李皓　張東曙　邱立俊　屈計(jì)寧　周增炎　高廷耀
（1.同濟(jì)大學(xué)國(guó)家污染控制與資源化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.上海石油化工股份集團(tuán)公司環(huán)保中心，上海201500）

　　摘要：對(duì) HCR（High-load Compat，Reactor）工藝系統(tǒng)中活性污泥呼吸作用進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)曝氣池中的活性污泥進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，HCR系統(tǒng)污泥的好氧速率和比表面積分別為傳統(tǒng)活性污泥的3倍和1.8倍，說(shuō)明HCR反應(yīng)器中污泥的利用率和活性更高。
　　關(guān)鍵詞：射流曝氣；廢水處理；活性污泥
　　中國(guó)分類(lèi)號(hào)：X703　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　文章編號(hào)：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（以下稱(chēng) HCR）工藝是德國(guó)Clausthal工業(yè)大學(xué)物相傳遞研究所于20世紀(jì)80年代發(fā)明的^[1]，該工藝采用射流曝氣方式對(duì)微生物供氧，射流器噴頭安裝在反應(yīng)器的頂部中央，循環(huán)水泵產(chǎn)生高壓水流經(jīng)噴頭射人反應(yīng)器并產(chǎn)生負(fù)壓吸人空氣，在水流和氣流共同作用下使噴頭下方形成高速紊流剪切區(qū)，將吸人的空氣分散成細(xì)小的氣泡。在循環(huán)水泵的作用下，混合液在反應(yīng)器中循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，反復(fù)充氧，在此過(guò)程中活性污泥被不斷剪切，形成了細(xì)密的絮凝體。
　　活性污泥法的凈化作用中，起主導(dǎo)作用的是活性污泥^[2]。性能優(yōu)良的活性污泥應(yīng)具有很強(qiáng)的吸附性能和分解有機(jī)污染物的能力。由于射流器的劇烈混合、水力剪切作用，必然使HCR中的活性污泥在形態(tài)和生理特性上有別于傳統(tǒng)活性污泥法曝氣池中的活性污泥，而衡量HCR污泥活性可以通過(guò)考察活性污泥的呼吸作用和吸附性能來(lái)完成。

l 試驗(yàn)方法與過(guò)程

1.1 活性污泥呼吸作用的測(cè)定
　　污泥制備過(guò)程：首先，活性污泥用孔徑小于1mm的紗布過(guò)濾后，用生理鹽水經(jīng)離心機(jī)離心洗滌3次；然后，將洗滌后的污泥用pH值為7的磷酸鹽緩沖溶液稀釋?zhuān)渲瞥梢欢舛鹊幕钚晕勰鄳覞嵋簜溆茫蛔詈蠹尤说攘孔灾铺澦?，用去離子水將制備的懸濁液污泥的質(zhì)量濃度稀釋至3g/r。此外，測(cè)定活性污泥的內(nèi)源呼吸作用時(shí)^[3]，預(yù)先將污泥空曝24h后再行制備，再用去離子水將懸濁液污泥的質(zhì)量濃度稀釋至3g/L。污泥呼吸作用測(cè)試方法與HCR混合液耗氧速率測(cè)試方法相同。該試驗(yàn)作為對(duì)比試驗(yàn)，嚴(yán)格控制負(fù)荷、水溫和攪拌強(qiáng)度一致。
1.2 活性污泥吸附性能的測(cè)定
　　采用染料吸附法，選用次甲基蘭（MethyleneBlue）作為吸附物質(zhì)分別對(duì)活性污泥的吸附性能進(jìn)行測(cè)試。步驟如下：首先，精確配制各種標(biāo)準(zhǔn)濃度的染料溶液，用722型分光光度計(jì)在652 mm（次甲基蘭）波長(zhǎng)下，以去離子水為空白，比色測(cè)定。以染料標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的溶液吸光度（A）為縱坐標(biāo)，所得的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1；然后，將5mL。經(jīng)紗布過(guò)濾后并攪拌均勻的活性污泥混合液移人 100 mL的容量瓶?jī)?nèi)，分別用 10 μg／mL的次甲基蘭溶液稀釋到刻度，振蕩。比色測(cè)定不同時(shí)間染料溶液的吸光度，從而確定活性污泥對(duì)染料的吸附平衡時(shí)間；最后，配制不同濃度的染料溶液。取1mL活性污泥混合液，置于 100 mL容量瓶?jī)?nèi)，用上述各種不同濃度溶液稀釋到刻度。使吸附達(dá)到平衡后，取出混合液于離心機(jī)內(nèi)離心3 min，取上清液比色測(cè)定吸光度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度后計(jì)算吸附量，試驗(yàn)溫度為17℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 HCR與曝氣池活性污泥呼吸作用的比較
　　為了比較 HCR 污泥與傳統(tǒng)活性污泥法的污泥活性，在相同溫度（25℃）、相同質(zhì)量濃度（3 g／L）、相同水質(zhì)條件下測(cè)試了HCR和某石化水質(zhì)凈化廠曝氣池活性污泥的耗氧速率。試驗(yàn)結(jié)果如圖2。
　　從圖2可以看出，HCR活性污泥耗氧曲線斜率的絕對(duì)值大于曝氣池活性污泥耗氧曲線斜率的絕對(duì)值，對(duì)兩條耗氧曲線分別進(jìn)行線性擬合，求得石化水質(zhì)凈化廠曝氣池活性污泥耗氧速率（以O(shè)2計(jì)，下同）為8.7 mg／L·h），而 HCR活性污泥耗氧速率為 25.7 mg／（L·h），后者約為前者的 3倍，表明HCR活性污泥對(duì)有機(jī)污染物分解速率快，污泥活性強(qiáng)。

　　圖3為HCR與曝氣池活性污泥內(nèi)源呼吸速率測(cè)量結(jié)果。從圖3可以看出，HCR活性污泥內(nèi)源呼吸線斜率的絕對(duì)值大于曝氣池活性污泥內(nèi)源呼吸線斜率的絕對(duì)值，對(duì)兩條內(nèi)源呼吸線分別進(jìn)行線性擬合，求得曝氣池活性污泥內(nèi)源呼吸耗氧速率為5.9ms／（L·h），而HCR活性污泥耗氧速率為10.0 mg／（L·h），后者是前者的 1.7倍，HCR活性污泥內(nèi)源呼吸作用相對(duì)較強(qiáng)，表明HCR活性污泥中活性組分含量高。更新速率快。

2.2 活性污泥吸附性能的測(cè)試結(jié)果
　　通過(guò) HCR對(duì)石化廢水的運(yùn)行特性研究發(fā)現(xiàn)^[4]，HCR 對(duì)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，不僅可以判斷污泥的再生效果，還可以比較出不同運(yùn)行條件、方式等狀況下污泥性能的好壞。
2.2.1 活性污泥對(duì)染料吸附平衡時(shí)間的確定
　　測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1： 表1 活性污泥對(duì)次甲基蘭吸附時(shí)間與溶液吸光度的變化

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測(cè)定時(shí)間/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曝氣池 0.427 0.218 0.203 0.199 0.189 0.195 0.180 0.185

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　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：兩類(lèi)活性污泥對(duì)染料的吸附經(jīng)振蕩 10 min后即達(dá)到平衡，30 min內(nèi)吸附量基本保持不變，據(jù)此確定吸附平衡時(shí)間為 10 min。
2.2.2 求解活性污泥對(duì)染料的飽和吸附量
　　用吸附平衡后測(cè)得的吸光度，在圖1上查得相應(yīng)的質(zhì)量濃度后計(jì)算吸附量Qe。單位質(zhì)量污泥的平衡吸附量計(jì)算公式為：
Q_e=（P_O＋P_e）·V／m　　　　　　　　　（1）
　　式中：
　　ρ_O——溶液的初始質(zhì)量濃度，mg／L；
　　ρ_e——吸附平衡質(zhì)量濃度，mg／L；
　　V——吸附溶液的總體積，L；
　　m——加人溶液的活性污泥的質(zhì)量，g。
　　以Q_e為縱坐標(biāo)，以ρ_o為橫坐標(biāo)，作Q_e-P_o吸附等溫線，如圖4所示：

　　從圖4可以看出，兩類(lèi)活性污泥對(duì)染料的吸附符合單分子層吸附，符合朗格纓爾（Langmtrir）吸附等溫式，且HCR污泥吸附量高于曝氣池污泥吸附量。根據(jù)朗格纓爾單分子層吸附理論，當(dāng)染料與活性污泥達(dá)到吸附飽和后，吸附與脫附處于動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)染料分子鋪滿(mǎn)整個(gè)活性粒子表面而不留下空位。則污泥對(duì)染料的吸附量和初始濃度滿(mǎn)足如下關(guān)系式：
　　ρ_o／Q_e=（Q_∞·K）^-1＋ρ_o／Q_∞（2）
　　式中：
　　ρ_o——各吸附溶液的初始質(zhì)量濃度，mg／L；
　　Q_e——各初始質(zhì)量濃度 ρO下單位質(zhì)量污泥的平衡吸附量，mg／g［MLSS］；
　　Q_∞——飽和吸附量，mg／g［MLSS］；
　　K——吸附平衡常數(shù)（與溫度有關(guān)）;
　　作ρ_o／Q_e——ρ_o圖如圖5所示。

　　從圖5可以看出，HCR污泥對(duì)染料吸附的ρ_o／Q_e—Q_e曲線的斜率均小于曝氣池污泥對(duì)染料吸附的ρ_o／Q_e--ρ_o曲線的斜率，而飽和吸附量Q_∞和斜率呈倒數(shù)關(guān)系，所以HCR污泥飽和吸附量大于曝圖5 活性污泥對(duì)次甲基蘭吸附曲線氣池污泥飽和吸附量，HCR吸附性能相對(duì)較佳。由圖的斜率求出污泥的飽和吸附量Q_∞后，再結(jié)合ρ_o／Q_e--ρ_o。曲線的截距便可得到吸附平衡常數(shù)K（17℃）。
2.2.3 計(jì)算活性污泥的比表面積
　　活性污泥的比表面積的計(jì)算公式為：
　　S＝（Q_∞·L·σA）／（M·1000）　　　（3）
　　式中：
　　L——伏伽德羅常數(shù)；
　　σ_A——每個(gè)吸附分子在吸附齊上占據(jù)的面積；
　　M——吸附分子的相對(duì)分子質(zhì)量；
　　已知次甲基蘭分子式為C₁₆H₁₈N₃SCI，相對(duì)分子質(zhì)量為319.85；次甲基蘭的吸附有三種取向[5]，分別為平面吸附、側(cè)面吸附和端基吸附，當(dāng)次甲基蘭在活性污泥上為端基吸附取向時(shí)，每個(gè)分子所占據(jù)的面積最小，此時(shí) σ_A 為 39 × 10^-20 m²，代人測(cè)得的 Q_∞ 可以計(jì)算出活性污泥至少所具有的比表面積S，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
　　根據(jù)計(jì)算，HCR活性污泥比表面積是曝氣活性污泥比表面積的1.8倍，這是由于HCR采用射流曝氣方式，水力剪切作用使污泥顆粒更為細(xì)小所造成的。

表2 活性污泥的吸附性能測(cè)定結(jié)果

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項(xiàng)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 曝氣池污泥 34.5 0.57 25.3 HCR/曝氣池 1.8 0.44 1.8

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注：Q_∞ MR 表示活性污泥對(duì)次甲基蘭的飽和吸附量；KMB 表示活性污泥對(duì)次甲基蘭的吸附平衡常數(shù)；S為活性污泥至少所具有的比表面積。

3 結(jié)論

　?、貶CR與曝氣池活性污泥呼吸作用的比較結(jié)果表明，HCR污泥耗氧呼吸速率約為曝氣池活性污泥的3倍，說(shuō)明HCR活性污泥對(duì)有機(jī)污染物分解速率快，污泥活性強(qiáng)；內(nèi)源呼吸速率測(cè)量結(jié)果說(shuō)明HCR活性污泥中活性組分含量相對(duì)比曝氣池活性污泥中活性組分含量高、更新速率快。
　?、贖CR與曝氣池活性污泥的吸附性能的測(cè)試結(jié)果表明，兩類(lèi)活性污泥對(duì)染料的吸附符合單分子層吸附，符合朗格纓爾（Langmuir）吸附等溫式，且HCR污泥飽和吸附量高于曝氣池污泥飽和吸附量，這是由于HCR采用射流曝氣的方式，污泥顆粒更為細(xì)小而使其表面積更大的緣故。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] Vogelpohl A. Biolgische reinigung von abawaessern mit dem kompaktreaktor[J].Chemical Industry.1985,37 (10):43-46.
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　　[4]汪海峰. HCR處理石化廢水的試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)用水與廢水，2002，33（3）：54－56.
　　[5] 蔡顯鄂. 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：高等教育出版社，1993.187-190.

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作者簡(jiǎn)介：李皓（1978－），湖北孝感人，上海同濟(jì)大學(xué)環(huán)境 科學(xué)與工程系碩士研究生、研究方問(wèn)為水污染控制，lipennyhao＠hotmail.com。