微生物絮凝剂用于污水强化一级处理

杨开1，康健雄2，张永波1，吕斌1，王宏宇1
( 1.武汉大学土木工程学院，湖北武汉430072；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074)

　　摘　要： 采用微生物絮凝剂普鲁兰(Pullulan)和聚合氯化铝复合絮凝的方法，对我国南方低浓度城市污水进行了强化一级处理试验研究。结果表明，在最佳复配比和最佳絮凝动力学条件下，复合絮凝剂对污水浊度、COD、TP、NH₃-N等指标的去除率分别达到95%、58%、91%、15%以上，且具有污泥沉降与脱水性能良好、处理费用低等特点。
　　关键词：城市污水处理；微生物絮凝剂；普鲁兰；强化一级处理
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)02-0043-03

　　我国南方城市污水浓度普遍偏低，大多数二级污水处理厂实际运行负荷远小于设计值，这不仅给运行管理带来不便，而且造成资金和能源的巨大浪费^［1］。事实上在某些条件下，这种中低浓度污水经一级或强化一级处理后也可接近排放标准。因此，研究适宜的“低投资，少能耗”的城市污水强化一级处理技术，对于提高我国南方城市污水处理普及率、有效削减污染物排放总量、控制水环境污染具有重要的现实意义和实用价值。
　　微生物絮凝剂是具有高效絮凝活性的微生物代谢产物，其化学本质主要是糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等。与传统化学絮凝剂(铝盐、铁盐和聚丙烯酰胺)相比，具有安全无毒、不产生二次污染等优点，是化学絮凝剂理想的替代产品。?

1 试验材料及方法

1.1 普鲁兰生物絮凝剂
　　研究采用华中科技大学康健雄开发的普鲁兰作为微生物絮凝剂，它是出芽短梗霉(Aureoba sidium Pullulans)胞外产生的粘性多糖大分子物质，表面带负电荷，具有无毒、可食及可生物降解等优点，是一种优良的微生物絮(助)凝剂^［2］。?
　　普鲁兰为无定形多糖，分子量大小取决于聚合度DP(Degree of Polymerization)；DP及相对分子量范围分别在200～500个葡萄糖残基和2×10⁵～1.0×10⁷间。一般分子量越大絮凝剂活性越高。
　　在结构稳定的前提下，普鲁兰适用pH值范围为2～10，有较高的热稳定性及粘稠感，其粘度随分子量增加而提高、随温度升高而下降。一般平均相对分子量为4×10⁵的1%普鲁兰水溶液在30℃时的粘度约为5000Pa·s，且与pH值无关。?
1.2　污水水质
　　试验所用污水水样取自武汉市水质净化厂原水收集管渠系统，水质见表1。

表1　试验污水水质 项目 COD(mg/L) BOD₅(mg/L) NH₃-N(mg/L) TP(mg/L) SS(mg/L) 浊度(NTU) pH值 范围 60～140 30～80 7～11 15～29 60～100 24～96 7.0～7.3

1.3　测试项目及方法
　　浊度：采用2100P型浊度仪；?
　　氨氮：蒸馏纳氏试剂比色法；?
　　总磷：抗坏血酸还原法；?
　　污泥含水率：水分快速测定仪；?
　?COD?：重铬酸钾标准法；?
　　絮凝试验：DBJ—621型六联定时变速搅拌机；?
　　脱水试验：采用真空泵和布氏漏斗将泥样先进行真空抽滤，至水分抽干，取泥饼测定。
　　需要说明的是，采用浊度作为主要评价指标的原因：一是原水中悬浮物浓度较低，二是浊度测量更方便。

2　结果及分析

2.1　最佳复合配比的确定
　　前期的试验表明，由于普鲁兰羟基官能团的存在使普鲁兰分子呈现一定的负电性，因此单独使用普鲁兰对城市污水中同样带负电荷的悬浮物无絮凝效果，只宜作为助凝剂与阳离子混凝 剂复配使用。为此，首先通过试验确定试验条件下的最佳复配比。具体做法是先确定聚合氯化铝的最佳投加量，然后在这一投量的基础上，找出复合使用时普鲁兰的最佳投量。反应条件为：快速混合搅拌(200r/min)1min+慢速反应搅拌(60r/min)10min。复合药剂投 加顺序为：先加普鲁兰快速搅拌1min后再加聚合氯化铝。?
　　试验结果表明，COD的去除率随着聚合氯化铝投加量的增大而提高，超过15mg/L以后的浊度去除率则可能由于再稳定现象而有所下降，而此区间的COD去除 率却未同步下降，估计可能和原水中有机物的组分与性质有关。聚合氯化铝投加量为15mg/L时，浊度去除率出现一个峰值(96.5%)，COD去除率也较高(达51%)，故以15mg/L作为最佳投加量。?
　　聚合氯化铝投加量固定不变时，浊度和COD去除率随着普鲁兰投加量的增大而提高，普鲁兰投加量达到0.52mg/L时，絮凝效果明显改善，出水浊度和COD去除率相对于未加普鲁兰时分别提高了20%和5.5%；普鲁兰投加量超过0.6mg/L 后浊度和COD去除率增加不再显著，因此确定普鲁兰的最佳投量为0.6mg/L。
　　按以上配比投加普鲁兰和聚合氯化铝时，浊度和COD的去除效果与单独投加较多聚合氯化铝(30～40mg/L)时相当，因此将最佳复合配比定为：0.6mg/L普鲁兰+15mg/L聚合氯化铝。
2.2　影响絮凝效果的因素
　　由于影响因素众多，故在单因素法的基础上采用正交方法考察絮凝剂的投加顺序、pH值、搅拌方式、沉淀时间、温度等因素对絮凝效果的影响，优化各单因素水平。正交试验的因素水平见表2，因素与指标的关系见图1。
　　对图1作极差分析可知：?
　　①影响絮凝效果各因素的主次顺序为原水水质、pH值、反应时间、沉淀时间、普鲁兰投加量、投加方式、快速混合搅拌时间、慢速反应搅拌速度、快速混合搅拌速度、聚合氯化铝投 加量。其中对絮凝沉淀效果影响最大的因素是原水水质和pH值。
　　②由于试验原水有机物浓度较低(COD一般在80mg/L左右)，考虑到原水水质 的波动性影响，因此将聚铝的最优水平定为15 mg/L，最后确定复合絮凝剂的最佳絮凝条 件是pH值为中性左右(对于城市污水，一般不必另行调节)；复合配比为0.6mg/L普鲁兰+15mg/L聚合氯化铝。最佳絮凝动力学条件为同时投加普鲁兰和聚合氯化铝，在250r/min的速 度下快速搅拌1min，再以60 r/min的速度慢速搅拌10min，相应的G值为23s-1，GT值为1.4×10⁴；最佳沉淀时间为30 min。

表2　正交试验的因素水平 因素 原水水质 普鲁兰投加量（mg/L) 聚合氯化铝投加 量(mg/L) 反应时间(min) 快速混?合搅拌?速 度(r/min) 慢速反应搅拌速度(r/min) 快速混合搅拌时间(min) 投加方式 沉淀时间?(min) pH值 水平 A B C D E F G H I J 水平1 A1 0.5 10 10 200 40 0.5 先普剂 30 7 水平2 A2 0.6 15 15 250 60 1 同时 45 8.5 注：水样A1的COD=77.42 mg/L；水样A2的COD =81.11 mg/L。

2.3 原水水质对絮凝效果的影响
　　在最佳复合配比和最佳絮凝动力学条件下，原水COD的变化对絮凝效果的影响见图2。?
　　由图2可见，复合絮凝剂对城市污水水质的变化具有较强的适应性。当原水COD值在58～140mg/L范围内变化时，COD去除效果虽有一定程度的波动(58%左右)，但基本上都能保证较高的去除率(达52%以上)，平均出水水质优于国家污水综合排放一级标准。同时还说明，对于不同的原水水质均应存在一最佳复配比，这就对日常的运行管理提出了一定的要求。

2.4　复合絮凝剂的脱氮除磷效果
　　按最佳复配比剂量和最佳絮凝动力学条件进行絮凝沉淀试验，测定上清液氨氮(NH₃-N)和TP等指标，试验结果见表3。

表3　复合絮凝剂的脱氮除磷效果 指标 原水水质(mg/L) 出水水质(mg/L) 去除率(%) NH₃-N 10.7 9.08 15.06 TP 29.28 2.73 90.7

　　表3表明，复合絮凝剂对磷的去除效果显著(去除率为90.7%)，对NH₃-N的去除率约为15%。
2.5　复合絮凝剂沉淀污泥的性质
　　取最优条件下絮凝沉淀30min后杯底污泥，测试其静置浓缩性能。浓缩污泥体积与时间的关系见表4，抽滤脱水前后测试的泥渣含水率见表5。

表4　复合絮凝剂沉淀污泥量的测定结果 时间(min) 0 15 30 60 污泥体积(mL) 40～50 30～35 20～25 15～18 污泥量与污水的体积比(%) 5～6.25 3.75～4.375 2.5～3.125 1.875～2.25 表5 复合絮凝剂沉淀污泥含水率的测定结果 %? 泥样 沉淀污泥 抽滤前污泥 抽滤后污泥 含水率 99.4～99.5 99.1～99.3 75.13～76.1

　　据表4可知，絮凝沉淀的产泥量不大，其污泥体积约为污水体积的5%～6%，而且沉淀后污泥的重力浓缩性能很好，在未加任何絮凝剂的情况下，只需30～60min时间，其污泥体 积就可以减少2/3左右，浓缩效率较高。?
　　由表5可见，沉淀污泥的含水率高(达99.4%)，这主要是污水中悬浮固体含量很低的缘故。抽滤后污泥的含水率下降了24%以上，泥饼的含水率降到75%左右，这在一定程度上反映了沉淀污泥的脱水性能优于普通的“铝泥”，有关资料表明^［3、4］“铝泥”脱 水较难，脱水泥饼含水率一般为80%～90%。?

3　处理费用

　　如果处理费用仅考虑沉砂池后工艺所需电费及药剂费，按聚合氯化铝投量为15mg/L、普鲁兰投量为0.6mg/L考虑，经测算处理费用为0.09元/m³，经济效益极其显著。

4　结论

　　在最佳絮凝条件下，复合絮凝剂强化一级处理效果良好，多数出水水质指标接近或优于国家一级出水水质；污泥沉降、脱水性能良好，且产泥量小。?
　　②对于南方城市低浓度污水，该方法处理效果接近常规二级污水处理，具有投资省、处理费用低、抗冲击负荷能力强等优点。
　　③由于以微生物絮凝剂部分替代了无机絮凝剂，这对改善化学污泥性质、实现污泥处理与处置的无害化和多样化大有裨益。

参考文献：

　　［1］邵林广.南方城市污水处理厂实际运行水质远小于设计值的原因及其对策［J］.给水排水，1 999，25(2)：11-13.
　　［2］康健雄.短梗霉多糖絮凝剂的研究［J］.适用技术市场，1996，(12)：3-5.
　　［3］卡尔普R L，等.城市污水高级处理手册［M］.张中和译.北京：中国建筑工业出版社，1986.
　　［4］巴宾科夫Eд.论水的混凝［M］.郭连起译.北京：中国建筑工业出版社,198 2.

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　　收稿日期：2001-07-05