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

(1.南京大學鹽城環保工程技術研究院，江蘇鹽城 224002;2.南京大學環境學院，江蘇南京 210046)

紡織印染廢水污染一直在我國工業行業中名利前茅，其每年廢水排放量20～30億t，占全國廢水排放總量的11%。化學需氧量(COD)排放量每年約24～30萬t，全工業行業占比在9%左右［1］。印染廢水因其水質成分復雜、色度高、COD高、水質水量波動大等特點導致處理難度大;特別是隨著印染行業生產工藝的改進，新助劑的引進，導致廢水的COD進一步升高，而B/C反而下降，增加了治理的難度［2－3］。由于物理法和化學法處理印染廢水或多或少地存在COD去除率低、處理費用高、可能引起二次污染等問題，因此國內外對含印染廢水的最終處理手段還是以生化法為主［4］。活性污泥法作為現今較為成熟的生化工藝，廣泛應用于各種行業的廢水治理中。由于印染廢水的復雜性、難生化性等特點，普通活性污泥法處理印染廢水已難以達到當前日益嚴格的治理要求。

2007年，陶博等開創性研究了高濃度活性污泥法對染料廢水的處理效果，結果表明，污泥CODcr負荷區間為0.30～0.5kg/(kg·d)時，CODcr的去除率可達85%以上;進水酚質量濃度為800 mg/L的條件下，出水酚質量濃度可達0.50 mg/L以下［5］。2013年，kezhao，zhou也報道了高濃度活性污泥法在印染廢水為主的污水廠改造，結果表明，通過適當延長現有MSBR的沉淀時間，系統可以穩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施，可以保證出水水質達到一級A標準要求［6］。因此，在現有廣泛應用的印染廢水處理工藝基礎上，對好氧系統單元進行深入研究，充分挖掘其處理效率，提高其深度，具有較大的實用意義。

本文通過小試試驗，以鄭州某印染廠生產綜合廢水為研究對象，著重考查了好氧活性污泥法中，活性污泥濃度對該廢水的處理效果的影響。以期為工程應用與生產調控提供依據或參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，主要由調節池、曝氣池和二沉池組成。調節池采用空氣攪拌，可以達到均勻水質的目的;由于冬季溫度較低，為了排除溫度波動及低溫對生化系統的影響，本裝置安裝溫控系統，可以自動調控溫度至設置值。曝氣池是高濃活性污泥反應器的核心裝置，主要由曝氣系統、進出水分配系統、活性污泥、溶解氧在線監測儀等組成;其池體為長方形，玻璃鋼材質，底部裝有微孔曝氣器，輸氣管上裝有閥門，用以調整曝氣量大小，其有效容積為160L。沉淀池為圓筒形結構，玻璃鋼材質，裝有鋸齒堰，設有污泥回流系統，容積為35L;底部排泥斗中的污泥通過蠕動泵輸送回流至曝氣池進水端，可以根據曝氣池中污泥濃度值控制污泥回流比。

圖1 實驗流程圖

1.2 實驗方法

1.2.1 廢水預處理

本實驗用水取自鄭州某印染廠實際排放廢水，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。由于上述有毒性或難降解有機物的存在，使微生物降解較困難。因此，對原水進行有針對性的預處理，可以有效改善微生物的處理效果。原廢水經過“混凝沉淀+水解酸化”預處理，去除部分對微生物有毒害作用的染料物質后，進入高濃活性污泥反應器。原水經預處理前后水質情況見表1。

表1 預處理前后水質情況

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，調整曝氣量，控制HRT為24 h后，泵入少量預處理后的印染廢水，并逐漸增加其進水量，同時葡萄糖投加量相應減少。連續運行兩周左右，達到滿負荷運行。此時出水指標穩定，COD去除率達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濃度、中濃、高濃三個階段，每個階段連續穩定運行大于一個星期。其中常規濃度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采用重鉻酸鉀法測定;pH采用上海盛磁PHS－25測量儀測定;MISS采用重量法測定;SV采用100mL量筒法測定;色度采用稀釋倍數法測定。

2 結果與討論

2.1 馴化初期

圖2 污泥馴化過程中進出水COD變化趨勢圖

馴化初期，活性污泥對廢水COD去除效率由高降低再波動升高。如圖2，培養1d后，去除率達95%，而接下來三天去除率持續大幅下降，導致這一原因可能是由于初始活性污泥的活性較強，具有較強的吸附作用，可以吸附廢水中的有機污染物，因此呈現較好的COD去除效果。但由于活性污泥對水質水量適應性差［7］。當進水水質發生了變化時，原本較好適應生活污水的微生物受到印染廢水的沖擊，導致去除效果大幅下降。經過近一周時間的馴化，微生物基本適應了本實驗印染廢水，因此表現出較好的去除效果。這種微生物的適應，其實質就是微生物間“適者生存”的殘酷競爭［8］。

2.2 活性污泥的形態

活性污泥微生物主要由細菌類、真菌類、原生動物、后生動物等群體組成，在微生物群體的共同協作下，實現了將有機物轉化為穩定的無機物，如 CO2、H2O 等［9－10］。因此，了解活性污泥形態對廢水生化處理有較大的指導意義。三種不同污泥濃度下的活性污泥形態基本相近，但高濃法菌膠團顏色呈深棕色，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。相對低濃度活性污泥，高濃法活性污泥中的原后生動物種類更多，種群較低濃法豐富。研究表明，一定的密實度范圍內，污泥密實度較大時，污泥活性較好，其降解相同的污染物質所消耗的溶氧較少，更節能［11］。由此可見高濃活性污泥具有更強的降解性能，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 污泥濃度對廢水COD去除率的影響

圖4 不同污泥濃度降解COD趨勢圖

由圖4可見，提高污泥濃度，可以相應提高廢水COD去除效率。在常規濃度下運行，廢水COD去除效率不穩定，波動較大。常規濃度下，好氧系統耐進水沖擊能力薄弱。在14d時，進水水質對系統造成較大沖擊，污水出水COD升高;而污泥濃度在中等濃以上時，好氧系統的抗沖擊能力明顯加強的同時，COD去除效率也有了較大提高;當污泥濃度進一步提高時，其處理效果表現出更強穩定性與高效性，主要由于高濃度活性污泥系統特有的高生物量、低有機負荷及長污泥停留時間等特點，使之具備了對有機物有較強的耐沖擊負荷能力，而高濃度活性污泥中保持有更加豐富多樣的菌群，微生物之間的協同代謝的作用更加密切，這就為難降解物質的處理創造了條件［12－14］。

2.3.2 污泥濃度對處理深度的影響

印染廢水中含有許多大分子有機物，其中有一部分較難生化降解。盡管常規的活性污泥法有較好的COD去除效率，但往往存在著對有機物降解程度不夠的問題，導致生化出水COD仍然較高，難以達到出水要求，這就增加后續物化處理負擔，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處理負擔。如圖5，在常規污泥濃度下(MLSS:3.0 g/L)，好氧處理出水COD高達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。當然隨著微生物的活性增強，繁殖加快，其中一些微生物過度繁殖導致污泥濃度增長至較高值，使SV30增大到一定限值后，將引起二沉污泥負荷增加，導致二沉跑泥現象，不利于運行維護。如果此時進水油脂化程度較高將會產生嚴重情況，污泥可能覆蓋整個生化反應器，從而大幅影響了處理效果［15］。

圖5 不同污泥濃度對處理深度的影響情況

2.3.3 色度的去除

原廢水在經過預處理單元已經去除大部分的色度，好氧進水色度為20倍，經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色度去除效果有限。可能主要由于好氧進水中存在不完全去除的發色基團(以偶氮化合物為主)，其偶氮鍵有強烈的吸電子性，不易好氧降解［16－19］。

3 結論

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，增強好氧活性污泥系統的耐進水沖擊性，保持出水水質的穩定。

當好氧進水COD在750 mg/L左右時，MLSS達到6 g/L以上，出水COD可達到100 mg/L以下。

與低、中濃度污泥處理相比，高污泥濃度對色度去除效果優勢不顯著。

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