活性污泥絮凝：在线测定絮体尺寸和剪切效果外文翻译资料

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活性污泥絮凝：在线测定絮体尺寸和剪切效果

摘要

本文介绍了一种能够在线监测活性污泥絮凝的技术。通过研究剪切对稳态絮凝物尺寸的影响来证明该技术的有用性。该技术基于开发用于研究无机颗粒的絮凝的方法。将活性污泥样品在50W下超声处理3分钟以产生必要的初级颗粒以观察絮凝。然后将样品在分批混合容器中搅拌并使用Malvern Mastersizer / E在线筛分。

发现絮凝动力学是可重复的，并遵循无机剪切诱导絮凝的原理。发现中值絮凝物尺寸增加，直到达到聚集和破裂速率之间的平衡。此时，保持稳态絮凝物尺寸。

使用实验技术量化剪切对稳态絮凝物尺寸的影响。絮凝物尺寸随剪切的变化遵循幂律关系。这种关系用于研究破损机制。

关键词 絮凝 絮凝物大小 剪切 超声处理

命名法

G平均速度梯度（T-1）

平均湍流能量耗散率（l2 T-3）

v运动粘度（l2 T-1）

叶轮功率数

N叶轮转速（rpm）

D叶轮直径（ l ）

V 罐容积（l3）

d最大絮凝物尺寸（l）

C絮体强度成分（l T-x）

x稳定的絮状物尺寸组分

1 Kolmogorov微尺度（l）

1介绍

活性污泥的絮凝对于处理过程的有效运行是至关重要的。然而，与该过程的其他方面（例如生物反应和固液分离）相比，对基本原理知之甚少。絮凝机理尚未彻底研究，也未成功量化。一个主要障碍是我们无法直接进行测量描述絮凝所需的必要参数。托马斯等人从他们对絮凝模型的评论中得出结论。

因此，将絮凝模型应用于复杂的基质（如城市 废水）需要在实验工作中重新进行,以提供详细研究颗粒结构和絮凝动力学的机会。

本文旨在介绍和评估一种实验技术，该技术旨在提供描述絮凝所需参数的量化。具体而言，本文确定了絮凝过程中絮凝物尺寸的变化。这项工作的主要贡献是开发了一种实验技术，可以直接在线监测活性污泥絮凝物。

该技术基于Spicer等人开发的方法，量化聚苯乙烯 - 明矾系统的絮凝。通常，为监测无机颗粒的絮凝而进行的实验包括在带有絮凝剂（例如硫酸铝）的挡板混合容器中混合初级颗粒（例如聚苯乙烯颗粒）的初始悬浮液。然后测量絮凝作为絮凝物尺寸随时间的增加。
这些实验的主要发现是，最初絮凝物尺寸迅速增加，直到最终达到稳态尺寸。这种现象通常用两个关键的絮凝机制，聚集和破碎来描述。絮凝物尺寸的快速增加最初是由于聚集的主要速率。随着破碎变得更加显着，絮凝物尺寸的增加速率降低,直到达到稳态絮凝物尺寸。在这一点上，聚集和破碎的速率处于平衡状态,导致絮凝物尺寸稳定。

在本文中，从全面废水处理厂收集的活性污泥用于研究活性污泥絮凝。基于Spicer等人的絮凝方法是为此应用程序定制的。使用该技术，测量在线絮凝物尺寸。

应用于无机絮凝体系的混合强度已显示出显着影响最终絮凝物尺寸，絮凝速率和絮状结构。

因此，使用该技术还研究了剪切对活性污泥絮凝的影响。

本文的具体目标是：

bull;描述了为监测活性污泥絮凝而开发的实验技术;

bull;分析这种技术的结果，特别是测量絮凝物的大小;

bull;证明了该技术在量化剪切对活性污泥絮凝效果方面的作用。

技术开发是下一节的重点。详细分析和讨论了该技术的结果。最后，研究了剪切对活性污泥絮凝的影响，并对结果进行了讨论。

2技术发展

本节的目的是介绍絮凝技术。描述和讨论了对技术开发至关重要的特定实验的结果。

对于所有实验，从位于澳大利亚布里斯班Wacol 的全尺寸连续生物营养物去除（BNR）废水处理厂收集活性污泥。还收集了流出的样品。收集后， 将样品放回实验室（1小时内）并在4℃下储存。所有样品保存最多4天。

在每种情况下，使用Malvern Mastersizer / E 尺寸测量仪测量絮凝物尺寸。这是一种光散射仪器，其工作原理是弗劳恩霍夫衍射理论。引入稀释的活性污泥样品进入2 mW He-Ne激光器的路径。然后在定制设计的检测器上检测散射光。尺寸分布基于体积，平均尺寸被引用为基于体积当量直径的中值。

2.1超声

细菌是用于形成活性污泥絮凝物的主要颗粒。

在处理过程中，细菌以絮凝状态存在。因此,为了研究活性污泥的絮凝，必须破坏絮凝物以提供进入初始初级颗粒的途径。然后可以在受控环境中观察活性污泥的再絮凝。

超声处理是一种经常用于破坏活性污泥絮凝物和计数细菌的方法。它也被用作从活性污泥中提取聚合物材料的方法。超声处理通过空化过程导致絮凝物破坏。在声波的稀疏阶段 形成小气泡。这些气泡在压缩阶段坍塌，通过液体释放冲击波，导致絮凝物破坏。

Jorand等人的超声研究和Snidaro等人表明活性污泥的结构由三个层次组 成。第一种是由通过凝胶基质紧密结合在一起的细菌组成，形成称为微菌落的第二级结构。发现 这些微集落的中值直径约为13mu;m，并且通过聚合物进一步连接以构成最终的活性污泥絮凝物。Li和Ganczarc-zyk也详细描述了絮状结构中微小菌落的存在。

Snidaro等人还发现,在不引起明显的细胞裂解的情况下，不可能通过超声处理完全破坏微菌落。因此，对于这项研究，超声处理仅用于将絮凝物破坏成微集落。这样可以防止严重破坏活性污泥样品并改变絮凝物特性。由于正在研究污泥而不是无机颗粒，因此尽可能地保存样品以研究代表性的絮凝机制是很重要的。

为了确定超声处理是否是用于破坏絮凝物的合适技术，有必要确定产生不会引起显着细胞裂解的微菌落所需的最短时间。

为了解决这个问题，将活性污泥超声处理6个不同的时间，范围从0到10 分钟对于所有实验,使用 Branson 450 Sonifier进行超声处理。对于每个超声处理时间，将100ml活性污泥置于冰水浴中并在输出处超声处理。

然后使用Malvern Mastersizer / E测量絮凝物的大小。施胶后，用0.45mu;mMillipore过滤器过滤污泥样品，分析上清液的细胞裂解。图1显示了在50 W超声处理不同时间长度后活性污泥样品的絮凝物尺寸。从图1可以看出，絮凝物尺寸迅速下降，直到超声处理3分钟。除此之外，絮状物大小似乎没有显着变化。因此可以得出结论,在超声处理3分钟后产生微菌落。根据Snidaro等人的调查结果，进一步超声没有显着破坏这些小菌落。使用Frolund等人开发的技术研究细胞裂解的存在。该技术检测酶，葡萄糖-6-磷酸 -脱氢酶（G6PDH）的活性。G6PDH的活性可用于鉴定细胞裂解，因为G6PDH通常仅在细胞内发现。因此，如果在污泥样品的上清液中检测到，则可以假定已经发生细胞裂解。G6PDH催化从G6P，NAD 和NADP 产生NADPH。可以检测到NADPH的产生是340nm处吸光度的增加。吸光度的变化与G6PDH酶的活性成正比。G6PDH技术包括混合1.0毫升0.002M NAD（Sigma Chemicals）和1.0ml0.002M NADP（Sigma Chemicals）并在37℃下孵育5分钟。然后向0.2ml样品（过滤的污泥或标准品）中加入0.8ml milli-Q水并再孵育5分钟。最后，加入1.0ml 0.04M G6P（Sigma Chemicals）并将溶液在37℃下温育。然后每5分钟测量340nm处的吸光度1小时样品中G6PDH的相对活性表示为吸光度随时间的斜率。样品中G6PDH的浓度越大，NAPDH的产生越快，因此吸光度随时间的增加越大。这显示在图2中。制备四种标准的G6PDH溶液（0,10,30和60ppm），并随时间测量340nm处的吸光度。可以看出，随着G6PDH浓度的增加，吸光度随时间的变化率也增加。在0分钟时测量的吸光度（图2）是在反应开始后5分钟，因此解释了在0分钟时观察到的增加G6PDH浓度的吸光度增加。超声处理后，将过滤后的污泥应用于过滤污泥，在50 W下进行0至5分钟.3分钟后过滤污泥在340 nm处的吸光度增加如图2所示。过滤后的污泥吸收率变化率为3 min与0ppm标准没有显着差异。在超声处理0至5分钟后，对每个过滤污泥样品观察到该结果，表明由于细胞裂解没有显着释放G6PDH。该结果与没有或很少发生细胞裂解一致。由于微小菌落最初仅在超声处理3分钟后产生（图1），此时未观察到使用现有G6PDH技术进行细胞裂解的阳性结果，采用的方案是在絮凝前将样品超声处理3分钟。

图1.超声处理时间对絮凝物大小的影响。

2.2絮凝技术

超声处理后，将60ml活性污泥与1.135mu;l过滤的流出物（0.45mu;mMillipore过滤器）一起加入1.2升baffl ed批料容器中，并与平的六叶片叶轮混合。挡板槽和叶轮的尺寸是根据标准油箱配置设计的（Holland和Chapman，1966）。选择超声污泥与流出物的比例以获得Malvern Mastersizer / E中的最佳施胶条件。然后将活性污泥悬浮液从搅拌的分批反应器中连续循 环通过Malvern Mastersizer / E的样品池并用蠕动泵（Masterflex）。

图3是实验装置的照片。

通过Malvern Mastersizer / E连续循环污泥悬浮液可实现在线尺寸分析。但是，需要考虑泵对絮凝物的影响。主要的-用于确定最佳泵和流量的terion是絮凝物上的最小剪切。因此，一个周期选择 staltic 泵优先于其他泵。将其置于Malverner Mastersizer / E的下游，使絮凝物在通过泵之前进行取样。为了确定一个合适的泵流量，这将为絮凝物提供最小的剪切力，活性污泥以四种不同的流速（1.7至5.5 ml/ml）泵送通过Malvern.s.这些流量涵盖了泵控制器的范围。观察到的流速大于3毫升/秒，由于泵内的剪切，絮凝物尺寸显着减小。然而，在低于3ml/s的流速下，蠕动泵中固有的脉冲作用是显着的，并且在 Malvern Mastersizer/E中测量代表性样品之前观察到时间滞后。因此，选择3ml/s的泵流量。这也与Spicer等人使用的蠕动泵的抽速相对应。（1998）位于Malvern Mastersizer样品池的下游。由于系统的混合强度已显示出显着影响絮凝，因此需要使用比较每个系统中的剪切的方法。这通常由平均速度梯度G定义：

(1)

其中v是运动粘度（10-6m2/s）和是平均湍流能量耗散率，

(2)

其中P0 是叶轮功率数，N是叶轮速度，D是叶轮直径（30 mm），V是油箱容积（1.2 l）。使用来自HollandChapman的功率曲线获得P0 的单个叶轮类型。除非另有说明，否 则 样 品 以 G = 19.4s-1（100rpm）的平均速度梯度混合。这是使溶液保持悬浮所需的最小剪切力，因此提供了用于在Malvern中施胶的代表性样品。

图2.不同浓度的G6PDH在340nm处的吸光度。

Mastersizer/E不会显着影响絮凝物的大小。

因此，絮凝实验的标准方案是：

1. 在50 W下超声处理100毫升污泥3分钟

2. 在G = 19.4秒-1（100转/分钟)下将60毫升泥与1.135升过滤后的混合物混合。

3. 通过Malvern Mastersizer/E以3 ml/s的泵流速回收溶液。

3结果和讨论

进行实验以解决以下研究目标。

1. 确定技术的可重复性并确定絮凝动力学。

2. 确定剪切对絮凝物尺寸的影响。

与这些目标相对应的实验结果分别在以下两个部分中给出。

3.1活性污泥的絮凝

对从Wacol废水处理厂收集的活性污泥进行了两次絮凝实验。这些实验的目的是确定絮凝动力学并证明该技术的可重复性。第一个实验（E1）在收集当天进行，第二个实验（E2）在约24小时后进行。在实验之间，将污泥储存在4℃。图4显示了用于研究活性污泥絮凝的技术结果絮凝物中位数随时间的变化。实验的平均速度梯度为19.4秒-1 （100rpm）。絮凝动力学与Spicer和Pratsinis，Serra和Casamitjana以及Spicer等人发现的相似无机系统在剪切下絮凝。最初，聚合是控制的，导致絮凝物尺寸的快速增加。随着絮块寸的增加，破损变得更加突出。最终，在聚集和破碎之间达到平衡，并保持稳态絮凝物尺寸。值得注意的是，即使没有向系统中添加絮凝剂（例如硫酸铝），也会发生絮凝。由于活性污泥样品中存在聚合物材料而发生絮凝。这通常被称为EPS（细胞外聚合物），并且已被发现是活性污泥第三大组分。

图4还显示两次实验的结果是可重复的。

由于收集污泥的非均质混合培养系统，这是意想不到的结果。这很重要，因为这意味着该技术可用于提供有关活性污泥絮凝特性的有用定量信息。然而，应该注意的是，在比较该系统的絮凝动力学与大规模活性污泥絮凝时，应考虑在线尺寸分析所需的活性污泥稀释。

实验期间（E1）的体积密度分布的演变如图5所示。体积分布遵循对数正态模式。

图3.实验装置。

图4.恒定平均速度梯度（G = 19.4 s-1）絮凝物大小随时间的变

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