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顺序批式反应器处理中好氧颗粒的形成及表征----大豆加工废水
苏桂祖与韩青余*
中国科学技术大学化学学院，合肥，安徽，230026
采用序批式反应器(SBR)在25℃(1℃)、pH7.0(0.1)的条件下培养好氧颗粒。造粒过程是通过测量红外光谱来描述的。 污泥大小容易。颗粒的形成是一个四个阶段的过程，即驯化、成型、发育和成熟。修正后的Logistic模型与颗粒拟合较好。 可有效地估算最大直径、滞后时间和比径生长率。正态分布和对数正态分布均被证明是适用的。 O模拟颗粒的粒径分布。含颗粒液为剪切变稀，其流变特性可用Herschel-Buckley方程描述。 悬浮固体浓度、pH值、温度、粒径、沉降速度、比重、污泥体积指数对颗粒混合液表观粘度均有影响。成熟颗粒具有分形性质，其分形维数为1.87(0.34)此外，83%的成熟颗粒为可渗透流体收集效率超过0.034。与acti相比 在大豆加工废水上生长的好氧颗粒污泥絮体具有较好的沉降能力、传质效率和生物活性。
介绍
摘要对固定化生物反应器去除可生物降解有机物的可行性和效率进行了广泛的研究，并对上流式厌氧污泥床(UASB)反应器进行了研究。 随着颗粒(1)和生物膜捕获(2)工艺的广泛应用，废水处理得到了广泛的应用。近年来，研究的重点转向开发好氧颗粒污泥， 其通常为其常规的、致密的和强的微生物结构、良好的沉降能力、高的生物质滞留能力和承受冲击负荷率(3)的能力而已知。预期THA 这种新型的活性污泥，如厌氧颗粒污泥，可用于城市和工业废水的处理。
好氧颗粒已在序批式反应器(SBR)或序批式气举反应器中培养，这些反应器是由各种物质组成的合成废水，如乙酸盐(3)、糖蜜等。 （4）蔗糖（5）和乙醇（6）。根据显微镜观察，形成在葡萄糖和乙酸盐上生长的好氧颗粒污泥是从污泥到致密团聚体的一个渐进过程。 ATES，进一步到颗粒污泥，最后到成熟颗粒(7)。以前的研究表明，在较短的沉降时间、较高的表面风速等工况下， 低水力停留时间(HRT)、高有机负荷率、高径比有利于造粒(2，3，6-8)。 从沉降速度、大小、形状、生物量密度、疏水性、物理强度、微生物活性和胞外聚合物（EPS）等方面对颗粒污泥进行了评价(3, 5, 7, 8)。
尽管好氧造粒技术已经得到了广泛的研究，但对颗粒生长过程还没有进行定量的评价。因此，一个统一客观的标准来评价颗粒。离子处理仍然是理想的。非线性曲线模拟是一种简便、有效的求解过程数学表达式的方法。正态分布和对数正态分布已应用于f。研究了活性污泥絮体(9-11)的粒径分布.Park和Ganczarczyk(12)利用对数正态分布和正态分布来评价被冲出的生物量的几何特征。 m曝气浸没式生物滤池。Logistic模型可以有效地描述嗜酸性乳杆菌(13)、游离和固定化浮游绿藻(14)的生长。d黑曲霉(15)。
流变学是描述物体在应力作用下形成的一种有效手段。活性污泥悬浮液是非牛顿流体，剪切速率为非线性r。 与剪切应力有关（16）。用Herschel Buckley方程对流变特性进行建模（16）：
tau; ) tau;Y Kgamma;˘ m (1)
tau;为剪切应力，tau;Y为屈服应力，gamma;˘为剪切速率，K和m为常数。活性污泥絮体的屈服应力和表观粘度(eta;a)取决于其理化性质。 CAL性质，如悬浮固体(SS)浓度、束缚水和表面电荷(17，18)。污泥的流变特性影响其搅拌、沉降和质量传递。 SFER能力(16，19，20)。然而，没有关于好氧颗粒流变特性的信息。
Mandelbrot提出的分形理论为许多没有明确形式或规律性的自然系统和工程系统的表征提供了一种系统的方法。 甚至被用来撰写人物塑造的生物文章(21-23)。分形理论中最重要的数值参数是分形维数。活性污泥絮体已被证明是分形的，而且只有一种。 它们的RD通过沉降实验(21)进行渗透。生物物质在水中的内部渗透可以通过观察和预测水中沉降速度的差异来揭示。 液体收集效率是生物物品是否具有渗透性的标志(21，22)。从水和溶液中的沉降速度看生物物质的传质机制 S也可以被推断为伴随有限对流的分子扩散(21，23)。
本研究以富含蛋白质的工业废水-大豆加工废水为原料，在SBR中培养好氧颗粒，分析了造粒过程中生物制剂的特点，并对其进行了定量描述。此外，本研究还试图描述颗粒中的生物文章生长 研究了颗粒的流变学和分形特征。预计这里提供的信息将有助于进一步了解好氧颗粒化过程， 以及它在处理城市和工业废水方面的应用。
材料与方法
反应堆和种子污泥：本研究中使用的SBR反应器类似于先前的论文(5)。反应器的工作体积为6.0L，内径为11.5 cm，高度为80 cm。流出物 是从离船底30厘米处的港口拔出的，因此3.0L的混合液在流出物退出后留在反应器中。空气是通过空气扩散器通过b处的空气泵引入的。 反应堆的原子。通过气体流量控制器控制空气流量，使每个曝气循环中的溶解氧水平保持在1.5 mg/L以上。
该反应器所用的种子污泥是从合肥王小营城市污水处理厂的曝气池中提取的。种子污泥含有混合液悬浮固体(MLSS)。 污泥浓度为12.6g/L，污泥体积指数(SVI)为74.2mL/g。其比重为1.006 m/h，沉降速度为7.0m/h。将1.7L的污泥接种到SBR中，结果表明： 反应器初始MLSS浓度为5.4g/L。
废水组成：原水含可溶性蛋白质5.5(0.2 g/L)和碳水化合物7.4(0.2g/L)，从当地大豆加工厂获得。pH值为4.2(0.6)，SS为305( 可溶性化学需氧量(COD)为21.1(2.6g/L)，总氮(TN)为974(112 mg/L)。因为废水中含有足够的氮 为保证COD与P的比值为100：1，只添加磷作为Na2HPO4。此外，还添加了1.0 mL/L的微量元素溶液，其中含有(mg/L)：H3。 BO3，50；ZnCl 2，50；CuCl 2，30；MnSO 4，H2O，50；(NH4)6Mo7O24，4H2O，50；AlCl 3，50；CoCl 2，6H2O，50；NiCl 2，50。加入NaHCO 3或HCl，使进水pH值调节到7.0(0.1)。生 用自来水对废水进行10倍稀释，得到进水的SBR。
操作条件：反应器运行时间为进水5 min、曝气220 min、沉降5 min、出水10 min。反应器的空气速度为0.4m3/h， 相当于表面上升1.1cm/s。SBR的进水COD浓度在2000 mg/L左右，负荷率为6.0kg COD/(M3D)。t的温度 反应堆保持在25(1C使用皮带加热器和温度控制器。
分析方法：图像分析利用光学显微镜(奥林巴斯CX 41)进行微生物观察。用图像分析系统(Image-pro Express 4.0，Media Cyberne)测量颗粒尺寸。 配有奥林巴斯CX 41显微镜和数码相机(奥林巴斯C 5050)。
根据成像结果，利用软件(Image-pro Express 4.0，Media Contronetics)可以计算出两种参数，即长径比和圆度。纵横比被定义为比率b。 长轴长度与物体等效的椭圆的短轴长度(即同面积、一次和二次矩的椭圆)之间的关系，由长轴决定。纵轴，圆度由以下公式决定：(周长2)/(4*pi;*面积)。周长是物体外部边界的长度。圆形物体具有圆形)1，而其他物体则是圆的。 Hapes圆度gt;1。
比重，以蔗糖为原料，制备了比密度分别为1.005、1.008、1.011、1.014、1.017、1.020和1.023的溶液。在不同浓度蔗糖溶液中，每根10 mL管中加入10粒颗粒。在静止状态下，颗粒在管道中向上或向下移动，取决于 关于溶液密度。用这种方法测量了颗粒的湿比重。
疏水性，根据Duncan-Hewitt等人提出的方法，通过轴对称液滴形状分析测量接触角来确定生物体的疏水性。 (24)。在纤维素膜过滤器上沉积了一种含有生物制品的混合液的悬浮液。样品用去离子水洗三次，残余水用丝状去除。 阿提。利用接触角分析仪(Powereach JC2000A，中辰公司，上海)测定了放置在生物质层上的无梗蒸馏水液滴的液滴形状。
龄行为，污泥样品在3000转/分钟离心5分钟，浓缩后的污泥通过上清液稀释到预定浓度。T 采用上海精密科学仪器有限公司(NDJ-4)多速旋转粘度计(NDJ-4)，转速为0.3，0.6，1.5，3，6，12，30和60rpm。
分形维数与渗透率，用Li和袁(21)提出的方法测定了颗粒的分形分布。通过记录时间来测量沉降速度。单个颗粒从一定高度在测量筒中下降的，用平衡称重颗粒的干重(Perkin-Elmer，AD2B)。直径为4.0 c的三柱 用40 cm的高度测定了各颗粒在水中、EDTA和NaCl溶液中的沉降速度。EDTA和NaCl溶液的浓度均为1.005 g/cm3。
EPS，从活性污泥中提取EPS遵循Sponza(25)描述的程序。污泥经12 000 rpm离心15 min后，用0.9%NaCl溶液冲洗。 在撤离前两次。在25 mL 2%(m/V)EDTA溶液中悬浮。污泥悬浮液在4C下孵育一夜，每样在12000转/分离心15 min。结果 在4C条件下，用分子量为8000的超纯水膜对该提取液进行透析2d。用gl法测定了EPS中的碳水化合物浓度。 杜波瓦法(26)测得蔗糖当量，而蛋白质浓度测定为牛白蛋白当量(26)，Lowry方法（27）。
其他分析。用标准方法(28)测定COD、MLSS、混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)、SVI和比吸氧速率(SOUT)。
结果
反应堆性能：在运行初期，进水COD从500 mg/L逐步增加到2000 mg/L(图1A)，第17天负荷率从1.5 kg/(M3 D)相应提高到6.0 kg COD/(M3 D)。 (图1B)。反应器在运行过程中COD去除率不断提高(图1C)。这项改善在大约7天的手术后变得明显， 随后COD去除率保持在98%～99%。
第一周采用10 min的沉降时间，以防止污泥严重清洗，1周后降至5 min。由于改进了沉淀ab 即使在第15天沉淀周期缩短到5 min后，污泥的剩余排放仍会使MLSS不断增加。污泥特性，如MLVSS/MLSS和MLSS，如图所示。 分别为1d和E。第25天后，MLSS稳定在8.0-11.0g/L，远高于常规活性污泥处理系统。MLVSS与MLSS公司的比率 从78%的种子污泥持续到89%的颗粒。大豆加工废水中的无机盐浓度可能是造成MLSS/MLVSS比值高的原因之一。 比实际的城市污水少。
颗粒化过程的表征：颗粒化过程中污泥的图像如图2所示。颗粒污泥具有蓬松、不规则和松散的结构形态(图2A)。活性污泥颜色逐渐变化 实验过程从棕色到黄色(图2B)。实验后后2周观察到直径0.1~0.3mm的小颗粒(图2C)。其后，数字和平均数d的参数不断增加(图2D和E)。第46天，颗粒的平均直径约为0.9mm(图2F)。随后，颗粒以更低的速度生长，直到最后。 (图2G和图H)。
图3显示了造粒过程中生物制品的平均直径、沉降速度、比重和SVI的变化。种子污泥颗粒的形成是一个渐进的过程。 过程中，颗粒平均直径的增加证明了这一点(图3A)。
图3B显示生物物品的沉降速度从第24天的8.9m/h迅速上升到日间的33.2m/h。46.如图3C所示，活性污泥的比重 肉芽后起皱。开始时为1.006 g/cm3，第43天为1.020 g/cm3。SVI在最初7天几乎保持不变，然后 从第7天的41 mL/g下降到第33天的17 mL/g(图3)。
采用改进的Logistic模型(13)描述了颗粒直径的变化过程：
其中t是操作时间(D)，D(T)是t(Mm)上生物文章的平均直径，dmax是曲线的渐近线，即生物文章的最大平均直径(Mm)，k是spe。 CIFIC生长速率按直径（1/天），T0为滞后时间（天）。
使用MicrosoftOrigin6.0程序(图3A)对实验数据进行回归，结果列于表1。如图3A所示，造粒过程良好。 采用修正的Logistic模型进行模拟，相关系数为0.988。在制粒过程中，计算出的滞后时间约为40天，而最大平均直径为ma。 FIT颗粒直径和比生长速率分别为1.24mm和0.12-1/d。这些数值与观察值符合得很好(表1)。
粒度分布的剖面图：均正常(Eq)3)采用对数正态分布(Eq 4)拟合活性污泥絮体(9-11)的粒径分布。在这项工作中两人采用模型模拟颗粒形成后的粒径分布。
其中x是直径，y是直径的频率，XC1和xc2是数学期望值，W1和w2是方差，A1和A2是常数。
如图4所示，两种分布曲线很好地描述了颗粒的直径分布。正态分布的相关系数为0.972，相关系数为0.975。 r分别为对数正态分布。这意味着，随着颗粒尺寸的增加，颗粒的直径从分散颗粒的平均值变得更加集中。
颗粒的理化特性：在60天的操作结束时，从SBR中提取好氧颗粒，测定其理化特性。颗粒 E球形或椭圆形，颜色为黄色，表面覆盖着大量的微生物，如涡虫(图2H)。
如表2所示，平均接触角从种子污泥的40.5大幅下降到成熟颗粒的19.3。EPS中的碳水化合物含量基本不变，而p 鱼腥草素浓度从2.2 mg/g提高到4.1mg/g SS。第60天，种子污泥的酸性由11.0mg/LO2/(GSSh)增加到17.8mg/LO2/(GSSh)。这 表明该颗粒比种子污泥具
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