能有效優(yōu)化流體力學，在平均剪切速率4.2 s?1下實現(xiàn)高效混合和低能量消耗。

2 長期運行下，CGR混合促進微顆粒形成，具有高硫酸鹽還原菌活性和良好沉降性，有機物去除穩(wěn)定。

3 污泥特性如低EPS比例和弱粘性表面性質(zhì)有助于控制浮選，并增強質(zhì)量傳遞，提高反應(yīng)器性能。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微傳感器測量硫化物濃度剖面的研究意義在于精確量化污泥顆粒內(nèi)部硫化物濃度的空間分布，從而深入評估質(zhì)量傳遞效率和顆粒結(jié)構(gòu)均勻性。在該研究中，傳感器數(shù)據(jù)（Fig. 7）顯示，在CGR-SRUSB形成的微顆粒（300 μm）中，硫化物濃度從顆粒表面到核心僅輕微增加，濃度梯度低（5 mg S/L），表明底物（如硫酸鹽和COD）能有效滲透到顆粒核心，質(zhì)量傳遞阻力小。這揭示了小尺寸顆粒的優(yōu)勢：它們允許均勻的微生物活動（硫酸鹽還原菌遍布顆粒），避免了大顆粒中常見的死區(qū)或分層結(jié)構(gòu)（如Fig. 7a和b所示，大顆粒中硫化物濃度在深度200-400 μm后停滯）。因此，Unisense數(shù)據(jù)直接驗證了CGR混合通過維持小顆粒尺寸增強了內(nèi)部質(zhì)量傳遞，支持了高生物質(zhì)特異性活性（0.62±0.05 g COD/(g MLVSS·day)）。此外，這種測量幫助識別了浮選控制機制，即減少氣體滯留風險，為優(yōu)化厭氧反應(yīng)器設(shè)計提供了關(guān)鍵參數(shù)，強調(diào)了傳感器技術(shù)在環(huán)境工程中用于實時監(jiān)測和過程優(yōu)化的重要性。