高濃活性污泥法處理印染廢水的研究

丁新春，張建朱，劉 波，曹 勛，劉福強(qiáng)

(1.南京大學(xué)鹽城環(huán)保工程技術(shù)研究院，江蘇鹽城 224002;2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210046)

紡織印染廢水污染一直在我國(guó)工業(yè)行業(yè)中名利前茅，其每年廢水排放量20～30億t，占全國(guó)廢水排放總量的11%?；瘜W(xué)需氧量(COD)排放量每年約24～30萬(wàn)t，全工業(yè)行業(yè)占比在9%左右［1］。印染廢水因其水質(zhì)成分復(fù)雜、色度高、COD高、水質(zhì)水量波動(dòng)大等特點(diǎn)導(dǎo)致處理難度大;特別是隨著印染行業(yè)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，新助劑的引進(jìn)，導(dǎo)致廢水的COD進(jìn)一步升高，而B/C反而下降，增加了治理的難度［2－3］。由于物理法和化學(xué)法處理印染廢水或多或少地存在COD去除率低、處理費(fèi)用高、可能引起二次污染等問題，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)含印染廢水的最終處理手段還是以生化法為主［4］。活性污泥法作為現(xiàn)今較為成熟的生化工藝，廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)的廢水治理中。由于印染廢水的復(fù)雜性、難生化性等特點(diǎn)，普通活性污泥法處理印染廢水已難以達(dá)到當(dāng)前日益嚴(yán)格的治理要求。

2007年，陶博等開創(chuàng)性研究了高濃度活性污泥法對(duì)染料廢水的處理效果，結(jié)果表明，污泥CODcr負(fù)荷區(qū)間為0.30～0.5kg/(kg·d)時(shí)，CODcr的去除率可達(dá)85%以上;進(jìn)水酚質(zhì)量濃度為800 mg/L的條件下，出水酚質(zhì)量濃度可達(dá)0.50 mg/L以下［5］。2013年，kezhao，zhou也報(bào)道了高濃度活性污泥法在印染廢水為主的污水廠改造，結(jié)果表明，通過適當(dāng)延長(zhǎng)現(xiàn)有MSBR的沉淀時(shí)間，系統(tǒng)可以穩(wěn)定維持高濃度活性污泥，從而顯著提高其去除COD的能力，若再輔以深度處理設(shè)施，可以保證出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求［6］。因此，在現(xiàn)有廣泛應(yīng)用的印染廢水處理工藝基礎(chǔ)上，對(duì)好氧系統(tǒng)單元進(jìn)行深入研究，充分挖掘其處理效率，提高其深度，具有較大的實(shí)用意義。

本文通過小試試驗(yàn)，以鄭州某印染廠生產(chǎn)綜合廢水為研究對(duì)象，著重考查了好氧活性污泥法中，活性污泥濃度對(duì)該廢水的處理效果的影響。以期為工程應(yīng)用與生產(chǎn)調(diào)控提供依據(jù)或參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由調(diào)節(jié)池、曝氣池和二沉池組成。調(diào)節(jié)池采用空氣攪拌，可以達(dá)到均勻水質(zhì)的目的;由于冬季溫度較低，為了排除溫度波動(dòng)及低溫對(duì)生化系統(tǒng)的影響，本裝置安裝溫控系統(tǒng)，可以自動(dòng)調(diào)控溫度至設(shè)置值。曝氣池是高濃活性污泥反應(yīng)器的核心裝置，主要由曝氣系統(tǒng)、進(jìn)出水分配系統(tǒng)、活性污泥、溶解氧在線監(jiān)測(cè)儀等組成;其池體為長(zhǎng)方形，玻璃鋼材質(zhì)，底部裝有微孔曝氣器，輸氣管上裝有閥門，用以調(diào)整曝氣量大小，其有效容積為160L。沉淀池為圓筒形結(jié)構(gòu)，玻璃鋼材質(zhì)，裝有鋸齒堰，設(shè)有污泥回流系統(tǒng)，容積為35L;底部排泥斗中的污泥通過蠕動(dòng)泵輸送回流至曝氣池進(jìn)水端，可以根據(jù)曝氣池中污泥濃度值控制污泥回流比。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 廢水預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)用水取自鄭州某印染廠實(shí)際排放廢水，廢水中除含有活性染料、直接染料、滲透劑、PVA等多種染料和助劑外，還含有纖維屑、料漿分解物等高分子物質(zhì)。由于上述有毒性或難降解有機(jī)物的存在，使微生物降解較困難。因此，對(duì)原水進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)處理，可以有效改善微生物的處理效果。原廢水經(jīng)過“混凝沉淀+水解酸化”預(yù)處理，去除部分對(duì)微生物有毒害作用的染料物質(zhì)后，進(jìn)入高濃活性污泥反應(yīng)器。原水經(jīng)預(yù)處理前后水質(zhì)情況見表1。

表1 預(yù)處理前后水質(zhì)情況

1.2.2 污泥馴化

取城市污水廠濃縮池污泥50L投入曝氣池，悶曝12 h后，按 m(COD)∶m(N)∶m(P)=100∶5∶1 配比加入葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀，其中COD濃度為800 mg/L，調(diào)整曝氣量，控制HRT為24 h后，泵入少量預(yù)處理后的印染廢水，并逐漸增加其進(jìn)水量，同時(shí)葡萄糖投加量相應(yīng)減少。連續(xù)運(yùn)行兩周左右，達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。此時(shí)出水指標(biāo)穩(wěn)定，COD去除率達(dá)70%以上，表明好氧污泥基本馴化成熟。

1.2.3 污泥濃度的控制

活性污泥馴化成熟后，通過控制污泥回流量，適當(dāng)投加FeSO4來控制曝氣池中的污泥濃度。污泥濃度控制分為常規(guī)濃度、中濃、高濃三個(gè)階段，每個(gè)階段連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行大于一個(gè)星期。其中常規(guī)濃度MLSS為:2500～3500 mg/L之間，平均約為3000 mg/L;中濃 MLSS為4000～5000 mg/L之間，平均約為4500 mg/L;高濃 MLSS為5500～6500 mg/L之間，平均約為6000 mg/L。

1.2.4 水樣分析

COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定;pH采用上海盛磁PHS－25測(cè)量?jī)x測(cè)定;MISS采用重量法測(cè)定;SV采用100mL量筒法測(cè)定;色度采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 馴化初期

圖2 污泥馴化過程中進(jìn)出水COD變化趨勢(shì)圖

馴化初期，活性污泥對(duì)廢水COD去除效率由高降低再波動(dòng)升高。如圖2，培養(yǎng)1d后，去除率達(dá)95%，而接下來三天去除率持續(xù)大幅下降，導(dǎo)致這一原因可能是由于初始活性污泥的活性較強(qiáng)，具有較強(qiáng)的吸附作用，可以吸附廢水中的有機(jī)污染物，因此呈現(xiàn)較好的COD去除效果。但由于活性污泥對(duì)水質(zhì)水量適應(yīng)性差［7］。當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生了變化時(shí)，原本較好適應(yīng)生活污水的微生物受到印染廢水的沖擊，導(dǎo)致去除效果大幅下降。經(jīng)過近一周時(shí)間的馴化，微生物基本適應(yīng)了本實(shí)驗(yàn)印染廢水，因此表現(xiàn)出較好的去除效果。這種微生物的適應(yīng)，其實(shí)質(zhì)就是微生物間“適者生存”的殘酷競(jìng)爭(zhēng)［8］。

2.2 活性污泥的形態(tài)

活性污泥微生物主要由細(xì)菌類、真菌類、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等群體組成，在微生物群體的共同協(xié)作下，實(shí)現(xiàn)了將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機(jī)物，如 CO2、H2O 等［9－10］。因此，了解活性污泥形態(tài)對(duì)廢水生化處理有較大的指導(dǎo)意義。三種不同污泥濃度下的活性污泥形態(tài)基本相近，但高濃法菌膠團(tuán)顏色呈深棕色，比低濃顏色深(如圖3)。從絮體顆粒大小來看，高濃法的污泥絮體顆粒較大，也更為密實(shí)。相對(duì)低濃度活性污泥，高濃法活性污泥中的原后生動(dòng)物種類更多，種群較低濃法豐富。研究表明，一定的密實(shí)度范圍內(nèi)，污泥密實(shí)度較大時(shí)，污泥活性較好，其降解相同的污染物質(zhì)所消耗的溶氧較少，更節(jié)能［11］。由此可見高濃活性污泥具有更強(qiáng)的降解性能，更適合于印染廢水的處理。

圖3 低濃(a)和高濃(b)生物相圖

2.3 污染物去除效果

2.3.1 污泥濃度對(duì)廢水COD去除率的影響

圖4 不同污泥濃度降解COD趨勢(shì)圖

由圖4可見，提高污泥濃度，可以相應(yīng)提高廢水COD去除效率。在常規(guī)濃度下運(yùn)行，廢水COD去除效率不穩(wěn)定，波動(dòng)較大。常規(guī)濃度下，好氧系統(tǒng)耐進(jìn)水沖擊能力薄弱。在14d時(shí)，進(jìn)水水質(zhì)對(duì)系統(tǒng)造成較大沖擊，污水出水COD升高;而污泥濃度在中等濃以上時(shí)，好氧系統(tǒng)的抗沖擊能力明顯加強(qiáng)的同時(shí)，COD去除效率也有了較大提高;當(dāng)污泥濃度進(jìn)一步提高時(shí)，其處理效果表現(xiàn)出更強(qiáng)穩(wěn)定性與高效性，主要由于高濃度活性污泥系統(tǒng)特有的高生物量、低有機(jī)負(fù)荷及長(zhǎng)污泥停留時(shí)間等特點(diǎn)，使之具備了對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，而高濃度活性污泥中保持有更加豐富多樣的菌群，微生物之間的協(xié)同代謝的作用更加密切，這就為難降解物質(zhì)的處理創(chuàng)造了條件［12－14］。

2.3.2 污泥濃度對(duì)處理深度的影響

印染廢水中含有許多大分子有機(jī)物，其中有一部分較難生化降解。盡管常規(guī)的活性污泥法有較好的COD去除效率，但往往存在著對(duì)有機(jī)物降解程度不夠的問題，導(dǎo)致生化出水COD仍然較高，難以達(dá)到出水要求，這就增加后續(xù)物化處理負(fù)擔(dān)，提高了處理成本。而增加污泥濃度，可以有效提高好氧處理深度，較大程度上減輕生化后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。如圖5，在常規(guī)污泥濃度下(MLSS:3.0 g/L)，好氧處理出水COD高達(dá)200 mg/L以上;中等污泥濃度下(MLSS:4.5 g/L)，好氧出水COD降低至160 mg/L左右;而高濃度污泥狀況下(MLSS:6.0 g/L)，好氧出水COD已降至110 mg/L。與常規(guī)濃度活性污泥法相比，高濃度活性污泥法中微生物更多，除污染物能力更強(qiáng)。當(dāng)然隨著微生物的活性增強(qiáng)，繁殖加快，其中一些微生物過度繁殖導(dǎo)致污泥濃度增長(zhǎng)至較高值，使SV30增大到一定限值后，將引起二沉污泥負(fù)荷增加，導(dǎo)致二沉跑泥現(xiàn)象，不利于運(yùn)行維護(hù)。如果此時(shí)進(jìn)水油脂化程度較高將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重情況，污泥可能覆蓋整個(gè)生化反應(yīng)器，從而大幅影響了處理效果［15］。

圖5 不同污泥濃度對(duì)處理深度的影響情況

2.3.3 色度的去除

原廢水在經(jīng)過預(yù)處理單元已經(jīng)去除大部分的色度，好氧進(jìn)水色度為20倍，經(jīng)過不同污泥濃度的好氧處理后，色度并未有明顯變化，說明好氧法活性污泥法對(duì)色度去除效果有限?？赡苤饕捎诤醚踹M(jìn)水中存在不完全去除的發(fā)色基團(tuán)(以偶氮化合物為主)，其偶氮鍵有強(qiáng)烈的吸電子性，不易好氧降解［16－19］。

3 結(jié)論

提高好氧活性污泥濃度，可以提高好氧處理效率和處理深度，增強(qiáng)好氧活性污泥系統(tǒng)的耐進(jìn)水沖擊性，保持出水水質(zhì)的穩(wěn)定。

當(dāng)好氧進(jìn)水COD在750 mg/L左右時(shí)，MLSS達(dá)到6 g/L以上，出水COD可達(dá)到100 mg/L以下。

與低、中濃度污泥處理相比，高污泥濃度對(duì)色度去除效果優(yōu)勢(shì)不顯著。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，污泥濃度并不是越高越好，過高的污泥濃度會(huì)引起二沉池污泥負(fù)荷過高從而影響日常運(yùn)行和出水水質(zhì)，因此需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件，確定合適的最佳污泥濃度［17－19］。