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化學(xué)生物絮凝工藝中化生物作用的抑制作用的論文
摘要：化學(xué)生物絮凝工藝是利用化學(xué)和生物的協(xié)同作用對(duì)污水進(jìn)行強(qiáng)化一級(jí)處理的深度集成工藝。由于化學(xué)絮凝、沉淀和生物絮凝、吸附、降解的共同作用，化學(xué)生物絮凝工藝對(duì)污水的處理效果優(yōu)于單獨(dú)的化學(xué)絮凝效果。但一些研究表明，投加量小時(shí)，二者的協(xié)同性能比投加量大時(shí)較佳，表明二者的協(xié)同作用不是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)疊加，在高投加量時(shí)，二者還存在一定的抑制作用。本文對(duì)化學(xué)生物絮凝工藝中的化學(xué)和生物的抑制作用進(jìn)行了探討。
論文關(guān)鍵詞：化學(xué)生物絮凝,化學(xué)絮凝,強(qiáng)化一級(jí)處理,協(xié)同作用,抑制作用
為解決水資源污染和短缺的問題，污水一級(jí)強(qiáng)化深度處理工藝已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外污水處理研究的熱點(diǎn)。目前一些主要的強(qiáng)化一級(jí)處理工藝主要有：化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理工藝、生物絮凝吸附強(qiáng)化一級(jí)處理工藝和化學(xué)生物絮凝強(qiáng)化一級(jí)處理工藝[1,2,3,4]。其中化學(xué)生物絮凝強(qiáng)化一級(jí)工藝是近幾年提出的一種結(jié)合了化學(xué)和生物協(xié)同絮凝作用的強(qiáng)化一級(jí)處理新工藝，它由一個(gè)停留時(shí)間短的曝氣池（30分鐘左右）和沉淀池構(gòu)成[5]。它的主要特點(diǎn)是利用混合絮凝反應(yīng)和污泥回流，形成良好的絮凝反應(yīng)條件，在化學(xué)絮凝和生物絮凝的協(xié)同作用下去除污染物[6]。它既有高效的對(duì)SS、TP、膠體態(tài)狀和懸浮態(tài)的COD的去除效果，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)部分溶解性有機(jī)物的去除[7]。因此它有較好的污水處理效果。
一些研究結(jié)果表明，這種協(xié)同作用在混凝劑和活性污泥劑量比較小時(shí)比較明顯；當(dāng)劑量增加時(shí)，協(xié)同效果減弱，去除率增加趨勢(shì)緩慢，當(dāng)劑量繼續(xù)增加時(shí)，對(duì)某些污染物的去處效率還有減少的現(xiàn)象。
圖1 不同PAFC投加量下COD 的去除效果
圖2 不同PAFC投加量下溶解性COD的去除效果
圖3 不同PAFC投加量下SS的去除效果
圖1、圖2、圖3引用張志斌[6]等的研究圖表與數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：在污泥回流量一定的情況下，化學(xué)生物絮凝凝工藝的各個(gè)污染物指標(biāo)處理效果高于化學(xué)強(qiáng)化混凝工藝。但隨著PAFC劑量的增加，化學(xué)生物絮凝工藝對(duì)CODcr和溶解性CODc、SS的去除增加相對(duì)緩慢；在投加量小于70mg/L，兩種工藝對(duì)SS的去除率增加趨勢(shì)的差別特別明顯；投加量俞大，兩種工藝的去除率差別俞小。而對(duì)于CODcr和溶解性CODcr而言，當(dāng)PAFC劑量為100mg/L時(shí)的去除率反而小于PAFC劑量為80mg/L時(shí)的去除率。
盧峰[8]的實(shí)驗(yàn)也表明：結(jié)果混凝劑、助凝劑量一定時(shí)，污泥回流比加大并沒有明顯提高磷酸鹽的去除率；回流比的大時(shí)COD的去除效率反而小于回流比小時(shí)的COD的去除效率；而且污泥回流較大時(shí)對(duì)SS的去除效果與污泥回流時(shí)差別不大。
沈小紅[9]的研究結(jié)果中指出，化學(xué)生物絮凝和化學(xué)混凝的各個(gè)污染物的去除率，在投加量小時(shí)差值較大；對(duì)COD的去除而言，PAFC劑量分別為100、80、50、30mg/L時(shí)，兩工藝的去除率相差分別為14%、24%、22%、29%。羅堅(jiān)[10]的研究中，當(dāng)PAFC投加量為10.6mg/L(以AI2O3計(jì))，COD、SS、PO43—P、TP的去除率非別為65%、78.8％、72.7%、
72.６%；當(dāng)增加80%的回流污泥后，其去除效率分別為67.8%、80.2%、74.7%、71.3%；前三項(xiàng)指標(biāo)的去除率增加量非別為2.8%、1.4%、2.0%，增加效果不明顯；對(duì)TP的去除率卻下降了1.3%，反而不如化學(xué)混凝的效果好。
以上研究結(jié)果表明，二則的協(xié)同作用不是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)疊加；在純?cè)趨f(xié)同作用的同時(shí)，還有相互抑制的作用[6]。尤其是在投加量相對(duì)較高的時(shí)候，抑制作用更加突出，因此使得去除效果增加不明顯，甚至下降。但以上研究沒有對(duì)抑制作用的原因進(jìn)行深入的分析，因此筆者通過探討高投加量時(shí)二者的抑制作用的原因，為探索減少抑制作用的條件，充分發(fā)揮二者的協(xié)同作用提供借鑒；可以進(jìn)一步減少混凝劑、絮凝劑的用量，降低污泥回流量，減少污泥回流動(dòng)力設(shè)施和費(fèi)用，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。
2.抑制作用分析
2.1競(jìng)爭(zhēng)抑制作用
化學(xué)生物絮凝工藝中，由于混凝劑和活性污泥對(duì)污染物去除能力很大，該工藝對(duì)各個(gè)指標(biāo)的去除效果較佳。但混凝劑和污泥的濃度比較大時(shí)，二者的協(xié)同作用相對(duì)降低。這一定程度是由于，混凝劑和活性污泥之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)污染物底物的作用。活性污泥的吸附勢(shì)能不僅可以吸附COD、SS、TP等指標(biāo),它的吸附空位上還可以填充大分子的混凝劑或其支鏈，絮凝劑可能會(huì)和活性污泥優(yōu)先結(jié)合，影響活性污泥的去除效果。鐵、鋁離子可以與活性污泥中的微生物細(xì)胞所分泌的胞外聚合物結(jié)合，影響微生物的絮凝作用以及化學(xué)絮凝效果。另外，像鐵離子，是構(gòu)成微生物體內(nèi)酶的重要鑄成部分。它在生物體內(nèi)的含量維持在某一特定值才保持酶的生物活性，發(fā)揮微生物的生物降解作用。如果混凝劑的劑量過高，過多的鐵離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)與酶作用影響到酶的作用的正常發(fā)揮；其它的金屬離子則會(huì)引起酶中毒；同時(shí)由于鐵、鋁離流入細(xì)胞內(nèi)，這也會(huì)影響到絮凝劑的絮凝效果。
2.2污泥的抑制作用
污泥劑量小的時(shí)候，單位用量的污泥的處理效率較大。這主要是由于活性污泥的吸附作用和微生物的生物絮凝作用。而活性污泥的量增大時(shí)，去除率增大，但是相對(duì)增加量會(huì)減少，協(xié)同效果下降；活性污泥的劑量繼續(xù)增加的時(shí)候，某些指標(biāo)的去除率可能會(huì)下降，去除量也會(huì)減少。這說明：可能是由于活性污泥中的微生物的調(diào)節(jié)作用，活性污泥的吸附作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的吸附過程，存在一個(gè)吸附和解吸的過程；已被活性污泥吸附的污染物在向水中釋放�；亓魑勰嗔窟_(dá)，污泥濃度達(dá)，相互堆集，比表面積會(huì)大大減少；其吸附空位可能會(huì)發(fā)生重疊。回流污泥量大時(shí)，是污泥包圍著污染物，被包圍的那部分污染物同時(shí)被許多不同的吸附空位競(jìng)爭(zhēng)地吸引著，這就造成污泥的吸附效果只發(fā)生了局部的作用。
回流的污泥中不僅含有未反應(yīng)的混凝劑，也含有一定的磷酸鹽、TP,以及懸浮固體顆粒，溶解性的以及非溶解性的COD等污染物指標(biāo)。而且污水處理效果較好時(shí)，污泥中的這些物質(zhì)的濃度較大。因此回流后流后的這部分物質(zhì)會(huì)增加污水中的污染物指標(biāo)，而且它們的轉(zhuǎn)化形式有兩種：一部分消耗藥劑，繼續(xù)轉(zhuǎn)化為污泥被去除掉，另外一部分隨處水排出，這在一定程度也影響到出水的水質(zhì)。
2.3混凝劑的毒害抑制作用
當(dāng)回流活性污泥量或混凝劑的投加量都很大的時(shí)候，二者的抑制作用還可以解釋如下，主要是過多的絮凝劑對(duì)微生物的抑制作用�；钚晕勰嘀械奈⑸锝到庥袡C(jī)污染物，必須經(jīng)過微生物細(xì)胞對(duì)有機(jī)顆粒的吸附、有機(jī)顆粒物質(zhì)進(jìn)入生物細(xì)胞內(nèi)部、細(xì)胞對(duì)顆粒物的生物降解作用、代謝物的釋放。其中被吸附到細(xì)胞表面的顆粒物，由于它們的分子量比較大，顆粒的尺寸也比較大，一般不可能通過自由擴(kuò)散透[11]過細(xì)胞膜進(jìn)入到細(xì)胞的內(nèi)部。必須先與細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)運(yùn)輸載體結(jié)合后，才通過蛋白質(zhì)載體的促進(jìn)擴(kuò)散作用和主動(dòng)運(yùn)輸[11]作用，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部參與生物降解作用。顆粒物的主動(dòng)運(yùn)輸作用需要消耗ATP所釋放的能量，輸率比較慢。但是像Fe3+和AI3+則由于是小分子物質(zhì)，可以很容易通過細(xì)胞膜的磷脂雙分子層進(jìn)入細(xì)胞的內(nèi)部，此過程不消耗能量，動(dòng)力是濃度梯度。
當(dāng)混凝劑的用量增加過大時(shí)，可能會(huì)有過量的Fe3+和AI3+比較容易地進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，大量地聚集于細(xì)胞基質(zhì)中。
當(dāng)Fe3+和AI3+離子過多的時(shí)候，基質(zhì)內(nèi)的離子強(qiáng)度增加，就影響到這些基體的生長(zhǎng)環(huán)境；過多的離子可能會(huì)過多地黏附于基體的表面，和基體發(fā)生不利的物理、化學(xué)作用（如影響基體的物質(zhì)交換作用），影響到其對(duì)水體中的有機(jī)顆粒的正常的代謝活動(dòng)，降低了各個(gè)污染物的去除量或者去除效率。另外，混凝劑的量過大時(shí)，生成的絮體的量也較多，生物體表面聚集的這些絮體的可能性也就愈大，這些絮體顆粒和生物體可能帶有異性的電荷，發(fā)生吸附，造成絮體顆粒黏附在生物體的表面，這樣就會(huì)造成絮體和有機(jī)顆粒的接觸機(jī)會(huì)的下降，降低微生物細(xì)胞對(duì)有機(jī)物的吸附效果，影響顆粒物質(zhì)的傳質(zhì)擴(kuò)善作用。
其次，由于一些微生物的生命活動(dòng)需要的能量，是由下式反應(yīng)提供的：
ATP - ADP +PO43 +E.
(E代表此反應(yīng)過程所釋放的能量，用于參與生物體的一切生命活動(dòng))。同時(shí)此反應(yīng)還是可逆的過程，微生物在降解有機(jī)物、合成生物體的時(shí)候還必須合成ATP，儲(chǔ)備能量。這必須要有必要量的PO43 。但是進(jìn)入達(dá)到生物體細(xì)胞內(nèi)的Fe3+,有可能與PO43 離子生成沉淀。這就較少了生物體內(nèi)合成儲(chǔ)備能量物質(zhì)的ATP的基質(zhì)PO43- 。這就會(huì)減少了生物生命活動(dòng)的能源基礎(chǔ)，因而影響到生物的生理活性，降低其降解有機(jī)物的功能。
由于Fe3+還具有一定的氧化性，它不僅可以降低生物細(xì)胞內(nèi)的酶的生物活性，而且在其通過細(xì)胞膜自由擴(kuò)散進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，它可以氧化它所觸及到的載體蛋白質(zhì)。即使是部分Fe3+黏附于細(xì)胞膜的表面，由于這些蛋白質(zhì)可以自由地移動(dòng)于細(xì)胞膜的磷脂雙分子層之間，因而部分可以到達(dá)細(xì)胞膜外表面，被Fe3+離子所氧化。通過以上兩種情況下的化學(xué)氧化作用，使這些具有運(yùn)輸功能蛋白質(zhì)變質(zhì)失活，喪失其作為有機(jī)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物進(jìn)出生物細(xì)胞載體的作用，降低微生物體的生物活性，因而削弱了對(duì)水體污染物質(zhì)的吸附、降解作用。
3結(jié)論
由于化學(xué)生物絮凝工藝中化學(xué)和生物絮凝的協(xié)同作用，該工藝的處理效果比化學(xué)強(qiáng)化處理工藝更優(yōu)，有廣泛的應(yīng)用前景。但在較高投加量下，雖然處理效果有所提高，但二者的協(xié)同作用相對(duì)降低，協(xié)同性能下降。說明化學(xué)作用和生物作用即存在協(xié)同作用，也存在相互的抑制作用；這兩種作用和它們的投加量存在一定的關(guān)系，二者隨著劑量的增加而增強(qiáng)，但是增加趨勢(shì)應(yīng)有所不同。低投加量時(shí)，兩種作用相對(duì)不大，但協(xié)同作用遠(yuǎn)大于抑制作用，使二者顯現(xiàn)出較好的協(xié)同效果。當(dāng)投加量增大時(shí)，兩種作用都增加，但是抑制作用的增加要快于協(xié)同作用，而且還會(huì)影響到協(xié)同作用，抑制作用表現(xiàn)明顯。因而使協(xié)同作用相對(duì)下降，協(xié)同效果相對(duì)減弱。
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