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染料生物降解脱色及印染废水FABR/O处理工艺研究

刘正芹

   印染废水是纺织工业水污染的主要来源,不仅排放量大,色度高,成分复杂,生物难以降解和污染程度高,而且部分染料具有毒性。随着化纤织物的发展和印染后整理技术的进步,浆料、染料、洗涤剂、化学助剂和整理剂等难生物降解的有机物大量进入印染废水,给废水处理增加了难度。现有的生物处理系统存在着处理效率低、剩余污泥量大、水处理药剂用量大和运行费用高等问题。因此,对印染废水进行经济有效地处理,日益成为当今环境保护的一大难题。由于水资源的日渐短缺和污染严重,印染废水的处理已引起高度重视。开展染料和印染助剂在各种条件下的生物降解性能研究和开发高效低费的废水生化处理系统具有重要意义,具有良好的社会效益和环境效益。 本研究选取两大类具有代表性、结构不同的常用阳离子染料(阳离子红2GL、阳离子红GTL、阳离子红6B、阳离子艳蓝2RL、碱性绿)和双活性基活性染料(活性红6BN、活性黄2GR、活性蓝BRF、活性黑Black B)为研究对象,通过对这些染料染色废水的污染物组分进行分析,采用呼吸法、基质去除法等方法对它们在好氧、兼氧、厌氧等不同条件下的生物降解性能进行测试、分析和评价;建立并研究了印染废水FABR/O(Facultative Anaerobic Baffled Reactor/Oxic)生化处理新工艺,通过试验,对染料浓度、硫酸盐浓度和纯碱浓度和水力停留时间等主要运行参数进行处理工艺优化,并进行了动力学参数研究;最后对阳离子红2GL和活性黄2GR的生物降解途径利用UV-可见光谱、红外光谱和液质联用光谱等分析手段进行了初步探索。 1.本研究对印染废水的污染物组分进行分析,在所测试的21种染色助剂、活性染料和阳离子染料中,只有螯合分散剂C-5000和匀染剂1227两种助剂和阳离子红6B降解性差,其余染料和助剂都是难降解的有机物。棉漂染废水COD主要由原棉中的各种伴生物、难降解的印染助剂所贡献,柔软剂COD在漂染废水总COD中所占的比例最大,约57.5%,而色度主要由染料造成。腈纶织物染色废水中,废水总COD主要由各种难降解的印染助剂贡献,去油纱剂、匀染剂和柔软剂等助剂的COD所占的比例最大,约70%左右,而色度主要由残余染料造成。 2.城市污水处理厂的活性污泥对所研究的两类染料的生物吸附都符合Freundlich吸附等温式。活性污泥对阳离子染料有很好的吸附性能,随着吸附时间的增加,溶液中残余染料的浓度降低,吸附率增加,主要以离子吸附为主。活性污泥对活性染料是化学吸附和物理吸附综合作用的结果,吸附量低。对活性黑Black B基本不吸附。 3.在好氧条件下,所实验阳离子染料的脱色率较高,污泥浓度的增加对提高阳离子染料的脱色率无明显影响。共代谢基质醋酸的浓度和染料浓度的增加对阳离子红2GL、阳离子红GTL、阳离子艳蓝2RL、碱性绿的脱色率的影响不明显,这几种结构阳离子染料的生物脱色是吸附和后续生物降解共同作用的结果。阳离子红6B能与醋酸产生共代谢作用而随醋酸浓度提高,脱色率增加。 活性染料的好氧脱色率是随降解时间、污泥浓度和葡萄糖浓度的增加而增加。染料浓度增加,各染料的脱色率降低。好氧污泥对具有双偶氮键结构的活性黑Black B的降解性能力差。由活性污泥对活性染料的吸附率很小的结论,可以推断活性染料的生物脱色作用主要是微生物降解的结果。在所试验的硫酸钠浓度(<2%)范围内,硫酸钠对活性红6BN的生物脱色没有不利影响,适量加入硫酸钠,还有助于活性染料的生物脱色。 在厌氧条件下,所试验的阳离子染料和活性染料在200mg/L浓度下都可以用生活污水处理厂的厌氧污泥处理,有很好的厌氧可生物降解性,脱色效果明显。阳离子染料厌氧脱色后没有明显的重新着色现象;而双偶氮活性染料未驯化污泥厌氧脱色后有重新着色现象。高浓度(500mg/L)活性染料在没有易降解基质葡萄糖的情况下,生物降解和脱色受到一定程度的抑制。 在兼氧条件下,所试验的阳离子染料具有良好的脱色性能。活性染料的兼氧脱色性能差异较大,单偶氮键染料较双偶氮染料容易脱色。阳离子染料兼氧生物脱色性能大大高于活性染料,脱色率高且需时间短;而阳离子染料的COD_(Cr)去除率则较活性染料低。两类染料在较宽温度范围15~30℃内都有较好的兼性厌氧降解性能。 兼氧—好氧试验表明,阳离子染料的兼氧脱色率大大高于活性染料,而活性染料的好氧脱色率又高于阳离子染料,两类染料的总脱色率都达到96.2%以上。两类染料的好氧COD_(Cr)去除率都大于兼氧COD_(Cr)去除率。兼氧出水的B/C大大高于进水的B/C,可生化性大大提高,使总COD_(Cr)去除率大大提高。 4.在研制的改良型FABR/O反应系统中,将ABR厌氧反应器改良为兼氧反应器,并在FABR反应器内壁四周贴附新型混合毛绒材料,增强微生物膜泥共生系统功能,更好地截留兼氧活性污泥,克服严格厌氧运行条件苛刻等缺点,实现快速启动。好氧段的剩余污泥回流至FABR兼氧段,起到污泥减容化的作用。将改良型FABR/O反应系统运用于印染废水的处理过程。 FABR/O系统处理印染废水是非常有效的,FABR段高效脱色,COD_(Cr)大幅降低。进水COD_(Cr)控制在1000~1200mg/L,染料浓度100mg/L,HRT约为24h时,总COD_(Cr)去除率达到85%以上,色度去除率达90%以上。染料浓度增加,都会降低染料的COD_(Cr)去除率。 硫酸钠浓度(100~2500mg/L)对FABR的处理效果影响并不显著,活性染料的COD_(Cr)去除率稳定在70%以上,脱色率稳定在91.8%以上。纯碱浓度对FABR的处理效果影响较大,纯碱浓度增加,COD_(Cr)去除率和脱色率下降。纯碱浓度增加到2000mg/L时,COD_(Cr)去除率和脱色率分别下降到33.5%和68%,实际工程应用时应特别注意碱度的监控。 对FABR/O废水生化处理系统进行动力学研究表明,难降解废水经FABR段处理后,饱和常数减小,可生化性有较大改善。 5.对阳离子染料2GL和活性染料2GR经FABR/O处理前后的结构变化用U—可见光谱、红外光谱、液—质联用(LC-MS)进行分析,结果表明,两种染料在FABR反应器中就得到很好的降解,在可见光区域没有吸收峰,脱色效果显著;出现了一些烃类、胺类和醚类等小分子物质。在兼氧菌的作用下,染料在偶氮键处断裂,由染料大分子降解为染料中分子,最后降解为小分子,苯环峰消失。 本研究所研制的改良型FABR/O反应系统,生化反应条件宽松,FABR反应器折流板上贴有毛绒材料,使兼氧生物膜法与好氧活性污泥法这两种生物处理方法得以有机结合,优势互补,因而可以获得比一般厌氧—好氧工艺更好的处理效果。具有结构简单、运行稳定、处理效率高、运行费用低、污泥产量低等特点。……   
[关键词]:改良型FABR/O工艺;生物降解;脱色;阳离子染料;活性染料;印染废水
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:东华大学2007年