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光合细菌及活性污泥法联用工艺处理明胶废水试验 * 孔秀琴 1 石小锋 1 任瑞芳 1 赵峰 1 邢新会 2 1. 兰州理工大学石油化工学院， 兰州 730050;2. 清华大学化工系生物化工研究所， 北京 100084 摘要 研究了光合细菌 photo-synthetic bacteria， 简称 PSB 及活性污泥法联用工艺处理明胶生产过程中产生的高浓度 有机废水的可行性。经过光合细菌及活性污泥先后次序的变换， 得出了最优处理工艺。结果表明 “PSB 活性污泥” 工艺 、 “活性污泥 PSB” 工艺 COD 去除率平均值分别为 94. 7 和 96. 0; “活性污泥 PSB” 工艺有较强的去除钙质 和耐冲击负荷的能力， 该工艺适合处理此种含高钙、 高氯、 高碱明胶的废水。 关键词 明胶废水; 光合细菌; 活性污泥; 联用工艺 EXPERIMENTAL RESEARCH ON TREATING GELATIN WASTEWATER BY THE JOINT PROCESS OF PHOTOSYNTHETIC BACTERIA AND ACTIVATED SLUDGE Kong Xiuqin1Shi Xiaofeng1Ren Ruifang1Zhao Feng1Xing Xinhui2 1. College of Petrochemical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China; 2. Institute of Biochemical Engineering of Chemical Engineering，Tsinghua Univesity，Beijing 100084，China AbstractIt was researched the feasibility of the joint process of photosynthetic bacteria PSBand activated sludge to treat high concentration organic wastewater produced by gelatin production process. The optimal process was obtained through exchanging the successive sequence of photosynthetic bacteria and the activated sludge. The results showed that the average COD removal rate of PSB activated sludge process and activated sludge PSB were 94. 7 and 96. 0 respectively;The activated sludge PSB process showed higher removal rate of calcium and stronger resistance to shock loading. The process is suitable for treating the high Ca2 ，high Cl － and high alkali gelatin wastewater. Keywordsgelatin wastewater;photosynthetic bacteria;activated sludge; joint process * 国家 863 计划项目 2007AA05Z261 。 明胶是一种从动物的骨、 生皮等组织的胶原中提 取出来的蛋白质， 其生产工艺主要包括选料、 脱脂、 浸 酸、 水洗中和、 浸灰、 水洗中和、 提胶几大工序。其中 浸酸废液主要含 Cl － 、 Ca2 、 PO3 － 4 、 Mg2 等离子和油 脂、 蛋白质、 核酸等有机质， Cl － 浓度高达 5 ， 浸酸废 液经回收磷酸氢钙之后外排。浸灰产生的废灰乳中 主要成分除 Ca OH 2外， 还含有蛋白质、 氨基酸、 N、 P 等， pH 11。明胶废水具有高钙、 高碱、 高氯、 高蛋 白质的特性， 治理难度大， 处理费用高。其处理多采 用先混凝再活性污泥法处理 ［ 1- 3］。光合细菌 photo- synthetic bacteria， 简称 PSB 广泛分布于天然土壤、 水 体和淤泥中， 是一种可直接处理高浓度有机废水， 以 氨基酸、 小分子脂肪酸、 糖、 蛋白质为营养物质的光能 异养菌， 而且能耐受高氯离子浓度。光合细菌处理有 机废水， 具有占地少、 投资小、 能耗低、 设备简单、 可直 接处理高浓度有机废水、 不造成二次污染等优点 ［ 3］。 光合细菌耐盐和高有机负荷， 对明胶废水的处理有其 潜在的能力， 但 PSB 的细胞自然沉降困难而且最终 出水 BOD 值尚不达标， 还需用活性污泥法作进一步 处理 ［ 4］。有报道用 PSB 与异养菌混合菌群降解有机 废水， 如利用 PSB 和好氧菌在炭渣填料上挂膜降解 试验显示， 以 PSB 为主的混合菌群在乳制品废水中 有很强的适应性 ［ 5］; 也有利用柱式生物膜法成功处 理淀粉废水的报道 ［ 6- 7］。但尚未见 PSB 法和活性污 泥法组合工艺处理含高浓度、 高氯、 高钙有机废水的 报道。 本研究采用光合细菌和活性污泥联合工艺处理 明胶生产废水， 通过改变处理单元的次序， 探索稳定 有效的最优处理工艺。 93 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 1试验部分 1. 1光合细菌 PSB 菌种 原光合细菌为美添佳生物技术 北京 有限公司 的光合细菌复合 EM 原液。经分离纯化培养后， 按照 伯杰氏细菌鉴定手册 第 8 版第 1 部分光合细菌对 比鉴定， 认定该光合细菌以假单孢红螺菌科、 紫色非 硫细菌为主。 试验用光合细菌为利用红螺菌科培养基对原光 合细菌 ［ 8］， 进行富集扩大培养 7 d 后的菌液， 菌体含 量约为 1. 8 109个 /mL。 1. 2废水来源 废水取自某明胶公司废水， 活性污泥取自兰州石 油化工有限公司污水处理厂污泥回流管路中的成熟 活性污泥。 1. 3主要工艺流程 工艺流程分 2 种， 分别为 “PSB 活性污泥” 工艺 及 “活性污泥 PSB” 工艺， 其流程分别见图 1、 图 2。 图 1 PSB 活性污泥工艺流程 图 2活性污泥 PSB 工艺流程 1. 4试验装置及工艺说明 设 4 个相同的反应器， 其中 2 个为活性污泥反应 器;2 个为 PSB 反应器， 在其中投加 PSB 菌种， 设置 膜填料， 分别组合成“活性污泥 PSB” 和“PSB 活 性污泥” 两种工艺进行同步试验。 主体 PSB 反应器， 经过长期摸索提供了下列条 件 1 适宜的温度 PSB 反应器均放置在水浴箱中， 控 制温度为 28 ℃ ， 以便供给光合细菌良好的生长和反 应条件， 进而促使酶发挥最大优势。2 因为经脱脂 处理后的动物毛刷作为挂膜填料可以提高光合细菌 的附着度 ［ 10- 11］， 为了加强处理效果， 在光合细菌反应 器中设置了动物毛刷固定填料以实现光合细菌的固 定化， 经研究表明， 光合细菌的固定化可以省去流程 中的光合细菌回流培养槽， 只需定期向系统中投加优 势菌种即可， 而且可有效提高光合细菌的浓度， 加快 在高负荷条件下有机物的降解速率。3 昼夜采取不 同程度的光照条件。由于光合细菌具有趋光性， 提供 光照有利于保持光合细菌的优势， 在尽可能节能的条 件下， 白天自然光照， 夜间采用日光灯， 光强3 000 lx 左右。4 PSB 膜间歇反应器内采用微好氧曝气。厌 氧酸化处理高浓度明胶废水时， 因明胶废水中含有来 自牛骨中的硫， 硫酸盐还原菌会将其转化为硫化物， 在后续光合细菌处理过程中会产生“黑膜” 现象 为 CaS 沉淀 。所以 PSB 反应器内采用微曝气处理， 不 仅避免了这种现象， 而且通过好氧呼吸作用增强异养 菌对有机物的去除作用， 故本试验昼夜采用微好氧曝 气， 溶解氧均控制在 1. 5 ～ 2. 0 mg/L 左右。 1. 4. 1酸化预处理 由于光合细菌的营养物质主要是低分子有机酸、 氨基酸、 糖类等 ［ 12］， 而对大分子物质如淀粉、 多糖、 蛋 白质等利用速率较慢， 所以单独用光合细菌法处理有 机废水， 需先进行预酸化处理， 又称可溶化处理 ［ 13］。 其具体方法是浸酸废水和浸灰废水按体积比 2∶ 13 沉 淀掉大量钙质， 再将上清液用盐酸调至中性通入酸化 调节池， 投加酵母菌， 投加量为 0. 7 g/L 进行厌氧酸 化， 酸化时间 6 h。进入酸化池的废水水质见表 1。 表 1废水水质指标 ρ Ca2 / g L － 1 ρ Cl － / mg L － 1 ρ COD / mg L － 1 浊度 / NTU pH 2. 94 6601 090197. 5 1. 4. 2PSB 活性污泥工艺 酸化阶段出水调节 pH 值至 7. 5， 再进入光合细 菌 PSB 反应器中， 进行 12 h 的微好氧曝气， 溶解氧 控制在 1. 5 ～ 2. 0 mg/L 左右， 白天自然光照， 夜间采 用日光灯光照， 最后进入活性污泥反应器中继续处 理， 处理时间 6 h 后出水。 1. 4. 3活性污泥 PSB 工艺 酸化阶段出水调节 pH 值至 7. 5， 先进入活性污 泥反应器， 进行 6 h 的活性污泥处理后， 沉淀， 将上清 液通入 PSB 反应器， 白天自然光照， 夜间采用日光 灯， 昼夜采用微好氧曝气， 溶解氧均控制在 1. 5 ～ 2. 0 mg/L 左右， 12 h 后出水。 两种工艺处理周期均为 24 h， 各处理工艺水力停 留时间分别为 厌氧酸化阶段 6 h; 光合细菌处理阶段 04 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 12 h; 活性污泥处理阶段 6 h。 2试验结果及分析 2. 1COD 的去除 废水 酸 化 后 分 别 进 入“活 性 污 泥 PSB”和 “PSB 活性污泥” 两种工艺， 分别命名为 A 工艺和 B 工艺 下文同 ， 各进行 8 个周期的试验， 进水 COD 为 1 090 mg/L。两种工艺各个周期的出水 COD 及其去 除率见表 2。 表 2A、 B 两种工艺周期出水 COD 周期 / d A 工艺 PSB 活性污泥B 工艺 活性污泥 PSB ρ COD / mg L － 1 去除速率 / mg L － 1h－ 1 COD 去除 率 / ρ COD / mg L － 1 去除速率 / mg L － 1h－ 1 COD 去除 率 / 1104. 841. 190. 48142. 092. 6 272. 442. 493. 44443. 696. 0 352. 543. 295. 228. 344. 297. 4 45243. 395. 34443. 696. 0 57042. 593. 645. 343. 595. 9 63743. 996. 63743. 996. 6 73743. 996. 64243. 796. 2 83244. 197. 134. 444. 096. 9 平均值57. 243. 094. 744. 543. 696. 0 由表 2 可以看出， 除 A 工艺的第 1 个周期出水 COD 超出 100 mg/L 以外， 2 种工艺中出水 COD 平均 值分别为 57. 2， 44. 5 mg/L， COD 值最终稳定在 30 mg/L。说明 A、 B 工艺均已驯化成熟稳定。图 1 为 A、 B 两种工艺各个周期 COD 去除率的变化曲线。 图 3A、 B 工艺去除率随周期的变化 由表 2 可以看出， 在第 3 个周期， B 工艺出水 COD 很快达到最低， 为 28. 3 mg/L。由图 3 可以看 出， 此时 COD 去除率高， 为 97. 4 ， 而且去除速率在 整个周期内也非常迅速， 以 44. 2 mg/ L h 的速率使 COD 最低排放， 说明 B 工艺活性污泥耐受本水质， 在 随后的 PSB 膜反应器里， 由于微曝气产生碳酸钙沉 淀， 对生物膜的抑制作用减弱， 快速挂膜， 从而使光合 细菌充分发挥降解作用。 活性污泥反应器中的出水进入 PSB 反应器后， 出水中部分活性污泥微生物和 PSB 菌复合在一起， 可加强生化降解作用。方明成 ［ 14］等人认为混合菌株 对废水的降解效果优于单一菌株。 而 A 工艺出水 COD 在第 8 个周期 即 8d 后 才 达到最低， 去除速率才得以提高。A 工艺之所以去除 速率慢、 出水稳定周期长， 主要是因为 A 工艺的 PSB 反应器里， 大量的钙质削弱了光合细菌的正常挂膜， 钙质飘浮， 导致出水浑浊。 从整个周期来看， B 工艺不仅 COD 平均去除率 较 A 工艺高 1. 3 ， 而且 COD 平均去除速率也高出 0. 6 mg/ L h ， 同时驯化达到成熟稳定的周期短， 这 在相当程度上节约了动力消耗。所以 B 工艺的去除 效果优于 A 工艺。 2. 2钙质的去除 PSB 反应器膜填料可以沉积部分钙质， 活性污泥 也可去除相对多的钙含量。A、 B 工艺各单元在第 6、 7、 8 周期钙含量去除情况见表 3。 由表 3 知， A、 B 两种工艺 Ca2 活性污泥段去除 率明显高于 PSB 段。因为活性污泥耐冲击负荷， 可 以去除大量钙质。在活性污泥好氧曝气过程中， CO2 与混合水中的 Ca2 反应生成 CaCO3沉淀， 活性污泥 容纳了部分钙盐， 以剩余污泥的形式排出， 从而减少 了活性污泥反应器中钙离子对微生物活性的影响。 B 工 艺 置 活 性 污 泥 为 前 端，Ca2 被 去 除 最 高 达 18. 3 ， 为后续的光合细菌挂膜提供了便利条件。而 A 工艺中， 进水首先进入 PSB 反应器后， 大量的钙质 会沉积到毛刷填料上， 长时间后， 钙质所加重的负荷 将使填料坍塌。青海明胶现场正是采用了 A 工艺， 14 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 不到两年的生产时间， 沉积的钙盐导致了膜填料大面 积的崩塌， 致使 COD 出水严重超标， 水处理系统崩 溃。所以从钙质的去除来讲， 将活性污泥放在最前端 的 B 工艺优于 A 工艺。 表 3出水 Ca2 去除情况比较 周期 / d 进水 Ca2 含量/ g L － 1 A 工艺 PSB 段 A 工艺活性污泥段B 工艺活性污泥段 B 工艺 PSB 段 Ca2 含量 / g L － 1 Ca2 去除 率 / Ca2 含量 / g L － 1 Ca2 去除 率 / Ca2 含量 / g L － 1 Ca2 去除 率 / Ca2 含量 / g L － 1 Ca2 去除 率 / 62. 92. 6110. 02. 2613. 42. 4714. 82. 1712. 1 72. 92. 735. 82. 3812. 82. 4116. 92. 0514. 9 82. 92. 677. 92. 2416. 12. 3718. 32. 1210. 5 2. 3出水浊度 2 种工艺第 6、 7、 8 周期出水浊度见表 4。 表 4出水浊度比较 周期 / d 进水 浊度/NTU A 工艺 PSB 段 A 工艺活性污泥段B 工艺活性污泥段 B 工艺 PSB 段 浊度 /NTU去除率 / 浊度 /NTU去除率 / 浊度 /NTU去除率 / 浊度 /NTU去除率 / 62923. 419. 313. 132. 218. 336. 94. 177. 6 72919. 732. 114. 355. 416. 941. 73. 778. 1 82921. 221. 212. 852. 417. 539. 76. 364. 0 由表 4 可知， A、 B 两种工艺仅交换了 PSB 段和 活性污泥段两个单元， 但 PSB 段的出水浊度及其去 除率却大不相同。两种工艺活性污泥段出水都比较 浑浊， 是由于钙质细腻， 好氧曝气过程致使大量钙质 飘浮， 而且不容易沉降， B 工艺在活性污泥段后加 PSB 单元处理， PSB 反应器中的膜填料会沉积一部分 钙质， 故而出水清澈， 浊度最小达 3. 7 NTU， 其去除率 为 78 。可见， B 工艺出水浊度低， 水质较清澈。 综上所述， 2 种工艺 COD 去除率平均值分别为 96. 0 和 94. 7 ， B 工艺比 A 工艺 COD 去除率平均 值高 1. 3 ; 而且 B 工艺去除速率高， 在第 3 个周期 达 44. 2 mg/ L h ， 膜稳定时间短， 节约动力消耗; 去 除钙质 强， 浊度 低， 出 水 清 澈。所 以“活 性 污 泥 PSB” 工艺适合明胶废水的达标处理。 参考文献 ［1 ］ 黄发明. 化学混凝 － 气浮分离法处理明胶生产废水［J］ . 明胶 科学与技术， 1987， 7 3 187- 197. ［2 ］ Konishi，Kozo.Waste water treatment systems with triple-phase fluidized beds［J］ . PPM， 1992， 23 7 23- 29. ［3 ］ 刘如林. 光合细菌在有机废水处理中的应用［J］ . 环境科学， 1991， 12 2 63- 67. ［4 ］刘 如 林. 光 合 细 菌 及 其 应 用［M］ . 北 京 农 业 科 学 出 版 社，1992. ［5 ］ Li J S，Huang Y Z. Experimental study on the application of PSB in the wastewater treatment of diary Industry［J］ . Chin J Res En- viron Sci，1997， 10 3 17- 20. ［6 ］ 王宇新， 许平. 利用光合细菌柱式生物膜法处理淀粉废水［J］ . 环境科学，1993， 14 5 39- 42. ［7 ］ 王宇新， 刘春朝. 光合细菌处理淀粉废水的中试研究［J］ . 环境 科学，1995， 16 3 39- 40. ［8 ］ 钱学柔， 黄仪秀. 微生物学实验教程［M］ . 北京 北京大学出版 社， 2008. ［9 ］ 国家环保局水和废水监测分析方法 编委会. 水和废水监测 分析方法［M］ . 北京 中国环境科学出版社， 1989. ［ 10］ Hong Jinglan. Effects of photocatalysis on biological decolorization reactor and biological activity of isolated photosynthetic bacteria ［J］ . Journal of Bioscience and Bioengineering，2003，96 3 298- 303. ［ 11］ Wu Shubin， Liang Wenzhi.Purification of As-CMP effluent by combined photosynthrtic bacteria and coagulation treatment［J］ . Journal of Enviromental Sciences， 2000， 12 1 81- 85. ［ 12］ 朱核光， 史家樑， 徐亚同， 等. 光合细菌法处理酒槽废水的试验 研究［J］ . 上海环境科学， 1995 1 8- 10. ［ 13］ 韩相奎， 崔玉波， 王海东， 等. 有机废水酸化处理影响因素研究 ［J］ . 吉林建筑工程学院学报， 2003， 10 1 2- 3. ［ 14］ 方明成， 吴珊， 李桂枝， 等. 光合细菌处理制药废水可行性研究 ［J］ . 水利水电科技进展， 1998 10 36- 38. 作者通信处石小锋730050甘肃兰州市七里河区兰工坪 287 号 兰州理工大学 015 信箱 E- mailsxf-xgk 163. com 2009 － 07 － 29 收稿 24 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期