在不同SRT下多价阳离子对于活性污泥絮凝的影响外文翻译资料

 2022-09-06 14:41:21

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在不同SRT下多价阳离子对于活性污泥絮凝的影响

摘要

这篇论文主要研究的是在不同SRT下控制活性污泥絮凝的机制。活性污泥样本在8个实验室规模的反应器中被培养，它们的SRT分别为5天，7.5天，10天，12.5天，15天，17.5天，20天，30天和40天。本体溶液，LB-EPS，TB-EPS，颗粒被从八个活性污泥样品中提取出来。有一个很明显的趋势：出水的浊度随着SRT的增加而减少，我们推测这是因为污泥停留时间更长的活性污泥样品有着更低的交互作用能量壁垒和LB-EPS含量。此外，粒子中多价阳离子（尤其是三价阳离子）的浓度，被发现与活性污泥样品的絮凝性，整体的互作用能，和LB-EPS含量有着紧密关联。多价（尤其是三价）阳离子有着更好的粘合力，并且这种与大量的活性污泥样品相结合的能力是更大SRT活性污泥样品有着卓越絮凝能力的原因。因此，粒子中多价阳离子的浓度是活性污泥样品絮凝能力的重要指示。可以推断，不同数量的，与活性污泥样品紧密结合，而不是停留在进水中的多价阳离子是不同SRT下活性污泥样品絮凝中观察到波动的主要原因。

  1. 简介

活性污泥系统是被运用得最广泛的生物污水处理方法。成功运行活性污泥系统的其中一个重要因素是通过生物絮凝完成的有效的固液分离。

SRT不仅是被认为是一项重要的运行参数，还是最难操控的其中一种参数，因为它对活性污泥系统有着广泛的影响。SRT会影响去除效果，包括对可缓慢生物降解的有机物，氮，磷的去除。另外，活性污泥絮凝也很大程度上被SRT影响着。更短的SRT通常会导致更高的微小絮凝体含量，并且，最低的SRT是可接受的生物絮凝所必需的。有一个观点被广泛认可：活性污泥系统的絮凝、沉淀、脱水能力在更长的SRT下会有大幅度提升。

EPS含量也对细菌表面特性和絮凝性能有着重要影响。但是，EPS含量在活性污泥系统絮凝中究竟发挥了什么样的作用至今仍然在争论中。比如，Wile说整体提取出的EPS含量会给活性污泥系统的絮凝能力带来负面影响，尽管另一项研究体现了完全相反的趋势；同时，Liao发现表面性质、疏水性、表面电荷和EPS成分，而不是EPS的数量控制着生物絮凝。最近，研究人员将EPS分离为两部分：LB-EPS和TB-EPS，并且发现LB-EPS对于生物絮凝和泥水分离有不好的影响，同时，絮凝能力和活性污泥系统中LB-EPS含量都会随着SRT的增加而降低。

因为EPS的高负电荷密度，阳离子也在活性污泥系统的絮凝中起到很重要的作用。关于阳离子在活性污泥系统中作用的理论是DCB理论（包括藻朊酸盐理论）和DLVO理论。根据DCB理论，二价阳离子起到桥梁的作用连接EPS内部带负电荷的官能团，这促进了活性污泥系统的絮凝。因此，这个观点被广泛接受：二价阳离子相对于一价阳离子对于活性污泥系统更有益，且二价：一价阳离子超过1:2的比例（在等价的基础上），对于好的生物絮凝是重要的。传统的DLVO理论首先被提出来介绍在胶体化学中悬浮絮凝体的稳定性，同时，这个理论也介绍了引力（范德华力）和斥力（双电层）。之后，Lewis的氨基酸-碱基作用也被添加到DLVO扩展理论中去，因此，在DLVO理论中总的相互作用力是以下这项等式：。DLVO理论和扩展DLVO理论被广泛应用于不同的领域，包括污泥絮凝体的集聚体。

和作为助凝剂被广泛应用于污水处理厂，因为它们促进活性污泥絮凝所起到的重要作用。有限的信息显示在絮凝效果与活性污泥系统中三价阳离子含量之间存在联系，三价阳离子有助于达到更好的出水水质。尽管三价阳离子对于生物絮凝起着重要的作用，对于三价阳离子例如和在活性污泥系统中发挥的作用的研究远远不如一价和二价阳离子，但是研究人员发现他们有助于更好的絮凝体稳定性因为他们更高的离子价态。但是，过高浓度的铝离子铁离子会损害活性污泥的絮凝，因为他们的存在会阻止微生物与其周围环境的交换，对铁离子来说这种情况更严重，因为它有着形成会攻击微生物分子的氧化反应产物的能力。

最新的研究显示，更长的SRT和更低的LB-EPS含量都有助于活性污泥系统的絮凝，它同时显示更高含量的多价阳离子也与生物絮凝有关系。因此，我们可以合理推测：对于上述现象之间的关系会确实地对活性污泥系统絮凝的理解有所帮助。在这项研究中，我们发现了SRT，LB-EPS含量，多价阳离子浓度，和活性污泥系统絮凝的关系，这提供了一个在不同SRT下控制活性污泥系统絮凝机制的新的观点。

  1. 材料和方法

2.1 活性污泥系统的培养

在这项实验中使用的活性污泥系统是在八个平行的SBR反应器中被培养的，并且每一个的体积都是4L。这些反应器用在中国上海的有着脱氮除磷工艺的曲阳污水处理厂的活性污泥进行接种。每个反应器都装配有转速在100rpm的桨式搅拌器来防止活性污泥沉降，空气通过鼓风曝气装置被输送进来，来保证DO含量在2—3mg/L，温度被保持在。5天，7.5天，10天，12.5天，15天，20天，30天，40天的污泥停留时间通过在曝气的最后一个阶段排泥来实现。

SBR的工作周期为4小时，因此，每天可以运行六个周期。每一个循环被分为六个阶段：1）混合 进水，20分钟；2）混合 曝气（好氧），120分钟；3）混合（缺氧），30分钟；4）混合 曝气（好氧），30分钟；5）沉淀，30分钟；6）出水，10分钟。八个反应器的进水、出水COD的值见表S1，进水中COD：N：P的比值保持在100:7.5:1.5。葡萄糖，，分别被作为碳源、氮源、磷源，SRT为15天的反应器所需微量元素的种类和浓度与Liao所给出的一致，并且八个反应器的微量元素含量比率与它们的进水COD含量比例一致。因此，SRT更短的活性污泥中微量元素含量更高。所有反应器的pH值被控制在6.8-7.2之间，这是通过对进水中添加来实现的。在80天条件良好的运行之后，出水指标如COD、MLSS、SVI、SS在10天里每天被监测。用作试验的污泥是在这些指标的波动少于20%时被收集的。MLSS被控制在2300mg/L，通过改变进水COD来实现。不管是为了实验研究的目的，还是为了控制SRT，所有的活性污泥样品都会在第二个好氧阶段的最后十分钟被排掉。八个反应器进水中主要的阳离子见表S2。

2.2 活性污泥的絮凝和分馏

八个活性污泥样品分别从八个反应器中收集，每个体积为100mL，被放置于250mL烧杯中。然后，这八个样品进行了两阶段絮凝过程：用搅拌器在117r/min的转速下快速混合5分钟，这个运行条件对八个烧杯是一致的。絮凝之后，溶液，LB-EPS，TB-EPS和颗粒被用以下方法提取出来。

本实验中分层结构与提取程序是根据原有实验进行了调整的。25mL的悬浮污泥样品在4000的转速下，在下被离心5分钟，小心收集上清液，即为本体溶液。与活性污泥样品导电性相同的NaCl溶液被提前加热到，然后，它被用于在管中以本体溶液被移走前原来的体积，来重新沉淀活性污泥材料。接着，活性污泥悬浮样品立刻被涡流混合器中搅拌1分钟，然后它以4000的转速，下被离心10分钟，然后收集上清液，为LB-EPS。管子中剩下的活性污泥用NaCl溶液添加到原来的体积25mL重新悬浮，然后被放入水浴中30分钟。它又以4000的转速，下被离心15分钟，收集上清液为TB-EPS，剩下的活性污泥样品为颗粒物。

2.3 分析手段

本体溶液，LB-EPS，TB-EPS和颗粒物中的TOC含量是用TOC仪进行测量的。在测TOC之前，颗粒物被冰冻48小时，然后小心地称量质量。蛋白质和类腐殖质用改进后的Lowry法测定，分别用牛血清白蛋白和腐殖质酸做标准。多聚糖含量用蒽酮法测定，用葡萄糖做标准。EPS中的DNA含量用二苯胺比色法测定，用取自小牛胸腺的脱氧核糖核酸钠盐做标准。本体溶液，LB-EPS，TB-EPS和颗粒物中的阳离子含量用电感耦合等离子发射光谱来测定。在测定阳离子浓度之前，按照标准方法用王水消化颗粒物。

八个反应器的出水浊度通过浊度仪来测定。活性污泥的粒径大小通过Eyetech粒子大小和形状分析仪来测定。取100mL污泥悬浮物，在量筒中测定SVI。活性污泥絮凝体的脱水能力用CST仪器来测定。界面电动势用电势分析仪来测定。相互作用能曲线用交会角的方法确定，交会角是用交会角分析仪用液滴技术测定的，细节在其他处说明。反应器中的MLSS和出水的SS用实验室基础手段测定。所有的方法要进行五次测定。

  1. 结果与讨论

3.1 SRT对于活性污泥絮凝相关特性的影响

出水浊度很明显随着SRT的增加而降低，这个趋势与原来的发现一致。此外，长的SRT下（20天，30天，40天），出水浊度的平均值只有短SRT（5天，7.5天，10天）下的45%，这支持了Liao的研究成果——更长SRT（16天，20天）下的出水ESS只有短的SRT（4天，9天，12天）下的47%。同时，当SRT为20天时，出水浊度有一个急剧的下降，然而在Liao的研究中，ESS有一个相似的急剧下降是当SRT为16天时。因此，反应器中不同SRT下出水浊度有两种下降的类型：对于较短的SRT（5天—15天），随着SRT提高出水浊度稳定下降；之后SRT再继续增加，出水浊度就大约保持不变。

对于絮凝体粒径，SVI，界面电动势，毛细管抽吸时间随着SRT的增高而降低，尽管这个趋势不如浊度降低的趋势明显。应该指出的是，上述四个参数在低SRT时比高SRT时大得多。

3.2 不同SRT下活性污泥相互作用能的变化

相互作用能的曲线展现了一个大体趋势：有着更长SRT的活性污泥有更低的能量壁垒。能量壁垒的范围从254KT（SRT=30天）到1932KT（SRT=5天）。但是，能量壁垒的改变不是一致的：有些改变得很小，如SRT在5天（1932KT）和7.5天（1837KT）；有些改变很显著，如SRT在12.5天（1339KT）和15天（711KT）；在某些情况下，有更长SRT的活性污泥有更高的能量壁垒，比如SRT为30天（254KT）和40天（281KT）的活性污泥。

Liu曾经研究过一种细菌悬浮物的絮凝过程，并且发现悬浮物的能量壁垒随着电解质浓度的增加从1981KT降到了533KT，因此，细菌悬浮物的絮凝能力随着离子强度的增加而增加。在我们的研究中，加到八个反应器进水中的主要离子浓度见表2。很明显，进水离子强度随着SRT的增加而降低，并且这随后被证明：八个反应器中活性污泥的导电性随着SRT的增加而降低。但是，在SRT升高的时候，能量壁垒随着电解质浓度的降低而降低，并且这与在前面提到的Liu的发现相矛盾。我们怀疑，有离子强度之外的机制来控制活性污泥的相互交换能，这个将会在本研究中探索。

3.3 不同SRT下活性污泥中LB-EPS和TB-EPS的数量和含量

3.3.1 LB-EPS和TB-EPS的数量

TB-EPS中有机物含量（以TOC表征）远远比LB-EPS的含量高，在其他研究中也是这样。总体来说，LB-EPS和TB-EPS中的TOC含量都随着SRT的增加而减少。另外，LB-EPS含量比TB-EPS含量减少得更多，最低与最高LB-EPS含量的比率是42%，而对于TB-EPS这个比率是65%。这说明SRT对于LB-EPS比对TB-EPS有着更独特的影响。

LB-EPS和TB-EPS含量都对出水浊度有着正相关的关系，但是LB-EPS与出水浊度之间的关系比TB-EPS的关系紧密得多。这支持了以下观点：更高的LB-EPS含量对活性污泥的絮凝有负面影响。很有趣的是，有着更长SRT（20天，30天，40天）的不同反应器中，出水浊度不如有着短SRT（5—15天）的反应器变化大，但是这些组的活性污泥中LB-EPS含量的降低对于长或短的SRT并没有太大区别。因此，LB-EPS似乎根据SRT的不同对活性污泥絮凝有不同的影响，对于有着更高SRT的活性污泥，LB-EPS对于活性污泥絮凝的影响会更小一些。

3.3.2 LB-EPS和TB-EPS的组成

对于LB-EPS和TB-EPS来说，都是由蛋白质和HSs构成了EPS的主要成分，而PSs和DNA只占总体有机物的一少部分，这个结果与原来的研究结果一致。

3.4 活性污泥絮凝中多价阳离子的作用

3.4.1 活性污泥不同部位不同阳离子的分布

SRT在5,10,15,30天的活性污泥被用来分析它们中的阳离子分布。很明显，不同阳离子的分布有着显著的不同，然而，这四个样品中一些特定阳离子的分布差异却并不大；因此，不同SRT下的活性污泥样品的平均值被用来进行比较。三价阳离子（铁和铝）在活性污泥中展现了明显的倾向性，将近100%集中在颗粒物中。相对的，更少的二价阳离子（平均34%的镁和16%的钙）在颗粒物中被发现。相对于三价和二价阳离子来说，颗粒物中发现了一价阳离子（钾）的最小含量（10%），颗粒物中阳离子分布比例为如下顺序：三价阳离子gt;二价阳离子gt;一价阳离子。因为颗粒物是活性污泥的核心，颗粒物中更高比例的阳离子含量意味着那种阳离子与活性污泥结合的能力。

出水浊度（NTU）

出水浊度（NTU）

图3.1 以出水浊度表征的（a）LB-EPS和（b）TB-EPS对活性污泥系统絮凝性能的影响。误差棒表示平均值1个标准差。

出水浊度（NTU） 出水浊度（NTU）

图3.2 以出水浊度表征的不同SRT下颗粒物中阳离子浓度对活性污泥系统絮凝性能的影响。（a）是二价阳离子（镁和钙）和（b）是三价阳离子（铝和铁）。误差棒表示平均值1个标准差。

三价阳离子有着客观的更好地与活性污泥结合的能力应该与他们的特性

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