張 艷

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

腐殖土活性污泥法是模擬自然土壤環(huán)境，在活性污泥系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)并富集大量土壤微生物，從而使活性污泥菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)化了污水處理效果。

日本于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)了腐殖土活性污泥工藝，并成功地應(yīng)用于日本的島內(nèi)住宅小區(qū)污水凈化站、鳥(niǎo)棲市飯?zhí)锏貐^(qū)和永吉地區(qū)農(nóng)田排水處理站等多個(gè)污水處理廠，90年代該工藝進(jìn)入韓國(guó)后得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展[1]。腐殖土活性污泥工藝在日本和韓國(guó)的運(yùn)行實(shí)踐表明，采用該工藝處理的污水無(wú)臭味產(chǎn)生，污染物的去除效率高，且污泥產(chǎn)率降低，使脫水性得以改善，這對(duì)我國(guó)新建污水處理廠的設(shè)計(jì)運(yùn)行和污水廠的改擴(kuò)建具有一定的借鑒意義。

腐殖土活性污泥技術(shù)雖然在日、韓兩國(guó)已有較大規(guī)模和數(shù)量上的工程應(yīng)用，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究與應(yīng)用情況卻鮮有報(bào)導(dǎo)[2]。由于污水水質(zhì)的不同，該技術(shù)在我國(guó)還存在適應(yīng)性的問(wèn)題，適合我國(guó)水質(zhì)特性及運(yùn)行條件的腐殖土活性污泥工藝還有待于深入研究和開(kāi)發(fā)。為此筆者結(jié)合目前所開(kāi)展的研究及工程實(shí)踐，對(duì)腐殖土活性污泥技術(shù)中腐殖土填料進(jìn)行了研究，并選擇了腐殖土、浮石和硅藻土三種原料進(jìn)行合成，研制出了物理、化學(xué)指標(biāo)和性能與韓國(guó)腐殖土填料接近而成本更低的產(chǎn)品，以期為該技術(shù)在我國(guó)的研究、推廣應(yīng)用提供參考。

2 腐殖土活性污泥法原理與過(guò)程

腐殖土活性污泥法的基本原理是基于模擬天然土壤的環(huán)境特性，將生化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的化能異養(yǎng)型及化能自養(yǎng)型微生物通過(guò)微生物反應(yīng)器培養(yǎng)成優(yōu)勢(shì)菌群，培養(yǎng)好的優(yōu)勢(shì)菌群(土壤微生物)通過(guò)回流系統(tǒng)，從污水流入處回流至整個(gè)系統(tǒng)中。污水中氨、硫化氫、二甲胺、甲硫醇、二甲二硫等有害物質(zhì)被微生物分解吸收或被微生物活動(dòng)代謝產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)吸附、凝聚、結(jié)合反應(yīng)，然后經(jīng)過(guò)缺氧池、好氧池產(chǎn)生重縮合、氧化、還原、分解等反應(yīng)，最終去除污染物質(zhì)。被吸附的有機(jī)污染物質(zhì)又成為微生物及其代謝產(chǎn)物的增殖能源，從而在根源上達(dá)到去除污染物質(zhì)的目的。污水處理流程如圖1所示[1]。

3 韓國(guó)腐殖土填料和浮石的成分與結(jié)構(gòu)分析

3.1 腐殖土填料簡(jiǎn)介

某公司從韓國(guó)引進(jìn)了腐殖土活性污泥技術(shù)中的腐殖土反應(yīng)器(見(jiàn)圖2)[3]，它是一種內(nèi)部填充腐殖土填料(見(jiàn)圖3)和浮石的生物培養(yǎng)裝置。腐殖土填料是以大分子土壤有機(jī)物質(zhì)和土壤微生物等為主要成分的棒狀物，是將含有腐殖質(zhì)的土壤經(jīng)熬煉使之凝固、風(fēng)干后制成；浮石為質(zhì)輕多孔的天然塊石，又稱(chēng)輕石或浮巖。

圖1 腐殖土活性污泥工藝流程

圖2 腐殖土反應(yīng)器示意圖

圖3 韓國(guó)腐殖土填料

3.2 巖相法分析

3.2.1 填料巖相法分析

該填料顏色為褐色，柱狀，質(zhì)輕，氣孔多(屬開(kāi)放型)，硬度低。

鏡下觀察(見(jiàn)圖4)：該填料成分以非晶質(zhì)和有機(jī)質(zhì)為主約占95%，褐鐵礦4%～5%，石英、方解石＜1%。非晶質(zhì)、有機(jī)質(zhì)呈深褐色不透明，土狀、塵點(diǎn)狀、浸染狀，兩者鏡下不易分辨；褐鐵礦為不透明—半透明，深紅色、褐色，粒狀、長(zhǎng)條片狀；石英、方解石為他形粒狀，粒徑0.01～0.27mm。該填料中含大量氣孔約占50%～60%，氣孔多呈不規(guī)則的圓形，大小在0.07～0.15mm，少數(shù)在0.22～1.40mm。

圖4 腐殖土填料(-)

圖5 浮石-1(+)

圖6 浮石-2(-)

3.2.2 浮石巖相法分析

該浮石顏色為黃白色，塊狀，質(zhì)輕，氣孔構(gòu)造，硬度中等。

鏡下觀察(見(jiàn)圖5、圖6)：該浮石具斑狀玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，氣孔構(gòu)造。組成為長(zhǎng)石、角閃石斑晶約30%，玻璃質(zhì)及火山灰、鐵質(zhì)集合體占30%～40%，氣孔30%，磁鐵礦2%～3%。斑晶：長(zhǎng)石無(wú)色，棱角狀，可見(jiàn)環(huán)帶；角閃石綠色，柱狀，階梯棱角狀。玻璃質(zhì)：淺黃色，并混有火山灰及鐵質(zhì)集合體，呈黑色塵點(diǎn)狀，具均質(zhì)體，似有流動(dòng)構(gòu)造，顯示定向性。磁鐵礦：黑色不透明，四邊形粒狀，塵點(diǎn)狀。巖石中有較多氣孔，大小不一，形狀不規(guī)則，并拉伸呈定向分布。

3.3 差熱分析

在腐殖土填料差熱圖譜中(見(jiàn)圖7)，289℃放熱峰為有機(jī)質(zhì)燃燒所致，由此可見(jiàn)，該樣品中含有大量的有機(jī)質(zhì)。浮石不具有熱效應(yīng)。

圖7 腐殖土填料的差熱圖譜

3.4 X-射線衍射分析

X-射線衍射分析是對(duì)填料和浮石進(jìn)行物相分析(礦物成分)的一種手段，分析結(jié)果如下：

腐殖土填料(見(jiàn)圖8)：該樣品主要以非晶質(zhì)和有機(jī)質(zhì)為主，少量褐鐵礦、沸石，微量石英、方解石和白云石。

浮石(見(jiàn)圖9)：該樣品主要以長(zhǎng)石為主，其次為非晶質(zhì)、角閃石，少量方解石、白云石和磁鐵礦。

圖8 腐殖土填料XRD圖

圖9 浮石XRD圖

3.5 化學(xué)分析

化學(xué)分析是對(duì)填料和浮石的元素含量進(jìn)行分析的一種手段，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 腐殖土填料和浮石化學(xué)成分分析(%)

3.6 腐殖土填料和浮石的成分與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以上的分析表明腐殖土填料和浮石的成分與結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

(1) 填料當(dāng)中富含微生物與有機(jī)質(zhì)，微生物可以活化污泥，達(dá)到除臭、去除污水中有害有機(jī)質(zhì)，提高污水處理效果的作用。有機(jī)質(zhì)中含有羧基和羥基，這些官能團(tuán)對(duì)重金屬有絡(luò)合作用，因此可以增加重金屬在腐殖土活性污泥中的穩(wěn)定性[4]。

(2) 在結(jié)構(gòu)上，填料氣孔率高，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，能吸附污水中產(chǎn)生惡臭的物質(zhì)、重金屬離子和活性污泥顆粒；浮石疏松多孔，吸附力強(qiáng)，同時(shí)為微生物活動(dòng)提供有利場(chǎng)所，能增強(qiáng)腐殖土填料對(duì)污泥的活化作用。

(3) 填料和浮石含有方解石和白云石等礦物，富含鈣、鎂元素，褐鐵礦、磁鐵礦富含鐵，長(zhǎng)石含有鋁元素，這些礦物在水中可以析出C a2+、M g2+、Al3+、Fe3+等。Ca2+、Mg2+可以提高污泥的沉降性和脫水性，并且二價(jià)陽(yáng)離子與一價(jià)陽(yáng)離子的比例越大，污泥的沉降性和脫水性越好；Al3+、Fe3+可以提高去除水中磷和有機(jī)物的效果[4]。

4 腐殖土填料改進(jìn)研究

4.1 原料選用原則

通過(guò)前文分析，結(jié)合我國(guó)水質(zhì)特性及運(yùn)行條件，需研發(fā)改進(jìn)韓國(guó)腐殖土活性污泥技術(shù)中的腐殖土填料，以實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的推廣和應(yīng)用。筆者認(rèn)為填料的改進(jìn)原則應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：①增加填料比表面積和親水性，提高單位體積的生物容量；②營(yíng)養(yǎng)成分(N、P、K和微量元素)合理；③加大填料的孔隙率，從而增強(qiáng)對(duì)有機(jī)物、惡臭物質(zhì)的吸附作用，擴(kuò)大臭氣與生物的接觸面；④增加填料強(qiáng)度并減輕質(zhì)量，防止壓實(shí)和出現(xiàn)氣體短流。

填料還應(yīng)耐酸堿鹽，耐生物腐蝕，抗老化，價(jià)廉易得等，并要求填料堆砌形態(tài)、結(jié)構(gòu)能為氣、液、固三相提供充分的接觸，盡量強(qiáng)化填料表面上流體的湍流程度，提高傳質(zhì)效率。

4.2 原料的選擇

在前文的分析基礎(chǔ)上，筆者首先選擇了高質(zhì)量的腐殖土和浮石，但在我國(guó)腐殖土價(jià)格昂貴，市場(chǎng)供應(yīng)少，為了節(jié)約成本和達(dá)到韓國(guó)腐殖土填料的性能要求，另一種原料選擇了改性的硅藻土。

作為親水物質(zhì)加入的硅藻土是一種新型的水處理劑，是由不導(dǎo)電的非晶質(zhì)二氧化硅組成的硅藻殼體，其比表面積50～60m2/g，孔體積0.6～0.8m3/g，孔半徑2 000～4 000nm。吸水率為自身重量的3～4倍，具有較強(qiáng)的吸附力，能把細(xì)微物質(zhì)吸附到硅藻土表面，形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[5-6]。

4.3 原料成分分析

三種原料的礦物成分見(jiàn)表2。

通過(guò)與韓國(guó)的腐殖土相對(duì)比，我國(guó)的腐殖土非晶質(zhì)SiO2的含量低，難以達(dá)到應(yīng)有的污水處理效果，而硅藻土和浮石的非晶質(zhì)SiO2含量較高，所以加入硅藻土和浮石彌補(bǔ)了我國(guó)腐殖土非晶質(zhì)SiO2不足的缺點(diǎn)。

表2 原料礦物成分(%)

4.4 研制的腐殖土填料成分與結(jié)構(gòu)分析

圖10 研制的腐殖土填料

表3 研制的腐殖土填料的化學(xué)成分(%)

研制的腐殖土填料的化學(xué)成分(見(jiàn)表3)與韓國(guó)腐殖土填料化學(xué)成分相近(表1)；筆者研制的腐殖土填料X-射線衍射圖譜(見(jiàn)圖11)與韓國(guó)腐殖土填料X-射線衍射圖譜(圖8)對(duì)比，表明礦物成分也非常接近，達(dá)到了填料改進(jìn)的目的。

4.5 填料的實(shí)用效果

采用改進(jìn)后的腐殖土填料制成的反應(yīng)器在實(shí)際應(yīng)用中收到了良好的效果，這種反應(yīng)器提高了有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)的去除率，使BOD的去除率達(dá)95%以上，TN、TP去除率達(dá)70%以上，從根源上消除硫化氫，氨氮等惡臭物質(zhì)，污泥產(chǎn)率減少30%以上，解決了污泥的二次腐化和處理難的問(wèn)題，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)易對(duì)原有污水處理廠進(jìn)行改造，處理能力可提高30%以上。

筆者將腐殖土、改性硅藻土、浮石按適當(dāng)比例混合均勻，加入發(fā)泡劑，用水泥作為粘結(jié)劑，隨水泥加入量的不同，可以控制填料的強(qiáng)度。成型方式選擇擠壓成型，自然風(fēng)干，成品填料見(jiàn)圖10。

研制的腐殖土填料為黃褐色柱狀，質(zhì)輕、多孔。密度為0.98g/cm3，氣孔呈不規(guī)則的圓形，約占55%～70%，大小在0.06～0.04mm，少數(shù)在0.20～1.32mm，硬度低，耐水性好。

5 結(jié)論

(1) 腐殖土活性污泥法是模仿自然生態(tài)環(huán)境，主要利用腐殖土反應(yīng)器中腐殖土填料附帶的菌類(lèi)和菌類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)來(lái)凈化污水，使得污水無(wú)臭味產(chǎn)生，具有有機(jī)污染物和重金屬的去除效率高、污泥產(chǎn)率低等特點(diǎn)。

圖11 研制的腐殖土填料XRD圖

(2) 對(duì)韓國(guó)腐殖土反應(yīng)器中的腐殖土填料和浮石采用了巖相分析、差熱分析、X-光衍射分析、化學(xué)分析等手段進(jìn)行分析，結(jié)果表明：腐殖土填料富含菌類(lèi)和有機(jī)質(zhì)，腐殖土和浮石中非晶質(zhì)SiO2含量高，在結(jié)構(gòu)上具有孔隙率高、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在成分上具有較高的Ca、Mg、Fe、Al等元素的含量，能配合微生物的活動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)污水處理的效果。

(3) 由于國(guó)內(nèi)腐殖土價(jià)格昂貴，市場(chǎng)供應(yīng)少，且非晶質(zhì)SiO2含量低，難以滿足制作填料的要求，筆者針對(duì)這些不利因素，選用國(guó)內(nèi)的腐殖土、硅藻土和浮石進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浔炔褐瞥尚停善返奶盍显诔煞?、結(jié)構(gòu)以及微生物與有機(jī)質(zhì)、有益元素、非晶質(zhì)SiO2含量等方面接近韓國(guó)腐殖土填料，且成本低廉，適合我國(guó)污水處理的需要。

(4) 筆者改進(jìn)的腐殖土填料經(jīng)某公司制作的土壤微生物反應(yīng)器使用，在這幾年的實(shí)踐中收到了良好的效果。這種腐殖土填料適合在我國(guó)污水處理技術(shù)中推廣使用。

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