厭氧顆粒污泥人工床層快速培養(yǎng)與吸附動力學分析

施云芬　孫　萌　張更宇

(東北電力大學化學工程學院, 吉林 132012)

?

厭氧顆粒污泥人工床層快速培養(yǎng)與吸附動力學分析

施云芬孫萌張更宇

(東北電力大學化學工程學院, 吉林 132012)

為加快顆粒污泥的形成速率，解決顆粒污泥培養(yǎng)時間長、污泥活性差的問題，通過向厭氧池中加入人工污泥床層快速培養(yǎng)厭氧顆粒污泥，實現(xiàn)厭氧顆粒污泥培養(yǎng)的可控性。采用電子掃描電鏡對培養(yǎng)好的厭氧顆粒污泥微觀形態(tài)進行觀察，通過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力學模型。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，顆粒污泥在水力負荷達到5 kg/(L·d)時，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；針對吸附在人工污泥床層上的厭氧顆粒污泥建立吸附動力學模型，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)池中污泥的內(nèi)循環(huán)可以促進厭氧顆粒污泥的形成，當厭氧反應(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，形成的厭氧顆粒污泥吸附性能最強。

厭氧顆粒污泥； 人工污泥床層； 動力學； 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、有機負荷低、處理效果差等問題[1]。

施云芬等[2]以養(yǎng)豬廢水為進水，以離子交換樹脂、粉煤灰、聚合氯化鋁等為惰性載體進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)厭氧顆粒污泥時發(fā)現(xiàn)存在污泥床層的現(xiàn)象，這種床層的出現(xiàn)會影響顆粒污泥內(nèi)部吸附強度，降低了甲烷的產(chǎn)生量，而且厭氧顆粒污泥沉降過程中會造成顆粒污泥松散、污泥脫落的問題。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致污泥床層不穩(wěn)定[4]。

COSTA等[5]研究發(fā)現(xiàn)當顆粒污泥粒徑大于1 mm時，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)器運行過程中選擇壓的不同，污泥相互之間的作用強度也有所不同，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；BARTACEK等[7]研究了摻鎳對產(chǎn)甲烷顆粒污泥吸附動力學的影響，結(jié)果表明鎳在厭氧顆粒污泥中的吸附過程是由粒子擴散引起的；YANG 等[8]采用賓漢模型對UASB中污泥濃度和運行溫度進行評估并分析顆粒污泥流變學特性，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理值得研究。本文通過模擬人工污泥床層進行厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)，對厭氧顆粒污泥中不同菌種的吸附特性進行研究。

1　材料和方法

1.1反應(yīng)池的運行

試驗采用自制培養(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，空心填料支座透過底部塑料板和頂部塑料板，空心填料支座周圍設(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)裝置底部進水系統(tǒng)中進水總管路通過五通閥分為4條支路由進水泵輸送到厭氧培養(yǎng)裝置底部中心并且進入?yún)捬跖囵B(yǎng)裝置中，保證了足夠的進水負荷，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)池進水采用有機物質(zhì)和N、P含量豐富的養(yǎng)豬廢水，不需外加營養(yǎng)物質(zhì)[11]。反應(yīng)池運行過程中逐漸提高豬廢水濃度[12-13]。厭氧顆粒污泥培養(yǎng)過程分為3個階段：污泥馴化階段、顆粒污泥形成階段、顆粒污泥成熟階段[14]。在各個階段開始培養(yǎng)時采用電子顯微鏡觀察反應(yīng)池中污泥，對比加入人工污泥床層和未加入人工污泥床層2個反應(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號反應(yīng)池，未加入人工污泥床層的反應(yīng)池為2號反應(yīng)池。表1為接種污泥指標。

1.3分析方法

化學需氧量(COD)、混合液質(zhì)量濃度(MLSS)等指標均采用國家規(guī)定的標準方法測定[15]。

顆粒污泥的評價指標(數(shù)量分布、平均粒徑、含水率)等根據(jù)BEUN等[16]的方法測定。

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

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

向上表面線性流速v1(m/s)：通過單位橫截面積流入量和流入時間計算，即

v1=Q1/t

式中Q1——單位橫截面積流入量，m

t——時間，s

向上表面線性氣體流速vg(m/s)：通過氣體流量計測定，氣體通過流量計時，通過速度傳感器測算出氣體流速。

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)，通過測算污泥沉降至柱底部所用時間，計算出污泥沉降速度

vs=H/t

式中H——沉降柱高度，m

分形維數(shù)Df：通過電子顯微鏡連接數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)測定，即將電子顯微鏡連接到計算機上，通過顯微鏡觀察顆粒污泥形態(tài)變化，同時計算機實時抓拍，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程中，對加入人工污泥床層和未加入人工污泥床層2個反應(yīng)池中的顆粒污泥進行對比，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絮狀接種污泥顆粒化過程

有機廢水初始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，進水堿度為1 000 mg/L。采用靜態(tài)馴化方式對2個反應(yīng)池中接種污泥馴化，設(shè)置水力停留時間為25 h，測定2個反應(yīng)池取樣口COD值，1號反應(yīng)池和2號反應(yīng)池在馴化階段進行到第15天和第20天時，取樣口COD去除率達到90%，馴化階段結(jié)束。

顆粒污泥形成階段從反應(yīng)池底部進水，沖擊反應(yīng)池中污泥，使污泥在1號反應(yīng)池中與人工污泥床層接觸并且聚集其上，縮短水力停留時間為10 h，1號反應(yīng)池和2號反應(yīng)池在顆粒污泥形成階段進行到第24天和第50天時，出水COD去除率達到90%，1號反應(yīng)池產(chǎn)甲烷量10.48 mL/(g·d)，2號反應(yīng)池產(chǎn)甲烷量6.48 mL/(g·d)，1號反應(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水負荷使COD負荷在28.9 kg/(cm2·d)，水力停留時間縮短為7 h，1號反應(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號反應(yīng)池和2號反應(yīng)池在顆粒污泥成熟階段進行到第30天和第61天時，測定1號反應(yīng)池和2號反應(yīng)池出水COD去除率達到90%，1號反應(yīng)池中產(chǎn)甲烷量23.48 mL/(g·d)，2號反應(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1號反應(yīng)池和2號反應(yīng)池培養(yǎng)厭氧顆粒污泥時間分別為69 d和136 d，通過試驗測定發(fā)現(xiàn)1號反應(yīng)池和2號反應(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，人工污泥床層整體結(jié)構(gòu)不會破損，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，產(chǎn)甲烷量多[21-23]。厭氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中各反應(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個反應(yīng)池中污泥在各個階段特性如圖5所示。

圖2　1號和2號反應(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號和2號反應(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)池中污泥在各個階段的特性Fig.5　Sludge characteristics at each stage in two morphology in pool reaction pools

2個反應(yīng)池中厭氧顆粒污泥成熟后，同時處理質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的養(yǎng)豬廢水，1號反應(yīng)池處理養(yǎng)豬廢水過程中水力負荷維持在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——時刻t0——初始產(chǎn)甲烷時刻

結(jié)果表明，甲烷產(chǎn)生率由開始的1.3 mL/(g·d)逐漸增大到3.2 mL/(g·d)，說明厭氧顆粒污泥在處理廢水過程中產(chǎn)甲烷菌活性良好，運行第20天時，甲烷產(chǎn)生量達到穩(wěn)定33 mL/(g·d)，出水COD去除率達到89%，測定1號反應(yīng)池運行結(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號反應(yīng)池人工污泥床層相比，2號反應(yīng)池中污泥吸附形成的床層在過高的水力負荷條件下會發(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規(guī)則等問題，進而導致污泥流失現(xiàn)象嚴重，試驗結(jié)果表明，當水力負荷達到4.52 kg/(L·d) 時，根據(jù)式(1)，甲烷產(chǎn)生率由開始的0.5逐漸增大到1.5，運行第45天時，甲烷產(chǎn)生量達到穩(wěn)定的21 mL/(g·d)，出水COD去除率達到89%，測定2號反應(yīng)池運行結(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號和2號厭氧反應(yīng)池處理養(yǎng)豬廢水過程中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號和2號反應(yīng)池運行過程中COD去除率變化情況Fig.6　Changing of COD of reactor Nos.1 and 2 in processing

圖7　1號和2號反應(yīng)池運行過程中產(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號和2號反應(yīng)池運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力學模型的建立

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程中的反應(yīng)池溫度變化有關(guān)[24]。根據(jù)流體力學分析方法測定1號反應(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力學模型。如圖9所示，污泥處在反應(yīng)池同一高度時，隨著傳輸速率的增大反應(yīng)池溫度也相應(yīng)增大。

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

厭氧顆粒污泥形成過程中污泥吸附動力學數(shù)學模型的研究逐漸成熟[25]，本試驗建立1號反應(yīng)池中顆粒污泥的吸附動力學模型，模型建立條件：①研究過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)池運行過程中傳質(zhì)阻力恒定不變。④厭氧顆粒污泥吸附形式應(yīng)用于動力學模型。

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

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

由于進水負荷的沖擊作用，使得污泥產(chǎn)生向上傳輸?shù)膭恿?。將人工污泥床層等分為n個斷面，取其中第n-1和第n個斷面進行分析。第n-1到第n個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個斷面到第n個斷面過程中氣體產(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——污泥向上運動中與豎直方向夾角

vs,n——第n個斷面中污泥的沉降速度，m/s

v1——進水表面的直線向上流速，m/s

A——反應(yīng)池斷面面積，m2

Fw′,n——第n個斷面天然氣產(chǎn)率，%

由式(4)、(5)得出

(6)

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

a——斷面長度，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程中，顆粒污泥從第n-1個到第n個斷面之間的污泥質(zhì)量濃度比隨著進水強度的增加而減小，當向上和向下污泥傳質(zhì)濃度之比達到0.8～0.9，顆粒污泥吸附性能和動力學特性最強。

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，沒有固定的形成模式[26-27]。評價分形理論的重要參數(shù)是分形維數(shù)(Df)，對厭氧顆粒污泥而言，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重要指標。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號反應(yīng)池中顆粒污泥的Df在2.68～2.83之間，2號反應(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。分析發(fā)現(xiàn)，當分形維數(shù)大于2時，絮體聚集過程中滲透性能大大減少，說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也避免了反應(yīng)池運行過程中發(fā)生酸化中毒的危險，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度，厭氧顆粒污泥密實度的強弱對污泥聚集過程中表現(xiàn)出的流動性能有較大的影響，其計算公式為

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)池運行過程中水力半徑和顆粒污泥半徑之比為

(8)

1號反應(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，說明加入人工污泥床層的反應(yīng)池中顆粒污泥動力學特性、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力學模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)污泥在厭氧反應(yīng)池中內(nèi)循環(huán)可以促進厭氧顆粒污泥的形成，當厭氧反應(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，形成的厭氧顆粒污泥吸附性能最強。

(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度，提高了顆粒污泥的耐沖擊性能。

1BING J, HAN Y. Mathematical modeling of aerobic granular sludge: a review[J]. Biotechnology Advances, 2010,28(6):895-909.

2施云芬，孫萌，張更宇，等.厭氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)和特征分析[J].土木建筑與環(huán)境工程，2013，35(5)：7-12.

SHI Yunfen,SUN Meng,ZHANG Gengyu, et al. Rapid culture and characteristics analysis of anaerobic granular sludge[J]. Journal of Givil, Architectural & Environmental Engineering, 2013, 35(5):7-12.(in Chinese)

3SHANMUGAM A, AKUNNA J. Modelling head losses in granular bed anaerobic baffled reactors at high flows during start-up[J]. Water Research, 2010,44(18): 5474-5480.

4湯桂蘭，孫振鈞.厭氧污泥發(fā)酵制氫工藝試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(9)：201-204.(in Chinese)

TANG Guilan, SUN Zhenjun. Technology for biohydrogen production through anaerobic sewage sludge fermentation[J]. Transactions of the CSAE, 2007,23(9):201-204. (in Chinese)

5COSTA J C, ALVES M M, Ferreira E C. A chemometric tool to monitor high-rate anaerobic granular sludge reactors during load and toxic disturbances[J]. Biochemical Engineering Journal, 2010,53(1):38-43.

6ZHANG B, CHEN Z, QIU Z, et al. Dynamic and distribution of ammonia-oxidizing bacteria communities during sludge granulation in an anaerobic-aerobic sequencing batch reactor[J]. Water Research, 2011,45(18): 6207-6216.

7BARTACEK Jan, FERMOSOA F G, CATENA A B, et al. Effect of sorption kinetics on nickel toxicity in methanogenic granular sludge[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010,180(1-3): 289-296.

8YANG M, HAN Y. Rheological and fractal characteristics of granular sludge in an upflow anaerobic reactor[J]. Water Research, 2006,40(19): 3596-3602.

9ADRIANA L, CLAUDIO I. Physical characterisation of the sludge produced in a sequencing batch biofilter granular reactor[J]. Water Research, 2012,46(16):5316-5326.

10黎強，葉進.重慶養(yǎng)豬場自給能源廢水中溫發(fā)酵系統(tǒng)溫度調(diào)控研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(7)：186-190.

LI Qiang, YE Jin. Temperature-control of moderate temperature anaerobic digestion system supplied energy by self for pig fram wastewater treatment in Chongqing[J]. Transactions of the CSAE, 2007,23(7):186-190.(in Chinese)

11施云芬，戰(zhàn)祥軒，劉景明，等.交替 A/O 工藝處理養(yǎng)豬廢水脫氮研究[J].東北電力大學學報，2011，31(2)：32 -35.

SHI Yunfen,ZHAN Xiangxuan, LIU Jingming, et al. Study of ammonia nitrogen in swine wastewater by alternating A/O process [J]. Journal of Northeast Dianli University, 2011,31(2):32-35.(in Chinese)

12馬磊，王德漢，楊文杰，等.餐廚垃圾高溫厭氧消化接種物的馴化研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(6)：203-207.

MA Lei, WANG Dehan, YANG Wenjie, et al. Domestication of inoculums in treating food waste by thermophilic anaerobic digestion[J].Transactions of the CSAE, 2007,23(6):203-207.(in Chinese)

13沈東升，賀永華，馮華軍，等.農(nóng)村生活污水地埋式無動力厭氧處理技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21(7)：111-115.

SHEN Dongsheng, HE Yonghua, FENG Huajun, et al. Underground unpowered anaerobic reactor for rural domestic sewage treatment[J]. Transactions of the CSAE, 2005,21(7):111-115.(in Chinese)

14柳珊，吳樹彪，張萬欽，等.白腐真菌預處理對玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷影響實驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44(增刊2)：124-129，142.

LIU Shan,WU Shubiao,ZHANG Wanqin, et al. Effect of white-rot fungi pretreatment on methane production from anaerobic digestion of corn stover[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(Supp.2):124-129,142.(in Chinese)

15國家環(huán)境保護局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社，2002.

16BEUN J J, Van JOOSDRECHT M C, HEIJNEN J J, et al. Aerobic granulation[J]. Water Science and Technology, 2000,41(4-5): 41-48.

17鄭蕾. pH值對活性污泥胞外聚合物分子結(jié)構(gòu)和表面特征影響研究[J]. 環(huán)境科學，2007，28(7)：1507-1511.

ZHENG Lei. Effects of pH on the surface characteristics and molecular structure of extracellular polymeric substances from activated sludge[J]. Environmental Science, 2007,28(7):1507-1511.(in Chinese)

18HWU C S, CAI W Y. Enhanced biogas production of bagasse by anaerobic granular sludge under thermophilic conditions[J]. Journal of Biotechnology, 2010,150(Supp.):21.

19WINKLER M, BASSIN J, KLEEREBEZEM R, et al. Temperature and salt effects on settling velocity in granular sludge technology[J]. Water Research, 2012,46(12):3897-3902.

20JOE O, CHANGSOO L, GAVIN C, et al. Quantitative and qualitative analysis of methanogenic communities in mesophilically and psychrophilically cultivated anaerobic granular biofilims[J]. Water Research, 2009,43(14):3365-3374.

21田夢，劉曉玲，李十中，等. 香蕉秸稈與牲畜糞便固體聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(7)：177-184.

TIAN Meng, LIU Xiaoling, LI Shizhong, et al. Biogas production characteristics of solid-state anaerobic co-digestion of banana stalks and manure[J]. Transactions of the CSAE,2013, 29(7): 177-184. (in Chinese)

22李偉，吳樹彪,HAMIDOU Bah，等.沼氣工程高效穩(wěn)定運行技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46(7)：187-196.

LI Wei,WU Shubiao, HAMIDOU Bah,et al.Status analysis and development prospect of biogas engineering technology[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(7):187-196.(in Chinese)

23李雪，林聰，沙軍冬，等. 不同生物預處理方式對污泥厭氧消化過程性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015,46(8)：186-191.

LI Xue,LIN Cong,SHA Jundong, et al. Effect of different biopretreatments on anaerobic digestion process performance of sludg[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(8):186-191.(in Chinese)

24XIAO C, PING Z, MAHMOOD Q. Dynamic behavior and concentration distribution of granular sludge in a super-high-rate spiral anaerobic bioreactor[J]. Bioresource Technology, 2012,111:134-140.

25張寬地，王光謙，王占禮，等.人工加糙床面薄層滾波流水力學特性試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(4)：28-34.

ZHANG Kuandi, WANG Guangqian, WANG Zhanli, et al. Experiments on hydraulic characteristics of roll wave for sheet flow with artificial rough bed [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(4): 28-34.(in Chinese)

26陳信信，丁啟朔，李毅念，等.稻茬麥根系構(gòu)型可視化與三向分型維研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46(3)：328-335.

CHEN Xinxin,DING Qishuo,LI Yinian, et al.Visualization of post-paddy wheat rooting system and 3-D fractal dimensions[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(3):328-335.(in Chinese)27周學成，羅錫文.基于XCT技術(shù)的原位根系三維可視化研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40(增刊)：202-205.

ZHOU Xuecheng, LUO Xiwen. 3-D root system in situ based on XCT technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(Supp.):202-205. (in Chinese)

28BO J, BRITT W, PAUL L. A comprehensive insight into floc characteristics and their impact on compressibility and settleability of activated sludge[J]. Chemical Engineering Journal, 2003,95(1-3): 221-234.

29LECH G. Hydrodynamics of aggregated media[J]. Journal of Colloid and Interface Science,1996,178(1):80-86.

30劉建禹，陳澤興，李文濤. 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型的建立與驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(17)：217-222.

LIU Jianyu, CHEN Zexing, LI Wentao. Development and verification of one-dimensional model of steady-state heat transfer for anaerobic fermentation reactor[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(17): 217-222.(in Chinese)

31付鵬，胡松，向軍，等.氣化過程中谷殼焦顆?？紫督Y(jié)構(gòu)及分形特性的演化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(13)：276-281.

FU Peng, HU Song, XIANG Jun, et al. Evolution of pore structure and fractal characteristics of rice husk char particles during gasification[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(13): 276-281. (in Chinese)

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)保廳科研項目(吉環(huán)科字2009-13號)和吉林市科技計劃項目(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