翻譯Biological treatment of acid dyeing wastewater

1、序貫式厭氧/好氧反應(yīng)器系統(tǒng)在生物方法處理酸性印染廢水中的應(yīng)用 摘要: 處理的廢水是一個(gè)羊毛加工廠在羊毛染色加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢水。采用的廢水處理工藝是序貫式厭氧/好氧反應(yīng)工藝系統(tǒng)。 這一工藝包括UASB厭氧反應(yīng)器和CSTR好氧反應(yīng)器。因?yàn)榻?jīng)過(guò)序貫式厭氧/好氧反應(yīng)器系統(tǒng)處理的原水的碳含量、 碳酸氫鈉和色度均較低，葡萄糖，堿和偶氮染料被添加到原始的酸性印染廢水中，以模擬印染工業(yè)廢水。在水力停留時(shí)間為17小時(shí)的條件下，UASB反應(yīng)器對(duì)COD和色度的去除率分別為51-84和81-96 。在水力停留時(shí)間為3.3天的條件下，UASB/CSTR序貫式反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量和色度的去除率分別為97-83 和87

2、80% 。在厭氧階段形成的的芳香胺類(lèi)（TAA）將在好氧階段得到有效去除 。 1.簡(jiǎn)介紡織加工行業(yè)產(chǎn)生的廢水中的不同的高化學(xué)需氧量和成分取決于使用的濕法工藝。經(jīng)Correria1等總結(jié)可知該紡織廢水是由39/(Kg.dm3)的棉花退漿廢水和高達(dá)334-835/(Kg.dm3)的洗毛廢水組成的。毛紡廠酸性印染廢水中的主要污染物的種類(lèi)可能是鹽類(lèi)（用于抵銷(xiāo)纖維中的zeta電位的氯化鈉和硫酸鈉），酸類(lèi)（用于控制pH值的醋酸和硫酸），堿類(lèi)（用于調(diào)節(jié)pH值的氫氧化鈉）和染料(用于使纖維著色) 。殘余染料以及輔助化學(xué)原料是造成印染廢水中的顏色、溶解性固體和COD的主要原因。酸性染料廢水的特征取決于染料的類(lèi)型、

3、纖維和染色方法。Horning 2認(rèn)為，使用不同印染工藝的毛紡廠酸性印染廢水的平均色度負(fù)荷為3200 ADMI（美國(guó)印染工業(yè)研究院?jiǎn)挝恢疲?，總有機(jī)碳為210mg/dm3，SS是9 mg/dm3。 PH值是4?？傊?，印染廢水具有較高的色度和高溶解性固體（DS）以及中等的生化需氧量1。 必須使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來(lái)去除印染廢水中的染料，因?yàn)樗鼈儗?duì)受納水體會(huì)有不利影響。迄今為止，紡織廢水處理主要是利用好氧生物處理，主要包括常規(guī)的和擴(kuò)展的活性污泥法3。這些方法的耗氧量和污泥產(chǎn)量普遍較高，而且運(yùn)行費(fèi)用較高 4 。此外，好氧工藝無(wú)法降解偶氮染料和在染料廢水中占有最大比重的合成著色劑（ 60-70%） 5 。高度親

4、電的偶氮鍵可在偶氮染料脫色的厭氧條件斷裂。從這些偶氮染料分解而形成的的芳香胺類(lèi)將在好氧環(huán)境中得到去除 6 。最近的研究表明，合成和模擬廢水中含有的偶氮染料和其他添加劑，可在連續(xù)厭氧/好氧環(huán)境得到有效處理。 7-14 。然而，處理毛紡廠印染色廢水使用的序貫式厭氧/好氧反應(yīng)器系統(tǒng)工藝尚未報(bào)告。在這項(xiàng)研究中，處理水樣取自一個(gè)位于伊茲密爾的羊毛加工廠的染色加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢水，處理方案為使用序貫式上流式厭氧反應(yīng)器/連續(xù)攪拌反應(yīng)器工藝系統(tǒng)。2. 材料與方案2.1. 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模反應(yīng)器系統(tǒng)、菌種及運(yùn)行條件研究 在不銹鋼的上流式厭氧污泥床反應(yīng)器和好氧連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)的依次試驗(yàn)。UASB反應(yīng)器的有效容

5、積為2.5dm3，其內(nèi)部直徑6厘米，高度為100厘米。在CSTR反應(yīng)器反應(yīng)器包括一個(gè)曝氣池（有效容積= 9dm 3 ）和一個(gè)沉淀池（有效容積= 1.32 dm 3 ） 。處理的廢水是通過(guò)一個(gè)U型管流出，以阻止生物量在曝氣池處于穩(wěn)態(tài)之前進(jìn)入曝氣池。曝氣池出水是通過(guò)池底斜板的洞進(jìn)入沉淀池的。污泥回流是通過(guò)斜板下面的間隙進(jìn)行的。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的出水被用為氧連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器的進(jìn)水。部分厭氧污泥顆粒被用作UASB反應(yīng)器中的菌種，這些菌種是從Izmir的Pakmaya的貝克酵母廠中采取的，在伊茲密爾的DYO染料工業(yè)有一種活性污泥的培養(yǎng)方法，即把其作為好氧CSTR反應(yīng)器的菌種。UASB反應(yīng)器中的懸浮

6、物和揮發(fā)性懸浮物（VSS ）的濃度分別為31.7g/ dm 3和22.4 g/ dm 3。而當(dāng)污泥齡調(diào)整為20天時(shí)，在CSTR反應(yīng)器中的混合液懸浮固體（污泥濃度）濃度約為3000mg/ dm 3。 在49天的運(yùn)行時(shí)間中，流量被定為一個(gè)常量3.5L/天。UASB反應(yīng)器、好氧CSTR以及整個(gè)UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)的水力停留時(shí)間分別為17小時(shí)、2.6天、3.3天。，因?yàn)樵腃OD和色度均較低，合成廢水和染料被添加到UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)中以模擬酸性印染廢水。廢水的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表一。表一2.2. 酸性染色廢水 處理的廢水取自羊毛染色加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢水，把廢水運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室中使用序貫式厭氧/好

7、氧反應(yīng)工藝進(jìn)行處理。這個(gè)工藝之前是用于偶氮染料的濃度高達(dá)4000mg/L的綜合廢水的處理 6,13,14 。毛紡廠染色單元產(chǎn)生的廢水的特征指標(biāo)是在序貫厭氧/好氧反應(yīng)器系統(tǒng)處理之前進(jìn)行測(cè)定的。在織物處理過(guò)程中，酸性染料廢水中含有15公斤的染料、15公斤硫酸 、約2L防止泡沫的反泡沫物質(zhì)和3035公斤硫酸鈉需要處理，這些物質(zhì)是在將550600公斤羊毛煮到產(chǎn)生理想的顏色后產(chǎn)生的（個(gè)人總結(jié)）。取自毛紡廠的印染廢水的各項(xiàng)指標(biāo)列于表1 。本研究中使用的廢水和毛紡廠酸性印染廢水是相似的 1 。從表1可以看出，在運(yùn)行階段4 中，溶解性COD、不可分解的COD和TOC分別為476、200、170mg/L。 在實(shí)

8、驗(yàn)室規(guī)模的UASB反應(yīng)器/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)在運(yùn)行階段1的7天開(kāi)始階段是使用2000mg/L葡萄糖構(gòu)成COD、3000mg/L NaHCO3和25 mL/L的中型范德比爾特礦進(jìn)行供料.在這一運(yùn)行中沒(méi)有把染料加入廢水中因?yàn)樗梢栽谶@個(gè)過(guò)程中合成。在處理酸性印染廢水的研究中，在運(yùn)行階段2、3、4中添加1000 mg/L葡萄糖構(gòu)成COD、2000mg/L NaHCO3，以模擬印染廢水因?yàn)樗嵝杂∪緩U水中的含碳量、色度和堿度較低（見(jiàn)表1）。適量的堿提供穩(wěn)定的中性pH條件，以為厭氧微生物進(jìn)行厭氧處理提供條件。此外，它中和酸和厭氧處理中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸。碳源為還原裂解偶氮染料提供還原性環(huán)境。另一方面，為了

9、模擬厭氧處理，15002000 mg/L濃度的COD需要添加到廢水中。因?yàn)樵?jīng)過(guò)UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)處理后的色度較低，因此在運(yùn)行階段3，向原水中加入200mg/L的偶氮染料。加入200mg/L偶氮染料的原因是其在實(shí)際工業(yè)印染廢水中有最大的有效性。在此研究的目的是確定COD和色度的最大去除率以及由于附加的碳，堿度和染料而在厭氧處理階段產(chǎn)生的甲烷氣體。表2總結(jié)了織物染色過(guò)程添加的染料的特征以及在實(shí)驗(yàn)室模擬UASB反應(yīng)器/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)需要添加的染料量。2.3 分析 天然氣產(chǎn)量通過(guò)測(cè)量液體位移法測(cè)得。天然氣總量是通過(guò)使待測(cè)氣體通過(guò)含有2 （ V / V ）的硫酸和10 （ V /

10、 V ）的氯化鈉 15 測(cè)得的。沼氣中的甲烷含量時(shí)通過(guò)Dr¨ager Pac®Ex甲烷分析儀測(cè)定的。因?yàn)椴煌娜旧襟E中使用的是不同染料，所以色度的測(cè)量是使用Olthof and Eckenfelder中的方法測(cè)定的 16 。根據(jù)這些方法，色度是通過(guò)測(cè)量三個(gè)波長(zhǎng)（ 445、 540、660nm）下的吸光度來(lái)確定的，即把這三個(gè)波長(zhǎng)下的吸光度值相加。運(yùn)行階段1、2、3的出水吸光度值減去運(yùn)行階段1中由于代謝產(chǎn)物而產(chǎn)生得出水吸光度值。為把吸光度值轉(zhuǎn)化為m-1制下的色度，可運(yùn)用以下公式。其中是顏色在m-1制（m-1 = A/10mm × 1000 ）中的色度，A是分光光度計(jì)

11、測(cè)得的吸光度值， d該試樣長(zhǎng)度（寬度10毫米）和f是一個(gè)影響因素（1000）。 可溶性化學(xué)需氧量的測(cè)定是使用比色法及封閉回流使用方法測(cè)定的 17 。酸性印染廢水的惰性化學(xué)需氧量是通過(guò)用Germirli 18 制定的葡萄糖比較法測(cè)定的。該法可以測(cè)得有氧環(huán)境下的所有可溶性形式的化學(xué)需氧量。 碳酸氫鹽堿度和總揮發(fā)性脂肪酸（VTA）濃度可以使用安德森和楊 19 的滴定法同時(shí)測(cè)定。取樣后應(yīng)立即測(cè)定pH值，以避免由于二氧化碳的演變帶來(lái)的任何變化。本試驗(yàn)測(cè)定pH值的儀器是NEL pH 890pH計(jì)。CSTR反應(yīng)器中的溶解氧（ DO ）和曝氣池溫度是使用由德國(guó)WTW制造的測(cè)氧儀（Oxi 330/SET型）測(cè)定

12、的。生物量是通過(guò)測(cè)定的UASB反應(yīng)器中的總懸浮固體（TSS）和揮發(fā)性懸浮固體確定的，并可作為CSTR反應(yīng)器曝氣池中的混合液懸浮固體（污泥濃度）和混合液揮發(fā)性懸浮固體（ MLVSS ）?；?yàn)是按照水和廢水化驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行的 17 ?？偟姆枷惆泛繙y(cè)定方法是:用Oren 等描述的方法 20使水樣與4 -二甲氨基苯甲醛-鹽酸反應(yīng)，然后在440nm波長(zhǎng)下進(jìn)行色譜分析以確定總芳香胺含量。同時(shí)校準(zhǔn)對(duì)二氨基聯(lián)苯標(biāo)準(zhǔn)20。圖中給出的數(shù)據(jù)是三個(gè)重復(fù)取樣的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)偏差值。2.4 統(tǒng)計(jì)分析 不同變量之間的回歸分析是使用Microsoft WindowsTM （惠普公司，美國(guó)）的Excel 完成的。其線性相關(guān)性

13、是由r2評(píng)定的。r2值是相關(guān)系數(shù)，反映了自變量和因變量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義。方差分析（方差分析的SAS程序）測(cè)試是用來(lái)評(píng)估使用微軟WindowsTM （惠普公司，美國(guó)）的Excel軟件所獲得的反應(yīng)器的數(shù)據(jù)。3. 結(jié)果與討論3.1.UASB反應(yīng)器中揮發(fā)性脂肪酸、碳酸氫鹽堿度和甲烷生產(chǎn)率變化 UASB反應(yīng)器所有運(yùn)行階段的出水中揮發(fā)性脂肪酸、碳酸氫鹽堿度和甲烷生產(chǎn)率變化見(jiàn)圖1。在運(yùn)行階段3中，向原水中添加酸性染料113藍(lán)和CI22直接黑染料各100mg/L，經(jīng)處理后，揮發(fā)性脂肪酸、碳酸氫鹽堿和 甲烷氣體產(chǎn)率分別為40 mg/LCH3COOH、1593mg/L碳酸鈣、1437 ml/天CH4。在這個(gè)過(guò)程中

14、，該反應(yīng)器系統(tǒng)在有利條件（低揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率和高甲烷氣體產(chǎn)率）下運(yùn)行。揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率和甲烷氣體產(chǎn)率間無(wú)顯著線性關(guān)系（ r2 = 0.49, P = 0.39, F = 1.43）。揮發(fā)性脂肪酸與碳酸氫鹽堿度的比例和pH值見(jiàn)在圖2。在運(yùn)行階段4 ，揮發(fā)性脂肪酸濃度略有增加，但不超過(guò)揮發(fā)性脂肪酸/碳酸氫鹽堿度的臨界值（0.4）。階段4中，揮發(fā)性脂肪酸與碳酸氫鹽堿度的比例約為0.15，這表明UASB反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定 21 ，而運(yùn)行階段3中，揮發(fā)性脂肪酸與碳酸氫鹽堿度的比例應(yīng)為0.025。測(cè)得得pH值（6.57.5）是適合所有運(yùn)行階段的厭氧處理的最佳條件 22 。隨著碳酸氫鹽堿度值減少，甲烷生產(chǎn)率減少

15、?；貧w分析表明，碳酸氫鹽堿度和甲烷生產(chǎn)率線性關(guān)系是明顯的(r2 = 0.79, P = 0.09, F = 7.55)。同樣地，隨著碳酸氫鹽堿度值減少，揮發(fā)性脂肪酸濃度升高。圖1 中的變量為4個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的甲烷產(chǎn)率，揮發(fā)性脂肪酸和碳酸氫鹽堿濃度。圖1圖2圖33.2 UASB/CSTR 反應(yīng)器系統(tǒng)中的COD的去除效率 整個(gè)系統(tǒng)的COD去除率效率顯示在圖3 ?？梢哉f(shuō)，在運(yùn)行過(guò)程1、2、3中COD去除率在85%到95%之間，而 運(yùn)行過(guò)程4中的COD去除率為75 。在運(yùn)行過(guò)程2、3、4中 ， 1000mg/L的葡萄糖COD被加入原水中，而運(yùn)行過(guò)程1中 ，原水中只含有2000mg/L的葡萄糖COD 。在

16、水力停留時(shí)間為2.3天的條件下，序貫式UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程1的出水的葡萄糖COD可減少到低至60mg/L ，因?yàn)樵谠撍畼又兄缓衅咸烟腔瘜W(xué)需氧量。這個(gè)COD值與惰性溶解性微生物產(chǎn)物構(gòu)成的COD，因?yàn)槠咸烟鞘鞘且环N容易降解的有機(jī)物，可以被厭氧微生物完全分解 23 。應(yīng)當(dāng)考慮溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）形成的COD通過(guò)底物代謝和生物衰退，因?yàn)镵uo等 23 提出出水中的可溶性COD大部分是SMP（50%90%）。在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中，最終的出水COD的值比運(yùn)行過(guò)程1中的更高 ，這是因?yàn)樵羞€存在一定量的惰性COD。圖4 在運(yùn)行過(guò)程4中 ，因?yàn)樵械亩栊曰瘜W(xué)需氧量是200mg/L（

17、見(jiàn)圖 4 ），所以該系統(tǒng)出水的化學(xué)需氧量下降到約257 ± 27 mg/L。厭氧系統(tǒng)可以去除所有的可降解COD和部分惰性COD。在運(yùn)行過(guò)程4中，UASB反應(yīng)器和UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)中的 COD的去除率的分別從84%和94%下降到51%和84%。它可以說(shuō)明不同的惰性COD的比例，即那種緩慢降解的有機(jī)物和容易降解的有機(jī)物的比例，酸性染色廢水中的揮發(fā)性脂肪酸和芳香胺的比例是導(dǎo)致序貫式厭氧/好氧反應(yīng)器系統(tǒng)中去除率變化的因素。方差分析結(jié)果表明，在COD去除率上， UASB反應(yīng)器和UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)的處理效果沒(méi)有顯著差異(p = 0.05, F = 0.19, d.f. = 3

18、)。3.3 UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)在脫色方面的作用在整個(gè)系統(tǒng)中，脫色率不低于80 （見(jiàn)圖5 ） 。色度主要是在厭氧階段得到減少。在運(yùn)行第3和第4階段，有氧階段對(duì)顏色脫除起到了促進(jìn)作用，因?yàn)榻到馀嫉玖蠒r(shí)的中間產(chǎn)物是最終脫色需要處理的。例如，在運(yùn)行階段3中，UASB反應(yīng)器的進(jìn)出水和CSTR反應(yīng)器的出水色度分別為285m-1、93m-1和44m-1，對(duì)應(yīng)的UASB 反應(yīng)器、CSTR反應(yīng)器與UASB /CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)的色度去除率分別為83 ， 23 和91 。需要注意到，在運(yùn)行階段1 中，進(jìn)水色度是由范德比爾特中型礦提供的，而非染料導(dǎo)致，這是因?yàn)榫C合廢水中不含染料。然而，在這一運(yùn)行階段，厭

19、氧處理出水和好氧處理出水中測(cè)定的色度是由生物量的底物代謝活動(dòng)產(chǎn)生的。換言之，因?yàn)樵谶\(yùn)行階段1中的反應(yīng)器中只含有一些膠體有機(jī)物，如代謝產(chǎn)物、死亡細(xì)胞等物質(zhì)的干擾色度測(cè)量。因此，為了真正的衡量運(yùn)行階段2 、3、4中的脫色率，運(yùn)行階段2 、3、4反應(yīng)器出水的吸光度值需要與不含染料的對(duì)照樣本進(jìn)行校準(zhǔn)。圖5圖6 因此，如圖5所示，在運(yùn)行階段1不計(jì)算色度去除率。正如上文所述，在Kuai等 4對(duì)某紡織廠的地毯印染廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的半連續(xù)厭氧/好氧活性污泥工藝處理研究中獲得了類(lèi)似研究成果 4 。在上述系統(tǒng)中水力停留時(shí)間為1-2天時(shí)，出水的化學(xué)需氧量和色度從6000 mg dm3和0.8個(gè)吸光度單位下降到 7

20、9-219 mg dm3和 0.02-0.07個(gè)吸光度單位（在波長(zhǎng)為500納米時(shí)測(cè)定）。在處理一個(gè)UASB 反應(yīng)器（ 4.5 L ）和活性污泥槽（ 5升）中COD濃度為1200 mg dm3，色度500（稀釋倍數(shù)）的染料制造廠廢水期間，厭氧階段和好氧階段的水力停留時(shí)間分別為610小時(shí)、6.5小時(shí)時(shí)，COD和色度的去除率分別大于83%和90% 9 。圖6顯示了在運(yùn)行階段4處理酸性染料廢水中，UASB/CSTR系統(tǒng)進(jìn)出水在不同波長(zhǎng)下測(cè)得的吸光度。進(jìn)水光譜在可見(jiàn)光區(qū)有兩個(gè)波峰，分別在波長(zhǎng)500和620 nm處。在厭氧處理過(guò)的水樣中，波峰在紫外區(qū)，波長(zhǎng)為360納米，這表明偶氮染料鍵 斷裂，從而為染料脫色提供證據(jù)。 圖7 從CSTR反應(yīng)器中取得的出水水樣在低波長(zhǎng)（325nm）下的吸收光譜最大， 這是因?yàn)樵趨捬鯒l件下產(chǎn)生的芳香胺在好氧條件下被去除