生物预酸化处理明胶废水对活性污泥减量化的作用

孔秀琴，高萌，周昌琴，陈　磊（兰州理工大学石油化工学院环境工程系，甘肃兰州730050）

生物预酸化处理明胶废水对活性污泥减量化的作用

孔秀琴，高萌，周昌琴，陈磊
（兰州理工大学石油化工学院环境工程系，甘肃兰州730050）

明胶废水具有高钙、高COD等特点而难于处理。通过对明胶废水进行生物预酸化处理，研究了活性污泥法处理明胶废水过程中COD去除率、MLSS、MLVSS以及无机灰分的变化。结果表明，经过生物预酸化处理后，明胶废水的pH由11.8降至7.4左右，COD由1 058mg/L降至671mg/L。后续活性污泥法处理过程中，与未进行生物预酸化处理相比，MLSS、MLVSS呈明显下降趋势，最终COD去除率达到90%；同时由于反应器维持在较低的pH下运行，避免了曝气生成CaCO3沉淀，污泥无机灰分减少。生物预酸化处理对污泥减量化有明显贡献。

明胶废水；活性污泥；预酸化；污泥减量化

近年来随着科技的发展，明胶行业已经发展成为我国具有支撑作用的行业之一。明胶被广泛地应用于医药、食品、纺织、化工、电子、造纸和印刷等30多个行业。但是，在明胶生产过程中产生的明胶废水具有高碱、高钙、高COD的特点〔1〕，处理困难，处理费用高〔2〕。利用活性污泥法对其进行处理会产生大量的含钙剩余污泥，增加了污泥处理的成本〔3〕。如何采用有效的手段降低明胶废水的高钙、高碱、高COD以及减少剩余污泥量是活性污泥法治理明胶生产废水迫切需要解决的问题。

废水的水解酸化处理工艺作为生物预处理技术在国内外已多有研究和应用〔4-6〕。一些小试研究表明，水解酸化工艺的效能大致有5点：（1）可提高废水的可生化性；（2）可去除少部分有机污染物；（3）可使后续的曝气量降低；（4）可降低污泥产率；（5）节能〔7〕。目前，水解酸化主要应用于食品厂废水、制药类废水、制浆类废水、染料类废水、城市垃圾渗透液〔8〕等的处理。

明胶是胶原的水解产物，是一种无脂肪的高蛋白质。明胶的成分中，蛋白质占85%～90%，油脂≤0.1%，灰分占0.5%~1.0%，其他为水分〔9〕。明胶废水的污染特性为高碱（pH＞11）、高钙（钙质量浓度为800~1 000mg/L）、高蛋白质（COD 1 000~2 000mg/L，总氮140~300mg/L）。实际上，明胶废水为几种溶液状态并存，包括乳浊液、胶体等，废水中污染物在碱性介质存在的条件下很难依靠自然沉降和澄清等方法去除。本研究探讨了生物预酸化对活性污泥法处理明胶废水的影响，以及对污泥减量化的效果，以期为工程实际中明胶废水的治理提供参考。

1　实验材料与方法

1.1实验用水和活性污泥

实验用明胶废水取自某明胶公司，其Ca2+质量浓度为2 100~2 500mg/L，COD为900~1 200mg/L，pH为11~12。活性污泥取自兰州市安宁-七里河污水处理厂曝气池。

1.2实验装置及流程

实验采用模拟SBR（序批式反应器）装置，有效容积为1 L。反应器中活性污泥体积为200mL，在室温条件下进行曝气反应。实验的1个周期为24 h，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22 h。由于要根据泥量变化来判断污泥减量化效果，因此反应器在运行过程中不排泥。实验流程示意如图1所示。

图1　实验流程示意

1.3实验方法

设置2个有效体积为1 L的SBR，1﹟SBR进水为用HCl溶液调节pH=7.4左右〔10〕的明胶废水，2﹟SBR进水为通过摇床在30℃条件下厌氧震荡48 h调节pH=7.4左右〔11〕的明胶废水。因为明胶废水的高钙、高COD特点，实验前期需要对活性污泥进行适应性驯化。采用稀释法逐步增加明胶废水的比例，6个周期后COD去除率达到70%左右，可认为驯化成功。从第7周期开始使用原始明胶废水进行实验。实验过程中，考察生物预酸化处理的效果，监测2个反应器的出水pH、MLSS、MLVSS、无机灰分及COD去除率等参数指标的变化情况，比较生物预酸化和直接加酸调节对后续活性污泥反应过程的影响。

1.4测定方法

Ca2+浓度采用标准EDTA滴定法测定；COD采用标准重铬酸钾法测定；pH采用精密pH计测量；MLVSS、MLSS采用重量法测定。

2　结果与讨论

2.1生物预酸化处理效果

通过生物预酸化处理后，2﹟SBR进水COD和pH与原始明胶废水相比，发生了很大的变化，如表1所示。

表1　2﹟SBR进水生物预酸化处理过程中COD、pH随时间的变化

由表1可知，经过48 h的生物预酸化处理，2﹟SBR进水COD明显下降，由1 065.3mg/L下降至663.7mg/L，COD去除率达到37.7%；同时，pH由11.82下降至7.43。

一般来说，厌氧酸化工艺作为后续好氧或厌氧生物处理的预处理，不仅可为后续生化工艺提供易于生化处理的有机物，而且可以高效地去除悬浮性固体，使溶解的COD比例增大，使废水可生化性提高，但本实验中，预酸化过程中有37.7%的COD去除率，此过程机理需要进一步探讨。

2.2SBR中COD去除率的变化情况

活性污泥处理过程中，1﹟、2﹟SBR COD去除率的变化情况如图2所示。

图2　1﹟、2﹟SBRCOD去除率的变化情况

由图2可知，前6个周期2个反应器的COD去除率波动均较大，这是因为明胶废水的COD和Ca2+含量均较高，前6个周期属于梯度驯化阶段。从第7个周期开始，2个反应器的COD去除率开始保持平稳，其中2﹟SBR的COD去除率明显高于1﹟SBR，并且在第15周期和第19周期COD去除率分别达到了90.4%、90.5%。这主要是因为2﹟SBR经过生物预酸化处理后，COD含量有所下降（见表1），同时产生了易降解的可溶性有机物质，使得COD去除效果更佳。

2.3SBR中MLSS、MLVSS的变化情况

活性污泥处理过程中，1﹟、2﹟SBRMLSS、MLVSS的变化情况分别如图3、图4所示。

图3　1﹟、2﹟SBRMLSS的变化情况

由图3可知，前6个周期，2个反应器的MLSS随时间的增加而减少，其原因一方面是由于1至6周期进行梯度驯化，进水COD较低；另一方面是由于驯化过程中Ca2+的加入对污泥活性产生了抑制作用。从第7周期开始至第19周期，进水完全为明胶废水，1﹟SBR的MLSS基本稳定在2500~3200mg/L，而2﹟SBR的MLSS仍然呈现明显的下降趋势，污泥不断衰减。整个反应过程中，与1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLSS减量率提高了49.3%，这主要是因为经生物预酸化处理的明胶废水COD含量降低，使得活性污泥微生物反应期间处于内源呼吸期，衰亡速率大于增殖速率，导致污泥衰减。

图4　1﹟、2﹟SBRMLVSS的变化情况

由图4可知，随着时间的增加，1﹟SBR的MLVSS先下降，到达第7周期后基本稳定在1 200~1 400 mg/L，2﹟SBR的MLVSS却持续下降。整个反应过程中，与1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLVSS减量率提高了46.6%，这也进一步证明了内源呼吸使微生物衰亡的事实。由于要和1﹟SBR同步比较，反应过程中并未降低曝气反应时间以适应生物酸化后较小的进水COD，使得微生物长期处于延时的内源呼吸期，导致污泥MLVSS持续下降。实际工程中为了保持污泥浓度稳定，阻止其持续下降，可调整周期反应时间和进水COD浓度相适应，维持较低水平下稳定的食微比（F/M）。

虽然2﹟SBR的MLSS、MLVSS在7至19周期随时间的增加大幅度降低，但其COD去除率仍然较好，基本保持在75%以上，优于1﹟SBR，说明经生物预酸化处理的明胶废水可在较低的活性污泥浓度下达到较好的COD去除效果。

2.4SBR中无机灰分的变化情况

1﹟、2﹟SBR无机灰分、出水pH的变化情况分别如图5、图6所示。

由图5可知，2个反应器前8个周期无机灰分的变化情况基本相同，至第10周期开始，随着时间的增加，1﹟SBR的无机灰分呈上升趋势，2﹟SBR的无机灰分则呈下降的趋势。整个反应过程中，与1﹟SBR相比，2﹟SBR的无机灰分减量率提高了58.2%。虽然2个反应器进水pH基本相同，均为7.4左右，但由图6可以看出，2个反应器的出水pH却有差别。和盐酸调节pH的1﹟SBR进水相比，由于生物酸化作用，2﹟SBR进水中挥发性有机酸物质增多，其进入反应器后，可能有利于活性污泥缓冲作用〔11〕的叠加，使得2﹟SBR出水pH在10至19周期维持在6.45～6.95，均低于1﹟SBR。由于长期在较低的pH环境下运行，有效抑制了钙盐的析出，这是2﹟SBR无机灰分明显低于1﹟SBR的主要原因。其次，由于2﹟SBR进水经生物预酸化处理后碳源COD含量低，内源呼吸使得活性污泥微生物量逐渐减少，导致微生物呼吸作用产生相对较少的CO2，这也减少了CaCO3的析出，最终使2﹟SBR的无机灰分低于1﹟SBR并逐渐下降，达到了污泥减量化的目的。

图5　1﹟、2﹟SBR无机灰分的变化情况

图6　1﹟、2﹟SBR出水pH的变化情况

3　结论

（1）实验结果表明，明胶废水经生物预酸化处理后，COD由1 065.3mg/L降至663.7mg/L，COD去除率达到37.7%，对后续活性污泥处理明胶废水COD有较大贡献，最终COD去除率达到90%。与盐酸调节废水pH的1﹟SBR相比，COD去除率平均提高了14.02%。

（2）经生物预酸化处理后，2﹟SBR进水pH由11.8降低至7.4左右，并且活性污泥处理过程中也能维持6.45～6.95这样较低的pH条件，使得钙质析出受到抑制。同时由于进水COD较低，使得活性污泥反应器中的微生物处于内源呼吸期，污泥衰减作用增强。与1﹟SBR相比，2﹟SBR的MLSS减量率提高了49.3%，MLVSS减量率提高了46.6%，无机灰分减量率提高了58.2%。尽管如此，其污泥活性仍然很好，COD去除率达到90%。生物预酸化可达到较好的污泥减量化效果。

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Effectof the biologicalpre-acidification treatm entofgelatin wastewateron activated sludge reduction

Kong Xiuqin，GaoMeng，Zhou Changqin，Chen Lei
（Departmentof EnvironmentalEngineering，Collegeof PetrochemicalEngineering，Lanzhou University ofScience&Technology，Lanzhou 730050，China）

Since gelatin wastewater is characterized by high calcium，high COD，etc.，it is difficult to be treated. Through biological pre-acidification treatmentofgelatin wastewater，in the process of using activated sludgemethod for treatinggelatinwastewater，the changes in COD removing rate，MLSS，MLVSSand inorganic ash have been studied.The results show thatafter having been treated by biological pre-acidification，the pH of gelatin wastewater reduces from 11.8 to 7.4，and COD reduces from 1 058 mg/L to 671 mg/L.In the process of subsequent activated sludge treatment，compared with non-biological pre-acidification treatment，MLSS and MLVSS show an obviously downward trend.The final COD removing rate can reach 90%.In addition，since the reactor runs under a lower pH condition，the phenomena that the aeration produces CaCO3precipitation can be avoided，and the sludge inorganic ash reduces.Thebiologicalpre-acidification treatmenthave remarkable contribution to sludge reduction.

gelatin wastewater；activated sludge；pre-acidification；sludge reduction

X703

A

1005-829X（2016）10-0036-04

国家自然科学基金项目（51268034）

孔秀琴（1967—），教授。E-mail：xqkong2@126.com。

2016-06-24（修改稿）