胡麗麗，趙秋燕

(安徽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院土木系，合肥 238079)

0 引言

目前，我國造紙工業(yè)廢水的排放量在各類工業(yè)廢水排放量中居首位，其主要污染源為COD和SS，對水體環(huán)境的影響最為嚴(yán)重[1]。因此，怎樣高效地處理造紙工業(yè)廢水，不僅僅是全國防治造紙工業(yè)廢水污染的關(guān)鍵問題，同時也是我國工業(yè)廢水能夠進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放的首要問題[2]。

針對造紙廢水組分復(fù)雜和高污染負(fù)荷等特點，采用復(fù)合式動態(tài)膜生物反應(yīng)器(Hybrid Dynamic Membrane Bioreactor， HDMBR)，投加適量的其他多孔、吸附性較好的物質(zhì)來提高污染物的去除效率以及改善混合液的性能，其機理與活性炭類似[3]。作為一種固體廢棄物，煤氣化渣大量堆放不僅占用土地，而且浪費資源，還會造成環(huán)境污染等。煤氣化渣作為氣流化生成的副產(chǎn)物，不僅具有細(xì)小多孔的構(gòu)造，而且有較大的比表面積，吸附能力較強[4]。因此，發(fā)掘煤氣化渣的新應(yīng)用已成為研究熱點。目前，由于未經(jīng)改性處理的煤氣化渣中含有大量的雜質(zhì)并且吸附能力有限，所以應(yīng)用煤氣化渣作為吸附劑處理造紙廢水的研究較少。本文采用磁性法對煤氣化渣進(jìn)行改性，去除其內(nèi)部所含的各種雜質(zhì)以及活性物質(zhì)，豐富其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強化其吸附效果。通過兩組平行的對比實驗，考察投加磁性煤氣化渣前后對HDMBR處理造紙廢水的污染物去除效能及混合液特性的影響，以期為煤氣化渣處理造紙廢水的后期工程實踐提供可靠依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1，兩組平行系統(tǒng)A、B均由高位進(jìn)水箱、水解酸化池和HDMBR組成，其中水解酸化池與HDMBR(內(nèi)部投加30%的懸浮填料)有效體積比為1∶1。膜組件的有效過濾面積為0.05 m2(膜基材采用300目的尼龍布)。HDMBR底部安裝曝氣軟管，通過空氣泵對系統(tǒng)進(jìn)行曝氣，通過轉(zhuǎn)子流量計將溶解氧控制在2～4 mg/L。水力停留時間設(shè)置為8 h，污泥齡采用20 d，污泥回流比為100%。

1.2 實驗廢水水質(zhì)及污泥特性

實驗用水為模擬造紙廢水：工業(yè)葡萄糖、木質(zhì)素、腐殖酸、硅藻土和微晶纖維素等提供碳源，NH4Cl提供氮源，KH2PO4提供磷源，NaHCO3為緩沖物質(zhì)，加入適量的微量元素。模擬造紙廢水的進(jìn)水水質(zhì)為：COD為1 000～1 200 mg/L，SS為60～80 mg/L，TN為30～50 mg/L，TP為4～5 mg/L，pH為7～8。

1.蠕動泵；2.彈性填料；3.攪拌裝置；4.懸浮填料；5.曝氣軟管；6.膜組件；7.轉(zhuǎn)子流量計；8.空氣泵圖1 實驗流程示意圖

接種污泥(取自合肥市某污水廠好氧生物污泥)經(jīng)過連續(xù)曝氣24 h后，活性污泥呈灰褐色、絮狀。SV30為20%左右，沉降性能良好。污泥質(zhì)量濃度MLSS在5 000 mg/L左右，并在顯微鏡下能觀察到微生物活性較高。

1.3 實驗方法

煤氣化渣來源于合肥某火力發(fā)電廠，主要成分與粉煤灰類似，含有Al2O3、CaO、Fe2O3、SiO2等。經(jīng)人工碾磨后過篩，取100 g原煤氣化渣與400 mL的10%HCl溶液混合均勻，緩慢倒入磁力加熱攪拌器中，進(jìn)行加熱攪拌2 h，除去部分雜質(zhì)。經(jīng)冷卻至室溫后，進(jìn)行水洗、過濾、烘干后即可得到酸化煤氣化渣。再取40 g酸化煤氣化渣加入800 mL的蒸餾水中，再加入10 g FeCl3?6H2O和65 g FeSO4?7H2O，混合攪拌均勻后，緩慢滴加物質(zhì)的量濃度為1 mol/L的 NaOH溶液作為沉淀劑，調(diào)節(jié)混合液pH值至12左右，攪拌0.5 h，然后將混合液抽濾、水洗至中性，置于真空70 ℃條件下干燥24 h，即得磁性煤氣化渣[5]。通過燒杯實驗確定了磁性煤氣化渣的最佳投加量為1.5 g/L。

將接種污泥分別倒入A、B兩個反應(yīng)器中，連續(xù)曝氣24 h后充分靜置，將上清液排出，加入適量人工配制的模擬造紙廢水。污泥馴化期間不斷加大污水負(fù)荷，待處理效果明顯提高后，如此循環(huán)運行，直到污泥質(zhì)量濃度達(dá)到預(yù)期值，反應(yīng)器進(jìn)入啟動階段。

1.4 分析項目與方法

COD、SS及SVI按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[6]進(jìn)行檢測；EPS通過甲醛-NaOH法提取后，其中多糖采用苯酚硫酸法測定，蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測定；污泥粒徑采用Malvernsizer 2000測定；黏度采用旋轉(zhuǎn)黏度計NDJ-8S測定；Zeta電位采用Zetasizer NS90測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 對COD及SS去除效能的影響

如圖2所示，反應(yīng)器A、B 對COD的平均去除率分別為93.61%、88.50%，這是因為磁性煤氣化渣具有較強的物理吸附和化學(xué)吸附能力，有效地將有機物、微生物和溶解氧吸附在一起，增加了微生物和有機物的接觸時間，并且微生物可附著在其孔洞內(nèi)部繼續(xù)降解被吸附的有機物，進(jìn)入其內(nèi)部的有機物有著與污泥齡(SRT)相當(dāng)?shù)臅r間與微生物共存，因此，能有更多的機會被降解[7]。反應(yīng)器A、B對SS的平均去除率分別為82.98%、76.76%。由于磁性煤氣化渣表面形成的孔洞和凹槽可為廢水中的微小懸浮物質(zhì)提供載體，還能夠吸附水中有機物，促使水中膠體脫穩(wěn)、增強絮凝的效果，進(jìn)而達(dá)到沉淀除濁的目的[8]，故磁性煤氣化渣還具備較好的助凝作用。

圖2 COD與SS去除效果對比

2.2 對粒徑分布變化的影響

生物膜的形成和污泥顆粒在膜表面的沉積均受到活性污泥粒徑大小的影響，并且微細(xì)污泥顆粒優(yōu)先附著在膜表面，使濾餅層致密化，導(dǎo)致膜通量下降[11]。因此，污泥混合液中粒徑小于10 μm 的污泥顆粒常被認(rèn)為對膜污染貢獻(xiàn)最大[12]。具有良好吸附和沉降性能的活性污泥多數(shù)是粒徑大且結(jié)構(gòu)緊密的。表1是運行期間A、B反應(yīng)器粒徑變化的對比。

由表1可見，運行期間，反應(yīng)器A、B中的污泥平均粒徑均呈增大趨勢。運行至35 d時，反應(yīng)器A中活性污泥的平均粒徑增加至152.71 μm，遠(yuǎn)大于反應(yīng)器B(107.1 μm)，并且反應(yīng)器A內(nèi)污泥粒徑小于10 μm 的體積百分比僅為1.75%，比反應(yīng)器B的少(3.78%)。因為磁性煤氣化渣較強的吸附作用，使反應(yīng)器中大量游離細(xì)菌、微生物絮體以及小粒徑的污泥顆粒吸附在其周圍而形成大顆粒的菌膠團，增加絮體的平均粒徑。此外，它還可以為廢水中微小絮體充當(dāng)載體的作用，降低混合液中<10 μm 的顆粒百分比[13]。

表1 運行期間污泥粒徑變化對比

2.3 對混合液Zeta電位及黏度的影響

Ramesh[14]等研究指出，微生物的基質(zhì)分解和內(nèi)源呼吸這兩個過程是產(chǎn)生EPS的主要來源。EPS含有腐殖質(zhì)、抗生素、蛋白質(zhì)、多糖和核酸等多種物質(zhì)，其中蛋白質(zhì)和多糖為主要成分。本文選取混合液黏度與Zeta 電位這兩個參數(shù)來考察其與混合液中的EPS含量的關(guān)系。

圖3為反應(yīng)器A、B中混合液Zeta電位、黏度隨EPS含量變化情況。A、B反應(yīng)器EPS (mg/gMLSS)分別從25.45、26.34增加到55.16、63.45；Zeta電位分別從-9.9 mV、-11.3 mV降低到-14.5 mv、-17.9 mv；黏度分別從1.089 mPa·s、1.162 mPa·s增加到1.267 mPa·s、1.613 mPa·s。從圖3可看出，Zeta電位與EPS含量呈負(fù)向相關(guān)(RA=0.795 2，RB=0.749 6)；黏度與EPS含量呈正向相關(guān)(RA=0.708 2，RB=0.75)，且相關(guān)性均較好。由于磁性煤氣化渣表面的正電性增大，掩蔽了活性基團而使混合液的負(fù)電性降低。水體中膠體和有機物均呈負(fù)電性，正電性磁性煤氣化渣可吸附有機物，減少EPS的沉積，故反應(yīng)器A中混合液Zeta電位降低速率及黏度增加速率均比反應(yīng)器B慢。

圖3 Zeta電位、黏度與EPS關(guān)系對比

2.4 對SVI值的影響

LB-EPS含量的增加不僅會減弱污泥顆粒之間的相互作用，還會使其構(gòu)成的污泥絮體對外力及環(huán)境的變化非常敏感、易于破碎，從而導(dǎo)致微小污泥顆粒含量增多。此外，當(dāng) LB-EPS含量增加時，還有可能增大污泥絮體表面的粗糙程度，使絮體壓縮性變差[15]。這些均會加大污泥絮體與水分離的難度，使污泥沉降速度變慢，導(dǎo)致SVI增大。

由圖4可知，兩組反應(yīng)器在運行過程中污泥容積指數(shù)SVI均隨LB-EPS含量的增加而遞增且線性相關(guān)性較好(RA=0.899 1，RB=0.881 2)。反應(yīng)器A、B的SVI分別從48.60 mL/g、49.80 mL/g增加到110.70 mL/g、148.50 mL/g，且反應(yīng)器A中的SVI值始終小于反應(yīng)器B。這是因為磁性煤氣化渣可為微生物生長提供載體并包裹在生物體內(nèi)，有效地減少絮體的破壞作用，使活性污泥更易于沉降[16]。由此可見，投加適量的磁性煤氣化渣可降低SVI值，改善活性污泥的沉降性。

圖4 SVI與LB-EPS關(guān)系對比

3 結(jié)語

煤氣化渣是一種多孔性物質(zhì)，具有廉價、易得、吸附性好等特點，但由于其吸附量有限，因此很少單獨用來處理工業(yè)廢水。經(jīng)化學(xué)共沉淀法制備的磁性煤氣化渣，鐵氧化物均勻地附著在煤氣化渣的表面，使得煤氣化渣上帶有磁性物質(zhì)，不僅豐富了其表面的孔隙結(jié)構(gòu)，且吸附性能也有所提高。

在HDMBR運行過程中，由于磁性煤氣化渣較強的吸附作用提高了系統(tǒng)對污染物的去除效率。反應(yīng)器A中粒徑小于10 μm的污泥顆粒體積百分比、Zeta電位降低速率、黏度及SVI增加速率均小于反應(yīng)器B。本文將磁性煤氣化渣與HDMBR技術(shù)結(jié)合，不僅提高了造紙廢水的處理效能，而且有效地改善了混合液特性，達(dá)到了以廢治廢的目的。