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微生物絮凝吸附处理城市污水实验研究 摘要 利用微生物絮凝吸附作用去除城市污水中的有机物，然后通过短时间的好氧再生 强化一级处理效果，同时实现对具有吸附剂功能的活性污泥的再生。这一工艺构想的 提出避免了由于添加无法再生的第三方物质( 即原始进水和污泥自身之外的物质) 所 造成的二次污染，真正做到絮凝吸附剂的绿色循环使用。 通过运行和维护本工艺的中试装置，使其正常运行并保持出水水质稳定，为工艺 的推广和应用提供运行经验。运行期间总c o d 平均去除率为6 3 8 ，处理出水平均 浓度为5 8 6 m g l ，s s 平均出水指标为3 7 m g l ，去除率达7 8 。出水基本符合国家一 级标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。 微生物絮凝吸附工艺的关键在于活性污泥的絮凝吸附性能，通过设计间歇实验深 入研究活性污泥的絮凝吸附特性。尝试通过实验室小试按照微生物絮凝吸附工艺流程 培养适合该工艺的优势菌种。 关键词：活性污泥；生物絮凝：生物吸附；城市污水 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h et r e a t m e n to fm u n i c i p a ls e w a g eb y b i o f l o c c u l a t i o na n db i o s o p t i o n a b s t r a c t 、矾t ht h eh e l po fb i o f l o c c u l a t i o na n db i o s o r p t i o n p o l l u t a n t si nt h ew a s t ew a t e ra r e r e m o v e db ya c t i v a t e ds l u d g ew h i c hi st h e nr e a c t i v a t e di nt h eo x y g e n r i c he n v i r o n m e n t ，t h u s s t r e n g t h e n i n gt h ee f f e c to fp r i m a r yt r e a t m e n t n ep r o c e s sa v o i d st h es e c o n d a r yp o l l u t i o n c a u s e db yt h ea d d i t i o no fo t h e rm a t e r i a l st oe n h a n c et h et r e a t m e n te f f e c t s t h e r e f o r et h e g r e e nc i r c u l a t i o no ff l o c c u l a n ti sc r e a t e d i no r d e rt om a i n t a i nt h es t a b l ee f f i u e n ta n da c c u m u l a t ee x p e r i e n c e s ，t h ep i l o t s c a l e p r o c e s su n i tw a sr u nw i t he f f o r t s t h er e m o v a lo ft o t a lc o d c ra n ds sr e a c h e d6 3 8 a n d 7 8 r e s p e c t i v e l y , t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fe f ! e l u e n tc o d c ra n ds sw a s5 8 6 a n d 3 7 m lr e s p e c t i v e l y t h ee f f i u e n tr e s u l t sw e l lm e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d t h ef u n c t i o no fb i o f l o c c u l a t i o na n db i o s o r p t i o ni st h ek e yo ft h ep r o c e s s t h es l u d g e p r o d u c e db yt h ep i l o t s c a l ep r o c e s sw a ss t u d i e db yd e s i g n i n ga n dc a r r y i n gb a t c h e x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r y t h ec u l t i v a t i o ni nt h es m a l l s c a l ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e di n t h ep u r p o s eo fe x p l o r i n gaw a yt op r o d u c ep r e d o m i n a n tb a c t e r i a lc u l t u r e k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ，b i o f l o c c u l a t i o n ，b i o s o r p t i o n ，m u n i c i p a ls e w a g e 插图清单 图2 1 活性污泥与污水混合曝气后b o d 5 值的变化动态- 9 一 图2 2 连续流生物絮凝吸附工艺流程图1 l 一 图2 3 中试装置布局简图- 1 2 图3 1 中试进出水c o d 变化曲线1 6 图3 2 中试c o d 去除率1 6 图3 3 中试进出水c o d 。及去除率变化曲线1 7 图3 4 中试进出水氨氮变化曲线1 8 图3 - 5 中试进出水磷酸盐浓度和去除率变化曲线1 9 一 图3 6 中试絮凝池中的钟虫2 2 图3 71 2 月份絮凝池和再生池污泥s v i 变化曲线2 3 一 图5 1 不同废水的c o d 浓度随时间变化曲线- 3 5 图5 2 活性污泥对不同废水的吸附容量随时间变化益线- 3 5 一 图5 3 絮凝池和再生池污泥对c o d i 吸附的比较3 8 - 图5 4 絮凝池和再生池污泥对c o d 。吸附的比较3 8 图5 5 絮凝池和再生池污泥对c o d i 。吸附的比较一3 9 - 图5 6l a n g m u i r 等温吸附拟合一4 3 - 图5 7f r e u n d l i c h 等温吸附拟合- “一 图5 8 不同温度下活性污泥随时间的变化一4 l 一 图5 9 不同温度下灭活污泥随时间的变化- 4 2 图6 1 小试培养实验装置图- 4 8 图6 2 蔗糖培养期间c o d 浓度及去除率变化曲线4 9 - 图6 3 蔗糖培养期间s v i 值随变化曲线一4 9 一 图6 4 葡萄糖培养期间c o d 变化曲线- 5 0 - 图6 5 葡萄糖培养期间s v i 值变化曲线一5 0 图6 - 6 葡萄糖和牛肉膏组合c o d 变化曲线5 1 图6 7 葡萄糖和牛肉膏组合培养期间c o d 变化曲线- 5 2 表格清单 表2 1 中试装置构筑物基本参数1 2 表2 2 分析项目及分析方法1 3 表2 3 主要设备仪器一览表 表3 一l 生物絮凝吸附工艺处理效果1 4 表3 - 2 污水中c o d 组分的划分1 5 表5 1 间隙实验用到仪器设备3 2 表5 - 2 实验废水水质3 3 表5 - 3 污泥对不同废水的吸附容量3 6 表5 - 4 活性污泥和干污泥于不同温度下的动力学方程拟合参数4 3 表5 5 活性污泥和干污泥的吸附平衡参数4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同1 二作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名轧话i 签字日期加7 钙彳月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金县曼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权业 工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲蒋轧源 签字日期卿群昭日 学位论文作者毕业后去向： 二作单位： 通讯地址： 导师签名： 私虱啁 签字日期：硇哆年乒月形日 电话： 邮编： 致谢 在两年半的研究生学习生活和硕士学位论文的撰写过程中，我的导师王国明副教 授凭着敬业的工作精神和严谨的治学态度，以其渊博的理论知识为我的成长指明方 向。学高为师，身正为范，导师的品格时刻感染并激发着我，使我在研究生阶段的学 习和科研道路上始终能迎难而上，奋勇直前。尤其在论文选题、实验设计、论文撰写 及修改成稿的过程中，无时无刻不倾注着导师心血。值此论文完成之际，谨向导师致 以我最衷心的感谢和最崇高的敬意! 与此同时还要感谢安徽建筑工业学院黄显怀教授和刘绍根副教授对课题研究的 大力支持。其中刘绍根副教授对实验研究阶段给予了无私的帮助和教诲，对论文内容 提出了宝贵意见和建议，在此特别表示感谢。 感谢父母多年来在物质和精神上对我莫大的支持和鼓励，他们始终是我的坚强后 盾。感谢李鹏、李冰臻、黄勇和刘晓等同学在实验中给予的帮助。 最后对本论文的评阅人和答辩委员会所有成员在百忙中拨冗参与论文的评审工 作表示诚挚的谢意。 作者：蒋礼源 2 0 0 7 年4 月 1 1 我国城镇废水处理现状 第一章前言 近年来随着改革开放的深入，我国城市化和工业化进程的不断推进，原有 城市的规模在不断扩大，而且许多新兴的中小型城市迅速崛起。1 9 7 8 2 0 0 0 年 建制镇由2 1 7 8 个曾至2 0 3 1 2 个，目前各种规模和性质的小城镇已近4 8 0 0 0 个。 随着城镇化进程的加快，全国设市城市将达1 2 0 0 个左右，建制镇2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 个左右，全国城镇人口达6 8 亿左右，城市化水平约为4 5 ，其中小城镇人口 所占比例达6 5 左右。从发展眼光看，小城镇的概念应该有更大的外延，既有 县级及县级以下的政府所在地，也有普通居民生活福利社区和改革开发以来形 成的经济开发区等等。可以这么说，今后我国的大部分人口将生活在分散在中 心城市周围的中小城镇。 我国是一个水资源匮乏的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的 四分之一，在分布上又很不均匀，严重缺水的城市就有5 0 多个。长期以来我国 大部分地区在增加城市供水能力的同时，未能注意防治水污染。根据环保总局 的统计数据，至今全国城市废水处理率仅为1 3 6 5 ，许多城市至今还没有污水 处理厂。工业废水处理率据报告为8 7 4 ，实际情况远远低于此数，许多处理 设施没有正常运行，甚至基本不运行，达标排放很多流于形式。大量废水、污 水的排放造成了城市水体的严重污染，直接影响人们健康和工农为生产。经预 测，如果要在2 0 1 0 年以前基本遏制城市水污染的发展趋势，保护城市供水水源， 并在2 0 3 0 年以前使水环境有明显改善，2 0 1 0 年和2 0 3 0 年城市污水的有效处理 率必须分别达到5 0 和8 0 以上。否则，我国的水污染不仅不能得到控制，甚 至还要继续发展。这是一个十分严重的问题，也是一项非常艰巨的任务，需要 加以认真解决i l l 。 为有效防治我国日益恶化的水环境污染，国家环保总局和建设部、科技部 不久前颁布实施了城市污水处理及污染防治技术政策，提出到2 0 1 0 年，全 国重点城市和一般城市污水处理率分别不低于七成和六成，全国城镇污水平均 处理率不低于五成。近几年来，我国加快了城市污水处理厂的建设步伐。到1 9 9 8 年底，我国已建成2 6 6 座城市污水处理厂，形成日处理1 1 0 0 多万吨污水的能力， 城市污水处理率达到3 1 7 。 虽然在我国的大中型城市中，已建设了一批污水处理设施，对于保护大中 型城市的环境，治理水污染起到了很大作用。但目前我国绝大多数中小城镇还 没有排水和污水处理设施，而且，由于二十几年来，村镇人口不断集中，乡镇 企业的蓬勃发展，城镇污水排放量也不断增加，然而由于过去“重建设，轻环 保”的旧观念，城镇基础设施建设远远落后于城镇建设的发展，缺乏必要的污 1 水收集系统和污水处理设施，污水无序乱流，不仅直接污染了小城镇自身生态 环境，而且造成了河湖水体的严重污染，已成为区域性水环境的重要污染源。 同时，由于小城镇紧临农村，畜禽养殖，水产养殖、农药及化肥等面源污染也 极为严重，均对小城镇饮用水安全和居民生存环境构成严重威胁，已经影响到 人民的生活和健康，制约了经济发展及城镇可持续发展。 另一方面，中小城镇和大中城市在水系上是相通的，而且往往处于大中城 市的上游，如果中小城镇的污水治理工作做不好，大中城市水环境的质量也不 会有明显改善，因此，中小城市的环境保护问题越来越引起人们的重视。 按照城市污水污染控制技术政策要求，城区人口达5 0 万以上的城市， 必须建立污水处理设施：在重点流域和水资源保护区，城区人口在5 0 万以下的 中小城市及村镇，应依据当地水污染控制要求，建设污水处理设施。因此，未 来一段时间内我国将会集中在中小城镇建设一大批污水处理厂，这些污水处理 厂的规模，小的只有每日几十吨，大的每日几万吨，在规模上和大型污水处理 厂相差较大，而且由于这些中小城镇和大中城市经济发展水平、排水体制，基 础资料，融资渠道有很大不同，以往建设大型污水处理厂的经验在这些地区只 有借鉴的意义，不可能也不应该把大中城市的污水治理工艺、技术装备等搬用 到中小城镇级的污水处理厂中去，否则目前在大中城市中出现的“建的起，用 不起”的局面将会在中、小城镇更加强烈的表现出来，甚至会演变成“既建不 起，更用不起”的局面，因此探索适合中小城镇的经济实用的污水处理工艺， 以较少的投资建成污水处理厂，以较低的运行费用运转污水处理厂，达到消除 污染、保护环境的目的是摆在废水处理工作者面前的一个挑战。 1 2 我国城镇废水处理的展望 ( 1 ) 城镇排水方案 城市一般都有一定规模的工业设施，因而工业废水的排放将不可避免。工 业废水和城市雨污排水是合并处理还是分别处理仍然是目前我国城市废水处理 方针政策讨论的熟点。 合理解决工业废水和城市污水的排放方式问题将直接影响着投资效益的最 大发挥，也就是说用有限的资金解决城镇废水处理问题。应该说，无论工业废 水和城镇污水是合并处理还是分别处理，在国外都有相应的例子。但具体到实 践时应该根据当地城镇规模和产业结构等特点，因地制宜，区别对待，另外当 地气候条件、经济状况和地形特征也应纳入考虑的范畴。因此对于不同的城镇 没有“万金油”似的废水处理方案，只有从实际调查研究入手，通过比较多种 方案，才能找出适合本地经济发展的方案。 ( 2 ) 推广低能耗高性能的污水处理技术 污水处理项目应该以近期为主，远近结合，坚持分期建设的方针循序渐进 地发展污水处理事业。经验证明，为解决城市废水造成的有机污染，二级生物 处理是必要而且有效的，但有时为了节约初期假设投资，可以先建设部分生物 处理，组建发展到完全生物处理；先建天然的生物净化系统，再增添人工生物 处理装置：先建生物滤池，再建活性污泥法做补充；先建工厂、人口密集地带 的污水处理厂，再扩建其它区域等等，随着国家建设的发展和经济实力的增加， 不断扩大提高城市污水处理能力。结合我国实际，尽量开发高效、低能耗的处 理技术，以在财力物力不足的条件下，经济有效地解决城镇水污染防治问题。 活性污泥法作为城市污水处理的主体工艺在今后相当长的时间里不会由太 大变化。但一批低投资、低能耗、与生态处理相结合的具有深度处理功能的半 自然化工艺，如土地处理法、氧化塘处理法等可能更适合第三世界国家和发展 中国家，并以此在小城镇提高污水处理普及率。其次污水处理厂采用高效节能 的污泥处理系统和安全的处置方法也是十分重要的。 ( 3 ) 城镇污水回用技术的开发 随着城市的发展，城市用水的供需矛盾日益突出，污水处理厂不仅要承担 控制污染的任务，还要承担解决城市水资源短缺的任务，污水回用量越来越大。 虽然不同产业结构类型的城市的污水性质存在着很大的不同，但对于特定 的一个区域来说，城市污水管网尽头的水质波动一般不会太大。另一方面，巨 大的城市污水排放量也显示出了城市污水回用的巨大潜力。据统计，1 9 8 5 年我 国成活四污水排放量达3 4 2 亿吨，2 0 0 0 年已增至7 0 0 亿到8 0 0 亿吨1 2 1 。城市污 水可以回用于农田灌溉、养殖业和环境景观用水等口】。 ( 4 ) 有关水处理的政策法规更加完善 世界各国和地区对城市污水处理都非常重视，并建立了专门管理机构以解 决城市污水处理问题，污水处理设施的投资在国民生产总值中所占的比例会更 大。排污收费和污水处理设施有偿使用的观念逐步为公众所接受，水污染收费 体制日趋完善【4 1 。 1 3 中小城镇污水处理工艺选择 要为我国中小城镇的污水治理寻找出路就必须认清小城镇水污染的主要特 点，然后根据这些特点为其寻找合适的处理工艺。现总结如下： ( 1 ) 人口少，用水量标准低，污水处理规模小，一般在1 0 3 m 3 d 以下； ( 2 ) 产业架构区域特定差异、受雨季影响及用水量时变化系数较大，因此污 水水量、水质变化大，一般地c o d 5 0 0 m g l ，b o d 5 2 5 0 m g l ，色度 1 ) ，l a n g m u i r - f r e u n d l i c h 方程可以转化为h i l l 方程 i s 4 。该方程的优点是综合了l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 方程的优点，其缺点是模型 本身做了一些没有必要的复杂化。 由r e d l i c h p e t e r s o n 建立的经验模型能有效提高l a n g m u i r 或f r e u n l i c h 方程 ( 4 4 ) 其中k r p 、a r p 和，均为r e d l i c h p e t e r s o n 参数。指数卢在0 和l 之间。当 ，= 1 时，( 4 - 4 ) 式就可以转化为l a n g m u i r 形式r e d l i c h p e t e r s o n 模型在高浓 度时接近f r e u n d l i c h 方程。 r a d k e p r a u s n i t z 等温模型为： 钆：骂 ( 4 - 5 ) 2 而 。 其中a 、r 和p 为相关的模型常数。该模型的表达式简单明了，但是它是一 个经验模型，而且需要三个参数才能确定下来。 理论b e t 模型是针对多层吸附而创立的，其形式为： ( 4 6 ) 其中c i 一一被吸附组分的饱和浓度； 哥一表示溶质和吸附剂表面结合能的常数； q o _ 一表示形成完整的多层结构被吸附溶质的量。 b e t 模型是一个多层吸附模型，没有涉及到“总容量”一说。 在某些情况下，液体和固相中有机物的平衡浓度之间的关系可以线形化， 并且能通过简化扩散系数来确定下来。因此，吸附数据可以拟合( 4 7 ) 式所示 的线性吸附等温方程 8 5 , 8 6 , 8 7 】： = 髟c 埘 ( 4 - 7 ) 其中，凰扩散系数。 当存在几种组分时，就会发生组分之间对吸附区域的干扰和争夺现象，因 此而导致了出现更为复杂的吸附平衡数学表达式。对于这样一种系统，已经有 人提出了几种等温方程以描述吸附平衡和竞争吸附的机理过程。这些等温式既 有仅与个别等温参数有关的简单模型( 如竞争式r e d l i c h - p e t e r s o n 等温模型) ， 也有同时考虑单个等温参数和相关因子的复杂模型( 如修正过的竞争式 l a n g m u i r 和修正过f r e u n d l i c h 等温模型) 。 修正过的竞争式l a n g m u i r 等温方程为： 轧。：璺：! 肇丝2 ：( 4 - 8 ) 2 可茅赫 其中，c e q i 一一平衡时各组分中未被吸附的浓度； q c q i 一一平衡时各组分被每克干污泥吸附的量； b i 和q i o 一一与l a n g m u i r 等温方程中定义同： 町i 一一第i 种组分的l a n g m u i r 相关系数，其中由竞争吸附数据估计 f 8 8 】。 受两种混合物限制的f r e u n d l i c h 模型的经验扩展形式对双系统中各组分分 别由式( 9 ) 和式( 1 0 ) 给出： 口，：二= 尘型一 ( 4 9 ) l2 万1 看7 彳 - y j 驴熊 ( 4 1 0 ) 其中所l ，k f 2 和疗l ，片2 源自相应的f r e u n d l i c h 等温方程，而其它六个参数 为两类物质的竞争系数。 只与单个等温参数相关的竞争性r e d l i c h p e t e r s o n 模型形式如下： 驴葫 其中，k r p i ，口r p i 和芦i 为r e d l i c h p e t e r s o n 参数。 4 4 2 生物吸附动力学模型 如果忽略有机污染物分子从泥水混合液中移动到液膜或在生物吸附剂周围 的边界层，那么多孔状生物吸附剂的吸附过程就会按以下过程的次序发生：溶 质分子从边界膜到生物吸附剂外表面的传递( 也就是膜扩散) ；分子从表面向 颗粒内活跃区域的转移以及吸附剂活跃区域吸收溶质分子。从废水中去除有机 物，对于以设计为目的的工作来说，调查吸附机理和控制着整个吸附速率的潜 在的速率控制过程是很重要的。为了找出如外部质量转递、颗粒内扩散等速率 控制过程的影响因素，已经有人采用吸附模型、质量传递模型和动态模型对实 验数据进行测试。 吸附的第一步，膜扩散是重要的速率控制过程，外部传质或边界层扩散可 以由溶液吸附的初始速率来表征。在此情况下，认为吸附速率是与浓度的一次 方成正比。这意味着该过程是一级反应过程，可以定义如下 idc=毛。dc(4-12) 其中，c 为废水中在各个接触时刻剩余污染物浓度：七为一级反应速率常数。 积分并使用边界条件：t - - - - 0 到t - - - - r ，c = c o 到c = c 。于是得到一下方程： l o g 百c o = 志向 ( 4 - 1 3 ) 如果吸附过程涉及到颗粒内扩散，就可以采用由w e b e r 和m o r r i s 建立的模 型以寻找使吸附速率受限制的颗粒内扩散区域，并确定颗粒内扩散速率。在该 模型中，颗粒内扩散速率是t o5 的函数，定义如下： r 。，中 口= f l 竺l = k t “5 ( 4 - 1 4 ) 。l 0 j 其中，。为颗粒半径；d 为颗粒内溶液有效扩散度；k 为颗粒内扩散速率。 如果颗粒内扩散是速率受限制的，那么吸附量( 口) 对时间的平方根( t o 。5 ) 将 是线性关系，由作图可以得到k 值。进一步说，如果直线通过原点，颗粒扩散 将是速率限制过程。 在许多情况下，基于吸附总速率的吸附动力学方程描述为一级l a g e r e n 和 伪二级动力学模型。 根据吸附剂吸附容量建立的一级速率表达式一般表达如下； i d q = ( 一g ) ( 4 一1 5 ) 其中g 为t 时刻被吸附剂吸附的污染物量；k l 。i d 为l a g e r g r e n 一级吸附的速 率常数。应用边界条件( t = o 到r = f ；q = o 到q = - q ) 积分得： l o g ( q q 一目) = l o g q q 一盏 “- 1 6 ) 为了使方程( 4 - 1 5 ) 吻合试验数据，平衡吸附容量g 。q 必须己知。在许多情 况下，g 。是未知的，且由于吸附趋向与无限缓慢，被吸附的量仍然明显地小于 平衡吸附量。出于此原因，要获得真实的平衡吸附容量g 。q 是有必要的，通过 推测t - - - - 一时的实验数据或者通过试对和试错法来实现。而且，在大多数情况 下，l a g e r g r e n 一级方程不能很好的吻合整个接触时间内的实验数据，而且一般 仅适合吸附过程接触的最初2 0 3 0 m i n 。 伪二级反应方程也是根据固相吸附容量建立的。与其它模型相反，它对整 个吸附过程进行预测。伪二级动力学速率方程表达式为： 警= 屯，。一g ) 2 ( 4 - 1 7 ) 其中，k 2 。d 为二级生物吸附速率常数。对于边界条件t - - - - 0 到t = t ，g = o 到 q = q 进行积分： 三：上+ 上， ( 1 8 ) 4 - 1 8 一= - - = _ + 一， q k t 埘q 0q q 由作图可得口。q 和k 2 ，。d ，事先不需知道其它参数。 5 1 引言 第五章生物絮凝吸附污泥性能间歇实验研究 利用活性污泥的絮凝吸附特性是生物絮凝强化一级处理工艺去除生活污水 中的污染物的关键。我们知道，采用不同工艺的污水处理系统有着自身特有的 微生物生长环境；即使是采用相同工艺的系统，由于设计参数和运行条件的多 样性也使得同类微生物表现出不同的功能特征。因而由微生物形成的活性污泥 必然会因为微生物生长的环境差异表现其特有的性能差异。 间歇实验也叫批次实验( b a t c he x p e r i m e n t ) ，是指在实验室条件下通过控 制相关因素在较短的时间内一次完成的实验。由于实验规模小，很多因素可以 人为地进行调节以获得接近理想状态下的条件，目的是深入研究实验对象的反 应机理进行。 为了深入了解活性污泥絮凝吸附特性，本文将针对来自于稳定运行的中试 装置的污泥，通过设计一系列间歇实验，试图在本工艺已有中间试验装置的基 础上结合工艺所在地情况，对活性污泥絮凝吸附机理进行深入探讨，掌握污泥 行为规律，建立相关数学模型，为工艺的正式投产和优化提供理论依据和技术 指导。 5 2 实验设备与分析方法 间隙实验所涉及的实验仪器设备见表5 1 。所有间歇实验分析项目的分析方 法参见表2 2 。 表5 1 间隙实验用到仪器设备 5 3 中试污泥吸附容量研究 所谓吸附容量是指单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量。 的情况下，吸附容量随吸附质的平衡浓度的提高而增加。 口：r ( p o - p ) 4 其中，g 一一吸附容量，g g ) 卜一吸附容积，l ； f 卜一吸附剂投加量，g ： p o 一一吸附质初始浓度，g l ； 在温度一定 ( 5 - 1 ) p 一一吸附平衡后水中剩余的吸附质质量浓度，g ，l ； 因此，吸附容量是评价吸附剂吸附能力的一项重要指标。在对中试污泥的 絮凝吸附特性研究中，吸附容量的概念将沿用。 5 3 1 实验设计 污泥预处理：取生物絮凝吸附强化一级处理中间实验装置再生池污泥适 量，经过3 h 曝气，目的是为了使污泥处于内源呼吸阶段以利于其在吸附实验中 表现出良好的吸附降解特性。用纱网滤除污泥中大块固体。接着便进行污泥的 淘洗过程：往质地均匀的活性污泥混合液中加入蒸馏水，搅拌和匀后移至冰箱 内于4 下静置3 0 r a i n ，去除上清液。淘洗污泥重复进行3 遍后得到的匀质活 性污泥保存在冰箱内备用。 污水的制备：实验主要针对4 类不同水质特性的污水进行：a 类污水： 用葡萄糖配制的c o d 浓度与生活污水相当的人工废水；b 类污水：将可溶性淀 粉加入微热蒸馏水中形成的有少量悬浮物的人工废水，c o d 浓度与生活污水相 当；c 类污水：为学生宿舍区化粪池污水；d 类废水：安徽建筑工业学院学生 生活区排入市政污水管网前废水。表5 2 为实验各类废水的水质参数指标 表5 2 实验废水水质 污水类型嚣。茹，。飘 。茹，。嚣p ) a3 0 02 9 5 0 7 00 0 b c d 3 0 0 3 5 3 2 9 8 2 1 5 1 6 0 l3 8 1 l 6 0 2 8 5 6 5 6 o 6 5 o 3 5 4 2 6 4 o 6 1 5 2 1 实验方法：向4 个1 0 0 0 m l 烧杯中加入2 5 0 m l 预处理过的污泥，然后分 别加入表5 2 所列的4 种废水7 5 0 r a l 。在室温( 2 0 ) 下设定搅拌桨转速为 1 0 0 r m i n ，同时开动搅拌器搅拌6 0 r a i n 。搅拌期间定时取出少许污泥混合液用循 环水真空泵迅速抽滤，取滤液测定c o d c ，质量浓度为总c o d ( c o d t o i a l ) ，用 o 2 2 i _ t m m i l i p o r e o 滤膜过滤后测定c o d c ，质量浓度为溶解性c o d ( c o d ；) 废 水中c o d 种类的划分见3 1 1 。 5 3 2 数据处理方法 吸附质的量用c o d c ，质量浓度来表示。实验结果用污泥吸附量来表征污泥 吸附作用，即单位质量污泥对c o d c ，的吸附量来表示。表达式如下： 6 1 = ：( c o d o - c o o , ) ( v , + v , ) 脱嘟k ( 5 - 2 ) 其中，叮一一单位污泥吸附量，m g c o d g m l s s ； c o d o 和c o d 广分别为反应前后污水中c o d c ，质量浓度值，r a g l ： 尬s 卜一混合液固体浓度，g ，l ； k 和圪一一分别为进料污水体积和污泥体积，l ； 由于活性污泥含水率高，初始混合时的稀释作用不能忽视，所以初始混合 液中c o d o 由( 3 ) 式计算得到： c o d o ：c o d y + c o d , v , _ + ( 5 - 3 ) 其中，c o d i 一一进水中c o d c ，质量浓度，m g l ： c o d 。一一污泥带进的c o d c ，质量浓度，m g l 。 5 3 3 实验结果与讨论 城市污水含有的胶体和颗粒性物质在污水组分中占有相当大的比例，h c h u a 等人研究表明【8 9 1 ，水中有机物的去除首先依靠活性污泥的快速吸附作用， 随后通过污泥缓慢的新陈代谢的同化作用降解。 本实验是在室温( 2 0 c ) 下完成，图5 - l 为使用了不同类型废水进行污泥 絮凝吸附实验在6 0 m i n 内c o d 的变化曲线。a 和b 类废水均为人工配制的废 水，水中组分单一而且溶解性c o d 浓度较高，自始至终c o d 的变化曲线表现 较为平缓。c 类废水为化粪池废水，水中组分以胶体为主，有少量悬浮物，在 2 0 r a i n 前c o d 浓度下降速率比人工配制的废水的c o d 浓度下降速率快。d 类 废水为典型的城市生活污水，水中悬浮固体较多，溶解性c o d 浓度相对较少， c o d 浓度变化在反应前1 0 m i n 表现出较大的下降速率。 051 01 52 0 2 53 04 05 06 0 时间m i n + 葡萄糖废水- 一b 淀粉废水+ c 化粪池废水一o 生活区捧放废水 图5 l 不同废水的c o d 浓度随时间变化曲线 0i 02 03 04 05 0 6 07 0 时间m i n a 葡萄糖废水b 淀粉废水c 化粪池废水_ d 生活区捧放废水 图5 2 活性污泥对不同废水的吸附容量随时间变化曲线 图5 - 1 为实验中各种废水在污泥的吸附作用下c o d c ，质量浓度随时间变化 的曲线。可见水质差别会影响活性污泥吸附潜力的发挥。仅含纯溶解性物质的 废水通过污泥的吸附作用去除c o d 的效果是不明显的，此次实验中使用葡萄 糖配制的a 类废水虽然c o d 浓度与生活污水接近，但污泥对这类废水的吸附 容量仅为1 6 7 ( m g c o d g m l s s ) ：而污泥对富含胶体或颗粒性悬浮物的废水表现 出来的吸附量却能达到1 0 0 ( m g c o d ，g m l s s ) 以上。对实验中测定的c o d 浓度 值按式( 5 2 ) 和( 5 - 3 ) 处理后绘制成图5 2 。由图可见，污泥对b 、c 和d 类 废水的吸附反应均能在反应3 0 m i n 后达到平衡，平衡后污泥的吸附量几乎没有 太大的变化，3 0 r a i n 后的吸附量曲线呈“平台”状，因此可以认为此时污泥的 吸附容量达到饱和状态，吸附反应达到平衡阶段。；而对a 类废水的吸附量在 姗 姗 姗 啪 m o l-j珈趟璐oou 们 加 如 加 o ，*矗m捌谗莲昏 到达了整个实验过程的极大值后逐渐下降，没有所谓的“平台”过程。表5 - 3 为污泥对不同实验废水吸附达到平衡时的吸附容量值。中试污泥对化粪池废水 的c o d 吸附容量最大达1 2 3 6 9 ( m g c o d g m l s s ) ，其次是生活区排放废水，最 小的是人工配制的成分单一的葡萄糖废水，仅为1 6 7 0 ( m g c o d g m l s s ) 。 表5 3 污泥对不同废水的吸附容量 在本实验中，再生池污泥是经过3 h 曝气处理的，因为中试再生池污泥停留 时间较短，氧化不可能很充分，所以采集的新鲜污泥仍可能存在一定量被吸附 的有机物没有被降解掉。但我们想要了解的是污泥的吸附容量或者说污泥吸附 的潜力，换句话说，就是污泥在“空载”的情况下能一次“装载”多少有机物 的能力。从实验的结果来看，对于本工艺中试污泥而言，污泥的吸附容量主要 取决于污水的性质。由表5 - 3 ，中试污泥对化粪池废水( c 类废水) 的吸附容量 最高。比较c 类废水和d 类废水( 生活区排放废水) 发现，溶解性c o d ( c o d 。) 在其中所占的比例均都很接近，分别为4 5 3 和4 6 3 。中试污泥对于溶解性 有机物的吸附能力是相对较小的，这一点可以从污泥对葡萄糖废水( a 类废水) 的吸附结果中看出。那么，活性污泥对不同性质废水的吸附差异主要体现在对 废水中主要组分的吸附能力上面。 按照3 1 2 节的划分结合上述分析，污泥对胶体和颗粒物的吸附能力相当， 而对溶解性有机物的吸附有限。在实验中污泥对葡萄糖废水的吸附没有一个稳 定的平衡期( 即所谓的“平台”) ，污泥到达吸附量极大值所经历时间较长， 而且极易发生解吸现象。根据第四章对污泥絮凝吸附理论的探讨，溶解性有机 物不是带负电就是呈中性，而活性污泥一般是带负电的，因此从电化学角度上 看，通过各种原因吸附到污泥表面的溶解性有机物是不稳定的。要提高对溶解 性有机物的吸附能力，可能只有通过提高污泥中微生物对这些溶解性有机物的 吸收作用来实现。当然，在本研究中，吸收过程也纳入吸附总过程来考虑。 5 4 中试污泥吸附和再生性能研究 在本研究的中试，絮凝池内没有安装曝气装置，溶解氧浓度处于o 7 5 1 0 m g l 之间，属缺氧环境；再生池内溶解氧浓度控制在2 3 m g l 之间，属好 氧环境。通过本实验可以7 解吸附了污染物的活性污泥在再生池中的活化程度。 所谓“活化程度”，就是在好氧环境下污泥的吸附能力的恢复程度。 5 4 1 实验设计 污泥来源及预处理：实验用污泥分别取自中试絮凝池和再生池。污泥预 处理方法与5 3 1 污泥预处理方法相同。 污水：生活区污水稀释化粪池废水配制而成。实验污水各项指标如下： c o d t o t 。l 为3 5 3 m g l 1c o d s 为1 4 0 r a g l ；n h 3 - n 为3 5 4 2 m g l ；p 0 4 3 p 为 6 1 5 m g l 。 实验方法：分别取预处理过的絮凝池污泥和再生池污泥2 5 0 m g l 加入 1 0 0 0 m l 搅拌釜中，分别同时加入7 5 0 m l 实验污水，搅拌速度设置为l o o r m i n 搅拌3 0 m i n ，期间以5 m i n 为间隔定时取样用循环水真空泵快速抽滤测定滤液中 c o d c ，质量浓度为c o d t 。t 。i 另取少量滤液用o 2 2 t t m m i l l i p o r e o 滤膜过滤测定溶 解性c o d c ，( c o d 。) 。 5 4 2 数据处理方法 同5 3 2 数据处理方法。 5 4 3 实验结果与讨论 通过对中试活性污泥吸附容量实验，已经初步知道本工艺污泥最佳吸附时 间在3 0 m i n 内，因此比较絮凝池污泥和再生池污泥的絮凝吸附性能时反应时间 选择3 0 m i n 。图5 3 和图5 - 4 分别为两种污泥对污水中总c o d 和溶解性c o d 的吸附曲线。 在针对中试絮凝池和再生池污泥的吸附性能实验中，再生池无论是对 c o d t o t a i 还是c o d 。的吸附均表现出优于絮凝池污泥的特征( 图5 3 和图5 - 4 ) 再生池污泥对c o d 。i 的吸附在反应2 0 m i n 左右吸附容量就基本稳定，成平缓 上升趋势，而絮凝池污泥在2 0 m i n 时吸附量达到最大，之后就呈下降趋势。根 据生物化学中微生物在不同的溶解氧浓度环境下的能量分析可知，微生物在低 溶解氧浓度条件下比在高溶解氧浓度条件下产生的能量要少，换句话说，在低 溶解氧条件下细胞的合成代谢、物质传递、生长繁殖以及絮凝吸附作用等都不 如高溶解氧条件下活跃【删。因此当再生池内溶解氧浓度保持在2 3 m g l 之间 ( 详见第二章) 时再生池污泥絮体得到活化，不仅可以达到对悬浮固体强化沉 淀的效果，而且还直接利用微生物细胞及其代谢产物作为生物吸附剂和絮凝剂， 增强了对总c o d ( c o d t o t a l ) 的去除效果，对溶解性有机物( c o d ；) 也有一定 的去除作用。对于絮凝池污泥的吸附空间基本是通过曝气再生过程提供，所以 絮凝池污泥与再生污泥在反应的最初5 r a i n 吸附量值较为接近，在反应2 0 r a i n 后达到吸附饱和，而且出现解吸附现象，吸附量开始出现下跌。 目 棚 莲 螫 o1 02 03 04 0 时间m i n 絮凝池污泥- 再生池污泥 图5 3 絮凝池和再生池污泥对c o d 。1 吸附的比较 按照前面对污水中c o d 的划分，对实验获得的各时间点c o d t o t a l 和c o d 。 数据作差，可得到各时间点的非溶解性c o d ( c o d i 。) 值。由图5 5 ，絮凝池 和再生池污泥对c o d i n s 的吸附去除效果在实验的前2 0 m i n 表现较为一致，2 0 m i n 后絮凝池污泥对c o d i n s 的吸附量开始下降，而再生池污泥对c o d i 。的吸附正 好达到实验期间的最大值。如果活性污泥对污水中非溶解性污染物的去除是依 靠污泥絮体的特殊结构对这些污染物通过网捕、卷扫、架桥等过程加以去除， 那么由实验结果分析可以知道，活性污泥在曝气再生前后其结构的变化差异是 很小的。也就是说，中试工艺中的活性污泥经过再生并不能提高污泥对非溶解 性有机物的去除效果，至少在工艺设定的2 h 再生时间内是如此。尽管如此，这 并不是说再生过程对活性污泥的絮凝吸附活性没有帮助，由前面的分析可知， 经过再生的再生池污泥在对c o d 。l 的吸附上明显地比再生前的絮凝池污泥 强，显然这是溶解性c o d 被大量吸附所造成的效果。 3 0 2 5 2 0 i 童1 5 塑1 0 登 5 0 0 1 02 03 0 4 0 时间r a i n - 絮凝池再生池 图5 4 絮凝池和再生池污泥对c o d s 吸附的比较 3 8 蚰加踮如0 活性污泥对有机物的吸附作用是一个动态过程，即吸附和解吸是同时进行 的。当吸附达到饱和时，吸附量达到最大值，只能通过再生才能恢复其吸附能 力，这通常是借助于微生物的代谢作用来实现的【9 。蒋展鹏等认为口“，对城市 污水有强化作用的是絮凝吸附池的絮凝和吸附作用以及活化池的生物代谢作 用，但因为活化池中的生物代谢是为了恢复污泥的活性，生物代谢时间和生物 代谢量均较小对污染物的去除作用较小，强化一级处理的主要作用是生物污泥 的絮凝吸附作用。活化是使得吸附了大量有机物的微生物分解和利用这些有机 物。对于再生时间，有文献1 9 2 1 通过研究a b 法工艺的a 段工艺认为6 h 再生时 间内高负荷污泥的吸附性能不会有很大的变化。 7 学 宕 删 莲 督 o1 02 03 04 0 时间m i n 絮凝池- 再生池 图5 5 絮凝池和再生池污泥对c o d i n i 吸附的比较 由第二