生物預(yù)酸化處理明膠廢水對(duì)活性污泥減量化的作用

孔秀琴，高萌，周昌琴，陳　磊（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，甘肅蘭州730050）

生物預(yù)酸化處理明膠廢水對(duì)活性污泥減量化的作用

孔秀琴，高萌，周昌琴，陳磊
（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，甘肅蘭州730050）

明膠廢水具有高鈣、高COD等特點(diǎn)而難于處理。通過對(duì)明膠廢水進(jìn)行生物預(yù)酸化處理，研究了活性污泥法處理明膠廢水過程中COD去除率、MLSS、MLVSS以及無機(jī)灰分的變化。結(jié)果表明，經(jīng)過生物預(yù)酸化處理后，明膠廢水的pH由11.8降至7.4左右，COD由1 058mg/L降至671mg/L。后續(xù)活性污泥法處理過程中，與未進(jìn)行生物預(yù)酸化處理相比，MLSS、MLVSS呈明顯下降趨勢(shì)，最終COD去除率達(dá)到90%；同時(shí)由于反應(yīng)器維持在較低的pH下運(yùn)行，避免了曝氣生成CaCO3沉淀，污泥無機(jī)灰分減少。生物預(yù)酸化處理對(duì)污泥減量化有明顯貢獻(xiàn)。

明膠廢水；活性污泥；預(yù)酸化；污泥減量化

近年來隨著科技的發(fā)展，明膠行業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為我國(guó)具有支撐作用的行業(yè)之一。明膠被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、紡織、化工、電子、造紙和印刷等30多個(gè)行業(yè)。但是，在明膠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的明膠廢水具有高堿、高鈣、高COD的特點(diǎn)〔1〕，處理困難，處理費(fèi)用高〔2〕。利用活性污泥法對(duì)其進(jìn)行處理會(huì)產(chǎn)生大量的含鈣剩余污泥，增加了污泥處理的成本〔3〕。如何采用有效的手段降低明膠廢水的高鈣、高堿、高COD以及減少剩余污泥量是活性污泥法治理明膠生產(chǎn)廢水迫切需要解決的問題。

廢水的水解酸化處理工藝作為生物預(yù)處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已多有研究和應(yīng)用〔4-6〕。一些小試研究表明，水解酸化工藝的效能大致有5點(diǎn)：（1）可提高廢水的可生化性；（2）可去除少部分有機(jī)污染物；（3）可使后續(xù)的曝氣量降低；（4）可降低污泥產(chǎn)率；（5）節(jié)能〔7〕。目前，水解酸化主要應(yīng)用于食品廠廢水、制藥類廢水、制漿類廢水、染料類廢水、城市垃圾滲透液〔8〕等的處理。

明膠是膠原的水解產(chǎn)物，是一種無脂肪的高蛋白質(zhì)。明膠的成分中，蛋白質(zhì)占85%～90%，油脂≤0.1%，灰分占0.5%~1.0%，其他為水分〔9〕。明膠廢水的污染特性為高堿（pH＞11）、高鈣（鈣質(zhì)量濃度為800~1 000mg/L）、高蛋白質(zhì)（COD 1 000~2 000mg/L，總氮140~300mg/L）。實(shí)際上，明膠廢水為幾種溶液狀態(tài)并存，包括乳濁液、膠體等，廢水中污染物在堿性介質(zhì)存在的條件下很難依靠自然沉降和澄清等方法去除。本研究探討了生物預(yù)酸化對(duì)活性污泥法處理明膠廢水的影響，以及對(duì)污泥減量化的效果，以期為工程實(shí)際中明膠廢水的治理提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)用水和活性污泥

實(shí)驗(yàn)用明膠廢水取自某明膠公司，其Ca2+質(zhì)量濃度為2 100~2 500mg/L，COD為900~1 200mg/L，pH為11~12?；钚晕勰嗳∽蕴m州市安寧-七里河污水處理廠曝氣池。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)采用模擬SBR（序批式反應(yīng)器）裝置，有效容積為1 L。反應(yīng)器中活性污泥體積為200mL，在室溫條件下進(jìn)行曝氣反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)的1個(gè)周期為24 h，分為5個(gè)階段，即進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水排泥及閑置階段，其中曝氣22 h。由于要根據(jù)泥量變化來判斷污泥減量化效果，因此反應(yīng)器在運(yùn)行過程中不排泥。實(shí)驗(yàn)流程示意如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)流程示意

1.3實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置2個(gè)有效體積為1 L的SBR，1﹟SBR進(jìn)水為用HCl溶液調(diào)節(jié)pH=7.4左右〔10〕的明膠廢水，2﹟SBR進(jìn)水為通過搖床在30℃條件下厭氧震蕩48 h調(diào)節(jié)pH=7.4左右〔11〕的明膠廢水。因?yàn)槊髂z廢水的高鈣、高COD特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)前期需要對(duì)活性污泥進(jìn)行適應(yīng)性馴化。采用稀釋法逐步增加明膠廢水的比例，6個(gè)周期后COD去除率達(dá)到70%左右，可認(rèn)為馴化成功。從第7周期開始使用原始明膠廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，考察生物預(yù)酸化處理的效果，監(jiān)測(cè)2個(gè)反應(yīng)器的出水pH、MLSS、MLVSS、無機(jī)灰分及COD去除率等參數(shù)指標(biāo)的變化情況，比較生物預(yù)酸化和直接加酸調(diào)節(jié)對(duì)后續(xù)活性污泥反應(yīng)過程的影響。

1.4測(cè)定方法

Ca2+濃度采用標(biāo)準(zhǔn)EDTA滴定法測(cè)定；COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測(cè)定；pH采用精密pH計(jì)測(cè)量；MLVSS、MLSS采用重量法測(cè)定。

2　結(jié)果與討論

2.1生物預(yù)酸化處理效果

通過生物預(yù)酸化處理后，2﹟SBR進(jìn)水COD和pH與原始明膠廢水相比，發(fā)生了很大的變化，如表1所示。

表1　2﹟SBR進(jìn)水生物預(yù)酸化處理過程中COD、pH隨時(shí)間的變化

由表1可知，經(jīng)過48 h的生物預(yù)酸化處理，2﹟SBR進(jìn)水COD明顯下降，由1 065.3mg/L下降至663.7mg/L，COD去除率達(dá)到37.7%；同時(shí)，pH由11.82下降至7.43。

一般來說，厭氧酸化工藝作為后續(xù)好氧或厭氧生物處理的預(yù)處理，不僅可為后續(xù)生化工藝提供易于生化處理的有機(jī)物，而且可以高效地去除懸浮性固體，使溶解的COD比例增大，使廢水可生化性提高，但本實(shí)驗(yàn)中，預(yù)酸化過程中有37.7%的COD去除率，此過程機(jī)理需要進(jìn)一步探討。

2.2SBR中COD去除率的變化情況

活性污泥處理過程中，1﹟、2﹟SBR COD去除率的變化情況如圖2所示。

圖2　1﹟、2﹟SBRCOD去除率的變化情況

由圖2可知，前6個(gè)周期2個(gè)反應(yīng)器的COD去除率波動(dòng)均較大，這是因?yàn)槊髂z廢水的COD和Ca2+含量均較高，前6個(gè)周期屬于梯度馴化階段。從第7個(gè)周期開始，2個(gè)反應(yīng)器的COD去除率開始保持平穩(wěn)，其中2﹟SBR的COD去除率明顯高于1﹟SBR，并且在第15周期和第19周期COD去除率分別達(dá)到了90.4%、90.5%。這主要是因?yàn)?﹟SBR經(jīng)過生物預(yù)酸化處理后，COD含量有所下降（見表1），同時(shí)產(chǎn)生了易降解的可溶性有機(jī)物質(zhì)，使得COD去除效果更佳。

2.3SBR中MLSS、MLVSS的變化情況

活性污泥處理過程中，1﹟、2﹟SBRMLSS、MLVSS的變化情況分別如圖3、圖4所示。

圖3　1﹟、2﹟SBRMLSS的變化情況

由圖3可知，前6個(gè)周期，2個(gè)反應(yīng)器的MLSS隨時(shí)間的增加而減少，其原因一方面是由于1至6周期進(jìn)行梯度馴化，進(jìn)水COD較低；另一方面是由于馴化過程中Ca2+的加入對(duì)污泥活性產(chǎn)生了抑制作用。從第7周期開始至第19周期，進(jìn)水完全為明膠廢水，1﹟SBR的MLSS基本穩(wěn)定在2500~3200mg/L，而2﹟SBR的MLSS仍然呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，污泥不斷衰減。整個(gè)反應(yīng)過程中，與1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLSS減量率提高了49.3%，這主要是因?yàn)榻?jīng)生物預(yù)酸化處理的明膠廢水COD含量降低，使得活性污泥微生物反應(yīng)期間處于內(nèi)源呼吸期，衰亡速率大于增殖速率，導(dǎo)致污泥衰減。

圖4　1﹟、2﹟SBRMLVSS的變化情況

由圖4可知，隨著時(shí)間的增加，1﹟SBR的MLVSS先下降，到達(dá)第7周期后基本穩(wěn)定在1 200~1 400 mg/L，2﹟SBR的MLVSS卻持續(xù)下降。整個(gè)反應(yīng)過程中，與1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLVSS減量率提高了46.6%，這也進(jìn)一步證明了內(nèi)源呼吸使微生物衰亡的事實(shí)。由于要和1﹟SBR同步比較，反應(yīng)過程中并未降低曝氣反應(yīng)時(shí)間以適應(yīng)生物酸化后較小的進(jìn)水COD，使得微生物長(zhǎng)期處于延時(shí)的內(nèi)源呼吸期，導(dǎo)致污泥MLVSS持續(xù)下降。實(shí)際工程中為了保持污泥濃度穩(wěn)定，阻止其持續(xù)下降，可調(diào)整周期反應(yīng)時(shí)間和進(jìn)水COD濃度相適應(yīng)，維持較低水平下穩(wěn)定的食微比（F/M）。

雖然2﹟SBR的MLSS、MLVSS在7至19周期隨時(shí)間的增加大幅度降低，但其COD去除率仍然較好，基本保持在75%以上，優(yōu)于1﹟SBR，說明經(jīng)生物預(yù)酸化處理的明膠廢水可在較低的活性污泥濃度下達(dá)到較好的COD去除效果。

2.4SBR中無機(jī)灰分的變化情況

1﹟、2﹟SBR無機(jī)灰分、出水pH的變化情況分別如圖5、圖6所示。

由圖5可知，2個(gè)反應(yīng)器前8個(gè)周期無機(jī)灰分的變化情況基本相同，至第10周期開始，隨著時(shí)間的增加，1﹟SBR的無機(jī)灰分呈上升趨勢(shì)，2﹟SBR的無機(jī)灰分則呈下降的趨勢(shì)。整個(gè)反應(yīng)過程中，與1﹟SBR相比，2﹟SBR的無機(jī)灰分減量率提高了58.2%。雖然2個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水pH基本相同，均為7.4左右，但由圖6可以看出，2個(gè)反應(yīng)器的出水pH卻有差別。和鹽酸調(diào)節(jié)pH的1﹟SBR進(jìn)水相比，由于生物酸化作用，2﹟SBR進(jìn)水中揮發(fā)性有機(jī)酸物質(zhì)增多，其進(jìn)入反應(yīng)器后，可能有利于活性污泥緩沖作用〔11〕的疊加，使得2﹟SBR出水pH在10至19周期維持在6.45～6.95，均低于1﹟SBR。由于長(zhǎng)期在較低的pH環(huán)境下運(yùn)行，有效抑制了鈣鹽的析出，這是2﹟SBR無機(jī)灰分明顯低于1﹟SBR的主要原因。其次，由于2﹟SBR進(jìn)水經(jīng)生物預(yù)酸化處理后碳源COD含量低，內(nèi)源呼吸使得活性污泥微生物量逐漸減少，導(dǎo)致微生物呼吸作用產(chǎn)生相對(duì)較少的CO2，這也減少了CaCO3的析出，最終使2﹟SBR的無機(jī)灰分低于1﹟SBR并逐漸下降，達(dá)到了污泥減量化的目的。

圖5　1﹟、2﹟SBR無機(jī)灰分的變化情況

圖6　1﹟、2﹟SBR出水pH的變化情況

3　結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，明膠廢水經(jīng)生物預(yù)酸化處理后，COD由1 065.3mg/L降至663.7mg/L，COD去除率達(dá)到37.7%，對(duì)后續(xù)活性污泥處理明膠廢水COD有較大貢獻(xiàn)，最終COD去除率達(dá)到90%。與鹽酸調(diào)節(jié)廢水pH的1﹟SBR相比，COD去除率平均提高了14.02%。

（2）經(jīng)生物預(yù)酸化處理后，2﹟SBR進(jìn)水pH由11.8降低至7.4左右，并且活性污泥處理過程中也能維持6.45～6.95這樣較低的pH條件，使得鈣質(zhì)析出受到抑制。同時(shí)由于進(jìn)水COD較低，使得活性污泥反應(yīng)器中的微生物處于內(nèi)源呼吸期，污泥衰減作用增強(qiáng)。與1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLSS減量率提高了49.3%，MLVSS減量率提高了46.6%，無機(jī)灰分減量率提高了58.2%。盡管如此，其污泥活性仍然很好，COD去除率達(dá)到90%。生物預(yù)酸化可達(dá)到較好的污泥減量化效果。

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Effectof the biologicalpre-acidification treatm entofgelatin wastewateron activated sludge reduction

Kong Xiuqin，GaoMeng，Zhou Changqin，Chen Lei
（Departmentof EnvironmentalEngineering，Collegeof PetrochemicalEngineering，Lanzhou University ofScience&Technology，Lanzhou 730050，China）

Since gelatin wastewater is characterized by high calcium，high COD，etc.，it is difficult to be treated. Through biological pre-acidification treatmentofgelatin wastewater，in the process of using activated sludgemethod for treatinggelatinwastewater，the changes in COD removing rate，MLSS，MLVSSand inorganic ash have been studied.The results show thatafter having been treated by biological pre-acidification，the pH of gelatin wastewater reduces from 11.8 to 7.4，and COD reduces from 1 058 mg/L to 671 mg/L.In the process of subsequent activated sludge treatment，compared with non-biological pre-acidification treatment，MLSS and MLVSS show an obviously downward trend.The final COD removing rate can reach 90%.In addition，since the reactor runs under a lower pH condition，the phenomena that the aeration produces CaCO3precipitation can be avoided，and the sludge inorganic ash reduces.Thebiologicalpre-acidification treatmenthave remarkable contribution to sludge reduction.

gelatin wastewater；activated sludge；pre-acidification；sludge reduction

X703

A

1005-829X（2016）10-0036-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51268034）

孔秀琴（1967—），教授。E-mail：xqkong2@126.com。

2016-06-24（修改稿）