好氧污泥絮体与厌氧颗粒污泥的剪切稳定性分析

中国环境科学2009,29(4)：380~385ChinaEnvironmentalScience好氧污泥絮体与厌氧颗粒污泥的剪切稳定性分析王毅力*,黄承贵(北京林业大学环境科学与工程学院,省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083)摘要：通过标准的剪切实验装置检测了好氧污泥絮体和厌氧颗粒污泥在不同剪切条件下剥离的分散胶体浓度的变化.结果表明,厌氧颗粒污泥的剪切敏感性(KSS)比好氧活性污泥高1个数量级,证明了好氧活性污泥的剪切稳定性更好.好氧活性污泥絮体在剪切下剥离的分散胶体平衡浓度(md,∞)分别随着污泥悬浊液的固体浓度(mT)和剪切强度(G)的增加而增加.AE模型的模拟结果显示,好氧活性污泥絮体样品1在剪切作用下粘附-剥离的平衡常数(Km)比样品2的高,相应的ΔG0adh/RT值更小,证明其在剪切作用下的粘附过程更易发生.修正AE模型可以更好地模拟不同剪切强度下污泥絮体上分散胶体的剥离过程,其不仅能够给出未施加剪切的稳定状态时因布朗运动而导致的分散胶体浓度,而且能确定与污泥絮体上分散胶体的剥离能量相关的ΔH/R值.模拟结果表明,好氧活性污泥絮体样品1上分散胶体的剥离需要更多的能量,剪切强度的升高对样品2的影响更加明显.活性污泥剪切稳定性的差异证明了其与污泥结构、性质以及污水处理厂运行效果之间的关系比较复杂.关键词：好氧污泥絮体；厌氧颗粒污泥；剪切稳定性；剪切敏感性；布朗运动中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)04-0380-06Analysisoftheshearstabilityofaerobicsludgeflocsandanaerobicsludgegranules.WANGYi-li*,HUANGCheng-gui(TheKeyLaboratoryforSilvicultureandConservationofMinistryofEducation,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(4)：380~385Abstract：Theshearstabilityofsomeaerobicactivatedsludgesandanaerobicsludgewithdeterminingthemassconcentrationchangesofdispersedcolloidserodedfromsomeaerobicactivatedsludgeflocsandanaerobicsludgegranuleswereexaminedwithstandardsheartestdevices.AerobicactivatedsludgeinA2/Oprocesspossessedbettershearstability,andtheshearsensitivity(KSS)oftheirflocswasanorderofmagnitudelessthantheanaerobicsludgegranulesofABR.Boththeincreaseoftotalsolidconcentration(mT)ofactivatedsludgeandtheincreaseofshearintensity(G)couldresultinincrementinthedispersedmassconcentrationsofcolloidparticlesatequilibrium(md,∞).Moreover,adhesionofsmallcolloidsontheaerobicflocsofsample1couldbemorepronetooccurthanthatofsample2,whichcouldbetestifiedbythehigheradhesion–erosionequilibriumconstantKmandmorenegativeΔG0adh/RTvalueofsample1estimatedfromthenon-linearregressionofmd,∞versusmTwithadhesion–erosion(AE)-model.WithtakingintoaccounttheeffectofBrownianmotiononcolloidparticleerosiondynamics,themodifiedAE-modelcouldnotonlydescribetheconcentrationofsmallcolloidparticlesinsludgesolutionwithoutartificialshear,butalsoquantitativelymodelthesheardata.Basedontheregressionresults,thevaluesfortheequilibriumdispersedmassconcentrationofcolloidparticlespriortoshear(m0)andΔH/Rcouldbedetermined.Modelingresultsindicatedthatmoreenergycouldbedemandedforthedeflocculationprocesswithsample1thanthatwithsample2,butsample2wasmoreremarkablyaffectedbystrengthenedshearintensity.Thediscrepancyofshearstabilitybetweensample1andsample2ofaerobicsludgesimpliessomecomplexrelationsexistedamongshearstability,structure,propertiesofsludgeandwastewatertreatmenteffectinA2/Oprocess.Keywords：aerobicsludgeflocs；anaerobicsludgegranules；shearstability；shearsensitivity；Brownianmotion污泥作为生物处理单元中的关键部分,对单元的处理效果和后续的固液分离效率均具有重要影响[1-4].目前,污泥结构、宏观操作性能(脱水性能、压缩性能、沉降性能和稳定性能)及其所对应的理化性质逐渐成为该领域研究的热点.研究人员对污泥的分形结构[1-2,4-13]和表面电荷[1,3]、表面收稿日期：2008-09-01基金项目：国家自然科学基金资助项目(50578012);国家“863”项目(2007AA06Z301);教育部新世纪优秀人才计划(NCET-06-0120)*责任作者,教授,[e-mail]4期王毅力等：好氧污泥絮体与厌氧颗粒污泥的剪切稳定性分析381疏水性[1,3]、污泥流变学性质[1,2,6]、束缚水含量[2-3]、EPS含量[3]、区域沉降速度[1]、污泥容积指数(SVI)[1]等理化性质及与污泥宏观操作性质之间的关系[1-4,8]已经进行了一些探索性的工作,在上述工作中,表示污泥宏观稳定性的传统指标—粒度分布变化和絮体强度,无法与污泥稳定性的机制过程建立直接的联系[14].因此,国外学者提出了表征污泥剪切稳定的指标—剪切敏感性[1-5,14-16].该指标从污泥絮体的剥离破碎机制出发,通过检测剥离出的分散胶体的浓度变化来衡量污泥的剪切稳定性.这些分散胶体对生物处理单元和后续分离单元的操作效果的影响很大[5,14],因此污泥剪切敏感性的研究工作可以为保障污水处理单元的正常运行提供重要的依据.然而,我国在这方面研究工作开展较少,污水处理领域对剪切稳定性相关的概念、原理尚未完全熟悉.基于上述情况,本研究采用测试剪切敏感性的装置来检测好氧活性污泥絮体和厌氧颗粒污泥在不同剪切条件下所剥离的分散胶体的浓度变化,应用AE模型对该动力学过程进行模拟和分析,揭示污泥在剪切条件下的相关参数和指标的变化情况,旨在为探索污水处理厂污泥的宏观稳定性与理化性能指标之间关系提供基础资料.1材料与方法1.1污泥样品的采集、保存和基本性质测定厌氧颗粒污泥采自北京林业大学环境科学与工程学院环境模拟与污染控制实验室ABR反应器的出水箱,2个活性污泥(好氧污泥絮体)样品取自北京市某污水处理厂A2/O工艺中的好氧池,其中样品1的采样时间为2008年5月6日,样品2的采样时间为2008年5月22日.污泥采集冷藏后,迅速送往实验室.到达实验室后,开始测定污泥样品的基本性质和剪切稳定性,所有测定在3~4d内完成.在测定期间,污泥样品保存温度为(25±0.5)℃,并对好氧污泥进行曝气.污泥浓度(SS)采用重量法[17]测定;污泥的压缩性能用SVI和沉降比(SV)来表征,沉降性能用区域沉降速度(ZSV)来表征,这些指标均按照标准方法进行测定[18].1.2剪切稳定性的测定原理依据文献[5,14-16,19],污泥絮体/颗粒在不同水力剪切条件下的聚集和破碎过程,可以看作是剪切力和导致粘附的力相互作用下所导致的大絮凝体和小分散胶体之间的吸附和剥离的可逆过程,主要受污泥总固体浓度和剪切强度的影响[14-16],并可用Mikkelsen等[15]建立的AE模型来描述.从宏观来看,在AE模型中,剪切稳定性的测定原理,是将一定浓度的污泥样品放置在设定搅拌强度的剪切场中,在剪切力的作用下,依据剥离下来的胶体浓度来衡量污泥的剪切稳定性.剪切稳定性的测定装置为本实验室设计的内有挡板的圆形有机玻璃罐和转速可控的搅拌桨板组成,相应的测定过程见文献[4-5,14].1.3剪切稳定性的定量确定剪切后的污泥样品上清液中分散胶体的平衡浓度(md,∞)的估算采用扩散表达式(1)[19]模拟1.2中剪切试验的动力学数据而得出.md,t=md,∞+(md,0-md,∞)2922161eπNDtNN−=Σ(1)式中:md,0、md,t、md,∞分别为开始时、t时刻和平衡时分散胶体的质量浓度,g/L,以SS质量计;D为有效扩散常数;N为整数.在AE模型中[5,14-15],式(2)、式(3)被用来描述污泥悬浊液中的固体浓度和剪切强度对平衡时分散胶体浓度(md,∞)的影响.md,∞=mT-ma,max·Km·md,∞/(1+Km·md,∞)(2)md,∞=e(ΔH/R)(1/G)eqm(3)式中:mT为污泥悬浊液中总固体质量浓度,g/L,以SS质量计;ma,max为被粘附的胶体颗粒的上限浓度,g/L,以SS质量计;Km为粘附-剥离的平衡常数;R为气体常数;ΔH为剪切影响下的粘附焓变;G为剪切强度,S-1;在一定的mT下qm为常数,其下标m表示mT采用质量浓度单位,而且ΔH/R不受单位的影响,其在胶体颗粒粘附过程优于剥离过程的情况下取负值.Sheng等[5]考虑了布朗运动的影响,将式(3)改为式(4)的形式:md,∞=e(ΔH/R)(1/G)eqm+m0(4)式中:m0为稳定状态下分散胶体的平衡质量浓382中国环境科学29卷度,g/L,以SS质量计,其只受到污泥悬浊液浓度和温度的影响.在剪切稳定性的测定中,剪切敏感性(KSS)[1-5,14-15]是一个重要的指标,其定义为:KSS=d,Tmm∞(5)测定条件为:G＝800s-1,mT为3.5∼4.0g/L.根据文献[5,14]的分析,如果式(2)中相关的质量浓度均转换为体积活度单位,则可以根据其模拟计算出的粘附-剥离的平衡常数Ka来估算相应的粘附自由能ΔG0,相应的公式为:ΔG0/RT=-lnKa(6)2结果与分析2.1污泥的基本性质在2008年5月的2次絮状好氧污泥样品的采集过程中,该污水处理厂的A2/O工艺运行正常,相关处理效果达到了设计要求,所采集的污泥呈