环境科学学报  2017, Vol. 37 Issue (10): 3642-3648
引用本文
李永林, 范文雯, 袁林江, 等. 2017. 气升流速变化对SBR污泥颗粒化的作用及机理[J]. 环境科学学报, 37(10): 3642-3648.
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气升流速变化对SBR污泥颗粒化的作用及机理    [PDF全文]
李永林 , 范文雯 , 袁林江 , 罗大成 , 刘传波     
西安建筑科技大学, 西北水资源与环境生态教育部重点实验室, 陕西省环境工程重点实验室, 西安 710055
收稿日期: 2017-03-24; 修回日期: 2017-05-22; 录用日期: 2017-05-27
基金项目: 国家自然科学基金（No.51278406）
作者简介: 李永林(1992-), 男, E-mail: hutujiujianxian@163.com
通讯作者（责任作者）: 袁林江(1966—), 西安建筑科技大学环境与市政工程学院教授、博士生导师, 陕西省环境工程重点实验室副主任, 日本九州大学都市环境系统工学专业博士. 主要从事城市污水生物处理/资源化技术与理论的研究. E-mail: yuanlinjiang@xauat.edu.cn
摘要: 采用两个相同的SBR反应器：R1保持恒定气升流速3.0 cm·s-1，R2气升流速由3.0 cm·s-1逐渐降低至1.0 cm·s-1，对比研究了气升流速变化对絮体污泥凝聚和颗粒化的作用.结果表明：R1中35 d后絮体污泥全部转变成均值粒径为564.59 μm的颗粒污泥；R2中24 d后絮体污泥全部转变成均值粒径978.71 μm的颗粒污泥.R2气升流速由3.0 cm·s-1逐渐降至2.0 cm·s-1时，污泥的分形维数（D2）增大；气升流速由2.0 cm·s-1逐渐降到1.6 cm·s-1时，D2先下降后上升，污泥粒径比增长率为0.16±0.01，微生物颗粒表面所受的剪切解吸附率随粒径的增长由调整前的1.35×10-2 mg·cm-2·d-1（以VSS计，下同）略微降低后升高至1.88×10-2 mg·cm-2·d-1，颗粒结构变得更加致密；气升流速小于1.6 cm·s-1之后，旋涡尺度作用减弱，D2持续减小.总体上，当气升流速递减后，R2中污泥混合液流变特性发生了变化，形成的漩涡尺度大于R1，促使更多体积分数的污泥分布在漩涡尺度的耗散范围内，加剧耗散对应范围粒径大小的污泥剪切凝聚，加快了污泥颗粒化进程.
关键词: 颗粒污泥     气升流速     旋涡尺度     水力剪切    
Effect and mechanism of variation of superficial gas upflow velocity on sludge granulation in SBRs
LI Yonglin, FAN Wenwen, YUAN Linjiang , LUO Dacheng, LIU Chuanbo    
Xi'an University of Architecture & Technology, Key Laboratory of Northwest Water Resource and Environment Ecology, Ministry of Education, Shaanxi Province, Key Laboratory of Environmental Engineering, Xi'an 710055
Received 24 March 2017; received in revised from 22 May 2017; accepted 27 May 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51278046)
Biography: LI Yonglin(1992—), male, E-mail: hutujiujianxian@163.com
*Corresponding author: YUAN Linjiang, E-mail: yuanlinjiang@xauat.edu.cn
Abstract: Two identical sequencing batch reactors R1 and R2 were adopted to study the effects of variation of the superficial gas upflow velocity on coagulation of floc and sludge granulation. The superficial gas upflow velocity was kept constant at 3.0 cm·s-1 in R1 while gradually decreased from 3.0 cm·s-1 to 1.0 cm·s-1 in R2. The results showed that granular sludge cultivated successfully after 35 d operation in R1 with the mean diameter of 564.59 micrometer, while it took merely 24 d in R2 to obtain the granular sludge with the mean diameter of 978.71 micrometer. While the superficial gas upflow velocity decreased gradually from 3.0 cm·s-1 to 2.0 cm·s-1 in R2, fractal dimension (D2) of the sludge increased continuously. As the superficial gas upflow velocity decreased from 2.0 cm·s-1 to 1.6 cm·s-1, the D2 decreased firstly and then increased subsequently. The specific expanding ratio of diameter of the sludge was calculated as about 0.16±0.01. The biomass-shear-loss rate of the sludge varied from 1.35×10-2 mg·cm-2·d-1 before adjustment, then declined slightly, and finally increased to 1.88×10-2 mg·cm-2·d-1 which affected by the increase of sludge size. Meanwhile, the particles structure of the sludge became more compact. When the superficial gas velocity was kept less than 1.6 cm·s-1, the force of eddy became weak and D2 decreased. In general, the rheological properties of the mixed liquor in the reactors changed as the superficial gas upflow velocity reduced. In R2, the eddy scale was greater than that in R1. More fraction of the sludge was distributed in dissipation range of the eddy scale in R2, and the sludge granulation was faster via enhancing shear cohesion of the floc in the corresponding dissipative region.
Key words: granular sludge     superficial gas upflow velocity     eddy scale     hydrodynamic shear    
1 引言(Introduction)

与传统活性污泥相比, 好氧颗粒污泥具有形状规则、结构密实、沉降性能良好、较高的生物量、抗冲击负荷能力强等优点(Show et al., 2012), 具有光明的应用前景(Van et al., 2014).但目前对好氧颗粒污泥的形成机理尚缺乏统一的认识, 污泥颗粒化的启动是难题之一.

影响颗粒污泥的形成因素众多(王建龙等, 2009), 其中水力剪切被认为是好氧颗粒形成的重要影响因素之一, 直接关系到颗粒污泥的粒径、形态结构等理化特征(Liu et al., 2002；Di et al., 2005；王超等, 2008), 同时也影响污泥的流变特性(Su et al., 2005).大量研究表明在不同恒定搅拌速度下, 絮体粒径分布受湍流中的旋涡尺度大小影响(Coufort et al., 2008；李振亮等, 2013), 但以旋涡尺度的角度研究水力剪切对好氧颗粒化中粒径变化的影响鲜有报道.同时, 水力剪切力的大小与气升流速呈正相关.目前大多数学者研究恒定气升流速下培养好氧颗粒污泥(Sturm et al., 2008；张小玲等, 2011), 而尚未有调整气升流速探究其对好氧颗粒化的影响.

本文拟采用两组SBR反应器(R1气升流速恒定和R2气升流速递减), 通过计算旋涡尺度和水力剪切力来对比研究气升流速变化对絮体颗粒化进程、分形维数及EPS含量等污泥性质的影响, 旨在为揭示污泥颗粒化机理及加快其进程提供理论基础.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验装置及运行方式

试验采用两个相同的SBR反应器(R1、R2)(图 1), 反应器由有机玻璃制成, 内径D=6 cm, 有效高度H=120 cm, 有效容积3.4 L, 容积交换率50%.反应器采用鼓风曝气, 使用气体转子流量计控制曝气量以达到调节气升流速的目的.

图 1 SBR反应器示意图 Fig. 1 Schematic representation of the SBR reactor

反应器R1和R2运行方式一致：每天8个周期, 每个周期180 min, 其中进水2 min, 曝气155 min, 沉降时间相同(由20 min逐渐降低到3 min), 排水3 min, 剩余时间闲置.整个运行由时控开关自动控制.利用温控仪和加热棒使系统温度维持在(25 ± 1)℃.其中R1采用恒定的气升流速3.0 cm·s-1, 而R2气升流速每隔4 d降低1次(3.0 ~1.0 cm·s-1), 具体参数调整见表 1.

表 1 R1和R2培养中气升流速的具体调整 Table 1 Adjustment of superficial gas upflow velocity in R1 and R2
2.2 接种污泥和试验用水

试验中接种污泥取自西安市第四污水处理厂, 控制每个反应器初始污泥浓度在4000 mg·L-1左右.

试验用水采用人工配水, 投加物质组成及含量如下：乙酸钠(CH3COONa)作为碳源, COD为780 mg·L-1, NH4Cl(NH4+-N=42 mg·L-1), KH2PO4(PO43--P=11 mg·L-1), MgSO4·7H2O为100 mg·L-1, CaCl2为60 mg·L-1, 具体浓度以试验测定为准, 同时按照0.5 mL·L-1在进水中加入微量元素(Saito et al., 2004).

2.3 分析指标及测定方法

参照国家环保局《水和废水监测分析方法》第4版所推荐的标准分析方法(国家环境保护局, 2005), MLSS和MLVSS, 重量法；SV5、SV30, 静置沉降法.胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)采用Frølund等的方法提取(Frølund et al., 1996), 蛋白质含量(PN)采用Lowry法, 胞外多糖(PS)采用蒽酮-硫酸法测定；颗粒污泥粒径采用激光粒度仪(LS230/SVM, BECKMAN, USA)测定；污泥形态采用尼康生物显微镜(Nikon ECLIPSE 90i, Japan)进行拍照观察；表观粘度可表征颗粒污泥的流变特性, 采用Su的方法通过DV-Ⅱ+P型旋转粘度仪(BROOKFIELD, USA)测定(Su et al., 2005).

2.4 旋涡尺度的计算

培养好氧颗粒污泥的SBR系统中, 污泥混合液的运动状态可视为湍流.基于Kolmogorov各向同性湍流理论, 最小的旋涡尺度ηK计算如下：

(1)

式中, υ为动力学粘度, 由υ=μ/ρSL计算.μ为混合液的表观粘度, ρSL为混合液密度.其中ε为能量耗散率可由式(2)(任婷婷, 2008) 计算.

(2)

式中, Ein为输入功率；V为反应器有效容积；g为重力加速度；SGV为气升流速.

颗粒表面所受的剪切力是由旋涡流在颗粒表面的能量耗散引起的, 受颗粒粒径大小(Δr)的影响.两点之间的剪切应力τ与旋涡尺度大小有关(Pilz et al., 2005).

惯性范围

(3)

耗散范围

(4)

与剪切无关

(5)

式中, k1、k2为经验常数, ρl为液体密度.由式(3)~(5) 可知, 粒径大小处于耗散范围内的颗粒表面所受的水力剪切作用主要与旋涡尺度有关.好氧颗粒污泥在培养过程中, 颗粒粒径逐渐增大, 为了使颗粒粒径更多地处于旋涡尺度ηK的3倍至12倍之间的能量耗散范围内, 可在污泥颗粒化过程逐渐降低气升流速, 来研究旋涡尺度与粒径大小及分布的关系.

2.5 颗粒表面的水力剪切解吸附速率的计算

在SBR反应器内, 剪切作用主要来自液体-颗粒间及颗粒间的相互碰撞、摩擦, 计算作用在微生物颗粒表面的剪切应力τs、剪切速率γs及在其作用下剪切解吸附率RS参照Ren的方法(Ren et al., 2009).

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 粒径分布与旋涡尺度的关系

颗粒粒径大小变化可以直观地体现污泥颗粒化过程, 在有机负荷以及操作周期相同条件下粒径大小主要受气升流速的影响(Chen et al., 2007).图 2为反应器R1、R2颗粒化进程中均值粒径及粒径分布的变化情况.由图 2可知, 达到污泥基本颗粒化阶段(均值粒径 > 200 μm), R2所用时间(12 d)较R1(20 d)明显缩短.R1中在35 d后絮体污泥转变成均值粒径为564.59 μm的颗粒污泥；而R2中仅在24 d后转变为均值粒径978.71 μm的颗粒污泥.由此可见, 气升流速递减培养模式优于恒定模式, 可加速颗粒化进程, 并且粒径增长速率快.

图 2 R1(a)和R2(b)颗粒化过程中均值粒径及粒径分布 Fig. 2 Mean diameter and distribution of granules in R1 (a) and R2 (b)

由图 2可知, 颗粒在反应器R1和R2中随运行时间的粒径分布变化如下：粒径 < 200 μm的污泥逐渐减少, 200~500 μm和500~800 μm的颗粒先增加后减少, > 800 μm的颗粒逐渐增加, 且R2粒径分布变化趋势时间较R1提前.当R2气升流速降低到1.0 cm·s-1时, 好氧颗粒污泥逐渐出现大颗粒解体现象, 粒径 > 800 μm的颗粒锐减, 而 < 200 μm的颗粒增加, 此时均值粒径大幅度降低至400 μm.为了进一步研究旋涡尺度对粒径分布的影响, 测定不同时期污泥混合液的密度、表观粘度和污泥的粒径分布情况, 其主要参数见表 2.

表 2 培养过程中不同气升流速条件下的旋涡尺度与粒径分布变化 Table 2 Variations of eddy scale and size distribution in the cultivation process under different superficial upflow gas velocities

由表 2可知, 在反应器R1和R2中, 污泥混合液的表观粘度均先减小后增加, 且R2中降低趋势较R1缓慢.混合液的表观粘度与污泥浓度(即固含率)呈指数关系(吴昌永等, 2011), 而与剪切速率呈负相关(邢军等, 2016).同时SBR反应器中剪切速率与气升流速呈正相关(Nishikawa et al., 1977).随着污泥颗粒化, 沉降性能逐渐提高, 相同污泥浓度下的固含率大幅度降低, 污泥混合液粘度随固含率变化呈现逐渐降低的趋势；好氧颗粒具有剪切稀化的流变特性, 因此在气升流速递减的模式下培养好氧颗粒, 相应的剪切速率降低, 从而减缓粘度降低趋势.在颗粒快速生长阶段, 反应器内污泥浓度增加, 相应固含率增加, 使得混合液的粘度有所上升.

依据粒径分布情况的试验结果和旋涡尺度耗散范围大小相结合分析(表 2), 在运行初期的0~12 d内, 反应器R2的气升流速小于等于R1, 粒径200~500 μm的体积分数增加了54.77%, 远高于R1的23.39%.这是因为随着污泥粒径增长, 逐渐降低气升流速后, R2中旋涡尺度大于R1, 相应更多体积分数的絮体处于旋涡尺度的耗散范围内, 增加剪切破碎、碰撞凝聚机率, 从而加速了颗粒的形成.在运行中期的13~20 d内, R2的气升流速由2.0 cm·s-1逐渐降低至1.6 cm·s-1, 此时旋涡尺度增大, 受水力剪切的耗散范围也由169.84~679.36 μm增大到210.61~842.44 μm, 粒径范围为200~500 μm的体积分数减少31.75%, 而500~800 μm的颗粒增加29.65%.同时, 反应器R2中粒径200~800 μm的颗粒体积分数占69.44%, 集中在耗散范围内.当R2气升流速递减至1.3 cm·s-1时, 耗散范围为228.65~914.60 μm且相比于1.6 cm·s-1时变化幅度较小, 此时粒径>800 μm所占体积分数占79.56%, 超出耗散范围, 旋涡尺度对污泥粒径分布作用甚微.在R2的气升流速降低至1.0 cm·s-1时, 颗粒出现解体现象, 污泥流失, 粘度降低, 此阶段粒径 > 800 μm的颗粒锐减, < 200 μm的颗粒所占体积分数为38.78%.相反, R1的气升流速恒定, 旋涡尺度大小仅与表观粘度有关, 先减小后增大, 颗粒粒径初始集中分布在200~500 μm之间, 随着颗粒化的进行, 反应末期200~500 μm的颗粒占体积分数为40.00%, 500~800 μm的颗粒占50.48%.说明气升流速大小与粒径分布的关系符合旋涡尺度的变化, 当有颗粒出现后, 粒径分布主要集中在旋涡尺度的3倍至12倍之间；气升流速低于1.6 cm·s-1后, 粒径超出耗散范围, 旋涡尺度作用减弱.

3.2 颗粒化过程中污泥形态及分形维数变化

分形维数可以定量表征反应器中污泥的密实度及规则程度, 对深入研究好氧颗粒污泥的理化特性有着指导性意义.借助图像处理软件对污泥显微镜照片分析得到物理特征参数, 投影面积A、周长P及特征长度Lmax.基于分形理论(Serra et al., 1998), 通过特征参数关系求出不同的分形维数(Dpf、D2).Dpf表示颗粒污泥表面的规则程度, 越接近于1表明颗粒表面越光滑、规则；D2表示颗粒污泥的密实程度, 越接近于2表明颗粒越密实；D2与Dpf两者之间呈负相关.

反应器R1和R2絮体污泥颗粒化过程中D2、Dpf的变化趋势如图 4所示.反应器R1和R2的污泥形态与分形维数(D2、Dpf)随运行时间变化一致, 污泥形态逐渐转变为规则的圆形或椭圆形, 结构较接种污泥密实(图 3).反应器R1中污泥的分形维数(D2)随颗粒化先增大后减小, 最终趋于稳定.而反应器R2气升流速由3.0 cm·s-1递减到2.0 cm·s-1, D2呈增加趋势；在R2的气升流速由2.0 cm·s-1逐渐降到1.6 cm·s-1过程中, D2总体呈增加趋势, 但每次调节气升流速后, D2均先下降后上升.在R2的气升流速小于1.6 cm·s-1之后, 旋涡尺度作用减弱, 粒径增大, 孔隙率增加, 从而导致D2持续减小.这与Su等和Maggi等分形维数随粒径增大而减小的结论一致(Su et al., 2005；Maggi et al., 2005).

图 4 颗粒化过程中分形维数(Dpf、D2)的变化 Fig. 4 Variations of fractal dimension (Dpf, D2) in the granulation process

图 3 R1和R2中颗粒形态对比(100倍) Fig. 3 Comparison of particle morphology in R1 and R2 (100X)

为了进一步探究反应器R2的气升流速由2.0 cm·s-1逐渐降低至1.6 cm·s-1时分形维数D2变化的原因, 对气升流速调整前后颗粒表面的水力剪切解吸附率进行了计算.其数值受粒径大小、气含率与混合液粘度等因素影响.其中好氧颗粒污泥形成过程中污泥粒径的变化可通过Logistic曲线模拟(式(6))(苏馈足等, 2009), 结合试验结果得出反应器R1和R2中的污泥粒径比增长速率分别为0.05±0.01、0.16±0.01.

(6)

式中, t是运行时间(d)；D(t)是污泥在第t天时均值粒径(μm)；Dmax是曲线的渐近线(mm)；t0是滞后时间(d)；k是污泥颗粒化过程中粒径的比增长速率, 即每天增长量为原粒径的k倍.

气升流速调整使影响因素发生的变化及计算结果见表 3, 当气升流速降低后, 模拟粒径增加(50.18±3.14)μm, 微生物颗粒表面所受的剪切解吸附率略微降低后又升高至1.88×10-2 mg·cm-2·d-1, 明显大于调整前1.35×10-2 mg ·cm-2·d-1, 由此推断, 降低气升流速可提高粒径增长速率, 而污泥表面结构在水力剪切作用下变得更加致密.

表 3 反应器R2的气升流速在调整前后剪切解吸附变化 Table 3 Change of biomass-shear-loss rate before and after adjusting the superficial gas upflow velocity in R2
3.3 培养过程污泥量和污泥容积指数的变化

由图 5可知, 反应器R1和R2的MLSS由初始浓度4000 mg·L-1分别降低到1309 mg·L-1和1532 mg·L-1, 并且随着颗粒化进程, 污泥浓度逐渐增加至稳定.与R1相比, R2的SVI可在较短时间内降到更低.当反应器R2的气升流速降低至1.0 cm·s-1, SVI逐渐升高, 污泥流失, 浓度由4500 mg·L-1下降至3200 mg·L-1.同时, VSS/SS、SV30/SV5在两组反应器中的变化趋势一致.SV30/SV5的比值变化可以指示絮体颗粒化进程, Long等指出形成颗粒污泥的SV30与SV5数值相差不超过5%(Long et al., 2014).反应器R1和R2中的SV30/SV5分别在第14 d和8 d大于0.95, 这表明R2中出现颗粒时间短于R1.

图 5 R1和R2中污泥浓度(a)与污泥容积指数(b)的变化 Fig. 5 Evolutions of MLSS (a) and SVI (b) in R1 and R2
3.4 胞外聚合物含量

水力剪切作为水力选择压的一种, 一般能够改变细胞分泌的EPS含量, 对好氧颗粒污泥的形成有着重要的影响(Liu et al., 2002；闫立龙等, 2013).由图 6可知, 在同一运行时间, 反应器R2中微生物分泌的EPS含量远高于R1, 最高含量可达R1的3.31倍之多.由此可见, 气升流速的递减使微生物环境发生改变, 分泌更多的EPS, 这有利于污泥之间相互粘附, 促进颗粒污泥的快速形成.

图 6 反应器R1和R2中EPS含量的变化 Fig. 6 Variations of EPS in R1 and R2 reactors
4 结论(Conclusions)

1) 反应器R1中在35 d后絮体污泥转变成均值粒径为564.59 μm的颗粒污泥；R2中仅在24 d后颗粒污泥均值粒径为978.71 μm.R2的气升流速递减, 污泥混合液流变特性发生变化, 形成的漩涡尺度大于R1, 随着颗粒粒径的增长, 促使更多体积分数的污泥分布在漩涡尺度的3~12倍耗散范围内, 加剧污泥的剪切凝聚, 加快了污泥颗粒化进程.气升流速小于1.6 cm·s-1时, 粒径超出耗散范围, 旋涡尺度作用减弱.

2) 反应器R2气升流速由3.0 cm·s-1逐渐降至2.0 cm·s-1时, 污泥的分形维数(D2)增大；当R2气升流速由2.0 cm·s-1降到1.6 cm·s-1时, 分形维数D2总体呈上升趋势, 但每次气升流速降低后, D2先下降后上升；此阶段污泥粒径比增长率为0.16±0.01, 微生物颗粒表面所受的剪切解吸附率随粒径的增长由调整前的1.35×10-2 mg·cm-2·d-1略微降低后升高至1.88×10-2 mg·cm-2·d-1, 剪切解吸附作用增强, 颗粒结构变得更加致密.

3) 降低气升流速使微生物环境发生改变, 分泌更多的EPS有利于污泥之间相互粘附, 促进颗粒污泥的快速形成.

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