多价阳离子空间分布对活性污泥絮凝性能影响的机理研究

Our research team has proposed aimed at some typical AS for the first time that the spatial distribution（the ratio characteristics of core and periphery about the multivalent cations in sludge）of the multivalent cations determined the total interaction energy and LB-EPS content, thus they were the fundamental reason that governed the AS flocculation. The root cause of improving sludge flocculation performance is that the increased number of multivalent cations in sludge core. This research will study the complex interaction relationship among multivalent cations, AS and it’s EPS, and comprehensively clarify the mechanism of action between multivalent cations and AS from the perspective of physical, chemical and biological so that we can consummate and consolidate the theoretical basis of this new discovery from the view of more essence. This research will focus on how to change the spatial distribution characteristic of the multivalent cations in the sludge, and through factors such as the analysis of the interaction of multivalent cations, the sludge and it’s EPS, hydraulic conditions control influence factors to explore the optimum condition for multivalent cations "into core ". At the same time, a large number of based data about short-term and long-term AS flocculation performance will be supplemented in this research in order to establish the Population Balance Model and improve the existing theory of flocculation, and eventually all these efforts will provide theoretical basis for engineering application to improve the sludge flocculation performance.

本研究团队针对某种典型活性污泥的研究成果首次表明，多价阳离子在污泥中的空间分布特征（即多价阳离子在污泥内核及外围的比例特征）能够有效影响污泥的DLVO总位能和LB-EPS含量，从而影响污泥的絮凝性能。存在于污泥内核中的多价阳离子数量的增加是提高污泥絮凝性能的根本原因。本课题将研究多价阳离子和活性污泥及其EPS之间复杂的相互作用关系，全面从物理、化学和生物学的角度阐明多价阳离子与污泥的作用机理，从更加本质的角度上完善和夯实上述新发现的理论基础。本课题将重点研究如何改变多价阳离子在污泥中的空间分布特征，通过分析多价阳离子与污泥及其EPS的相互作用，水力条件控制影响等因素，探寻多价阳离子“入核”的最优条件。同时研究中将辅以大量短期和长期培养活性污泥絮凝性能的基础数据，建立PBM（Population Balance Model）模型，完善现有絮凝理论，最终为改善污泥的絮凝性能的工程应用提供理论基础。

活性污泥工艺是一种最常用的污水处理方法，污泥的絮凝及沉淀性能与其密切相关。污泥絮体中含有大量的金属阳离子，它们对污泥絮凝的影响及作用机制已成为研究热点。本研究在多价阳离子，不同泥龄双因素条件下，考察污泥絮凝性能、WTOT、LB-EPS和阳离子空间分布特征的变化及四者之间关系，从而深入阐述了多价阳离子对活性污泥絮凝性能影响的作用机制。.（1）未投加额外阳离子，考察不同泥龄对污泥絮凝影响以及污泥中阳离子的空间分布。研究结果表明泥龄增加有利于污泥的絮凝。随着泥龄的延长，污泥WTOT下降，LB-EPS含量削减和LB-EPS中蛋白质与多糖比值下降，这均有利于污泥絮凝性能的提高。还发现LB-EPS的有机物分子量集中在100-500 kDa；不同泥龄的污泥EPS中都含有来自葡萄糖的C-O键和酰胺（蛋白质）的C=O键。此外所有的EPS中都检测到Na，Ca，C，N，O和Fe元素。根据污泥中多价阳离子空间分布特征：随着泥龄的增加，污泥上清液中二价与单价阳离子比值升高，污泥内核中多价阳离子含量上升，都有助于污泥的絮凝沉淀。.（2）进一步研究投加钙、铁、铝离子，不同泥龄的污泥絮凝性。结果表明铁和铝的投加将继续大幅度提高污泥的絮凝性。研究还发现DLVO理论很难解释钙离子的絮凝现象；铝离子投加比铁离子更有助于LB-EPS含量的减少。钙离子降低LB-EPS中多糖含量，而铁、铝离子很大程度消减了其蛋白质，类腐殖质。不论泥龄长短，污泥内核中多价阳离子含量的增加有利于污泥絮凝性能的提高。.（3）针对泥龄为15d的活性污泥，投加Al3+浓缩液，使Al3+浓度分别为0.00，0.0625，0.125，0.250，0.500，1.00，2.00和4.00 meq/L，考察Al3+浓度对污泥絮凝性影响。研究发现Al3+从0增到2 meq/L，W tot , LB-EPS，出水浊度下降，絮凝性良好；然而Al3+浓度增加到4 meq/L，W tot , LB-EPS下降，但出水浊度上升，其絮凝性变差。分布在内核中的Al3+是导致污泥絮凝性差异的关键因素。.通过本项目研究，进一步阐述已发现的作用机制在各种条件下的适用性，从而完善和进一步论证该作用机制，明确了Al3+浓度提高污泥絮凝性的范围。