改性玉米芯强化CASS系统除磷试验研究*

杨爽，贾永胜，蔡东旭

（1.安阳工学院化学与环境工程学院，河南安阳455000；2.山西大学资源与环境工程研究所山西太原030000; 3.河南理工大学化工学院河南焦作454010）

改性玉米芯强化CASS系统除磷试验研究*

杨爽1，贾永胜2，蔡东旭3

（1.安阳工学院化学与环境工程学院，河南安阳455000；2.山西大学资源与环境工程研究所山西太原030000; 3.河南理工大学化工学院河南焦作454010）

吸附法具有吸附容量大、能量消耗少、污染小、吸附速度快和可循环再生等优点，在废水除磷领域有广泛的应用前景。在CASS系统中通过对改性玉米芯、活性污泥及二者混合处理废水的对比试验，结果表明，二者混合后对COD和TP的处理效果要明显高于改性玉米芯和活性污泥分别单独存在时，COD的去除率可分别提高34%和18%，TP的去除率可分别提高38%和7%，并且可缩短反应时间。在CASS反应器中添加改性玉米芯可提高废水的除磷效果，具有一定的可行性。

CASS；改性玉米芯；活性污泥；TP

CASS工艺是在序批式活性污泥法基础上发展起来的。该工艺由生物选择区和主反应区两部分组成。生物选择区用以促进微生物繁殖、菌胶团形成并抑制丝状菌的生长。CASS工艺在时间上由于主反应区的间歇曝气而形成好氧/缺氧/厌氧3种环境，并且这3种环境不断循环，这就为除磷提供了必需的外界条件，不足之处是除磷效果较差。其原因在于：整个过程中厌氧环境出现的时间很短，只是在沉淀或排水阶段有短暂的厌氧环境，而且由于可利用的溶解性有机基质不足，使聚磷菌释磷不充分，影响到下一阶段的好氧吸磷。

目前，污水除磷的方法有化学法、电解法、生物法、吸附法、土壤处理法和膜技术处理法等［1］。其中吸附法由于具有吸附容量大、能量消耗少、污染小、吸附速度快和可循环再生等优点，在除磷方面得到了广泛的应用。吸附法除磷是利用某些多孔隙或大比表面积的固体物质对水中磷酸根的亲和力来实现除磷的过程［2］。用单一材料直接吸附磷的研究已经成熟，现在的主要研究方向已经转为对材料进行改性后用于磷的吸附研究。玉米芯作为农业废弃物，产量大，改性后的玉米芯有较好的吸附作用，常可用于水处理中。本文通过静态吸附实验，对比分析改性玉米芯、活性污泥、二者混合3种情况对CASS系统中TP去除效果的影响，探讨活性污泥中投加改性玉米芯提高废水除磷效果的可行性。

1 实验部分

1.1 实验装置

本试验装置是一个CASS反应器，反应器用有机玻璃粘接而成，外形尺寸为：长L=64.5cm，宽B=25cm，高H=41cm，有效体积为60L，其中预反应区体积为6L，主反应区体积为54L。试验装置见图1。进水、回流以及剩余污泥排放均采用蠕动泵，并在蠕动泵上设置定时器进行定时控制。进水方式为上部进水，生物选择区采用限制性曝气的方式，使DO≤0.5mg·L-1，主反应区采用好氧脉冲曝气的方式，设置定时器使好氧、缺氧和厌氧交替运行，以实现频繁硝化-反硝化。主反应区出水采用滗水的形式，由于试验条件有限，采用蠕动泵＋浮标的简易形式来代替滗水器，并在蠕动泵上设置定时器进行定时控制，可以实现边沉淀边排水，效果比较理想。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.2 试验用水及污泥

以人工配制的生活污水为对象，COD为300～400mg·L-1，TP为5～6mg·L-1。

活性污泥取自安阳某水务有限公司，该污水处理厂以处理生活污水为主，采用带前置厌氧段的普通曝气活性污泥法。本实验所用污泥取自厌氧回流段，污泥浓度MLSS为3790mg·L-1。玉米芯取自安阳某农田。

1.3 改性玉米芯的制备方法

试验采用农业废弃物玉米芯作为原材料制备改性玉米芯。玉米芯中主要成分为：半纤维素、木质素、纤维素。玉米芯改性方法较多，其目的是通过改性生成比表面积大、孔结构规则的吸附剂[3]。本试验以玉米芯为原料，磷酸为活化剂、硼酸为催化剂，按一定比例混合、搅拌，在烘箱内烘至无液体时放入马弗炉在450℃加热40～50min，制得样品后用蒸馏水洗至中性，离心分离后将粉末烘干，制得改性玉米芯备用。

1.4 分析方法

COD及TP均采用国家标准方法测定［4］，即COD采用重铬酸钾法，TP采用钼锑抗分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 改性玉米芯对废水的处理效果

2.1.1 不同投加量对处理效果的影响在锥形瓶中加入125mL COD为355.9mg·L-1，TP为5.62mg·L-1的生活污水，分别投加1、3、5、7、9、11g改性玉米芯在25℃恒温振荡器中吸附6h，取上清液，检测COD和TP的去除效果。结果见图2。

图2 不同投加量对处理效果的影响Fig.2 Effect of different quantity on treatment efficiency

由图2可见改性玉米芯吸附125mL污水中COD及TP的最佳投加量为7g，相当于56g·L-1。

2.1.2 不同吸附时间对处理效果的影响在锥形瓶加入125mL COD为340.7mg·L-1、TP为5.62mg·L-1的生活污水，加入7g的改性玉米芯，25℃恒温振荡器中振荡吸附6h，每隔30min取一个水样，测定其吸附废水的效果。结果见图3。

图3 不同吸附时间对处理效果的影响Fig.3 Effect of different time on treatment efficiency

从图3可以看出，随着吸附时间的延长，COD的浓度呈逐渐降低的趋势。从吸附开始到吸附时间达到240min时，COD及TP的浓度逐渐降低。分析其原因在于：吸附过程是一个动态的平衡过程，存在吸附和解析两个过程。吸附开始时，改性玉米芯的比表面积较大，能够对水中的COD进行有效的吸附，随着吸附时间的延长，改性玉米芯表面的空间越来越少，能够供COD存在的空间越来越小，吸附逐渐达到平衡状态。由图3可见改性玉米芯对COD和TP的吸附平衡时间为240min。

2.2 活性污泥对废水的处理效果

向锥形瓶内加入125mL COD为335.6mg·L-1、TP为5.62mg·L-1的生活污水后加入MLSS为3790mg·L-1的活性污泥25mL，25℃下在数显恒温振荡器中振荡6h，每隔30min取出一个样品，测定活性污泥对COD和TP的去除效果。结果见图4。

图4 活性污泥对废水的处理效果Fig.4 Effect of activated sludge on wastewater efficiency

从图4可以看出，随着污泥和污水反应时间的延长，COD的去除率逐渐降低，由最始的335.6mg· L-1可降低到214.0mg·L-1。当反应时间从0min达到120min的过程中，COD的降低幅度较大，120min以后COD的降低幅度有所减缓。分析其原因在于：所取污泥为安阳某水务有限公司带前置厌氧段的普通曝气活性污泥法厌氧回流段的污泥，污泥中含有大量的反硝化菌和聚磷菌，这两种菌对碳源的需求较高，会利用污水中的有机物进行除磷和脱氮。前期COD降低幅度较大时是反硝化菌和聚磷菌主要是利用水中的小分子可溶解态的有机物进行生物反应，随着小分子可溶解态有机物数量的较少，部分大分子有机物会被微生物利用转变为小分子有机物，因此造成后期COD的降低幅度有所减缓。而TP的浓度前期降低幅度很大，后期浓度呈逐渐升高趋势。由于所污泥取自厌氧回流段，污泥中包含大量聚磷菌，初期污水中COD的浓度较高，聚磷菌可充分利用碳源进行好氧吸磷反应，但是从图4上可以看出，当反应时间从0min到240min的过程中，TP的浓度从5.19mg·L-1降低到3.85mg·L-1，但是由于空气中的溶解氧含量较低，因此，造成TP的去除效率不太高。当反应时间超过240min后，TP的浓度呈上升趋势，分析其原因可能是随着反应时间的延长，锥形瓶内出现了厌氧环境，在此环境下聚磷菌利用污水中的COD发生了厌氧释磷的反应。

2.3 改性玉米芯联合活性污泥对废水的处理效果

向锥形瓶内加入125mL COD为340.9mg·L-1、TP为5.62mg·L-1的生活污水后加入改性玉米芯7g以及MLSS为3790mg·L-1的活性污泥25mL，25℃下在数显恒温振荡器中振荡6h，每隔30min取出一个样品，测定活性污泥对COD和TP的去除效果。结果见图5。

图5 改性玉米芯联合活性污泥对COD去除效果的影响Fig.5 Effect of modified corn cob on wastewater efficiency

从图5可以看出，随着时间的延长，COD的浓度逐渐降低。当反应时间从0min到300min的变化过程中，COD的浓度降低幅度较大，从340.9mg·L-1降低到180.3mg·L-1，300min以后COD浓度又呈现出升高的趋势。活性污泥本身也是一种很好的吸附剂，巨大的表面积为活性污泥充分吸附污染物提供了广阔的空间，而活性污泥上栖息的微生物也在污泥絮凝吸附过程中起着重要的作用。正是因为微生物的存在而使得活性污泥的吸附行为与普通吸附剂有所不同。本实验将活性污泥与改性玉米芯混合后与污水发生反应，除了微生物随水中有机物的生物反应以外，同时还发生了活性污泥和改性玉米芯对污水中物质的双重吸附。因此，从数据可以看出，二者混合后污水中COD的浓度值最低。而TP随着时间的延长，浓度变化成先降低后升高的趋势。当反应时间从0min到180min的变化过程中，TP的浓度降低幅度较大，从5.62mg·L-1降低到2.64mg·L-1，180min以后TP浓度又呈现出升高的趋势，而且变化较为平缓。活性污泥中存在的聚磷菌利用COD对污水中的磷可以有效去除，这在活性污泥处理废水中TP的试验中已经证实。改性玉米芯本身可对水中TP的吸附也可使其浓度降低。

2.4 改性玉米芯、活性污泥及二者混合处理废水的对比分析

图6、7分别为改性玉米芯、活性污泥及二者混合情况下对COD和TP的处理效果。

图6 混合时的COD、污泥二者改性玉米芯活性Fig.6 Effect of Modified corn cob,activated sludge and the mixture of COD

从图6可以看出，改性玉米芯单独存在时，反应时间达到240min时，反应达到吸附平衡状态；浓度MLSS为3790mg·L-1的活性污泥单独存在时，反应时间达到120min时，污泥对COD处理效果达到最低值，120min以后虽有波动但变化幅度较为平缓；而当改性玉米芯与活性污泥二者混合时，在210min以后，对COD的处理效果要明显高于改性玉米芯和活性污泥分别单独存在时。当反应时间为210min时，3种形式下COD的浓度分别为318.5、247.3、251.2mg·L-1，活性污泥和二者混合对COD的去除效果基本相差不到，但是要明显高于活性炭单独存在时。210min以后改性玉米芯和活性污泥二者混合后对COD的去除处于绝对优势，改性玉米芯和活性污泥单独存在时，COD的变化趋势基本趋于平缓，只有二者混合后COD是处于急剧下降状态。因此，玉米芯活性炭和活性污泥可以彼此促进吸附反应的进行，有利于提高COD的去除效果。

图7 玉米芯活性污泥二者混合的TPFig.7 Effect of Modified corn cob,activated sludge and the mixture of TP

从图7可以看出，玉米芯活性炭和活性污泥分别单独存在时，对TP的处理效果变化不大，随着反应时间的延长，TP的变化曲线较为平缓；而当两者混合后，可以发现TP的浓度变化较大。当反应时间达到180min时，TP的浓度达到最低值，对TP的处理效果要明显高于改性玉米芯和活性污泥分别单独存在时。因此，改性玉米芯和活性污泥二者混合后可大大提高TP的去除效果。

3 结论

本论文通过静态吸附试验，通过改性玉米芯、活性污泥以及二者混合的对比试验结果表明，在CASS系统中投加改性玉米芯对废水中COD和TP的去除效果优于单独使用改性玉米芯或活性污泥，而且可以在一定程度上缩短反应时间。在生物反应器中添加改性玉米芯可提高废水的除磷效果，具有一定的可行性。

［1］吴燕,安树林.废水除磷方法的现状与展望［J］.天津工业大学学报,2001,20（1）：74-78.

［2］郑兴灿,李亚新.污水除磷脱氮技术［M］.北京：中国建筑工业出版社,1998.

［3］宋肄业,宋艳.玉米芯改性方法的研究进展［J］.安全与环境工程,2008，（6）：72-74.

［4］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法（4版）［M］.北京：中国环境科学出版社,2002.

Experimental study on degradation of TP in CASS by modified corn cobs*

YANG Shuang1，JIA Yong-sheng2，CAI Dong-xu3
（1.Anyang Institute of Technology,Anyang 455000,China;2.Shan xi University,Taiyuan 030000,China; 3.Hnan Poiytechnic University,Jiaozuo 454010,China）

The advantages of adsorption are as follows:high capacity,low energy consumption,low pollution,rapid removal,and can be circulated.Based on modified corn cobs,activated sludge wastewater treatment and the combination of contrast test in CASS,the results show that the combination of COD and TP removal efficiency,activated carbon and activated sludge were significantly higher than exist alone,COD removal rate can be increased by 34% and 18%respectively,and TP removal rate can be increased by 38%and 7%respectively,and can shorten the reaction time.The effect of wasterwater treatment can be improved by modified corn cobs joint activated sludge,and has certain feasibility.

CASS；modified corn cob；Activated sludge；TP

X703.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170130

2016-11-28

河南省重点科技攻关（142102310190）；河南省教育厅科学技术研究重点项目资助计划（14A610011）

杨爽，（1980-），女，硕士，讲师，主要研究方向：化学化工、水污染分析及技术研究。