活性污泥对污水中有机物的吸附降解实验

王彬蔚

摘      要：针对当前生活污水处理问题，结合当前的废水处理技术，提出一种活性污泥处理方法，并对活性污泥处理的最佳工艺参数进行探讨。结果表明，在温度为30 ℃，活性污泥浓度为4 000 mg/L，pH值为8的情况下，活性污泥的吸附能力最佳。同时通过吸附平衡实验表明，活性污泥对污水中有机物的吸附和降解包含快吸附和慢吸附，并经一段时间得到平衡。

关  键  词：活性污泥;有机物;吸附;降解

中图分类号：X703       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）12-2813-04

Abstract： In view of the current domestic sewage treatment problems， combined with the current wastewater treatment technology， an activated sludge treatment method was proposed， and the optimal process parameters of activated sludge treatment were investigated. The results showed that the adsorption capacity of activated sludge was the best when the temperature was 30 ℃， the concentration of activated sludge was 4 000 mg/L and the pH value was 8. At the same time， the adsorption equilibrium experiments showed that the adsorption and degradation of organic matter in sewage by activated sludge included fast adsorption and slow adsorption， and the adsorption reached the equilibrium over a period of time.

Key words： Activated sludge; Organic matter; Adsorption; Degradation

當前，生活污水污染正在成为一个非常突出的问题，并逐步受到人们的关注。解决当前的生活污水问题，是提高城市居民生活质量的重点。目前生活污水污染物主要来自人类的排泄物、洗涤水等，这些污水散发恶臭、浑浊，呈微碱性，其主要成分通常包括油脂、微生物、蛋白质、脂肪等，并且还存在易于挥发的有机物等。在生活污水的主要组成成分中，无毒有机物的含量占绝大部分，比例在60%左右，并且悬浮的有机物占其中的75%以上。而随着城市污水排放的增加，其自净化的速度远远落后与排放的速度，进而导致污染物的含量超出人体自身所能承载的范围，最终导致水体严重受到污染。因此，加强对污水的净化处理，成为当前环境保护的重点。而在水净化处理中，吸附降解是一种常见的途径，并受到学术界的欢迎。李金璞（2018）认为[1]，活性污泥具有很强的吸附能力，从而通过吸附去除水中的污染物;王明竹（2018）则[2]通过提高活性污泥活性的方式，对活性污泥进行培养和驯化;周贵忠（2017）则[3]研究了不同盐度的活性污泥对染料废水的处理效果;邓天天等（2018）则[4]通过吸附平衡试验，研究了活性污泥和PAM对废水中重金属镉的吸附机理。由此可以看出，对活性污泥在废水净化中的应用问题，都做了大量的研究。本文则在上述基础上，结合吸附平衡试验，以温度、pH值和活性污泥浓度对废水的处理效果进行分析，以找到最佳的处理工艺参数，并研究其内在吸附机理，为废水处理工艺提供实践案例。

1  实验部分

1.1  实验原材料

本文的原材料主要采用表1。

1.2  主要设备

本试验主要采用的仪器设备为：恒温振荡器，常州润华电器有限公司;pH计，上海雷磁仪器厂;荧光分光光度计，日立公司;溶解氧仪，美国HANNA ;台式离心机，上海安亭科学仪器厂;空气压缩机，广东海利;光学显微镜，上海仪圆光学仪器厂。

1.3  活性污泥

本试验用污泥选自南京某污水处理厂曝光池中的泥水混合液，其污泥浓度大约为3 000 mg/L， pH在7.0左右。经光学显微镜观察，该污泥呈现菌胶团架构致密，菌种多，同时粒径较小，比表面积大，具有加大的吸附量。对选用的活性污泥，用空气压缩机进行持续供氧曝光，经6 h后，用台式离心机进行分离，最终倒掉上清液，将沉淀物进行清洗，保存于冰箱中。

1.4  检测方法

本文采用重铬酸钾法对污水中的COD进行测定，然后用荧光光度计进行扫描。

1.5  试验方法

1.5.1  吸附平衡试验

本吸附实验采用恒温振荡器进行振荡平衡实验。振荡器温度设定为25 ℃，转速控制在 130 r/min。具体的步骤可以分为：取一定数量的大小为250 mL的锥形瓶，在其中加入200 mL的活性污泥和污水，调节污泥浓度为4 000 mg/L，然后封口置于恒温振荡器中，并分别在 0、1、2、3、4、5、6、7、8 h 时对样品进行取样，测定污水中的COD值。为消除测样可能存在的干扰问题，在每部分的实验中加入空白实验组，用去离子水代替活性污泥。

1.5.2  不同实验因素设置

在本文中，主要探讨不同污泥浓度、反应温度和pH值对活性污泥废水处理效果的影响，并以COD值作为评价标准。因此，在吸附平衡实验的基础上，设置不同的影响因素条件。具体根据上述的因素，设置不同的试验条件：

实验条件1：污泥浓度设定为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mg/L，恒温振荡器温度 25 ℃，转速130 r/min。当吸附平衡后，测量COD值，然后取上清液，用0.45μm 微孔滤膜进行过滤，最后用荧光关度计进行扫描。同时为防止干扰，设置以空白对照组。

试验条件2：用硫酸和氢氧化钠分别调节5、6、7、8、9不等的pH值。污泥浓度设置为 4 000 mg/L，然后根据实验条件1的试验步骤进行实验。

试验条件3：污泥温度设定为15、20、25、30、35 ℃，污泥浓度设定为4 000 mg/L，按照试验条件1的实验步骤进行后续试验。

2  实验结果

2.1  吸附平衡实验结果

研究认为，当污水中的有机会在遇到活性污泥时，会迅速被吸附在污泥絮体的表面上，从而使得污水中的有机物浓度迅速降低[5]。而通过这种吸附，完成污水中有机物的吸附和降解是同时进行。同时，在吸附一段时间后，污水中的有机物浓度不再降低，此时则认为吸附和降解达到饱和，也就是所谓的平衡状态。之所以进行平衡实验的目的，就是要探讨吸附的内在的机理，即实验过程中，在一定的实验条件下达到吸附平衡的时间，平衡速率等。对此，设置污泥的浓度为4 000 mg/L，污水的初始COD浓度为440 mg/L ，在25 ℃的条件下，每隔1 h测定污水中的COD值。具体结果见图1所示。

根据图1看出，随着吸附时间的变化，污水中的COD值和去除率也在不断的变化。其中COD值在活性污泥与污水接触的初期，污水中的COD浓度迅速降低，此后吸附速率减小。同时在1 h后，吸附开始变得较为缓慢，并逐步开始变得平缓，最终在2 h的时候u，其吸附量和去除率基本都不再变化。说明在2 h的时间点上，本吸附实验已经达到平衡，此时的COD去除率为50.4%。

而通过上述的结果，也验证了以往的研究成果，那就是活性污泥在对污水进行吸附降解的过程中，前期是以快速吸附为主。在这个阶段，活性污泥快速对有机物进行吸附，主要原因是活性污泥表明的生物活性细胞快速与有机物结合;在慢吸附阶段，活性污泥微生物细胞吸附达到基本饱和，其传输速率较为缓慢。因此，在整个吸附的过程中，主要是以表面吸附为主，并且吸附平衡的时间是2 h。

2.2  污泥浓度对吸附效果的影响

根据上述设定的试验条件，得到在 l 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mg/L 的污泥浓度下，得到吸附结果，具体见图2所示。

根据图2可以看出，其中的COD值、去除率则表示在不同浓度下，活性污泥在吸附的过程中，污水的COD浓度随着污泥浓度的增加而逐步的减小，当污泥浓度弄1 000 mg/L 增加到 5 000 mg/L 的阶段，整体COD的去除率从原来的 38%直接上升到65%，同时吸附率增加27.4%。而在这个过程中，当污泥浓度在从4 000 mg/L到5 000 mg/L变化的时候，其去除率略有上升，但是上升幅度不大。出现这个结果的原因，是因为污泥浓度的增加，在一定程度上增加了活性污泥表面的面积，进而增加了吸附官能团的数量，最终使得吸附的位置增多，增强了吸附作用，进而提高了COD的去除率。但是当污泥浓度达到一定的值后，COD的浓度不载减少，这主要是因为浓度过大，导致污泥开始变得拥挤，进而过多的污泥覆盖了污泥中的部分有效吸附点，最终降低吸附能力。

而通过上述的实验结果看出，在加入活性污泥对污水有机物进行去除的过程中，当投入的活性污泥浓度为4 000 mg/L 时，此时的COD去除率最高，去除效果也最好。

2.3  不同pH值对污泥吸附性能的影响

在活性污泥中，其中活性污泥细胞包含着大量的氨基酸成分，这就导致活性污泥介质属于两性电解质。在某pH值下，这种两性电解质接受，或给出质子的程度是相等的，换句话说，就是所带的正电荷和负电荷的数量是相等的，而其整个分子所带的电量是为零的。这个等电电一般情况下是介于1～3的pH值之间。一旦溶液的pH值大于这个点，那么整个污泥就呈现为负电性，而一旦pH值是小于这个值，那么其整体就表现为负电性。电性的变化，则直接导致活性污泥整体特性的变化，最终影响整体的吸附性能。在本文中，则设置不同pH值。而根据部分学者的研究，认为活性污泥表面的微生物适宜 pH值介于5～9之间，因此，本文设置的pH值则为5、6、7、8、9。在上述的pH值下，得到活性污泥的吸附结果，具体见图3所示。

通过图3的吸附结果看出，活性污泥的吸附对COD的去除率，是逐步变大，pH=5的情况下，COD去除率为31%，当pH=8时，COD去除率上升到48%。同时根据图3的结果得出，随着pH值浓度的增加，污水的COD浓度也在逐步的减小。但是，当pH=9的时候，COD去除率变小，污水中的COD浓度适当增加。出现这个结果的主要原因，是pH值增加，提高了活性污泥表面微生物的活性，进而加快了其吸附，但是隨着pH值的增加，其当超过一定的值后，则会抑制活性污泥表面微生物的活性，进而造成其吸附能力降低，由此出现污水中的COD值增加。因此，选择pH=8为最佳的值。

2.4  温度对污泥吸附性能的影响

活性污泥表面微生物的活动，与温度有很大的关系。而在一般情况下，活性污泥的温度介于15～35 ℃最佳。对此在该区间设定不同的温度组数，并根据平衡试验，得到图4的吸附结果。

根据图4看出，则该温度区间内，活性污泥对污水中COD的去除率逐步上升，此后当温度在30 ℃的时候，COD的去除率达到最大，为60%，此后随着温度的上升，活性污泥对污水中COD的去除率在逐步变低。造成以上的结果，其主要的原因是在15～30 ℃之间，随着温度的上升，活性污泥表面的微生物活性在不断的增加，并且在30 ℃的时候，活性污泥的去除得到最大。这是由于在这个温度时，活性污泥表面的微生物活性达到最大。

另外，污泥与水中有机物的吸附存在传质阻力。当温度升高，溶液内离子扩散运动夹具，造成溶液中的活化离子增多，进而提高了微生物表面离子与有机物的交换，以此促进了吸附的平衡。但是的那个温度过高的情况下，离子扩散运动的速度在加快，当吸附平衡点的稳定性则阿境地，进而又导致部分污泥表面原本吸附的有机物又释放到水中，最终导致COD上升。

3  结 论

通过上述的实验研究，可以得出以下几点结论：

①在活性污泥吸附的过程中，在初期是快速吸附和降解，此后是慢吸附，最终经过一段时间达到平衡;

②考察不同污泥浓度对吸附的影响，当污泥浓度在4 000 mg/L的时候，其吸附性能最佳;

③当吸附环境的pH值为8的情况下，活性污泥的吸附性能最佳，吸附去除率达到最大;

④吸附温度在30 ℃的时候，活性污泥的吸附性能最佳，此时的COD去除率为60%。

参考文献：

[1]李金璞，张雯雯，杨新萍. 活性污泥污水处理系统中胞外多聚物的作用及提取方法[J]. 生态学杂志，2018，37（09）：2825-2833.

[2]王明竹. 农村生活污水中活性污泥的培養与驯化[J]. 环境与发展，2018，30（08）：58-59.

[3]周贵忠，许硕，姚倩，银钗. 不同盐度下活性污泥中微生物群落变化规律及其处理模拟染料废水[J]. 环境科学，2017，38（07）：2972-2977.

[4]邓天天，闫霄珂，段海煦，等. 活性污泥@PAM对废水中镉的吸附性能[J]. 应用化工，2018，47（09）：1922-1926.

[5]史亮，陈师楚，何凌峰，张永利. 上流式厌氧污泥床反应器处理凉果废水性能研究[J]. 当代化工，2017，46（07）：1303-1306.