不同pH值下 Fe3+对好氧活性污泥处理制浆中段废水的影响

王玥婷 兰善红

摘要：本课题以不加Fe3+的活性污泥作为对照，探讨了在Fe3+存在下，pH值对好氧活性污泥处理制浆中段废水的影响。研究表明，当pH值为65时，对照组和添加Fe3+的实验组的CODCr去除率分别达到77%和79%。当超出该pH值范围，对照组和实验组的CODCr去除效果均下降。Fe3+的存在提高了处理效果，特别是pH值明显偏离正常值，pH值为85和95时尤为明显。通过对脱氢酶浓度和污泥絮凝性能的研究结果表明，当pH值在55～75的范围时，两个指标都显示了污泥良好的性能，但在其他pH值条件下，污泥活性和絮凝性能均出现下降。与对照组相比，Fe3+的存在提高了污泥的活性和絮凝性能。

关键词：pH值；制浆中段废水；好氧活性污泥；Fe3+

中图分类号：X7035文献标识码：ADOI：1011980/jissn0254508X201803003

收稿日期：20171204（修改稿）

基金项目：广东省教育厅自然科学项目（2015KTSCX140）。

*通信作者：兰善红，博士，教授；主要从事水污染处理技术的研究。Effect of Fe3+ on Pulping Middlestage Effluent Treatment by

Aerobic Activated Sludge under Different pH ValuesWANG YuetingLAN Shanhong*

（School of Environment and Civil Engineering， Dongguan University of Technology， Dongguan， Guangdong Province，523808）

（*Email： llsshhh@163com）

Abstract：Effect of pH on treatment of pulping middlestage effluent（PMSE）by aerobic activated sludge in the presence of Fe3+ was studied， with sludge without Fe3+ as blank control COD removal efficiencies of experiment groups with and without Fe3+ achieved 77% and 79% respectively， when pH was 65， but the treatment effect decreased when pH value was out of this range The present of Fe3+enhanced the treatment effect， especially when pH deviated from the normal value， eg 85 and 95 The dehydrogenase concentration and the flocculation ability of the sludge were also studied The results showed that the two indicators in both groups were good when pH value in the range of 55～75， but deterioration occurred at other pH values Compared to the blank control， both the activity and flocculation ability of the sludge with Fe3+ were better.

Key words：pH valves； pulping middlestage effluent； aerobic activated sludge； Fe3+

好氧活性污泥工藝是处理工业废水的成熟工艺，但该工艺存在污泥膨胀问题，据前人研究这主要是因为溶解氧不足导致丝状菌过度生长[1]。另外，pH值也是好氧活性污泥系统正常运行的关键因素。

在好氧活性污泥脱氮过程，pH值低于60时，硝化过程受到抑制[2]。在除磷过程中，pH值需要保持在中性范围，偏酸或偏碱的条件均会导致处理效果变差[3]。有研究表明[4]，好氧活性污泥系统运行的合适pH值为中性，超出该范围会抑制微生物活性，从而进一步影响废水的处理效果。

pH值不仅影响微生物活性，而且影响污泥理化特性，如污泥沉降性能。Sürücü等人[5]研究表明，pH值范围在59～70时，污泥的可过滤性随pH值的增加而降低，即污泥的沉降性能下降。

当pH值超出正常范围时，好氧活性污泥系统的处理效果会下降，污泥性能下降，甚至会被洗脱出系统，但可通过各种因素的强化作用增加污泥抗冲击的能力。Lan等人[6]的研究表明，在活性污泥系统中加入磁粉及微氧条件下，污泥仍然保持了较高的活性和良好的理化特性，没有发生污泥膨胀现象。Jin等人[7]的研究表明，添加铁离子可提高污泥的可压缩性和沉降性能。本课题组在实验室成功驯化了用于制浆中段废水处理的好氧活性污泥[89]，基于此，进一步研究Fe3+存在下，pH值对好氧活性污泥处理制浆中段废水的影响。

1材料与方法

11材料

接种污泥为实验室中在pH值为72的条件下用制浆中段废水驯化了8个月的好氧活性污泥，CODCr去除率为78%，脱氢酶浓度为78 mg/L，胞外多聚物中PN/PS为35（PN/PS为蛋白质（PN）与多糖（PS）的比值，其值越大，越有利于污泥的颗粒化）。实验中所有的制浆中段废水取自山东省某木材制浆厂，经絮凝预处理后，CODCr浓度为750 mg/L。

12实验方法

将驯化污泥混合液等量地分装到不同锥形瓶中，并加入制浆中段废水，每个锥形瓶中加入30 mg/L Fe2（SO4）3，调节pH值分别为55、65、75、85、95。以不投加铁离子的污泥作为对照组。并以一天为一个周期，每个pH值条件下运行5天，测定每天CODCr去除情况，运行结束后，测定污泥理化特性的各种指标。

13分析方法

采用精密pH值试纸对溶液pH值进行测定。采用美国HACH公司生产的DR2700型便携式水质分析仪进行CODCr测定。采用TTC还原法测定脱氢酶浓度[10]。胞外多聚物中多糖（PS）含量采用苯酚硫酸法进行测定，蛋白质（PN）采用考马斯亮蓝法测定[11]。

2结果与讨论

21pH值对CODCr去除率的影响

pH值对CODCr去除率的影响如图1所示。

由图1可知，除pH值85和95的条件下，相比于对照组，实验组在实验运行的第一天时，CODCr去除率基本上都处于一个较低点，随后CODCr去除率随培养天数的增加基本呈现上升的趋势。然而当pH值为95时，在前三天实验组的CODCr去除率下降随后又逐步上升，对照组在前两天 CODCr去除率稍微增加然后下降，与pH值为65条件下的处理效果相比，CODCr去除率均不高。

在前5天运行结束后，对照组和实验组CODCr去除率在pH值55时分别为68%和72%，pH值65时分别为77%和79%，pH值75时分别为68%和72%，pH值85时分别为53%和62%，pH值95图1pH值对CODCr去除率的影响时分别为49%和58%。在整个实验期间，pH值65时，对照组和实验组CODCr去除率均为最高，保持在70%以上。

因此，在活性污泥系统运行正常的条件下，pH值的变化对微生物的活性至关重要，pH值基本上需维持在65～80之间。超出此范围会影响系统中微生物活性，进而影响系统处理效果。采用好氧活性污泥系统处理制浆中段废水，最适pH值范围在65～72之间，当pH值不在这一范围时，则处理效果下降。而pH值最佳条件也正好是活性污泥系统中大部分微生物生长和代谢所要求的，超出这个条件时，优势菌的生长和酶活性都会受到抑制，进而影响其代谢活动。

与pH值65相比，pH值55时的CODCr去除率有所下降。这可能与制浆中段废水中污染物特性有关。制浆中段废水中污染物主要是木素的降解产物或其衍生物，在弱酸性条件下，电离度弱，主要以分子形式存在[12]，生物毒性会增加，会对活性污泥系统中微生物形成抑制[13]，因此尽管在该pH值条件下，部分微生物包括利用酸的细菌生长和代谢活动并不会受到抑制[14]，CODCr去除率仍然出现下降的现象。当pH值85或95时，废水中污染物电离度增强，离子态物质增多，虽然毒性降低，但这些物质很难通过细胞膜进入细胞，因此导致CODCr去除率下降。更为重要的是，在偏碱性范围，大部分微生物生长代谢受到抑制，特别是pH值为95时，几乎所有的微生物都受到抑制，因此CODCr去除率明显下降。

与对照组相比，添加Fe3+后，在所实验的pH值范围，CODCr去除率均提高，但提高幅度差别很大。在pH值65时，对照组和实验组CODCr去除率差别不大，甚至在有些运行周期内是相等的。而在偏离范围不大时，如pH值55和75的条件下，两组CODCr去除率差距也不大，但当偏离正常pH值范围较大时，如pH值85和95的条件下，两组CODCr去除率差距明显。表明在非正常条件下，Fe3+可以提高系统的抗冲击能力。这主要是因为Fe3+对微生物生长和酶活性具有刺激作用，导致实验组中优势菌的量和活性均较对照组高。

在不同Fe3+投加量下和不同pH值条件下，处理制浆中段废水的好氧活性污泥系统运行5天，pH值变化对CODCr去除率的影响如图2所示。

图2不同Fe3+投加量下pH值变化对CODCr去除率的影响由图2可以看出，在pH值为65时，Fe3+投加量对CODCr去除率的影响不大，接近于对照组。表明当pH值处于所有微生物合适的生长代谢条件下，Fe3+的加入对废水处理效果没有明显的促进作用。而当pH值偏离合适范围时，Fe3+投加量对废水处理效果的影响较为明显，尤其是pH值为55、85和95时，当Fe3+投加量为5 mg/L時，CODCr去除率与对照组的情况接近，对体系抗pH冲击的能力改善不大。但当Fe3+增加至30 mg/L时，CODCr去除率比对照组明显增加，表明Fe3+投加量足够的情况下，可以明显提高活性污泥系统的抗pH值冲击能力。但Fe3+继续增加至60 mg/L时，系统仍然有较好的抗pH值冲击能力，但与投加量30 mg/L的情况相比相差不大。

22pH值对微生物活性的影响

微生物活性可以用脱氢酶浓度表示。在其他条件不变的前提下探讨不同pH值条件对活性污泥中微生物脱氢酶的影响如图3所示。

图3pH值对脱氢酶浓度的影响由图3可知，对照组和实验组的脱氢酶浓度随pH值升高均呈先升高后下降的趋势，在pH值65时达到最高值，分别为6242%和7839%。pH值在碱性范围（如85和95）时脱氢酶浓度要比酸性条件下（如55）低得多。结果表明，脱氢酶的抗酸性比抗碱性强，其活性最适pH值范围在中性附近，偏酸性或偏碱性都会抑制酶的活性[15]。

与对照组相比，实验组微生物的脱氢酶浓度在每个pH值条件下均高于对照组的。一方面Fe3+对微生物活性的促进作用使微生物对外界pH值的不利影响具备一定的抗冲击能力，提高参与微生物代谢活动的酶的活性[16]。另一方面Fe3+的加入可以缩短微生物生长曲线的延滞期，增加微生物生长速率，从而增加活性污泥中的微生物的量，使得脱氢酶浓度提高[17]。

在碱性条件下，特别是pH值95时，即使加入Fe3+的实验组，与中性条件相比，脱氢酶的浓度下降幅度也非常大，这是因为大部分Fe3+形成Fe（OH）3胶体或沉淀，削弱了Fe3+对酶的激活作用和对微生物生长的刺激作用。

23pH值對活性污泥絮凝性能的影响

在不同pH值下活性污泥中微生物胞外多聚物PN/PS的变化如图4所示。

图4pH值对PN/PS的影响由图4可知，对照组和实验组PN/PS值均随pH值升高先增加后减少，在pH值65时达到最大值，且酸性条件下值高于碱性条件。与对照组相比，在整个实验的pH值范围，实验组PN/PS值均要高。PN/PS这一比值表明活性污泥絮凝性的好坏，Xie等人[18]的研究表明，胞外多聚物中蛋白质的比例对细胞表面疏水性和污泥絮凝性能具有重要的影响。PN/PS值降低使细胞表面疏水性增加，污泥絮聚性能下降，沉降性能恶化，从而影响出水水质。

当pH值处于正常范围时，活性污泥中微生物生长及代谢活跃，分泌的胞外多聚物量和其组成（PN/PS）都在正常范围，污泥保持良好的絮凝性能和沉降性能[19]。当pH值超出正常范围时，微生物受到抑制，在极端条件下甚至死亡，微生物无法正常合成胞外多聚物，甚至已经形成的胞外多聚物被降解，即使合成胞外多聚物，其主要成分PN和PS的比例也会发生变化，导致污泥絮凝性能下降[20]。

Fe3+的加入对微生物生长起刺激作用，同时成为酶活性中心组分和新陈代谢途径的一环[21]，使得在不同pH值条件下正常生长代谢的优势菌较对照组高，合成正常的胞外多聚物数量多，胞外多聚物中能够保持正常PN/PS值。此外Fe3+本身就是一种絮凝剂，从而增强了污泥的可压缩性和絮凝性。

3结论

31当pH值为65时，实验组和对照组的CODCr去除率均达到最大值，脱氢酶浓度和污泥絮凝性能最高。当偏离正常pH值时，CODCr去除率下降。

32Fe3+的存在提高了制浆废水的处理效果，特别是pH值明显偏离正常值（pH值为85和95）时尤为明显。

33脱氢酶的抗酸性比抗碱性强，另外，Fe3+的存在提高了脱氢酶浓度即微生物活性。

34酸性条件下污泥沉降性能优于碱性条件。实验组PN/PS值均高于对照组，表明Fe3+的存在提高了污泥絮凝性能。

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