不同類型ABR處理印染廢水的對比研究

劉勇進，李 紅

（1.黃河水利職業技術學院，河南開封 475004；2.黃河工程質量檢測有限公司樁基檢測室，河南開封 475004）

隨著物質生活水平的逐步提高，人們在著裝的質量和數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展，所造成的污染也逐漸加重，從而導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、化學助劑、各種纖維材料以及整理劑等。據報道[1]，紡織業用水量居我國工業用水總量前5位，而紡織業中染整用水約占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境中。印染廢水主要來源于預處理、染色和整理等過程，廢水中污染物的種類及含量跟生產工藝、紡織品的種類以及所添加的輔料有關[2-3]，包含纖維自身的夾帶物和加工時所用的化學助劑、染料[4]。廢水具有可生化性差、生物毒性強、水質水量變化大、污染物色度和含量高[5]等特點，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的生物毒性，COD 高達2 000～3 000 mg/L，BOD5/COD 值一般為0.1～0.2[6]。因此，加強對印染廢水處理機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、化學法和生化法[7-8]，厭氧折流板反應器（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各隔室中的降解規律，比較圓形ABR與傳統的方形ABR對印染廢水處理效果的差異，以期促進ABR結構及功能的改進。

1 實驗

1.1 裝置與儀器

圓形ABR 實驗裝置見圖1，裝置由4 個同軸圓柱體構成，圓柱的直徑分別為20、150、200和350 mm，裝置高400 mm，其中第1 個和第3 個圓柱體看似倒扣碗的隔板，下端均向外傾斜45°，水由第1 個圓柱體中部進入，經過下部隔板后進入第2個圓柱體，構成第1個隔室；隨后水由第2圓柱體上端流到第3個圓柱體，經下部隔板后進入第4 個圓柱體后出水，形成第2 個隔室。圓柱體材質為有機玻璃，有效容積36 L。

圖1 圓形ABR

方形ABR實驗裝置見圖2。

圖2 方形ABR

方形ABR有效容積24 L，豎直折流板將該反應器分為3 個隔室，每室又由一個升流區和一個降流區組成，廢水由呈45°倒角的導流板進入，隔室底部設置排泥口，在每個隔室頂部設置水樣取樣口。裝置均置于平均溫度為20 ℃的室內，兩套裝置主要設備見表1。實驗所用儀器：紫外-可見分光光度計，電子天平，烘箱，精密酸度計，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元素和無機營養鹽，添加質量濃度為20 mg/L 的活性紅K-3B，其他營養物質質量濃度見表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。實驗進水COD 控制在700 mg/L 左右，HRT為24 h，平均啟動負荷為0.7 kg COD/(m3·d)。

表2 模擬印染廢水營養物質的配方

表3 礦物鹽營養物質的配方

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內的工業廢水和生活污水，所處理的印染廢水量占總處理量的80%。

1.3 分析項目及方法

本實驗測定的項目有：化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、氧化還原電位（ORP），采用重鉻酸鉀法測定COD質量濃度、納氏試劑分光光度法測定NH3-N質量濃度、pH 計測定ORP，樣品檢測時嚴格按照《水和廢水監測分析方法》[11]中相關規范進行。

2 ABR水力特性研究

目前有關水流運動水力特性的研究主要有計算流體力學（CFD）和停留時間（RTD）2 種方法，RTD 方法因操作簡單在氣相和液相流動特性研究中應用較為廣泛。本文采用ρ(θ)-θ（示蹤劑質量濃度和時間）曲線計算2種反應器的RTD水力特性。

清水示蹤劑實驗能反映反應器中的水力死區，主要通過構造變化引起反應器流態的變化，進而研究ABR 的水力特性。清水流態實驗采用自來水作為進水，實驗過程中不加污泥，通過添加NaCl作為示蹤劑，間隔一定時間測出水中氯離子的質量濃度，作ρ(θ)-θ曲線來分析兩套裝置內的水力變化特性。兩套裝置內均固定HRT為24 h，進水中添加的NaCl均為5 g時，兩套裝置的RTD曲線見圖3，水力特征參數如表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曲線均為不對稱單峰曲線，在0～0.5倍的HRT時間內，示蹤劑質量濃度幾乎沒變化，在0.5～1.0 HRT內，示蹤劑質量濃度迅速增大，在1.0 HRT 時達到最大值，隨后逐漸減小，這與其他學者研究結論基本吻合。

θ=1.0 時的水力特征參數如表4 所示。表中δ2為停留時間的方差、Vd為反應器內死水區容積、V為反應器容積、N為串級模型參數（N=1/δ2），當N=1時表明為單級全混流反應器（CSTR），N=∞時為活塞流反應器（PFR）[12]。由表4 可知：圓形和方形ABR 的N值分別為9.17 和7.81，表明兩套裝置反應器水流流態介于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。有學者研究表明，通過增加反應器內隔室數可使反應器內水流更趨于推流[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，這就相當于增加了反應器內的隔室，因而產生的推流效果更明顯。

圓形ABR 的死水區容積率Vd/V為0.116，小于方形ABR 的0.148，可能原因為：（1）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，進一步減少了死水區容積。

表4 2種不同類型ABR的水力特征參數

3 實驗啟動

反應器可通過高、低負荷2 種方式來啟動。在低負荷時，水體流速小，污泥流失量少，有利于污泥生長，因此本實驗采用低負荷啟動方式。實驗開始時廢水通過蠕動泵進入ABR，使泥水充分混合，反應器開始運行前3天因運行不穩定故未取水監測。觀察發現，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），盡管實驗時盡量控制HRT較長，但是仍有小部分污泥失活或流出反應器，這可能是由反應器內環境的變化以及水體沖刷作用造成的。

隨著反應時間的推移，一些死亡的微生物被排出反應器，剩下的微生物對反應環境的適應性越來越顯著；當加大進水中模擬印染廢水的量時，發現在各隔室液面上均有大量細小氣泡；裝置出水顏色經歷了暗紅色-粉紅色-微紅色的變化，表明懸浮污泥濃度逐漸降低，出水污染物質量濃度穩定，反應器啟動成功。

4 結果與討論

4.1 反應器內COD的變化情況

穩定運行后兩套裝置內各隔室的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 反應器中COD 均逐漸降低，圓形ABR 進水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 種類型反應器中各隔室的COD 相對去除率見圖6、7。

圖6 圓形ABR中各隔室的COD相對去除率

圖7 方形ABR中各隔室的COD相對去除率

分析可知：圓形ABR第1隔室和第2隔室的相對去除率分別為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相對去除率最高。因為經第1隔室后，污水與隔室內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，同時廢水中非溶解態的COD經第1隔室后大部分被污泥吸附沉降在反應器底部，后面隔室內主要發生水解酸化反應，以及在產甲烷菌的作用下消耗VFA等小分子物質，相對去除率較低[14]。方形ABR第2隔室的相對去除率低于第3隔室，可能是因為大分子有機物在第2隔室的水解酸化作用下斷裂或開環裂解為小分子有機物，在第3隔室中更易于降解。圓形ABR中COD總去除率為35.27%，方形ABR 中COD 總去除率為40.23%，兩者相差不大?？赡苁怯捎趫A形ABR的體積大于方形ABR，實驗時加入圓形ABR的污泥量過少而導致COD總去除率略小于方形ABR。

4.2 反應器內氨氮的變化情況

厭氧反應時，廢水中的有機氮在氨化菌作用下被轉化為氨氮，廢水中的氨氮、硝酸鹽及亞硝酸鹽在厭氧氨氧化細菌作用下又被轉化為氮氣，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，隨運行時間的延長，2 反應器進出水中氨氮質量濃度變化情況如圖8和9所示。

圖8 圓形ABR中各隔室氨氮質量濃度的變化

圖9 方形ABR中各隔室氨氮質量濃度的變化

由圖8、9 可知：兩套裝置出水氨氮質量濃度高于進水。這可能是因為廢水中含有偶氮染料，在缺氧或者厭氧環境中，廢水中氮元素在偶氮還原酶作用下轉化為氨，在偶氮還原酶作用下偶氮鍵又斷裂為2 個胺分子，反應式[15]如下：

胺分子在氫化酶和水解酶的作用下又被轉化成NH3，因此出水中氨氮質量濃度高于進水。

4.3 反應器內ORP的變化情況

微生物呼吸本質上就是發生氧化還原反應，因而ORP能夠較好地反映裝置內3種氧化還原環境（好氧、缺氧和厭氧）。影響反應器內ORP大小的因素有[16-17]：pH、電極反應、反應時發生變化的電子數、溫度、氧化及還原態物質的濃度。本實驗所測的ORP 是眾多反應中電位疊加后的值。

兩套反應器中各隔室ORP 隨運行時間的變化情況如圖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，兩套反應器各隔室中ORP值均逐漸降低，說明兩套裝置各隔室內還原態物質的量逐漸增大[2]，反應時間越長，反應器內環境越適合厭氧微生物的生長及繁殖，這是因為反應器前端隔室水解酸化菌群較多，后端隔室產甲烷菌群較多。

5 結論

（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，各隔室內還原態物質質量濃度逐漸增大，說明反應時間越長，反應器內環境越適合厭氧微生物的生長及繁殖。

（3）印染廢水中含有偶氮染料，在缺氧或者厭氧環境中，微生物在偶氮還原酶作用下會發生一系列反應將廢水中氮元素轉化為氨，在偶氮還原酶作用下偶氮鍵斷裂為2 個胺分子，在氫化酶和水解酶的作用下胺分子又轉化成NH3，從而導致出水中氨氮質量濃度高于進水。

（4）圓形ABR 的水力特性要優于方形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，具有更好的工程應用前景。