聚环氧琥珀酸（PESA）对高硬度废水生物处理系统的作用

赵 凯，孔秀琴，邢春霞，邓爱云

（1.兰州理工大学 石油化工学院，兰州 730050；2.兰州市蓝星清洗有限公司，兰州 730050）

在化工、制药、燃料的生产过程中，产生的废水除含有高浓度的有机物外，还含有高浓度的盐类物质［1－3］。利用活性污泥法处理高硬度废水，产生含有大量钙渣的污泥，污泥排放量巨大，同时由于钙质对生物传质的影响，造成污泥活性低、泥龄短，从而换泥频繁。例如，明胶工业废水一直是污染治理的难题［4］。

目前，采用驯化活性污泥法处理高硬度废水的研究虽有报道，但是大多数研究者只是单纯的考虑盐度即Cl－浓度对活性污泥法处理效果的影响［5－8］，而实际废水中含有的高浓度的Ca2＋与污泥活性的相互影响不可忽略［9］。钙盐在活性污泥表面的不断沉积，会使活性污泥逐渐丧失活性，产生大量的钙质污泥，难于处理处置。阻垢剂是指具有能分散水中的难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在金属表面的沉淀、结垢功能，并维持金属设备有良好的传热效果的一类药剂［10－11］。

本文主要研究绿色安全型阻垢剂聚环氧琥珀酸（PESA）［12－13］对活性污泥法处理高硬度废水的影响，讨论在加入阻垢剂的情况下，活性污泥法能耐受的最高Ca2＋浓度，废水处理效果，同时对污泥的沉降性能，生物相变化规律以及污泥减量化效果进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 废水水质

废水来自某明胶厂浸酸工艺与浸灰工艺后的混合废水，其COD≈2500mg／L，［Ca2＋］≈1.25g／L，由于其pH＞10，呈强碱性，不适合活性污泥中的微生物生长，所以用50%HCl溶液调pH至8左右，通过与自来水进行稀释配比，调整后使进水水质COD在100～300mg／L，［Ca2＋］在110～280mg／L作为进水水样。

1.2 主要测试仪器

SVI：30min沉降体积比；MLSS：重量法；COD－cr：采用标准重铬酸钾法［14］；［Ca2＋］采用标准 EDTA法；pH值：使用杭州奥利龙仪器有限公司PHS－3C型酸度计；溶解氧：采用上海精密科学仪器有限公司JPB－607A型便携式溶解氧仪测定；浊度：采用HACH 2100AN浊度仪测定；微生物镜检：采用北京泰克有限公司XSJ－HS型电脑显微镜。

1.3 实验装置与运行参数

实验在2LSBR反应器中进行，其中活性污泥400mL。实验的一个周期为24h，分为5个阶段，即进水、曝气、沉淀、排水排泥及闲置阶段，其中曝气时间为22h，沉淀30min之后出水。因为要考察污泥增殖情况从而确定是否有污泥减量化效果，所以反应器在运行期间不排泥。

1.4 工艺流程图（图1）

图1 活性污泥工艺流程图

1.5 活性污泥及阻垢剂来源

1.5.1 活性污泥来源 选用兰州市安宁 七里河污水处理厂曝气池污泥作为接种液，进行闷曝培养。

1.5.2 阻垢剂来源以及投加量 阻垢剂聚环氧琥珀酸（PESA）由兰州市蓝星清洗有限公司提供。阻垢剂的投加量在驯化过程中进行了多次单因素实验，且考虑到生物反应器的适宜pH，最终确定了阻垢剂与进水钙离子的投加比例为1∶200（mL／mg），按照这一投加比例，试验中根据进水钙离子浓度的改变调整PESA的投加量。

1.6 实验方法

设置2个2L的SBR反应器，其中一个加入阻垢剂PESA，另外一个不加入阻垢剂进行空白实验对照。反应器在接种活性污泥后，采用逐步变化进水COD和［Ca2＋］的方法，研究阻垢剂对活性污泥反应器处理废水效果、活性污泥的沉降性能、阻垢效果、生物相变化规律以及污泥减量程度。

2 结果讨论

2.1 污泥理化性质的变化

2.1.1 污泥的形态结构的变化 当进水废水指标钙离子浓度为101.38mg／L，COD为93.95mg／L时，活性污泥反应器进入实验初期，2个反应器中的活性污泥均呈灰褐色，絮体结构明显，污泥活性良好；随着［Ca2＋］逐渐升高，2个反应器中的活性污泥均由灰褐色逐渐变为黄褐色；当Ca2＋浓度逐渐升高到280mg／L时，空白反应器中的活性污泥在2～3个周期内由黄褐色变为乳白色，而加入PESA的反应器中的活性污泥则没有上述现象，污泥活性保持良好，絮体结构明显。但将进水Ca2＋浓度上调至大于280mg／L时，加入PESA的反应器也出现了污泥变白钙化的现象，分析原因是由于进水Ca2＋浓度的增大，超过了PESA的阻垢作用，呈过饱和状态，导致活性污泥中无机灰分骤然增多，从而使活性污泥颜色和沉降性能发生较大的变化。图2为加入PESA的反应器在进水Ca2＋浓度为280mg／L临界点上下的活性污泥镜检对比图片。

图2 PESA反应器活性污泥镜检图片（左图为进水［Ca2＋］＜280mg／L，右图为进水［Ca2＋］＞280mg／L）

实验后期28d左右，空白反应器中的活性污泥在一个周期内解体，产生大量泡沫，污泥大量流失。对比加入PESA的反应器，污泥出现钙化现象，但将PESA投加量提高到2.0mL后，反应器中附着在活性污泥上的钙盐能够被PESA溶解到溶液中，使活性污泥恢复良好的活性，同时恢复较高的COD去除率。这说明PESA的加入使活性污泥处理系统对高硬度废水冲击负荷能力增强。

2.1.2 活性污泥中生物相的变化 在逐步提升Ca2＋浓度的过程中，活性污泥中的生物相也发生了变化，最为明显的是指示性微生物的变化，当［Ca2＋］＞280mg／L，如钟虫，累枝虫，楯纤虫等指示性微生物相继死亡，丝状菌数量也在减少，最后消失，以PESA反应器为例（见图3）。

图3 PESA反应器指示性微生物指变化（左图为进水［Ca2＋］＜280mg／L，右图为进水［Ca2＋］＞280mg／L）

2.1.3 污泥MLSS的变化 实验过程中，2个反应器对应的MLSS值如图4所示。

从图4中可以看出，随着运行天数的增加，2个反应器中的活性污泥MLSS值均呈增加趋势。其中第10～14d，调整Ca2＋浓度为281.7mg／L，PESA投加比例也相应增加到1.4mL时，PESA反应器MLSS下降到5000mg／L，污泥损失较为严重，钙化现象也较严重，说明PESA与进水Ca2＋在1∶200（mL／mg）的投加比例下，有一个Ca2＋适用范围，为小于280mg／L。

图4 PESA与空白反应器的MLSS随运行天数变化

但是整个运行过程中PESA反应器污泥浓度一直低于空白反应器，通过计算污泥增值速率可知，2个反应器的污泥增殖速率分别为PESA反应器169.23mg／d和空白反应器288.46mg／d，这说明投加PESA具有污泥减量化效果，减量化程度在41.33%。

2.1.4 污泥SVI的变化 实验过程中，2个反应器对应的SVI值如图5所示。

图5 PESA与空白反应器的SVI随运行天数变化

从图5中可以看出，随着运行天数的增加，污泥的SVI由最初的50mL／g左右逐步下降至20mL／g左右，由于Ca2＋浓度的变化，SVI总体呈下降趋势。这是由于进水中Ca2＋浓度较大，使污泥中无机组分不断增加，污泥的重量增大，使活性污泥系统具有较高的压缩性，使得SVI值不断减小，沉降速度加快。2个对照反应器SVI变化趋势基本相似，说明PESA的投加不对污泥沉降效果造成影响。

2.2 处理效果的变化

2.2.1 COD去除率的变化 实验过程中，2个反应器对应的COD去除率如图6所示。

在第5～14d的运行期内，Ca2＋浓度逐步从101.38mg／L增加到396.8mg／L，PESA 投加量按照1∶200mL／mg的比例同步提升，从0.5mL提升至2.0mL，发现2个反应器的COD去除率均呈下降趋势，在之后第14～22d运行期内，保持PESA投加量为2.0mL，逐步减低Ca2＋浓度，发现COD去除率又呈上升趋势。

6 PESA与空白反应器的COD去除率随运行天数变化

试验结果说明Ca2＋浓度不高于280mg／L的高硬度废水在采用活性污泥法处理时，处理效果可达到90%以上，而PESA的加入对活性污泥法处理废水的去除效率没有影响。

2.2.2 Ca2＋保留率的变化 将进出水的Ca2＋测定结果记录下来，计算Ca2＋保留率，表示阻垢剂的阻垢效果，公式如下：

实验过程中，2个反应器对应的Ca2＋保留率如图7所示。

从图7可以看出，在第3～14d的运行期内，Ca2＋浓度逐步从101.38mg／L增加到396.8mg／L，PESA投加量按照1∶200（mL／mg）的比例同步提升，从0.5mL提升至2.0mL，发现2个反应器的Ca2＋保留率均呈下降趋势，在之后第14～17d运行期内，保持PESA反应器的阻垢剂的投加量为2.0mL，逐步减低Ca2＋浓度，发现Ca2＋保留率又呈上升趋势。

空白试验结果说明活性污泥法处理高硬度废水，Ca2＋浓度为280mg／L是钙盐析出的一个临界饱和点。

图7 PESA与空白反应器的Ca2＋保留率随运行天数变化

与空白反应器相比较，加入PESA的反应器也呈现出临界饱和点的特点，但Ca2＋保留率在整体上要远远高于空白反应器。在进水Ca2＋浓度小于280mg／L的条件时，Ca2＋保留率增加了18.32%，说明PESA的投加在分散钙离子沉积方面的效果是明显的。

3 结 论

1）PESA的加入具有污泥减量化的效果，减量化程度在41.33%，并且不对污泥沉降效果造成影响。

2）Ca2＋浓度不高于280mg／L的高硬度废水在采用活性污泥法处理时，COD去除率达到90%以上，而PESA的加入对活性污泥法处理废水的去除效率没有影响。

3）PESA的加入使Ca2＋保留率比空白反应器增加18.32%，Ca2＋保留率达到80%以上，说明PESA的投加在分散钙离子沉积方面是有效的。

4）PESA的加入使活性污泥处理系统对高硬度废水冲击负荷能力增强。

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