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

新型連續氣體混合硫酸鹽還原厭氧生物反應器的表征：流體力學和污泥顆?；?

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氣體再循環（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）反應器中污泥浮選的持續問題，這些反應器產氣量少。研究調查了CGR混合對SRUSB反應器混合 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，此時短路流和死區體積最小。在Phase II中，反應器在最佳條件下運行150天，污泥轉化為微顆粒（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。這些結果歸因于污泥特性，如低松散結合與緊密結合胞外聚合物比例、弱粘性表面特性和小尺寸顆粒促進質量傳遞。

 

研究目的

研究目的是解決高速硫酸鹽還原上流污泥床（SRUSB）反應器中污泥浮選的問題，通過應用連續氣體再循環（CGR）混合來最小化浮選，并研究CGR對反應器流體力學、污泥顆?；托阅艿挠绊?，以優化混合強度，提高反應器的長期穩定性和效率。

 

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，監測有機物去除、污泥顆?；⑽勰嗵匦裕ㄈ鏓PS結構、表面性質、微生物群落）和使用微傳感器分析硫化物濃度剖面。方法包括實驗室規模反應器設置、化學分析、物理測量和分子生物學技術。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了反應器流體力學數據，包括保留時間分布曲線、短路流比例和死區體積，數據來自Fig. 1。研究意義是評估混合效率，表明CGR混合在4.2 s?1下能實現最小短路流（1.3±0.1%）和死區（0.2±0.01%），優化反應器內部流動，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，數據來自Fig. 2。研究意義是驗證CGR混合能提高反應器性能，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，數據來自Fig. 3。研究意義是證明CGR混合更節能，在相同污泥床膨脹下消耗功率更低（0.0007 W），為反應器設計提供經濟性依據。

 

4 測量了污泥沉降性和浮選潛力，如污泥體積指數和污泥浮選潛力，數據來自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，增強操作穩定性。

 

5 測量了污泥顆粒大小和生長率，數據來自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構和化學組成，如LB-EPS、TB-EPS比例和蛋白質/多糖比，數據來自Fig. 4c和Fig. 4d。研究意義是揭示EPS在顆?；械淖饔?，低LB-EPS/TB-EPS比例（0.06-0.1）和PN/PS比（2.5-3.5）促進顆粒穩定性。

7 測量了污泥表面性質，如Zeta電位、疏水性和粘度，數據來自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，數據來自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%），表明顆粒結構均勻，支持高活性。

 

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

 

結論

1 CGR混合在SRUSB反應器中能有效優化流體力學，在平均剪切速率4.2 s?1下實現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，有機物去除穩定。

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

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

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部硫化物濃度的空間分布，從而深入評估質量傳遞效率和顆粒結構均勻性。在該研究中，傳感器數據（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，質量傳遞阻力小。這揭示了小尺寸顆粒的優勢：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或分層結構（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數據直接驗證了CGR混合通過維持小顆粒尺寸增強了內部質量傳遞，支持了高生物質特異性活性（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，為優化厭氧反應器設計提供了關鍵參數，強調了傳感器技術在環境工程中用于實時監測和過程優化的重要性。