活性污泥對污水中有機(jī)物的吸附降解實(shí)驗(yàn)

王彬蔚

摘 ? ? ?要：針對當(dāng)前生活污水處理問題，結(jié)合當(dāng)前的廢水處理技術(shù)，提出一種活性污泥處理方法，并對活性污泥處理的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行探討。結(jié)果表明，在溫度為30 ℃，活性污泥濃度為4 000 mg/L，pH值為8的情況下，活性污泥的吸附能力最佳。同時通過吸附平衡實(shí)驗(yàn)表明，活性污泥對污水中有機(jī)物的吸附和降解包含快吸附和慢吸附，并經(jīng)一段時間得到平衡。

關(guān) ?鍵 ?詞：活性污泥;有機(jī)物;吸附;降解

中圖分類號：X703 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2019）12-2813-04

Abstract： In view of the current domestic sewage treatment problems， combined with the current wastewater treatment technology， an activated sludge treatment method was proposed， and the optimal process parameters of activated sludge treatment were investigated. The results showed that the adsorption capacity of activated sludge was the best when the temperature was 30 ℃， the concentration of activated sludge was 4 000 mg/L and the pH value was 8. At the same time， the adsorption equilibrium experiments showed that the adsorption and degradation of organic matter in sewage by activated sludge included fast adsorption and slow adsorption， and the adsorption reached the equilibrium over a period of time.

Key words： Activated sludge; Organic matter; Adsorption; Degradation

當(dāng)前，生活污水污染正在成為一個非常突出的問題，并逐步受到人們的關(guān)注。解決當(dāng)前的生活污水問題，是提高城市居民生活質(zhì)量的重點(diǎn)。目前生活污水污染物主要來自人類的排泄物、洗滌水等，這些污水散發(fā)惡臭、渾濁，呈微堿性，其主要成分通常包括油脂、微生物、蛋白質(zhì)、脂肪等，并且還存在易于揮發(fā)的有機(jī)物等。在生活污水的主要組成成分中，無毒有機(jī)物的含量占絕大部分，比例在60%左右，并且懸浮的有機(jī)物占其中的75%以上。而隨著城市污水排放的增加，其自凈化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后與排放的速度，進(jìn)而導(dǎo)致污染物的含量超出人體自身所能承載的范圍，最終導(dǎo)致水體嚴(yán)重受到污染。因此，加強(qiáng)對污水的凈化處理，成為當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)。而在水凈化處理中，吸附降解是一種常見的途徑，并受到學(xué)術(shù)界的歡迎。李金璞（2018）認(rèn)為[1]，活性污泥具有很強(qiáng)的吸附能力，從而通過吸附去除水中的污染物;王明竹（2018）則[2]通過提高活性污泥活性的方式，對活性污泥進(jìn)行培養(yǎng)和馴化;周貴忠（2017）則[3]研究了不同鹽度的活性污泥對染料廢水的處理效果;鄧天天等（2018）則[4]通過吸附平衡試驗(yàn)，研究了活性污泥和PAM對廢水中重金屬鎘的吸附機(jī)理。由此可以看出，對活性污泥在廢水凈化中的應(yīng)用問題，都做了大量的研究。本文則在上述基礎(chǔ)上，結(jié)合吸附平衡試驗(yàn)，以溫度、pH值和活性污泥濃度對廢水的處理效果進(jìn)行分析，以找到最佳的處理工藝參數(shù)，并研究其內(nèi)在吸附機(jī)理，為廢水處理工藝提供實(shí)踐案例。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)原材料

本文的原材料主要采用表1。

1.2 ?主要設(shè)備

本試驗(yàn)主要采用的儀器設(shè)備為：恒溫振蕩器，常州潤華電器有限公司;pH計(jì)，上海雷磁儀器廠;熒光分光光度計(jì)，日立公司;溶解氧儀，美國HANNA ;臺式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠;空氣壓縮機(jī)，廣東海利;光學(xué)顯微鏡，上海儀圓光學(xué)儀器廠。

1.3 ?活性污泥

本試驗(yàn)用污泥選自南京某污水處理廠曝光池中的泥水混合液，其污泥濃度大約為3 000 mg/L， pH在7.0左右。經(jīng)光學(xué)顯微鏡觀察，該污泥呈現(xiàn)菌膠團(tuán)架構(gòu)致密，菌種多，同時粒徑較小，比表面積大，具有加大的吸附量。對選用的活性污泥，用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行持續(xù)供氧曝光，經(jīng)6 h后，用臺式離心機(jī)進(jìn)行分離，最終倒掉上清液，將沉淀物進(jìn)行清洗，保存于冰箱中。

1.4 ?檢測方法

本文采用重鉻酸鉀法對污水中的COD進(jìn)行測定，然后用熒光光度計(jì)進(jìn)行掃描。

1.5 ?試驗(yàn)方法

1.5.1 ?吸附平衡試驗(yàn)

本吸附實(shí)驗(yàn)采用恒溫振蕩器進(jìn)行振蕩平衡實(shí)驗(yàn)。振蕩器溫度設(shè)定為25 ℃，轉(zhuǎn)速控制在 130 r/min。具體的步驟可以分為：取一定數(shù)量的大小為250 mL的錐形瓶，在其中加入200 mL的活性污泥和污水，調(diào)節(jié)污泥濃度為4 000 mg/L，然后封口置于恒溫振蕩器中，并分別在 0、1、2、3、4、5、6、7、8 h 時對樣品進(jìn)行取樣，測定污水中的COD值。為消除測樣可能存在的干擾問題，在每部分的實(shí)驗(yàn)中加入空白實(shí)驗(yàn)組，用去離子水代替活性污泥。

1.5.2 ?不同實(shí)驗(yàn)因素設(shè)置

在本文中，主要探討不同污泥濃度、反應(yīng)溫度和pH值對活性污泥廢水處理效果的影響，并以COD值作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在吸附平衡實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同的影響因素條件。具體根據(jù)上述的因素，設(shè)置不同的試驗(yàn)條件：

實(shí)驗(yàn)條件1：污泥濃度設(shè)定為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mg/L，恒溫振蕩器溫度 25 ℃，轉(zhuǎn)速130 r/min。當(dāng)吸附平衡后，測量COD值，然后取上清液，用0.45μm 微孔濾膜進(jìn)行過濾，最后用熒光關(guān)度計(jì)進(jìn)行掃描。同時為防止干擾，設(shè)置以空白對照組。

試驗(yàn)條件2：用硫酸和氫氧化鈉分別調(diào)節(jié)5、6、7、8、9不等的pH值。污泥濃度設(shè)置為 4 000 mg/L，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件1的試驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)條件3：污泥溫度設(shè)定為15、20、25、30、35 ℃，污泥濃度設(shè)定為4 000 mg/L，按照試驗(yàn)條件1的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 ?吸附平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究認(rèn)為，當(dāng)污水中的有機(jī)會在遇到活性污泥時，會迅速被吸附在污泥絮體的表面上，從而使得污水中的有機(jī)物濃度迅速降低[5]。而通過這種吸附，完成污水中有機(jī)物的吸附和降解是同時進(jìn)行。同時，在吸附一段時間后，污水中的有機(jī)物濃度不再降低，此時則認(rèn)為吸附和降解達(dá)到飽和，也就是所謂的平衡狀態(tài)。之所以進(jìn)行平衡實(shí)驗(yàn)的目的，就是要探討吸附的內(nèi)在的機(jī)理，即實(shí)驗(yàn)過程中，在一定的實(shí)驗(yàn)條件下達(dá)到吸附平衡的時間，平衡速率等。對此，設(shè)置污泥的濃度為4 000 mg/L，污水的初始COD濃度為440 mg/L ，在25 ℃的條件下，每隔1 h測定污水中的COD值。具體結(jié)果見圖1所示。

根據(jù)圖1看出，隨著吸附時間的變化，污水中的COD值和去除率也在不斷的變化。其中COD值在活性污泥與污水接觸的初期，污水中的COD濃度迅速降低，此后吸附速率減小。同時在1 h后，吸附開始變得較為緩慢，并逐步開始變得平緩，最終在2 h的時候u，其吸附量和去除率基本都不再變化。說明在2 h的時間點(diǎn)上，本吸附實(shí)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到平衡，此時的COD去除率為50.4%。

而通過上述的結(jié)果，也驗(yàn)證了以往的研究成果，那就是活性污泥在對污水進(jìn)行吸附降解的過程中，前期是以快速吸附為主。在這個階段，活性污泥快速對有機(jī)物進(jìn)行吸附，主要原因是活性污泥表明的生物活性細(xì)胞快速與有機(jī)物結(jié)合;在慢吸附階段，活性污泥微生物細(xì)胞吸附達(dá)到基本飽和，其傳輸速率較為緩慢。因此，在整個吸附的過程中，主要是以表面吸附為主，并且吸附平衡的時間是2 h。

2.2 ?污泥濃度對吸附效果的影響

根據(jù)上述設(shè)定的試驗(yàn)條件，得到在 l 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mg/L 的污泥濃度下，得到吸附結(jié)果，具體見圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，其中的COD值、去除率則表示在不同濃度下，活性污泥在吸附的過程中，污水的COD濃度隨著污泥濃度的增加而逐步的減小，當(dāng)污泥濃度弄1 000 mg/L 增加到 5 000 mg/L 的階段，整體COD的去除率從原來的 38%直接上升到65%，同時吸附率增加27.4%。而在這個過程中，當(dāng)污泥濃度在從4 000 mg/L到5 000 mg/L變化的時候，其去除率略有上升，但是上升幅度不大。出現(xiàn)這個結(jié)果的原因，是因?yàn)槲勰酀舛鹊脑黾樱谝欢ǔ潭壬显黾恿嘶钚晕勰啾砻娴拿娣e，進(jìn)而增加了吸附官能團(tuán)的數(shù)量，最終使得吸附的位置增多，增強(qiáng)了吸附作用，進(jìn)而提高了COD的去除率。但是當(dāng)污泥濃度達(dá)到一定的值后，COD的濃度不載減少，這主要是因?yàn)闈舛冗^大，導(dǎo)致污泥開始變得擁擠，進(jìn)而過多的污泥覆蓋了污泥中的部分有效吸附點(diǎn)，最終降低吸附能力。

而通過上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，在加入活性污泥對污水有機(jī)物進(jìn)行去除的過程中，當(dāng)投入的活性污泥濃度為4 000 mg/L 時，此時的COD去除率最高，去除效果也最好。

2.3 ?不同pH值對污泥吸附性能的影響

在活性污泥中，其中活性污泥細(xì)胞包含著大量的氨基酸成分，這就導(dǎo)致活性污泥介質(zhì)屬于兩性電解質(zhì)。在某pH值下，這種兩性電解質(zhì)接受，或給出質(zhì)子的程度是相等的，換句話說，就是所帶的正電荷和負(fù)電荷的數(shù)量是相等的，而其整個分子所帶的電量是為零的。這個等電電一般情況下是介于1～3的pH值之間。一旦溶液的pH值大于這個點(diǎn)，那么整個污泥就呈現(xiàn)為負(fù)電性，而一旦pH值是小于這個值，那么其整體就表現(xiàn)為負(fù)電性。電性的變化，則直接導(dǎo)致活性污泥整體特性的變化，最終影響整體的吸附性能。在本文中，則設(shè)置不同pH值。而根據(jù)部分學(xué)者的研究，認(rèn)為活性污泥表面的微生物適宜 pH值介于5～9之間，因此，本文設(shè)置的pH值則為5、6、7、8、9。在上述的pH值下，得到活性污泥的吸附結(jié)果，具體見圖3所示。

通過圖3的吸附結(jié)果看出，活性污泥的吸附對COD的去除率，是逐步變大，pH=5的情況下，COD去除率為31%，當(dāng)pH=8時，COD去除率上升到48%。同時根據(jù)圖3的結(jié)果得出，隨著pH值濃度的增加，污水的COD濃度也在逐步的減小。但是，當(dāng)pH=9的時候，COD去除率變小，污水中的COD濃度適當(dāng)增加。出現(xiàn)這個結(jié)果的主要原因，是pH值增加，提高了活性污泥表面微生物的活性，進(jìn)而加快了其吸附，但是隨著pH值的增加，其當(dāng)超過一定的值后，則會抑制活性污泥表面微生物的活性，進(jìn)而造成其吸附能力降低，由此出現(xiàn)污水中的COD值增加。因此，選擇pH=8為最佳的值。

2.4 ?溫度對污泥吸附性能的影響

活性污泥表面微生物的活動，與溫度有很大的關(guān)系。而在一般情況下，活性污泥的溫度介于15～35 ℃最佳。對此在該區(qū)間設(shè)定不同的溫度組數(shù)，并根據(jù)平衡試驗(yàn)，得到圖4的吸附結(jié)果。

根據(jù)圖4看出，則該溫度區(qū)間內(nèi)，活性污泥對污水中COD的去除率逐步上升，此后當(dāng)溫度在30 ℃的時候，COD的去除率達(dá)到最大，為60%，此后隨著溫度的上升，活性污泥對污水中COD的去除率在逐步變低。造成以上的結(jié)果，其主要的原因是在15～30 ℃之間，隨著溫度的上升，活性污泥表面的微生物活性在不斷的增加，并且在30 ℃的時候，活性污泥的去除得到最大。這是由于在這個溫度時，活性污泥表面的微生物活性達(dá)到最大。

另外，污泥與水中有機(jī)物的吸附存在傳質(zhì)阻力。當(dāng)溫度升高，溶液內(nèi)離子擴(kuò)散運(yùn)動夾具，造成溶液中的活化離子增多，進(jìn)而提高了微生物表面離子與有機(jī)物的交換，以此促進(jìn)了吸附的平衡。但是的那個溫度過高的情況下，離子擴(kuò)散運(yùn)動的速度在加快，當(dāng)吸附平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性則阿境地，進(jìn)而又導(dǎo)致部分污泥表面原本吸附的有機(jī)物又釋放到水中，最終導(dǎo)致COD上升。

3 ?結(jié) 論

通過上述的實(shí)驗(yàn)研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①在活性污泥吸附的過程中，在初期是快速吸附和降解，此后是慢吸附，最終經(jīng)過一段時間達(dá)到平衡;

②考察不同污泥濃度對吸附的影響，當(dāng)污泥濃度在4 000 mg/L的時候，其吸附性能最佳;

③當(dāng)吸附環(huán)境的pH值為8的情況下，活性污泥的吸附性能最佳，吸附去除率達(dá)到最大;

④吸附溫度在30 ℃的時候，活性污泥的吸附性能最佳，此時的COD去除率為60%。

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