联合生物和吸附处理印染废水的SBR工艺的性能评价外文翻译资料

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联合生物和吸附处理印染废水的SBR工艺的性能评价

S. Sathian,M.Rajasimmanlowast;, C.S.Rathnasabapathy,C.Karthikeyan

摘要

在这项工作中，序批式活性污泥法（SBR）利用物理和生物过程的组合对印染废水进行处理。白腐真菌（WRFs）、佛州侧耳、灵芝和毛栓菌的混合培养用作反应器中的微生物。根据各种吸附剂的能力对其进行筛选并用来脱色印染废水。从结果来看，罗望子种子是最有效的吸附剂，因此它随着微生物一并用在SBR工艺中。统计设计用作如空气流速、污泥龄（SRT）和吸附剂用量的过程变量的优化。对脱色率、化学需氧量（COD）削减率和污泥容积指数（SVI）的影响因素进行了研究。最佳条件为：空气流速13LPH，污泥龄17d，吸附剂剂量11g/L。在优化条件下，通过改变初始底物浓度和污泥龄研究SBR工艺在各种有机负荷率下的性能。在有机负荷率为0.165kgCOD/m³·d下，脱色率和COD削减率最高分别达到86.6%和96%。SEM分析证实了染料分子进入吸附剂的吸附过程。

1.引言

序批式活性污泥法（SBR）是一种设计用于处理多种工业废水的活性污泥法，有一些作品提及SBR法处理废水的适用性[1-9]。SBR法在特殊废物流强度和处理性特征的匹配反应和稳定时间方面具有非常灵活的优点。过程易于操作，混合液悬浮固体浓度（MLSS）不能由液压涌动和静态沉降冲蚀，可能会产生较低的流出的总悬浮固体（TSS）的浓度。

印染工业废水是对环境和人类产生问题的高浓度废水之一。以往的研究主要集中于用于处理合成和实际染料工业废水的各种生物，化学和物理技术。显然，三个领域都具有用于补救印染工业废水的潜能[10-12]。然而，化学处理往往价格昂贵而被有限利用，而物理去除可能导致额外的固体废物，增加开销。但是，生物处理已经能够有效地减少印染工业废水，甚至运用适当的时候比其他整治过程有更低的运营成本。

印染工业废水中含有可生物降解基质和抑菌成分。因此，单独的生物处理可能不足以去除非可生物降解的基质。在处理印染工业废水的过程中，某些困难如生物量增长与抑制已经遭遇过。化学和生物或物理和生物处理的组合也已被证明是有效的[13,14]。在这项工作中，为了增强SBR系统处理印染废水的的性能，添加吸附剂。增加到SBR中的吸附剂还包括同时生物降解和吸附过程。加入吸附剂较常规方法的优点是：除去COD和生物需氧量（BOD），改善稳定性以冲击载荷和毒性顶锻，增强有毒物质和优先级污染物的去除，高效的色度去除，改善污泥沉降和脱水，抑制挥发性有机物的剥离以及在曝气器中尽可能少的形成[15]。因此，这项研究的重点是SBR工艺中物理和生物过程组合处理印染工业废水。没有研究报道关于响应曲面法（RSM）在联合生物和物理过程的SBR工艺的应用。

图1 序批式反应器设置示意图

2.材料和方法

2.1.材料

印染工业废水从坐落在印度泰米尔纳德邦的一个小规模纺织染料工业收集。废水贮存在冰箱里保持5℃。废水在实验室进行分析，并在我们较早的文章中报道[16]。白腐真菌，佛州侧耳（MTCC-6315），灵芝（MTCC-1039）和毛栓菌（MTCC-1813）是从印度昌迪加尔的微生物菌种保藏中心（MTCC）获得。基质在固体培养基上维持在4℃。对于所有微生物的培养基的组成均由Sathian[17]给予。实验的进行使用了三种白腐真菌（佛州侧耳，灵芝和毛栓菌）的混合培养。

2.2.序批式活性污泥法（SBR）

如图1所示，使用一个由有机玻璃制造，总体积3.5L，工作体积2L的小规模的反应器。管子插入到反应器中以确保使用蠕动泵的进水和排水。该反应器由微细气泡空气扩散器提供空气。混合过程在170转的速度机械搅拌下实现，每个周期持续24小时：进水-1小时，反应-20小时，沉淀-2小时，排水-0.75小时，闲置-0.25小时。

2.3.反应器的接种和启动

SBR反应器中充满印染废水，将反应器与混合白腐真菌（佛州侧耳，灵芝和毛栓菌）接种，空气以10LPH的速率供给，pH值保持在6.6的最佳值，温度保持在28plusmn;1◦C[17]。在启动过程中，将反应器放置10天，通气以便适应新环境的微生物。然后将印染废水被泵入反应器中，并以同样的速率供给空气。

2.4.吸附剂的筛选

在本研究中，从印染废水脱色率对18种吸附剂进行了筛选。所使用的吸附剂列表在表1给出，所有吸附剂经过晒干，在100网孔下过筛并直接用作吸附剂。实验在250毫升锥形烧瓶中进行，取150ml印染废水并将吸附剂加入其中，选择最好的吸附剂用于SBR反应器。

表1 用于纺织印染废水脱色的吸附剂的筛选

2.5.SBR实验过程

SBR中对于印染废水脱色的一些过程变量的影响，如空气流速（10，15和20 LPH），污泥龄（10，15和20天）和吸附剂用量（5,10和15g/L）进行了研究，使用RSM对这些参数进行优化。实验基于Box–Behnken design (BBD)进行，如表2所示。在第1小时内，印染废水原水送入反应器中，在接下来的20小时完成曝气（反应步骤：曝气），然后停止曝气2小时（沉淀步骤：沉降）。待生物污泥充分稳定后，上清液必须在0.75小时内去除（排水步骤：澄清），并且系统保持闲置（闲置步骤）0.25小时，其次新的印染废水再进入反应器，并重复上述操作。反应器中的水力停留时间（HRT）维持在5天。为了控制反应器内稳定的生物污泥浓度，在闲置步骤将过量的生物污泥从反应器的底部除去。所有实验使用BBD和色度去除进行，按照分析[18]所述的标准方法对每种条件下的污泥容积指数（SVI）和COD削减率进行分析。

表2 SBR中脱色率、COD削减率和SVI的实验值和预估值

在优化条件下，实验在不同的有机负荷率（OLR）下对它们的性能进行了研究。有机负荷率通过改变进水的废水浓度（1650和2450毫克/升）和水力停留时间（5，4和3天）而变化。操作条件于表3中列出，在反应器运行的75天内，根据每个标准的分析方法[18]对脱色率，COD削减率，混合液悬浮固体浓度（MLSS）和污泥容积指数（SVI）分别进行测定。

表3 SBR的工作条件

2.6.SEM测量

使用扫描电子显微镜（SEM，日本电子JSM60），在附连到的X射线能量色散谱仪20kV的加速电压下，对吸附剂和负载染料的吸附剂的表面形态进行了检查。将样品干燥并在扫描之前涂上金箔。对于SEM来说，采取不同的缩放比率（介于1000times;10000times;）的照片。

3.结果与讨论

3.1.吸附剂的选择

在这项研究中，选择了18种农业废弃物和藻类吸附剂，并根据印染废水的脱色率进行筛选。所得结果如图2所示，从图中来看，罗望子种子展现出更好的脱色印染废水的能力，因此罗望子种子用作SBR的吸附剂。

图2各种吸附剂对纺织染料废水脱色的影响

3.2.RSM方差分析

在SBR中，实验过程使用了BBD，结果在表2中列出。这些结果是通过RSM分析，以获得用于响应分析的经验模型。所获得的脱色率，COD削减率和污泥容积指数的方程如下：

% 脱色率 = 68.30 minus; 3.49A 1.01B 2.01C 2.22AB minus;1.15AC minus; 0.31BC minus; 4.75A2 minus; 2.44B2 minus; 5.63C2 (1)

% COD削减率 = 77.30 minus; 4.41A 0.59B 3.44C 2.95AB minus;1.38AC minus; 1.21BC minus; 5.78A2 minus; 1.64B2 minus; 6.87C2 (2)

% 污泥容积指数= 77.08 minus; 5.50A 0.12B 1.01C 1.00AB 2.50AC 3.25BC 9.53A2 8.28B2 minus; 1.99C2 (3)

通过方差分析（ANOVA）对所得的结果进行分析，并在表4中给出。二次回归模型的方差分析，表明该模型是重要的。用于脱色，降低COD和SVI的模型F值意味着该模型是重要的。模型项低的P值（0.0001）表明该模型是重要的。越小P的数量级，相应的系数越显著。P值小于0.05表明该模型项显著。系数估计和相应的P值表明，测试变量A，B，C，AB，AC，A2，B2和C2是脱色中显著模型项。A, AC, BC, A2, B2项是降低COD的显著模型项，A, C, AB, AC, A2, B2, C2项是污泥容积指数的显著模型项。三个响应的预测R2值与调整后的R2值吻合。R2值大于0.98，验证了三个模型响应的吻合，这意味着实验数据的预测相当令人满意。CV（lt;1.9）的三个响应的较低值证实了该实验进行更高的可靠性。

表4 SBR中纺织印染废水处理的方差分析

任何两个自变量的不同的相互作用生成三维图，同时保持其它恒定的变量值。过程变量的优化旨在发现自变量的水平，这将导致最大百分比的脱色和COD的削减。SBR印染废水处理中的3D图像显示在图3a-f和4A-4C。响应面曲线的性质显示了变量之间的相互作用。曲线的椭圆形表明两个变量和圆形的形状之间的良好交互并且指示变量之间没有相互作用。该图的轮廓的椭圆的性质描述了所有变量的相互交互。

3.3.SBR中变量对印染废水处理的影响

图3a显示空气流量和SRT下的脱色率。从图中很明显的是，脱色率随着空气流速的增加而增加。这是由于氧的量越多的情况为微生物的生长提供了条件，它导致脱色率升高。但是，在更高的气流速率高于13 LPH时，脱色率会降低。这可能是由于空气分子的保留时间较短，这导致了氧分子的微生物低可用性。同样的趋势在图3b，图3c显示，增加污泥龄至17天，脱色量的增加超过脱色率的降低。这是由于化合物的积累，抑制存在于废水中的微生物的活性。在吸附剂剂量高达11g/L的增加的百分比脱色和在吸附剂剂量的进一步增加而减小的反应。吸附剂用量的增加印染废水脱色率的增加主要是由于更多的表面积的可用性。脱色率的降低是由于吸收剂表面的溶质的传输速率[19]。此外染料化合物吸附到吸附剂的单位重量与增加吸附剂用量无关[20]。COD削减率的类似曲线在图3d-f中示出。

图3 （a）空气流速和SRT对纺织染料废水脱色的影响 （b）空气流速和吸附剂用量对纺织染料废水脱色的影响 （c）SRT和吸附剂用量对纺织染料废水脱色的影响 （d）空气流速和SRT对纺织染料废水COD削减率的影响 （e）空气流速和吸附剂用量对纺织染料废水COD削减率的影响 （f）SRT和吸附剂用量对纺织染料废水COD削减率的影响。

污泥容积指数表征污泥沉降的属性，并指示污泥膨胀。一般来说，污泥容积指数在30 to 400 mL/g之间变化，同时对于具有良好的沉降性能污泥其值应不超过150ml/g。相比其他作者报道的结果，在本研究中得到的SVI值（74-104mL/g）更低。图4a和b显示了空气流速对污泥容积指数的影响。空气流速从10LPH增加到16.3LPH导致了SVI的降低，若进一步空气流速增加则会导致SVI增加。长期饥饿期会具有非常高的溶解氧浓度，可能对污泥沉降具有影响[21]。在图4a和c中，污泥龄的增加（从10天到17.3天）引起了SVI值的降低，而在较高的SRT（从18天到20天），SVI值则增加。吸附剂用量的增加引起SVI值的增加，这在图4b和c中清楚地描绘。

图5a-c显示了输出过程变量的相关影响的波动函数，空气流速的A曲线陡峭的曲率表明该反应对脱色率非常敏感。相比较半函数曲线C（吸附剂剂量），显示出脱色率相对于空气流量的变化来改变。相比时空气流量和吸附剂用量，污泥龄（B曲线）在污水处理方面较少显著。从波动函数（图5a），可以观察到反应中最重要的因素空气流速其次是吸附剂用量。类似曲线表示COD削减率（图5b）。从波动曲线来看（图5c），对于SVI最重要的因素是空气流速。空气流速的增加（达到17.3 LPH）导致SVI的降低。尽管吸附剂用量对SVI影响不大，但仍会导致SVI的增加。在这项研究中，波动函数证实了污泥龄对SVI值具有最少的影响。

采用MATLAB 7二次排序解决多项式回归方程。为最大比例的脱色的最佳值分别为：空气流速-13LPH，污泥龄-17天，吸附剂用量-11g/L。

3.4.SBR性能

SBR的性能在不同操作条件下的脱色率和COD削减率方面进行评价。实验在介于1650到2450mgCOD/L的不同的平均初始底物浓度范围和水力停留时间（5,4和3天）进行。SBR所得结果如图6所示，图显示了反应器中各个污泥龄和初始底物浓度的特性。在实验启动的第13天，当水力停留时间为5天，有机负荷率为0.165kgCOD/m³d时，得到最大脱色率和COD削减率分别为86.6%和96%。

接着，在第17天时有机负荷率从0.165kgCOD/m³d增加到0.21 kgCOD/m³d，并且定期监测反应器的性能。在操作七天内反应器达到稳定状态，脱色率和COD削减率分别为85.8%和95.8%。达到稳定状态后，通过减少水力停留时间至3天，有机负荷率从0.21kgCOD/m³d 增加到0.275kgCOD/m³d，最大的脱色率和COD削减率

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