（应用化学专业论文）城市污水生物絮凝吸附工艺的特性及模拟研究.pdf

u n i v e r s i t yo f sc i e n c ea n d t e c h n o l o g yo f c h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r ，sd e g r e e t h e b i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o na n da d s o r p t i o n p r o c e s sf o rt h et r e a t m e n to f m u n i c i p a l w a s t e w a t e ra n di t sm a t h e m a t i c a l m o d e l i n g a u t h o r sn a m e ：s h a o g e nl i u s p e c i a l i t y ： s u p e r v i s o r ： 1 r 1o fi n l s l l e dt l m e ： a p p l i e dc h e m i s t r y p r o f h a n - q i n gy u n o v e m b e r , 2 0 1 0 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 。的说明。 作者签名： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 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。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密(年) 作者签名：名：选墨推 导师签名： 签字日期： 扣10 i ；q 作用开发出来的生物絮凝吸 除大部分污水中的有机污染 物，对降低城市污水处理厂的投资和运行费用具有十分重要的现实意义。国内外 对生物絮凝吸附工艺的系统构成、反应器结构形式及部分工艺参数如污泥浓度、 停留时间等进行了研究，但对其工艺原理的认识不够深入，也未能建立描述该工 艺的数学模型，其研究结果缺乏普适性。本论文通过小试系统研究并优化了生物 絮凝吸附工艺的主要工艺参数，在解析其工艺原理的基础上建立了具有描述该工 艺的数学模型，中试系统的稳定运行表明该工艺具有运行的可靠性和稳定性，其 运行结果证明了所建数学模型的合理性和准确性，说明本研究的结果具有普适 性。本研究的主要成果如下： 一 1 在分析生物絮凝吸附工艺各主要工艺参数的基础上，构建了生物絮凝小 试系统；系统考察了气水比、絮凝时间、活化时间、污泥龄和回流比5 个等主要 工艺参数对系统污染物去除效果的影响，获得了生物絮凝吸附工艺的优化参数： 气水比1 0 ：1 ，絮凝时间3 0 m i n ，活化时间2 h ，污泥龄6 d ，回流比4 0 - 5 0 。 2 对生物絮凝吸附工艺的污泥吸附特性进行了考察，结果表明该工艺对悬 浮和胶体有机物的吸附效果好；污泥经活化后，吸附性能大大提高；伪二级动 力学方程能更好地描述污泥对有机物的吸附特性，2 0 下的伪二级吸附速率常 数k a d s 为0 8 1 6g - c o d r a g m l v s s h ；添加抑制剂后的活性污泥比吸附率降低了 1 0 左右，表明系统中仍存在微生物对有机污染物的生物降解作用；污泥的异 养菌产率系数为0 6 9g - c o d g - c o d ，污泥产量较高。 3 根据对生物絮凝吸附工艺原理的剖析，引入吸附过程和水解过程，以 a s m l 模型为基础，建立了描述生物絮凝吸附工艺的数学模型；通过建立工艺过 程动力学方程和物料平衡方程，对系统内的不同组分碳源进行了物料平衡分析； 敏感分析结果表明，模型参数的敏感度从大到小依次为y r h 、小妇、g x , g s 、 、彳、幻，对敏感度较大的小妇、局瘌舔进行了参数估计；用生物絮凝 小试系统的试验结果对模型进行了校正与验证，证明所建数学模型具有较高的准 确性；应用所建数学模型对生物絮凝工艺参数进行优化的结果为：絮凝时间为 4 0 m i n 、活化时间为1 5 h 、污泥龄为6 d 。 4 以小试研究为基础，结合数学模型对工艺参数的优化结果，完成了生物 絮凝中试系统的设计、安装和调试；水力负荷增大，中试系统对污水s s 、c o d 和c o d s s 去除效率大幅度下降，而s s 和c o d s s 去除率变化较小；污泥负荷在2 2 0k g c o d k g m l s s 。d 之间变化，系统对c o d 和s s 仍保持较高的去除率，而s c o d 摘要 物絮凝 为1 5 能力较 能够为 市污水 c o n f i g u r a t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s u c h 嬲s o l i d sr e t e n t i o nt i m e ( s r d ，h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( 1 4 r t ) h o w e v e r , i t sw o r k i n gp r i n c i p l ei sn o ty e td e a r l yu n d e r s t o o d a n di t sk i n e t i c si sn o ts u f f i c i e n t a l s o ，am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rd e s c r i b i n gt h i s p r o c e s si sn o ta v a i l a b l ea n dt h e r e s u l t sa r eu n u n i v e r s a l t h r o u g hs y s t e m a t i c e x p e r i m e n t s ，t h ek e yp a r a m e t e r so f t h eb i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o np r o c e s sw e r eo p t h n i z e d a n dau n i v e r s a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e di nt h i ss t u d y t h ed e v e l o p e d m o d e lw a sf u r t h e rp r o v e nt ob er e a s o n a b l ea n da c c u r a t ew i t hap i l o t - s c a l es t u d y , w h i c hi n d i c a t e dt h er e s u l t sa 他u n i v e r s a l m a i nr e s u l t so f t h i ss t u d ya 托嬲f o l l o w s ： 1 al a b o r a t o r y - s c a l es t u d yw a sp e r f o r m e da f t e ra n a l y z i n gt h ek e yp a r a m e t e r so f t h eb i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o na n da d s o r p t i o np r o c e s s t h ei n f l u e n c e so fr a t i oo fg a s w a t e r , c o a g u l a t i o nt i m e ， a c t i v a t i o nt i m e ，s r ta n dr e c i r c u l a t i o nr a t i oo nt h e s y s t e m p e r f o r m a n c ew e r ee v a l u a t e d t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d 嬲f o l l o w s ： g a s w a t e rr a t i o10 ：1 ，c o a g u l a t i o nt i m e3 0r a i n , a c t i v a t i o nt i m e2h s r t6da n d r e c i r c u l a t i o nr a t i o4 0 5 0 ， 2 t h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v a t e ds l u d g ei nt h eb i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o n a n da d s o r p t i o np r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h es u s p e n d e da n dc o l l o i d a lo r g a n i c m a t t e r sw e r ea d s o r b e de f f e c t i v e l y t h ea b s o r p t i o nc a p a b i l i t yw a si m p r o v e dg r e a t l y a f t e ra c t i v a t i o n t h ea d s o r p t i o no fo r g a n i cm a t t e r sb ya c t i v a t e ds l u d g ef o l l o w e dt h e p s e u d o - s e c o n d - o r d e rk i n e t i c s t h ea d s o r p t i o n r a t ec o n s t a n tk 础w a so 816 g c o d m g m l v s s h a t2 0 0 c t h ea d s o r p t i o nr a t i od e c r e a s e d10 a f t e rt h ea d d i t i o no f i n h i b i t o s r , i n d i c a t i n gt h a tt h em i c r o b i a l b i o d e g r a d a t i o no c c u r r e di nt h ep r o c e s s t h e h e t e r o t r o p h i cb a c t e r i ay i e l dc o e f f i c i e n tw a se s t a i m a t e d 弱o 6 9gc o d gc o da n d s l u d g ey i e l dw a sh i g h 3 b a s e do na s m la n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eb i o l o g i c a lf l o c 圮u l a t i o na n d a d s o r p t i o np r o c e s s ，am a t h e m a t i c a lm o d e l ，w h i c hi n c l u d e db i o l o g i c a la d s o r p t i o na n d h y d r o l y s i sp r o c e s s e s ，w a sd e v e l o p e d t h ec a r b o ns o u r c e so fs y s t e mw e r ea n a l y z e do n i l l t h eb a s i so fk i n e t i ce q u a t i o na n dm a s sb a l a n c e t h er e s u l t so fs e n s i t i v i t ya n a l y s i s d e m o n s t r a t e dt h a ty s ，弘h ，k h , k x , k s , l c 昏凼，p a ，b aw e r em o r es e n s i t i v e t h em o d e lw a s c a l i b r a t e da n dv e r i f i e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h eo p t i m i z e ds i m u l a t i o nr e s u l t s w e r ef o u n dt ob e ：c o a g u l a t i o nt i m eo f4 0 啦a c t i v a t i o nt i m eo f1 5h ，s r to f 6d 4 a p i l o t - s c a l eb i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o na n da d s o r p t i o ns y s t e mw a sw e l ld e s i g n e d , i n s t a l l e da n do p e r a t e db a s e do nt h er e s u l t so ft h eb e n c h - s c a l es t u d ya n dm a t h e m a t i c a l m o d e ls i m u l a t i o n t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs u s p e n d e ds o l i d s ，c h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ( c o d ) ，c o d s sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ha ni n c r e a s ei nh y d r a u l i cl o a d i n g r a t e ，a n dt h er e m o v a lr a t eo f s sa n dc o d s sc h a n g e ds l i g h t l y t h er e m o v a le f f i c i e n c y o fc o da n ds sr e m a i n e dh i g h , w h i l et h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs c o dd e c r e a s e d 、肮t l l a ni n c r e a s ei ns l u d g el o a d i n gr a t ew h e ni tw a si na r a n g eo f2 - 2 0k g c o d k g m l s s d t h ea v e r a g ec o d ，n h 3 - na n dp 0 4 3 - _ pr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e7 0 ，15 a n d4 0 ， r e s p e c t i v e l y , a tar e c i r c u l a t i o nr a t i oo f5 0 a tar e c i r c u l a t i o nr a t i oo f2 5 ，t h e a v e r a g ec o d ，n h 3 - na n dp 0 4 j - _ pr e m o v a le f f i c i e n c yw a s6 5 ，1 0 a n d2 0 ， r e s p e c t i v e l y t h eb i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o np r o c e s sh a da r e s i s t a n c et os h o c kl o a d i n g s t h er e s u l t so ft h ep i l o t - s c a l es t u d yf u r t h e rd e m o n s t r a t e dt h a tt h ed e v e l o p e dm o d e lw a s r e a s o n a b l ea n da c c u r a t ea n dw a sa b l et op r o v i d eat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ri t sd e s i g n a n do p e r a t i o ni n w ，t p s k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o na n da d s o r t i o np r o c e s s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， b i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o n , b i o l o g i c a la d s o r p t i o n , m u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t , p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n i v a b s t ra c t i i i 目录v 第一章文献综述1 1 1 研究背景1 1 1 1 活性污泥净化反应过程。l 1 1 2 吸附一再生活性污泥法2 1 1 3a b 法污水处理工艺。3 1 1 4 生物絮凝吸附工艺的提出3 1 1 5 生物絮凝吸附工艺的特征4 1 2 生物絮凝吸附工艺的研究现状5 1 2 1 生物絮体形成机理5 1 2 2 生物絮凝和生物吸附：5 1 2 3 生物吸附平衡模型6 1 2 4 生物吸附动力学模型9 1 2 5 生物絮凝的影响因素1 1 1 3 活性污泥法数学模型的研究进展1 2 1 3 1 活性污泥l 号模型。1 3 1 3 1 1 活性污泥l 号模型的组分1 3 1 3 1 2 活性污泥l 号模型中的反应过程1 4 1 3 1 3 活性污泥l 号模型的化学计量系数和动力学参数1 5 l3 2 活性污泥2 号模型16 1 3 2 1 活性污泥2 号模型组分：1 7 1 3 2 2 活性污泥2 号模型中的反应过程：1 7 1 4 研究的目的、意义及内容1 8 1 4 1 研究的目的、意义1 8 v 目录 1 4 2 研究内容：1 9 第二章生物絮凝吸附工艺的试验研究。2 0 2 1 材料和方法2 0 2 1 1 小型试验工艺流程j 。2 0 2 1 2 试验装置2 l 2 1 3 试验污水水质2 l 2 1 4 试验用仪器设备、测试项目及分析方法。2 l 2 2 试验方案设计一2 2 2 2 1 各影响因子水平的确定。2 3 2 2 2 试验方案的确定2 5 2 3 反应器的运行2 6 2 3 1 试验装置启动2 6 2 3 2 试验装置的调试运行2 6 2 4 生物絮凝处理系统主要工艺参数的试验研究一2 9 2 4 1 气水比对生物絮凝系统工况的影响。2 9 2 4 2 絮凝时间对生物絮凝系统工况的影响：。31 2 4 3 活化时间对生物絮凝系统工况的影响3 3 2 4 4 污泥龄( s r t ) 对生物絮凝系统工况的影响3 6 2 4 5 回流比对生物絮凝系统工况的影响3 8 2 5 小结。4l 第三章生物絮凝吸附工艺原理的解析4 2 3 1 生物絮凝污泥吸附过程研究。4 2 3 2 污泥吸附容量研究4 4 3 2 1 试验设计4 4 3 2 2 计算方法4 5 3 2 3 试验结果与讨论。4 5 3 3 活化污泥吸附性能研究一4 7 3 3 1 试验设计4 7 3 3 2 计算方法4 7 3 3 3 试验结果与讨论4 7 3 4 活化污泥与失活污泥吸附性能比较研究一5 0 目录 3 4 1 试验设计5 0 3 4 2 计算方法5l 3 4 3 试验结果：5 l 3 4 4 试验结果讨论。5 3 3 5 生物抑制剂对活性污泥的影响厶。5 5 3 5 1 试验设计5 5 3 5 2 计算方法。5 6 3 5 3 试验结果与讨论。5 6 3 6 异养菌产率系数y h 的测定5 6 3 6 1 试验原理。5 7 3 6 2 试验方法。：5 7 3 6 3 试验结果分析5 8 3 7 小结一5 9 第四章生物絮凝吸附工艺的数学建模6 0 4 1 数学模型的建立6 0 4 1 1 模型假设6 0 4 1 2 模型的数学描述6 l 4 2 流程图与物料衡算一6 5 4 3 模型参数的确定7 0 4 4 生物絮凝吸附工艺模型参数的敏感分析：7 0 4 5 生物絮凝吸附工艺小试模型参数的校准7 3 4 6 生物絮凝吸附工艺模型验证7 6 4 7 应用数学模型优化主要工艺参数。7 8 4 7 1 絮凝时间对去除有机物和氨氮去除的影响。7 8 4 7 2 活化时间对去除有机物和氨氮去除的影响7 9 4 7 3s r t 对出水有机物和氨氮去除的影响8 0 4 8 小结8 1 第五章生物絮凝吸附工艺的中试研究与模拟8 2 5 1 中试装置的构建8 2 5 2 生物絮凝吸附工艺中试装置的启动和调试8 2 。5 3 中试试验结果与讨论8 5 v 目录 5 3 1 水力负荷对生物絮凝中试系统工况的影响。8 5 5 3 2 污泥负荷对生物絮凝中试系统工况的影响8 7 5 3 3 回流比对生物絮凝中试系统工况的影响8 8 5 3 4 冲击负荷对生物絮凝中试系统工况的影响9 l 5 4 中试装置运行中的问题和对策9 2 5 4 1 污泥膨胀的控制：9 2 5 4 2 污泥活化池内泡沫的控制9 3 1 1 研究背景 1 1 1 活性污泥净化反应过程 ， 活性污泥是一种以细菌、真菌、原生动物、后生动物等组成的絮凝体。活性 污泥中至少有5 0 种细菌生存并繁殖，这些细菌组成一个特有的生态系统，该生态 系统可以絮凝、吸附、氧化、分解废水中有机物。活性污泥法是以悬浮于污水中 的活性污泥为主体，在有利于微生物生长繁殖的环境条件下和污水充分接触，使 污水得到净化的一种方法【l j 。 其工艺流程如图1 1 所示。污水与回流污泥进入曝气池进行曝气混合，污水 中的有机污染物被代谢去除，混合液流入沉淀池进行固液分离，部分污泥回流至 曝气池，其余污泥则作为剩余污泥排出系统。 进水 回流污泥剩余污泥 图1 1 活性污泥法工艺流程图 在活性污泥处理系统中，有机污染物作为营养物质被微生物摄取、代谢、和 利用，由吸附和稳定两个阶段组成】。 1 吸附阶段 活性污泥有很大的比表面积，表面富集了大量的微生物和多糖类粘质层。与 污水接触时，污水中有机污染物即被活性污泥所絮凝和吸附而去除。在吸附阶段， 污水中呈悬浮和胶体状态有机物通过絮凝、吸附等物理化学作用附聚于细菌絮体 表面，溶解性有机物则通过吸附而去除，这一现象就是“初期吸附去除”作用。其 速度取决于微生物的活性程度和反应器内水动力学规律。 2 微生物的代谢 第一章文献综述 污水中的有机污染物，首先被吸附在栖息有大量微生物的活性污泥的表面。 小分子的有机物直接透过细胞壁进入微生物体内，而淀粉、蛋白质等大分子有机 物，则必须在水解酶的作用下，被水解为小分子后才能进入微生物细胞体内。 被摄入细胞体内的有机物在各种胞内酶的作用下，为微生物所代谢。一部分 有机物发生氧化分解代谢，形成c 0 2 和h 2 0 ，并产生能量；另一部分则被微生物 用于合成新细胞即合成代谢，合成代谢所需能量来自分解代谢。营养物质匮乏时， 微生物可能进入内源代谢反应，即对其自身细胞物质进行氧化分解代谢。 1 1 2 吸附一再生活性污泥法 吸附一再生活性污泥法又称接触稳定法，这种运行方式将活性污泥对有机 污染物的吸附与稳定分别在吸附池和再生池内完成。污水和经过再生池充分再 生、活性很强的活性污泥一起进入吸附池，经过3 0 6 0 m i n 充分混合，部分呈悬 浮、胶体或溶解状态的有机污染物被活性污泥絮凝、吸附，有机污染物去除，混 合液由沉淀池进行固液分离，澄清水排放，饱和污泥回流至再生池曝气活化，污 泥活性得到充分恢复后再次进入吸附池 4 1 。剩余污泥则由沉淀池底部排出。其工 艺流程见图l - 2 。 进水 再生污泥 出水 图1 2 吸附一再生工艺流程图 与传统活性污泥法系统相比，吸附一再生法的特点如下瞳5 】： ( 1 ) 当吸附池内的污泥遭到破坏时，可由污泥活化池内的污泥予以补救。所 以吸附一再生活性污泥法抗冲击负荷能力较强。 ( 2 ) 在吸附一再生系统中，吸附池水力停留时间较短，进入再生池的仅为排 除剩余污泥之后的回流污泥。因此吸附池与再生池容积之和，仍低于传统活性污 泥法曝气池的容积。 2 第一章文献综述 1 1 3a b 法污水处理工艺 a b 法处理工艺由a 、b 两段组成。a 段前省去了初沉池，且污泥负荷大于 2 k g b o d s ( k g m l s s d ) ，b 段污泥负荷较低，一般在o 3b o d s ( k g m l s s 。d ) 左右。 a 段和b 段分别通过中间沉淀池、二次沉淀池，各自回流污泥，其流程如图1 3 所 示。 a 段之前一般省去初沉池，在污泥负荷高达2 - 6k g b o d s ( k g m l s s d ) 、水力 停留时间为3 0r a i n 、溶解氧为好氧( 2r a g l ) 或微氧( o 2 - - , 0 7r a g l ) 、短泥龄( 0 5 o 7d ) 的条件下运行。 a 段从排水系统中接受污水的同时，也接种了污水中的微生物种群。由于在 排水管网中中发生了细菌的适应、淘汰、优选、增殖等生物学过程，所以a 段能 图1 3a b 活性污泥法工艺流程图 培育出与原污水适应的微生物种群，成为一个开放性生物动力学系统 2 , 6 1 。 在a 段，细菌主要依靠生物絮凝吸附作用去除有机物，包括高效絮凝、吸附、 沉淀网捕和吸附降解等作用，能产生高达4 0 - 7 0 的有机物去除率。此外，a 段污泥产率高、吸附能力强，重金属和一些难降解物质也能通过排泥得到去除 7 1 。 a 段工艺的特点为：容积负荷和污泥负荷都很高；产生的剩余污泥量大；主 要依靠活性污泥生物絮凝吸附作用去除污染物；混合液固体浓度小；污泥龄短， 仅几个小时；对水质、水量的变化具有一定的适应能力 2 , 6 1 。 1 1 4 生物絮凝吸附工艺的提出 根据接触絮凝的原理，利用大颗粒絮凝体巨大的表面积对污水中细小颗粒 物进行絮凝吸附，可使絮体的沉降速度加快，从而减少了沉淀池中固液分离的时 间。活性很好的微生物能产生一种胞外聚合物( e p s ，e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i s u b s t a n c e s ) ，适量的e p s 能够使微生物相互聚集成沉降性能良好的生物絮凝体， 这些絮凝体具有很好的吸附功能，可吸附污水中有机物进行自身的新陈代谢，且 3 第一章文献综述 固液分离效果良好。此外，微生物细胞在新陈代谢过程中向细胞外分泌荚膜和黏 液质等代谢产物，其主要成分为多糖及少量多肽、蛋白质、脂类及其复合物，其 中多糖在某种程度上可用作絮凝剂。这些微生物代谢产物经提取、精炼即可制成 微生物絮凝剂：目前，培养微生物并提取微生物絮凝剂，技术尚不成熟，而且花 费会比较大，难以用于城市污水的处理。如果将微生物形成絮凝体的原理用于对 一级处理的强化，通过控制适当的环境条件产生一定量的絮凝物质来吸附水中的 有机物，无需提取即可直接发挥微生物的絮凝作用，一级污水处理效率得到很大 的提高。这样就产生了生物絮凝吸附工艺啦棚。生物絮体不仅具有良好的沉降性 能，还可通过生物絮凝吸附作用去除污水中的有机物。目前对其机理提出了多种 观点，其中聚合物架桥理论最为学术界所接受。此观点认为，物化吸附作用主要 是去除水中的重金属离子，而生物絮凝作用则是利用自身产生的胞外聚合物对水 中的悬浮和胶体颗粒进行絮凝从而达到去除有机物的目的，两者去除的污染物种 类不同。 1 1 5 生物絮凝吸附工艺的特征 与传统的一级处理相比，生物絮凝吸附工艺以生物絮体的絮凝作用去除污水 中悬浮及胶体形态的污染物为主，同时也不能排除生物代谢作用的贡献；由于有 生物代谢作用的存在，对溶解性有机物也有一定的去除作用；生物絮凝不需要投 加任何絮凝剂，虽然基建费用高一些，但是运行费用较低，总费用相对较低【l o 】。 生物絮凝吸附工艺是城市污水的强化一级处理。普通的活性污泥法是二级生 物处理，主要利用微生物的氧化作用来去除有机物，而生物絮凝是通过微生物的 絮凝吸附作用来去除有机物，同时会有少量的生物代谢作用。因此它的污泥量比 活性污泥法要多。生物絮凝主要去除悬浮和胶体颗粒，而活性污泥法主要是通过 氧化和代谢处理溶解性有机物。 吸附一再生法的主要特点是将活性污泥对有机污染物的吸附与稳定分别在 吸附池和再生池内进行，需要氧化处理污泥，因而污泥回流比较大【1 1 1 。而生物 絮凝工艺通过回流污泥维持絮凝吸附池一定的污泥浓度，即可实现快速去除有机 污染物的目的，污泥回流比可小一些。 a b 法a 段曝气池以高负荷或超高负荷运行，通过生物絮凝吸附作用和生物 代谢作用去除有机污染物。同时，由于a 段曝气池中的曝气量较大，污泥絮体 容易被打碎，沉淀效果不是很好，因而对s s 的去除率并不高。生物絮凝吸附工 艺的絮凝吸附池常采用搅拌的方式，不以生物代谢转化作为污染物去除的主要途 径，只将少量污泥回流至污泥活化池中进行曝气，以恢复污泥的活性。所以生物 絮凝吸附工艺是污水的强化一级处理。 4 第一章文献综述 综上所述，生物絮凝吸附工艺的主要特点：活性污泥产生的e p s 可使微生 物聚集成为沉降性能良好的生物絮体；这些生物絮体具有很好的絮凝吸附功能， 絮凝吸附污水中的有机物进行自身的新陈代谢：生物絮体沉降性能好，泥水容易 分离；微生物在新陈代谢活动中产生的微生物絮凝剂，具有良好的絮凝作用，其 使用量可以很小而絮凝效果却很好。 1 2 生物絮凝吸附工艺的研究现状 1 2 1 生物絮体形成机理 生物絮体由微生物群落、丝状菌、胞外聚合物和无机颗粒等组成 1 2 , 1 3 】。生物 絮体的形成包括碰撞和粘附两个过程。颗粒的布朗运动或水体中存在的速度梯度 均会引起颗粒之间的碰撞。对于小的颗粒( d l o l 上m ) ，布朗运动导致颗粒的随机运 动，由布朗运动引起的絮凝称为异向絮凝。由水力或机械搅拌所造成的流体运动 引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝。一般来说，异向絮凝产生的絮体强度较差，而 同向絮凝产生的球状絮体强度较大0 2 1 。粘附是指小的颗粒或絮体碰撞之后聚集 形成粒径大的絮体的过程。其作用机理 1 4 , 1 5 1 包括盐絮凝、生物絮凝和颗粒化等。 盐絮凝是指溶液中阳离子压缩双电层从而产生生物聚集；生物絮凝是指细菌产生 的多聚糖通过吸附架桥作用使小的生物絮体之间相互絮凝、聚集；而颗粒化则是 结构松散的生物絮体在一定水力条件下转化为致密的球状颗粒，其沉降速度会大 大加快，有利于生物絮凝。无机颗粒以大致相同的空隙率聚集而成的聚集体被称 为一级聚合体，几个一级聚集体相互聚集即可形成一个二级聚合体，依此类推。 大多数研究表明生物絮体一般是三级或四级絮体结构。随着絮体级数的增加，絮 体尺寸和空隙率都会增加，而絮体密度和抗剪切强度则会降低。 1 2 2 生物絮凝和生物吸附 目前普遍认为，微生物的絮凝机理最有可能是高分子架桥，另外也包 括盐桥、化学键作用、物理作用，或是这些因素的共同作用的结果。但也 有不同观点：g o r d o np t r e w e e k 等【1 6 j 用聚乙烯亚氨絮凝大肠杆菌，通过吸 附试验、电泳试验及重过滤试验的研究，认为絮凝的主要机理不是高分子 架桥，而是吸附聚合。有絮凝效果的微生物种类很多，主要有细菌、放线 菌、真菌及藻类等【l7 1 。早在上世纪3 0 年代，b u t t e r f i e l d 就从活性污泥中发 现了能产生胞外黏液的微生物，这种微生物能分泌一种粘性物质来附着其 5 第一章文献综述 它微生物，从而在活性污泥中形成聚集体，从此开始了活性污泥中生物絮 凝研究。 生物吸附是指微生物与污水接触后，微生物快速吸附有机底物储存在 其体内。这是一个生物过程【堋，同时也发生了物理和化学作用。微生物形 成絮体后能够吸附大颗粒的悬浮物，使絮体增大，有助于污泥的沉降。因 此生物吸附作用包括两个过程：微生物吸附大量的有机物，然后利用所吸 附的部分有机物进行新陈代谢：另一部分有机物做为自身繁殖的原材料， 这样可以一直保持污泥的活性。 1 2 3 生物吸附平衡模型 通过简化吸附过程的方法可以建立相应的模型，以描述恒温条件下细 胞吸附的污染物量( q ) 与吸附质在平衡时的浓度( c 。q ) 之间关系。目前，最常 用的的模型有：l a n g m u i r ,f r e u n d l i e h ，l a n g m u i r f r e u n d l i c h ， r e d l i e h p e t e r s o n b r u n a u e r e m m e t t e l l e r ( b e t ) 和r a d k e p r a u s n i t z 1 9 - 2 2 。 l a n g m u i r 等温方程是从动力学的观点推导出的单分子层的吸附模型。 即假设吸附层是单分子层的，且吸附质分子间没有作用力，吸附剂表面是 均匀的，达到平衡时吸附速率与解吸速率是相同的。方程如下： k l q 。 口= 1 1 + k i c 凹 ( 1 1 ) 式中，q m 为吸附剂表面覆盖单分子层的吸附质的最大吸附量( k g 吸附 质k g 吸附剂) ，q 为吸附剂的实际吸附量( k g 吸附质k g 吸附剂) ，c 。q 为达 到平衡时吸附质的浓度( k g 吸附质k g 吸附剂) ，k l 为l a n g m u i r 常数。 l a n g m u i r 方程仅适用于单分子层的吸附。当吸附质覆盖度较小，吸附 热变化不大时，试验数据能较好地与l a n g m u i r 吸附等温式相符。该模型 对环境的变化比较敏感，如p h 值变化时，其模型参数值则需要相应地调 整。 。 f r e u n d l i c h 等温方程是在恒温条件下依据大量的吸附试验数据总结出 的经验公式，其中吸附质与吸附剂的结合位点是随机的、独立的。其通常 形式如下： 1 ， g 2 k f c 叼 ( 1 2 ) 式中，k f 和n 为f r e u n d l i e h 常数。k f 与吸附容量有关，取值与温度， 吸附剂种类，采用的计量单位有关；n 则与吸附体系的性质有关。低温时 k f 值较大，而1 n 则相反。n 决定了等温线的形状，一般认为2 n 1 0 时容 6 第一章文献综述 附则不容易发生，。 ( 1 - 3 ) 通过此方程可以求出f r e u n d l i c h 常数。f r e u n d l i c h 方程的优点是表达 式简单，适用范围比l a n g m u i r 方程广，且能在相当广的浓度范围内与试 验数据吻合。 大量的试验研究表明，在中等压力范围内，比较多的吸附体系服从 f r e u n d l i c h 吸附等温方程式，并且在许多l a n g m u i r 吸附等温式不能用的场 合，f r e u n d l i c h 吸附等温方程式可以用。后来有人在l a n g m u i r 吸附理论的 基础上j 用统计方法推导出f r e u n d l i c h 吸附等温方程式。 若考虑到固体表面是不均匀的，可由l a n g m u i r 理论可推导出 l a n g m u i r - f r e u n d l i c h 吸附等温方程式。该模型的表达式为： q m k i c 叼1 7 ” g 2 1 + k l c i 1 n 该方程综合了l a n g m u i r 和f r e u n d l i