（环境工程专业论文）吸附—生物降解厌氧序批式活性污泥法（abasbr）工艺运行机理.pdf

吸附一生物降解厌氧序批式活性污泥法( a b a s b r ) 工艺 运行机理 摘要 本课题在中温3 5 - t - 1 范围内，p h 保持在6 9 - 7 5 之间，以全脂 奶粉进行人工配水，用两套试验装置对比了普通厌氧序批式活性污泥 法( a s b r ) 与吸附一生物降解厌氧序批式活性污泥法( a b a s b r ) 工 艺的处理效果。研究结果表明a b a s b r 工艺能显著提高出水水质净 对c o d 为2 0 0 0 m g l - 1 的进水，其出水c o d 在1 0 0 m g l 。以下，采用 a b a s b r 工艺两段的c o d 总去除率可达到9 5 - - - - 9 6 。a 段反应器 初期快速去除c o d 的时间为3 0 m i n ，此时的c o d 相对于进水总c o d o 的去除率可达到8 0 ，且以厌氧颗粒污泥对非溶解性c o d 的初期快 速吸附作用为主，发生生物降解反应去除的c o d 只是其中的一小部 分。 试验在容积负荷为l g c o d ( l d ) j 的条件下，对a 段反应器去除 c o d 的不同影响参数进行了比较，通过试验可以得出结论： 1 、搅拌对初期快速去除c o d 和挥发性脂肪酸v f a 有较大的影响， 试验通过改变不同的搅拌条件来考察其影响作用，通过试验得出结 论：连续搅拌在初期快速去除c o d 过程中是最佳的搅拌条件； 2 、不同的进水时间对c o d 和v f a 也有影响，试验设定了不同的 进水时间。通过试验得出结论：进水时间控制在1 5 m i n 左右，其c o d 的去除率较好，而且v f a 在整个反应过程中较为稳定，且总v f a 值 相对较小； 3 、改变不同a 段进水停留时间，使两段反应器所需的总时间t 最短。通过实验得出结论：a 段进水停留时间为6 0 m i n ，出水c o d 在 1 0 0 m g l - 1 以下并且所需的总时间最短。 由于不同的废水中胶体含量不同，本试验设定了三种a 段进水胶 体含量，比较了a 段6 0 m i n 反应结束后的出水c o d 和v f a 、b 段生 物降解反应结束后的出水c o d 和总去除率的变化规律。结果表明： 胶体含量越高初期快速去除c o d 所需的时间越长，生物降解反应所 需的时间也越长，但是出水c o d 均小于1 0 0m g l - 1 。 试验研究了容积负荷为l 2 5 9 c o d ( l d ) 。条件下，a 段、b 段的 c o d 以及总去除率、出水s s 和两段反应所需的最短时间t 的影响。 从试验可以得出结论：随着负荷的逐渐增大，c o d 的总去除率和a 段出水s s 都呈上升的趋势，所需的总时间在3 5 4 h 之间。 由于a 、b 段各自的进水基质不同，产生的优势菌群也不同，b 段颗粒污泥的半饱和常数( k ) 仅为5 4 m g c o d l _ 左右，说明b 段反 应器中的污泥对底物具有较高的亲和性，提高了出水水质。 关键词：厌氧序批式活性污泥法；吸附；生物降解；非溶解性c o d ； 半饱和常数( k ) o p e r a t i o n a lm e c h a n i s m o f a d s o r p t i o n b i o d e g r a t i o n a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o rp r e c e s s a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h em a n m a d es e w a g ew h o s em a i ni n g r e d i e n tw a st h e w h o l em i 墩p o w d e r ，p hw a sm a i n t a i n e db e t w e e n6 9 7 5 ，t e m p e r a t u r e w a sk e p ti nt h er a n g eo f3 5 c o m p a r e dw i t ht h et r e a t e m e n te f f e c to ft e s t e q u i p m e n tf o rt h eg e n e r a la n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( a s b r ) a n da d s o r p t i o nb i o d e g r a d a b l e a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( a b a s b r ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea b a s b rp r o c e s sc a l l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v ew a t e rq u a l i t y w h e n t h ei n f l u e n t c o n t a i n sc o d 2 0 0 0m g l ，t h ee f f l u e n tc o dw a sb e l o w1 0 0m g l 一，t h a ti st h et o t a l r e m o v a lo fc o di su pt o9 5 - 9 6 b ya d a p t i n gt ot h ep r o c e s so f a b a s b ri ft h ei n f l u e n tw a sk e p ti nt h ear e a c t o rf o r3 0i l l i n t h e i n f l u e n tc o di 1 1 t ot o t a lc o d or e m o v a lc o u l dr e a c h8 0p e rc e n tb yt h e e a r l yr a p i dr e m o v i n g t h e r e a s o nw h yc o dw a sd e c r e a s ew a st h a tr a p i d l y a b s o r b e db e c a u s eo ft h ea n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eo nn o n s o l u b l ec o d r a p i da d s o r p t i o no nt h ee a r l ys t a g e sm a i n l y i t so n l yas m a l lp a r tc o d w a s g o tr i db yp r o d u c i n gm e t h a n eg a s t h e r ea r em a n yf a c t o r si nt h ee x p e r i m e n tf o rt h ea n a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e u n d e rt h ec o n d i t i o no fv o l u m el o a do fig c o d ( l d ) ，t h et w o p a r a m e t e r so fe a r l yr a p i dr e m o v a lc o d w a sc o m p a r e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t ： 1 、s t i r r i n gf r e q u e n c yh a sa n e f f e c to nt h ea d s o r p t i o no fc o da n d v o l a t i l ef a t t ya c i d sv f a i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c e ，c h a n g i n gt h e s t i r r i n gf r e q u e n c y ，ac o n c l u s i o nw a st h a tt h ec o n t i n u o u sm i x i n gi st h e b e s t 2 、w i t ht h ec h a n g eo fi n f l u e n tt i m e ，t h ea d s o r p t i o no fi n f l u e n tc o d a n dv f aw a sa l s od i f f e r e n t i n f l u e n tt i m ew a sc o n t r o l l e da b o u t15m i n ， t h ee f f e c to fr e m o v a lc o dw a sb e t t e r i nt h ee n t i r ep e r i o d ，v f aa d s o r p t i o n w a ss t a y e dr e l a t i v e l ys t a b l e ，a n dt h et o t a l 纡翻w a sr e l a t i v e l yl o w e r 3 b ya l t e r i n gt h ed i f f e r e n ti n f l u e n tt i m ei np a r a g r a p ha ，i tc a l lb e d e t e r m i n e dt h a t l et i m eo f 出ee f f i u e n tc o dt oam i n i l u m m a i n t a i n e d t h es a m ec i r c u m s t a n c e s ，t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h er e q u i r e dt i m es h o r t e s t a d s o r p t i o nr e t e n t i o nt i m ew a s6 0m i n ，t h ee f f l u e n tc o dw a sb e l o w10 0 m g l b e c a u s eo ft h ev o l u m eo fd i f f e r e n ts o l u b i l i t yo fo r g a n i ci nt h e d i f f e r e n tw a s t e w a t e r , i nt h eb e s tr u n n i n gc o n d i t i o n ，t h ec o n t e n to f f l o w w a sc h a n g e d ，a tt h ee n do ft h ep a r a g r a p h ，ac o m p a r i s o no ft h er e t e n t i o n t i m et h ec o da n dv f a c h a n g e si nt h el a wa n di nc o m p a r i s o ns e c t i o nb b i o d e g r a d a b l ee n da f t e rt h ee f f l u e n tc o d a r ei nt h e10 0m g l b e l o w u n d e rt h ec o n d i t i o n so fv o l u m e t r i cl o a d i n go f1 2 5g c o d ( l d ) 一，c o n c l u s i o nt h a ti st h eu l t i m a t er e m o v a lo fc o d o ft h ee f f l u e n to f t h e r e m o v a lo fc o di nt h ep a r a g r a p haa n dt h es so fe f f l u e n tg o tu p w a r d t r e n di np a r a g r a p hbc a nb ed r a w nf r o mt h ee x p e r i m e n t s t h ew a t e r q u a l i t yw a sg o o d ，t h er e q u i r e dt i m ew a s a n dt h ei m p a c to ft w oo ft h e s h o r t e s tr e s p o n s et i m er e q u i r e df o rt c o n c l u s i o n sc a nb e ：a st h el o a di s g r a d u a l l yi n c r e a s i n g ，t h eb e s tw a t e ri nt h et i m er e q u i r e db e t w e e n3 5 4h t h a n k st ot h ed i f f e r e n ti n f l u e n ts u b s t r a t e ，b e t w e e np a r a g r a p haa n d b ，s u p e r i o r i t yc o l o n yw a sn ot h es a m e t h ev a l u eo ft h eh a l f - s a t u r a t i o n c o n s t a n t ( k s ) w a so n l ya b o u t5 4m g c o d l i np a r a g r a p hb t h ew a t e r q u a l i t yo fe f f l u e n tc a i lb eh i g h t e ns i n c et h ea n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e o w n e da f f i n i t y v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒蔓垒垒日期： 参四8 、寸) 2 - 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学梭可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：全王堕墨兰：日期： 导师签名：日期： 渺蚤r l 22 o 甜x z 乙 第一章引言 1 1 研究课题的提出及意义 1 1 1 厌氧序批式反应器( a s b r ) 的优势 厌氧序批式反应器( a n a e r o b i cs q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r 简称a s b r ) 是美国 d a g u e 教授于2 0 世纪9 0 年代初开发的一种高速厌氧反应器( 美国专利号：5 ，1 8 5 ， 0 7 9 ) 。a s b r 是间歇运行的非稳态厌氧生物反应器【l j ，每个运行周期分为进水、 反应、沉淀、排水、闲置五个阶段。具有以下优势： 1 、a s b r 中高效的生物絮凝作用有利于厌氧颗粒污泥的形成，为高效稳定的 运行奠定了基础，同时也降低了厌氧微生物对底物抑制的敏感性，提高了对有机 污染物生物降解的速率，能够承受较高的有机负荷，使反应器的容积减小； 2 、a s b r 本体内部进行沉淀，为生物分离提供了理想的条件，不需外设澄清 设备，减免了出流中脱气的工序，也无需三项分离器；不需要污泥回流、出水循 环；反应器间歇进水，不会出现短流，反应器底部不需要复杂的配水系统。与其 他厌氧设备相比，具有设备构造简单、操作容易的优势。 3 、a s b r 可处理高浓度的有机废水，当废水浓度较高时，不需要大量的稀释 水。对微生物固体有着稳定的截留能力，表现在它对高浓度悬浮固体s s 有较强 的适应性和处理效能，这也是其它厌氧反应器和生物滤池所不及的。 4 、a s b r 在进水结束时f m 处于最高值，为微生物代谢活动和基质转化速率 提供了强大的驱动力。在反应末期f m 降到最下限，又为生物絮凝和生物分离提 供了理想的条件犯3 1 。 5 、经a s b r 处理后的出水可生化性改善，有利于后续的降解。 a s b r 具有高速、简洁、节能经济、能源可回收利用、操作灵活、适用性强 等诸多优势，尤其适合于我国环境污染状况急需改善、能源短缺、环境保护资金 不足的现状，在我国工业废水、城市废水、农业废水废物的生物处理领域具有广 泛的应用前景。国内外文献 4 - 7 报道了用a s b r 处理动物排泄物、屠宰废水、制奶 酪废水、焦化废水等多种有机废水的结果，研究结果表明a s b r 反应器中底物， 微生物( f m ) 比值随时间变化的固有特征使其具有显著的动力学优势。 1 1 2a s b r 的不足之处 1 、厌氧方法虽然负荷高、去除有机物的绝对量与迸液浓度高，但其出水c o d 浓度高于好氧处理，原则上仍需要后处理才能达到较高的排水标准f 8 】。在实践中， 在废水的厌氧处理之后往往再辅以好氧处理作为其后处理。 北京工业大学郑晓英等人进行了a s b r - s b r 串联工艺处理垃圾渗滤液的试验 研究【9 j 。垃圾渗滤液的c o d 约为6 0 0 0 m g l ，a s b r 和s b r 的周期均为2 4 h ，在 常温下运行，结果前期用a s b r 的c o d 去除率为5 0 ，s b r 的c o d 去除率为 6 5 ，总c o d 去除率可达8 6 8 。 周春洪，葛丽英等人伽采用a s b r + s b r2 1 2 艺进行处理小流量的生活污水的 试验研究，该生活污水的c o d 为2 5 0 - 3 5 0 m e 扎，结果表明，先通过a s b r 反应 器对污水起到平衡、均化作用，但是c o d 去除率仅为5 0 左右，再通过后续s b r 反应器去除才能够使出水达标，使该工艺用于处理小城镇生活污水。 以上的试验情况都表明，普通的a s b r 反应器只是使污水经过沉淀、水解酸 化性质相对稳定，能去除部分c o d ，其后都需要再经过后续的好氧处理才能达到 出水标准。然而后续的好氧生物处理利用好氧微生物的代谢活动来处理废水，它 需要不断向废水中补充大量空气或氧气，以维持反应器中好氧微生物所需要的足 够的溶解氧浓度。在好氧条件下，有机物最终被氧化为水和二氧化碳，部分有机 物被微生物同化以产生新的微生物细胞。所以a s b r + s b r 处理工艺需要较高的 投资和成本，后续的好氧处理消耗了较高的能源，后续处理需要的营养也高于厌 氧工艺。而且好氧处理中充足的自由能能产生更多的剩余污泥量，而且脱水性能 较差，不利于剩余污泥的处理。 2 、a s b r 在时间上是严格的推流式反应器，运行操作上是按照进水、反应、 沉淀、排水、闲置顺序完成，是间歇运行的非稳态厌氧生物处理过程。从微生物 学角度看，a s b r 进行着间歇性的发酵，随着最初底物不断向中间产物转移，反 应器中甲烷菌群的组成及优势菌都随之不断更替，形成一个不稳定的生态系统， 导致了甲烷八叠球菌和甲烷丝菌都难以充分发挥各自的生化优势： 2 一方面，多数a s b r 反应器中的产甲烷菌以甲烷丝菌为主，为了保持产酸菌 和产甲烷菌之间的平衡，其有机负荷一般不宜过大，牺牲了甲烷八叠球菌对底物 利用速率高的功能； 另一方面，a s b r 反应器中的厌氧颗粒污泥是由水解菌、产酸菌和产甲烷菌 构成的混合菌群，是甲烷丝菌对底物的转化反应较为完全的潜力未能充分挖掘， 这也是a s b r 的不足。 1 1 3 提出吸附一生物降解厌氧序批式活性污泥工艺( a b a s b r ) 的基本思想 l 、甲烷八叠球菌与甲烷丝菌的动力学特征 厌氧反应器中产生的沼气中有7 0 来自乙酸的裂解，甲烷八叠球菌 ( m e t h a n o s a r c i n a ) 和甲烷丝菌( m e t h a n o t h r i x ) 是厌氧消化产甲烷作用中最重要 的乙酸裂解产甲烷菌n 2 1 。厌氧颗粒污泥依据生物颗粒上的优势产甲烷菌种的不 同，厌氧颗粒污泥分为两种类型：一种是甲烷八叠球菌( m e t h a n o s a r c i n a ) 为主 体的球形颗粒污泥，粒径约为0 1 - 0 5 m m ，比重轻，较为密实。这种颗粒污泥是 以乙酸为主要底物，反应器中需维持高水平的乙酸浓度，表面水力负荷及表面产 气率产生的水力、气力分级作用要相对较弱。对基质的亲和力较低，k s = 4 0 0 m g r 1 ， 但是最大比利用速率很高，= 6 l o g c o d ( g v s s d ) - l i t 2 。另一种是甲烷丝菌 ( m e t h a n o t h r i x ) 以丝状的产甲烷杆菌为主体的颗粒污泥，外层缠绕着各种形态的 产甲烷杆菌的丝状体，粒径约为1 3 m m 。一般认为底物的种类、浓度和工艺运行 条件对所形成颗粒污泥的类型和质量有着重要的影响。对基质有较高的亲和力， k s = 2 0 m g l ，但是最大比利用速率较低，k m a x - - - 2 4 9 c o d ( g v s s d ) j 1 2 1 。在a s b r 反应器中这种菌种出现的频率极高，在乙酸浓度较高的消化液中和较弱的分级作 用下有利于形成甲烷八叠球菌，在乙酸浓度较低和较高的分级作用时有利于形成 甲烷丝菌。 2 、厌氧颗粒污泥对有机物的初期吸附性能 初期吸附快速降解现象是好氧活性污泥中普遍存在的，它是物理、化学和生 物共同作用的结果。生物吸附剂组成复杂，又具有生物活性，吸附应该既包括生 3 物污泥对溶解性物质的吸附和吸收作用，也包括微细颗粒物质在污泥表面的吸着 作用以及被污泥絮体包裹的作用。微生物对化学物质和颗粒物质的摄入或积累被 定义为生物吸附。m o r e n s o n 【l 引开发了厌氧生物吸附工艺，并申请专利( 美国专利 号：2 ，6 6 1 ，3 3 2 ) 。s c h r o e p f e r 和z i e m k e t l 4 1 5 1 采用相同工艺以厌氧生物作为吸附 剂，发现厌氧生物吸附工艺能处理温度较低的悬浮固体浓度的废水；研究者们还 发现生物对有机物的初期吸附是相当迅速的，不超过半小时即能达到平衡。 许多研究者都证明厌氧条件下的污泥吸附量少于好氧条件下的吸附量l l6 1 7 j ， 根据最初u l k i c h 和s m i t h 提出的生物吸附工艺的理论基础，胶体物质通过物理吸 附迅速吸附到微生物絮体表面，接下来才有酶的减少和溶解性物质的降解。活性 污泥主要吸附的是悬浮物和胶体。为了应用厌氧生物的吸附作用成功的处理废 水，研究厌氧生物对胶体物质和溶解性的吸附性能是非常必要的。 刘美霞【l 引研究了厌氧活性污泥和厌氧颗粒污泥中温条件下的吸附性能。比较 了厌氧活性污泥和厌氧颗粒污泥对有机物的初期快速去除作用；同时研究了迸水 浓度和闲置期对吸附能力的影响，确定了吸附平衡时间，吸附类型和吸附等温线。 实验结果表明厌氧活性污泥和颗粒污泥对有机物有很强的初期吸附去除作用，在 1 5 r a i n 之内，有7 0 - - - 9 0 的胶体物质被去除。在相同进水条件下，颗粒污泥的 单位吸附量略大于絮状污泥，但去除速率比絮状污泥大得多。通过比较高温灭菌 方式灭活的厌氧活性污泥和厌氧颗粒污泥的吸附性能得出结论，厌氧活性污泥和 厌氧颗粒污泥对有机物的初期吸附以生物吸附为主。进水浓度对吸附量有很大的 影响，随着进水浓度增加，吸附量也增加。浓度越高，厌氧颗粒污泥对有机物的 单位吸附量就越大，吸附速率的变化更明显。厌氧序批式反应器运行过程中设置 闲置期可以提高厌氧污泥的初期吸附作用。厌氧序批式反应器中颗粒污泥对非溶 解性有机物的吸附去除过程和规律，直接影响到判断不同废水水质对厌氧序批式 反应器的适用性。 3 、a b a s b r 基本思想 借鉴a b 工艺的运行模式，提出了吸附一生物降解厌氧序批式活性污泥法 ( a b a s b r ) 工艺的构想( 如图1 1 所示) ，即：a 段在短水力停留时间、高有 机负荷条件下运行，反应器中存在较高的乙酸浓度适应甲烷八叠球菌的生存环 4 态愿理王太堂亟班究生堂僮论塞 境，该阶段的主要功能是厌氧活性污泥对进水中的非溶解性( 选负荷交替) 有机 污染物起到吸附( a d s o r p t i o n ) 去除作用；b 段进水以溶解性的有机物为主，进行 生物降解反应。 近水 出水近水 a 段反应器b 段反应器 l 吸附一生物降解运行模式生物降解运行模式。 图1 - 1a b - a s b r 工艺运行模式 f i g u r e l 一1o p e r a t i o ns c h e m eo f a b - a s b rr e a c t o r a b - a s b r 也可以认为是一种两相厌氧消化，但与c s t r 反应器系统两相厌氧工 艺有不同之处，c s t r 反应器系统将产酸相反应器置于主要的产甲烷反应器前可以明 显改善运行，并且使产酸与产甲烷分开，通常也用两个反应器，一个反应器以产酸 为主，其中p h 值维持在“5 ；另一个反应器是以产甲烷为主，其p h 范围在6 5 8 2 之间；两相的最佳p h 值范围明显的不同，使每一相都保持了它们各自最佳条件【1 2 1 。 而a b a s b r 系统虽然也是分别在a 、b 两个反应器中进行，但两个反应器中都是既 有产酸菌又有产甲烷菌，并且以产甲烷菌为主，p h 范围都保持在中性条件下，为 6 9 7 5 。只是在两个反应器中产甲烷菌的优势菌群不同，a 段反应器初期快速去除 c o d 过程进水负荷高，水力停留时间短，反应器中的乙酸浓度高，产生的优势菌群 为甲烷八叠球菌；b 段为生物降解阶段，进水负荷较低，进水乙酸浓度较低，产生 的优势菌群为甲烷丝菌。由于甲烷丝菌属对基质有较高的亲和力，所以提高了出水 水质。 1 2 研究目标及内容 1 2 1 研究目标 本课题研究对象为用全脂奶粉进行的人工配水，验证a b a s b r 工艺的实用 性和经济性，使最终的出水水质较好。 1 2 2 研究内容 研究内容包括： l 、比较普通a s b r 和a b - a s b r 工艺， 2 、确定吸附达到平衡所需的时间，通过测定初期快速去除c o d 过程中的产 气量和气体组分来验证初期快速去除c o d 是以生物吸附为主； 3 、确定最佳参数条件：最佳进水时间、最佳搅拌频率、最佳a 段进水停留 时间； 4 、考察在最佳参数条件下，出水水质最好所需的总时间t ； 5 、通过改变进水胶体含量，比较初期快速去除c o d 所需的时间、两段所需 的总时间以及出水水质情况； 6 、各种容积负荷条件下，对a 、b 段c o d 去除率的影响，再生期结束后出 水s s 的变化，两段总时间的变化范围； 7 、分析反应器的去除机理，确定两个反应器在两种不同的运行模式下各自的 动力学常数。 6 态厘堡王太堂亟班究生堂僮途塞 第二章文献综述 2 1 生物吸附理论和研究发展 许多工业废水含有难降解的有机物，这些有机物很难或根本不能用常规的生 物法去除，例如a b s 和某些杂环化合物，这些物质可用吸附法加以去除。 2 1 。1 吸附的概念和类型 1 、 吸附的概念 在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象称为吸附。吸附作用虽 然可以发生在各种不同的相界面上，但在废水处理中，主要利用固体物质表面对 废水中物质的吸附作用。 吸附法就是利用多孔性的固体物质，是废水中的一种或多种物质被吸附在固 体表面而去除的方法。具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂，而废水中被 吸附的物质则称为吸附质。 2 、 吸附类型 按照吸附剂与吸附质作用本质的不同，吸附可以分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附时，吸附剂和吸附质分子之间以范德华引力相互作用；而化学吸附时， 吸附剂与吸附质分子间发生化学反应，以化学键相结合。两者不是截然分开的， 有时可能同时发生，并且在不同的情况下，吸附性质也可以发生变化。 国内外很多研究者就活性污泥絮体对有机污染物的吸附作用类型进行了研 究，但由于实验条件的差异，很多研究者得出了不同的结果。 高桥等用c 1 4 标记的甘氨酸作底物，用通过c u 2 + 处理过后的和未处理的活性 污泥进行对比试验，结果表明，其降解率在l m i n 和1 h 后都为7 0 左右，几乎没 有变化，说明降解是在极短的时间内进行的，此外，对活性污泥无论是用二硝基 酚抑制吸收，还是用c u 2 + 灭活，降解率只降低1 0 左右，因此他们认为初期降解 主要为物理吸附过程。高野等研究发现活性污泥中分离出的产气杆菌对葡萄糖及 醋酸钠的降解过程中，初期降解不受叠氮化钠的和二硝基酚的抑制；在主动输送 完全停止的0 c 条件下，或在5 0 c 下处理2 0 m i n 后，仍能具有较高的降解率，将 菌体用溶菌酶加以破坏，用细胞碎片进行试验，醋酸钠的降解率并不降低，都证 明初期降解的大部分为物理吸附作用n 外。n i n g 和k l e i n 也通过实验证明了厌氧生 物吸附是物理过程1 2 0 2 。 另外一些研究者却得出了相反的结论，r u c h h o f t 等进行了活性污泥吸附葡萄 糖的实验，当温度上升到4 5 以上和降到低温时，降解速度均下降，且不注入空 气时也会下降，据此，他们认为活性污泥对葡萄糖的初期降解速率是以酶促反应 作为基础的，因此初期降解是生物吸附过程。 刘美霞【8 1 研究了厌氧活性污泥和厌氧颗粒污泥中温条件下的吸附性能。通过 比较高温灭菌方式灭活的厌氧活性污泥和厌氧颗粒污泥的吸附性能得出结论，厌 氧活性污泥和厌氧颗粒污泥对有机物的初期吸附以生物吸附为主。 因此，以活性污泥的吸附是否受外界条件影响，物理的或化学的影响，判断 酶是否参加了反应，把生物吸附分为物理吸附和生物中间代谢吸附。这只是两种 主要的吸附类型，事实上，有机物的初期吸附是一个混合过程，有物理化学过程， 部分物理吸附和生物吸附等。 3 、吸附剂 从广义而言，一切固体表面都有吸附作用，但实际上，只有多孔物质或磨的 很细的物质，由于具有很大的表面积，所以才有明显的吸附能力。废水处理中常 见的吸附剂有活性碳，腐殖质酸、磺化煤、活化煤、木炭、焦炭等。 生物污泥是近年来广受关注的微生物吸附剂其组成复杂，包含大量不同种属 的微生物，对重金属和有机物均有较好的吸附能力。生物污泥吸附剂通常包括活 性污泥、厌氧污泥、膜污泥、不同方法失活的污泥等。一般认为生物污泥中活的 或死的微生物细胞的表面物质，如细胞膜和细胞膜外的胞外聚合物等与水中污染 物通过分子力、静电力、离子交换、络合、螫合、微沉淀等物理、化学过程将污 染物累积或浓集在微生物细胞表面的现象就是生物污泥吸附。而细胞膜主要成分 为多糖、蛋白质、脂类等，它们以及细胞膜表面的胞外聚合物含有很多官能团，如： 羧基、羟基、硫酸基、磷酸基、氨基等，可以为吸附提供吸附位点。生物污泥具有 巨大的表面积和吸附位点，对染料，重金属，胶体等去除率高，且来源广，成本低，因 而国内外有许多学者对其进行了研究。最早由r u c h h o f t 提出，以活性污泥为吸附 剂去除废水中的p u 2 3 9 。此后，国内外研究者围绕生物吸附剂进行了广泛而深入的 太厦堡兰态堂亟班宜生堂焦途室 研究，早期的生物吸附剂主要是指微生物，如原核微生物中的细菌、放线菌、真 核微生物中的酵母菌、霉菌等，以及藻类。但目前生物吸附剂的研究范围已不仅 限于微生物，例如吸附剂可以是动植物碎片等无生命的生物物质，也可以是活的 植物系统。生物吸附剂最早被用来吸附废水中的重金属离子，应用目的是净化水 质。目前，随着研究的深入，生物吸附剂的应用领域逐渐被扩展到富集回收贵金 属和脱除燃料、难降解和有毒害的有机物幽1 。 2 1 2 影响吸附的因素 1 、吸附剂种类，浓度和颗粒大小 不同的吸附剂由于其结构的不同、比表面积的不同，其最大吸附量也不同。 吸附剂的浓度越大，则总的吸附位点越多，总吸附量大，去除效率也高。吸附颗 粒的大小仅对吸附速率有影响，对吸附量没有明显的影响。吸附剂颗粒越大，达 到吸附平衡时所用的时间越长。 由于吸附现象是发生在吸附剂表面上，所以吸附剂的比表面积越大，吸附能 力就越强。吸附剂的种类不同，吸附效果也就不同。一般是极性分子( 或离子) 性的吸附剂易吸附极性分子( 或离子) 性的吸附质，另外，吸附剂的颗粒大小， 细孔的构造和分布情况以及表面化学性质等对吸附也有很大的影响。吸附剂粒径 太大、太小都不利于吸附处理。一般，对于金属离子来说，吸附剂的粒径在1 - 3 m m 之间是比较适宜的，这与金属离子的吸附剂中的内扩散及吸附剂内表面积的利用 状况有判2 3 1 。 2 、吸附质的性质 吸附质在废水中的溶解度对吸附有较大的影响。一般吸附质的溶解度越低， 越容易被吸附。 吸附质的浓度对吸附也有影响。浓度较低时，由于吸附剂表面大部分是空着 的，因此提高吸附质浓度会增加吸附量，但浓度提高到一定程度后，再行提高浓 度时，吸附量虽然仍有增加，但速度减慢。这说明吸附表面已大部分被吸附质所 占据，当全部吸附表面被吸附质占据时，吸附量就达到极限状态，以后吸附量就 不再随吸附质的浓度的提高而增加了。 9 2 、o h 值 对每种特定的吸附体都有一个最适介质p n ，般在4 - 8 之间，在其它条件 相同时，最适p h 条件下的吸附量最大。最适p h 随菌种和金属而异。溶液的p h 随时间延长会发生变化，直至吸附终止阱1 。污水的p h 值对吸附有影响，活性炭 一般在酸性下比在碱性条件下有较高的吸附量。吸附反应通常是放热反应，因此 温度低对吸附反应有利。厌氧颗粒污泥的最佳p h 值范围是6 5 - 8 。部瑞莹等口5 】 通过研究厌氧颗粒污泥吸附4 一氯酚后认为，对于吸附剂厌氧颗粒污泥来讲，p h 值对 其表面带电特征影响也很大。通常情况下，细胞表面是带负电的。当p h 值很小时， 厌氧颗粒污泥表面被水合氢离子所包围，并且带正电，这便使得4 一氯酚苯环( 带有 o h 一和c l 一活化基团) 能够与厌氧颗粒污泥表面吸附位置之间更迅速、更牢固地结 合，因此吸附量比较大而当p 1 4 值较大时，厌氧颗粒污泥表面电负性加大，并且由于 此时牟氯酚主要以带负电的离子形式存在，因此根据同性相斥的原理，此时，4 一氯酚 不容易被厌氧颗粒污泥表面所吸附，故吸附量较小。 3 、温度 温度主要通过影响生物吸附剂的生理代谢活动、基团吸附热动力和吸附热 容等因素，进而影响吸附效果2 6 1 。因为物理吸附过程是放热过程，温度升高吸附 量减少，反之吸附量增加。温度对气相吸附影响较大，但对液相吸附影响较小。 生物污泥对金属离子的吸附，因为温度会影响酶活性，从而影响金属离子的胞内 吸收，而且表面吸附是个物化现象，和温度的高低相关；污泥颗粒小，可以增加和 金属离子接触的机会，有利于去除速率的提高。 4 、接触时间 在进行吸附时，应保证吸附质与吸附剂有一定的接触时间，使吸附接近平衡， 充分利用吸附能力。吸附平衡所需时间取决于吸附速度。吸附速度越快，达到吸 附平衡所需要的时间就越短。一般而言，生物吸附剂需要2 - 4 h 或更长的时间才 会达到较理想的去除效率。 2 1 一吸附速度 吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。固体吸附剂吸附能力的大 小可用吸附量来衡量。在水处理中，吸附速度就决定了污水需要与吸附剂接触的 1 0 态厦翌至太堂亟硒究生堂僮途童 时间。吸附速度快，则所需的接触时间就短，吸附设备的容积就小。吸附剂对吸 附质的吸附效果，一般用吸附容量和吸附速度来衡量。所谓吸附速度是指单位重 量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。吸附速度决定了废水和吸附剂的接触 时间。吸附速度越快，接触时间就越短，所需的吸附设备容积就越小。吸附速度 取决于吸附剂对吸附质的吸附过程。水中多孔的吸附剂对吸附质的吸附过程可分 为3 个阶段： 第一阶段称为颗粒外部扩散阶段，在吸附剂颗粒周围存在着一层固定的溶剂 薄膜。当溶液与吸附剂作相对运动时，这层溶剂薄膜不随溶液一同移动，吸附质 首先通过这个薄膜才能到达吸附剂的外表面，所以吸附速度与液膜扩散速度有 关。 第二阶段称为颗粒内部扩散阶段。经液膜扩散到吸附剂表面的吸附质向细孔 深处扩散。 第三阶段称为吸附反应阶段。在此阶段，吸附质被吸在细孔内表面上。 吸附速度与上述三个阶段进行的快慢有关。在一般情况下，由于第三阶段进 行的吸附速度很快，因此，吸附速度主要由液膜扩散速度和颗粒内部扩散速度来 控制。 颗粒内部扩散速度与溶液浓度成正比，溶液浓度越高，吸附速度越快，对一 定重量的吸附剂，外部扩散速度还与吸附剂的外表面积的大小成正比。因表面积 与颗粒直径成反比，所以颗粒直径越小，扩散速度就越大。另外，外部扩散速度 还与搅动程度有关。增加溶液和颗粒之间的相对速度，会使液膜变薄，可提高外 部扩散速度。颗粒内部扩散速度比较复杂。扩散速度与吸附剂细孔的大小、构造 等因素有关。颗粒大小对内部扩散的影响比外部扩散要大些。可见吸附剂颗粒的 大小对内部扩散和外部扩散都有很大影响、颗粒越小，吸附速度就越快，因此， 从提高吸附速度来看，颗粒直径越小越好。 2 1 4 吸附等温线 l 、吸附平衡 吸附法就是利用多孔性的固体物质，使废水中的一种或多种物质被吸附在 固体表面而去除的方法。具有吸附能力的物质称为吸附剂，而废水中被吸附的物 质则称为吸附质。所以在a s b r 反应器中厌氧污泥被称为吸附剂，有机物称为吸 附质。 在接触稳定工艺中( 吸附再生法) ，成功处理废水的关键在于进水中必须有 大量的以胶体形式存在的有机物 z 7 七8 1 。顾夏生1 2 9 ) 也提到活性污泥主要吸附的是呈 悬浮、胶体形式存在的有机底物。s m i t h 曾将含有溶解性和非溶解性混合有机底 物的污水和活性污泥一道进行曝气，发现污水的b o d 5 值随曝气时间的降解工况 如图2 1 所示的状态3 0 】。 图2 - 1 污水与活性污泥混合曝气后b o d 5 值得变化动态 f i g u r e2 - 1b o d sr e m o v a lp r o c e s sa f t e rw a s t e r w a t e ra n da c t i v a t e ds l u d g ea r ea e r a t e d 在5 1 5 m i n 内急剧下降，然后略有升起，随后又缓慢下降，经过分析研究， 对这种现象作了如下解释。b o d 值得第一次急剧下降是活性污泥对污水中有机底 物吸附的结果，这一现象称为“初期吸附去除”，随后略行升起时由于胞外水解 酶将吸附的非溶解状态的有机底物水解成为溶解性小分子后，这一部分底物又进 入污水中使表层水b o d 值上升。此时活性污泥微生物进入营养过剩的对数增值 期，能量水平很高，微生物处于分散状态，污水中存活着大量的游离细菌，进一 步促使b o d 值上升，随着反应的持续进行，有机底物浓度下降，活性污泥微生 物进入减衰增殖期和内源呼吸期，b o d 值缓慢下降。 如果生物吸附是可逆的过程，当废水与吸附剂充分接触后，一方面吸附质 被吸附剂吸附，另一方面，一部分已被吸附的吸附质，由于热运动的结果，能够 脱离吸附剂表面，又回到液相中去。即有吸附过程和解吸过程。在生物吸附区， 1 2 态厦堡工太堂亟班究生堂僮i 金塞 吸附与解吸认为是同时存在的，但由于细胞表面特性的原因，吸附占优势。所以 假定，在曲线第一次达到最低点，认为吸附达到平衡，即单位时间内吸附的数量 等于解吸的数量。此时，吸附质在溶液中的浓度称为平衡浓度。事实上，这只是 一个假平衡阶段。因为生物污泥不同于一般的吸附剂，它组成复杂，又具有生物 活性，还伴随着有机底物的降解。但是只要生物产气量很小，可以忽略，而且产 生的v f a 量不高于1 0m g l - 1 ，就可以认为c o d 的去除主要是吸附在起作用。 这一假平衡基本成立。 所谓吸附量是指单位重量的污泥所吸附的有机物的量，污泥的生物吸附量 以q 表示为： c 1 c u 一一 1 m l s s 式中c l ，c 原水及吸附平衡后沉淀上清液的c o d 浓度( m g l - 1 ) m l s s 污泥浓度( m g l - 1 ) 在温度一定的条件下，把吸附量值随平衡浓度而变化的曲线称为吸附等温 线。 2 、吸附等温式 常见的吸附等温线有三种类型，每种类型相应于一种吸附公式，第一种类 型的等温线，平衡浓度1 3 。没有极限值，但吸附量却有一极限值。这种类型的吸 附试验资料可用l a n g m u i r 公式处理。第二种类型的等温线，p 。有一极限值p 。， 称为饱和浓度，但吸附量却没有极限值。这种类型的等温线可用b e t 公式处理。 第三种类型的等温线，平衡浓度和吸附量都没有极限值，可用f r e u n d l i c h 公式处 理。 l a n g m u i r 公式为 q ：皇坚 1 l + 6 摩 式中，b 为常数： p 。为平衡后沉淀上清液的c o d 浓度。 b e t 公式为 b , o t q o q 2 3 _ 一 1 ( p 一肛)