SBR法处理皂素废水的驯化实验

刘智峰，张 建，刘金生

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001；2.陕西省城固县振华生物科技有限责任公司，陕西 城固 723203）

皂素是一种具有独特生理活性的甾体类化合物，以它为原料可以合200余种价值较高的激素药物。目前皂素生产主要包括以下工序：黄姜根预处理(挑选、清洗、切块、粉碎、过筛和干燥) →发酵→浓酸水解→过滤→滤饼洗涤、烘干→有机溶剂萃取→干燥去除溶剂→皂素成品[1]。该工艺中，皂素废水的产生有3个来源，一是黄姜洗涤废水，主要污染物是泥沙和黄姜根部残体；二是水解物过滤酸液，俗称头道液，主要污染物是可溶性淀粉、还原性糖、少量水溶性皂甙、单宁等；三是漂洗废水，俗称二道液，主要污染物是少量的可溶性淀粉、还原性糖。皂素废水成分复杂，酸度高，有机物含量高，色度大，可生化降解能力差，属高浓度有机废水[2]。国内研究者所采用的处理方法主要有物化处理、生化处理(厌氧+好氧)、资源综合再利用等。其中，SBR法是间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor）的简称，又称续批式活性污泥法，是一种不同于传统活性污泥法的废水处理工艺。典型SBR工艺运行周期分为5步：进水、曝气反应、沉淀、排水、闲置[3]。SBR系统的主体工艺设备是一座间歇式曝气池，与传统的连续流系统相比，无需二沉池和污泥回流设备，基建费用低。另外，SBR法反应器中底物浓度在时间上是一理想推流过程，底物浓度梯度大，生化反应推动力大，克服了连续流完全混合式曝气池中底物浓度低，反应推动力小和推流式曝气池中水流反混严重，实际上接近完全混合流态的缺点。

本实验采用石灰中和、聚合氯化铝絮凝法对皂素废水预处理后，再通入SBR法生化装置，按进水浓度梯度法驯化活性污泥，最后考察COD的去除率，为企业生产提供小试数据。

1 材料及方法

1.1 实验材料

高浓度皂素废水（COD 约为 30000mg·L-1，pH 约为 2，SS为 0.8～1.0g·L-1），普通活性污泥[取自汉中污水处理厂，其污泥质量浓度(MLSS)为2.5～3.0g·L-1，污泥沉降比(SV30)为15%，污泥指数(SVI)为 50mg·L-1]，石灰（中和剂），聚合氯化铝（絮凝剂），葡萄糖。

1.2 实验仪器

SBR反应器(运行程序见图1)，SHB-Ⅲ型系列循环水式多用真空泵，98-1磁力搅拌器。

图1 典型SBR法装置图

1.3 实验方法

首先对高浓度皂素废水进行预处理，然后按浓度梯度法通入SBR法生化装置，加入普通活性污泥进行培养驯化，驯化分3个周期。

第一周期（4月22日～26日，共5d），污泥活性恢复期，将葡萄糖配水（COD值约500 mg·L-1）通入普通活性污泥，每天曝气7 h，静沉3 h，然后更换1/3体积上清液。溶解氧浓度维持在2～3 mg·L-1。

第二周期（4月27日～5月3日，共7d），污泥驯化初期。将预处理后皂素水样按体积分数为0.5%加入反应器，运行周期为24 h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h。驯化中加入的氮源和磷源分别是尿素和磷酸氢二钾。

第三周期（5月4日～5月18日，共15d），污泥驯化后期。皂素废水投加量按水体积分数从0.5%逐渐上升到5%。反应器运行周期为24 h，时间分配为曝气10h，静沉4 h，闲置10h。

CODCr的测定采用氧化回流法[4]。

2 实验结果

2.1 皂素废水预处理

实验所用皂素废水为黄姜洗涤废水、头道液、二道液混合废水，预处理工序为：先用石灰中和，再用聚合氯化铝絮凝，经过处理后的水质为：COD约为12000 mg·L-1，pH 约为 7，SS 为 0.4～0.6 g·L-1。

2.2 污泥驯化实验

本实验采用SBR反应器，高80cm，直径20cm，总体积约为25L，带有曝气装置，向其中加入约10L城市污水处理厂活性污泥。3个周期共运行27d，从第二周期开始每天定期测定进水COD、出水COD，计算去除率，结果见表1、图2。

第一周期进水为葡萄糖配水，运行5d。其目的是使取自城市污水厂的活性污泥转入SBR反应器中后，以葡萄糖配水提供所需碳源、氮源，让污泥中的微生物菌群能够适应新环境并保持良好的活性。第二周期通入体积分数为0.5%的皂素废水，运行7d。从表1可知，运行7d中，COD去除率随时间增长不断增高，处理效果不断增强，出水COD不断降低，第7天，出水COD降到100mg·L-1以内，COD去除率接近90%，反映出活性污泥中微生物群落选择性适应低浓度皂素废水环境，能分解皂素废水中糖类、淀粉的微生物类群优势生长，实现了活性污泥生物群落的演替，形成了适应低浓度皂素废水的活性污泥。对该周期活性污泥进行镜检，发现污泥颜色呈红褐色，较明亮，絮状结构，菌胶团数量多，并发现较多的原生动物及线虫、轮虫等微型后生动物。第三周期皂素废水体积分数从0.5%增加到5%，运行15d。从表1可以看出，通过逐级提高进水浓度，进水COD浓度从 786.9mg·L-1增大到1511.4 mg·L-1，出水COD相应地从96.6mg·L-1增大到503.4mg·L-1，活性污泥的COD去除率从78.42%～88.68% 范围逐渐变低到68.93%～70.60%范围内，表明皂素废水浓度增高，污泥负荷增大，活性污泥中能降解皂素废水的微生物菌群数量和繁殖速度达不到污泥负荷增加的要求，致使去除率下降[5]。但是从图2可以看出，每当进水COD变化较大时，活性污泥需经过一定时间的适应期后，COD去除率才能逐渐提升，表明活性污泥中微生物也在逐渐地适应新的废水浓度。整体而言，在进水COD增大时，活性污泥处理效果有所下降，但COD去除率均保持在68.93%以上。通过对该周期活性污泥的镜检，发现污泥颜色仍为红褐色，但比第二周期较深，絮状结构没有第二周期那么紧密，菌胶团数量较多，原生动物和微型后生动物也大量存在。因此，活性污泥基本上能够适应了皂素废水水质特性，实现了活性污泥的驯化。由于进水浓度较高，为达到良好的处理效果，建议使用两级生化处理串联，实现皂素废水的达标排放。

表1 污泥驯化运行情况表

图2 第二、第三周期中COD去除率与时间关系

3 结语

按照浓度梯度法对皂素废水进行驯化实验，结果表明通过3个周期的运行，实现了活性污泥的驯化，COD去除率均保持在68.93%以上。

由于皂素废水属高浓度有机废水，进水浓度较高时，为了保证达标排放，建议使用两级生化处理串联组合工艺。

[1] 刘春.皂素生产废水污染特点及治理对策探讨[J].环境保护科学，2001，27(105)：22-24.

[2] 刘智峰.盐酸改性粉煤灰处理皂素废水的研究[J].杭州化工，2012，43(2)：19-21.

[3] 赵辉，王惠丰，吴程阁.SBR工艺处理皂素废水的实验研究及对策分析[J].环境保护科学，2005，16(3)：37-39.

[4] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法(第4版)[M].北京：中国环境科学出版社，1989：368-370.

[5] 李湘凌.PAC-SBR法处理制药废水污泥驯化研究[J].工业安全与环保，2005，31(5)：32-33.