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固定化微生物颗粒密度初探 秦运铁 张小平 王 秀 华南理工大学环境科学与工程学院, 广东 广州 510650 摘要 对影响固定化颗粒密度的几种因素进行探讨, 结果表明, 增大污泥的比例、氯化钙浓度及减少颗粒粒径都能提 高固定化颗粒的密度, 提出了几种改善固定化颗粒密度的方法, 改用氯化钡作为固定溶液或加入砂子、活性炭等物质 能够有效地增加固定化颗粒的密度。 关键词 固定化 密度 漂浮 流态化 污水处理 0 引言 近年来,固定化微生物废水处理新技术成为各国 学者研究的热点。由于固定化微生物技术用于废水 处理, 具有一系列优点 , 如可以在反应器内保持高生 物浓度 ,反应启动快, 处理效率高 , 操作稳定 ,泥龄提 高,产污泥量少 ,固液分离简单等 [ 1] 。 目前许多研究将固定化技术与流态化技术结合 起来进行污水处理 [ 2 -5] 。而在试验中发现, 这些固定 化颗粒容易产生漂浮 , 因为其密度仅比水大, 约为 1. 1 g cm 3 , 另外固定化颗粒降解水中的污染物会产生 气体, 这些气体附着在颗粒内部和表面 , 会使固定化 颗粒漂浮起来。这种漂浮现象在某些情况下可能有 一定的好处,但这给固定化颗粒对反应器内流态化带 来不利的影响。因此 ,探讨固定化颗粒密度问题显得 尤为重要 。本文探讨了几种因素对固定化颗粒密度 的影响 ,以及提出了几种改善固定化颗粒密度的方 法。 1 试验 1. 1 试验内容 厌氧活性污泥取自污水厂 ,经浓缩后使用 。 1. 1. 1 活性污泥与海藻酸钠混合比例对固定化颗粒 密度的影响 分别取活性污泥∶ 海藻酸钠 4 为 1∶ 4,1∶ 2,1∶ 1 的混合液20 mL ,用注射器滴入 4的 CaCl2溶液, 用 磁力搅拌器搅拌30 min后, 过滤固定化颗粒 ,晾干。 1. 1. 2 氯化钙浓度对固定化颗粒密度的影响 每次取活性污泥∶ 海藻酸钠 4 为 1∶ 1 的混合 液20 mL , 分别用注射器滴入 2、4、 6、8和 10的CaCl2溶液,用磁力搅拌器搅拌30 min后 ,过滤 固定化颗粒,晾干。 1. 1. 3 粒径对固定化颗粒密度的影响 每次取活性污泥∶ 海藻酸钠 4 为 1∶ 1 的混合 液20 mL ,用 12 、 20 针头和不带针头的注射器滴入 4CaCl2溶液 ,用磁力搅拌器搅拌30 min后, 过滤固 定化颗粒, 晾干 。 1. 1. 4 CaCl2与 BaCl2作固定化溶液, 对固定化颗粒 密度的比较 每次取活性污泥∶ 海藻酸钠 4 为 1∶ 1 的混合 液20 mL , 用注 射 器 分别 滴 入 0. 3 mol L CaCl2和 0. 3 mol L BaCl2溶液,用磁力搅拌器搅拌30 min后 ,过 滤固定化颗粒, 晾干 。 1. 1. 5 掺入其他物质对固定化颗粒密度的影响 将3 g 的细砂 100 目 或 3 g 的活性炭 40 目 加 入到20 mL的 1∶ 1 的活性污泥 -海藻酸钠混合液, 搅 拌均匀 ,然后用注射器分别滴入 4 的 CaCl2溶液 ,用 磁力搅拌器搅拌30 min后, 过滤固定化颗粒 ,晾干。 1. 2 密度测量方法 将晾干后的固定化颗粒 颗粒表面没有附着水 倒入量筒,用电子天平称重 , 记 m颗粒, 再加入一定量 的蒸馏水 V水 至覆盖住固定化颗粒 , 测得总体积 V总,得固定化颗粒的体积 V颗粒V总-V水。固定化 颗粒的密度 ρ颗粒m颗粒 V颗粒。 2 结果与讨论 1 活性污泥与海藻酸钠混合比例对固定化颗粒 密度的影响试验结果见表 1。 表1 活性污泥与海藻酸钠混合比例对固定化颗粒密度的影响 污泥∶ 海藻酸钠m颗粒 gV颗粒 mLρ 颗粒 gmL - 1 1∶ 15. 705. 01. 140 1∶ 25. 655. 11. 108 1∶ 46. 396. 01. 065 51 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 从表 1 可以看出 ,污泥∶ 海藻酸钠的比例越大 ,固 定化颗粒的密度越大 。分析认为, 这是由于当污泥∶ 海藻酸钠的比例越大时, 其单位体积溶液含污泥的量 越大 ,从而同体积量的混合溶液,其质量就越大,因此 其密度则会越大 。同时注意到, 当污泥∶ 海藻酸钠的 比例太大时 ,由于海藻酸钠的含量少, 必定会影响固 定化颗粒的质量 ,其形成的颗粒容易破碎。因此不能 采用太高的污泥∶ 海藻酸钠的比例, 来获得高密度的 固定化颗粒。 2 氯化钙质量分数对固定化颗粒密度的影响试 验结果见表2。 表 2 CaCl2质量分数对固定化颗粒密度的影响 CaCl2质量分数 m颗粒 gV颗粒 mL ρ颗粒 gmL- 1 26. 125. 71. 074 45. 805. 31. 094 67. 026. 41. 097 85. 564. 81. 158 104. 403. 81. 158 表2 得出氯化钙的质量分数越大 ,则固定化颗粒 的密度越大,但当质量分数 8时, 固定化颗粒的密 度不再增大。试验中发现一个现象 ,在试验中每次使 用的都是20 mL的混合溶液 ,但得到的固定化颗粒 ,即 使没有损失 ,也最多不过 7 ～ 8 mL , 固定化后的溶液 是很清澈的 。这可能由于, 在固定化颗粒形成后, 就 相当于在颗粒表面形成了一层膜, 而在这膜内的物质 通过这层膜与膜外的溶液可以进行物质传递与交换。 由于膜内外的盐溶液的浓度差 ,膜内的水分子就会通 过膜向高于其盐浓度的膜外溶液中扩散 ,导致固定化 颗粒的水分丢失 ,固定化颗粒的体积则会缩小 。而较 高的盐浓度溶液就会使固定化颗粒的水分丢失的相 对多一点 ,其固定化颗粒的密度也相对大一点 。从表 2 可以看出 , 当盐浓度达到一定程度时 , 对固定化颗 粒密度的影响就很小了。 3 粒径对固定化颗粒密度的影响试验结果见表 3。 表 3 粒径对固定化颗粒密度的影响 针头大小m颗粒 gV颗粒 mLρ 颗粒 gmL - 1 12 4. 974. 51. 104 20 5. 805. 31. 094 无针头7. 196. 91. 042 表3 中,12 针头形成的固定化颗粒的直径最小, 而无针头形成的固定化颗粒的直径最大 ,表明颗粒的 粒径越小 ,其密度越大。这是由于 ,固定化颗粒小时, 更容易失去颗粒内部的水分, 从而使得密度越大。 4 分别使用 CaCl2与 BaCl2作固定化溶液 ,其固 定化颗粒密度的比较试验结果见表 4。 表 4 不同固定化溶液对固定化颗粒密度的影响 固定化溶液m颗粒 gV颗粒 mLρ 颗粒 gmL - 1 CaCl25. 805. 31. 094 BaCl27. 106. 21. 145 从表 4 可以看出 , 使用 BaCl2作固定溶液, 比使 用 CaCl2更能获得较高密度的固定化颗粒。其原因 是 Ba 的分子量比Ca 的分子量大,因此对固定化颗粒 的密度会产生一定的影响。不过, 使用 BaCl2作为固 定化溶液, 对固定化颗粒的传质效应及对固定化颗粒 内部活性生物的生理特征的影响尚不明确,需要更深 入的研究。 5 掺入其他物质对固定化颗粒密度的影响试验 结果见表 5。 表 5 掺入其他物质对固定化颗粒密度的影响 掺入其他物质 m颗粒 gV颗粒 mL ρ颗粒 gmL- 1 无掺5. 805. 31. 094 掺入3 g 砂子8. 416. 51. 294 掺入3 g 活性炭3. 323. 01. 107 表5 显示,加入活性炭和砂子都能增加固定化颗 粒的密度, 但砂子比活性炭增加固定化颗粒密度的幅 度更大一些 。这是因为砂子和活性炭的密度都比活 性污泥的密度更大, 而砂子的密度比活性炭的密度更 大一些,这样单位体积混合溶液的质量关系为掺入砂 子 掺入活性炭 无掺, 因此, 其密度的关系为掺入 砂子 掺入活性炭无掺 。也要注意到 ,掺入了大密 度物质 ,一定会减少单位体积内生物量的含量, 对固 定化颗粒的传质效应会有所影响。 3 结论 1 活性污泥与海藻酸钠混合比例、 氯化钙浓度、 粒径对固定化颗粒的密度影响的研究结果表明,增大 污泥的比例 、 氯化钙的浓度及减少颗粒的粒径都能提 高固定化颗粒的密度 。 2 用 BaCl2做固定溶液能获得更大密度的固定 化颗粒。 3 在活性污泥与海藻酸钠的混合溶液中, 加入大 密度的固体小颗粒,能有效地增加固定化颗粒的密度 。 下转第 56 页 52 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 表 5 各焚烧飞灰-水泥复合胶凝体系中重金属的浸出情况 重金属 不同焚烧飞灰-水泥复合胶凝体系浸出液中 重金属的浸出质量分数 mgkg- 1 FCFBFAFM 垃圾焚烧飞灰浸出液中 重金属的浸出质量分数 mgkg - 1 固体废弃物浸出毒性 鉴别标准 mgL- 1 Zn0 . 3180 . 3240. 5160 . 49056. 11≤50 Pb0 . 0800 . 1100. 1490 . 05726. 47≤3. 0 Cu0 . 0150 . 1490. 0990 . 1948. 17≤50 CdND0 . 004NDND1. 62≤0. 3 Cr0 . 5300 . 1190. 5010 . 0782. 47≤1. 5 2 水泥固化后 ,焚烧飞灰 -水泥复合胶凝体系 中各种重金属稳定态比例的增加、活动态比例的减少 表明 水泥促进了垃圾焚烧飞灰中重金属的稳定化 。 3 焚烧飞灰 - 水泥复合胶凝体系硬化浆体在浸 泡后期时, 表面浸出率急剧下降, 表明其长期抗表面 浸出能力比较强 ,且矿物掺合料的掺入 , 对重金属的 固化有一定的增强效果。 参考文献 [ 1] Glasser F P . Chemistry and microstructure of solidified waste s. USA Lewis Publishers, 1993 [ 2] Aubert J E, Husson B, Sarramone N. Utilization of municipal solid waste incineration MSWI fly ash in blended cement part2 mechanical strength of mortars and environmental impact . Journal of Hazardous Materials, 2007, 146 1 -2 12 -19 [ 3] Lin Kae -Long . The influence of municipal solid waste incinerator fly ash slag blended in cement pastes.Cement and Concrete Research, 2005,35 979 -986 [ 4] 施惠生, 袁玲, 岳鹏. 垃圾焚烧飞灰胶凝活性初探. 同济大学学 报, 2003, 31 12 1444 -1448 [ 5] Lina K L,Wangb K S,Tzengb B Y,et al.The hydration characteristics and utilization of slag obtained by the vitrification of MSWI fly ash. Waste Management, 2004, 24 2 199 -205 [ 6] 王军, 蒋建国. 垃圾焚烧飞灰基本性质的研究. 环境科学, 2006, 27 11 2283 -2287 [ 7] Remond S, Bentz D P . Effects of the incorporation of municipal solid waste incineration fly ash in cement pastes and mortars. Cem. Concr. Res. , 2000 32 565 -576 [ 8] Giampaolo C, Mastro S Lo. Acid neutralization capacity and hydration behaviour of incineration bottom ash -Portland cement mixtures. Cem. Concr. Res. , 2000 32 769 -775 [ 9] GB 5085. 3-1996 危险废物鉴别标准. 北京 中国标准出版社, 1997 作者通信处 施惠生 200092 上海市 同济大学材料学院 E -mail shsmail. tongji. edu. cn 2007- 12-03 收稿 上接第 52页 4 虽然 ,改用 BaCl2作为固定溶液或加入砂子、 活性炭等物质能够有效地增加固定化颗粒的密度 ,但 其对固定化颗粒的生化特性及物理特性的影响,还有 待进一步研究。 参考文献 [ 1] 胡燕荣, 于雪峰. 固定化微生物处理有机污染物的研究进展. 干旱环境监测, 2002, 16 4 195 -196 [ 2] Gonzalez G , Herrera G,Garcia Ma T ,et al.Biodegradation of phenolic industrial wastewater in a fluidized bed bioreactor with immobilized cells of Pseudomonas putida .Bioresource Technology , 2001,80 2 137 -142 [ 3] Park D H, Cha J M , Ru H W, et al . Hydrogen sulfide removal utilizing immobilized thiobacillus sp.in with Ca-alginate bead. Biochemical Engineering Journal, 2002,11 2 -3 167 -173 [ 4] 王宝珍, 熊振湖, 潘辉, 等. 固定化藻菌小球在气升式内循环反 应器内脱氮除磷的研究.天津城市建设学院学报, 2006, 12 2 120 -123 [ 5] 王翠红, 徐建红. 固定化藻菌系统处理含酚废水. 水处理技术, 2000,26 4 236 -239 作者通信处 秦运铁 510650 广东省广州市上元岗 101 号 华南理 工大学环境科学与工程学院 E -mail ties789tom. com 2007- 11-02 收稿 56 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 THE TECHNIQUES AND STRUCTURE OF CAPS WASTE INCINERATION SYSTEM Cheng Baohua Hu Yaxin He Gang et al 48 Abstract Four municipal waste incinerators have been built in HuizhouWaste Incineration Power Plant.Based on the project inHuizhou, the treatment techniques of the CAPS refuse -incinerationg system; the structure and characteristics of the incinerator have beendeeply researched. And the differences among grate furnace, CAO incinerator and CAPS system were also compared. Keywords CAPS pyrolysis refuse incineration PRIMARY RESEARCH INTO DENSITY OF IMMOBILIZED MICROORGANISM PARTICLES Qin Yuntie Zhang Xiaoping Wang Xiu 51 Abstract It was discussed that several factors influencing the density of immobilized beads. The results showed increasing the proportion of sludge, changing the concentration of calcium chloride and reducing the diameter of particles, all could increase the density of immobilized parti- cles; altering barium chloride as immobile solution, adding materials such as sand or activated carbon etc. could effectively increase the density of immobilized particles. Keywords immobilization density floating fluidization wastewater treatment SAFETY OF MSWI FLY ASH AS A COMPONENT OF COMPOSITE CEMENTITIOUS MATERI- ALSShi Huisheng Kan Lili 53 Abstract Safety uation of MSWI fly ash used as a component of composite cementitious material was done from points of chemical s, surface leaching toxicity and leaching ratio of heavy metals. Results showedthat the heavy metals like Zn、Pb、Cr、Cd and Cu etc. Leached by water were rich in it. After being used as a component of composite cementitious material, mechanical properties met the usage demand and steady ratios of heavy metals inMSWI fly ash-cementmatriceswere increased. The capacity of hardened pastes resistance to long -term sur - face leaching wasbetter. The mineraladditives benefited the heavy metals immobilization. It can be postulatedthat MSWI fly ashwas a safe addit - ive used in cement matrix. Keywords MSWI fly ash heavy metals leaching mineral additives CALCULATION OF SOLVENT RUNAWAY IN VACUUM EVAPORATORANDCOLD TRAP APPLI- CATIONSong Zhiying Guan Shaoquan Wang Zhisheng 57 Abstract Mother liquid concentration is an indispensable process operation in pharmaceutical industry , and the measure for protecting the safety of heat sensitive matter was depressing itsboiling point invacuum operation system. Itwas demonstratedby engineering practice that the run - away solvent inmother liquidwas increasedwith anincrease in vacuum. Based on vacuum engineering theory , the runaway solventwasreduced ob - viously by looking for the reason and adding cold trap set in the original system. Keywords vacuum evaporation condenser amount of runaway cold trap THE ENVIRONMENT DETECTING SYSTEM USED IN THE ENERGY INDUSTRY BASED ON ETHERNET AND WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGYLi Wei Chen Ming 60 Abstract For the complicated environment in the oil field, mine and gas well, the field environment detecting system must be strict with the installation, layout and the real -time for the environment detecting.It is shown the environment detecting system based on ethernet andwire - less communication technology , which uses the MSP430F149 to design the data -detecting terminal and AT91SAM9261 to design the controller. The system overcomes the disadvantages for the difficult wirings remote monitoring and inconvenient movement in the field of the energy indus - try. It was described in detail the schematic, structure and software design for the field controller. Keywords AR M9 ethernet wireless communication THE SYNTHETICAL UATION AND COMPARED STUDY ON INDOOR AQI Gao Hongwu 62 Abstract By monitoring the samples of indoor air, the data were obtained and analyzed. Then using the of maximum and average exponent, at the same time considering the exponent of air quality, the comprehensive exponent of indoor air quality and the partial expo - nent of aldehyde were uated. The relation of the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde in the monitoring sam- ples was also analyzed. The results show that the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde decrease gradually along with the increasing of fitment years, the variational curve of the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde in indoor is almost same. The comprehensive exponent is linear with the partial exponent of aldehyde. Keywords indoor air pollution quality monitoring uation THE EXISTING PROBLEMS OF PRIMARY DEDUSTING SYSTEMS FOR CONVERTERS OF PANZHIHUA IRON AND STEEL COMPANY AND IMPROVEMENT MEASURES Huang Weiguo 65 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 4,August, 2008