化学生物絮凝工艺去除城市污水中重金属的研究

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作为解决水质恶化问题的途径之一， 　　　　 强化一级 工艺逐渐成为国内外污水处理研究的热点。化学生 物絮凝强化一级工艺是一种化学和生物作用集成的 污水处理新工艺， 它既有高效的对 Ｓ，　胶体状 ＳＴ 、 Ｐ

气提装置提升至反应池， 并在第一廊道的前端完成 泥水混合。与化学生物絮凝工艺不同的是， 化学絮 凝工艺采用管道混合器快速混合， 化学絮凝反应池 各格内

分别设置机械搅拌装置， 同时污泥不回流。

Ｃ Ｄ的去除效果， Ｏ 又可以实现对部分溶解性有机物

的 去除［。 ’ 与单纯的化学絮凝强化一级处理工艺 〕
或生物絮凝强化一级处理工艺相比， 该工艺具有加 药量小、 剩余污泥少的特点。但是其对污水中重金 属元素的去除效果， 以及在重金属去除方面与化学 强化一级处理的效果相对比， 在国内研究得还较少。 笔者以实际城市污水为处理对象， 　　　　 采用平行对 比试验装置， 考察了化学生物絮凝强化一级处理工
艺和化学絮凝强化一级处理工艺对重金属的去除效 生化 涍 果。目前的絮凝工艺主要是通过物化和（ 撵疈 吸；用撵疈作，鉲 ｘＰ 壗 或） 作用， 使污水中、 ％ 一 ０ ５ ０ ８％以上的重金属浓缩在污 泥中而去除。重金属在水中的化学形态与污泥对重 金属的吸附和释放有密切的关系， 因此可通过比较 污泥中重金属元素的存在形态和含量确定两工艺对

１２ 药剂与投放点 ． 液体无机絮凝剂Ｐ Ｆ （　 。 ０８ Ｆｚ　 　　　　 Ａ Ｃ　ｚ　 ．％，ｅ ３ Ａ ０ 为１ ｌ ０ 为１８ 分别投加在化学生物絮凝工艺的混合池 ．％）
和化学强化一级工艺的管道混合器前端， 有机高分 子絮凝剂聚丙烯酞胺（Ａ 分别投加在化学生物 Ｐ Ｍ） 絮凝工艺中第三个廊道的首段和化学强化一级工艺
的第三格。

１３ 仪器、 ． 试剂及检测方法 ① 主要仪器及试剂 　　　　

仪器：Ｄ一 ５型能量色散 Ｘ荧光分析仪 　　　　 ９ Ｅ
（Ｄ Ｒ ）原子吸收光谱仪（ Ａ ） ＥＸ Ｆ、 Ａ Ｓ　 。 试剂：Ｈ ０ 、Ｈ ，　 ０ ０ ，　 ，　 １ 　　　　１， Ｆ Ｃ ３０ Ｈ Ｈ Ｉ Ｍ Ｃ 、 Ｃ Ｈ Ｃ ９ｚ

Ｎ ｚ　 ＨＩ Ｈ０ Ｈ? Ｃ， 均为分析纯； ％的Ｈ０； 灰； ， ３ ０ ｚ　 ２ 石 Ｃ ｕ Ｎ， ，ｎＰ， 的 储备液。 ｉ ｎＭ ， Ｃ 标准 Ｚ ｂｒ
② 检测方法 　　　　 同时提取化学生物絮凝反应池和化学絮凝反应 　　　　 池出水， １ 静沉 周后取沉淀物在 １５℃下恒温烘干， ０

重金属元素的去除效果， 进一步揭示化学生物絮凝 工艺的反应实质。

１中 试流程与方法
１１ 工艺流程 ． 试验流程见图 １ 　　　　 ａ
化学 生物 絮凝反应池 沉淀池

出水

再研磨过 １０目 ０ 尼龙筛备用。 絮凝产物所含金属元素的定性分析： 　　　　 分别取两 种污泥样品， Ｅ Ｘ Ｆ确定主要金属元素的成 利用 Ｄ Ｒ 分及其相对含量， 较两种絮凝工艺的去除效果。 比
由于絮凝产物中包括锌、 镍 、 　　　　 铬、 铜等国家严格 控制的重金属元素， 加之重金属的不同形态会表现 出不同的生物毒性和环境行为， 因而需对样品进行

进水

剩余污泥

出水 化学 絮凝反应池

剩余污泥

图 １ 平行对比中试系统 　　　　　　　　　　　　　　　　 Ｆ ．　 ｃｅ ａｃ　 ｒ ｏ ｉｔｃ ｅ　 ｓ ｔ 　　　　ｈｍ ｔ ｄ ｇ ｍ　ｐｏｓ ｌｔｔ　ｅ ｉ １　 ｇ 　Ｓ ｉ ｉ ａ ｆ　 － ａ ｅ ｙ ｍ ａ ｌ ｓ ｓ

试验用水取 上海安亭污水处理厂（ 　　　　 自 设计采用 化学生物絮凝工艺） 的曝气沉砂池出水。化学生物 絮凝工艺的快速混合池采用穿孔管曝气搅拌快速混

定量分析以确定其种类、 含量和存在形态。采用原 子吸收法测定絮凝产物中的金属元素： 首先采用 Ｔｓｅ五步连续提取法将污泥中的重金属按交换 ｅｉ ｓｒ 态、 碳酸盐结合态、 铁锰氧化物结合态、 有机物结合 态、 残渣态 ５ 种形态分别进行萃取， 然后测定每种形

２ 结果与分析

态金 的量 。 重属含川
化学絮凝工艺主要是通过絮凝剂的电性中和、 　　　　 吸附架桥、 网捕等作用去除重金属元素； 而在生物处

合， 最大停留时间为６ ｓ ０， 有效容积为００ 耐， ．３ 有效
水深为０３ ｍ 化学生物絮凝反应池的有效容积为 ．３　 ；

１ ｍ， ． ３ ２　 最大停留时间为３ ｍｎ有效水深为０５ ５　 ， ｉ ．５
ｍ 采用微孔管曝气， ， 各廊道可独 自 调节曝气量来控

制不同的Ｇ值， 以达到最佳的絮凝效果； 絮凝反应 池与沉淀池采用穿孔配水墙连接， 沉淀池的设计水
力停留时间为 １５　有效水深为 １　 回流污泥由 ．ｈ ， ｍ；

理系统中则以吸附和降解作用为主。Ｌｓｒ　Ｎ ｅｅＪ ． ｔ ．　 的研究表明， 通过沉淀、 吸附去除的重金属比例 ＜ １％， ０ 而经有机结合和

谢和未定义的非代谢过程进行重金属的积累。化学 生物处理将上述两种工艺结合起来以达到去除污水 中重金属元素的目的。

由图２３ 　　　　 ， 可以看出， 两种工艺的絮凝产物中均
含有大量的铁、 钙、 磷、 铝、 硫、 钾等元素， 此外还包括 一定量对环境和人类健康有严重危害的重金属元 素， 如铜、 锌、 镍等。由表 １ 铬、 锰、 可知， 在减少处理 水中的铝元素方面， 化学生物絮凝的吸附性能比化 学絮凝提高较多， 其絮凝产物中铝的含量比化学絮 凝剂的提高了１６ 在重金属元素去除方面， ０％； 絮凝 产物中的铬、 锰含量提高了 １％ 一 ５ 对镍元素 ０ １％， 的吸附量也有一定的提高。这主要是由于在化学絮 凝工艺的基础上引人了生物处理工艺。生物处理工 艺主要通过活性污泥去除重金属， 它包括两个阶段： 第一阶段是沉淀， 属重力作用； 第二阶段是污泥上菌 胶团的吸附。这样通过两种工艺的结合， 既降低了 污水中铝的含量， 缓解了当前由于水处理剂的大量 使用而导致的水体中铝元素超标问题， 也加强了对 污水中重金属元素的控制。但铜和锌的含量在化学 絮凝产物中较高。 随着研究的深人 ， 　　　　 人们逐渐认识到重金属元素 对环境 的危害大小更大程度上取决 于其存在形

对絮凝产物的荧光分析结果见图２３ 　　　　 ，和表 ｔ ｏ

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图２ 化学生物絮凝产物的荧光分析图 　　　　　　

Ｆ ．　 Ｄ Ｒ ａａ ｔａｌｅ　ｌ ｇ ｆｍ　ｅ ｉ ｌ ｉ ２　 Ｘ Ｆ　 ｌｉ ｌ　 ｏｓ ｄｅ　 ｃ ｍｃ － ｇ 　Ｅ ｎ ｙｃ ｉ ｆ　 ｒ ｈ ａ ｎ ｕ ｏ

ｂｌｉｌ　 ｕ ｔｎ　 ｅ 　　　　　　　　　　 ｉｏｃ ｆｃ ｌｉ ｐ ｃ ｓ ｏｇａｌ ｃａｏ ｒ ｓ ｏ ｏ

态［］ 根据Ａ Ｔｓｅ的连续提取形态分类法将 ３。 ， ４ ．　ｉ ｅ ｒ ｓ
絮凝产物中的重金属元素分为５ 交换态、 类： 碳酸盐 结合态、 铁锰氧化物结合态、 有机物结合态、 残渣态。 其中以前 ３ 种形态存在的重金属的化学稳定性较 差， 容易被置换而游离出来， 因此是处理时的主要控 制对象。采用原子吸收法对按照 Ｔｓｅ法提取的 ｅｉ ｓｒ 重金属进行分析， 结果见表 ２ ０
表 ２ 原子吸收检验结果 　　　　　　　　　　　　　　　　

８ ８ ８ ８ ８ ８ ８ ８ ８
６ １
， － ｅＪ 亡 ｎ

８ ．１ １

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图 ３ 化学絮凝产物荧光分析图 　　　　

Ｆ ．　　　 ｉ ３ ＥＤＸＲＦ ａａ ｔａ ｌｅ　ｓ ｄｅ　 ｃｅ ｉ ｌ ｇ ｎｌｉ ｌ　 ｏ ｌ ｇ ｆ ｍ　 ｍｃ ｙｃ ｉ ｆ　 ｒ ｈ ａ ｎ ｕ ｏ

表 ， 絮凝产物荧光分析结果

Ｔｂ２　ｅ ｒｕｓ ｔ ｉａｓｐｏ ｍｔ 　　　　　　 ｌ 师ａｍｃ　ｏ ｔｎ　ｈｄ ａ．　 ｓ ｅ ｔ 　Ｔ ｔ　 ｓ ｏ ｂ ｒｉ ｅ ｏ

Ｔｂ１　Ｄ Ｒ ａａ ｔａｒ ｕ ｏ ｓ ｄｅ ａ．　 Ｘ Ｆ　 ｌｉ ｌ　 ｌ ｆ　 ｇ 　Ｅ ｎ ｙｃ ｅ ｔ　ｌ ｓ ｕ
元素
ｌ Ａ Ｓ ｉ
Ｐ

含量

卜 样 重金属形态 泥品
化学生 物絮凝
污泥 　　

铬
０． ４ ６

锰
６ ８
１． ３２

铜
１０ ．７ ３０ ．２

ｍ ? ｇＩ 　　　　　　　 ｇ ｋ一 锌 镍
３． ７ ８ ５９ ７． １． ０５ ２． ２２

化学生物絮凝产物
５１ ．６
７． ６ ０ ５０ ．７

化学絮凝产物
２５ ． １ ．４ １９ ３０ ．７
３２ ．７ ２． １ ６ １ ７ ０． ７

可交换态 铁、 锰氧化物 可交换态 铁、 锰氧化物

睐 盐 合 ０．１ 酸结态 ２
０． ５ ２

５ ４ ３ ５ ７ １ １ ． ３４ １ ８ ５ ７ ２． ６． ８７ ８． ４
７ ． ２ １ ２ ． ２６ １１ ．５

８． ４５ ２ ２

６ ４
１． ７９

Ｓ
Ｋ Ｃ ａ Ｔ ｉ

２５ ．７ ２３ ．２
１．１ ２７ ２． ９ ５ ０． ３ ６

化学絮 凝污泥

碌 盐 合 ０． ３ 酸结态 ９

５７ ．

５ ３ ６ ３ ８ ２ １ ． Ｂ　 １ ８５ ８ ９ ４ ． ５ ． ３ ６ ９ ．　 ５ ． ６

３１ ．４ ０５ ．８
０． ２ ６

由表 ２ 　　　　 化学生物絮凝工艺对非稳态锰元 可知，

Ｃ ｒ
Ｍｎ Ｆ ｅ Ｎｉ

素的吸附量比化学絮凝工艺有较大提高。据报道，

０６ ．８ ４ ．４ ９２ １０ ．６
３． ７ ４

４ ．９ ８９
０． ４ ９

锰元素主 附在粒径＜ Ｖ 颗粒上「１ 要吸 ８　 ａ ， ｍ的 ５， ， 而回 ６
流污泥中 有将近１３ ／ 的颗粒粒径 ＜ ｝ ， ８　 这对于锰 Ｌ ｍ 元素的去除有很大的促进作用。此外， 对非稳态铜 元素的吸附量也有一定的提高。ｕｋ ｈｓ的 Ｄｃ和Ｇｏ ｈ

Ｃ ｕ
Ｚ ｎ

３４ ．９
８０ ．７

７４ ．３

（ 　　　　　　　　　 下转第 １ ８页）

研究表明， 铜元素主要是被胶体状颗粒物所吸附， 化 学絮凝剂所产胶体物质的物理和化学特性决定了铜 元素的去除效果， 但活性污泥也可通过吸附作用去

除部分铜〔。对铬、 ７ ］ 镍的吸附量则保持相对稳定，
这是由于生物颗粒对重金属表现出不同的亲和程 度， 活性污泥对重金属的去除存在这样的顺序：ｕ Ｃ

＞　 Ｚ ＞　 Ｃ［， 此对于主要吸附在细菌外 Ｃ ＞　 Ｎ＞　１因 ｄ　 ｎ　ｉ　 ８ ｒ　
层聚合物上的铬和囊状聚合物及细胞壁上的镍来 说，， 活性污泥对其去除效果极为有限， 所以化学絮凝
是决定这两种金属去除效果的主要因素。化学絮凝

剂对锌的吸附性能较强， 这主要是因为我国城市污 水中锌元素的含量较高， 是主要的有害金属之一。 但高浓度锌元素的加人会影响微生物对重金属元素 的吸附性能， 降低了其生物活性， 导致对锌的去除效 果下降。同时， 污泥回流也降低了化学絮凝剂的浓 度， 减弱了电性中和的作用， 因此化学生物絮凝产物 中的锌含量较化学絮凝产物的低。
３ 结论

① 化学生物絮凝工艺对铬、 　　　　 锰和铜的去除效 果优于单一的化学絮凝工艺， 同时可大幅降低出水
中铝元素的含量。

② 化学生物絮凝处理工艺去除重金属的效果 　　　　 由于受污泥中微生物活性的影响而不稳定。在处理 高浓度重金属污水时， 微生物的活性亦会受到抑制， 导致去除效果降低， 因此该工艺不适宜高浓度重金
属污水的处理。



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