缺氧污泥颗粒对印染废水的脱色机理分析

Posted 2023-01-12 反应器

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染料废水对水环境和水景观的影响不容忽略，急需寻求一种价格低廉、处理效能高的脱色技术。研究采用多格室水解反应器培养具有高脱色功能的缺氧污泥颗粒，并就缺氧污泥颗粒的形成条件和对染料废水的脱色机理、模型进行了阐述，提出了今后应进一步研究的内容。
0 引言
染料废物处理问题历来是困扰印染行业可持续发展的难题。印染废水色度主要产生于染料化合物的发色基团和助色基团。近几年来，有关印染废水脱色技术研究报道主要集中在以下几个方面[2～4]：物理处理、化学处理、生物处理。已报道的这些处理工艺都有其缺点，以沸石、活性炭等为原料的吸附剂处理量较少，需要昂贵的再生费用；先进氧化法的投资和运行费用较高；常规的生物法对染料，特别是对水溶性的活性和酸性染料色度去除率低[5～7]。目前利用生物污泥作为吸附剂对染料废水进行脱色研究报道日益增多，大部分报道主要以干污泥[8～12]和失活污泥作为吸附剂来进行研究，而采用缺氧污泥颗粒对染料废水进行脱色研究的报道很少[14～16]。因此笔者对缺氧污泥颗粒的形成条件和对染料废水的脱色机理进行阐述，为今后研究提供参考。
1.缺氧污泥颗粒的形成条件
1.1 反应器的设计
试验采用多格室水解反应器(Multi-compart-ment Hydrolysis Reactor，McHR)，又名改进型厌氧折流板反应器(Modified Anaerobic Baffled Reac-tor，MABR)。厌氧折流板反应器(ABR)最初是由美国Stanford大学McCarty等于1980年初提出的一种高效新型厌氧反应器。后来许多学者为了进一步提高反应器的性能，对反应器工艺进行了不同形式的优化改造。本试验采用的反应器就是改进型厌氧折流板反应器(如图1所示)。与传统的厌氧折流板反应器相比，多格室水解反应器具有以下特点：①反应器顶部为敞口式；②反应器最后一格为污泥沉降室；③混合液回流，沉降室污泥和后续好氧处理工艺段部分混合液回流。

1.2 工艺特性
(1)缺氧污泥颗粒与底物的传质效果好。水解反应器的流态处于推流与完全混合流态之间，对于每个格室而言，其流态表现为混合流态，有利于缺氧污泥与底物的充分接触，加速了底物从染料废水向微生物细胞的传递，促进了缺氧污泥颗粒的形成。
(2)污泥龄增长。在反应器导流板的阻挡和污泥自身的沉降作用下，反应器中的污泥上下运动，污泥的水平流速缓慢，反应器能够有效地截留活性微生物固体，污泥龄增长。
1.3 反应器的运行和操作条件
(1)氧化还原电位：氧化还原电位控制在+50mV以下。
(2)pH值：工艺对pH值的要求并不十分严格，水解酸化菌对酸碱的适应性较强，其适应的pH值范围较宽，适宜值为3.5～10，最优值为5.5～6.5。
(3)温度：适应范围广。
(4)参与微生物种群以厌氧和兼性菌为主。通过控制上述水力学参数，使反应主体控制在水解酸化阶段，而不是严格的产甲烷阶段，从而将水解酸化阶段从厌氧的整个过程中分离出来。反应器的运行控制在缺氧状态，反应器中产气量很小，反应器的整个流程方向表现为推流态。
2.缺氧污泥颗粒对印染废水的脱色机理分析
污泥颗粒对印染废水的脱色机理从理论上讲包括两个部分[8，9，14，18]：污泥颗粒对有机污染物的吸附；微生物对有机污染物的降解。
2.1 污泥颗粒对有机污染物的吸附
生物污泥具有较大的比表面积，是一种有多孔结构和胞外聚合物的絮体，对有机物有很好的表面吸附能力。
2.1.1 机理分析
污泥颗粒对染料分子的吸附有4个主要步骤[14，18]：①染料分子由本体溶液向污泥颗粒的液膜或者边界层迁移；②液膜扩散过程，染料分子由液膜向污泥颗粒的外表面迁移，此时污泥颗粒对染料分子的吸附速度与液膜扩散速度有关；③染料分子在污泥颗粒的微孔内扩散，微孔内扩散速度取决于组分在微孔中的流动性，与污泥颗粒微孔的构造、分布、结构有关；④微孔内表面的吸附反应过程，微孔内的活性部位或表面对染料分子的吸附。另有研究表明，活性污泥对非极性有机物的吸附由表面吸附和分配两个部分组成。活性污泥对非极性有机物的吸附不仅存在着表面吸附作用，而且也可能包含了污泥中的有机相(尤其是脂类)对有机物的分配作用。
2.1.2 吸附模型
污泥颗粒对有机污染物的吸附性能描述方法如下：
(1)Langmuir和Freundlich方程以及Redlich-Peterson等温线。Langmuir等温式是理论研究模型，适用于单分子层的吸附。Langmuir模型表达式为：

(2)采用吸附容积传质系数来描述。采用容积传质系数的方法，推导出表征污泥颗粒生物吸附性能的容积传质系数求解公式，为污泥生物吸附能力的定量化研究提供了新的途径。其表达式为

(3)表面吸附和分配假说。俞汉青等根据活性污泥对非极性有机物的吸附提出了表面吸附和分配假说，并建立了相应的数学模型，其表达式为

2.1.3 吸附反应动力学方程
为了研究吸附机理和反应过程中哪一个过程为速率控制过程，采用Lagergren一级速率方程和二级速率方程来描述。Lagergren一级速率方程线性表达式为：

2.2 微生物对有机污染物的降解
多格室水解反应器中的微生物菌群以厌氧和兼氧菌的混合菌群为主。有机污染物以偶氮染料为例，微生物对偶氮染料的脱色存在两种可能的机理[20，21]：①微生物新陈代谢过程中，在酶的作用下，偶氮染料作为最终电子受体接受电子，同时释放出能量ATP；②在微生物新陈代谢过程中，偶氮染料无条件地被还原为最终产物，无能量ATP释放。在厌氧条件下偶氮染料被降解的可能机制如图2所示。

3.结语
生物污泥来源广泛、价格低廉，采用生物污泥对染料废水进行脱色处理有着很好的发展前景。生物污泥作为吸附剂的种类主要有：活性污泥、厌氧污泥、缺氧污泥、干污泥、其他方法失活污泥。采用不同种类的吸附剂，污泥颗粒对有机污染物的吸附性能、吸附模型以及吸附反应动力学方程各异[7，18，22]。多格室水解反应器的折板式结构有利于缺氧污泥颗粒的形成和培养。与单独采用厌氧污泥和好氧污泥相比较，采用缺氧污泥对染料脱色处理克服了纯厌氧技术出水具有潜在毒性的缺点，同时染料的脱色性能和效果会大大提高[15，16]。然而，对于缺氧污泥颗粒的理化特性以及对染料的去除机理还有很多需要进一步研究的内容，尤其是缺氧污泥颗粒中微生物分泌的胞外酶在染料有机物降解过程中所起的作用，而胞外酶能否直接与染料有机物接触是决定降解过程的一个关键环节。