水生環(huán)境中合成有機染料的來源、影響及去除

文_季曉彬 德州市移動源污染防治中心

水生環(huán)境的污染正成為日益嚴重的問題，合成有機染料在水生生態(tài)系統(tǒng)中的濃度較低，因此被視為微污染物。染料被廣泛用于紡織品中制革、印刷、造紙工業(yè)及制藥和化妝品行業(yè)以及食品加工。某些合成有機染料被用作藥理活性物質（PAS），并應用于人類和獸醫(yī)學。

產(chǎn)生的大量染料及其廣泛的應用領域產(chǎn)生了大量的有色廢水和不同類型的后期生產(chǎn)廢水。此外，某些合成有機染料是緩慢或不可生物降解的，這使得廢水更難通過污水處理廠中的常規(guī)方法進行凈化。其中某些物質的毒性，包括致癌，過敏和皮膚病作用，因此這些染料化合物的生產(chǎn)和使用可能并不安全。

1 合成有機染料對水生生物的毒性

有學者進行染料毒性評估研究，該研究比較了2種偶氮和2種蒽醌染料對細菌，微藻和纖毛等不同生物的毒性。在經(jīng)過測試的染料中，毒性最高的是分散藍3，苦味硒的EC50為0.5mg/L，而費氏弧菌的EC50為488mg/L。該結果表明藻類比細菌對這種染料更敏感。此外，分散藍3對梨形四膜蟲也有影響，并導致生長抑制和細胞變形。也有人測試了多種合成有機染料對綠藻和水蚤的毒性，結果表明藻類對大多數(shù)測試染料更敏感，而只有9種染料對甲殼類有毒。即使在同一化學類別內(nèi)，合成有機染料在水生毒性方面也非常多樣化。例如，一項關于2種染料對甲殼類水蚤的水生毒性的研究表明，與熒光素的EC50為337mg/L相比，二氫四溴熒光素B的EC50為0.423 mg/L。相反，二氫四溴熒光素B和熒光素對魚類的影響的研究證明，這些染料不能歸類為對這些動物有毒（LC50＞100mg/L）。然而，另一項關于其他合成有機染料孔雀石綠的研究表明，其對異菌有明顯的毒性。因此，化石孔雀石綠屬于I類毒性?？兹甘G的中毒引起呼吸困難和游泳困難。另外，其他作者觀察到孔雀石綠對魚類的毒性作用，包括冷漠，動作不協(xié)調和躁動不安。值得注意的是，不同種類動物的染料毒性是不同的。例如，孔雀綠對尼羅羅非魚LC50的毒性為0.437mg/L，而對雜化石化石LC50的毒性為1mg/L。

紡織染料通常是不同化學類別的染料的混合物，因此與單一染料相比，它們對水生生物的影響可能有所不同。有學者測試了紡織工業(yè)中使用的6種染料對非洲爪蟾的影響，毒性最大的是阿斯特拉宗藍FGRL染料，它是偶氮（堿性藍159）和惡嗪（堿性藍3），LD50值為0.76 mg/L的混合物。分別研究了酸性紅97和堿性棕1（偶氮染料）對熱帶擬南芥的毒性。在測試的染料中，毒性最高的是堿性棕1，它會引起胚胎的眼睛，頭部，心臟或腸道的嚴重畸形。此外，摻入最高濃度為100μg/mL的堿性棕1的沉積物會導致青蛙幼蟲14%～16%的畸形。這些結果表明，即使被染料污染的沉積物也可能對生物體構成威脅并導致畸形。

2 水環(huán)境中的合成有機染料的來源

2.1 紡織、制革和造紙行業(yè)

在水環(huán)境中有許多直接和間接的染料化合物來源于紡織、制革和造紙行業(yè)，它們消耗大量的水，并通過將大量廢水排放到水生生態(tài)系統(tǒng)中從而帶來污染。含染料的廢水在不同的染色步驟中產(chǎn)生，并且染料損失在很大程度上取決于織物的類型和合成有機染料的類別。例如，將纖維素織物染色后的紡織品流出物可包含10%～40%的硫染料和10%～50%的活性染料。 僅紡織工業(yè)每年就產(chǎn)生2000億L有色廢水，并且大量含有染料（高達50%）的工業(yè)廢水直接排放到水生態(tài)系統(tǒng)中。據(jù)估計，僅在紡織部門，每年就流失約28萬t染料，并將其轉移到水環(huán)境中。據(jù)估計，工業(yè)用水污染直接來自紡織工業(yè)所占比例為20%。

2.2 生活污水

家庭廢水是水生環(huán)境中合成有機染料的另一種來源，使用含染料的化妝品或日用化學品排放到下水道，最終到達污水處理（STP）或直接排放到環(huán)境中。有學者分析了一個有17個公寓的建筑物中的灰色廢水，結果表明，灰色廢水中存在11種合成有機染料，包括酸性橙7、酸性藍25和酸性橙24。在抽樣過程中，每個居民都聲稱不染頭發(fā)或衣服，因此染料的存在與使用家用化學藥品有關，如洗發(fā)水，肥皂或洗衣粉。還有某些確定的合成有機染料是食用染料，例如酒石黃或亮藍色FCF。

2.3 污水處理廠污泥

污水處理廠每年產(chǎn)生大量的污水污泥，根據(jù)《2019年城市建設統(tǒng)計年鑒》，截止到2019年底，全國污水處理廠2471座，日處理能力達到了17863萬m3/d，污水處理廠年產(chǎn)干污泥約1000萬t。污水處理廠的污水污泥被填埋，或應用于土地或用于生產(chǎn)建筑材料。據(jù)估計，STP污泥產(chǎn)生的80%以上是處置是不適當?shù)?。工業(yè)區(qū)中與染料相關的化學物質存儲不當是造成水、沉積物和土壤污染的原因。來自不同行業(yè)分支機構的廢水到達STP，在該處將工業(yè)廢水用生活廢水稀釋，然后進行處理。大多數(shù)STP無法使用標準可用方法充分降解所有不需要的化合物，尤其是合成有機染料。

2.4 水產(chǎn)養(yǎng)殖

水環(huán)境中染料的另一個直接潛在來源可能是水產(chǎn)養(yǎng)殖，近幾年水產(chǎn)養(yǎng)殖增速很快。隨著這種密集的生產(chǎn)，不可避免地增加了在魚類養(yǎng)殖中藥物的使用。某些合成有機染料（如孔雀石綠，結晶紫或亞甲基藍）的高效率，易于獲得和低成本是其非法使用于預防和治療魚類寄生蟲，真菌或細菌感染的原因。

3 合成有染料的去除

3.1 廢水的初級處理

廢水的初級處理有助于通過化學和物理過程（包括研磨，沉淀和凝結/絮凝）去除有機和無機固體。由于沉降能去除掉諸如泥沙和粘土的懸浮顆粒。但是，簡單的沉降對于膠體和溶解的成分無效，因此應使用另一種方法，例如混凝。在這種方法中，將諸如明礬，硫酸鐵和氯化鐵之類的凝結劑添加到廢水中，以凝結和沉淀顆粒，最后將其收集為污泥?；炷且环N有效的去除廢水中染料的方法。例如，氯化鐵污泥已用作凝結劑，從廢水中去除酸性紅119，染料去除率達96.5%。

3.2 廢水的生物處理

生物處理（通常是二級處理）的目的是在有氧或厭氧條件下，在受控環(huán)境中利用微生物（例如藻類，細菌和真菌）利用有機物。有機物的分解經(jīng)歷生物過程，例如生物氧化和生物合成。生物氧化的結果是，懸浮在水溶液中的最終產(chǎn)品（如礦物質）隨廢水一起排出。生物合成導致溶解的有機物轉化為致密的生物質，可通過沉降輕松去除。在三次處理過程中，采用了不同的物理化學廢水處理方法，例如吸附，離子交換，反滲透和高級氧化工藝（AOPs），以去除其他有機和懸浮固體，有毒化合物。附是用于處理含染料廢水的最有效方法之一，該方法基于可溶染料從廢水到吸附劑表面的轉移。其有效性取決于許多因素，例如：吸附劑表面積的大小和孔隙率，染料與吸附劑之間的相互作用，溫度和pH值。最有效的吸附劑是活性炭，但由于成本高昂，其他廉價的吸附劑也來自不同類型的廢物，例如竹子，椰殼髓，油棕殼或橡膠輪胎。

3.3 其他方法

反滲透是一種膜工藝，廢水通過可滲透膜泵送，該膜具有保留離子溶解的化合物（例如水解活性染料）的能力。

高級氧化法（AOPs）是最有效的處理方法，能夠處理廢水中的不易去除的化合物，如芳香族化合物，農(nóng)藥和合成有機染料，可分為：輻照過程（光解，光催化）和非輻照過程（Fenton）其機理是基于產(chǎn)生高反應性氧化劑（主要是羥基自由基）的方法。在染料降解的情況下，最有效的AOP之一是Fenton過程，其中由于在亞鐵離子存在下O2的還原，H2O2和Fe2+鹽之間的反應可能導致自由基產(chǎn)生（Fenton過程）。或Fenton工藝在H2O2存在下進行額外的UV處理的結果（光Fenton工藝）。Fenton工藝已成功應用于合成有機染料的脫色和降解，例如酸性橙7，酸性藍7，酸性紅151，直接藍71，甲基紫6B等。

目前，只有通過生物和物理化學處理方法的結合才能有效地從廢水中去除染料。值得強調的是，AOPs是有效降解廢水中染料的一種有前途的方法，而且這種方法產(chǎn)生的廢物比其他可用方法少。

4 結語

由于合成有機染料在水體中的濃度較低，因此被認為是微污染物，但是收集到的數(shù)據(jù)表明，染料污染已成為整個環(huán)境日益嚴重的問題。在不同的環(huán)境樣品中，例如水、懸浮顆粒物、沉積物、表層土壤和野生魚類中，都會出現(xiàn)合成有機染料。環(huán)境染料污染的來源多種多樣，但總是與人類活動直接或間接相關。合成有機染料在整個環(huán)境中的全球傳播與水生環(huán)境直接相關。關于合成有機染料對水環(huán)境污染的最新知識表明，野生和養(yǎng)殖魚類可能受到污染，不僅因為人類直接在水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用非法染料，而且還因為未經(jīng)充分處理的廢水排放到水生態(tài)系統(tǒng)中會產(chǎn)生染料。