（环境工程专业论文）剩余污泥吸附法水处理工艺的探索.pdf

中文摘要 在活性污泥工艺系统内，由于微生物分解有机污染物而使得污水得到净化处 理，同时产生大量的剩余污泥，污染物的浓度决定处理负荷，也影响剩余污泥的 产生量，而处理负荷直接决定处理装置的大小和处理成本。因此，如能开发出既 能得到良好的水质，又能降低处理负荷以降低处理成本的方法则对促进污水处 理工程的普及具有重要意义。本研究基于污泥具有良好的吸附能力的特点，试图 探索一种吸附式生物处理工艺，对剩余污泥的吸附特性从污水处理工艺的角度进 行了研究。实验考察了剩余污泥吸附原水中的固体悬浮颗粒与有机污染物的特 性，污泥与污染物的浓度、以及曝气条件等方面的影响，并且模拟污泥回流到初 沉池不同位置的工艺，并考察其可行性。 剩余污泥能够有效地吸附去除污水中的非溶解性悬浮物质和溶解性有机质， 并且对前者的去除能力普遍强于对后者的去除能力。低浓度的溶解氧水平下的污 泥曝气处理即可改善污泥的吸附效果，剩余污泥经过维持溶解氧浓度0 s m g l ， 0 5 h 的曝气处理，污泥混合液浓度为2 5 0 0 m g l 时，污泥吸附去除的效果最佳； 用剩余污泥吸附后还会加快非溶解性悬浮物质的沉降速率。 在将污泥投加到初沉池的工艺模拟过程中，初沉池中段投加污泥时，出水负 荷比自然沉降和进口端投泥时都低，既能保证污泥的沉降时间又能得到良好的吸 附效果，可以有效降低减轻后续处理的负荷。这一结果为吸附氧化新工艺的开发 提供技术支持和有益的参考。 关键词：吸附特性；吸附式水处理；剩余污泥吸附法 a bs t r a c t i nt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，l o t so fm i c r o o r g a n i s md e c o m p o s ep l e n t yo f o r g a n i cc o m p o u n d s ，m a k ew a s t e w a t e rd i s p o s e d ，a n dp r o d u c ep l e n t yo fs l u d g ea tt h e s a m et i m e t h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cc o m p o u n d sa f f e c tt h ep r o d u c t i o no fs l u d g e a n dt h ec h a r g eo fp r o c e s sw h i c hd i r e c t l ya f f e c t i n gt h es e t ss i z ea n dt h ec o s to fw h o l e s y s t e m f i n d i n gs o m en e wm e t h o d st oi m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t i n g p r o c e s sw h i c hc a nb o t hg e th i g hq u a l i t ye f f l u e n ta n dr e d u c ec h a r g ea n dc o s to fw h o l e t r e a t m e n ti sg o o dt ow a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o g r e s s t h i sp a p e rb a s e do nt h e e x c e l l e n c ea d s o r b i n ga b i l i t yo fs l u d g et r i e st of i n do u tan e ww a s t e w a t e rt r e a t i n g m e t h o dw h i c hu s i n gt h es l u d g ea d s o r p t i o na sw o r k i n gp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t si n t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ec h a r a c t e r so fs l u d g ea d s o r b i n gs u s p e n d e ds o l i da n do r g a n i c c o m p o u n d si nw a s t e w a t e rw h i c ha r ea f f e c t e db yt h ec o n c e n t r a t i o no fs l u d g e ，o r g a n i c c o m p o u n d sa n dd o ，t h e ns i m u l a t i n gt h ec o u r s eo fs l u d g er e f l u x i n gt ot h ed i f f e r e n t p o s i t i o no ff i r s ts e d i m e n t a t i o nt a n k t h es l u d g ec a nr e m o v et h es u s p e n d e ds o l i da n dt h ed i s s o l v eo r g a n i cc o m p o u n d s b yt h ea c t i o no fi t sa d s o r b i n g t h er e m o v er a t eo ft h es u s p e n d e ds o l i di sb e t t e rt h a n a n o t h e ro n e d e a l i n gw i t ha e r o b i ct r e a t m e n ti nac i r c u m s t a n c eo fl o wc o n c e n t r a t i o no f d oc a ni m p r o v et h es l u d g e sa d s o r p t i o n w h e nt h ed ow a s0 5 m g la n dt h ea e r o b i c t i m ew a s0 5 h ，a l s ot h em i x e dl i q u i dc o n c e n t r a t i o nw a s2 5 0 0 m g l ，t h ea c t i v a t e d s l u d g er e m o v a lr a t ec a nb et h eb e s tc o n d i t i o n i ft h es l u d g em i x e dw i t ht h ew a s t e w a t e r ， t h es e t t l e m e n ts p e e do fm i x t u r ew i l lb ef a s t e r i nt h es i m u l a t i o no ft h e p o o l ，t h ec h a r g eo fe f f l u e n t p r o c e s sw h i c hr e f l u x i n gs l u d g ei n t ot h es e d i m e n t a t i o n i st h el o w e s ti fp u tt h es l u d g ei n t ot h em i d d l eo ft h e s e d i m e n t a t i o na r e a t h e nt h et i m eo fs l u d g es e t t l e m e n ta n dr e m o v er a t eo fo r g a n i c c o m p o u n d si nw a s t e w a t e ra r eb o t he x c e l l e n t ，a n dt h eo r g a n i cc h a r g eo f w a s t e w a t e ri n a f t e rp r o c e s sw i l lb eo b v i o u s l yr e d u c e d t h i sc o n c l u s i o nw i l ls u p p o aal o tt ot h es t u d y a n da p p l i c a t i o no fan e ww a s t e w a t e rt r e a t i n gp r o c e s sw h i c hu s i n gt h ea d s o r p t i o no f s l u d g e k e yw o r d s ：a d s o r p t i o nc h a r a c t e r i z a t i o n ；a d s o r p t i o nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ； e x c e s ss l u d g ea d s o r p t i o np r o c e s s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 学位论文作者签名：鬈礁签字眺mg 年6 月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：讪挥 多足园乏 导师签名： in 7 也 6 月6 日 签字同期：碰“肜日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 活性污泥法污水净化过程及工艺简介 1 1 1 活性污泥法污水净化过程 在活性污泥处理系统中，有机污染物质从污水中去除过程的实质就是有机污 染物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，也就是所谓“活 性污泥反应”的过程。这一过程大致由1 、初期吸附去除；2 、微生物的代谢这 两个阶段所组成的n 1 。本文所论述的内容之一“污泥吸附”，就是对这一过程中 的“初期吸附去除”阶段进行探讨。 在活性污泥系统内，在污水开始与活性污泥接触后的较短时间( 5 一- - 1 0 m i n ) 内，污水中的有机污染物即被大量去除，出现很高的c o d 去除率。这种出去高 速去除现象是由物理吸附和生物吸附交织在一起的吸附作用所导致产生的，活性 污泥具有很强的吸附能力。 活性污泥具有很大的表面积，上面富集着大量的微生物，在其外部覆盖着多 糖类的粘质层。当污泥与污水接触时，污水中悬浮和呈胶体的有机污染物即被活 性污泥凝集和吸附所去除，这就是“初期吸附去除 。这一过程进行较快，能在 3 0 m i n 内完成，污水b o d 去除能达到7 0 瞳1 ，它的速度取决于：1 、微生物的活 性程度；2 、反应器内水力扩散程度和水动力学的规律。吸附能力强的污泥，除 了应具有较大的表面积以外，微生物所处在增值期也起着作用，处在“饥饿 状 态下的内源呼吸期的微生物，其活性最强，吸附能力也最强。本文“污泥吸附特 性的研究 主要讨论外界条件对污泥微生物活性的影响，以及由此带来的对污泥 初期吸附过程的影响；而忽略对“反应器内水力扩散程度和水动力学的规律”的 讨论。 被吸附在微生物细胞表面的有机物质，在经过数小时的曝气后，才能够相继 地被摄入微生物体内，因此被“初期吸附去除 去除的有机污染物在数量上是有 一定限度的。对此，回流污泥应经过足够的曝气，将贮存在微生物细胞表面的和 体内的有机污染物充分的加以新陈代谢，使活性污泥微生物进入内源呼吸期，使 其再生并提高活性。但如果曝气过分，活性污泥微生物氧化过分，也会使初期吸 附的效果降低。因此，污泥曝气的时间长短等将是影响污泥吸附能力的重要因素。 而构成活性污泥法有三个基本要素，一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也 第一章绪论 就是活性污泥；二是废水中的有机物质，它是处理的对象，也就是微生物的食料； 第三是溶解氧d o ，没有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能发挥氧化 分解作用。曝气的好坏决定了活性污泥法的能耗和处理效果。现在已有若干传质 理论用来解释气体传递的原理。但是最简单的和最普遍使用的是l e v i s 和 w h i t m a n 在19 2 4 年提出的双膜理论1 。双膜理论的基点是认为在气液界面存在 着两层膜气膜和液膜，这两层薄膜使气体分子从一相进入另一相时形成的阻 力。当气体分子从气相向液相传递时，如果气体的溶解度较低，则阻力主要来自 液膜。由于本文并非重点研究气体传递双膜理论，而且受到篇幅的限制，这里对 双膜理论以及气体传递机理将不做深入的讨论。 1 1 2 活性污泥法工艺简介 活性污泥系统是以活性污泥反应器曝气池作为核心处理设备，此外还有 二次沉淀池、回流系统和曝气与空气扩散装置等组成的。 在活性污泥工艺中，流经初次沉淀池的污水和回流污泥一起进入曝气池形成 混合液。曝气池通过曝气装置导入空气，并且使混合液得到充分的搅拌而呈悬浮 状态。这样污水中的有机物，氧气和微生物就能充分的接触和反应。随后混合液 流入沉淀池( 二沉池) ，混合液中的悬浮固体在沉淀池中沉降，与水分离。流出 沉淀池的就是处理净化后的水，一般直接排入水体；或者进行深度处理，再生利 用h 1 。沉淀池中的污泥大部分回流，成为回流污泥。回流污泥的目的是使曝气池 内保持一定的悬浮固体浓度，也就是保持一定的微生物浓度。曝气池中的生化反 应会引起微生物的增殖，增殖的微生物通常会从沉淀池中排出，以维持活性污泥 系统的稳定运行。这部分污泥叫做剩余污泥。剩余污泥需要进行适当的处理。 本文重点关注的是传统活性污泥工艺中的沉淀池部分。一般来说，沉淀池由 五个部分组成，即：进水区、出水区、沉淀区、贮泥区和缓冲区，进水区和出水 区的功能是使水流的进入与流出保持均匀平稳，以提高沉淀效率：沉淀区是整个 沉淀池的主要部分；贮泥区是存放污泥的地方，它起到贮存、浓缩与排放沉淀污 泥的作用。缓冲区介于沉淀区和贮泥区之间，它的作用主要在于避免水流带走沉 降在池底的污泥。 沉淀池的运行方式主要有连续式和间歇式两种。在连续运行的沉淀池中，污 水是连续不断的流入和排出。污水中的可沉降悬浮颗粒的沉淀过程是在水体流过 水池的时候完成的，这时可沉降颗粒收到由重力所造成的沉速，以及水流流动速 度两方面的作用。而水流的流动速度对颗粒的沉淀起到很关键的作用。而在间歇 运行的沉淀池中，其工作过程大致分为三步：进水，静置和出水。污水中可沉淀 的悬浮物在静置时完成沉淀过程，然后由设置在沉淀池壁不同高度的排水管排 第一章绪论 出。 沉淀池的类型大致分为：平流式、竖流式、辐流式以及斜管斜板沉淀池四种。 沉淀池按工艺布置的不同，可以分为初次沉淀池和二次沉淀池。初次沉淀池是一 级污水处理厂的主体处理构筑物，或者作为二级污水处理厂的预处理构筑物，设 在生物处理构筑物( 如曝气池) 的前面，处理的对象是悬浮物质，同时也可以去 除部分有机质，可改善生物处理构筑物的运行条件；二次沉淀池则设在生物处理 构筑物的后面，用于去除活性污泥或者腐殖污泥，是生物处理系统中非常重要的 部分嗍。 除了传统活性污泥法，还有阶段曝气活性污泥法系统，再生曝气活性污泥法 系统和吸附再生活性污泥法系统等常用工艺；此外，还有一些活性污泥法的新工 艺，如间歇式活性污泥处理系统( s b r ) 等。 近年来，学术界出现了有关初沉池工作效率改进的研究，如将二沉池污泥部 分引入初沉池中，希望能够提高初沉池的沉淀效率，这作为本文“污泥吸附特性” 的一个主要研究内容，将在后面作进一步探索。 1 2 污泥的产生及其组成特性 活性污泥法就是以活性污泥为主体的污水生物处理系统。向生活污水中注入 空气进行曝气，每天保留沉淀物，更换新鲜污水。这样，在持续一段时间以后， 在污水中即将生成一种黄褐色絮凝体。这种絮凝体主要是由大量繁殖的微生物群 体所构成的，它易于沉淀与水分离，并使污水得到净化、澄清。这种生物絮凝体 就是称为“活性污泥”的生物污泥。 正常的处理城市污水的活性污泥在外观上呈黄褐色絮状颗粒物，又称之为 “生物絮凝体 ，其颗粒尺寸取决于微生物的组成、数量，污染物质的特征以及 某些外部环境因素，如曝气池内的水温及水动力条件等，一般介于0 。0 2 c m - - 0 2 c m 之间，从整体来看，活性污泥具有较大的表面积，每m l 活性污泥的表面积大体 介于2 0 1 0 0 c m 2 之间。活性污泥含水率很高，一般都在9 9 以上，其比重则因 含水率不同而异，而介于1 0 0 2 - - , 1 0 0 6 之间。 活性污泥中的固体物质仅占1 以下，这1 的固体物质是由有机和无机两 部分组成，其组成比例则因原污水的性质不同而异，如城市污水的活性污泥，其 中有机成分占7 5 - - 8 5 ，无机成分占1 5 - - 2 5 。 活性污泥由以下四部分物质所组成：1 、具有代谢功能活性的微生物群体；2 、 微生物( 主要是细菌) 内源代谢、自身氧化的残留物；3 、由原污水带入的难为 细菌降解的惰性有机物质；4 、由污水带入的无机物质。 第一章绪论 活性污泥中固体物质的有机成分，主要是由栖息在活性污泥上的微生物群体 所组成的，而活性污泥微生物是由细菌类、真菌类、原生动物、后生动物等异种 群体所组成的混合培养体。这些微生物群体在活性污泥上能够形成相对稳定的食 物链和生态系。活性污泥微生物种的细菌以异养型的原核细菌为主，在正常成熟 的活性污泥上的细菌数量大致介于l o7 10 8 个m l 活性污泥之间，都具有较强的 分解有机物质并将其转化为无机物质的功能。 1 3 活性污泥法工艺过程中污泥的工艺流向 1 3 1 污泥回流 在活性污泥工艺中，污水经过曝气池处理净化后在二沉池中停留，并且通过 沉淀作用与污泥分离。而沉降下来的污泥，一部分将通过回流装置进入曝气池继 续参与曝气反应，这部分的污泥称之为回流污泥。而回流污泥量绋的用式( 1 - 1 ) 计算： q = r q ( 1 - 1 ) 而回流比月值通过式( 1 2 ) 计算： r = 兰l _ 一( 1 2 ) x 一混合液污泥浓度，皿一回流污泥浓度 而船值又与s v i 值有关，根据公式： 皿：堡， s v i x ：一r 堡，1 + rs 刀 ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 并且令，值为1 2 ，则可以推算出随s v i 值和x 值而变化的回流污泥皿浓度，便 可以求出污泥回流比r 值。 而我国以及某些国家对不同运行方式的活性污泥处理系统常采用的混合液 污泥浓度x 值为表1 1 所示。 第一章绪论 在实际运行的曝气池内，s v l 值会在一定的幅度内有所变化，而且混合液浓 度x 也需要根据进水负荷的变化而加以调整，因此，回流污泥量可以在一定的 范围内变化。 在本文中，由于实验中污泥浓度较高，因此参考传统工艺曝气池中混合液浓 度作为依据。 1 3 2 剩余污泥 为了让活性污泥系统的净化功能保持稳定，必须使系统中曝气池内的污泥浓 度保持平衡，因此除了回流污泥以外，每日必须从系统中排出一定数量的污泥， 这就是剩余污泥。而每日排出的污泥在理论数量上应该等同于增长的污泥。在此 过程中产生的污泥，其数量约占处理水量的0 3 0 5 左右( 以含水率为9 7 记) 。污泥中含有大量的有害有毒物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合 成有机物；而且数量多，脱水性能差，处理起来相当麻烦。而剩余污泥处理费用 约占水厂运行费用的4 0 - - 6 5 1 。基于经济环境和其它因素的考虑，如何解决 剩余污泥的问题正是人类面临的一个挑战。 剩余污泥的传统的处理方式，一般是首先将其引入浓缩池进行浓缩，使其含 水率由9 9 降到9 6 至9 7 左右，然后与由初沉池排出的污泥共同进行厌氧消 化处理。厌氧消化按操作温度可以分为中温消化和高温消化两种；按负荷率则可 以分为低负荷率和高负荷率两种。厌氧消化的缺点是投资大，运行时易受环境条 件影响，消化污泥不易沉淀，消化反应时间长等，同时这种方法适用于大中型污 水处理厂。另外，剩余污泥好氧处理也是越来越常用的方法之一。好氧消化法依 靠有机物质的好氧代谢和微生物的内源代谢稳定污泥中的有机组成，较适合小型 污水厂，主要优点是： ( 1 ) 对污泥中可降解有机物的降解程度高，并且上清液有机物浓度较低； ( 2 ) 污泥消化量少，无臭，稳定，易脱水，处置方便，同时消化污泥肥分高， 易被植物吸收； 第一章绪论 ( 3 ) 好氧消化池运行管理方便，构筑物基建费用低。 而主要缺点是： ( 1 ) 运行能耗多，运行费用高，不能回收沼气； ( 2 ) 因为不加热，污泥有机物分解程度随温度波动大； ( 3 ) 消化污泥重力浓缩时，上清液s s 浓度高。 而目前国内外污泥消减技术主要有以下三个新的发展方向：解偶联技术、污 泥溶胞技术以及利用微型动物捕食污泥技术口 9 1 。 解偶联是指没有磷酸化的呼吸过程，即氧化和磷酸化相互分离，在降解相同 基质条件下，降低细菌的净合成量；解偶联技术一般包括投加解偶联剂、底物浓 度污泥浓度条件下的解偶联；好氧一沉淀一厌氧( o s a ) 工艺和高浓度溶解氧。 其中解偶联剂的投加，对微生物( 污泥) 的表观产率系数会产生明显影响。但解偶 联技术也有以下缺点：解偶联剂自身的环境安全问题；可能会增强细菌的活性或 增加有活性的细菌的数量，从而增强细菌的自身氧化和代谢能力性问题；解偶联 技术一般需要大量的能量等。 而通常的溶胞作用包括各种化学，物理，生物及其相互联合的作用，通过溶 胞强化细菌的自身氧化在工程应用上极为容易实现。通常可在传统活性污泥法工 艺流程中的污泥回流线上增加相关处理装置。溶胞技术的优点主要有：( 1 ) 技术 实现简单，只需要在回流阶段增加处理设施；( 2 ) 对曝气池和初沉池的污泥分别 对待，有利于高有机含量的污泥被生物再次利用；( 3 ) 可以充分利用曝气池中的 溶解氧分解二次基质，所需增加的曝气量不大。但其也存在需要较高能量及较高 费用等问题。 另外，利用微型动物对污泥进行减量可从以下三个方面着手：( 1 ) 利用微型 动物在食物链中的捕食作用；( 2 ) 直接利用微型动物对污泥的摄食和消化，在减 少污泥的容量的同时增加污泥的可溶；( 3 ) 利用微型动物来。微型动物的污泥减 量作用的大小与微型动物的种类以及微型动物所处的环境密切有关。据不同文献 报道，微型动物对污泥的减量为l0 - - - 9 0 n 们。无论是使用两段式生物反应器， 还是直接向活性污泥系统中投入后生动物，均可降低剩余污泥产量，但是矿化作 用使得氮和磷释放是一个尚待解决的问题。 而经过一系列处理之后，剩余污泥最终可以用以农肥利用和土地堆肥处理， 或者制作建筑材料，还可以填海造地等。 第一章绪论 1 4 污泥吸附相关机理研究 1 4 1 污泥吸附机理及其研究现状 当某种成分在相界面附近的浓度不同于相内部的浓度时，将会产生吸附现 象。界面浓度高于相内浓度时，发生正吸附；反之发生负吸附。由较弱的分子间 力( 即范德华力) 所产生的吸附为物理吸附，而由化学引力所产生的吸附为化学 吸附，在生物作用下发生生物吸附。物理吸附几乎可以在所有物质中间发生，而 化学吸附和生物吸附只能在特定德物质问发生。物理吸附速率快，易达到吸附平 衡，而且容易解吸；而化学吸附类似于化学反应，可以发生电子的转移、原子的 重排、化学键的断裂和形成等一系列微观过程，因此化学吸附有明显的选择性， 而且不易解吸，吸附和解吸的速率都很小，不易达到吸附平衡。 在一般条件下，如果一种物质能够降低其表面张力，那么该种物质吸附性能 则比较显著，但是表面张力能够增大的物质往往会产生负吸附。物理吸附作用经 常伴随热量的产生，因此，温度增高时，吸附性能会较低。一定的吸附载体所吸 附物质的数量与此物质的性质极其浓度和温度有关。表明被吸附物质的量和浓度 之间的关系式称为吸附等温式。目前常用的公式有两种：f r e u n d l i c h 吸附等温式 和l a n g m u i r 吸附等温式n 。 ( 1 ) f r e u n d l i c h 公式 该公式为经验公式，在低浓度时较适用，形式为： i y：k0-5) m y 一吸附载体吸附的物质总量，m g ； m 一吸附载体总量，m g ； p 一到达平衡时溶液中被吸附物质的浓度，m g l , k 、n 一经验常数。n 值在正常条件下大于1 。 ( 2 ) l a n g m u i r 公式 该公式实在被吸附物质仅为单分子层的假定下导出的，形式为： 上：望 ( 1 - u 6 ) 一= 一 i _ m 1 + k l p 本公式的假设使它的应用受到一定的限制，但对于某些数据，使用该公式更 为合适，且适用各种浓度条件，因此得到较广泛的应用。 而本文中讨论的生物吸附的载体主要是微生物，而生物吸附的作用方式根据 是否需要能量可分为主动作用方式和被动作用方式n 刳。前者是有代谢活性的细胞 第一章绪论 完成物质转移或细胞与物质之间的反应。此过程常伴随有能量的消耗，其特点是 吸附速度慢，作用持续时间长，一般不可逆过程，并可能被能量代谢抑制剂所抑 制。后者主要是指通过物理、化学作用来吸附外界物质的方式，吸附剂可为静息 细胞、死细胞、细胞代谢产物或细胞制备物。其作用特点是吸附速度快、时间短、 可逆、不依赖于细胞的能量代谢n 3 1 。对于不同的微生物，如藻类、真菌和细菌， 它们的细胞壁上主要组成成分的差异导致了它们吸附机理的不同n 朝；此外，溶 液中的物质的种类和浓度在一定程度上也影响着生物吸附的效率n 6 j 7 1 。因此人们 对生物吸附的认识还处于初级阶段但已有越来越多的科学工作者开始关注生物 吸附的机理，从而对这一复杂的生物物理化学过程有更加深刻的本质认识。 多孔性吸附载体的吸附过程基本上可以分为三个过程n 引：颗粒外部扩散阶 段，即被吸附物质从溶液中扩散到吸附载体表面；孔隙扩散阶段，即被吸附物质 在吸附载体的孔隙中继续向吸附点扩散；吸附反应阶段，被吸附物质被吸附在载 体孔隙内的吸附点表面。一般，吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速 度。 颗粒外部扩散速度与溶液浓度成正比，也与吸附载体的比表面积大大小成正 比。因此吸附载体的颗粒直径越小，外部扩散速度越快。同时增加溶液与颗粒之 间的相对运动速度，也可以提高外部扩散速度。 孔隙扩散速度与吸附载体孔隙的大小和结构，被吸附物质颗粒的大小和结构 等因素有关，一般来说，吸附载体颗粒越小，孔隙扩散速度越快。 另外，吸附过程与温度关系密切，污泥是微生物的聚集体，而污泥吸附去除 作用是整个污泥净化过程的开始阶段，而污泥净化主要依靠的就是微生物对有机 物质的吸收和消化作用。在影响微生物生理活动的各项因素中，温度的作用非常 重要。温度适宜，能够促进和强化微生物的生理活动；温度不适宜，则会减弱甚 至破坏微生物的生理活动。微生物的最适宜温度是指在这一温度条件下，微生物 的生理活动强劲、旺盛，表现在增殖方面则是裂殖速度快，世代时间短，表1 2 列举的就是大肠杆菌( 活性污泥处理参与微生物) 在不同的温度条件下的世 代时间。 表1 - 2 大肠杆菌在不同的温度条件下的世代时间 第一章绪论 由上可以看出，对于大肠杆菌的最适宜温度段是3 7 1 2 - - 4 0 。参加活性污 泥处理的微生物，多属嗜温菌，其适宜温度介于1 0 c - - 4 5 ，一般情况下，将 活性污泥处理的最高和最低的温度值分别控制在3 5 和1 5 。因此，在对污泥 吸附特性进行实验研究时，要确定一个适合污泥微生物反应的温度条件。 另外，在前面有关沉降机理的论述中，根据斯托克斯公式，在水质相同的条 件下，水温高则值小，有利于颗粒的沉淀，从而污泥沉降性上升。 此外，污水的p h 大小等对吸附作用也有影响。这是因为p h 可以直接影响 污泥微生物活性。微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适宜的酸 碱度条件下，微生物才能进行正常的生理活动。如果p h 值过大偏离适宜的数值， 微生物的酶系统的催化功能就会减弱，甚至消失：而且高浓度的氢离子浓度可导 致菌体表面蛋白质和核酸水解而变性，参与污水生物处理的微生物，一般最佳的 p h 范围介于6 5 8 5 之间。 而在最新的研究中，有部分学者提出污泥胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e ，e p s ) 可能与污泥絮凝和吸附能力有关。e p s 是指在一定环境条件下， 由微生物主要是细菌分泌于体外的一些高分子聚合物。e p s 可以占到活性污泥s s 的约1 5 ，占活性污泥中有机部分的5 0 6 0 。而细胞体仅占2 0 左右，因而 它对活性污泥性质有很大的影响【l9 1 。e p s 可以在细胞外形成保护层，保护细胞免 受外部环境的影响，同时，为饥饿环境中的细胞提供碳源和能量。废水生物处理 中的e p s 除包括细胞分泌的黏液和荚膜外，还包括废水中基质的微生物分解和水 解产物、噬菌体以及吸附废水中的一些有机物。e p s 组成比较复杂，其中主要为 多糖和蛋白质，约占e p s 总量的7 0 - - 8 0 ；含量较低的腐殖质、核酸、糖醛酸、 脂类和氨基酸等也是e p s 中常见的物质。s u t h e r l a n d 等人在早期研究中发现纯培养 污泥e p s 中含量最高的有机物为多糖伽 2 ，而t s u n e d a 等人最近研究表明，在混合 物污水处理系统中，蛋白质在e p s 中也占相当大的数量，相比而言核酸的含量则 要小得多瞳刳。此外，e p s 是带负电荷、高含水的凝胶状基质，能较长时间固定和 存储微生物，有利于形成稳定的互生性微生物群落。由于e p s 是由细菌在生长过 程中分泌而来的，因此具有极度多样化的特征其相对分子质量处于几千到几百 万范围内，并且分子结构还带有各种各样的官能团。由于e p s 中含有较多的硫酸 根、磷酸根和羧基等负电官能团，而氨基等正电官能团较少，因此几乎所有的活 性污泥表面电荷都是负值，其绝对值一般在0 2 o 6 m e q 蔷1 m l s s 之间。e p s 还 可以吸附金属、非金属、大分子物质。能与许多金属离子如c d 2 + ，c u 2 + ，c r + 和 p b 2 + 等螯合形成单价、双价或多价阳离子与自身阴离子结合的络合物乜3 。另外， e p s 通过连接细胞和其他物质以稳定污泥的絮体结构，为微生物提供最基本的生 长条件，同时从废水中吸收新陈代谢所需的营养，并形成保护屏障，抵抗苛刻的 第一章绪论 外界环境；e p s 还能改变污泥表面电荷、絮凝沉淀和脱水性能等性质。进而影响 到污泥处理的工艺瞳帕。总之，e p s 是活性污泥生物絮体的主要组成部分，在生物 絮体中既有有利的特性又有其不利的特性扭酊。而且在本文以后的理论研究中，将 会重点讨论污泥胞外聚合物e p s 与污泥吸附沉降机理的关系。 在目前的学术界，对于活性污泥对有机物的吸附作用存在不同的观点，大致 归纳为两种拉7 1 ： ( 1 ) 活性污泥对有机物质的吸附为物理吸附 根据理论，物理吸附( 如活性碳吸附) “捕获”的颗粒9 5 以上粒径小于l n m ， 分子量小于1 0 0 0 啪1 ，最大粒径不超过2 n m 1 。也就是说仅能吸附溶解性有机物。 日本学者渡边、古田等在用活性污泥降解醋酸、葡萄糖和淀粉等试验研究中 证实，当底物与活性污泥量的比值小于低值范围之内时，完全符合f r e u n d l i c h 吸 附等温式。 日本学者高野等以c 1 4 标记的葡萄糖及醋酸钠作为底物，用从活性污泥中分 离出来的产气杆菌进行降解试验，得出如下结果：初期降解不受叠氮化钠和二硝 基酚( - - 者都是通过抑制细胞的内源供应而抑制其主动输送过程的) 的抑制；在主 动输送完全停止的o 条件下，初期吸附率仍然可达8 0 ；将菌体用5 0 的高 温加以处理2 0 分钟后，仍能保持完全的初期吸附率；将菌体用溶菌酶加以破坏， 用细胞碎片进行试验( 细胞碎片含l 以下的活菌) ，醋酸钠的初期吸附率并不低。 试验结果表明，初期降解主要是物理吸附作用。 日本学者高桥等以用c m 标记的甘氨酸作为底物，用c u 2 + 处理过的和未经处 理的活性污泥进行对比试验，结果发现：底物降解率在1 分钟和1 小时后大都在 7 0 左右，几乎没有变化，说明降解是在极短时间内进行的。此外，对活性污泥 无论是用二硝基酚抑制吸收，或者用c u 2 + 灭活，降解率也只降低1 0 左右，因 此，试验者认为初期降解大部分是物理吸附作用。 ( 2 ) 活性污泥对有机物质的吸附为生物吸附 h e n k e l e k i a n 将混合液分别用空气、氮气和机械加以搅拌之后，比较其上清 液的浊度。结果表明，以使用空气的者最为清澈，以氮气者最为浑浊，而机械搅 拌者效果居中。因此，h e n k e l e k i a n 认为初期吸附是生物反应。 r u c h h o f t 等人进行了活性污泥吸附葡萄糖的试验，试验结果发现：活性污泥 能够迅速的将葡萄糖降解，其规律符合f r e u n d l i c h 吸附等温式。当温度上升到4 5 以上时，或者等温时，降解速度均会下降，即使不注入空气，降解速度也会下 降。根据这个试验结果，r u c h h o f t 等人认为活性污泥对葡萄糖的初期降解速度是 以酶促反应作为基础的，即初期降解是生物吸附作用。 将活性污泥加热杀菌，投加经灭菌处理过的葡萄糖，经曝气后用滤过器进行 第一章绪论 过滤，测定滤液的葡萄糖，其结果是葡萄糖浓度没有变化，说明并没有发生物理 吸附作用。 以人工合成废水和用这种废水培养的活性污泥通过振荡法进行b o d 的降解 试验，结果表明：温度在3 0 左右时，b o d 的降解量最大；同时，向废水中投 加h 。c 1 2 时，b o d 降解作用将会受抑制；如果将烧杯中的空气用氮气来代替， b o d 降解也受抑制。 日本学者秋野、杉本等用c u 2 + 将活性污泥灭活，对乙酸、葡萄糖仍产生吸附 现象，但是，未用c u 2 + 灭活的活性污泥，其降解量更大。故认为既有物理吸附作 用，但也存在生物吸附。此外，试验结果还证实，温度在3 5 左右时的降解量 最大，说明这是由酶产生的生物化学反应。 有关活性污泥与人工合成废水( 含有胨、砂糖、无机物) 混合吸附试验表明： 2 7 - - 2 9 时吸附量最大：5 0 - 5 7 时则产生负的结果，可以认为，能够引起酶变 性的高温具有抑制吸附的作用。 以上的诸多研究说明，活性污泥对有机物质的吸附过程，既不是简单的物理 吸附过程，也不是普通的生物吸附过程，而是两种这两种吸附过程的综合作用。 因此，污泥吸附过程比较复杂，其机理还没有一个比较固定的结论。 1 4 2 沉淀机理的研究 污泥吸附后要经过一个沉降过程，经过吸附净化处理的污水作为上清液排 出，整个反应才算最终完成。因此，需要对沉淀机理进行研究。 根据悬浮物质的性质、浓度以及絮凝性能，沉淀可以分为4 种类型啪1 。 第一类为自由沉淀，当悬浮物质浓度不高时，在沉淀的过程中，颗粒之间相 互不碰撞，呈现单颗粒状态，各自独立的完成沉淀过程。典型例子是砂粒在沉砂 池中的沉淀以及悬浮物浓度较低的污水在初沉池中的沉淀过程。自由沉淀过程可 由牛顿第二定律以及斯托克斯公式描述，公式形式为： 从该式可以看出： 甜：旦娑z 1 8 “ 。 ( 1 7 ) ( 1 ) 颗粒沉降速度“的决定因素是乓一岛，当b 乃时，甜呈正值，颗粒下沉；展= 岛时，甜= o ，颗粒在水中随机，不沉不 浮； ( 2 ) 颗粒沉降速度u 与颗粒的直径d 2 成正比，所以增大颗粒直径d ，可以大大 提高沉淀( 或者上浮) 的效率； 第一章绪论 ( 3 ) 与成反比，后者决定于水温和水质，在水质相同的条件下，水温高则 值小，有利于颗粒的沉淀( 或者上浮) ； ( 4 ) 由于污水中颗粒非球形，所以公式( 1 7 ) 不能直接用于工艺计算，需要加上 非球形修正过程，这里将不再赘述。 第二类为絮凝沉淀( 也称干涉沉淀) ，当悬浮物浓度约为5 0 5 0 0 m g l 时， 在沉淀过程中，颗粒与颗粒之间可能互相碰撞发生絮凝作用，是颗粒的粒径与质 量逐渐加大，沉淀速度不断加快，所以实际沉降速度很难用理论公式计算，主要 依靠实验测定。这类沉淀的典型例子是活性污泥在二沉池中的沉淀。 第三类为区域沉淀( 或称成层沉淀，拥挤沉淀) 当悬浮物浓度超过5 0 0 m g l 时，在沉淀过程中，相邻颗粒之间相互妨碍，干涉，沉淀速度大的颗粒也无法超 越沉淀速度小的颗粒，各自保持相对位置不变，并且在聚合力的作用下，颗粒 群结合成一个整体向下沉淀，与澄清水之间形成清晰的液一固界面，沉淀显示为 界面下沉。典型例子是二沉池下部的沉淀过程以及浓缩池开始阶段。 第四类为压缩，区域沉淀的继续，即形成压缩。颗粒间相互支承，上层颗粒 在重力作用下，挤出下层颗粒的间隙水，使污泥得到浓缩。典型的例子是二次沉 淀池的污泥斗中以及浓缩池中的浓度过程。 活性污泥在二次沉淀池以及浓缩池的沉淀与浓缩过程中，实际上都顺次存在 着第一、第二、第三和第四类型的沉淀过程，只是产生各类沉淀的时间长短不同 而已。 1 5 本文研究的内容与意义 目前，国内大部分的污水处理厂采用的都是活性污泥工艺。而一般情况下， 在活性污泥工艺中产生的大量的污泥，一部分回流到曝气池中继续参与反应，同 时也保持了系统中整体物质的平衡；另一部分则作为剩余污泥排出。而剩余污泥 数量大，处理费用高。 然而现在学术界对水厂污泥的使用又出现了某种前瞻性研究：对于小型的污 水处理厂，剩余污泥可以考虑回流到初次沉淀池，使其产生某种程度的生物絮凝 作用，提高初次沉淀池的去除效果。这里就是利用了前面提到的污泥“初期吸附 作用 ，以及污泥的絮凝沉降性。但是这样做的缺点就是增加了初次沉淀池的负 荷，而且由于活性污泥与剩余污泥相混合，使剩余污泥中有机成分得到了部分分 解，并进入污水中，提高了进入曝气池污水的b o d 值，增加了曝气池的负荷， 对后续的曝气处理带来不利的影响。 目前，将剩余活性污泥投加到初沉池污水中的这样一种方法，已经得到一定 第一章绪论 程度的应用。据报道，采用这种方法，可以使沉淀效率和有机物质的去除率可以 得到一定程度上的增加；并且投加的多为低浓度污泥。而本文主要研究较高浓度 条件下，剩余污泥吸附去除性能的变化。首先将讨论将污泥分别与来自初沉池进 口端、中段和出口端生活污水有条件混合反应时，污泥吸附能力的变化；通过对 污泥对有机物去除能力以及污泥吸附沉降性能的实验研究，探索影响污泥吸附性 能的诸多因素，如：污泥与污水的混合液浓度、污泥曝气时间等。通过模拟将污 泥以较高浓度回流至初沉池，参与絮凝沉淀这一过程，探索能发挥污泥最佳吸附 能力的污泥投加点，同时能够降低诸如初沉池出水负荷过高等不利因素的影响， 尝试为这一新的技术进行理论基础研究。 第二章污泥吸附特性实验研究 2 1 实验材料 第二章污泥吸附特性实验研究 实验所用剩余污泥取自唐山某污水处理厂，经过沉淀浓缩后m l s s 约为 1 0 0 0 0 m g l ；而实验中使用的生活污水分别取自该污水处理初沉池的进口、中段 和出口三个位置，物化性质均有所不同。这几种实验用水物化性质对比如表2 1 所示。 表2 1 几种实验用水物理化学性质对比 由上文中表1 1 可知，国内传统曝气池中污泥混合液浓度大多在2 0 0 0 - 3 0 0 0 m g l 之间。而由于本实验中污泥与原污水混合搅拌反应后的吸附沉降过程， 在一定意义属于新的研究领域，在污泥投加比例方面没有成熟的借鉴经验，还需 要在实验研究中进行探索，所以本文中直接模拟了活性污泥工艺中的反应环节， 利用所以实验混合液浓度将依据上述范围，将反应时泥水混合物浓度分别确定为 2 0 0 0m g l 、2 5 0 0m g l 和3 0 0 0 m g l ，集中考察在这三种不同的混合液浓度条件 下，污泥吸附特性的变化；而实验所用污泥经过浓缩后浓度约为10 0 0 0 m g l ，同 时在“污泥与生活污水反应 实验中，污水有机浓度相对较低，所以依据上面所 述的三种浓度，实验中采用的泥水混合比例均分别为约l ：4 、1 ：3 和1 ：2 。同 时为了表述的统一性，在本文实验的叙述中，凡是涉及到混合液浓度时，也可以 用“泥水混合比例”这个概念来代替。 2 2 实验装置 本实验为实验室烧杯实验，使用微型空压机污泥进行曝气预处理，模拟剩余 污泥再生过程；污泥与污水混合实验装置大致如图2 1 所示。 第二章污泥吸附特性实验研究 1 2 3 6 1 吸附沉降上清液2 吸附沉降污泥3 调速装置4 反应容器 5 搅拌转子6 磁力搅拌器7 电源开关 图2 1 实验装置简图 污泥吸附结束后，将混合液在1 l 的量筒中进行沉淀过程，使用秒表记录污 泥层沉降高度变化。 2 3 实验方法与步骤 实验中泥水总体积定为1 l ，由于本文忽略管壁粘滞对颗粒沉淀可能带来的 影响，所以污泥吸附后沉降高度的测量选择在1 l 的量筒中进行，用来测量混合 吸附后污泥的沉降高度变化。大致实验步骤如下： ( 1 ) 将已浓缩处理的污泥( m l s s 约为1 0 0 0 0 m g l ) ，分为不曝气( 曝气o h ) 、 曝气0 5 h 和曝气1 h 三组，备用，其中曝气溶解氧d o 浓度约为0 5 m g l ，属于 低浓度条件； ( 2 ) 取初沉池进口处污水约8 0 0 m l ，与体积为2 0 0 m l 的不曝气污泥混合( 泥