生物法处理生活污水方法是当前应用最广泛的水处理技术，其中尤以活性污泥法应用最为普遍。但是，随着污水排放标准的不断严格，对污水排放要求逐渐提高，传统的活性污泥法处理废水工艺在不增加基建投资和能耗的前提下，难以达到相关标准。研究[1- 3]表明，磁粉作用于生物体后，在生物体内可引起一系列的生物学反应; 磁粉的存在对微生物的生长和新陈代谢有利，从而促进对有机物的吸附和利用，增强微生物氧化降解有机物的能力。本文研究通过投加微磁性物质——铁氧体粉末，以强化活性污泥法处理生活污水的处理效果，并且对反应器降解动力学做了简单研究。
1 实验部分
1. 1 实验设备
铁氧体强化生物反应器的示意图如图1 所示。生物反应器由玻璃材质自制而成，曝气池容积4. 2 L,沉降池容积2. 0 L。反应器外设置储水箱和出水槽。沉降池底部污泥依靠重力作用自动回流至曝气池。
图1 实验流程
1. 2 实验材料
1. 2. 1活性污泥来源
活性污泥取自镇江丁卯污水处理厂曝气池中的好氧污泥。
1. 2. 2铁氧体来源
铁氧体是将分析纯硫酸铁和硫酸亚铁按照n(Fe3+ )/n(Fe2+ ) =1.5 在碱性条件下制备，将所得黑色颗粒物在真空干燥炉中加温干燥，经研磨后，即得实验用铁氧体粉末。铁氧体粉末每次使用前在磁场中预磁化10 min。
1. 2. 3生活污水来源
本实验采用人工模拟城市生活污水，其组成如表1 所示。
表1 人工合成废水组成
1. 3 分析方法
COD 及NH3- N 的测定方法参照文献[4] 。
1. 4 实验方法
本研究采用5 套相同尺寸的处理装置进行对照研究，分别向其中投加相同量的某污水厂曝气池中污泥进行培养驯化。启动完成以后，其中之一正常运行，向另一个投加不同量的自制的铁氧体粉末，进行对比试验，研究铁氧体粉末加入后系统对污水中COD 及NH3- N 去除的强化作用。
2 实验结果与讨论
2. 1 铁氧体投加量对COD 和NH3- N 去除率的影响在相同的条件下研究磁粉投加量对COD 和NH3- N 去除率的影响。其中污泥质量浓度为4 200mg/ L 左右，原水pH 值在6. 5~ 7. 5 之间，水力停留时间为7 h。每一个铁氧体投加量重复7 次检测出水水质，取其平均值表示该投加量对污水中污染物去除率的影响。
图2 磁粉投加量对出水COD 去除率的影响
由图2 可以看出，随着铁氧体投加量的增加,COD 及NH3- N 的去除率明显升高，当反应器中投加的铁氧体为500mg/ L 时，COD 的去除率达到88. 1%,高于未投加铁氧体的83. 4%。而NH3- N 的去除率在该铁氧体的投加量为375 mg/ L 时达到最大值87. 1%,比未投加铁氧体的60. 6% 高出26. 5%。当铁氧体投加量继续增加后，COD 及NH3- N 的去除率逐渐减小，并呈波浪线趋势。
2. 2 水力停留时间对COD 及NH3- N 去除率的影响
用投加了350 mg/ L 铁氧体的活性污泥和普通的活性污泥在相同的条件下进行连续进水试验，观察水力停留时间对废水COD 及NH3- N 去除率的影响，其结果如图3 所示。
图3 水力停留时间对COD、NH3-N去除率的影响
由图3 可以看出，在相同条件下，磁粉活性污泥对COD 及NH3- N 的去除率始终高于普通活性污泥。其中磁粉活性污泥对COD 的去除率比普通活性污泥平均高出大约3% ，而对NH3- N 的去除率高出大约9%，最高达到了14.5% 。
当水力停留时间为5 h 时，磁粉活性污泥对NH3- N 的去除率比普通活性污泥高约13%。铁氧体活性污泥对COD 及NH3- N 的去除率明显提高，该结果与陆光立等[5] 所做的向活性污泥中投加Fe3O4粉末处理污水的结果相似。其原因可能是磁性铁氧体的加入使活性污泥絮体颗粒分布均匀，有利于有机污染物与微生物充分接触。同时在铁氧体的磁催化作用下，微生物的生物活性增强，氧化分解有机污染物的能力也相应提高。
在水力停留时间为6 h 时，投加铁氧体的磁性活性污泥对COD 及NH3-N 的去除率达到稳定状态，而普通活性污泥达到该状态的水力停留时间为7 h，所以投加铁氧体粉末能大大提高反应器处理废水的处理速率，增强处理能力。
2. 3 铁氧体对反应器启动时间的影响
在进水水质及其他条件相同的情况下连续进水，研究2 种系统从启动初期到稳定运行过程中出水水质的变化情况。试验结果如图4 所示。
图4 运行时间对COD 去除率的影响
由图4 可以看出，在系统运行的前3 天，反应器对废水的去除效果较差。进水第1 天原水COD 为224 mg/ L，未投加铁氧体的系统出水为64 mg/ L，而投加铁氧体的系统出水为72 mg/ L，去除率分别为71. 4% 和67. 8%，前者反而高出后者3. 6%; 反应器运行到第5 天时，系统对COD 的去除率再次提高,在此时投加铁氧体的系统出水对COD 的去除率大于未投加铁氧体系统，此后进入稳定运行阶段，该结果与任月明等[7] 的研究结果相似; 当反应器运行了25 d 后，普通活性污泥系统继续稳定运行，投加了铁氧体的系统对COD 的去除率开始降低。出现这种情况可能是铁氧体本身不具有磁性，而是外加磁场使其具有弱磁性，当外加磁场撤离后，其磁性逐渐减弱，对COD 的去除率造成了一定的影响。由图4 同时可以看出，当系统稳定运行后，投加铁氧体的系统对COD 的去除率始终高于普通活性污泥系统平均2% 左右。
2. 4 理论动力学方程的建立
废水的生物处理过程可看成是微生物的生长过程。很多人通过对生物生长的研究和微生物反应提出一些假设和建立微生物生长的数学模型，用以预测微生物对废水处理结果的影响[8] 。在本实验中,微生物的生长速率和底物的浓度关系可用Monod 方程来表示:
该方程可转化为:
进水COD 为300 mg/ L 左右，水力停留时间为5h，所得数据见表2。由于反应时间较短，假设生物量X 恒定，并且降解有机底物能力不变[9] ，以底物浓度的倒数(1/ Se )为横坐标，以基质降解速率的倒数Xt /(S 0- Se ) 为纵坐标进行曲线拟合如图5 所示。
表2 变量数据
图5 Lmax和ks值的确定
由图5 可以看出，COD 的降解基本满足Monod方程，由图5 求得:
，由此可以确定: Lmax= 0. 119，k s= 362. 52 mg/L。带入式(1) ，消化动力学可模型表示为
2. 5 活性污泥絮体观察
在系统稳定运行后，通过显微镜(10×10) 观察活性污泥絮体可以看出，普通活性污泥絮体结构松散，菌胶团较小，大小不均匀; 投加铁氧体后，污泥絮体结构紧密，大小均匀，同普通活性污泥相比，菌胶团更大。这与孙水裕等[10] 对磁粉活性污泥生物相的观察结果类似。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
(1) 反应器中铁氧体的投加量不同对废水中COD 及NH3- N 去除率不同，其中铁氧体投加量为500mg/ L 时COD 的去除率为88. 1% 达到最高; 铁氧体的投加量为3 75mg / L 时NH3 - N 的去除率为87. 1%，比未投加铁氧体系统高出26. 5% 。
(2) 在不同的水力停留时间下，投加375 mg/ L铁氧体的磁性活性污泥对COD 及NH3- N 的去除率明显高于普通活性污泥; 并且投加铁氧体后，反应器处理废水的水力停留时间减少了1 h，可以增大反应器的容积负荷及提高处理效率。
(3) 根据Monod 方程推导出铁氧体系统基质降解动力学方程为:
。