不同類型ABR處理印染廢水的對(duì)比研究

劉勇進(jìn)，李 紅

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004；2.黃河工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司樁基檢測(cè)室，河南開封 475004）

隨著物質(zhì)生活水平的逐步提高，人們?cè)谥b的質(zhì)量和數(shù)量方面的要求越來越高，紡織品得到了較大的改善，染料也一步步朝著抗生物降解的方向發(fā)展，所造成的污染也逐漸加重，從而導(dǎo)致廢水越來越難治理。印染廢水的污染物主要包括染料、漿料、表面活性劑、化學(xué)助劑、各種纖維材料以及整理劑等。據(jù)報(bào)道[1]，紡織業(yè)用水量居我國工業(yè)用水總量前5位，而紡織業(yè)中染整用水約占84%。目前，我國印染廢水日排放量為3.2×106～4.5×106m3，約占工業(yè)廢水總量的30%，印染廢水的回用率不到10%，其中90%以上的廢水均直接排入外環(huán)境中。印染廢水主要來源于預(yù)處理、染色和整理等過程，廢水中污染物的種類及含量跟生產(chǎn)工藝、紡織品的種類以及所添加的輔料有關(guān)[2-3]，包含纖維自身的夾帶物和加工時(shí)所用的化學(xué)助劑、染料[4]。廢水具有可生化性差、生物毒性強(qiáng)、水質(zhì)水量變化大、污染物色度和含量高[5]等特點(diǎn)，印染廢水中的苯及其同系物、氨基化合物和硝基化合物均具有較強(qiáng)的生物毒性，COD 高達(dá)2 000～3 000 mg/L，BOD5/COD 值一般為0.1～0.2[6]。因此，加強(qiáng)對(duì)印染廢水處理機(jī)理方面的研究具有重要的意義。

目前，印染廢水的處理方法主要有物化法、化學(xué)法和生化法[7-8]，厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）法作為生化法中印染廢水處理使用較多的工藝之一，近年來在ABR 方面的研究較多，并取得了較好的成果[9-10]。本研究采用添加活性紅染料的水溶液來模擬印染廢水，考察印染廢水中污染物在ABR各隔室中的降解規(guī)律，比較圓形ABR與傳統(tǒng)的方形ABR對(duì)印染廢水處理效果的差異，以期促進(jìn)ABR結(jié)構(gòu)及功能的改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置與儀器

圓形ABR 實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，裝置由4 個(gè)同軸圓柱體構(gòu)成，圓柱的直徑分別為20、150、200和350 mm，裝置高400 mm，其中第1 個(gè)和第3 個(gè)圓柱體看似倒扣碗的隔板，下端均向外傾斜45°，水由第1 個(gè)圓柱體中部進(jìn)入，經(jīng)過下部隔板后進(jìn)入第2個(gè)圓柱體，構(gòu)成第1個(gè)隔室；隨后水由第2圓柱體上端流到第3個(gè)圓柱體，經(jīng)下部隔板后進(jìn)入第4 個(gè)圓柱體后出水，形成第2 個(gè)隔室。圓柱體材質(zhì)為有機(jī)玻璃，有效容積36 L。

圖1 圓形ABR

方形ABR實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 方形ABR

方形ABR有效容積24 L，豎直折流板將該反應(yīng)器分為3 個(gè)隔室，每室又由一個(gè)升流區(qū)和一個(gè)降流區(qū)組成，廢水由呈45°倒角的導(dǎo)流板進(jìn)入，隔室底部設(shè)置排泥口，在每個(gè)隔室頂部設(shè)置水樣取樣口。裝置均置于平均溫度為20 ℃的室內(nèi)，兩套裝置主要設(shè)備見表1。實(shí)驗(yàn)所用儀器：紫外-可見分光光度計(jì)，電子天平，烘箱，精密酸度計(jì)，溶解儀，加熱棒，OPR電極，COD消解器及電冰箱。

1.2 廢水及污泥

人工模擬印染廢水：在廢水中加入適量的微量礦物質(zhì)元素和無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽，添加質(zhì)量濃度為20 mg/L 的活性紅K-3B，其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度見表2，另外在每1 L 的模擬印染廢水中添加0.1 mL 微量元素母液，其配方見表3。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水COD 控制在700 mg/L 左右，HRT為24 h，平均啟動(dòng)負(fù)荷為0.7 kg COD/(m3·d)。

表2 模擬印染廢水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的配方

表3 礦物鹽營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的配方

兩套裝置所用污泥均取自常熟市某污水廠，采用已馴化的微生物直接接種。該污水廠主要處理園區(qū)內(nèi)的工業(yè)廢水和生活污水，所處理的印染廢水量占總處理量的80%。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的項(xiàng)目有：化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、氧化還原電位（ORP），采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD質(zhì)量濃度、納氏試劑分光光度法測(cè)定NH3-N質(zhì)量濃度、pH 計(jì)測(cè)定ORP，樣品檢測(cè)時(shí)嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[11]中相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

2 ABR水力特性研究

目前有關(guān)水流運(yùn)動(dòng)水力特性的研究主要有計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和停留時(shí)間（RTD）2 種方法，RTD 方法因操作簡(jiǎn)單在氣相和液相流動(dòng)特性研究中應(yīng)用較為廣泛。本文采用ρ(θ)-θ（示蹤劑質(zhì)量濃度和時(shí)間）曲線計(jì)算2種反應(yīng)器的RTD水力特性。

清水示蹤劑實(shí)驗(yàn)?zāi)芊从撤磻?yīng)器中的水力死區(qū)，主要通過構(gòu)造變化引起反應(yīng)器流態(tài)的變化，進(jìn)而研究ABR 的水力特性。清水流態(tài)實(shí)驗(yàn)采用自來水作為進(jìn)水，實(shí)驗(yàn)過程中不加污泥，通過添加NaCl作為示蹤劑，間隔一定時(shí)間測(cè)出水中氯離子的質(zhì)量濃度，作ρ(θ)-θ曲線來分析兩套裝置內(nèi)的水力變化特性。兩套裝置內(nèi)均固定HRT為24 h，進(jìn)水中添加的NaCl均為5 g時(shí)，兩套裝置的RTD曲線見圖3，水力特征參數(shù)如表4所示。

圖3 2種不同類型ABR的RTD曲線

由圖3分析可知：兩套裝置的RTD曲線均為不對(duì)稱單峰曲線，在0～0.5倍的HRT時(shí)間內(nèi)，示蹤劑質(zhì)量濃度幾乎沒變化，在0.5～1.0 HRT內(nèi)，示蹤劑質(zhì)量濃度迅速增大，在1.0 HRT 時(shí)達(dá)到最大值，隨后逐漸減小，這與其他學(xué)者研究結(jié)論基本吻合。

θ=1.0 時(shí)的水力特征參數(shù)如表4 所示。表中δ2為停留時(shí)間的方差、Vd為反應(yīng)器內(nèi)死水區(qū)容積、V為反應(yīng)器容積、N為串級(jí)模型參數(shù)（N=1/δ2），當(dāng)N=1時(shí)表明為單級(jí)全混流反應(yīng)器（CSTR），N=∞時(shí)為活塞流反應(yīng)器（PFR）[12]。由表4 可知：圓形和方形ABR 的N值分別為9.17 和7.81，表明兩套裝置反應(yīng)器水流流態(tài)介于CSTR 和PFR 之間；圓形ABR 裝置的N值較大，因此圓形ABR 中的水流更趨于推流。有學(xué)者研究表明，通過增加反應(yīng)器內(nèi)隔室數(shù)可使反應(yīng)器內(nèi)水流更趨于推流[13]，而圓形ABR 由于高徑比較大，一方面可以減少占地面積，另一方面又增大了流程，這就相當(dāng)于增加了反應(yīng)器內(nèi)的隔室，因而產(chǎn)生的推流效果更明顯。

圓形ABR 的死水區(qū)容積率Vd/V為0.116，小于方形ABR 的0.148，可能原因?yàn)椋海?）圓形ABR 高徑比較大，占地面積小，拐角處水的體積較少，而反應(yīng)器的死角一般主要在水流的拐角處；（2）占地面積小，從而拐角處流速較大，局部的混流作用加強(qiáng)，進(jìn)一步減少了死水區(qū)容積。

表4 2種不同類型ABR的水力特征參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)

反應(yīng)器可通過高、低負(fù)荷2 種方式來啟動(dòng)。在低負(fù)荷時(shí)，水體流速小，污泥流失量少，有利于污泥生長(zhǎng)，因此本實(shí)驗(yàn)采用低負(fù)荷啟動(dòng)方式。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)廢水通過蠕動(dòng)泵進(jìn)入ABR，使泥水充分混合，反應(yīng)器開始運(yùn)行前3天因運(yùn)行不穩(wěn)定故未取水監(jiān)測(cè)。觀察發(fā)現(xiàn)，各隔室水面上均漂浮有褐色絮狀污泥（尤以第1 隔室最為明顯，且出水較為渾濁），盡管實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量控制HRT較長(zhǎng)，但是仍有小部分污泥失活或流出反應(yīng)器，這可能是由反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境的變化以及水體沖刷作用造成的。

隨著反應(yīng)時(shí)間的推移，一些死亡的微生物被排出反應(yīng)器，剩下的微生物對(duì)反應(yīng)環(huán)境的適應(yīng)性越來越顯著；當(dāng)加大進(jìn)水中模擬印染廢水的量時(shí)，發(fā)現(xiàn)在各隔室液面上均有大量細(xì)小氣泡；裝置出水顏色經(jīng)歷了暗紅色-粉紅色-微紅色的變化，表明懸浮污泥濃度逐漸降低，出水污染物質(zhì)量濃度穩(wěn)定，反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

4 結(jié)果與討論

4.1 反應(yīng)器內(nèi)COD的變化情況

穩(wěn)定運(yùn)行后兩套裝置內(nèi)各隔室的COD分別如圖4和圖5所示。

圖4 圓形ABR中COD隨隔室的變化

圖5 方形ABR中COD隨隔室的變化

分析可知：2 反應(yīng)器中COD 均逐漸降低，圓形ABR 進(jìn)水COD 為691 mg/L，出水COD 為439 mg/L，COD 去除率為35.27%；方形ABR 中進(jìn)水COD 為696 mg/L，出水COD為416 mg/L，COD去除率為40.23%。

2 種類型反應(yīng)器中各隔室的COD 相對(duì)去除率見圖6、7。

圖6 圓形ABR中各隔室的COD相對(duì)去除率

圖7 方形ABR中各隔室的COD相對(duì)去除率

分析可知：圓形ABR第1隔室和第2隔室的相對(duì)去除率分別為25.07%和13.68%。方形ABR第1隔室、第2隔室和第3隔室的相對(duì)去除率分別為21.25%、12.01%和13.81%。兩套裝置均是第1隔室的COD相對(duì)去除率最高。因?yàn)榻?jīng)第1隔室后，污水與隔室內(nèi)微生物混合較為充分，廢水中小分子污染物（可被微生物直接利用）得到有效降解，同時(shí)廢水中非溶解態(tài)的COD經(jīng)第1隔室后大部分被污泥吸附沉降在反應(yīng)器底部，后面隔室內(nèi)主要發(fā)生水解酸化反應(yīng)，以及在產(chǎn)甲烷菌的作用下消耗VFA等小分子物質(zhì)，相對(duì)去除率較低[14]。方形ABR第2隔室的相對(duì)去除率低于第3隔室，可能是因?yàn)榇蠓肿佑袡C(jī)物在第2隔室的水解酸化作用下斷裂或開環(huán)裂解為小分子有機(jī)物，在第3隔室中更易于降解。圓形ABR中COD總?cè)コ蕿?5.27%，方形ABR 中COD 總?cè)コ蕿?0.23%，兩者相差不大?？赡苁怯捎趫A形ABR的體積大于方形ABR，實(shí)驗(yàn)時(shí)加入圓形ABR的污泥量過少而導(dǎo)致COD總?cè)コ事孕∮诜叫蜛BR。

4.2 反應(yīng)器內(nèi)氨氮的變化情況

厭氧反應(yīng)時(shí)，廢水中的有機(jī)氮在氨化菌作用下被轉(zhuǎn)化為氨氮，廢水中的氨氮、硝酸鹽及亞硝酸鹽在厭氧氨氧化細(xì)菌作用下又被轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，廢水中部分氨氮在厭氧微生物作用下可被自身吸收[14]。因此，廢水中的氨氮量與生成量、自身消耗量有關(guān)，隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，2 反應(yīng)器進(jìn)出水中氨氮質(zhì)量濃度變化情況如圖8和9所示。

圖8 圓形ABR中各隔室氨氮質(zhì)量濃度的變化

圖9 方形ABR中各隔室氨氮質(zhì)量濃度的變化

由圖8、9 可知：兩套裝置出水氨氮質(zhì)量濃度高于進(jìn)水。這可能是因?yàn)閺U水中含有偶氮染料，在缺氧或者厭氧環(huán)境中，廢水中氮元素在偶氮還原酶作用下轉(zhuǎn)化為氨，在偶氮還原酶作用下偶氮鍵又?jǐn)嗔褳? 個(gè)胺分子，反應(yīng)式[15]如下：

胺分子在氫化酶和水解酶的作用下又被轉(zhuǎn)化成NH3，因此出水中氨氮質(zhì)量濃度高于進(jìn)水。

4.3 反應(yīng)器內(nèi)ORP的變化情況

微生物呼吸本質(zhì)上就是發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因而ORP能夠較好地反映裝置內(nèi)3種氧化還原環(huán)境（好氧、缺氧和厭氧）。影響反應(yīng)器內(nèi)ORP大小的因素有[16-17]：pH、電極反應(yīng)、反應(yīng)時(shí)發(fā)生變化的電子數(shù)、溫度、氧化及還原態(tài)物質(zhì)的濃度。本實(shí)驗(yàn)所測(cè)的ORP 是眾多反應(yīng)中電位疊加后的值。

兩套反應(yīng)器中各隔室ORP 隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況如圖10及圖11所示。

圖10 圓形ABR中ORP隨隔室的變化

圖11 方形ABR中ORP隨隔室的變化

分析可知：圓形ABR 第1 隔室和第2 隔室內(nèi)ORP分別為-364和-385 mV，方形ABR裝置第1隔室、第2隔室和第3隔室ORP分別為-301、-321和-349 mV，兩套反應(yīng)器各隔室中ORP值均逐漸降低，說明兩套裝置各隔室內(nèi)還原態(tài)物質(zhì)的量逐漸增大[2]，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境越適合厭氧微生物的生長(zhǎng)及繁殖，這是因?yàn)榉磻?yīng)器前端隔室水解酸化菌群較多，后端隔室產(chǎn)甲烷菌群較多。

5 結(jié)論

（1）采用ABR 裝置處理印染廢水，COD 去除效果較好，圓形和方形ABR的廢水COD去除率相差不大，且各隔室COD的去除率逐漸降低。

（2）ORP的高低能說明反應(yīng)器的厭氧程度。兩套裝置ORP值從第1隔室至第2、3隔室均逐漸降低，各隔室內(nèi)還原態(tài)物質(zhì)質(zhì)量濃度逐漸增大，說明反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境越適合厭氧微生物的生長(zhǎng)及繁殖。

（3）印染廢水中含有偶氮染料，在缺氧或者厭氧環(huán)境中，微生物在偶氮還原酶作用下會(huì)發(fā)生一系列反應(yīng)將廢水中氮元素轉(zhuǎn)化為氨，在偶氮還原酶作用下偶氮鍵斷裂為2 個(gè)胺分子，在氫化酶和水解酶的作用下胺分子又轉(zhuǎn)化成NH3，從而導(dǎo)致出水中氨氮質(zhì)量濃度高于進(jìn)水。

（4）圓形ABR 的水力特性要優(yōu)于方形ABR，且具有更大的高徑比，因此可以減少占地面積，降低工程造價(jià)，具有更好的工程應(yīng)用前景。