一种射流曝气反应器中污泥活性的研究

李皓　张东曙　邱立俊　屈计宁　周增炎　高廷耀
（1.同济大学国家污染控制与资源化研究重点实验室，上海 200092；2.上海石油化工股份集团公司环保中心，上海201500）

　　摘要：对 HCR（High-load Compat，Reactor）工艺系统中活性污泥呼吸作用进行了研究，并与传统曝气池中的活性污泥进行了比较。试验结果表明，HCR系统污泥的好氧速率和比表面积分别为传统活性污泥的3倍和1.8倍，说明HCR反应器中污泥的利用率和活性更高。
　　关键词：射流曝气；废水处理；活性污泥
　　中国分类号：X703　　文献标识码：A　　文章编号：1009－2455(2003)02－0043－04

Research on Activity of sludge in A Jet Aeration Reactor
LI Hao¹，ZHANG Dong-shu¹，QIU Li-jun²，QU Ji-ning¹，ZHOU Zeng-yan¹, GAO Ting-yao¹
(1.State Key Laboratory of pollution Control & Reouse，Tonpji University, Shanghai 200092，China；
2.The Environmental Protection Center of shanghai Petrochemical Company，Shanghai 201500.China）

　　Abstract：The respiration and adsortion of the activated sludge in HCR（High－load Compact Reactor）process system were studied,with comparisons made with the activated sludges in conventional aeration thanks.The results of the tests showed that the aerobic rate and specific surface area of the sludge in HCR system were 3　times and 1.8 times the corresponding values of the activated sludges with conventional processes respectively，indicating higher oxygen utilizatlon efficiency and better activity of the sludge in HCR.
　　Keywords：Jet－flow aeration；wastewater treatment；activated sludge

　　High－load Compact Reactor（以下称 HCR）工艺是德国Clausthal工业大学物相传递研究所于20世纪80年代发明的^[1]，该工艺采用射流曝气方式对微生物供氧，射流器喷头安装在反应器的顶部中央，循环水泵产生高压水流经喷头射人反应器并产生负压吸人空气，在水流和气流共同作用下使喷头下方形成高速紊流剪切区，将吸人的空气分散成细小的气泡。在循环水泵的作用下，混合液在反应器中循环往复运行，反复充氧，在此过程中活性污泥被不断剪切，形成了细密的絮凝体。
　　活性污泥法的净化作用中，起主导作用的是活性污泥^[2]。性能优良的活性污泥应具有很强的吸附性能和分解有机污染物的能力。由于射流器的剧烈混合、水力剪切作用，必然使HCR中的活性污泥在形态和生理特性上有别于传统活性污泥法曝气池中的活性污泥，而衡量HCR污泥活性可以通过考察活性污泥的呼吸作用和吸附性能来完成。

l 试验方法与过程

1.1 活性污泥呼吸作用的测定
　　污泥制备过程：首先，活性污泥用孔径小于1mm的纱布过滤后，用生理盐水经离心机离心洗涤3次；然后，将洗涤后的污泥用pH值为7的磷酸盐缓冲溶液稀释，配制成一定浓度的活性污泥悬浊液备用；最后加人等量自制亏水后，用去离子水将制备的悬浊液污泥的质量浓度稀释至3g/r。此外，测定活性污泥的内源呼吸作用时^[3]，预先将污泥空曝24h后再行制备，再用去离子水将悬浊液污泥的质量浓度稀释至3g/L。污泥呼吸作用测试方法与HCR混合液耗氧速率测试方法相同。该试验作为对比试验，严格控制负荷、水温和搅拌强度一致。
1.2 活性污泥吸附性能的测定
　　采用染料吸附法，选用次甲基兰（MethyleneBlue）作为吸附物质分别对活性污泥的吸附性能进行测试。步骤如下：首先，精确配制各种标准浓度的染料溶液，用722型分光光度计在652 mm（次甲基兰）波长下，以去离子水为空白，比色测定。以染料标准溶液的浓度为横坐标，对应的溶液吸光度（A）为纵坐标，所得的标准曲线如图1；然后，将5mL。经纱布过滤后并搅拌均匀的活性污泥混合液移人 100 mL的容量瓶内，分别用 10 μg／mL的次甲基兰溶液稀释到刻度，振荡。比色测定不同时间染料溶液的吸光度，从而确定活性污泥对染料的吸附平衡时间；最后，配制不同浓度的染料溶液。取1mL活性污泥混合液，置于 100 mL容量瓶内，用上述各种不同浓度溶液稀释到刻度。使吸附达到平衡后，取出混合液于离心机内离心3 min，取上清液比色测定吸光度，在标准曲线上查得对应的质量浓度后计算吸附量，试验温度为17℃。

2 试验结果与讨论

2.1 HCR与曝气池活性污泥呼吸作用的比较
　　为了比较 HCR 污泥与传统活性污泥法的污泥活性，在相同温度（25℃）、相同质量浓度（3 g／L）、相同水质条件下测试了HCR和某石化水质净化厂曝气池活性污泥的耗氧速率。试验结果如图2。
　　从图2可以看出，HCR活性污泥耗氧曲线斜率的绝对值大于曝气池活性污泥耗氧曲线斜率的绝对值，对两条耗氧曲线分别进行线性拟合，求得石化水质净化厂曝气池活性污泥耗氧速率（以O2计，下同）为8.7 mg／L·h），而 HCR活性污泥耗氧速率为 25.7 mg／（L·h），后者约为前者的 3倍，表明HCR活性污泥对有机污染物分解速率快，污泥活性强。

　　图3为HCR与曝气池活性污泥内源呼吸速率测量结果。从图3可以看出，HCR活性污泥内源呼吸线斜率的绝对值大于曝气池活性污泥内源呼吸线斜率的绝对值，对两条内源呼吸线分别进行线性拟合，求得曝气池活性污泥内源呼吸耗氧速率为5.9ms／（L·h），而HCR活性污泥耗氧速率为10.0 mg／（L·h），后者是前者的 1.7倍，HCR活性污泥内源呼吸作用相对较强，表明HCR活性污泥中活性组分含量高。更新速率快。

2.2 活性污泥吸附性能的测试结果
　　通过 HCR对石化废水的运行特性研究发现^[4]，HCR 对污染物的去除主要是由活性污泥的吸附作用引起的，考察活性污泥的吸附性能，不仅可以判断污泥的再生效果，还可以比较出不同运行条件、方式等状况下污泥性能的好坏。
2.2.1 活性污泥对染料吸附平衡时间的确定
　　测定结果见表1： 表1 活性污泥对次甲基兰吸附时间与溶液吸光度的变化

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测定时间/min 0.5 1 3 5 10 15 20 30

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AHCR 0.29 0.182 0.180 0.177 0.176 0.165 0.163 0.166 A曝气池 0.427 0.218 0.203 0.199 0.189 0.195 0.180 0.185

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　　从实验结果可知：两类活性污泥对染料的吸附经振荡 10 min后即达到平衡，30 min内吸附量基本保持不变，据此确定吸附平衡时间为 10 min。
2.2.2 求解活性污泥对染料的饱和吸附量
　　用吸附平衡后测得的吸光度，在图1上查得相应的质量浓度后计算吸附量Qe。单位质量污泥的平衡吸附量计算公式为：
Q_e=（P_O＋P_e）·V／m　　　　　　　　　（1）
　　式中：
　　ρ_O——溶液的初始质量浓度，mg／L；
　　ρ_e——吸附平衡质量浓度，mg／L；
　　V——吸附溶液的总体积，L；
　　m——加人溶液的活性污泥的质量，g。
　　以Q_e为纵坐标，以ρ_o为横坐标，作Q_e-P_o吸附等温线，如图4所示：

　　从图4可以看出，两类活性污泥对染料的吸附符合单分子层吸附，符合朗格缨尔（Langmtrir）吸附等温式，且HCR污泥吸附量高于曝气池污泥吸附量。根据朗格缨尔单分子层吸附理论，当染料与活性污泥达到吸附饱和后，吸附与脱附处于动态平衡，这时染料分子铺满整个活性粒子表面而不留下空位。则污泥对染料的吸附量和初始浓度满足如下关系式：
　　ρ_o／Q_e=（Q_∞·K）^-1＋ρ_o／Q_∞（2）
　　式中：
　　ρ_o——各吸附溶液的初始质量浓度，mg／L；
　　Q_e——各初始质量浓度 ρO下单位质量污泥的平衡吸附量，mg／g［MLSS］；
　　Q_∞——饱和吸附量，mg／g［MLSS］；
　　K——吸附平衡常数（与温度有关）;
　　作ρ_o／Q_e——ρ_o图如图5所示。

　　从图5可以看出，HCR污泥对染料吸附的ρ_o／Q_e—Q_e曲线的斜率均小于曝气池污泥对染料吸附的ρ_o／Q_e--ρ_o曲线的斜率，而饱和吸附量Q_∞和斜率呈倒数关系，所以HCR污泥饱和吸附量大于曝图5 活性污泥对次甲基兰吸附曲线气池污泥饱和吸附量，HCR吸附性能相对较佳。由图的斜率求出污泥的饱和吸附量Q_∞后，再结合ρ_o／Q_e--ρ_o。曲线的截距便可得到吸附平衡常数K（17℃）。
2.2.3 计算活性污泥的比表面积
　　活性污泥的比表面积的计算公式为：
　　S＝（Q_∞·L·σA）／（M·1000）　　　（3）
　　式中：
　　L——伏伽德罗常数；
　　σ_A——每个吸附分子在吸附齐上占据的面积；
　　M——吸附分子的相对分子质量；
　　已知次甲基兰分子式为C₁₆H₁₈N₃SCI，相对分子质量为319.85；次甲基兰的吸附有三种取向[5]，分别为平面吸附、侧面吸附和端基吸附，当次甲基兰在活性污泥上为端基吸附取向时，每个分子所占据的面积最小，此时 σ_A 为 39 × 10^-20 m²，代人测得的 Q_∞ 可以计算出活性污泥至少所具有的比表面积S，计算结果见表2。
　　根据计算，HCR活性污泥比表面积是曝气活性污泥比表面积的1.8倍，这是由于HCR采用射流曝气方式，水力剪切作用使污泥颗粒更为细小所造成的。

表2 活性污泥的吸附性能测定结果

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项目 Q_∞ MB/(mg·g^-1[Mlss]) KMB S/(m2·g^-1[Mlss])

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HCR污泥 62.0 0.25 45.5 曝气池污泥 34.5 0.57 25.3 HCR/曝气池 1.8 0.44 1.8

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注：Q_∞ MR 表示活性污泥对次甲基兰的饱和吸附量；KMB 表示活性污泥对次甲基兰的吸附平衡常数；S为活性污泥至少所具有的比表面积。

3 结论

　　①HCR与曝气池活性污泥呼吸作用的比较结果表明，HCR污泥耗氧呼吸速率约为曝气池活性污泥的3倍，说明HCR活性污泥对有机污染物分解速率快，污泥活性强；内源呼吸速率测量结果说明HCR活性污泥中活性组分含量相对比曝气池活性污泥中活性组分含量高、更新速率快。
　　②HCR与曝气池活性污泥的吸附性能的测试结果表明，两类活性污泥对染料的吸附符合单分子层吸附，符合朗格缨尔（Langmuir）吸附等温式，且HCR污泥饱和吸附量高于曝气池污泥饱和吸附量，这是由于HCR采用射流曝气的方式，污泥颗粒更为细小而使其表面积更大的缘故。

参考文献：

　　[1] Vogelpohl A. Biolgische reinigung von abawaessern mit dem kompaktreaktor[J].Chemical Industry.1985,37 (10):43-46.
　　[2]高廷耀. 水污染控制工程（下）[M]. 北京：高等教育出版社，1989.[7]-174.
　　[3]李燕城. 水处理实验技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2000 114-116.
　　[4]汪海峰. HCR处理石化废水的试验研究[J]. 工业用水与废水，2002，33（3）：54－56.
　　[5] 蔡显鄂. 物理化学实验[M]. 北京：高等教育出版社，1993.187-190.

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作者简介：李皓（1978－），湖北孝感人，上海同济大学环境 科学与工程系硕士研究生、研究方问为水污染控制，lipennyhao＠hotmail.com。