水处理及其脱盐化 磁性活性污泥装置处理城市污水外文翻译资料

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水处理及其脱盐化

磁性活性污泥装置处理城市污水

刘志梅，梁振，吴胜军，刘锋

引用本文:刘志梅，梁振，吴胜军，刘峰

利用磁性活性污泥装置对城市污水进行脱盐和水处理，53:4,909-918,DOI: 10.1080/19443994.2013.848416

链接到本文:http://dx.doi.org/10.1080/19443994.2013.848416

在线出版:2013年10月16日

磁性活性污泥装置处理城市污水

刘志梅，梁振，吴胜军，刘峰

中国科学院绿色与智能技术研究所水库水环境科学重点实验室，重庆401122

西南大学水处理学系，重庆402460电话/传真: 086 23 63063015;电子邮件:liangzh2004@163.com

2013年4月29日2013年9月12日

摘要

活性污泥法是污水的生物处理方法之一。传统活性污泥法存在污泥膨胀、生物量小、絮凝结构松散等缺点。因此，传统的活性污泥还需要改进。与传统活性污泥相比，磁分离技术可以克服传统活性污泥的缺点，提高活性污泥的性能。本文中利用改造的磁性活性污泥装置，对城市污水进行了124天的中试研究。比较了常规活性污泥和磁性活性污泥去除有机物和氮的效果。此外，还研究了磁性活性污泥的沉降性能和生物量浓度的变化。实验表明，随着磁粉(Fe3O4)用量从0 ~ 120 g/L的变化，污泥沉降2min (SV2)后污泥流速由90降至56%。在曝气池中加入磁粉后，混合液挥发性悬浮物(MLVSS)浓度逐渐升高，达到最大值7.35 g/L。磁粉法活性污泥生产过程中未观察到生物量的泄漏，说明磁粉法可以保持高浓度的活性污泥。此外，磁粉对活性污泥的生长没有负面影响。两种工艺在去除化学需氧量(COD)(高于平均值:75.13%)和5天生化需氧量(高于平均值:92.79%)方面均无显著差异。磁性污泥法除氨氮(NH4-N)的去除率(88.68plusmn;7.98%)高于常规活性污泥法。两种工艺的平均总氮(TN)去除率分别为37.56plusmn;14.35%和42.35plusmn;22.65%。COD/TN较低可能影响反硝化效率。

关键词:常规活性污泥;磁粉(Fe3O4);磁性活性污泥;城市污水

1. 介绍

随着我国经济的发展，未经处理或不达标的废水[1]正成为水资源短缺的主要问题。活性污泥法作为废水的好氧生物处理方法之一，在城市和工业废水处理中得到了广泛的应用[2,3]。然而，由于污水水质和流量的波动，传统活性污泥暴露出污泥膨胀、生物量少、絮凝结构松散等各种弊端。为了克服活性污泥的缺点，加大对废水中污染物的去除力度，对传统活性污泥进行改造势在必行。

磁技术是利用磁场使物质磁化的一种方法。广泛应用于废水处理。近年来，一些学者研究了磁性技术对活性污泥工艺的影响[4-11]。这些调查主要集中在两个方面。首先，研究主要集中在磁场对微生物的影响[4-7]。Ji et al. [4]证明20mT的磁感应场对活性污泥中的细菌生长有正向影响。Raja Rao et al. [5]报道磁场的影响提高了微生物的生长速率。Lebkowska et al. [6]研究表明，磁场对活性污泥生物量增长和脱氢酶活性有正向影响。Wang等人通过长期循环实验和荧光原位杂交分析证明，48.0mT的磁场强度可以增强亚硝酸盐氧化菌的活性和生长。其次，研究主要集中在磁场对污染物降解的影响[8-11]。Jung等人的[8]实验表明，磁场为450mT时，苯酚的生物降解效率比对照组提高了30%。Lebkowska等人[9]发现，静磁场为7mT时，甲醛和COD浓度较对照组分别下降了30%和26%。Liu等人的[11]发现，使用磁性系统最大脱氮率显著提高30%。这些研究表明，磁场可以促进微生物的生长，提高某些污染物的去除效率。

从以上的描述，我们可以得出结论，这些调查更侧重于研究了磁场对活性污泥生长和污染物生物降解的影响效果。此外，也有研究报道了磁粉对活性污泥的影响[12,13]。活性污泥中添加磁粉，形成磁性活性污泥。磁性活性污泥法可以在反应器中保持高浓度的混合液悬浮物(MLSSs)，这可能会影响细胞代谢和细菌生长[11,14]。然而，以往的报道多集中在牛奶废水和合成废水方面，且仅在实验室进行[12,13]。磁性活性污泥法处理城市生活污水的缺氧/好氧系统研究较少。因此，本研究旨在建立一套磁活性污泥装置(MASD)，用于长期的现场试验。在活性污泥中加入磁粉(Fe3O4，一种磁铁矿)，形成磁性活性污泥。磁粉由磁选机(旋转磁鼓)反复回收。同时，采用无磁粉MASD作为控制系统(常规活性污泥工艺)。研究了活性污泥的沉降性能、生物量浓度的变化以及城市污水中有机物和氮的去除率。

2. 材料与方法实验装置

MASD由5mm碳钢制成。MASD内外刷上防腐漆，防止氧化。反应器尺寸为5.05米、 1.6 米 、2.3 米(分别为长、宽、深)，总有效容积为14.5立方米。MASD由缺氧罐、好氧罐、沉降罐、储液罐和磁选机(旋转磁鼓)组成。缺氧池的尺寸1.44米、1.60米、1.8米(分别为长度、宽度和有效水深)液压保留时间为2.7 h。有氧舱的尺寸是2.45米、1.60米、1.8米(分别为长度、宽度和有效水深)液压保留时间为3.53 h。设置水箱的尺寸1.16米、1.60米、1.8米(分别为长度、宽度和有效水深)液压保留时间为1.67 h。管道布置包括进气管、污泥管、风管和出水管。

图1所示。MASD的原理图。

MASD的其他附件包括用于控制回流活性污泥的阀门和用于泵送生活污水和活性污泥的加药污泥泵。MASD的原理图如图1所示。采用中国某城市污水处理厂的好氧絮凝污泥接种反应器。采用序批式反应器(SBR)处理城市污水处理厂的生活污水和少量工业废水。

在磁性活性污泥生产过程中，为了形成磁性活性污泥，在活性污泥中添加磁性粉末。该磁粉具有较强的吸引磁性，在此过程中容易被磁性吸引沉积在旋转磁鼓表面。而且，它们是被刮刀刮掉的。因此，将旋转磁鼓作为活性污泥/磁粉分离器安装在回输活性污泥管道上，通过磁粉循环至好氧池，不断形成磁性活性污泥。同时，将不含磁粉的活性污泥循环至缺氧池中。

采用可编程逻辑控制器对系统进行自动控制。不断记录进水、回流污泥和曝气的流量。

2.2 操作条件

将MASD的整个反应过程分为两个阶段。第一期运行58天(第一期常规活性污泥)，好氧池不添加磁粉。在第57 - 58天观察到活性污泥的泄漏(图4(c))。为了保持较高的生物量浓度，从59号开始在好氧池中加入磁粉。运行59-124天(二期磁活性污泥)，好氧池中加入120 g/L的磁粉量，SV2与120 g/L的磁粉量相比变化不大(图2)。由于磁选机对磁粉的回收率达不到100%，在MASD系统中可能会析出少量磁粉，所以磁粉的损失以8 kg/d的速度补充。在第一阶段，磁鼓没有工作，关闭阀门1和打开阀门2，从以4.6 m3 / h沉降罐收集的活性污泥。在第二阶段，磁鼓通过开启阀门1和关闭阀门2工作。将设置槽回收的磁性活性污泥抽回磁鼓，以4.6m3/h

图2所示。当MLVSS浓度为11 g/L时，磁粉用量对污泥流速(SV2)的影响。

的速度将磁性粉末从活性污泥中分离出来，如图2所示。。磁鼓长度为40cm，内径为40cm。磁鼓以40rpm的频率旋转，表面磁场强度为280mT。一期采用一套曝气系统供氧，供氧速率为0.4m3/min，以保证氧的分布。在II期，由于高生物量浓度下氧气扩散较差，氧气供应速率为0.6m3/min。平均进水流量为51.21plusmn;5.45m3/d, HRT为7.27 h, MASD温度保持在21.0plusmn;2.0℃。在整个实验过程中，除第一阶段的生物量泄漏和测量MLSS和MLVSS时采集的样品外，其余污泥均未被有意回收。其他操作参数如表1和表2所示。

MLSS和MLVSS的样品每天从有氧池中抽取124天(6 - 9月)。分别在缺氧池和好氧池中测定溶解氧(DO)。每天采集COD、TN、NH4-N和悬浮物(SS)的进水和出水样本，共124天。每2天采集一次生化需氧量(BOD5)的进水和出水样品，共124天。

表1

实验操作参数

参数 最大值 最小值 平均标准偏差

COD/TN 6.86 2.83 4.72plusmn;0.89 BOD5/TN 2.34 0.32 1.21plusmn;0.39 污泥回流比率(%) 3.36 0.91 2.16plusmn;0.56

缺氧舱溶解氧(毫克/升) 0.65 0.10 0.40plusmn;0.15

好氧罐溶解氧(mg/L) 3.50 0.93 2.07plusmn;0.67

注:除BOD5(62个样本)外，n= 124个样本。

表2

实验值F/M

参数 初值 终值

F/M (kg COD/kg MLVSS)d) 1.18 0.22

F/M (kg BOD5/kg MLVSS)d) 0.35 0.065

2.3 污水和污泥

城市污水和活性污泥均来自同一污水处理厂。城市污水由洗涤废水、冲厕水和少量工业废水组成。MASD的进水口是由过滤后的污水经粗网格和细网格两种方式得到的。其特征如表3所示。

2.4 磁粉

采用河南磁铁矿厂生产的磁粉作为播种料，主要化学成分为Fe3O4。采用环磨机研磨，采用库特计数器法进行粒度测定。采用平均粒径为13微米的磁粉进行投加，磁粉比重为5.0 g/cm3。

2.5 分析方法

根据水质和废水检测的标准方法，测定了COD、BOD5、SS、MLSS和MLVSS。用分光光度计(Genesys TM-5, Spectronic Inc.， USA)对TN和NH4-N进行比色分析。pH和DO分别用酸度计(FE20, MRTTLER TOLEDO Co.，瑞士)和溶解氧分析仪(HQ30d, HACH Co.，美国)测量。

通常，污泥沉降30min后污泥体积的测量(SV30)用来描述污泥的沉降性能。在我们的实验中，由于我们的量筒实验表明，当向活性污泥中加入磁粉后，活性污泥在2分钟后稳定沉淀(图2)，因此我们采用沉降法测量沉淀2分钟后的污泥体积(SV2)。

表3

污水通过厚网格和薄网格的特性

指标 最低 最高 平均标准偏差

COD(mg/L) 100.00 160.00 122.34 plusmn; 16.77

BOD5(mg/L) 19.70 52.00 31.56 plusmn; 8.01

SS (mg/L) 38.00

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