生物預酸化處理明膠廢水對活性污泥減量化的作用

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

生物預酸化處理明膠廢水對活性污泥減量化的作用

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

明膠廢水具有高鈣、高COD等特點而難于處理。通過對明膠廢水進行生物預酸化處理，研究了活性污泥法處理明膠廢水過程中COD去除率、MLSS、MLVSS以及無機灰分的變化。結果表明，經過生物預酸化處理后，明膠廢水的pH由11.8降至7.4左右，COD由1 058mg/L降至671mg/L。后續活性污泥法處理過程中，與未進行生物預酸化處理相比，MLSS、MLVSS呈明顯下降趨勢，最終COD去除率達到90%；同時由于反應器維持在較低的pH下運行，避免了曝氣生成CaCO3沉淀，污泥無機灰分減少。生物預酸化處理對污泥減量化有明顯貢獻。

明膠廢水；活性污泥；預酸化；污泥減量化

近年來隨著科技的發展，明膠行業已經發展成為我國具有支撐作用的行業之一。明膠被廣泛地應用于醫藥、食品、紡織、化工、電子、造紙和印刷等30多個行業。但是，在明膠生產過程中產生的明膠廢水具有高堿、高鈣、高COD的特點〔1〕，處理困難，處理費用高〔2〕。利用活性污泥法對其進行處理會產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處理技術在國內外已多有研究和應用〔4-6〕。一些小試研究表明，水解酸化工藝的效能大致有5點：（1）可提高廢水的可生化性；（2）可去除少部分有機污染物；（3）可使后續的曝氣量降低；（4）可降低污泥產率；（5）節能〔7〕。目前，水解酸化主要應用于食品廠廢水、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物，是一種無脂肪的高蛋白質。明膠的成分中，蛋白質占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（鈣質量濃度為800~1 000mg/L）、高蛋白質（COD 1 000~2 000mg/L，總氮140~300mg/L）。實際上，明膠廢水為幾種溶液狀態并存，包括乳濁液、膠體等，廢水中污染物在堿性介質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酸化對活性污泥法處理明膠廢水的影響，以及對污泥減量化的效果，以期為工程實際中明膠廢水的治理提供參考。

1　實驗材料與方法

1.1實驗用水和活性污泥

實驗用明膠廢水取自某明膠公司，其Ca2+質量濃度為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實驗裝置及流程

實驗采用模擬SBR（序批式反應器）裝置，有效容積為1 L。反應器中活性污泥體積為200mL，在室溫條件下進行曝氣反應。實驗的1個周期為24 h，分為5個階段，即進水、曝氣、沉淀、排水排泥及閑置階段，其中曝氣22 h。由于要根據泥量變化來判斷污泥減量化效果，因此反應器在運行過程中不排泥。實驗流程示意如圖1所示。

圖1　實驗流程示意

1.3實驗方法

設置2個有效體積為1 L的SBR，1﹟SBR進水為用HCl溶液調節pH=7.4左右〔10〕的明膠廢水，2﹟SBR進水為通過搖床在30℃條件下厭氧震蕩48 h調節pH=7.4左右〔11〕的明膠廢水。因為明膠廢水的高鈣、高COD特點，實驗前期需要對活性污泥進行適應性馴化。采用稀釋法逐步增加明膠廢水的比例，6個周期后COD去除率達到70%左右，可認為馴化成功。從第7周期開始使用原始明膠廢水進行實驗。實驗過程中，考察生物預酸化處理的效果，監測2個反應器的出水pH、MLSS、MLVSS、無機灰分及COD去除率等參數指標的變化情況，比較生物預酸化和直接加酸調節對后續活性污泥反應過程的影響。

1.4測定方法

Ca2+濃度采用標準EDTA滴定法測定；COD采用標準重鉻酸鉀法測定；pH采用精密pH計測量；MLVSS、MLSS采用重量法測定。

2　結果與討論

2.1生物預酸化處理效果

通過生物預酸化處理后，2﹟SBR進水COD和pH與原始明膠廢水相比，發生了很大的變化，如表1所示。

表1　2﹟SBR進水生物預酸化處理過程中COD、pH隨時間的變化

由表1可知，經過48 h的生物預酸化處理，2﹟SBR進水COD明顯下降，由1 065.3mg/L下降至663.7mg/L，COD去除率達到37.7%；同時，pH由11.82下降至7.43。

一般來說，厭氧酸化工藝作為后續好氧或厭氧生物處理的預處理，不僅可為后續生化工藝提供易于生化處理的有機物，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，但本實驗中，預酸化過程中有37.7%的COD去除率，此過程機理需要進一步探討。

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個周期2個反應器的COD去除率波動均較大，這是因為明膠廢水的COD和Ca2+含量均較高，前6個周期屬于梯度馴化階段。從第7個周期開始，2個反應器的COD去除率開始保持平穩，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去除率分別達到了90.4%、90.5%。這主要是因為2﹟SBR經過生物預酸化處理后，COD含量有所下降（見表1），同時產生了易降解的可溶性有機物質，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個周期，2個反應器的MLSS隨時間的增加而減少，其原因一方面是由于1至6周期進行梯度馴化，進水COD較低；另一方面是由于馴化過程中Ca2+的加入對污泥活性產生了抑制作用。從第7周期開始至第19周期，進水完全為明膠廢水，1﹟SBR的MLSS基本穩定在2500~3200mg/L，而2﹟SBR的MLSS仍然呈現明顯的下降趨勢，污泥不斷衰減。整個反應過程中，與1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLSS減量率提高了49.3%，這主要是因為經生物預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期間處于內源呼吸期，衰亡速率大于增殖速率，導致污泥衰減。

圖4　1﹟、2﹟SBRMLVSS的變化情況

由圖4可知，隨著時間的增加，1﹟SBR的MLVSS先下降，到達第7周期后基本穩定在1 200~1 400 mg/L，2﹟SBR的MLVSS卻持續下降。整個反應過程中，與1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLVSS減量率提高了46.6%，這也進一步證明了內源呼吸使微生物衰亡的事實。由于要和1﹟SBR同步比較，反應過程中并未降低曝氣反應時間以適應生物酸化后較小的進水COD，使得微生物長期處于延時的內源呼吸期，導致污泥MLVSS持續下降。實際工程中為了保持污泥濃度穩定，阻止其持續下降，可調整周期反應時間和進水COD濃度相適應，維持較低水平下穩定的食微比（F/M）。

雖然2﹟SBR的MLSS、MLVSS在7至19周期隨時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，優于1﹟SBR，說明經生物預酸化處理的明膠廢水可在較低的活性污泥濃度下達到較好的COD去除效果。

2.4SBR中無機灰分的變化情況

1﹟、2﹟SBR無機灰分、出水pH的變化情況分別如圖5、圖6所示。

由圖5可知，2個反應器前8個周期無機灰分的變化情況基本相同，至第10周期開始，隨著時間的增加，1﹟SBR的無機灰分呈上升趨勢，2﹟SBR的無機灰分則呈下降的趨勢。整個反應過程中，與1﹟SBR相比，2﹟SBR的無機灰分減量率提高了58.2%。雖然2個反應器進水pH基本相同，均為7.4左右，但由圖6可以看出，2個反應器的出水pH卻有差別。和鹽酸調節pH的1﹟SBR進水相比，由于生物酸化作用，2﹟SBR進水中揮發性有機酸物質增多，其進入反應器后，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。由于長期在較低的pH環境下運行，有效抑制了鈣鹽的析出，這是2﹟SBR無機灰分明顯低于1﹟SBR的主要原因。其次，由于2﹟SBR進水經生物預酸化處理后碳源COD含量低，內源呼吸使得活性污泥微生物量逐漸減少，導致微生物呼吸作用產生相對較少的CO2，這也減少了CaCO3的析出，最終使2﹟SBR的無機灰分低于1﹟SBR并逐漸下降，達到了污泥減量化的目的。

圖5　1﹟、2﹟SBR無機灰分的變化情況

圖6　1﹟、2﹟SBR出水pH的變化情況

3　結論

（1）實驗結果表明，明膠廢水經生物預酸化處理后，COD由1 065.3mg/L降至663.7mg/L，COD去除率達到37.7%，對后續活性污泥處理明膠廢水COD有較大貢獻，最終COD去除率達到90%。與鹽酸調節廢水pH的1﹟SBR相比，COD去除率平均提高了14.02%。

（2）經生物預酸化處理后，2﹟SBR進水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，使得鈣質析出受到抑制。同時由于進水COD較低，使得活性污泥反應器中的微生物處于內源呼吸期，污泥衰減作用增強。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去除率達到90%。生物預酸化可達到較好的污泥減量化效果。

［1］鄒小兵，孟剛，鄭澤根，等.治理明膠生產廢水污染研究進展［J］.明膠科學與技術，2004，24（2）：74-82.

［2］繆進康.明膠生產廢水及其治理［J］.明膠科學與技術，2004，24（3）：113-120.

［3］孔秀琴，魯娜，鄧愛云.阻垢劑在含鈣污泥減量化中的應用研究［J］．水處理技術，2012，38（3）：60-63.

［4］王凱軍.低濃度污水厭氧化（水解）處理［M］.北京：中國環境科學出版社，1991：82-91.

［5］Pohland FG，Ghosh S.Developments in anaerobic stabilization oforganic wastes：The two-phase concept［J］.Environ.Lett.，1971，1（4）：255-266.

［6］Ahn Y H，Min K S，Spssce R E.Pre-acidification in anaerobic sludge bed process treating brewery wastewater［J］.Water Research，2001，35（18）：4267-4276.

［7］沈耀良，王寶貞.水解酸化工藝及其應用研究［J］.哈爾濱建筑大學學報，1999，32（6）：35-38.

［8］張紹斌.預酸化處理對高濃度苯胺廢水PSB處理效果的影響［D］.蘭州：蘭州理工大學，2010.

［9］鄒小兵.高鈣高COD高氮明膠廢水長期穩定生物脫氮試驗研究［D］.重慶：重慶大學，2004.

［10］劉燕林，王連山.明膠廢水處理系統的調試與運行［J］.環境工程，2012（S2）：64-67.

［11］姚艷.活性污泥緩沖性能的研究［D］.天津：天津大學，2009.

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

國家自然科學基金項目（51268034）

孔秀琴（1967—），教授。E-mail：xqkong2@126.com。

2016-06-24（修改稿）