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: 處理的廢水是一個羊毛加工廠在羊毛染色加工過程中產(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。因為經(jīng)過序貫式厭氧/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。在水力停留時間為17小時的條件下，UASB反應(yīng)器對COD和色度的去除率分別為51-84和81-96 。在水力停留時間為3.3天的條件下，UASB/CSTR序貫式反應(yīng)器系統(tǒng)對化學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（TAA）將在好氧階段得到有效去除 。 1.簡介紡織加工行業(yè)產(chǎn)生的廢水中的不同的高化學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可能是鹽類（用于抵銷纖維中的zeta電位的氯化鈉和硫酸鈉），酸類（用于控制pH值的醋酸和硫酸），堿類（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型、

3、纖維和染色方法。Horning 2認為，使用不同印染工藝的毛紡廠酸性印染廢水的平均色度負荷為3200 ADMI（美國印染工業(yè)研究院單位制），總有機碳為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?shù)募夹g(shù)來去除印染廢水中的染料，因為它們對受納水體會有不利影響。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，而且運行費用較高 4 。此外，好氧工藝無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)工藝尚未報告。在這項研究中，處理水樣取自一個位于伊茲密爾的羊毛加工廠的染色加工過程中產(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. 實驗室規(guī)模反應(yīng)器系統(tǒng)、菌種及運行條件研究 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)器中進行連續(xù)的依次試驗。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)器包括一個曝氣池（有效容積= 9dm 3 ）和一個沉淀池（有效容積= 1.32 dm 3 ） 。處理的廢水是通過一個U型管流出，以阻止生物量在曝氣池處于穩(wěn)態(tài)之前進入曝氣池。曝氣池出水是通過池底斜板的洞進入沉淀池的。污泥回流是通過斜板下面的間隙進行的。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。而當污泥齡調(diào)整為20天時，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天的運行時間中，流量被定為一個常量3.5L/天。UASB反應(yīng)器、好氧CSTR以及整個UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)的水力停留時間分別為17小時、2.6天、3.3天。，因為原水的COD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。廢水的各項指標見表一。表一2.2. 酸性染色廢水 處理的廢水取自羊毛染色加工過程中產(chǎn)生的廢水，把廢水運到實驗室中使用序貫式厭氧/好

7、氧反應(yīng)工藝進行處理。這個工藝之前是用于偶氮染料的濃度高達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是在序貫厭氧/好氧反應(yīng)器系統(tǒng)處理之前進行測定的。在織物處理過程中，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（個人總結(jié)）。取自毛紡廠的印染廢水的各項指標列于表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

8、驗室規(guī)模的UASB反應(yīng)器/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)在運行階段1的7天開始階段是使用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行供料.在這一運行中沒有把染料加入廢水中因為它可以在這個過程中合成。在處理酸性印染廢水的研究中，在運行階段2、3、4中添加1000 mg/L葡萄糖構(gòu)成COD、2000mg/L NaHCO3，以模擬印染廢水因為酸性印染廢水中的含碳量、色度和堿度較低（見表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。因為原水經(jīng)過UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)處理后的色度較低，因此在運行階段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)了織物染色過程添加的染料的特征以及在實驗室模擬UASB反應(yīng)器/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)試驗時需要添加的染料量。2.3 分析 天然氣產(chǎn)量通過測量液體位移法測得。天然氣總量是通過使待測氣體通過含有2 （ V / V ）的硫酸和10 （ V /

10、 V ）的氯化鈉 15 測得的。沼氣中的甲烷含量時通過Dr¨ager Pac®Ex甲烷分析儀測定的。因為不同的染色步驟中使用的是不同染料，所以色度的測量是使用Olthof and Eckenfelder中的方法測定的 16 。根據(jù)這些方法，色度是通過測量三個波長（ 445、 540、660nm）下的吸光度來確定的，即把這三個波長下的吸光度值相加。運行階段1、2、3的出水吸光度值減去運行階段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

11、測得的吸光度值， d該試樣長度（寬度10毫米）和f是一個影響因素（1000）。 可溶性化學需氧量的測定是使用比色法及封閉回流使用方法測定的 17 。酸性印染廢水的惰性化學需氧量是通過用Germirli 18 制定的葡萄糖比較法測定的。該法可以測得有氧環(huán)境下的所有可溶性形式的化學需氧量。 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 的滴定法同時測定。取樣后應(yīng)立即測定pH值，以避免由于二氧化碳的演變帶來的任何變化。本試驗測定pH值的儀器是NEL pH 890pH計。CSTR反應(yīng)器中的溶解氧（ DO ）和曝氣池溫度是使用由德國WTW制造的測氧儀（Oxi 330/SET型）測定

12、的。生物量是通過測定的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 ）。化驗是按照水和廢水化驗的標準方法進行的 17 ?？偟姆枷惆泛繙y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波長下進行色譜分析以確定總芳香胺含量。同時校準對二氨基聯(lián)苯標準20。圖中給出的數(shù)據(jù)是三個重復(fù)取樣的測定值與標準偏差值。2.4 統(tǒng)計分析 不同變量之間的回歸分析是使用Microsoft WindowsTM （惠普公司，美國）的Excel 完成的。其線性相關(guān)性

13、是由r2評定的。r2值是相關(guān)系數(shù)，反映了自變量和因變量在統(tǒng)計學上的意義。方差分析（方差分析的SAS程序）測試是用來評估使用微軟WindowsTM （惠普公司，美國）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)率變化見圖1。在運行階段3中，向原水中添加酸性染料113藍和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。在這個過程中

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）下運行。揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率和甲烷氣體產(chǎn)率間無顯著線性關(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值見在圖2。在運行階段4 ，揮發(fā)性脂肪酸濃度略有增加，但不超過揮發(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)器運行穩(wěn)定 21 ，而運行階段3中，揮發(fā)性脂肪酸與碳酸氫鹽堿度的比例應(yīng)為0.025。測得得pH值（6.57.5）是適合所有運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個運行過程中的甲烷產(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 整個系統(tǒng)的COD去除率效率顯示在圖3 。可以說，在運行過程1、2、3中COD去除率在85%到95%之間，而 運行過程4中的COD去除率為75 。在運行過程2、3、4中 ， 1000mg/L的葡萄糖COD被加入原水中，而運行過程1中 ，原水中只含有2000mg/L的葡萄糖COD 。在

16、水力停留時間為2.3天的條件下，序貫式UASB/CSTR反應(yīng)器系統(tǒng)的運行過程1的出水的葡萄糖COD可減少到低至60mg/L ，因為在該水樣中只含有葡萄糖化學需氧量。這個COD值與惰性溶解性微生物產(chǎn)物構(gòu)成的COD，因為葡萄糖是是一種容易降解的有機物，可以被厭氧微生物完全分解 23 。應(yīng)當考慮溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）形成的COD通過底物代謝和生物衰退，因為Kuo等 23 提出出水中的可溶性COD大部分是SMP（50%90%）。在后續(xù)的運行過程中，最終的出水COD的值比運行過程1中的更高 ，這是因為原水中還存在一定量的惰性COD。圖4 在運行過程4中 ，因為原水中的惰性化學需氧量是200mg/L（

17、見圖 4 ），所以該系統(tǒng)出水的化學需氧量下降到約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。在運行過程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%。它可以說明不同的惰性COD的比例，即那種緩慢降解的有機物和容易降解的有機物的比例，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系統(tǒng)中，脫色率不低于80 （見圖5 ） 。色度主要是在厭氧階段得到減少。在運行第3和第4階段，有氧階段對顏色脫除起到了促進作用，因為降解偶氮染料時的中間產(chǎn)物是最終脫色需要處理的。例如，在運行階段3中，UASB反應(yīng)器的進出水和CSTR反應(yīng)器的出水色度分別為285m-1、93m-1和44m-1，對應(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，在運行階段1 中，進水色度是由范德比爾特中型礦提供的，而非染料導(dǎo)致，這是因為綜合廢水中不含染料。然而，在這一運行階段，厭

19、氧處理出水和好氧處理出水中測定的色度是由生物量的底物代謝活動產(chǎn)生的。換言之，因為在運行階段1中的反應(yīng)器中只含有一些膠體有機物，如代謝產(chǎn)物、死亡細胞等物質(zhì)的干擾色度測量。因此，為了真正的衡量運行階段2 、3、4中的脫色率，運行階段2 、3、4反應(yīng)器出水的吸光度值需要與不含染料的對照樣本進行校準。圖5圖6 因此，如圖5所示，在運行階段1不計算色度去除率。正如上文所述，在Kuai等 4對某紡織廠的地毯印染廢水進行實驗室規(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似研究成果 4 。在上述系統(tǒng)中水力停留時間為1-2天時，出水的化學需氧量和色度從6000 mg dm3和0.8個吸光度單位下降到 7

20、9-219 mg dm3和 0.02-0.07個吸光度單位（在波長為500納米時測定）。在處理一個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間分別為610小時、6.5小時時，COD和色度的去除率分別大于83%和90% 9 。圖6顯示了在運行階段4處理酸性染料廢水中，UASB/CSTR系統(tǒng)進出水在不同波長下測得的吸光度。進水光譜在可見光區(qū)有兩個波峰，分別在波長500和620 nm處。在厭氧處理過的水樣中，波峰在紫外區(qū)，波長為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（325nm）下的吸收光譜最大， 這是因為在厭氧條件下產(chǎn)生的芳香胺在好氧條件下被去除