Fe3+存在下pH值冲击对好氧活性污泥处理制浆中段废水的影响

张 恒 王传路 胡振华

(1.青岛科技大学化工学院, 山东青岛, 266042；2.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室, 山东济南, 250353)



·中段废水处理·

Fe3+存在下pH值冲击对好氧活性污泥处理制浆中段废水的影响

张 恒1,2王传路1胡振华1

(1.青岛科技大学化工学院, 山东青岛, 266042；2.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室, 山东济南, 250353)

在Fe3+存在下,考察了好氧活性污泥系统在pH值为5.0和9.5冲击7天下对制浆中段废水的处理效果和污泥特性,然后再调整pH值为7.0,进行7天的恢复实验,继续考察处理效果和污泥特性,并与不加铁的空白组对照。在pH值为5.0和9.5冲击下,加入铁离子组和空白组处理效果均下降,污泥沉降性能变差,但加铁组的各项指标均优于空白组。恢复实验中,加铁组的好氧活性污泥系统恢复到正常运行的速度相对较快。pH值为5.0冲击下,活性污泥系统处理效果优于pH值为9.5的冲击,但污泥沉降性能较差。

Fe3+；pH值冲击；好氧活性污泥；制浆中段废水

(*E-mail: hgzhang@sina.com)

制浆中段废水具有成分复杂,排放量大的特点,含大量不易生物降解木素和衍生物及各种造纸工艺过程中添加的化学药品[1-2]。目前制浆中段废水处理常采用絮凝-好氧活性污泥联合工艺进行处理。经絮凝预处理后,废水的可生化性提高,毒性降低,为后续生化提供有利条件[3]。而后续活性污泥系统的正常运行,是废水取得良好处理效果的关键。

pH值是影响好氧活性污泥系统正常运行的关键参数之一。pH值的变化对微生物的活性至关重要,在活性污泥系统正常运行的条件下,pH值基本上需维持在6.5～8.0之间。Yavuz等人[4]的研究中,采用活性污泥系统处理废水,pH值为7.5时获得了最大基质去除率及微生物生长速率。利用活性污泥系统进行硝化过程,pH值低于6.0时,硝化作用停止[5]。而在聚磷活性污泥系统中,最适pH值在6.8±0.7,偏酸或偏碱都会导致效果变差[6-7]。

pH值不仅影响微生物活性,而且影响污泥的理化特性,尤其是影响污泥的沉降性能,从而会进一步影响系统的运行效果[8]。Sürücü等人[9]研究了pH值对活性污泥可滤性及可压缩性的影响,结果表明在其所研究的pH值5.7～9.0的范围内,随pH值的升高,污泥的可滤性降低,可压缩性升高,即沉降性能提高。

活性污泥系统经历非正常pH值突然变化(本文称冲击)时,其正常运行会被扰乱,导致处理效果变差,污泥被洗脱出反应器[10]。但通过在反应器中加入铁离子等物质,可以促进微生物生长和增强酶的活性[11-14],从而强化污泥的抗冲击能力。本课题组在Fe3+存在下,采用制浆中段废水完成了对好氧活性污泥的驯化。本研究在此基础上考察在pH值浓度超出正常范围的冲击下,对好氧活性污泥处理制浆中段废水的影响,以期为实际应用提供参数。

1 材料与方法

1.1 实验用水

取自某纸浆造纸企业的制浆中段废水。CODCr约为1300 mg/L,pH值为7.0左右,经絮凝预处理后CODCr约为800～900 mg/L。以絮凝后的出水进行生化实验。

1.2 分析方法

溶解氧浓度和pH值分别采用美国HACH公司Sension6溶解氧仪和Sension6pH值计测定。CODCr采用便携式水质分析仪(DR2700,美国HACH公司)测定。

测定废水在pH值变化前后254 nm处吸光度(A254)的减少率，代表污染物的去除率;A254采用紫外可见分光光度计(TU-1901双光束,北京普析通用仪器有限责任公司)进行测定。

污泥体积指数(SVI)采用国家标准方法测定[15]。

1.3 实验方法

取经制浆中段废水驯化半年以上的好氧活性污泥分装到两个锥形瓶中,pH值分别调整到5.0和9.5。在所设定的pH值下冲击7天,从第8天调整pH值至7.0进行恢复实验,恢复实验进行7天。同时进行不加铁组的空白实验进行对照，测定出水水质和污泥特性。冲击前加铁组和不加铁组的CODCr去除率分别达到80%和76%左右,A254去除率分别达38%和50%左右,污泥SVI分别为60 mL/g和80 mL/g左右。

2 结果与讨论

2.1 pH值冲击对CODCr去除率的影响

随着越来越多国家资源输入农村，如何保证国家资源有效使用，以及如何防止国家资源使用中产生矛盾与上访，国家出台了越来越多、越来越细致的规范性文件，要求村级治理程序化与规范化，造成的后果是村干部越来越脱产化、专职化和职业化，村委会逐渐成为乡镇的下级，而不再是由村民选举产生出来的村民自治机构，从而越来越难以有效回应农民千差万别的生产和生活诉求。

图1 pH值为5.0冲击下CODCr去除率的变化

图2 pH值为9.5冲击下CODCr去除率的变化

pH值冲击对CODCr去除率的影响如图1和图2所示。由图1可以看出,在pH值为5.0的冲击下,加铁组和空白组CODCr去除率迅速下降,冲击的前4天加铁组CODCr去除率迅速下降至55%以下,而空白组CODCr去除率降至50%以下。从冲击第5天开始,CODCr去除率有所上升,至冲击第7天,加铁组和空白组CODCr去除率分别升至56%和48%。从第8天开始,pH值调整至7.0进行恢复实验。在恢复实验过程中,加铁组CODCr去除率大幅度提高,至第14天即恢复实验进行7天,CODCr去除率达75%左右。而空白组在恢复实验过程中,CODCr去除率提高非常缓慢,至实验结束,CODCr去除率也仅有56%左右。图2中pH值为9.5的冲击下,CODCr去除率的变化情况与pH值为5.0冲击下的基本一致,至第14天,加铁组和空白组CODCr去除率分别达72%和59%左右。

2.2 pH值冲击对A254去除率的影响

制浆中段废水中的大分子物质及苯环类物质等在254 nm处出现最大吸收峰[16],因此通过对254 nm处吸光度的测定即可大致得到制浆中段废水以及经过生物处理的废水中大分子物质及苯环类物质等的含量。

pH值冲击对A254去除率的影响如图3和图4所示。由图3可以看出,在pH值为5.0的冲击下,加铁组和空白组A254去除率分别降至25%和20%以下。

图3 pH值为5.0冲击下A254去除率的变化

图4 pH值为9.5冲击下A254去除率的变化

在恢复实验中,加铁组A254去除率大幅度提高,在第10天即恢复实验进行3天A254去除率可达40%以上,至14天A254去除率恢复至45%左右。而空白组在恢复实验中,A254去除率增加缓慢,至恢复实验结束,去除率达30%左右。由图4可以看出，在pH值为9.5的冲击下,不论是加铁组和空白组A254去除率均降至10%以下。在恢复实验中,加铁组A254去除率提高很快,在第12天即恢复实验进行5天A254去除率可达40%以上,至14天去除率达44%。而空白组的恢复非常缓慢,至第14天,去除率达27%左右。

在pH值冲击下,加铁组和空白组出水水质均有较严重的恶化,微生物菌受到严重抑制甚至大量微生物死亡。但是一旦pH值调整至正常范围,加铁组中由于铁离子的存在,刺激了微生物的生长,使反应器中微生物量大幅度提高,污泥的絮体结构可以较快恢复,加之铁离子对代谢酶活性的提高,因此恢复期加铁组出水水质迅速恢复。铁离子存在可提高活性污泥系统抗pH值冲击的能力。

2.3 pH值冲击对活性污泥沉降性能的影响

图5 pH值为5.0冲击下SVI值的变化

图6 pH值为9.5冲击下SVI值的变化

由图5可知,在pH值为5.0冲击下,空白组SVI值随冲击的进行迅速增加,冲击实验第6天,SVI值高达109 mL/g, 污泥絮体结构完全被破坏,开始发生污泥膨胀。在接下来的恢复实验中,SVI值有所下降,在第14天,降至91 mL/g,沉降性能虽有所恢复,但仍然较差。而加铁组,在冲击第2天,SVI虽然迅速增至90 mL/g, 但随冲击的进行,污泥结构并没有继续恶化,相反SVI值还有所下降。在恢复期,SVI下降幅度很大,至恢复实验结束,SVI值降至73 mL/g, 污泥絮体结构和沉降性能正常。图6中可见，在pH值为9.5冲击下,在冲击第2天,加铁组和空白组SVI值分别增至85 mL/g和93 mL/g,随后SVI值又呈现下降趋势,至冲击第7天加铁组和空白组SVI值分别降至59 mL/g和80 mL/g。而在恢复实验中,SVI值进一步下降,至恢复实验结束,加铁组和空白组SVI值分别为53 mL/g和70 mL/g。

SVI是一项反映活性污泥沉降性的重要指标,与进水负荷、pH值、碳氮磷比值、泥龄、进水水质、曝气量等外界条件以及运行操作有关。当pH值 突然超出正常范围时,会导致污泥絮体结构破坏,从而污泥变得松散,SVI值升高。Fe3+自身具有絮凝结构,可用于活性污泥膨胀的治理,因此加铁组反应器不论是在酸性冲击还是碱性冲击下,仍然保持其良好的絮体结构。

值得注意的是,与pH值为5.0冲击相比,pH值为9.5的冲击下,污泥沉降性能要好的多,尤其是加铁组,在冲击过程中,SVI即可恢复至较低值。这与实验所用水质有关。制浆中段废水中污染物质在酸性条件下主要以分子态存在,尤其是一些可生化的小分子物质,几乎都是以酸的形式存在的,在pH值为5.0的条件下,微生物活性基本上受到抑制,无法有效利用这些物质,而大量短分子链脂肪酸的存在,会破坏污泥结构,导致活性污泥膨胀。在pH值为9.5的碱性条件下,废水中污染物质以离子形式存在,尤其是废水中的金属离子,都具有絮凝作用,因此使得污泥仍然保持较好的沉降性能。即使如此,在pH值为9.5的条件下,微生物生长和代谢均受到严重抑制,污泥结构的保持并不是由于微生物自身产生的胞外多聚物,而是来自外界的物质,因此2.1中CODCr和A254去除率很低,甚至低于pH值为5.0的情况。

3 结 论

实验在Fe3+存在下，考察了好氧活性污泥系统在pH值为5.0和9.5冲击7天下对好氧活性污泥处理制浆中段废水的影响。

3.1 处理制浆中段废水的好氧活性污泥系统分别在pH值为5.0和9.5的冲击下,无论是加铁组和空白组,处理效果均有较明显的下降,污泥沉降性能下降。加铁组在整个冲击实验中,各项指标均优于空白组。恢复实验中,加铁组污泥恢复速度相对较快。

3.2 与pH值为5.0冲击相比,pH值为9.5的冲击下,废水处理效果明显差,但污泥沉降性能要好的多，尤其是加铁组。pH值冲击实验,说明铁离子的加入对比空白组,提高了污泥沉降性,增强了活性污泥抗pH值冲击的能力。

3.3 铁离子的加入,提高了污泥沉降性,增强了活性污泥抗pH值冲击的能力。

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(责任编辑：常 青)

Effect of pH Shock on the Treatment of Pulping Middle Stage Effluent by Aerobic Activated Sludge in the Presence of Fe3+

ZHANG Heng1,2,*WANG Chuan-lu1HU Zhen-hua1

(1.College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao,ShandongProvince, 266042; 2.KeyLabofPulpandPaperScience&TechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)

In the presence of Fe3+, treatment efficiency of pulping middle stage effluent by aerobic activated sludge and sludge characteristics were studied when the sludge were shocked at pH=5.0 and 9.5 for 7 days. Then the recovery experiments were carried out for 7 days as the pH value was adjusted to 7.0. At the shocks at pH=5.0 and 9.5, the treatment efficiency decreased, the sludge settling performance deteriorated for both group with iron and blank group, but all the indicators of the group containing iron were better than that of the blank group. In the recovery experiments, sludge with iron recovered relatively rapidly. At the shock of pH=5.0, the activated sludge treatment effect was better than that of pH=9.5, but the sludge settling performance was poor.

Fe3+; pH Shock; aerobic activated sludge; pulping middle stage wastewater

张 恒先生,博士,副教授;主要从事轻化工程、制浆造纸工程方面的研究。

2014- 11- 24(修改稿)

青岛市科技发展计划(12-1-4-3-(28)-jch); 制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室开放基金(08031337)。

X793

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0254- 508X(2015)05- 0037- 04