李皓　張東曙　邱立俊　屈計寧　周增炎　高廷耀
（1.同濟大學國家污染控制與資源化研究重點實驗室，上海 200092；2.上海石油化工股份集團公司環保中心，上海201500）

　　摘要：對 HCR（High-load Compat，Reactor）工藝系統中活性污泥呼吸作用進行了研究，并與傳統曝氣池中的活性污泥進行了比較。試驗結果表明，HCR系統污泥的好氧速率和比表面積分別為傳統活性污泥的3倍和1.8倍，說明HCR反應器中污泥的利用率和活性更高。
　　關鍵詞：射流曝氣；廢水處理；活性污泥
　　中國分類號：X703　　文獻標識碼：A　　文章編號：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 HCR）工藝是德國Clausthal工業大學物相傳遞研究所于20世紀80年代發明的^[1]，該工藝采用射流曝氣方式對微生物供氧，射流器噴頭安裝在反應器的頂部中央，循環水泵產生高壓水流經噴頭射人反應器并產生負壓吸人空氣，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，將吸人的空氣分散成細小的氣泡。在循環水泵的作用下，混合液在反應器中循環往復運行，反復充氧，在此過程中活性污泥被不斷剪切，形成了細密的絮凝體。
　　活性污泥法的凈化作用中，起主導作用的是活性污泥^[2]。性能優良的活性污泥應具有很強的吸附性能和分解有機污染物的能力。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和生理特性上有別于傳統活性污泥法曝氣池中的活性污泥，而衡量HCR污泥活性可以通過考察活性污泥的呼吸作用和吸附性能來完成。

l 試驗方法與過程

1.1 活性污泥呼吸作用的測定
　　污泥制備過程：首先，活性污泥用孔徑小于1mm的紗布過濾后，用生理鹽水經離心機離心洗滌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，配制成一定濃度的活性污泥懸濁液備用；最后加人等量自制虧水后，用去離子水將制備的懸濁液污泥的質量濃度稀釋至3g/r。此外，測定活性污泥的內源呼吸作用時^[3]，預先將污泥空曝24h后再行制備，再用去離子水將懸濁液污泥的質量濃度稀釋至3g/L。污泥呼吸作用測試方法與HCR混合液耗氧速率測試方法相同。該試驗作為對比試驗，嚴格控制負荷、水溫和攪拌強度一致。
1.2 活性污泥吸附性能的測定
　　采用染料吸附法，選用次甲基蘭（MethyleneBlue）作為吸附物質分別對活性污泥的吸附性能進行測試。步驟如下：首先，精確配制各種標準濃度的染料溶液，用722型分光光度計在652 mm（次甲基蘭）波長下，以去離子水為空白，比色測定。以染料標準溶液的濃度為橫坐標，對應的溶液吸光度（A）為縱坐標，所得的標準曲線如圖1；然后，將5mL。經紗布過濾后并攪拌均勻的活性污泥混合液移人 100 mL的容量瓶內，分別用 10 μg／mL的次甲基蘭溶液稀釋到刻度，振蕩。比色測定不同時間染料溶液的吸光度，從而確定活性污泥對染料的吸附平衡時間；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容量瓶內，用上述各種不同濃度溶液稀釋到刻度。使吸附達到平衡后，取出混合液于離心機內離心3 min，取上清液比色測定吸光度，在標準曲線上查得對應的質量濃度后計算吸附量，試驗溫度為17℃。

2 試驗結果與討論

2.1 HCR與曝氣池活性污泥呼吸作用的比較
　　為了比較 HCR 污泥與傳統活性污泥法的污泥活性，在相同溫度（25℃）、相同質量濃度（3 g／L）、相同水質條件下測試了HCR和某石化水質凈化廠曝氣池活性污泥的耗氧速率。試驗結果如圖2。
　　從圖2可以看出，HCR活性污泥耗氧曲線斜率的絕對值大于曝氣池活性污泥耗氧曲線斜率的絕對值，對兩條耗氧曲線分別進行線性擬合，求得石化水質凈化廠曝氣池活性污泥耗氧速率（以O2計，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活性污泥對有機污染物分解速率快，污泥活性強。

　　圖3為HCR與曝氣池活性污泥內源呼吸速率測量結果。從圖3可以看出，HCR活性污泥內源呼吸線斜率的絕對值大于曝氣池活性污泥內源呼吸線斜率的絕對值，對兩條內源呼吸線分別進行線性擬合，求得曝氣池活性污泥內源呼吸耗氧速率為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活性污泥內源呼吸作用相對較強，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試結果
　　通過 HCR對石化廢水的運行特性研究發現^[4]，HCR 對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行條件、方式等狀況下污泥性能的好壞。
2.2.1 活性污泥對染料吸附平衡時間的確定
　　測定結果見表1： 表1 活性污泥對次甲基蘭吸附時間與溶液吸光度的變化

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測定時間/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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　　從實驗結果可知：兩類活性污泥對染料的吸附經振蕩 10 min后即達到平衡，30 min內吸附量基本保持不變，據此確定吸附平衡時間為 10 min。
2.2.2 求解活性污泥對染料的飽和吸附量
　　用吸附平衡后測得的吸光度，在圖1上查得相應的質量濃度后計算吸附量Qe。單位質量污泥的平衡吸附量計算公式為：
Q_e=（P_O＋P_e）·V／m　　　　　　　　　（1）
　　式中：
　　ρ_O——溶液的初始質量濃度，mg／L；
　　ρ_e——吸附平衡質量濃度，mg／L；
　　V——吸附溶液的總體積，L；
　　m——加人溶液的活性污泥的質量，g。
　　以Q_e為縱坐標，以ρ_o為橫坐標，作Q_e-P_o吸附等溫線，如圖4所示：

　　從圖4可以看出，兩類活性污泥對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。根據朗格纓爾單分子層吸附理論，當染料與活性污泥達到吸附飽和后，吸附與脫附處于動態平衡，這時染料分子鋪滿整個活性粒子表面而不留下空位。則污泥對染料的吸附量和初始濃度滿足如下關系式：
　　ρ_o／Q_e=（Q_∞·K）^-1＋ρ_o／Q_∞（2）
　　式中：
　　ρ_o——各吸附溶液的初始質量濃度，mg／L；
　　Q_e——各初始質量濃度 ρO下單位質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（與溫度有關）;
　　作ρ_o／Q_e——ρ_o圖如圖5所示。

　　從圖5可以看出，HCR污泥對染料吸附的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_∞和斜率呈倒數關系，所以HCR污泥飽和吸附量大于曝圖5 活性污泥對次甲基蘭吸附曲線氣池污泥飽和吸附量，HCR吸附性能相對較佳。由圖的斜率求出污泥的飽和吸附量Q_∞后，再結合ρ_o／Q_e--ρ_o。曲線的截距便可得到吸附平衡常數K（17℃）。
2.2.3 計算活性污泥的比表面積
　　活性污泥的比表面積的計算公式為：
　　S＝（Q_∞·L·σA）／（M·1000）　　　（3）
　　式中：
　　L——伏伽德羅常數；
　　σ_A——每個吸附分子在吸附齊上占據的面積；
　　M——吸附分子的相對分子質量；
　　已知次甲基蘭分子式為C₁₆H₁₈N₃SCI，相對分子質量為319.85；次甲基蘭的吸附有三種取向[5]，分別為平面吸附、側面吸附和端基吸附，當次甲基蘭在活性污泥上為端基吸附取向時，每個分子所占據的面積最小，此時 σ_A 為 39 × 10^-20 m²，代人測得的 Q_∞ 可以計算出活性污泥至少所具有的比表面積S，計算結果見表2。
　　根據計算，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小所造成的。

表2 活性污泥的吸附性能測定結果

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項目 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 表示活性污泥對次甲基蘭的飽和吸附量；KMB 表示活性污泥對次甲基蘭的吸附平衡常數；S為活性污泥至少所具有的比表面積。

3 結論

　　①HCR與曝氣池活性污泥呼吸作用的比較結果表明，HCR污泥耗氧呼吸速率約為曝氣池活性污泥的3倍，說明HCR活性污泥對有機污染物分解速率快，污泥活性強；內源呼吸速率測量結果說明HCR活性污泥中活性組分含量相對比曝氣池活性污泥中活性組分含量高、更新速率快。
　　②HCR與曝氣池活性污泥的吸附性能的測試結果表明，兩類活性污泥對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，污泥顆粒更為細小而使其表面積更大的緣故。

參考文獻：

　　[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. 水處理實驗技術[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2000 114-116.
　　[4]汪海峰. HCR處理石化廢水的試驗研究[J]. 工業用水與廢水，2002，33（3）：54－56.
　　[5] 蔡顯鄂. 物理化學實驗[M]. 北京：高等教育出版社，1993.187-190.

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作者簡介：李皓（1978－），湖北孝感人，上海同濟大學環境 科學與工程系碩士研究生、研究方問為水污染控制，lipennyhao＠hotmail.com。