混凝-生物强化联合处理环氧树脂高盐废水
摘要：环氧树脂高盐废水是目前较难处理的工业废水之一。采用混凝联合生物强化工艺：通过混凝过程进行预处理后，投加嗜盐菌进行生物强化考察盐度变化对系统降解有机物的影响以及污泥性状的变化情况。结果表明，当废水中氯离子浓度达到驯化目标10 g /L 时，系统对COD 的去除率仍稳定在85%左右；以没有投加嗜盐菌的反应器为对照组，在进水COD 平均浓度为550 mg /L 左右，氯离子浓度由12 g /L 增至21 g /L 时，对照组COD 平均去除率由82%降至60%以下，而投加了嗜盐菌的反应器（ 投加组） 则仍保持在85% 以上；此外，盐度的变化同时影响污泥的活性及其沉降性能，随着盐度增大，两组中的污泥活性均有所降低，但投加组的污泥活性相对较高，其污泥的沉降时间和污泥体积指数（ sludge volume index，SVI） 值也较低。采用本工艺处理环氧树脂高盐废水，使得生物处理过程能够长期稳定运行，且能够保持较高的耐盐度和COD 去除率。
关键词：生物强化环氧树脂高盐废水污泥性能
环氧树脂由于具有良好的力学性能和粘接性能而成为一种重要的复合材料基体，应用极其广泛［1］。但其生产过程中产生的大量高盐度、高有机物含量的废水污染问题，属于较难处理的工业废水之一。近年来，国内环氧树脂企业数量规模迅速扩大，但针对其废水处理的方法却不完善，因此急需开发出技术先进、经济实用的环氧树脂废水处理技术［1］。国外对于环氧树脂废水处理一般应用以下几种技术：化工原料废水混合处理排放技术，喷雾干燥处理技术［2］，多级蒸馏处理技术［3］等。然而，以上处理技术工程投资大、运行费用高，不适用于我国国情。国内环氧树脂企业多采用废水稀释后进入常规污水处理厂处理的方法，由于其具有大分子油状有机物和碱、盐类物质，增大了处理难度，也增加了企业运行成本，严重阻碍环氧树脂生产行业的发展。
综合国内外研究和工程实例［4-8］，利用生物处理工艺处理高盐废水成本较低，主要依靠能够稳定生存在活性污泥中的嗜盐菌属进行有机质的降解，而污泥的生物活性（ 即嗜盐菌属的活性） 是生物处理工艺过程中最重要的运行指标，但嗜盐菌作为高盐废水生物处理的主要微生物培养条件苛刻，国内应用也很少，因此该法可作为一个重要研究方向。
在自然界高盐环境如盐湖、盐碱地、海水、晒盐池中，广泛生存着耐极高盐度的嗜盐菌和耐盐菌。其存在为高盐废水的生物处理提供了保证。因而运用生物强化技术加入生物处理工艺进行处理能有效提高高盐废水的处理效果。生物强化技术（ bioaugmentation）是指为提高系统去除污染物的能力，向废水处理系统或者污染地投加特定功能微生物的一种工艺［9］。到20 世纪90 年代国外已有较多的文献报道，而国内的研究起步较晚，直到90 年代后期才有相关文献对国外的研究进行总结［10］。近年来，该技术在环境治理及废水生物处理系统中以较为明显和迅速稳定的处理效果受到越来越多的关注。其在废水处理系统中起到高效去除目标污染物，加速系统启动和提高系统抗有机负荷的能力，增强系统菌群结构和功能的稳定性等作用［11-17］。但是目前为止，通过投加嗜盐菌对环氧树脂高盐废水进行强化处理的报道非常有限。
因此，本研究利用从黄山某环氧树脂厂取回的污泥中分离筛选出的2 株中度嗜盐菌［18］，通过物化（ 混凝） -生物强化联合处理，研究投加嗜盐菌后有机物的去除率、耐盐性及污泥活性的变化情况等，以期为环氧树脂废水等高盐有机废水处理提供一种具有高效稳定处理效果的途径。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
实验废水取自黄山市某化工有限公司的环氧树脂有机废水，有机废水的主要水质指标：COD 为4 145 mg /L，Cl － 为35 g /L，NH +4 -N 为1. 41 mg /L，TP（ total phosphorus） 为0. 17 mg /L，pH 为12. 21。反应器接种污泥取自某化工有限公司的二沉池污泥，投加的嗜盐菌株为分离筛选的嗜盐菌株J1和J2［18］。
1. 2 实验设计与反应器运行
实际的环氧树脂废水中含有较多的悬浮物，在进行生化处理前需进行混凝处理，以削减COD 负荷，降低有毒物质对微生物的抑制作用，减轻生化池的运行负担。因此，本文提出采用混凝-生物强化联合处理环氧树脂高盐废水。
1. 2. 1 混凝实验
混凝实验以去除悬浮颗粒物为目标，分别以聚合氯化铝（ poly aluminium chloride，PAC） 和聚丙烯酰胺作为混凝剂和助凝剂，考察了pH，混凝剂投加量，助凝剂投加量以及水力条件（ 振荡强度） 4 个因素，在单因素实验基础上，开展如表1 所示L16（ 44 ）的正交实验，以获得优化的混凝处理工艺条件。
1. 2. 2 活性污泥系统的耐盐驯化
系统采用间歇式进水，每天运行2 个周期，每个周期12 h，其中曝气时间8 h，控制溶解氧DO 在4mg /L 左右，其余时间为闲置期，所排出的上清液占总体积的50%，检测其COD 浓度。
将环氧树脂高盐废水原水经混凝处理后的出水稀释后加入无机盐MS 培养基作为进水。进水中COD 浓度保持为550 mg /L 左右，Cl － 约为5 g /L。无机盐MS 培养基：NH4Cl 0. 5 g /L，K2HPO4 0. 5 g /L，KH2PO4 0. 5 g /L，MgSO4·7H2O 0. 2 g /L，CaCl20. 1 g /L 及微量元素（ mg /L） ［19］ 1 mL （ FeCl3 ·6H2O，CuSO4·5H2O，H3BO3，MnCl·4H2O，Zn-SO4·7H2O，NiSO4） 的混合溶液。
按照5 个梯度逐步添加等浓度等体积的Cl － 溶液，每个梯度下驯化时间为1 周。每个梯度约添加为1 g /L 的Cl －。当废水中氯离子浓度达到10 g /L，且系统的COD 去除率稳定在80% 以上时，视为污泥耐盐驯化完成。
1. 2. 3 生物强化处理实验
实验采用2 个相同的圆柱形反应器，以没有投加嗜盐菌的1 号反应器作为对照组，在2 号反应器中投加嗜盐菌（ Ts = 0. 29 g /L，接种量为10%体积的复合嗜盐菌株菌悬液） ，简称投加组。2 个反应器的有效工作体积均为2 L，接种污泥取自经过耐盐驯化的活性污泥系统，COD 进水浓度为550 mg /L 左右。考察不同盐度下2 个反应器的运行情况，盐度采用氯离子浓度计算，分为12、15、18、21 和25 g /L共5 个浓度梯度，每个梯度监测时间为10 d。定期取样，分析测定COD、污泥沉降比（ SV） 、混合液悬浮固体颗粒（ mixed liquor suspended solids，MLSS） 、混合液挥发性悬浮固体（ mixed liquor volatile suspendedsolids，MLVSS） 以及污泥容积指数（ SVI） 。
1. 3 理化分析方法
悬浮物（ suspended solid， SS ） 、污泥指数：MLSS、MLVSS、SV、SVI 的测定采用国家水质标准分析方法［19］；氯离子浓度测定方法采用硝酸银滴定法（ GB 11896-89） ；COD 测定在酸性条件下，以MnSO4代替Ag2SO4作催化剂结合重铬酸钾氧化法快速测定［20］。
2 结果与讨论
2. 1 物化处理混凝正交实验结果及分析
混凝处理是大多数难降解高浓度有机工业废水处理中关键的环节之一，通过混凝可以去除掉废水中绝大部分的悬浮物和大部分有机物，降低后续生化处理系统的负荷［21］。本文选择PAC 作为混凝剂，PAC 对水温、pH、碱度、有机物含量等变化适应性较好。而水的pH 直接影响水中有机物及水解产物的存在形态。混凝过程中的水力条件对絮体的形成影响极大，混合阶段，快速搅拌有利于混凝剂迅速分散、水解、聚合及颗粒脱稳。反应阶段则使脱稳颗粒碰撞、絮凝形成良好沉降性能的絮凝体。
各因素对浊度和COD 的去除效果的影响如表1 所示。以浊度的去除率为优化指标，则优化后的工艺条件为：混凝剂的投加量为100 mg /L，pH 为9，转速140 r /min 和助凝剂投加量4 mg /L。
2. 2 活性污泥系统的耐盐驯化
2. 2. 1 COD 去除率影响
如图1 所示，在提高氯离子浓度进行驯化时，系统中微生物出现了不适反应，表现为出水COD 值明显升高。这主要是由于盐度的突然增加污泥中非嗜盐性细菌减少，造成系统稳定性变差，系统的抗冲击能力变弱［22］。随后COD 去除率又逐渐上升，说明系统中存在的微生物对水质的适应性随着驯化时间的延长而逐渐增强。当废水中氯离子浓度达到驯化目标10 g /L 时，系统对COD 的去除率仍稳定在85%左右，出水COD 在90 mg /L 以下，并能保持稳定。选取10 g /L 是基于Ingram［23］对杆菌的研究结果而定的，他提出当NaCl 超过10 g /L 时微生物呼吸速率降低，有机物去除率开始下降。因此，投加的盐度达到10 g /L，且污泥中微生物已经适应了这种高盐废水水质，视为系统耐盐驯化完成。
2. 2. 2 污泥活性指标的变化
由图2 可知，随着驯化时间的增加，污泥浓度MLSS 和MLVSS 略有增加，在第7 天和第21 天时出现下降的原因是污泥浓度偏高，采取了排泥措施。驯化期间，反应器中污泥的MLSS 和MLVSS 浓度分别保持在4. 8 ～ 6. 4 和2. 8 ～ 3. 7 mg /L 范围内。MLVSS /MLSS 的比值在驯化的前30 天基本稳定在0. 6 左后，随后逐渐下降至0. 5 左右，这表明污泥中无机物含量在增加。相应地，污泥容积指数SVI 值随着盐度增加逐渐减小，也说明污泥中无机物含量变多，污泥变得细小密实。当溶液中氯离子浓度大于10 g /L 时，SVI 值已经下降到40 以下。
2. 3 生化强化处理对系统的影响
2. 3. 1 COD 去除率影响
由图3 可知，随着氯离子浓度提高，2个反应器对环氧树脂废水中有机物的去除率都有所下降。进水Cl － 浓度由12 g /L 升至21 g /L 过程中，对照组中COD 平均去除率由82% 降至60% 以下，而投加组中COD 去除率略有下降，但基本保持在85%。
当进水Cl － 浓度达到25 g /L，对照组COD 平均去除率降至43. 2%，此时出水变浑浊，呈乳白色，且反应器停止运行期间有污泥上浮，而此时投加组中出水也开始变浑浊，COD 去除率在71. 3% ～ 77. 8%之间变化，但COD 平均值为131 mg /L。在稳定恢复了20 d（ 第81 ～ 100 天） 后，其出水COD 仍为130mg /L 左右。说明即使在投加组中，当废水中Cl － 浓度达到25 g /L 时，系统中的微生物虽然能保持较好的代谢活力和降解性能，但已超出其最佳生长盐度范围，无法保证系统出水COD 低于100 mg /L。
2. 3. 2 污泥活性指标的变化
如图4 所示，2 个反应器中的污泥的MLSS 和MLVSS 都随时间的增加而大，但对照组在第65 天，即Cl － 浓度达到18 g /L 后，污泥的MLSS 和MLVSS有所下降，而投加组污泥的MLSS 和MLVSS 保持增加。对照组MLVSS /MLSS 值由开始的0. 52 降至0. 43；而投加组则从0. 52 降至0. 49，说明盐分在污泥中产生积累，污泥中的无机成分增加，污泥活性降低，且投加嗜盐菌的污泥系统中微生物活性要好于对照组。
2 个反应器的SVI 和SV 值随着盐度增加逐渐减小，说明污泥中无机物含量变多，污泥变得细小密实。2 组污泥的SV 值均比刚接种时的污泥体积指数36. 8 要小，这说明，盐度影响污泥的沉降性，这与反应器中微生物组成有关，经过耐盐驯化，反应器中微生物以耐盐菌群为主，污泥结构改变致使污泥沉降性能改变。在高盐环境中，污泥颗粒小，絮凝体呈封闭状，形成的絮体结构比较密实，从而有利于污泥的沉淀。但盐度继续提高，会破坏微生物的正常新陈代谢和降低系统的处理能力，减少污泥与废水间的密度差，使污泥沉降性能恶化［24-26］。
3 结论
（ 1） 在污泥性状研究中发现盐度的变化影响污泥的活性及其沉降性能。未排泥的情况下，随着盐度的提高，对照组MLVSS /MLSS 值由开始的0. 522降至0. 428；投加组则从0. 522 降至0. 489，说明盐分在污泥中产生积累，污泥中的无机成分增加，污泥活性逐渐降低。高盐度影响污泥的沉降性能，有利于污泥的沉淀，使SVI 值变小。
（ 2） 通过采用混凝生物强化工艺发现，经过混凝过程能够有效地去除废水中的悬浮物及部分有机物，提高了废水的可生化性；通过投加筛选的嗜盐菌来进行生物强化处理，可以有效改善出水水质，提高系统的稳定性和耐盐度。活性污泥系统经过40 d左右的耐盐驯化后，当进水COD 浓度为550 mg /L时，在废水Cl － 浓度不超过21 g /L 时，即NaCl 浓度35 g /L 左右，通过联合工艺能保证系统出水COD 低于100 mg /L，COD 去除率稳定在85%以上，为环氧树脂高盐废水的处理及工艺选择提供重要的参考和指导。
本文转自“乾来环保”
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