不同絮凝剂对活性污泥特性及除污效能的影响研究*

万 俐 赵君凤 付永胜 杨志超 王 群

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 611756)

摘要：为了研究絮凝剂对污泥特性及除污效能的作用结果，考察了SBR反应器中投加聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)对污泥特性及

-N和TP去除效果的影响。结果表明：投加10 mg/L PAC会导致活性污泥沉降性能变差，降低了微生物对污染物质的分解能力；投加0.1 mg/L CPAM和10 mg/L PFS能够改善活性污泥菌胶团和絮体结构，使得活性污泥的吸附效能和沉降性增强。

关键词：絮凝剂；污泥特性；除污效能

0 引 言

污水处理工艺中投加絮凝剂是一种去除水中胶体、悬浮颗粒及部分污染物质的常用方法[1-3]。聚合氯化铝(PAC)和聚合硫酸铁(PFS)是两种较为常用的无机高分子絮凝剂，具有药耗少、除浊效率高、脱色能力强、温度适应范围宽、絮体形成速度快、pH适应范围宽等优点[4-5]；阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)是一种常用的有机高分子絮凝剂，具有分子量高、产品稳定性好、对胶体物质的吸附架桥能力强、絮凝效果好、适用范围广、产生的污泥量少等特点。因此，这些高效絮凝剂在水处理中的用量日益增大。随着絮凝剂用量的增加，其对污泥特性及处理工艺除污性能的影响备受关注。邱海明等[6]研究了PACl的投加对长期运行的A/O-MBR中污染物去除效果、膜污染速率、污泥混合液性能的影响，发现PACl的投加提高了反应器对总磷的去除效果及污泥沉降性能，降低了膜污染速率；黄华等[7]以序批式好氧活性污泥系统为研究对象，考察PFS对污泥有机毒性的影响，发现PFS对活性污泥系统的处理效能有一定的促进作用，投加PFS后出水COD 浓度和污泥毒性降低。为了探究絮凝剂对污泥特性及除污效能的作用，笔者以聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)为代表，考察了SBR反应器中投加絮凝剂对污泥特性

-N和TP去除效果的影响。

1 材料与方法

1.1 进水水质及接种污泥

试验用水采用人工配水，以可溶性淀粉为碳源、磷酸二氢钾为磷源、氯化铵为氮源，ρ(COD)为312 mg/L，ρ(TP)为

为21.05 mg/L。

试验接种污泥来自四川省成都市高新西区污水处理厂的干污泥，为黄褐色絮状污泥，污泥投加量为8 L。

1.2 试验装置

SBR反应器由有机玻璃制成，内径为24 cm，总高度为29 cm，有效容积8 L。左侧从上往下依次为:4 cm处设进水口、13 cm处设取水口，右侧20 cm处设1号排水口、24cm处设2号排水口。采用时间继电器实现间歇性好氧曝气，反应周期为8 h(曝气4 h)，曝气阶段溶液中ρ(DO)保持在2.5～3.0 mg/L。试验中PAC、PFS和CPAM的投加量分别为10，10，0.1 mg/L。

1.3 测定方法

COD测定采用重铬酸钾法(GB 11914—89)，TP采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法(GB

-N采用纳氏试剂分光光度法(HJ 5352009)，混合液悬浮固体浓度(MLSS)和污泥体积指数(SVI)采用国家环保局的《水和废水监测分析方法》中的标准方法[8]。

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂对污泥特性的影响

活性污泥的污泥特性可通过考察混合液活性污泥浓度(MLSS)和污泥体积指数(SVI)来进行评价。MLSS表征活性污泥中活性成分的参数[9]，SVI 表征活性污泥的凝聚沉降和浓缩性能的指标，过低说明泥粒细小，无机物含量高，污泥缺乏活性，过高则说明污泥沉降性能不好，有产生膨胀现象的可能。

由图1和图2分析可知：10 mg/L PAC对活性污泥特性影响最大，接触前15 d，由于PAC的脱稳凝聚、架桥絮凝、吸附卷扫等作用使污水中的胶体颗粒等从液相转移到污泥中[10]，造成污泥中悬浮固体浓度有所上升，SVI逐渐降低，呈现较好的沉降性能。但随着接触时间的增长，PAC逐渐抑制污泥中的微生物活性、破坏菌胶团及絮体的结构，使得ρ(MLSS)从3 861 mg/L降到2 648 mg/L、SVI从50 mL/g上升为128 mL/g。当SVI大于100 mL/g后，活性污泥沉降性能变差，菌胶团微生物解絮、游离而变得结构松散，无法形成良好的污泥絮凝体。接触第47天开始，停止投加PAC，ρ(MLSS)的下降趋势逐渐变缓，SVI呈缓慢的下降趋势，这是由于部分PAC随着排泥与系统分离,对污泥活性、菌胶团和絮体的影响逐渐减弱，使得污泥的沉降性能有所回升。

—●—CPAM； —□—PFS； —?—空白； —◇—PAC。

图1 絮凝剂对活性污泥MLSS的影响

Fig.1 Effect of flocculants on MLSS

—◇—PAC； —?—空白； —●—CPAM； —□—PFS。

图2 絮凝剂对活性污泥SVI的影响

Fig.2 Effect of flocculants on SVI

0.1 mg/L CPAM和10 mg/L PFS对活性污泥的影响较为相似。随着接触时间的增长，ρ(MLSS)均呈先上升后逐渐趋于平缓的趋势，且SVI缓慢下降并逐渐平缓。分析可知：其一是CPAM的架桥作用和PFS的吸附作用，使得水相中的颗粒物质转移到污泥中[7]，污泥悬浮固体浓度上升；其二是CPAM和PFS对活性污泥的菌胶团和絮体结构有改善作用，使得污泥自身的吸附效能和沉降性能有所增强。

2.2 絮凝剂对活性污泥除污效能的影响

2.2.1 絮凝剂对COD去除效果的影响

活性污泥系统中的絮凝剂通过吸附、电中和以及网捕等作用去除污染物，不同絮凝剂对活性污泥COD的去除效果如图3所示。

—◇—PAC； —?—空白； —○—CPAM； —■—PFS。

图3 絮凝剂对活性污泥COD浓度的影响

Fig.3 Effect of flocculants on the content of COD

由图3可知：3种絮凝剂中，10mg/L PAC对活性污泥COD去除效果影响最大，随着时间的增长，ρ(COD)逐渐上升，且远大于空白组。这是由于活性污泥中COD的去除是依靠微生物的外源呼吸作用和絮凝剂的吸附、卷扫等作用，而其中起主要作用的是微生物的外源呼吸作用。微生物以有机基质作为营养源，通过消化分解这些有机物质实现生长、繁殖。当微生物的活性受到抑制后，其外源呼吸作用极大地被减弱，不能有效地降解有机物质[11-12]，因此，反应系统出水ρ(COD)逐渐上升，由最初的37 mg/L上升为241 mg/L(进水ρ(COD)为312 mg/L)。接触47 d时，停止投加PAC，发现COD呈现平缓上升，这是由于部分PAC随系统排泥排出，对微生物的抑制作用逐渐减弱。

0.1 mg/L CPAM和10 mg/L PFS对COD的去除效果较好，也较为稳定。从图3可以看出：投加CPAM和PFS后，可以促进COD的去除，这是由于CPAM和PFS一方面可以通过吸附架桥作用、电中和作用等在一定程度上去除水相中的COD[7]；另一方面，CPAM和PFS对污泥中的微生物活性有促进作用，可以增强微生物的外源呼吸作用，进一步促进有机基质的降解。

2.2.2 絮凝剂对

去除效果的影响

不同絮凝剂对污泥中

-N的去除效果如图4所示。

-·-·进水； —◇—PAC； —?—空白； —○—CPAM； —■—PFS。

图4 絮凝剂对活性污泥

-N浓度的影响

Fig.4 Effect of flocculants on the content of

-N

活性污泥中

-N的去除主要依靠细菌的硝化作用及所投加絮凝剂的吸附、卷扫作用，而起决定性作用的是硝化作用，包括2个阶段：一为亚硝化阶段，即亚硝化菌将

氧化为

的阶段；二为硝化阶段，即硝化细菌将

氧化为

的阶段。

分析图4可知：3种絮凝剂对活性污泥

-N)的影响与COD类似。加入10 mg/L PAC的体系中随着接触时间的增长，PAC会逐渐抑制亚硝化细菌和硝化细菌的活性，从而削弱亚硝化细菌将

氧化为

的能力，进而影响硝化细菌将

氧化为

的过程，使得

-N浓度逐渐增高。但由于PAC的吸附、卷扫作用，SBR系统出水的

-N浓度最终稳定在20.6 mg/L，相较于进水的

-N浓度21.05 mg/L仍有少量去除。

0.1 mg/L CPAM和10 mg/L PFS对SBR系统中

-N浓度的影响趋势较为相似，均可有效地促进

-N的去除。CPAM是一种有机高分子絮凝剂，主要通过吸附架桥作用去除SBR系统中的

；而PFS在SBR系统中可水解生成具有羟基的磷酸铁络合物[13]，这种络合物可依靠吸附架桥及网捕等作用有效地去除系统中的

-N。此外，CPAM和PFS能够促进亚硝化细菌和硝化细菌的代谢作用，进而促进细菌对

-N的降解作用。

2.2.3 絮凝剂对TP去除效果的影响

不同絮凝剂对污泥中TP的去除效果如图5所示。

-·-·进水； —◇—PAC； —?—空白； —○—CPAM； —■—PFS。

图5 絮凝剂对活性污泥TP浓度的影响

Fig.5 Effect of flocculants on the content of TP

SBR系统中TP的去除主要包括生物除磷和化学除磷两个方面。生物除磷主要利用聚磷菌的超量吸磷现象，将污水中的溶解性磷转化成细胞内的聚磷颗粒，并通过剩余污泥的排放来实现污水中磷的去除[14]。化学除磷主要包含两个过程：金属阳离子与磷酸根离子反应去除可溶性磷；金属离子水解形成的絮状络合物或部分有机聚合物对难溶性磷及有机磷等的混凝去除[15]。这两个过程并不是独立存在的，而是通过综合作用，实现对水体中磷的有效去除。

PAC是一种无机高分子聚合物，成分包括单体铝、二聚体铝、多聚体铝及聚十三铝等多种铝羟基配合物形态[16]。向SBR系统投加10 mg/L PAC后，对系统中TP的去除主要有2种方式：其一，Al3+可与

反应，去除部分可溶性磷；其二，当试验水样pH 值为7～8时，PAC易发生水解聚合反应，形成铝羟基多核配合物，这些多核络合物往往具有较高的正电荷和比表面积，可迅速吸附水体中带负电荷的杂质、中和胶体电荷、压缩双电层及降低胶体ξ电位[15]，促进胶体和悬浮物等快速脱稳、凝聚和沉淀，从而降低水体中的磷含量。但是，由于PAC对SBR系统中聚磷菌的活性有抑制作用，随着接触时间的增长，系统中的TP浓度逐渐上升，但相较于进水TP浓度为4.5 mg/L仍有一定的去除效率。

投加0.1 mg/L CPAM和10 mg/L PFS均可有效促进TP的去除。CPAM通过电中和与吸附架桥两种作用[17]有效去除SBR系统中的TP。PFS是一种无机高分子聚合物，可水解生成具有羟基的磷酸铁络合物[13]，通过这种络合物的吸附架桥及网捕等混凝作用可以去除系统中的难溶解性磷、有机磷等。

3 结 论

1) 在SBR系统中投加10 mg/L PAC后，对污泥特性有较大的影响。随着接触时间的增长，PAC逐渐抑制微生物的活性、破坏菌胶团及絮体的结构，使得MLSS呈下降趋势、SVI值逐渐增大，菌胶团微生物解絮、游离而变得结构松散，无法形成良好的污泥絮凝体，最终导致活性污泥沉降性能变差，甚至出现污泥膨胀现象。停止投加PAC后，对污泥活性、菌胶团和絮体的影响逐渐减弱，污泥的沉降性能有所回升。

2) 投加10 mg/L PAC对

-N和TP的去除效率影响极为相似。一方面，PAC可以在一定程度上将系统中的污染物质通过吸附、卷扫等作用转移到泥相中；另一方面，PAC对系统中微生物的活性有抑制作用，降低了微生物对污染物质的分解能力。而这两种作用中，PAC对微生物活性的抑制作用更为显著，因此，

-N和TP的浓度呈上升趋势。

3) 0.1 mg/L CPAM和10 mg/L PFS对污泥特性均有改善作用，首先依靠CPAM的架桥作用和PFS的吸附作用，将水相中的颗粒物质转移到污泥中，使得ρ(MLSS)逐渐上升；其次，CPAM和PFS能够改善活性污泥的菌胶团和絮体结构，从而使得污泥自身的吸附效能和沉降性能有所增强。

4) 投加0.1 mg/L CPAM和10 mg/L PFS都能够有效地促进

-N和TP的去除，一方面通过CPAM的电中和作用和吸附架桥作用，以及PFS水解产生络合物的网捕作用，可以有效地去除污染物；另一方面，CPAM和PFS能够有效地促进系统中微生物的活性，加强污染物的去除能力。

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EFFECT OF FLOCCULANTS ON SLUDGE CHARACTERISTICS AND POLLUTANT REMOVAL EFFICIENCY

WAN Li, ZHAO Jun-feng, FU Yong-sheng, YANG Zhi-chao, WANG Qun

(Faculty of Geoscience and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

Abstract：To study the effect of flocculants on sludge characteristics and pollutant removal efficiency, by adding polyaluminium chloride (PAC), polymeric ferric sulfate (PFS) and cationic polyacrylamide (CPAM) in a set of SBR, the paper investigated their influence on sludge characteristics and the removal of COD,

-N, TP. The results showed that： 10 mg/L PAC reduced the performance of activated sludge, and inhibited the decomposition ability of microorganisms to pollutants； 0.1 mg/L CPAM and 10 mg/L PFS could improve the structure of zoogloea and floc, which enhanced the adsorption efficiency and sedimentation performance of activated sludge.

Keywords：flocculants; sludge characteristics; pollutant removal performance

*国家科技支撑计划项目“长江上游水与资源管理的可持续利用联合研究”(2012DFG91520)；铁道部科技计划项目“京沪高铁阳澄湖湖区流场及浓度场的模拟研究”(2010G029D2)。

收稿日期：2016-05-18

DOI：10.13205/j.hjgc.201702011

第一作者：万俐(1986-)，女，博士研究生，研究方向为城市给排水理论与技术。[e-mail]

通信作者：王群(1980-)，男，博士，副教授。[e-mail]