印染廢水生物處理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

王家賓，馬 樂，張 凱，李友祥，王新波

（魯泰紡織股份有限公司，山東淄博 255100）

印染行業(yè)廢水具有色度高、水質(zhì)水量變化大、含鹽量高、可生化性差等[1]特點，是難處理的工業(yè)廢水之一。隨著環(huán)保力度的加強以及廢水排放標準的提高，污水處理技術(shù)相應(yīng)地有了更高的要求。污水處理的方法主要包括物理法、化學法以及生物法。其中，利用生物法具有運行成本低、不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點，但存在掛膜困難、運行穩(wěn)定性差、污染物去除率低的缺點。針對生物法處理廢水過程的缺點，一系列新型生物處理方法被應(yīng)用到廢水處理中。污水處理技術(shù)的日趨發(fā)展為污水的深度處理提供了條件，同時，污水回用技術(shù)對清潔生產(chǎn)以及緩解水資源短缺問題具有重要意義。

1 菌種的選育及培養(yǎng)

生物處理法主要通過生物菌體的絮凝、吸附、生物轉(zhuǎn)化和生物降解作用對廢水中的污染物質(zhì)進行分離和降解?；钚晕勰嗍窃谏锾幚硐到y(tǒng)中起主體作用的物質(zhì)，是具有強大生命力的微生物群體，由細菌、真菌、原生動物和后生動物等各種生物和金屬氫氧化物等無機物形成污泥狀的絮凝物，具有良好的吸附、絮凝、生物氧化和生物合成作用。

傳統(tǒng)的生物培養(yǎng)方法是培養(yǎng)、馴化高效生物處理菌株，鑒定菌株后進行擴大培養(yǎng)并用于污水處理中。此外，還可以在土著微生物中引入具有代謝功能的基因片段，利用基因技術(shù)構(gòu)建高效微生物。這些生物強化技術(shù)是目前廢水處理研究中的熱點之一。

1.1 細菌

細菌是生物的主要類群之一，數(shù)量巨大、繁殖迅速，廣泛存在于土壤和水中；其中，異養(yǎng)腐生細菌是生態(tài)系統(tǒng)中重要的分解者，被廣泛用于廢水處理工程中。細菌作為生物法處理污水的核心組成部分，種類和活性是提高污水處理效率的關(guān)鍵。任隨周等[2]通過細菌脫色酶TpmD 酶學特性研究發(fā)現(xiàn)，TpmD 對結(jié)晶紫、堿性品紅、燦爛綠和孔雀綠4種三苯基甲烷類染料具有較強的脫色能力。Silveira等[3]采用假單胞菌屬處理14 種工業(yè)印染廢水，結(jié)果表明，食油假單胞菌對甲基橙、B15染料的脫色率達到80%以上，并且表現(xiàn)出較強的高濃度染料耐受性。

1.2 真菌

真菌是典型的異養(yǎng)生物，和細菌一樣是自然界的分解者，是廢水處理過程中應(yīng)用的主要微生物之一。真菌對復雜有機物的降解機理與細菌不同，本質(zhì)上與木質(zhì)素過氧化物酶（LiP）和錳過氧化物酶（MnP）對木質(zhì)素的降解機理類似，是一個以自由基為基礎(chǔ)的鏈式反應(yīng)過程，過程中染料本身被氧化脫色。這種反應(yīng)是胞外進行的非特異性反應(yīng)，因此真菌對降解底物具有高耐受性和降解廣譜性[4]；目前，白腐真菌是研究的熱點。

白腐真菌屬于擔子菌綱，常生長于樹木或者木材上，但應(yīng)用、研究當中所指的白腐真菌是對木質(zhì)素具有降解能力的一類真菌的統(tǒng)稱，黃孢原毛平革菌是其中的典型。白腐真菌能夠分泌特殊的胞外酶，這種酶具有非特異性，無需底物誘導，對不同種類的染料具有廣譜的降解能力[5-9]；此外，白腐真菌對降解底物無專一性要求，可以降解低濃度無機污染物，適應(yīng)性強。唐婉瑩等[10]對分離純化的白腐真菌進行長時間的連續(xù)馴化，其生物特征為：屬中溫菌，適宜溫度9～39 ℃；屬好氧菌；對一般微生物有強的拮抗作用，抗雜菌污染。研究了白腐真菌對TNT裝藥廠廢水、TNT紅水、分散染料生產(chǎn)廢水、紡織染整廢水的處理能力，結(jié)果表明，白腐真菌對多種污染物具有良好的降解能力。

真菌能夠快速地吸附并降解污水中的污染物質(zhì)，通過生物絮凝和生物降解有效地去除復雜污染物，使污染物完全礦化，避免二次污染及有毒中間體的產(chǎn)生，但真菌繁殖速度慢，在非滅菌環(huán)境中難以與細菌競爭，要保持系統(tǒng)不被其他雜菌感染相當困難[4,11-12]。即使初期啟動時，真菌在系統(tǒng)中存在優(yōu)勢，但一段時間后，真菌都會出現(xiàn)一定程度上的退化，而初期不占優(yōu)勢的細菌得以大量繁殖，重新取得優(yōu)勢。因此，強化系統(tǒng)中的真菌，保持真菌在系統(tǒng)中的長期優(yōu)勢，對提高廢水處理效果具有重要意義。Leidig等[13]采用細胞包埋技術(shù)，以聚乙烯醇包埋白腐真菌，避免其他雜菌污染，但隨著真菌的生長，最終會掙脫包埋的聚丙烯醇小球。高大文等[12]通過控制C/N研究了非滅菌條件下白腐真菌的脫色性能，結(jié)果表明，氮限制液體培養(yǎng)基（C/N=56/2.2 mmol/L）容易抑制細菌生長，使該培養(yǎng)基下的白腐真菌在非滅菌環(huán)境下對活性艷紅仍具有很高的脫色率。

2 生物法污水處理工藝

2.1 處理工藝優(yōu)化

生物法處理污水的過程中，直接作用于污染物的是微生物分泌的酶，外部條件的改變對微生物產(chǎn)酶量及酶的活性有重要影響，包括pH、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)、廢水組成等。金朝暉等[14]從受污染的土壤中分離出了多株脫色優(yōu)勢菌，并研究了脫色能力最強的3 株菌株的脫色條件，結(jié)果表明，該菌在pH=5～9、溫度18～37℃，且外加葡萄糖提供0.5%碳源時，對染料廢水的脫色率可達70%。肖繼波等[15]研究了真菌煙曲霉制成的生物吸附劑吸附活性艷紅過程中，初始pH、金屬離子、鹽度和脲對吸附容量的影響，結(jié)果表明，pH對吸附容量影響較大，而一定濃度的重金屬離子和氯化鈉對其吸附性能具有促進作用。

2.2 反應(yīng)器

改進反應(yīng)器的形態(tài)可以達到提高處理效率、減少能耗的目的，例如膨脹顆粒污泥床、流化床、折流式反應(yīng)器、序批式反應(yīng)器、循環(huán)式活性污泥法、膜生物反應(yīng)器以及其他各種組合工藝。

為了尋求高效、低耗、省投資的印染廢水處理新技術(shù)，將好氧處理技術(shù)與厭氧處理技術(shù)結(jié)合，開發(fā)了多種生物組合處理工藝，其中包括傳統(tǒng)工藝的改進及新工藝的應(yīng)用。周海峰等[16]采用O/A/O組合工藝處理印染廢水，并將兼氧池分2格，充分利用好氧、兼氧及AB法的特點，彌補了各自工藝的不足，工藝運行中好氧污泥可以在部分工藝內(nèi)消化，降低了建設(shè)費用與運行成本，實現(xiàn)了廢水的綜合治理。羅吳進等[17]采用連續(xù)攪動水箱式反應(yīng)器（CSBR）工藝處理印染廢水，在平均進水水質(zhì)的化學需氧量（COD）為1 200 mg/L，生物需氧量（BOD）為350 mg/L，懸浮固體（SS）質(zhì)量濃度為200 mg/L，色度為400 倍時，去除率分別為90%、94%、91%和85%。

2.3 運行條件

生物處理系統(tǒng)中運行條件的選擇及優(yōu)化，例如水力停留時間、運行負荷、氧化還原電位、曝氣量、污泥回流比、填料等因素的選取都會影響到反應(yīng)器能否順利啟動以及系統(tǒng)中微生物的活性和處理污染物的效率。應(yīng)一梅等[18]研究了IC 反應(yīng)器污泥接種和一次啟動階段的特點及主要影響因素，并討論了污泥接種量、進料方式、運行溫度、負荷提高方式、水質(zhì)穩(wěn)定性對IC 反應(yīng)器啟動的影響。喻學敏等[19]研究了ABR 反應(yīng)器處理印染廢水過程中水力停留時間對運行效果的影響，結(jié)果表明，在水力停留時間（HRT）為14～32 h時，ABR 各格室出水COD 逐漸降低，HRT 越長，COD去除率越高；在HRT 為32 h 時，色度去除率高達75%；廢水經(jīng)逐格處理后pH升高，氧化還原電位下降，廢水可生化性提高；綜合經(jīng)濟性因素與廢水處理效果，HRT選擇24 h最佳。

2.4 組合工藝

1978 年，Miller 和Rice 在總結(jié)歐洲水處理經(jīng)驗時首次正式提出了“生物活性炭”（BAC）一詞[20]。BAC指活性炭與微生物構(gòu)成一個組合系統(tǒng)，系統(tǒng)充分發(fā)揮微生物降解污染物與活性炭的吸附作用，二者相互協(xié)調(diào)達到改善出水效果、提高處理效率的目的，是目前國內(nèi)研究的熱點之一。以活性炭對微生物進行強化能縮短工程啟動、微生物掛膜時間。吳火焰等[21]采用不經(jīng)二沉池沉淀的二級生化出水啟動生物活性炭反應(yīng)器，結(jié)果表明，掛膜過程中進出水溶解氧量（DO值）變化小，出水pH 變化小時，硝化細菌生長狀況良好；生物膜成熟后，裝置對COD、色度及NH3-N 均具有較好的去除效果。

生物法與其他廢水處理工藝的結(jié)合可以最大限度地發(fā)揮各工藝的優(yōu)點，是目前廢水處理研究的重要方向。賈洪斌等[22]采用了2 種生物處理工藝，即將高效好氧工藝（HCR）法與生物活性炭法（PACT）結(jié)合，提高了反應(yīng)器中氧的利用率，增強了抗沖擊負荷能力，提高了處理效率。該工藝后處理采用纖維球?qū)υM行過濾，過濾速度快、效果好，回用水質(zhì)穩(wěn)定。生產(chǎn)性實驗表明，回用水可用于皂洗，洗后的布樣色光、深度與自來水一致。

此外，還有學者根據(jù)微生物的特性，研究了磁粉[23]、殼聚糖[24]以及生物促進劑[25]對生物法處理廢水中微生物的強化作用。

3 印染廢水回用技術(shù)研究進展

印染行業(yè)用水對水質(zhì)要求比較高，尤其是對色度、硬度、濁度、pH、鐵鹽等有嚴格要求。實際應(yīng)用過程中，三級污水處理基建投資大、運行費用高，一般污水處理廠普遍采用二級出水，仍含有極細微的懸浮物、磷、氮和難以生物降解的有機物、礦物質(zhì)、病原體等，需進一步凈化處理才能達到回用要求。

目前，關(guān)于印染廢水回用技術(shù)的研究，膜處理技術(shù)、離子交換技術(shù)、高級氧化技術(shù)等是主要研究熱點。這些新型污水深度處理技術(shù)能夠有效處理污水中的污染物，但是普遍存在處理成本高等問題。以膜處理技術(shù)為例，膜處理技術(shù)主要包括微濾、超濾、納濾、反滲透等，能夠有效降低廢水中總懸浮顆粒物（TSP）、硬度等，對廢水的色度及COD去除率不高。由于膜處理只是將廢水中的污染物濃縮，污染物并沒有分解，一般膜濾后的濃水再次進入污水處理系統(tǒng)，增加了處理難度與運行負荷；此外，膜處理過程中設(shè)備及運行費用高，對進水水質(zhì)要求較高，膜再生困難。因此，廢水回用工程一般采用生物法與膜處理技術(shù)聯(lián)用，以改善膜系統(tǒng)進水水質(zhì)，降低污水的色度與COD。

印染廢水回用過程中，可通過提高二級出水質(zhì)量盡量達到生產(chǎn)回用標準，這樣可以有效降低后續(xù)回用設(shè)備負荷，延長設(shè)備使用壽命，降低處理成本。黃瑞敏等[26]采用混凝脫色-曝氣生物濾池再深度處理的污水回用工藝進行現(xiàn)場實驗研究，結(jié)果表明此工藝出水色度可降低到10 倍以下，CODCr降到20 mg/L 以下；此工藝的關(guān)鍵在于高效脫色混凝劑的選擇和曝氣生物濾池的應(yīng)用。

通常二級出水的可生化性低，采用生物法進行回用處理效率偏低，但是對降低廢水色度及COD仍具有一定效果。曝氣生物濾池（BAF）是新型的水處理設(shè)備，可以有效去除廢水中的有機物，減輕后續(xù)處理負荷，降低廢水中色度、有機物、SS 等，為廢水深度處理提供保證，屬于廢水強化處理工藝，可以用于膜處理的進水預(yù)處理過程。

朱樂輝等[27]采用混凝沉淀-曝氣生物濾池-納米材料復合膜聯(lián)用進行印染廢水回用處理的研究，結(jié)果表明，此工藝能夠有效去除印染廢水中的濁度、色度、COD、SS；其中，在有機負荷小于5.32 kg COD/(m3·d)的3種工況下，BAF對COD去除率穩(wěn)定在80%左右，濁度去除率為85%～95%，色度去除率為50%～95%。董佳等[28]采用BAF-微絮凝組合工藝對印染廢水進行回用預(yù)處理，結(jié)果表明，BAF 對廢水中的濁度、SS、色度均具有一定的去除效果，當進水COD、SS 的質(zhì)量濃度分別為100、50～60 mg/L，色度為40 倍時，BAF 對COD、SS、色度平均去除率分別達到46.8%、85.0%、25.0%，BAF 出水再經(jīng)微絮凝處理后可滿足后續(xù)深度處理系統(tǒng)的進水要求。

此外，生物活性炭法（BAC）等新型的污水處理技術(shù)處理污水效率高、出水水質(zhì)好，也常用于印染廢水回用工程中廢水的預(yù)處理過程[29]。

4 結(jié)語

生物法處理印染廢水成本低，不產(chǎn)生二次污染，符合現(xiàn)今污染治理的要求，具有很大的發(fā)展空間。目前針對生物法應(yīng)用方面的研究很多，但是理論研究較少，應(yīng)該加強理論研究的深度與廣度，然后以理論指導應(yīng)用，可避免應(yīng)用中存在的許多問題。此外，針對廢水成分及排放標準不同的廢水生物處理工藝模式可以作為今后研究的方向。