废水处理厂的“黑匣子”研究

废水处理厂的“黑匣子”研究

黑匣子是飞机飞行状况的“记录者”，它为空难原因的分析提供了重要信息。如果废水处理厂也有这样一种“黑匣子”，废水处理厂的操作人员就可以根据“黑匣子”记录的运行状况采取相应的安全措施，以避免同样事故的发生。该文对废水处理厂的"黑匣子"作了研究和探讨。

造纸工业废水的生物处理技术已经发展成熟，并且工厂操作者对其操作系统也有一定的了解。但在许多情况下，他们对一些“微小角色（tiny profagonists）”的重要性和作用还不够了解，而了解并掌握这些微小角色的知识可以帮助他们快速又直接地找到引起废水处理运行异常的原因。

2010年，德国纸浆和造纸协会（VDP）调查废水处理中所存在的问题时发现：COD、BOD5达标与运行温度的控制很难；固含量损失引起的干扰往往是由污泥变性引起的，而污泥变性在好氧和厌氧处理阶段都会发生，尤其在废水处理的好氧阶段。因为好氧阶段会发生污泥膨胀与气浮、较大的絮体分解产生细小污泥/微絮体和泡沫等现象，这是引起厌氧污泥变性与固含量损失的主要原因。造纸中使用的添加剂影响生物处理阶段中生物质的灭菌性、稳定性和物理效应。通常用BOD5/COD评价生物降解性，为生物废水处理厂中添加剂的降解性提供信息。在某些情况下，纸浆和纸张生产中使用一些低生物降解性（BOD5/COD<0.2）的添加剂，如湿强剂、荧光增白剂、染料和助留剂等。这些添加剂在生化处理阶段中几乎是不活泼的，从而有利于处理最后出水段难降解的COD。

近年来，生物废水处理阶段（好氧和厌氧处理）出现了大量污泥变性，添加剂如助留剂和絮凝剂的物理性质是一个重要的影响因素，因为它对生物污泥有吸附倾向。

通常不具有即时而强力杀菌效果的添加剂一般不会影响生物废水处理，除非有其他进一步因素作用时才会有影响。经验显示，由污泥变性引起的运行故障通常是由工艺参数、废水性质和操作条件共同作用的结果。

在好氧废水处理厂中由污泥变性引起的运行故障主要是产生一些众所周知的污泥膨胀、气浮或细小污泥等现象。表1显示了好氧污泥变性的形式与它们的起因。

表1 好氧污泥变性的形式与它们的起因

表1显示，生物杀菌剂或表面活性添加剂可引起或促进污泥变性。只有下列条件都满足时才会引起污泥气浮，然而仅一个因素就会产生污泥膨胀和细小污泥现象。

到目前为止，废水厌氧处理中几乎没有使用“污泥变性”这个术语，但在这里它似乎可以被使用，因为目前出现污泥气浮、颗粒分解和细小污泥现象与好氧处理阶段发生的情况非常相似。

在最近几年，沉积形成厌氧污泥颗粒已越来越频繁地发生。其原因是多方面的，从生物煤泥生产（EPS）到添加剂的吸附或凝集污泥絮体的黏附。在造纸废水厌氧处理厂中，大多数颗粒相互包裹形成沉积物（呈薄膜状、块状和云斑状，质地柔软黏稠），见图1。

沉积物的性质决定降解性能。因为排气口受损或气体“黏附”颗粒表面会影响底物或引起颗粒气浮，最终影响生物降解性。因此，添加剂诱导的沉积物对厌氧污泥生物群落有生物稳定性、杀菌性以及物性的影响。

厌氧污泥生物群落由发酵菌（水解和酸性细菌）和产甲烷古细菌组成。对2003—2004年和2009—2010年的厌氧污泥生物群落研究发现，各种细菌含量发生了变化，见图2。

图2 在最近6～8年时间内厌氧污泥群落的变化

厌氧污泥中产甲烷古细菌增加，正如水解细菌——多数细菌属于绿屈挠菌和噬纤维菌-屈挠杆菌群。水解菌的增加主要归因于绿屈挠菌，因为属于噬纤维菌-屈挠杆菌群的细菌含量变得更少。2003—2004年的研究没有考虑绿屈挠菌，因为在厌氧污泥回收时没有发现绿屈杆菌。由于丝状菌的含量高，所以绿屈挠菌促进污泥气浮形成。在此背景下，减少酸性菌的含量也同样引人注目，其酸性菌包括放线菌、厚壁菌和δ-变形菌。众所周知酸性高的水不利于颗粒形成。在造纸工业中通常单独使用水解和酸预处理以及降低酸性细菌含量可以认为是导致造纸废水酸化程度高的主因，这直接影响颗粒与细小污泥的形成。

2009—2010年的平均总细胞含量比2003—2004年高出6倍以上，而平均活细胞的含量降到37%（以前是80%）。这表明2009—2010年生物量的增长超出了反应器中死细胞的去除量。因此，活性细胞暴露于更高的污泥负荷中。随时间的推移，这种缓慢而无法确认的污泥负荷增加会导致不稳定的降解过程。所述情况表明，降解过程产生的大部分能量被生物量生产所消耗，从而沼气量降低。

相关影响/相互作用导致形成某种形式的厌氧污泥变性，如污泥气浮、污泥分解和细小污泥形成，其中包括过多的添加剂用量，尤其是聚合物，它是引起污泥气浮的一个常见原因。添加剂，特别是具有吸附性的和表面活性的物质，必须准确加入所需用量，以防止出现污泥变性和污泥气浮。

在造纸工业中使用的许多添加剂是带负电荷或正电荷的。厌氧污泥一般带负电荷，它会吸附带正电荷的聚合物，从而在整个表面逐渐形成一个沉积层。黏附气泡或排气口受损是否会导致颗粒/污泥气浮，主要取决于沉积物的性质、厚度、黏度和透气性。因此，从这个角度看，必须准确计量添加剂的用量。此外，由于大多数带阳离子电荷的添加剂对纤维具有亲和性，因此导致在厌氧处理阶段的入口处游离生物质组分发生凝聚，还会增加固体负荷（在循环水处理过程中去除数量不定的固体），并促进细小组分的形成。

酸预处理过程：造纸厂废水应该有一定的酸化程度，其范围是25%～40%。更高的酸化程度不利于颗粒的形成或保留。最近的研究显示在厌氧颗粒种群中酸化细菌的含量明显降低，这可能是由于颗粒稳定性发生改变。用于造纸工业的许多厌氧反应器（如单独的水解/酸预处理阶段和甲烷反应器）中的操作模式，可能有助于观察厌氧污泥群落的变化情况。

钙离子浓度：如钙离子质量浓度大于800 mg/L时会导致沉淀物溶解/降解，这是因为碳酸钙发生沉淀和反应器中生物质流失。为了实现或确保颗粒结构，最好确保钙离子质量浓度＜200～300 mg/L。

液压：对工厂系统的最近操作数据进行分析并与以往的研究进行对比得出结果：尽管COD降解率的增加但沼气产量有下降趋势。反应器中液压条件的改变可能使不稳定颗粒的张力增加，从而促进污泥变性。

1 添加剂对好氧和厌氧降解的影响

采用Zahn-Wellens试验DIN EN ISO 9888和PTS方法“关于厌氧污泥的研究”PTS-WA 003/97进行批次试验和半连续试验，研究添加剂对好氧和厌氧处理过程的影响。研究结果见表2。

表2 不同助剂对好氧与厌氧降解的影响

一般来说，如果添加剂按照设计使用并添加适量时，往往对好氧处理过程没有不良的影响，但发现主要影响好氧降解的是杀菌剂用量。与好氧处理过程不同的是，厌氧处理工艺中添加剂浓度对其有非常小的影响。然而各种添加剂促进或偶然发生颗粒气浮。观察到强烈的颗粒气浮与聚丙烯酰胺有关，但由污泥损失引起的运行故障也可能是由添加剂引起的，并且生产规模系统中添加剂只是轻微提高气浮效果。这往往伴有沼气的损失，因为沼气会黏附到气浮颗粒上。只有在高添加剂用量时，才可以检测出一个重要的但可逆的COD降解。

2 故障原因的分析流程与分析手段

废水处理厂中引起干扰的原因往往是未知的，这是因为：生物质基体的复杂结构分析困难，并且发生的运行故障具有时间滞后的特点且无规律，因此很难找到运行故障的原因。如果工厂操作者能调查到系统中所有的引起故障的相关因素，那么他们就很容易找出干扰的原因。图3是以示意图的形式显示废水处理厂中的干扰原因分析流程。

图3 废水处理厂干扰原因分析流程示意图

废水处理厂除去常用的试验方法外还有下述试验方法可以帮助分析并找到引起运行故障原因。这些试验方法及试验目的见表3。

表3 试验方法及试验目的

目前，已有许多有关采用光学显微镜对好氧污泥的絮状结构和好氧生物群落的微生物条件进行的研究，但对厌氧污泥的研究还仅限于生物体的识别；同时，也有采用先进的基因探针技术检测出形态上相似细菌的研究。但是，后者需要微生物方面的专业知识；并且其应用复杂而费时，不过，该技术可以为提高微生物成分的鉴定水平提供一种分析手段。

3 结论

即使造纸工业的生物废水处理技术已发展成熟并且工厂操作者也了解运行状况，但干扰的出现仍然是一个普遍的现象。如果工厂操作者知道更多关于处理过程中微小角色的重要性和作用，他们就可以迅速找到干扰原因并第一时间避免它们发生。

在废水处理较长时间内，微生物、化学和生物现象几乎每天都发生变化，改善和掌握更强大的分析技术如基因探针技术、微观研究、降解和活性试验等有助于故障的分析和及时排除。

（张金平编译）