生物法處理生活污水方法是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的水處理技術(shù)，其中尤以活性污泥法應(yīng)用最為普遍。但是，隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，對(duì)污水排放要求逐漸提高，傳統(tǒng)的活性污泥法處理廢水工藝在不增加基建投資和能耗的前提下，難以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。研究[1- 3]表明，磁粉作用于生物體后，在生物體內(nèi)可引起一系列的生物學(xué)反應(yīng); 磁粉的存在對(duì)微生物的生長(zhǎng)和新陳代謝有利，從而促進(jìn)對(duì)有機(jī)物的吸附和利用，增強(qiáng)微生物氧化降解有機(jī)物的能力。本文研究通過(guò)投加微磁性物質(zhì)——鐵氧體粉末，以強(qiáng)化活性污泥法處理生活污水的處理效果，并且對(duì)反應(yīng)器降解動(dòng)力學(xué)做了簡(jiǎn)單研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1. 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

鐵氧體強(qiáng)化生物反應(yīng)器的示意圖如圖1 所示。生物反應(yīng)器由玻璃材質(zhì)自制而成，曝氣池容積4. 2 L,沉降池容積2. 0 L。反應(yīng)器外設(shè)置儲(chǔ)水箱和出水槽。沉降池底部污泥依靠重力作用自動(dòng)回流至曝氣池。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

1. 2 實(shí)驗(yàn)材料

1. 2. 1活性污泥來(lái)源

活性污泥取自鎮(zhèn)江丁卯污水處理廠曝氣池中的好氧污泥。

1. 2. 2鐵氧體來(lái)源

鐵氧體是將分析純硫酸鐵和硫酸亞鐵按照n(Fe3+ )/n(Fe2+ ) =1.5 在堿性條件下制備，將所得黑色顆粒物在真空干燥爐中加溫干燥，經(jīng)研磨后，即得實(shí)驗(yàn)用鐵氧體粉末。鐵氧體粉末每次使用前在磁場(chǎng)中預(yù)磁化10 min。

1. 2. 3生活污水來(lái)源

本實(shí)驗(yàn)采用人工模擬城市生活污水，其組成如表1 所示。

表1 人工合成廢水組成

1. 3 分析方法

COD 及NH3- N 的測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[4] 。

1. 4 實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用5 套相同尺寸的處理裝置進(jìn)行對(duì)照研究，分別向其中投加相同量的某污水廠曝氣池中污泥進(jìn)行培養(yǎng)馴化。啟動(dòng)完成以后，其中之一正常運(yùn)行，向另一個(gè)投加不同量的自制的鐵氧體粉末，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究鐵氧體粉末加入后系統(tǒng)對(duì)污水中COD 及NH3- N 去除的強(qiáng)化作用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2. 1 鐵氧體投加量對(duì)COD 和NH3- N 去除率的影響在相同的條件下研究磁粉投加量對(duì)COD 和NH3- N 去除率的影響。其中污泥質(zhì)量濃度為4 200mg/ L 左右，原水pH 值在6. 5~ 7. 5 之間，水力停留時(shí)間為7 h。每一個(gè)鐵氧體投加量重復(fù)7 次檢測(cè)出水水質(zhì)，取其平均值表示該投加量對(duì)污水中污染物去除率的影響。

圖2 磁粉投加量對(duì)出水COD 去除率的影響

由圖2 可以看出，隨著鐵氧體投加量的增加,COD 及NH3- N 的去除率明顯升高，當(dāng)反應(yīng)器中投加的鐵氧體為500mg/ L 時(shí)，COD 的去除率達(dá)到88. 1%,高于未投加鐵氧體的83. 4%。而NH3- N 的去除率在該鐵氧體的投加量為375 mg/ L 時(shí)達(dá)到最大值87. 1%,比未投加鐵氧體的60. 6% 高出26. 5%。當(dāng)鐵氧體投加量繼續(xù)增加后，COD 及NH3- N 的去除率逐漸減小，并呈波浪線趨勢(shì)。

2. 2 水力停留時(shí)間對(duì)COD 及NH3- N 去除率的影響

用投加了350 mg/ L 鐵氧體的活性污泥和普通的活性污泥在相同的條件下進(jìn)行連續(xù)進(jìn)水試驗(yàn)，觀察水力停留時(shí)間對(duì)廢水COD 及NH3- N 去除率的影響，其結(jié)果如圖3 所示。

圖3 水力停留時(shí)間對(duì)COD、NH3-N去除率的影響

由圖3 可以看出，在相同條件下，磁粉活性污泥對(duì)COD 及NH3- N 的去除率始終高于普通活性污泥。其中磁粉活性污泥對(duì)COD 的去除率比普通活性污泥平均高出大約3% ，而對(duì)NH3- N 的去除率高出大約9%，最高達(dá)到了14.5% 。

當(dāng)水力停留時(shí)間為5 h 時(shí)，磁粉活性污泥對(duì)NH3- N 的去除率比普通活性污泥高約13%。鐵氧體活性污泥對(duì)COD 及NH3- N 的去除率明顯提高，該結(jié)果與陸光立等[5] 所做的向活性污泥中投加Fe3O4粉末處理污水的結(jié)果相似。其原因可能是磁性鐵氧體的加入使活性污泥絮體顆粒分布均勻，有利于有機(jī)污染物與微生物充分接觸。同時(shí)在鐵氧體的磁催化作用下，微生物的生物活性增強(qiáng)，氧化分解有機(jī)污染物的能力也相應(yīng)提高。

在水力停留時(shí)間為6 h 時(shí)，投加鐵氧體的磁性活性污泥對(duì)COD 及NH3-N 的去除率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而普通活性污泥達(dá)到該狀態(tài)的水力停留時(shí)間為7 h，所以投加鐵氧體粉末能大大提高反應(yīng)器處理廢水的處理速率，增強(qiáng)處理能力。

2. 3 鐵氧體對(duì)反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間的影響

在進(jìn)水水質(zhì)及其他條件相同的情況下連續(xù)進(jìn)水，研究2 種系統(tǒng)從啟動(dòng)初期到穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中出水水質(zhì)的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 運(yùn)行時(shí)間對(duì)COD 去除率的影響

由圖4 可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行的前3 天，反應(yīng)器對(duì)廢水的去除效果較差。進(jìn)水第1 天原水COD 為224 mg/ L，未投加鐵氧體的系統(tǒng)出水為64 mg/ L，而投加鐵氧體的系統(tǒng)出水為72 mg/ L，去除率分別為71. 4% 和67. 8%，前者反而高出后者3. 6%; 反應(yīng)器運(yùn)行到第5 天時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率再次提高,在此時(shí)投加鐵氧體的系統(tǒng)出水對(duì)COD 的去除率大于未投加鐵氧體系統(tǒng)，此后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，該結(jié)果與任月明等[7] 的研究結(jié)果相似; 當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行了25 d 后，普通活性污泥系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，投加了鐵氧體的系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率開(kāi)始降低。出現(xiàn)這種情況可能是鐵氧體本身不具有磁性，而是外加磁場(chǎng)使其具有弱磁性，當(dāng)外加磁場(chǎng)撤離后，其磁性逐漸減弱，對(duì)COD 的去除率造成了一定的影響。由圖4 同時(shí)可以看出，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，投加鐵氧體的系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率始終高于普通活性污泥系統(tǒng)平均2% 左右。

2. 4 理論動(dòng)力學(xué)方程的建立

廢水的生物處理過(guò)程可看成是微生物的生長(zhǎng)過(guò)程。很多人通過(guò)對(duì)生物生長(zhǎng)的研究和微生物反應(yīng)提出一些假設(shè)和建立微生物生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，用以預(yù)測(cè)微生物對(duì)廢水處理結(jié)果的影響[8] 。在本實(shí)驗(yàn)中,微生物的生長(zhǎng)速率和底物的濃度關(guān)系可用Monod 方程來(lái)表示:

該方程可轉(zhuǎn)化為:

進(jìn)水COD 為300 mg/ L 左右，水力停留時(shí)間為5h，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由于反應(yīng)時(shí)間較短，假設(shè)生物量X 恒定，并且降解有機(jī)底物能力不變[9] ，以底物濃度的倒數(shù)(1/ Se )為橫坐標(biāo)，以基質(zhì)降解速率的倒數(shù)Xt /(S 0- Se ) 為縱坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合如圖5 所示。

表2 變量數(shù)據(jù)

 
圖5 Lmax和ks值的確定

由圖5 可以看出，COD 的降解基本滿足Monod方程，由圖5 求得: ，由此可以確定: Lmax= 0. 119，k s= 362. 52 mg/L。帶入式(1) ，消化動(dòng)力學(xué)可模型表示為

2. 5 活性污泥絮體觀察

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，通過(guò)顯微鏡(10×10) 觀察活性污泥絮體可以看出，普通活性污泥絮體結(jié)構(gòu)松散，菌膠團(tuán)較小，大小不均勻; 投加鐵氧體后，污泥絮體結(jié)構(gòu)緊密，大小均勻，同普通活性污泥相比，菌膠團(tuán)更大。這與孫水裕等[10] 對(duì)磁粉活性污泥生物相的觀察結(jié)果類(lèi)似。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論

(1) 反應(yīng)器中鐵氧體的投加量不同對(duì)廢水中COD 及NH3- N 去除率不同，其中鐵氧體投加量為500mg/ L 時(shí)COD 的去除率為88. 1% 達(dá)到最高; 鐵氧體的投加量為3 75mg / L 時(shí)NH3 - N 的去除率為87. 1%，比未投加鐵氧體系統(tǒng)高出26. 5% 。

(2) 在不同的水力停留時(shí)間下，投加375 mg/ L鐵氧體的磁性活性污泥對(duì)COD 及NH3- N 的去除率明顯高于普通活性污泥; 并且投加鐵氧體后，反應(yīng)器處理廢水的水力停留時(shí)間減少了1 h，可以增大反應(yīng)器的容積負(fù)荷及提高處理效率。

(3) 根據(jù)Monod 方程推導(dǎo)出鐵氧體系統(tǒng)基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)方程為: 。