厌氧折流板反应器处理模拟纺织印染废水研究

摘要：采用厌氧折流板反应器（ABR）处理模拟纺织印染废水，通过COD、染料RB-5 含量等指标来考察COD 容积负荷（VLR）变化对ABR 各隔室的影响。结果表明，当反应器VLR 由0.5 kg/（m3·d）提高到2.0 kg/（m3·d）的过程中，ABR 中COD 和RB-5 的平均去除率则一直稳定在90%和78%上下。并且，第1 隔室对污染物的降解起主要作用，其中COD 和RB-5 在第1 隔室中的平均去除率分别为61.5%和64.0%。后端隔室COD 及RB-5 的去除率有随有机负荷提高而上升趋势。由不同隔室组成的ABR 能承受较大负荷，更好的实现了COD 和RB-5 的同步去除。

纺织印染废水主要包括烧毛、退浆等前处理工序及染色等后处理工序运行过程中排放的废水[1-2]。其中退浆和染色工序是纺织印染废水的主要污染来源，即浆料（淀粉、聚乙烯醇等）和染料是纺织印染废水中亟待去除的污染物质。有统计表明，纺织工业中所用到的1 000 多种染料中，60%～70%为偶氮染料[3]。偶氮染料在环境中会产生对动植物及人类有毒的不良影响[4-5]。活性黑5（RB-5）是一种分子中含有偶氮双键的染料，还含有苯环、萘环、磺酸基等基团，是一种典型的偶氮染料[6]。

厌氧折流板反应器（ABR）是由美国斯坦福大学的MCCARTY 等研制的一种高效厌氧生物反应器，其对污泥的沉降性能没有特殊要求，目前被应用于多种废水的处理[7]。许明等采用ABR 处理印染废水时，发现1# 隔室对于COD 和色度的去除发挥主要作用[8]。PEREIRA 等用ABR 处理养猪场废水时，在BOD5容积负荷（VLR）在4.5 kg/（m3·d）时，COD 和BOD5的平均去除率分别达到了66.5%和77.8%[9]。PIRSAHEB 等利用ABR 处理高浓烘焙发酵生产废水时，当进水COD 为15 g/L 时，COD 最大去除率达到了95.1%；还发现沿反应器纵向运行过程中实现产酸和产甲烷的相分离[10]。

本研究利用ABR 处理纺织印染废水，探讨了在VLR发生改变时ABR 不同隔室运行的情况，以及ABR 处理纺织印染废水的可行性优势。

1 实验部分

1.1 实验装置

ABR 实验装置如图1 所示。采用由5 mm 的有机玻璃制成，反应器的尺寸为长×宽×高=565 mm×130 mm×410 mm，有效容积为24.5 L。分为5 个隔室，分别为1#～5#，各隔室的体积均相同。

1.2 用水与接种污泥

启动期间采用模拟纺织印染废水作为进水，以淀粉（工业级）作为浆料，外加RB-5（工业级）作为染料。模拟废水的主要成分见表1（其中微量元素母液体积分数为0.1 mL/L），微量元素母液的组成见表2，除特别要求外均为分析纯。进水pH 调整为7.6～7.8，色度为250 倍左右。

反应器接种厌氧颗粒污泥，污泥总悬浮物（TSS）的质量浓度为20.88 g/L，挥发性悬浮物（VSS）的质量浓度为13.54 g/L，ρ（VSS）/ρ（TSS）=0.65，污泥呈黑褐色，沉降性能良好。

1.3 运行过程

运行过程中控制ABR 的温度为（30±2） ℃，RB-5的质量浓度保持在20 mg/L 不变，COD 在1～2 g/L。ABR 共运行88 d，包括驯化阶段和负荷提高阶段。在负荷提高阶段，当去除率稳定后，通过改变进水COD 或提高进水流量来提高反应器VLR。主要运行过程如下：

1）污泥驯化阶段（第1－9 天）。此阶段采用较长的水力停留时间（HRT），旨在让处于休眠状态的微生物恢复活性。进水COD 维持在1 g/L 左右，HRT 为48 h，反应器的COD 容积负荷VLR 为0.5kg/（m3·d）。

2）负荷提高阶段（第10－88 天）。此阶段反应器的VLR 由1.0 kg/（m3·d）逐渐提高到2.0 kg/（m3·d）。第10～24 天，通过提高进水流量来提高负荷，后期则通过提高有机物含量来提高负荷。第25～67 天期间，进水COD 为1.6 g/L，流量保持不变。待各项指标稳定后，在第68 天，将VLR 提高到2.0 kg/（m3·d）来观察各隔室的运行情况。

1.4 分析方法

在分析各隔室的运行状况时，均使用ABR 在不同负荷下稳定运行时的每个时段的平均量。pH、温度、色度、COD、碱度及VFAs、SS、VSS 含量均采用相关标准方法测定[11]；RB-5 含量采用分光光度法测定[6]。

2 结果与讨论

2.1 反应器的启动

经过88 d 的运行，ABR 启动成功，期间进出水COD 和RB-5 含量、出水碱度随容积负荷的变化分别见图2-图4。

由图2～图4 可知，经9 d 的污泥驯化后，COD和RB-5 的总去除率分别稳定在85%和80%，说明微生物逐渐适应印染废水这种水质。在VLR 提高的过程中，出水COD 维持在100～200 mg/L，出水RB-5的质量浓度在2.5～8.0 mg/L 波动。其中在VLR 为0.5 kg/（m3·d）和1.0 kg/（m3·d）时，出水COD 和RB-5的质量浓度分别维持在100 mg/L 和4 mg/L 左右，此时COD 和RB-5 的去除率分别达到了90%和80%左右。当负荷提升到1.6 kg/（m3·d）一段时间后，出水RB-5 的质量浓度急速上升到5～7 mg/L，出水COD也升高到250～320 mg/L，ABR 的处理效能有所下降。此时出水碱度（CaCO3计）也由1.6 g/L 下降到1.2 g/L 左右，由此推测反应器中的碱度不足以维持厌氧发酵反应的正常进行而导致COD 和RB-5 处理效果下降。为了防止类似现象的发生，在后续运行过程中，进水碱度都得到有效的提高。随后将VLR提高到2.0 kg/（m3·d），出水COD 和RB-5 含量均经过短暂的上升后逐渐下降并保持稳定，去除率分别保持在92.3%和79.0%。

当负荷为1.6 kg/（m3·d）时，反应器1# 和2# 隔室均出现不同程度的污泥上浮现象。杨玉楠等采用ABR处理淀粉废水时，1# 隔室中也出现污泥上浮的现象。LU 等采用UASB 反应器处理淀粉废水时，经分析得出污泥漂浮是胞外聚合物（EPS）中的多糖（PS）含量较高所致[12]。因此可能为随着进水COD 的提高，在加上印染废水中的共基质（淀粉）较容易被微生物利用，反应器1# 和2# 隔室中的产酸菌生长迅速，产生大量的EPS 从而导致污泥上浮现象的发生[13]。这从另一方面印证了当负荷提高时进水碱度提高的必要性。

在VLR 提高的过程中，出水碱度维持在1.6～2.0g/L。只在负荷为1.6 kg/（m3·d）时，出水碱度出现下降。

总的来说，采用ABR 处理RB-5 印染废水，COD和RB-5 的去除率分别能稳定在90%和78%上下，表现出良好的污染物去除效果。

2.2 不同隔室的运行状况

2.2.1 COD 的去除效果

表3 为不同负荷稳定时各隔室的COD 去除率。

由表3 可知，随着VLR 的提高，各隔室COD 去除率均出现了明显的变化，1# 隔室COD 去除率呈现先上升后逐渐降低的现象，2# 隔室COD 去除率则呈现上升的趋势，3#～5# 隔室COD 去除率呈下降的趋势并稳定在2%以下。

结合图2 得知，反应器VLR 由0.5 kg/（m3·d）提高到1.0 kg/（m3·d）后，总的COD 去除率仅由89.0%提高到91.2%，其中各个隔室的COD 去除率却发生了较大的变化，1# 和2# 隔室的COD 平均去除率提高，而3#～5# 隔室COD 平均去除率均出现了明显的下降。随着VLR 提高到1.6 kg/（m3·d）后，由于1# 隔室受到较大的水力冲击负荷影响，COD 平均去除率下降，而2#～5# 隔室COD 去除率却均出现不同程度的上升，使得反应器总COD 去除率仍然保持在85%左右。

LIU 等采用水解酸化反应器处理RB-5 模拟染料废水，在COD 和RB-5 的质量浓度分别为1 000mg/L 和10～20 mg/L 的条件下，COD 的去除率在47.5%～57.6%波动[14]。这表明ABR 相比单一的水解酸化反应器具有COD 去除率高的优势。

在后续提高负荷过程中，1# 隔室COD 去除率仍出现明显的下降，而2# 隔室的去除率却上升，3#～5# 隔室的去除率却均下降到1.0%左右，总的COD去除率仍保持稳定，说明ABR 后端隔室将前端隔室未处理的有机物进行强化降解，从而使反应器在较高负荷时仍表现出良好的处理效果[15]。

2.2.2 RB-5 的去除效果

表4 为不同负荷稳定时各隔室的RB-5 去除率。

由表4 可知，各隔室分别挥发着不同程度的RB-5 降解作用，其中1# 隔室RB-5 的去除率始终稳定在58%以上，而2#～5# 隔室染料的去除率则变化较大。这与李小进等的研究结果基本一致[16]。

经过初期的污泥驯化后，各隔室呈现染料稳定去除的现象，由此得出反应器中降解RB-5 染料的微生物活性得到有效提高。当反应器VLR 由0.5 kg/（m3·d）提高到1.0 kg/（m3·d）时，与COD 去除率变化不同的是，1# 和2# 隔室RB-5 去除率均出现轻微的下降，其余隔室的RB-5 去除率均呈现上升的趋势。随着VLR 提高到1.6 kg/（m3·d）后，仅有1# 和3# 隔室染料去除率呈现下降的趋势，2#～5# 隔室却上升。由此可以看出RB-5 去除率沿程出现轻微的后移。当负荷进一步提高后，与前阶段相比，1# 隔室RB-5去除率没有明显的变化，2# 和3# 隔室RB-5 去除率则呈现上升的趋势，而4# 和5# 隔室则出现下降的趋势。由3# 隔室的RB-5 逐渐恢复，而4# 和5# 隔室RB-5 逐渐下降去除率，表明ABR 对于纺织印染这种水质水量变化大的废水表现出独特的处理优势。

结合表3 和表4 可知，COD 及RB-5 的去除主要发生在前面隔室中，这表明在有机物丰富的前面隔室中，碳源作为微生物生长的能源及电子供体，对于染料发色基团偶氮键的断裂具有重要作用[17]。KIM等在研究处理纺织印染废水时，也得出外部碳源的添加有助于加强染料的去除效果的结论[18]。

2.2.3 不同隔室pH 及VFAs 含量的变化

pH 是控制反应器稳定运行的重要参数之一，它通过影响酶的活性从而改变微生物的活性。一般来说，反应器的pH 应维持在6.5～7.8[19]。VFAs 则是厌氧消化过程中的重要中间产物，反应器出水VFAs含量是判断一个反应器运行好坏的重要指标。表5和表6 分别为不同负荷稳定时各隔室pH 和VFAs含量的变化。

由表5 和表6 可知，随着反应器隔室的递增，反应器中的pH 呈逐渐递增的趋势，VFAs 含量则呈现逐渐下降的趋势。随着负荷的增加，各隔室pH 波动较小，VFAs 含量变化较为明显。

各隔室pH 相对保持稳定，由此说明进水碱度是充足的。与其它隔室相比，1# 隔室pH 始终处于较低的状态。这与XU 等应用ABR 处理甘薯淀粉废水时前端隔室的pH 普遍偏低的描述基本一致[20]。

在反应器VLR 为0.5 kg/（m3·d）时，与2# 隔室相比，3#～5# 隔室VFAs 的转化率均较弱。随着VLR 提高到1.0 kg/（m3·d），3# 隔室转化VFAs 的能力有了明显的增强。当VLR 提高到1.6、2.0 kg/（m3·d）时，3# 和4#隔室转化VFAs 的能力均有明显的增强。分析原因是，随VLR 的提高，后端隔室中的产甲烷菌逐渐实现快速增殖，利用导致pH 降低的VFAs 等物质转化为甲烷和二氧化碳等物质（最大产甲烷率达到0.23 L/g）。

以上结果表明，利用ABR 器特殊的构造可以实现前端隔室主要发生水解酸化与后端隔室主要进行产甲烷过程，进而保证ABR 发挥良好的厌氧消化效果。

3 结论

在（30±2） ℃的条件下，经过88 d 的运行成功启动了ABR。在VLR 为2.0 kg/（m3·d）的条件下，COD和RB-5 的平均去除率分别稳定在90%和78%左右。

在反应器运行过程中，各隔室污染物的降解呈现不同的情况。随着反应器VLR 的提高，COD 的去除由1# 隔室占绝对优势逐渐过渡到1# 和2# 隔室同时发挥主要作用，但总的COD 去除率保持稳定在90%左右。RB-5 的去除主要发生在1# 隔室，并有向2# 隔室后移的趋势。这充分说明ABR 处理水质水量变化较大的废水具有一定的优势。

在反应器运行过程中，各隔室pH 及VFAs 含量的变化情况为：在不同的VLR 条件下，沿反应器的长度方向，各隔室pH 均保持稳定，而VFAs 含量呈现下降的趋势，同时VFAs 的转化能力有逐渐增强的趋势。