汪 琴 张安龙 侯银萍

（陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西西安，710021）

在以废纸为原料的造纸废水中含有较高的Ca2+，高浓度Ca2+与CO32-在一定的温度和pH值范围内形成CaCO3沉淀在颗粒污泥上，使颗粒污泥的无机成分增多，活性降低。颗粒污泥钙化会造成以下危害：①CaCO3沉淀会促进颗粒污泥之间的粘连聚集,引起沟流和阻塞，降低传质效率，使得微生物丰度降低，最终颗粒污泥活性降低甚至失活，以产甲烷菌最为典型[1-3]；②颗粒污泥的更换成本较高，处理难度大，此外，由于厌氧反应器的重启需要较长时间（2～3个月），可能造成整个系统的瘫痪；③剩余污泥量的增多，增加了高钙废水的处理成本；④CaCO3沉淀引起污泥灰分升高，污泥中活性组分被逐步淘汰，无机成分占据反应器的大量空间，使反应器处理效率降低，甚至运行失败。另外废水中高浓度的Ca2+还会在设备管道上结垢，堵塞管道，破坏设备，使得其更换成本和处理难度增加；郭徽等人[4]研究发现内循环厌氧（Internal circulation reactor，IC）反应器中颗粒污泥的钙化会导致其后续好氧处理单元的无机物含量高达70%以上，处理效能降低。目前，也有较多对颗粒污泥钙化特征、影响因素及防垢措施[5-7]的研究，但是对生产性IC反应器中颗粒污泥钙化规律的追踪调研还较少。本课题对陕西省某废纸造纸废水厂（以下简称陕西某厂）颗粒污泥的钙化进行了为期1年的追踪调研，并从微生物的角度提出了通过提高系统中以CO2为基质的功能菌群的比例来减缓钙化的新思路，以期为废纸造纸废水处理厂的运行和钙化防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 工艺流程

陕西某厂处理的废水来自于以箱纸板和废纸为原料生产瓦楞纸的企业，平均日处理废水量为2500 m3，进水容积负荷在10 ～15 kg/（m3·d），水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）为5 h，上升流速为5 m/h，进水量为600 m3/h。图1 为陕西某厂废水处理系统工艺流程图。由图1可知，废水经斜筛后自流入初沉池，过滤的细小纤维回收利用。大部分悬浮物在初沉池中沉降后得以去除，出水进入水解酸化池，经调解和预酸化后进入IC 反应器，厌氧出水泵入曝气池，好氧出水经二沉池沉淀后进入Fenton深度处理单元，随后进入三沉池继续沉淀，最后出水达标排放。各阶段产生的污泥集中进入污泥混合池，最后压缩脱水、晾干后集中填埋。

图1 废水处理系统工艺流程图

1.2 样品

接种的颗粒污泥为河南某淀粉厂的上流式厌氧污泥床反应器（Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB）中的颗粒污泥，污泥为光洁的黑褐色球形颗粒，平均粒径在0.53 mm 左右，混合液挥发性悬浮固体浓度（mixed liquid volatile suspended solids，MLVSS）与混合液悬浮固体浓度（mixed liquid suspended solids，MLSS）的比值为91.2%，其实验编号为0。以2 个月为时间间隔，对IC 反应器第2 个（距离地面2 m）取样口的颗粒污泥进行取样，共取样6次，以取样顺序对样品进行编号，分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#。

1.3 实验药品及主要的仪器设备

实验药品：戊二醛、乙酸异戊酯、磷酸氢二钠、溴化钾、氯化铁、磷酸钠，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；氯化钾、磷酸二氢钾，均为分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；无水乙醇，分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

主要仪器设备：COD 快速测定仪（型号5B-2F，联华科技）；烘箱（型号FCD-3000，Serials）；马弗炉（型号MFL001，佰辉公司）；紫外可见分光光度计（型号Cary 5000，美国安捷伦）；X 射线衍射仪（型号D8 Advancee，德国布鲁克公司）；傅里叶变换红外光谱仪（型号Vertex70，德国布鲁克公司）；扫描电镜-能谱仪（型号COXEM，捷克TESCAN）。

1.4 测定方法

废水中Ca2+浓度采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定。CODCr的检测采用COD快速测定仪，MLVSS测定采用国家标准方法。颗粒污泥中的无机成分类型采用X射线衍射仪（XRD）和傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）测定。颗粒污泥的元素含量百分比和形态结构采用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析测定。颗粒污泥中产甲烷菌相对丰度的变化采用高通量测序进行分析。

2 结果与分析

2.1 IC反应器进出水钙浓度分析

图2 不同时间颗粒污泥对Ca2+截留率的影响

为了考察颗粒污泥钙化过程中污泥龄与Ca2+截留变化的关系，定期取样测定厌氧进出水中的Ca2+浓度，结果如图2所示。由图2可以看出，随着污泥龄的增加，颗粒污泥对Ca2+的截留率大体上呈下降的趋势。IC反应器进水的Ca2+浓度高达2000～6670 mg/L，且呈波动变化。相似地，调研发现在浙江某废纸造纸废水处理厂，厌氧进水中Ca2+浓度更是高达12109 mg/L。从进出水中Ca2+的截留率来看，在系统运行初期，Ca2+的截留率为64.1%，接近2/3的Ca2+截留在IC反应器内。IC反应器经过10个月的运行后，Ca2+的截留率下降至24.9%，这可能是由于颗粒污泥在长期高钙废水作用下，活性逐渐变低，钙化程度增大，颗粒污泥逐渐破碎解体以致对Ca2+的吸附能力减弱。在第10个月后补充过少量的新鲜颗粒污泥，由图2可见，在第12个月后取样发现Ca2+的截留率从24.9%回升到34.0%。

2.2 IC反应器处理效果分析

从IC 反应器对废水的处理效果上来看，在反应器成功启动运行初期，当厌氧进水CODCr浓度为2340 mg/L 时，CODCr的去除率可高达86.4%，出水CODCr为316 mg/L。随着运行时间的延长，颗粒污泥的活性降低，直接表现为厌氧阶段的处理效能降低。图3 为不同时间颗粒污泥对废水的处理效果。由图3可知，在IC厌氧塔运行10个月后，厌氧系统对CODCr的去除率降至42%，在第12 个月时，CODCr去除率逐渐回升至50.6%。李广胜等人[8]和王娟娟[9]在研究厌氧反应器处理造纸废水工程实践中也提到废纸中的CaCO3填料和造纸过程中新加入的CaCO3及废水的高回用率导致Ca2+的积累，易造成IC反应器内颗粒污泥的钙化，严重影响废水的处理效果。

2.3 颗粒污泥钙化过程的特征分析

2.3.1 颗粒污泥钙化过程中灰分变化

图3 不同时间颗粒污泥对废水的处理效果

图4 颗粒污泥的灰分变化

在IC反应器运行期间，定期从反应器内取样，颗粒污泥干燥和灼烧后计算其无机含量，结果如图4所示。2个月时颗粒污泥的MLSS为93303 mg/L，IC反应器在经过10个月的运行后，MLSS含量逐渐增加，变为138072 mg/L，而MLVSS含量逐渐减少，从82406 mg/L减少到65329 mg/L，此时MLVSS/MLSS仅占48.1%。研究发现，反应器内MLVSS被氧化产生的CO2部分转化为碳酸盐，再与系统中的Ca2+形成白色的CaCO3沉淀，附着在颗粒污泥的表面，从而使得颗粒污泥也逐渐呈现灰白色[10]。颗粒污泥中大量CaCO3沉淀的生成使得污泥中有机成分减少，相对应的灰分含量升高。EI-Mamouni等人[11]在研究乳清废水的厌氧处理时，也发现当VSS/TS降低至13%～49%时，产甲烷活性也大幅度下降，除此以外，Kim等人[12]也得出了相似的结论。这与图3中CODCr去除率的变化趋势相吻合，随着颗粒污泥中CaCO3沉淀量的累积，颗粒污泥的灰分随之增加，有机质含量降低，生物活性降低，这些变化最终表现为对废水处理效果的减弱。

2.3.2 颗粒污泥外观形态、大小及颜色变化

从颗粒污泥的外观形态来看，最初表面光洁发亮，呈黑褐色的椭球体，具有较好弹性且颗粒化程度较高。随着系统的运行，颗粒粒径逐渐增大，大部分为椭球形或球形，掺杂少量的絮体，8 个月后大部分球形或椭球形颗粒破碎成为絮体，而细小的絮体在一定的上升流速下逐渐被冲出反应体系，造成污泥流失。另外最直观的感受是取样时，泥样放在手中没有明显颗粒感和弹性，且破碎的污泥沙化较明显。

图5 为颗粒污泥干燥后图片。从图5 中可以看出，不同污泥龄的颗粒污泥干燥后的颜色存在显著差异，由黑色掺杂稍许黄色，逐渐变成黑色成分减少，黄色和灰白色成分增多，最后砖红色成分成为主体。郭徽等人[4]在研究钙化颗粒污泥特征时也指出颗粒污泥干燥后的颜色可以反映其钙化程度，颜色越浅钙化程度越高。本研究中部分颗粒污泥干燥后呈砖红色可能是废水中存在一定的铁元素，在干燥时，温度升高，铁氧化成氧化铁使得呈现红色。刘春等人[13]在研究颗粒污泥处理竹浆废水时也提到在厌氧系统启动后期，反应器的底部和顶部颗粒污泥中的Fe 含量有大幅度的提高，Fe 元素不仅是微生物生长所必需的营养元素，而且可作为酶蛋白构架，其形成的某些沉淀还可能有助于稳定厌氧颗粒污泥的菌团。

图5 颗粒污泥干燥后图片

2.3.3 颗粒污泥的XRD分析

为了考察颗粒污泥钙化过程中无机物存在的类型，定期取样，颗粒污泥过滤干燥，经马弗炉600℃灼烧掉有机质成分后，利用X射线衍射仪对其不同时期的无机成分进行测定，测定结果如图6所示。将检测结果与标准图谱比对后，由图6（a）可知，根据颗粒污泥中生成的沉淀物类型可明显分为两个阶段：第一阶段主要是以方解石形式存在的CaCO3，掺杂少许的SiO2；第二阶段是方解石和文石两种形式共存的CaCO3，同时还伴随着有FeCO3、Fe2O3，这也较好地解释了运行后期颗粒污泥干燥后呈砖红色的现象。而在种泥中并未检测到有CaCO3沉淀物，主要的无机物类型是Ca3SiO5、Mg2Si、MgSiO3。由此可知，颗粒污泥钙化的主要原因是废纸造纸废水中的高浓度Ca2+在IC 反应器内与CO32-、HCO3-结合生成CaCO3沉淀于颗粒污泥中，并非来源于种泥。

2.3.4 颗粒污泥的EDS分析

为了更确切地了解厌氧颗粒污泥中钙含量的变化，定期取样，将样品干燥磨碎后通过EDS 对颗粒污泥中的主要元素进行测定，测定结果如表1 所示。种泥中的钙元素含量仅为1.8%，成功接种运行2 个月后的检测结果显示钙含量为9.3%，第10 个月取样时的检测结果显示颗粒污泥中的钙含量高达35.2%，在颗粒污泥中占比1/3 以上。随后因补充过一次新鲜的颗粒污泥，第12 个月取样时，颗粒污泥中的钙含量下降到33.0%，仍有重要占比。从颗粒污泥中元素含量变化来看，随着IC 反应器运行时间的延长，颗粒污泥中钙元素的含量也呈现了一个随之快速增加的变化规律。

2.3.5 颗粒污泥的FT-IR分析

图6 颗粒污泥的X射线衍射图

表1 颗粒污泥元素含量 %

图7 颗粒污泥FT-IR图

为了比较不同污泥龄的颗粒污泥内化学结构中各官能团的分布情况，利用红外光谱对各阶段的颗粒污泥进行了分析，其结果如图7所示。1#、2#、3#和4#样品在一些 特 定 的 区 域（3000～3750 cm-1、1500～1690 cm-1、1050～1300 cm-1）存在相同的吸收带，但吸收峰的强弱有所差异，分别为O—H伸缩振动区、双键伸缩振动区和脂类。3#和4#颗粒污泥在700～864 cm-1、844～1090 cm-1之间有一定的吸收峰，这是典型CO32-特征的表现。5#和6#样品吸收峰的位置分布大致相同，3000～3300 cm-1处的吸收峰是不饱和C上的C—H伸缩振动区；2850～2960 cm-1处的吸收峰为烷烃类物质；2400～2600 cm-1处的吸收峰是铵盐伸缩振动；1650～1750 cm-1处是羰基的特征吸收峰；1000～1475 cm-1处的吸收峰为X—H面内弯曲振动及X—H伸缩振动区；5#和6#样品与1#～4#样品一样在844～1090 cm-1之间有一定的吸收峰，另外还在713 cm-1处有吸收峰，这都是CO32-特征的吸收峰带，且与1#～4#样品相比，吸收峰更强。这与XRD分析结合可进一步确定颗粒污泥中CaCO3的存在。

2.3.6 颗粒污泥的SEM分析

定期取样，对颗粒污泥的形貌进行SEM 分析见图8。如图8所示，2个月取样时的颗粒污泥内具有疏松大量管状结构的通道和空穴，这些孔隙与空穴为微生物产生的生物气及营养物质的运输提供了交换通道，同时还分布有大量的球菌、丝菌及杆菌。第4个月取样的颗粒污泥中杆菌数量增多，孔隙减少，有少量絮状沉积物。第6个月取样的颗粒污泥中，在孔隙处堆积有大块呈片状的沉淀物及一些粒状团聚物，这些片状和粒状聚集体类似CaCO3晶体的扫描电镜图[14]，在这些沉积物中夹杂着部分球菌。在第8 个月取样的颗粒污泥中，孔隙几乎全部被堵塞，覆盖了较密集的絮状及不规则沉积物，存在较少量的球菌。

2.3.7 颗粒污泥中产甲烷菌在属分类水平上的分析

产甲烷菌属于古菌，是厌氧消化过程中的主要生物菌群，处于厌氧消化的最后一个步骤，相当于“食物链的最顶端”。本实验将从属分类水平上分析各时期颗粒污泥中产甲烷菌的相对丰度及种类，结果如图9所示。

产甲烷菌的代谢有3种途径，根据其产甲烷的代谢基质不同，分别为乙酸营养型产甲烷菌（以乙酸为基质）、氢营养型产甲烷菌（以甲酸、H2/CO2为基质）和甲基型产甲烷菌[15-16]。种泥中乙酸营养型产甲烷菌为Methanosaeta（产甲烷丝菌），氢营养型产甲烷菌为Methanolinea（产甲烷绳菌）、Methanoregula、Methanobacterium（甲烷杆菌）、Methanospirillum（产甲烷螺菌），可知在种泥中乙酸营养型产甲烷菌与氢营养型产甲烷菌相对丰度的比例约为1（如图9 AS1）。当IC反应器接种运行6个月后，颗粒污泥中乙酸营养型产甲烷菌仍为Methanosaeta，氢营养型产甲烷菌为Methanolinea、Methanoregula、Methanobacterium、Methanospirillum、Methanosarcinales（甲烷八叠球菌），此时乙酸营养型产甲烷菌的相对丰度是氢营养型产甲烷菌相对丰度的2.69倍。运行10个月后，颗粒污泥中乙酸营养型产甲烷菌仍只有Methanosaeta，氢营养型产甲烷菌为Methanolinea、Methanoregula、Methanobacterium、Methanospirillum、Methanosarcinales，这时乙酸营养型产甲烷菌的相对丰度是氢营养型产甲烷菌相对丰度的6.46倍。可以看出随着IC反应器运行时间的延长，颗粒污泥中的优势产甲烷菌属出现了变化，乙酸型产甲烷菌的比例增大，而氢营养型产甲烷菌的比例在减少，这部分产甲烷菌比例的减少，在一定程度上也使得厌氧消化各阶段产生的CO2的消耗减少，也就增加了系统中CO2向CO32-、HCO3-的转化，继而使系统中的Ca2+与碳酸盐结合生成CaCO3沉淀在颗粒污泥的内部或表面[17]，阻塞了生物气与营养物质的传输，致使其无机成分增加，活性降低。

图8 颗粒污泥的SEM图

图9 产甲烷菌的属分类水平

3 颗粒污泥的钙化防治措施及办法

朱灿灿等人[18]提到处理造纸废水的厌氧颗粒污泥表面存在一些孔隙和空穴，它们是营养物质与生物气的传输通道，厌氧颗粒污泥产生的CO2、CO、CH4等气体经这些通道排出，同样废水中的钙、镁离子等与磷酸根、碳酸根等结合成钙质物质填充堵塞在这些通道内，经过一段时间的转变就形成了钙化颗粒污泥。厌氧条件下发生的甲烷化、氨化以及硫酸盐还原等反应能够产生大量碱度，为诱导CaCO3沉淀提供了外部环境条件。郭方峥等人[7]发现以废纸为原料的造纸废水没有蒸煮黑液，无法回收黑液中的碱，再制得CaCO3用于填料，因而无法从源头去除CO32-、Ca2+，这些离子的来源不是废水处理厂的各个工艺段，主要是在生产线上，国内废纸中滑石粉的含量较高，另外废水的循环使用、零排放及生产线上填料的添加，这就形成了钙化的必要条件。而现有的防治策略或解决办法主要有如下几种：

（1）沉淀法。在废水进入厌氧反应器之前，加入Na2CO3，提供CO32-，在pH 值没有大幅度变化的情况下在前端去除部分Ca2+，类似的是在前端Ca(OH)2+PAM 的投加，Ca(OH)2与Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2生成更稳定的CaCO3、MgCO3或两者的复合垢盐沉淀，继而从系统中去除。

（2）酸碱法。在加入HCl的过程中，由于水量比较大，投加量很难控制，效果并不明显，同时由于HCl强烈的腐蚀性和挥发性，在投加的过程中，泵的腐蚀程度严重，挥发出的HCl对周围植物也具有一定的危害。用NaOH 来防垢，在实验室小试效果非常明显，但是要在现场投加很困难，首先投加点不佳；其次pH 值要调到11.0 以上，才会对硬度有很好的去除效果，但pH值过高，要用HCl回调；最后，浓NaOH也同样具有很强的腐蚀性。

（3）添加垢剂。阻垢剂中的阴离子可与溶液中的Ca2+等通过螯合作用，生成可溶性螯合物，阻止了钙垢的生成。常用的阻垢剂有天聚冬氨酸、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、羟基亚乙基二磷酸（HEDP）和乙二胺四亚甲基磷酸（EDTMP）等。缺点是现有阻垢剂性能单一，一般含磷，应用范围窄，循环次数少，易污染等。

（4）电吸附法。原理是水流中的阴阳离子在两电极电场力的作用下分别向相反的方向迁移，最终达到富集于电极与溶液之间的双电层内，以此来降低硬度。缺点是电极材料的性能和堵塞问题尚待解决，技术也未成熟。

（5）膜过滤法。膜过滤法能对Ca2+进行适度的预处理，但膜污染较为严重。

（6）磁化法。原理是使水流经磁场，切割磁感线后不再结垢或生成大量松散的软垢微粒，随水流冲走经过滤出去。应用前景较好，但效果不稳定。

（7）微生物电解池法。Zhen等人[19]将微生物电解池（MEC）耦合到UASB 反应器中以提高甲醇废水的降解能力，使甲醇降解途径多样化。

（8）装置改造。Kim等人[20]利用气提装置和厌氧反应器的组合形式，通过回流部分厌氧出水中的碱度和强化吹脱CO2促使Ca2+在气提装置中得以去除，缓解了Ca2+在厌氧反应器内部结垢的问题；Langerak等人[2]尝试通过回流厌氧出水和沼气至结晶装置以诱导CaCO3过饱和溶液结晶，对厌氧反应器进行预处理除钙。

4 结 论

本课题通过对陕西省某废纸造纸废水厂IC 反应器内颗粒污泥1年的追踪调研，用理化分析和高通量测序相结合的方式研究了颗粒污泥不同时段的钙化特征、废水厌氧处理效果、生物群落结构变化等，并提出了通过富集以CO2为底物的产甲烷菌和同型产乙酸菌等功能菌群，提高厌氧系统内这类菌群的比例来延缓颗粒污泥钙化的新思路，改善现有方法成本高昂、操作管理不便、存在次生环境问题的缺陷。

4.1 新鲜的颗粒污泥对Ca2+具有较好的吸附作用，IC 反应器运行初期，颗粒污泥对Ca2+的截留率高达64.1%。随着颗粒污泥钙化程度的增加，颗粒污泥的活性下降，对Ca2+的截留率也呈下降的趋势，IC 反应器运行10 个月后，颗粒污泥对Ca2+的截留率仍可达24.9%。随着颗粒污泥钙化程度的加深，IC反应器系统处理效果下降，运行10 个月后，CODCr的去除率从初始的86.4%下降到42.0%。

4.2 从颗粒污泥有机成分含量上看，其变化趋势与颗粒污泥对废水处理效果和对Ca2+去除率的变化趋势是一致的，颗粒污泥的MLVSS/MLSS 在10 个月后仅占48.1%。颗粒污泥从干燥后的颜色上看，颜色逐渐由深变浅。从颗粒污泥中的无机物类型来看，结合红外光谱分析、X 射线衍射分析、扫描电子显微分析更加确定颗粒污泥中CaCO3沉淀的存在。且第一阶段主要是以方解石形式存在的CaCO3，掺杂少许的SiO2。第二阶段是方解石和文石两种形式共存的CaCO3，同时还伴随着有FeCO3、Fe2O3。从颗粒污泥的元素组成来看，钙含量随着钙化程度的加深随之增加。

4.3 从颗粒污泥的结构和生物量来看，随着颗粒污泥钙化程度的加深，其孔隙和空穴减少，杆状菌和球菌类的微生物减少，且被块状和粒状团聚体的沉积物覆盖。高通量测序进而对表征颗粒污泥活性最重要的产甲烷菌从属分类水平上进行了分析，发现随着反应器运行时间的延长，乙酸型产甲烷菌的比例在逐渐增加，氢营养型产甲烷菌的比例在大幅度减少，且钙化程度越高，这种变化越迅速。

4.4 在实际应用中，建议增设一个测流池与IC 反应器并联，测流池用于富集以CO2为底物的产甲烷菌和同型产乙酸菌等功能菌群，测流池富集的功能菌群用于补充厌氧系统中活性减弱的颗粒污泥，提高厌氧系统中这类菌的比例，加大其对系统中CO2的利用，以被动型的方式减缓颗粒污泥的快速钙化。