CIBR污泥对生活污水中氨氮的吸附性能分析

连续流间歇生物反应器CIBR (continued-flow intermittent biological reactor)运行中发现缺氧阶段初期都会出现短时进水氨氮未在混合液中累积[1]。Bassin[2]等学者也观察到缺氧或厌氧阶段氨氮的减少，认为主要是污泥对氨氮的吸附作用造成的，且污泥对氨氮的吸附量对污水处理系统的氮转化和氮平衡分析是不可忽略的[3-4]。但目前关于活性污泥或生物膜对氨氮的吸附能力的研究不多，对吸附机制研究主要集中在一些废弃的材料上，例如沸石、粉煤灰和木屑等[4]，这些研究主要围绕物理和化学吸附作用。而活性污泥对污染物的吸附是物理、化学和生物吸附共同作用的结果，在城市生活污水处理系统中污泥对氨氮的吸附性能和吸附机理尚不清楚。兰雄[5]已对CIBR不同阶段(好氧和缺氧)污泥的吸附性能进行了研究，该研究中氨氮的浓度控制在10～70 mg/L，而CIBR在处理生活污水时反应器混合液中氨氮浓度一般在0～10 mg/L，因此为深入探讨CIBR处理城市生活污水过程中污泥吸附氨氮机理及工艺脱氮机理，本文着重探讨CIBR污泥对氨氮的吸附原理、吸附类型，以及环境调控对污泥吸附生活污水中低浓度氨氮能力的影响。

1 实验装置与材料

1.1 实验条件

实验CIBR系统的处理能力为0.6 m3/d，HRT为10 h。沉淀区表面负荷q为0.275 m3/m2d。控制曝气量1.2 L/min，温度控制在25～27 ℃，通过排泥控制SRT为15 d，系统中ρ(MLSS)维持在3000～4000 mg/L。监测设备方面，系统配置了在线溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和pH仪。进水采用模拟生活污水，主要成分为：碳源NaAc，氨氮NH4Cl，磷酸盐KH2PO4，C∶N∶P=250∶30∶5，以NaHCO3调节碱度和pH，pH 7.0～8.0。实验装置见图1。

1.2 吸附实验

设计了反复淘洗实验使污泥中存在基质含量接近为零。取一定体积的上述CIBR好氧末污泥混合液，静置沉淀，弃去上清液，用去离子水清洗3次，测定其污泥的质量浓度。将预处理污泥在高压锅中120 ℃下灭菌30 min，冷却至室温，可得到试验所需的灭活好氧污泥。

1.2.2 活性污泥和灭活污泥静态吸附实验

等量取预处理后的好氧段和缺氧段的活性污泥及其灭活污泥各2份，投加NH4Cl溶液分别控制初始氨氮浓度在0，40 mg/L(以

计)。置于35 ℃、300 r/min的恒温水浴振荡器中进行吸附实验，30 min后定时取上清液于8000 r/min下离心5 min，分别测定

浓度。

1.2.3 缺氧初期污泥吸附实验

预处理后的缺氧初期活性污泥和灭活污泥各5份，分别投加0，5，10，15，20 mg/L(以

计)的NH4Cl溶液进行吸附实验。再等量取4份CIBR小试装置好氧末污泥混合液装入4个5 L大烧杯，用反应器上清液定容至5 L。4个烧杯ρ(MLSS)分别为3727，4231，3811，3482 mg/L。实验水温为25～27 ℃，缺氧搅拌采用大功率磁力搅拌器。控制进水HRT分别为6，8，10，12 h，检测4个烧杯中

浓度变化。

1.2.4 不同环境污泥吸附氨氮静态实验

分别取CIBR曝气初、曝气1 h、曝气2 h，曝气末，缺氧1 h，缺氧末，厌氧0.5 h，厌氧1 h污泥，分成2份进行吸附实验，一份为空白对照，另一份投加10 mg/L(以

计)的NH4Cl溶液，测定

浓度。

1.3 测试项目及方法

等指标均采用国家规定的标准方法测定；DO、ORP和pH值采用在线监测仪(美国JENCO)监测，水样经离心后测定。每组实验重复3次。

2 结果与讨论

2.1 污泥吸附氨氮原理分析

2.1.1 污泥吸附氨氮原理

活性污泥对氨氮的吸附包括表面吸附和生物吸附2个过程[6]。根据已有文献，表面吸附可能存在以下几种作用：1)表面络合：污泥微生物细胞膜表面官能团，如羧基、磺酰基、磷酰基、酚羟基、羟基、氨基、羰基、酰胺基、硫醚基等，其中氮、氧、磷、硫可作为配位电子与氨氮等离子配位络合；2)静电力：Wilkinson在1958年就提出EPS和微生物表面的羟基、磷酸根、氨基、羧基和巯基可以提供电子而使细胞壁表面呈电负性，均能与水中阳离子

结合；3)离子交换：Na+、K+等与

同为阳离子，均能与污泥表面具有离子交换功能的物质发生离子交换[5]。其中，静电力造成物理吸附，表面络合、离子交换等为化学吸附机理。生物吸附主要是微生物在代谢过程中产生胞外分泌物(EPS)，以及污染物进入胞内进行生物代谢，包括生物转运、生物沉淀、生物累积等。目前污泥对氨氮的生物吸附机制还没有相关的理论依据。

2.1.2 好氧段和厌氧段活性污泥和灭活污泥吸附氨氮静态实验

通过灭活污泥消除生物吸附作用，凸显表面吸附作用，对比分析CIBR中活性污泥和灭活污泥能否吸附氨氮及其吸附类型。等量取预处理后的好氧段和缺氧活性污泥及其灭活污泥，投加NH4Cl溶液控制初始氨氮浓度分别在0和40 mg/L(以

计)进行吸附实验(表1)。

由表1可知：1)1号和5号活性污泥在不投加氨氮的情况下还释放了部分的氨氮，这可能是因为淘洗次数增多，污泥处于“饥饿”状态，部分微生物逐步自身解体、消亡，导致混合液中氨氮浓度升高；2)2号和6号灭活污泥采用高温灭菌，由于微生物死亡造成了细胞膜的溶解，释放了少量的氨氮；3)活性污泥和灭活污泥的氨氮吸附量均较低，但CIBR活性污泥的吸附能力均优于灭活污泥，表明污泥对氨氮存在生物吸附作用。本实验中灭活污泥释放了氨氮，干扰了灭活污泥的表面吸附效果判断。

2.2 污泥吸附氨氮类型分析

2.2.1 缺氧活性污泥吸附氨氮能力

学者们在反应器运行时进水缺氧搅拌阶段发现氨氮浓度的下降[2]，进而考察了污泥的吸附作用。因此本实验也选取了等量缺氧初活性污泥进行预处理，分别投加0，5，10，15，20 mg/L(以

计)的NH4Cl溶液进行吸附实验研究等温吸附模型(图2)。

缺氧初污泥对各种氨氮浓度下吸附量和吸附率都很低，吸附率平均在10%左右，与刘宏波等[6]、孔海霞等[7]得出的研究结论基本一致。氨氮的吸附量随着投加浓度线性增大，且与吸附率变化趋势相反，可见污泥对氨氮的吸附量随时间并不呈现简单的线性关系，而是在特定时间有一最高吸附量，即污泥对氨氮的吸附可能存在“最大吸附容量”。

2.2.2 缺氧初期污泥的吸附容量

为证实上述“最大吸附容量”的存在，考察了CIBR缺氧段HRT为6，8，10，12 h时氨氮的变化规律，分析缺氧初期污泥的吸附容量差异，见图3。

上述4种HRT下氨氮开始累积的时间分别为35，50，58，64 min，缺氧初期增加的硝态氮浓度分别为0，0.26，0.19，0.39 mg/L，扣除进水氨氮中被氧化的部分后，氨氮损失量相差不大，分别为1.12，0.97，1.02，0.98 mg

VSS，平均值为1.02 mg

VSS。王昌稳等[9]研究发现，初始氨氮浓度为30 mg/L时絮体污泥对氨氮的吸附容量为1.18

g VSS，与本实验氨氮损失量非常接近，可见该氨氮损失量可能就是本系统的“最大吸附容量”。

2.2.3 缺氧活性污泥吸附等温方程

吸附等温线对于理解吸附剂和吸附质之间的反应类型是非常重要的。因此分别用线性模型、Langmuir模型及Freundlich模型对实验数据进行拟合，找到与实验结果符合的等温方程(图4)。

线性模型：Qe=K*Ce+a

Langmuir模型：Qe=QmaxCe/(1+KCe)

式中:Ce为氨氮的平衡浓度；Qe为氨氮吸附量；Qmax为最大吸附量；K为平衡吸附系数；n为常数。Langmuir模型和Freundlich模型为非线性模型，对这几种模型进行一元线性回归分析，并对回归方程进行相关系数计算。由此Langmuir模型可转换为：

根据最小二乘法原理以Ce/Qe对Ce作图可进行一元线性拟合，并得出吸附系数K及Qmax。同样Freundlich模型可转变为：

同理求得吸附参数n和K，与吸附剂、吸附质种类及温度有关，通过其相关系数R反映模型的拟合效果。

表2中拟合结果表明，线性模型的模拟效果最好，这可能是氨氮浓度过低引起。污泥对氨氮的吸附通过Freundlich模型拟合较显著，根据Freundlich模型可知，吸附是多分子层的，并且吸附表面的不均匀性对吸附也带来了一定的影响，说明氨氮吸附过程存在复杂的生物累积，其饱和吸附量远大于单分子层的物理吸附，污泥吸附氨氮的过程受多重因素的影响。

2.3 污泥环境对吸附氨氮影响实验

为模拟CIBR处理生活污水，本研究将静态实验中初始氨氮浓度控制在较低水平10 mg/L，探讨好氧/缺氧/厌氧环境变化对污泥吸附氨氮能力的影响(表3)。

8个取样点活性污泥对氨氮的吸附量和吸附率都很小，可见各阶段污泥对氨氮的吸附能力有限。好氧/缺氧/厌氧营造了饥饿-饱食环境，好氧曝气加剧了微生物的饥饿程度，吸附能力不断增强，而缺氧和厌氧阶段不断补充进水被污泥吸附并进行生物降解，微生物相对处于饱食阶段，污泥吸附能力逐步减弱，理论分析可得出污泥吸附氨氮的能力顺序为好氧>缺氧>厌氧。但是本研究在低氨氮浓度下污泥环境对氨氮的吸附能力影响不明显，平均氨氮吸附率为8.6%。但在CIBR系统进行氮元素物料平衡模型计算时，污泥对氨氮的吸附作用仍不可忽略。

3 结论

CIBR好氧末和缺氧末活性污泥和灭活污泥对氨氮的吸附率均较低，但活性污泥的吸附量>灭活污泥，表明污泥对氨氮存在生物吸附作用。CIBR缺氧初活性污泥对不同浓度氨氮的吸附量和吸附率都很低，吸附率平均在10%左右，氨氮的吸附量随着氨氮浓度呈线性增大，而吸附率则缓慢减小。通过不同HRT实验得出，CIBR污泥对氨氮存在饱和吸附容量为

吸附等温曲线拟合分析表明，污泥对氨氮的吸附遵循线性模型和Freundlich模型，说明污泥对氨氮的吸附以多分子层的不均匀吸附模式为主。CIBR处理生活污水低氨氮浓度条件下(<10 mg/L)好氧/缺氧/厌氧污泥对氨氮的平均吸附率为8.6%。

[1] 高兰. CIBR脱氮除磷过程机理及在线控制研究[D]. 武汉：华中科技大学, 2016.

[2] Schwitalla P, Mennerich A, Austermann-Haun U, et al.

ad-/desorption in sequencing batch reactors: simulation, laboratory and full-scale studies[J]. Water Science & Technology, 2008, 58(2): 345-350.

[3] Bassin J P, Pronk M, Kraan R, et al. Ammonium adsorption in aerobic granular sludge, activated sludge and anammox granules[J]. Water Research, 2011, 45(17): 5257-5265.

[4] 尹华, 陈烁娜, 叶锦韶,等. 微生物吸附剂[M]. 北京：科学出版社, 2015，9: 80-101.

[5] 兰雄. CIBR活性污泥对氨氮的吸附及氮平衡研究[D]. 武汉：华中科技大学, 2015.

[6] 刘宏波, 文湘华, 赵芳,等. 采用活性污泥富集与回收废水中碳源的实验研究[J].环境科学, 2011, 32(4):1042-1047.

[7] 孔海霞, 袁林江, 王晓昌. 活性污泥对污水中有机物、铵和磷酸盐的物吸附试验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2007, 5(39): 735-740.

[8] 王昌稳, 赵白航, 李军,等. 好氧颗粒污泥吸附氨氮性能[J]. 化工学报, 2014,65(3): 942-947.

CIBR污泥对生活污水中氨氮的吸附性能分析

0 引言

1 实验装置与材料

1.1 实验条件

1.2 吸附实验

1.3 测试项目及方法

2 结果与讨论

2.1 污泥吸附氨氮原理分析

2.2 污泥吸附氨氮类型分析

2.3 污泥环境对吸附氨氮影响实验

3 结论

STUDY ON AMMONIUM ADSORPTION CAPABILITY BY ACTIVATED SLUDGE IN CIBR FOR DOMESTIC SEWAGE TREATMENT

CIBR污泥对生活污水中氨氮的吸附性能分析

0 引 言

1 实验装置与材料

1.1 实验条件

1.2 吸附实验

1.3 测试项目及方法

2 结果与讨论

2.1 污泥吸附氨氮原理分析

2.2 污泥吸附氨氮类型分析

2.3 污泥环境对吸附氨氮影响实验

3 结 论

STUDY ON AMMONIUM ADSORPTION CAPABILITY BY ACTIVATED SLUDGE IN CIBR FOR DOMESTIC SEWAGE TREATMENT

0 引言

3 结论