廢水處理廠的“黑匣子”研究

黑匣子是飛機(jī)飛行狀況的“記錄者”，它為空難原因的分析提供了重要信息。如果廢水處理廠也有這樣一種“黑匣子”，廢水處理廠的操作人員就可以根據(jù)“黑匣子”記錄的運(yùn)行狀況采取相應(yīng)的安全措施，以避免同樣事故的發(fā)生。該文對(duì)廢水處理廠的"黑匣子"作了研究和探討。

造紙工業(yè)廢水的生物處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，并且工廠操作者對(duì)其操作系統(tǒng)也有一定的了解。但在許多情況下，他們對(duì)一些“微小角色（tiny profagonists）”的重要性和作用還不夠了解，而了解并掌握這些微小角色的知識(shí)可以幫助他們快速又直接地找到引起廢水處理運(yùn)行異常的原因。

2010年，德國(guó)紙漿和造紙協(xié)會(huì)（VDP）調(diào)查廢水處理中所存在的問題時(shí)發(fā)現(xiàn)：COD、BOD5達(dá)標(biāo)與運(yùn)行溫度的控制很難；固含量損失引起的干擾往往是由污泥變性引起的，而污泥變性在好氧和厭氧處理階段都會(huì)發(fā)生，尤其在廢水處理的好氧階段。因?yàn)楹醚蹼A段會(huì)發(fā)生污泥膨脹與氣浮、較大的絮體分解產(chǎn)生細(xì)小污泥/微絮體和泡沫等現(xiàn)象，這是引起厭氧污泥變性與固含量損失的主要原因。造紙中使用的添加劑影響生物處理階段中生物質(zhì)的滅菌性、穩(wěn)定性和物理效應(yīng)。通常用BOD5/COD評(píng)價(jià)生物降解性，為生物廢水處理廠中添加劑的降解性提供信息。在某些情況下，紙漿和紙張生產(chǎn)中使用一些低生物降解性（BOD5/COD<0.2）的添加劑，如濕強(qiáng)劑、熒光增白劑、染料和助留劑等。這些添加劑在生化處理階段中幾乎是不活潑的，從而有利于處理最后出水段難降解的COD。

近年來，生物廢水處理階段（好氧和厭氧處理）出現(xiàn)了大量污泥變性，添加劑如助留劑和絮凝劑的物理性質(zhì)是一個(gè)重要的影響因素，因?yàn)樗鼘?duì)生物污泥有吸附傾向。

通常不具有即時(shí)而強(qiáng)力殺菌效果的添加劑一般不會(huì)影響生物廢水處理，除非有其他進(jìn)一步因素作用時(shí)才會(huì)有影響。經(jīng)驗(yàn)顯示，由污泥變性引起的運(yùn)行故障通常是由工藝參數(shù)、廢水性質(zhì)和操作條件共同作用的結(jié)果。

在好氧廢水處理廠中由污泥變性引起的運(yùn)行故障主要是產(chǎn)生一些眾所周知的污泥膨脹、氣浮或細(xì)小污泥等現(xiàn)象。表1顯示了好氧污泥變性的形式與它們的起因。

表1 好氧污泥變性的形式與它們的起因

表1顯示，生物殺菌劑或表面活性添加劑可引起或促進(jìn)污泥變性。只有下列條件都滿足時(shí)才會(huì)引起污泥氣浮，然而僅一個(gè)因素就會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹和細(xì)小污泥現(xiàn)象。

到目前為止，廢水厭氧處理中幾乎沒有使用“污泥變性”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，但在這里它似乎可以被使用，因?yàn)槟壳俺霈F(xiàn)污泥氣浮、顆粒分解和細(xì)小污泥現(xiàn)象與好氧處理階段發(fā)生的情況非常相似。

在最近幾年，沉積形成厭氧污泥顆粒已越來越頻繁地發(fā)生。其原因是多方面的，從生物煤泥生產(chǎn)（EPS）到添加劑的吸附或凝集污泥絮體的黏附。在造紙廢水厭氧處理廠中，大多數(shù)顆粒相互包裹形成沉積物（呈薄膜狀、塊狀和云斑狀，質(zhì)地柔軟黏稠），見圖1。

沉積物的性質(zhì)決定降解性能。因?yàn)榕艢饪谑軗p或氣體“黏附”顆粒表面會(huì)影響底物或引起顆粒氣浮，最終影響生物降解性。因此，添加劑誘導(dǎo)的沉積物對(duì)厭氧污泥生物群落有生物穩(wěn)定性、殺菌性以及物性的影響。

厭氧污泥生物群落由發(fā)酵菌（水解和酸性細(xì)菌）和產(chǎn)甲烷古細(xì)菌組成。對(duì)2003—2004年和2009—2010年的厭氧污泥生物群落研究發(fā)現(xiàn)，各種細(xì)菌含量發(fā)生了變化，見圖2。

圖2 在最近6～8年時(shí)間內(nèi)厭氧污泥群落的變化

厭氧污泥中產(chǎn)甲烷古細(xì)菌增加，正如水解細(xì)菌——多數(shù)細(xì)菌屬于綠屈撓菌和噬纖維菌-屈撓桿菌群。水解菌的增加主要?dú)w因于綠屈撓菌，因?yàn)閷儆谑衫w維菌-屈撓桿菌群的細(xì)菌含量變得更少。2003—2004年的研究沒有考慮綠屈撓菌，因?yàn)樵趨捬跷勰嗷厥諘r(shí)沒有發(fā)現(xiàn)綠屈桿菌。由于絲狀菌的含量高，所以綠屈撓菌促進(jìn)污泥氣浮形成。在此背景下，減少酸性菌的含量也同樣引人注目，其酸性菌包括放線菌、厚壁菌和δ-變形菌。眾所周知酸性高的水不利于顆粒形成。在造紙工業(yè)中通常單獨(dú)使用水解和酸預(yù)處理以及降低酸性細(xì)菌含量可以認(rèn)為是導(dǎo)致造紙廢水酸化程度高的主因，這直接影響顆粒與細(xì)小污泥的形成。

2009—2010年的平均總細(xì)胞含量比2003—2004年高出6倍以上，而平均活細(xì)胞的含量降到37%（以前是80%）。這表明2009—2010年生物量的增長(zhǎng)超出了反應(yīng)器中死細(xì)胞的去除量。因此，活性細(xì)胞暴露于更高的污泥負(fù)荷中。隨時(shí)間的推移，這種緩慢而無法確認(rèn)的污泥負(fù)荷增加會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的降解過程。所述情況表明，降解過程產(chǎn)生的大部分能量被生物量生產(chǎn)所消耗，從而沼氣量降低。

相關(guān)影響/相互作用導(dǎo)致形成某種形式的厭氧污泥變性，如污泥氣浮、污泥分解和細(xì)小污泥形成，其中包括過多的添加劑用量，尤其是聚合物，它是引起污泥氣浮的一個(gè)常見原因。添加劑，特別是具有吸附性的和表面活性的物質(zhì)，必須準(zhǔn)確加入所需用量，以防止出現(xiàn)污泥變性和污泥氣浮。

在造紙工業(yè)中使用的許多添加劑是帶負(fù)電荷或正電荷的。厭氧污泥一般帶負(fù)電荷，它會(huì)吸附帶正電荷的聚合物，從而在整個(gè)表面逐漸形成一個(gè)沉積層。黏附氣泡或排氣口受損是否會(huì)導(dǎo)致顆粒/污泥氣浮，主要取決于沉積物的性質(zhì)、厚度、黏度和透氣性。因此，從這個(gè)角度看，必須準(zhǔn)確計(jì)量添加劑的用量。此外，由于大多數(shù)帶陽(yáng)離子電荷的添加劑對(duì)纖維具有親和性，因此導(dǎo)致在厭氧處理階段的入口處游離生物質(zhì)組分發(fā)生凝聚，還會(huì)增加固體負(fù)荷（在循環(huán)水處理過程中去除數(shù)量不定的固體），并促進(jìn)細(xì)小組分的形成。

酸預(yù)處理過程：造紙廠廢水應(yīng)該有一定的酸化程度，其范圍是25%～40%。更高的酸化程度不利于顆粒的形成或保留。最近的研究顯示在厭氧顆粒種群中酸化細(xì)菌的含量明顯降低，這可能是由于顆粒穩(wěn)定性發(fā)生改變。用于造紙工業(yè)的許多厭氧反應(yīng)器（如單獨(dú)的水解/酸預(yù)處理階段和甲烷反應(yīng)器）中的操作模式，可能有助于觀察厭氧污泥群落的變化情況。

鈣離子濃度：如鈣離子質(zhì)量濃度大于800 mg/L時(shí)會(huì)導(dǎo)致沉淀物溶解/降解，這是因?yàn)樘妓徕}發(fā)生沉淀和反應(yīng)器中生物質(zhì)流失。為了實(shí)現(xiàn)或確保顆粒結(jié)構(gòu)，最好確保鈣離子質(zhì)量濃度＜200～300 mg/L。

液壓：對(duì)工廠系統(tǒng)的最近操作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并與以往的研究進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)果：盡管COD降解率的增加但沼氣產(chǎn)量有下降趨勢(shì)。反應(yīng)器中液壓條件的改變可能使不穩(wěn)定顆粒的張力增加，從而促進(jìn)污泥變性。

1 添加劑對(duì)好氧和厭氧降解的影響

采用Zahn-Wellens試驗(yàn)DIN EN ISO 9888和PTS方法“關(guān)于厭氧污泥的研究”PTS-WA 003/97進(jìn)行批次試驗(yàn)和半連續(xù)試驗(yàn)，研究添加劑對(duì)好氧和厭氧處理過程的影響。研究結(jié)果見表2。

表2 不同助劑對(duì)好氧與厭氧降解的影響

一般來說，如果添加劑按照設(shè)計(jì)使用并添加適量時(shí)，往往對(duì)好氧處理過程沒有不良的影響，但發(fā)現(xiàn)主要影響好氧降解的是殺菌劑用量。與好氧處理過程不同的是，厭氧處理工藝中添加劑濃度對(duì)其有非常小的影響。然而各種添加劑促進(jìn)或偶然發(fā)生顆粒氣浮。觀察到強(qiáng)烈的顆粒氣浮與聚丙烯酰胺有關(guān)，但由污泥損失引起的運(yùn)行故障也可能是由添加劑引起的，并且生產(chǎn)規(guī)模系統(tǒng)中添加劑只是輕微提高氣浮效果。這往往伴有沼氣的損失，因?yàn)檎託鈺?huì)黏附到氣浮顆粒上。只有在高添加劑用量時(shí)，才可以檢測(cè)出一個(gè)重要的但可逆的COD降解。

2 故障原因的分析流程與分析手段

廢水處理廠中引起干擾的原因往往是未知的，這是因?yàn)椋荷镔|(zhì)基體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析困難，并且發(fā)生的運(yùn)行故障具有時(shí)間滯后的特點(diǎn)且無規(guī)律，因此很難找到運(yùn)行故障的原因。如果工廠操作者能調(diào)查到系統(tǒng)中所有的引起故障的相關(guān)因素，那么他們就很容易找出干擾的原因。圖3是以示意圖的形式顯示廢水處理廠中的干擾原因分析流程。

圖3 廢水處理廠干擾原因分析流程示意圖

廢水處理廠除去常用的試驗(yàn)方法外還有下述試驗(yàn)方法可以幫助分析并找到引起運(yùn)行故障原因。這些試驗(yàn)方法及試驗(yàn)?zāi)康囊姳?。

表3 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)?zāi)康?/p>

目前，已有許多有關(guān)采用光學(xué)顯微鏡對(duì)好氧污泥的絮狀結(jié)構(gòu)和好氧生物群落的微生物條件進(jìn)行的研究，但對(duì)厭氧污泥的研究還僅限于生物體的識(shí)別；同時(shí)，也有采用先進(jìn)的基因探針技術(shù)檢測(cè)出形態(tài)上相似細(xì)菌的研究。但是，后者需要微生物方面的專業(yè)知識(shí)；并且其應(yīng)用復(fù)雜而費(fèi)時(shí)，不過，該技術(shù)可以為提高微生物成分的鑒定水平提供一種分析手段。

3 結(jié)論

即使造紙工業(yè)的生物廢水處理技術(shù)已發(fā)展成熟并且工廠操作者也了解運(yùn)行狀況，但干擾的出現(xiàn)仍然是一個(gè)普遍的現(xiàn)象。如果工廠操作者知道更多關(guān)于處理過程中微小角色的重要性和作用，他們就可以迅速找到干擾原因并第一時(shí)間避免它們發(fā)生。

在廢水處理較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，微生物、化學(xué)和生物現(xiàn)象幾乎每天都發(fā)生變化，改善和掌握更強(qiáng)大的分析技術(shù)如基因探針技術(shù)、微觀研究、降解和活性試驗(yàn)等有助于故障的分析和及時(shí)排除。

（張金平編譯）