改性玉米芯強化CASS系統(tǒng)除磷試驗研究*

楊爽，賈永勝，蔡東旭

（1.安陽工學院化學與環(huán)境工程學院，河南安陽455000；2.山西大學資源與環(huán)境工程研究所山西太原030000; 3.河南理工大學化工學院河南焦作454010）

改性玉米芯強化CASS系統(tǒng)除磷試驗研究*

楊爽1，賈永勝2，蔡東旭3

（1.安陽工學院化學與環(huán)境工程學院，河南安陽455000；2.山西大學資源與環(huán)境工程研究所山西太原030000; 3.河南理工大學化工學院河南焦作454010）

吸附法具有吸附容量大、能量消耗少、污染小、吸附速度快和可循環(huán)再生等優(yōu)點，在廢水除磷領域有廣泛的應用前景。在CASS系統(tǒng)中通過對改性玉米芯、活性污泥及二者混合處理廢水的對比試驗，結果表明，二者混合后對COD和TP的處理效果要明顯高于改性玉米芯和活性污泥分別單獨存在時，COD的去除率可分別提高34%和18%，TP的去除率可分別提高38%和7%，并且可縮短反應時間。在CASS反應器中添加改性玉米芯可提高廢水的除磷效果，具有一定的可行性。

CASS；改性玉米芯；活性污泥；TP

CASS工藝是在序批式活性污泥法基礎上發(fā)展起來的。該工藝由生物選擇區(qū)和主反應區(qū)兩部分組成。生物選擇區(qū)用以促進微生物繁殖、菌膠團形成并抑制絲狀菌的生長。CASS工藝在時間上由于主反應區(qū)的間歇曝氣而形成好氧/缺氧/厭氧3種環(huán)境，并且這3種環(huán)境不斷循環(huán)，這就為除磷提供了必需的外界條件，不足之處是除磷效果較差。其原因在于：整個過程中厭氧環(huán)境出現(xiàn)的時間很短，只是在沉淀或排水階段有短暫的厭氧環(huán)境，而且由于可利用的溶解性有機基質不足，使聚磷菌釋磷不充分，影響到下一階段的好氧吸磷。

目前，污水除磷的方法有化學法、電解法、生物法、吸附法、土壤處理法和膜技術處理法等［1］。其中吸附法由于具有吸附容量大、能量消耗少、污染小、吸附速度快和可循環(huán)再生等優(yōu)點，在除磷方面得到了廣泛的應用。吸附法除磷是利用某些多孔隙或大比表面積的固體物質對水中磷酸根的親和力來實現(xiàn)除磷的過程［2］。用單一材料直接吸附磷的研究已經(jīng)成熟，現(xiàn)在的主要研究方向已經(jīng)轉為對材料進行改性后用于磷的吸附研究。玉米芯作為農業(yè)廢棄物，產(chǎn)量大，改性后的玉米芯有較好的吸附作用，?？捎糜谒幚碇小１疚耐ㄟ^靜態(tài)吸附實驗，對比分析改性玉米芯、活性污泥、二者混合3種情況對CASS系統(tǒng)中TP去除效果的影響，探討活性污泥中投加改性玉米芯提高廢水除磷效果的可行性。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本試驗裝置是一個CASS反應器，反應器用有機玻璃粘接而成，外形尺寸為：長L=64.5cm，寬B=25cm，高H=41cm，有效體積為60L，其中預反應區(qū)體積為6L，主反應區(qū)體積為54L。試驗裝置見圖1。進水、回流以及剩余污泥排放均采用蠕動泵，并在蠕動泵上設置定時器進行定時控制。進水方式為上部進水，生物選擇區(qū)采用限制性曝氣的方式，使DO≤0.5mg·L-1，主反應區(qū)采用好氧脈沖曝氣的方式，設置定時器使好氧、缺氧和厭氧交替運行，以實現(xiàn)頻繁硝化-反硝化。主反應區(qū)出水采用潷水的形式，由于試驗條件有限，采用蠕動泵＋浮標的簡易形式來代替潷水器，并在蠕動泵上設置定時器進行定時控制，可以實現(xiàn)邊沉淀邊排水，效果比較理想。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.2 試驗用水及污泥

以人工配制的生活污水為對象，COD為300～400mg·L-1，TP為5～6mg·L-1。

活性污泥取自安陽某水務有限公司，該污水處理廠以處理生活污水為主，采用帶前置厭氧段的普通曝氣活性污泥法。本實驗所用污泥取自厭氧回流段，污泥濃度MLSS為3790mg·L-1。玉米芯取自安陽某農田。

1.3 改性玉米芯的制備方法

試驗采用農業(yè)廢棄物玉米芯作為原材料制備改性玉米芯。玉米芯中主要成分為：半纖維素、木質素、纖維素。玉米芯改性方法較多，其目的是通過改性生成比表面積大、孔結構規(guī)則的吸附劑[3]。本試驗以玉米芯為原料，磷酸為活化劑、硼酸為催化劑，按一定比例混合、攪拌，在烘箱內烘至無液體時放入馬弗爐在450℃加熱40～50min，制得樣品后用蒸餾水洗至中性，離心分離后將粉末烘干，制得改性玉米芯備用。

1.4 分析方法

COD及TP均采用國家標準方法測定［4］，即COD采用重鉻酸鉀法，TP采用鉬銻抗分光光度法。

2 結果與討論

2.1 改性玉米芯對廢水的處理效果

2.1.1 不同投加量對處理效果的影響在錐形瓶中加入125mL COD為355.9mg·L-1，TP為5.62mg·L-1的生活污水，分別投加1、3、5、7、9、11g改性玉米芯在25℃恒溫振蕩器中吸附6h，取上清液，檢測COD和TP的去除效果。結果見圖2。

圖2 不同投加量對處理效果的影響Fig.2 Effect of different quantity on treatment efficiency

由圖2可見改性玉米芯吸附125mL污水中COD及TP的最佳投加量為7g，相當于56g·L-1。

2.1.2 不同吸附時間對處理效果的影響在錐形瓶加入125mL COD為340.7mg·L-1、TP為5.62mg·L-1的生活污水，加入7g的改性玉米芯，25℃恒溫振蕩器中振蕩吸附6h，每隔30min取一個水樣，測定其吸附廢水的效果。結果見圖3。

圖3 不同吸附時間對處理效果的影響Fig.3 Effect of different time on treatment efficiency

從圖3可以看出，隨著吸附時間的延長，COD的濃度呈逐漸降低的趨勢。從吸附開始到吸附時間達到240min時，COD及TP的濃度逐漸降低。分析其原因在于：吸附過程是一個動態(tài)的平衡過程，存在吸附和解析兩個過程。吸附開始時，改性玉米芯的比表面積較大，能夠對水中的COD進行有效的吸附，隨著吸附時間的延長，改性玉米芯表面的空間越來越少，能夠供COD存在的空間越來越小，吸附逐漸達到平衡狀態(tài)。由圖3可見改性玉米芯對COD和TP的吸附平衡時間為240min。

2.2 活性污泥對廢水的處理效果

向錐形瓶內加入125mL COD為335.6mg·L-1、TP為5.62mg·L-1的生活污水后加入MLSS為3790mg·L-1的活性污泥25mL，25℃下在數(shù)顯恒溫振蕩器中振蕩6h，每隔30min取出一個樣品，測定活性污泥對COD和TP的去除效果。結果見圖4。

圖4 活性污泥對廢水的處理效果Fig.4 Effect of activated sludge on wastewater efficiency

從圖4可以看出，隨著污泥和污水反應時間的延長，COD的去除率逐漸降低，由最始的335.6mg· L-1可降低到214.0mg·L-1。當反應時間從0min達到120min的過程中，COD的降低幅度較大，120min以后COD的降低幅度有所減緩。分析其原因在于：所取污泥為安陽某水務有限公司帶前置厭氧段的普通曝氣活性污泥法厭氧回流段的污泥，污泥中含有大量的反硝化菌和聚磷菌，這兩種菌對碳源的需求較高，會利用污水中的有機物進行除磷和脫氮。前期COD降低幅度較大時是反硝化菌和聚磷菌主要是利用水中的小分子可溶解態(tài)的有機物進行生物反應，隨著小分子可溶解態(tài)有機物數(shù)量的較少，部分大分子有機物會被微生物利用轉變?yōu)樾》肿佑袡C物，因此造成后期COD的降低幅度有所減緩。而TP的濃度前期降低幅度很大，后期濃度呈逐漸升高趨勢。由于所污泥取自厭氧回流段，污泥中包含大量聚磷菌，初期污水中COD的濃度較高，聚磷菌可充分利用碳源進行好氧吸磷反應，但是從圖4上可以看出，當反應時間從0min到240min的過程中，TP的濃度從5.19mg·L-1降低到3.85mg·L-1，但是由于空氣中的溶解氧含量較低，因此，造成TP的去除效率不太高。當反應時間超過240min后，TP的濃度呈上升趨勢，分析其原因可能是隨著反應時間的延長，錐形瓶內出現(xiàn)了厭氧環(huán)境，在此環(huán)境下聚磷菌利用污水中的COD發(fā)生了厭氧釋磷的反應。

2.3 改性玉米芯聯(lián)合活性污泥對廢水的處理效果

向錐形瓶內加入125mL COD為340.9mg·L-1、TP為5.62mg·L-1的生活污水后加入改性玉米芯7g以及MLSS為3790mg·L-1的活性污泥25mL，25℃下在數(shù)顯恒溫振蕩器中振蕩6h，每隔30min取出一個樣品，測定活性污泥對COD和TP的去除效果。結果見圖5。

圖5 改性玉米芯聯(lián)合活性污泥對COD去除效果的影響Fig.5 Effect of modified corn cob on wastewater efficiency

從圖5可以看出，隨著時間的延長，COD的濃度逐漸降低。當反應時間從0min到300min的變化過程中，COD的濃度降低幅度較大，從340.9mg·L-1降低到180.3mg·L-1，300min以后COD濃度又呈現(xiàn)出升高的趨勢?；钚晕勰啾旧硪彩且环N很好的吸附劑，巨大的表面積為活性污泥充分吸附污染物提供了廣闊的空間，而活性污泥上棲息的微生物也在污泥絮凝吸附過程中起著重要的作用。正是因為微生物的存在而使得活性污泥的吸附行為與普通吸附劑有所不同。本實驗將活性污泥與改性玉米芯混合后與污水發(fā)生反應，除了微生物隨水中有機物的生物反應以外，同時還發(fā)生了活性污泥和改性玉米芯對污水中物質的雙重吸附。因此，從數(shù)據(jù)可以看出，二者混合后污水中COD的濃度值最低。而TP隨著時間的延長，濃度變化成先降低后升高的趨勢。當反應時間從0min到180min的變化過程中，TP的濃度降低幅度較大，從5.62mg·L-1降低到2.64mg·L-1，180min以后TP濃度又呈現(xiàn)出升高的趨勢，而且變化較為平緩?；钚晕勰嘀写嬖诘木哿拙肅OD對污水中的磷可以有效去除，這在活性污泥處理廢水中TP的試驗中已經(jīng)證實。改性玉米芯本身可對水中TP的吸附也可使其濃度降低。

2.4 改性玉米芯、活性污泥及二者混合處理廢水的對比分析

圖6、7分別為改性玉米芯、活性污泥及二者混合情況下對COD和TP的處理效果。

圖6 混合時的COD、污泥二者改性玉米芯活性Fig.6 Effect of Modified corn cob,activated sludge and the mixture of COD

從圖6可以看出，改性玉米芯單獨存在時，反應時間達到240min時，反應達到吸附平衡狀態(tài)；濃度MLSS為3790mg·L-1的活性污泥單獨存在時，反應時間達到120min時，污泥對COD處理效果達到最低值，120min以后雖有波動但變化幅度較為平緩；而當改性玉米芯與活性污泥二者混合時，在210min以后，對COD的處理效果要明顯高于改性玉米芯和活性污泥分別單獨存在時。當反應時間為210min時，3種形式下COD的濃度分別為318.5、247.3、251.2mg·L-1，活性污泥和二者混合對COD的去除效果基本相差不到，但是要明顯高于活性炭單獨存在時。210min以后改性玉米芯和活性污泥二者混合后對COD的去除處于絕對優(yōu)勢，改性玉米芯和活性污泥單獨存在時，COD的變化趨勢基本趨于平緩，只有二者混合后COD是處于急劇下降狀態(tài)。因此，玉米芯活性炭和活性污泥可以彼此促進吸附反應的進行，有利于提高COD的去除效果。

圖7 玉米芯活性污泥二者混合的TPFig.7 Effect of Modified corn cob,activated sludge and the mixture of TP

從圖7可以看出，玉米芯活性炭和活性污泥分別單獨存在時，對TP的處理效果變化不大，隨著反應時間的延長，TP的變化曲線較為平緩；而當兩者混合后，可以發(fā)現(xiàn)TP的濃度變化較大。當反應時間達到180min時，TP的濃度達到最低值，對TP的處理效果要明顯高于改性玉米芯和活性污泥分別單獨存在時。因此，改性玉米芯和活性污泥二者混合后可大大提高TP的去除效果。

3 結論

本論文通過靜態(tài)吸附試驗，通過改性玉米芯、活性污泥以及二者混合的對比試驗結果表明，在CASS系統(tǒng)中投加改性玉米芯對廢水中COD和TP的去除效果優(yōu)于單獨使用改性玉米芯或活性污泥，而且可以在一定程度上縮短反應時間。在生物反應器中添加改性玉米芯可提高廢水的除磷效果，具有一定的可行性。

［1］吳燕,安樹林.廢水除磷方法的現(xiàn)狀與展望［J］.天津工業(yè)大學學報,2001,20（1）：74-78.

［2］鄭興燦,李亞新.污水除磷脫氮技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998.

［3］宋肄業(yè),宋艷.玉米芯改性方法的研究進展［J］.安全與環(huán)境工程,2008，（6）：72-74.

［4］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法（4版）［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社,2002.

Experimental study on degradation of TP in CASS by modified corn cobs*

YANG Shuang1，JIA Yong-sheng2，CAI Dong-xu3
（1.Anyang Institute of Technology,Anyang 455000,China;2.Shan xi University,Taiyuan 030000,China; 3.Hnan Poiytechnic University,Jiaozuo 454010,China）

The advantages of adsorption are as follows:high capacity,low energy consumption,low pollution,rapid removal,and can be circulated.Based on modified corn cobs,activated sludge wastewater treatment and the combination of contrast test in CASS,the results show that the combination of COD and TP removal efficiency,activated carbon and activated sludge were significantly higher than exist alone,COD removal rate can be increased by 34% and 18%respectively,and TP removal rate can be increased by 38%and 7%respectively,and can shorten the reaction time.The effect of wasterwater treatment can be improved by modified corn cobs joint activated sludge,and has certain feasibility.

CASS；modified corn cob；Activated sludge；TP

X703.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170130

2016-11-28

河南省重點科技攻關（142102310190）；河南省教育廳科學技術研究重點項目資助計劃（14A610011）

楊爽，（1980-），女，碩士，講師，主要研究方向：化學化工、水污染分析及技術研究。