关于纺织品印花厌氧生物过程和染色废水处理的进展综述外文翻译资料

关于纺织品印花厌氧生物过程和染色废水处理的进展综述

原文作者：Hui Xu，Bo Yang，Yanbiao Liu，Fang Li，Wolfgang Sand

摘要：纺织印染废水的特点是pH高，浊度高，生物降解性差，成分复杂和高色度，且大量排放至环境中。印染废水被认为是最难治理的工业废水之一。传统的物理化学技术可以去除印染废水中的污染物，但能耗高和成本高。因此寻找高效率和低成本的处理技术有重要意义。其中，厌氧生物已经证明厌氧技术对于高浓度纺织品印染废水的处理是有效的。这篇小型综述回顾了近期针对此类目的的高速厌氧技术的进展。当前的限制性因素对这些技术进行了总结，并指出了今后的研究方向。

关键词：厌氧复合工艺； 厌氧工艺； 生物技术； 纺织印染废水

一、简介

纺织业是我国的重点产业，在工业中起着举足轻重的作用，对促进国民经济有着重要作用。纺织业主要是化学加工的纺织材料(纤维、纱、线和织物)，包括四个加工步骤:预处理、染色、印花和精加工。与此同时,纺织工业也是一个重污染行业，大量纺织印染废水造成了严重的环境污染。印染废水具有pH值高、浊度大、生物降解性差、成分复杂、色度高、排放量大等特点。它一直被认为是最难处理的工业废水。更糟的是，许多新开发的染料和添加剂(如聚乙烯醇浆体和人造丝)具有抗氧化、抗光照和抗菌等化学性质。这些化合物中的大多数(如染料及添加剂)具有偶氮键和多芳香族结构，有毒且难以处理，由于纺织废水排放标准不断提高，迫切需要开发低成本高效率技术来应解决工业纺织印染废水问题。

目前，印染废水的有效处理方法有化学、物理和生物技术，其中包括物理吸附和化学氧化技术。不幸的是，这些方法通常是能源密集型的，成本高，需要进一步的再生吸附或分解副产品。例如, 已被报道的好氧活性污泥技术对于纺织印染废水的处理，仍面临着一些棘手的问题，如剩余污泥膨胀，固体污泥处理，形成的泡沫等。相反,厌氧过程变得有吸引力，克服有氧固有的缺点。一些厌氧过程已经被证实可以有效处理高浓度纺织废水，污染物去除效果好，能耗要求较低。这种厌氧过程还具有能源消耗校，生产沼气，性能优良，去除效率高。因此,这个话题引起了极大的兴趣，人们接下来的目标就是努力进一步扩大其在工业上的应用并对厌氧反应器的工作机理进行解释。

在这篇简短的综述中，我们的目标是总结最近的厌氧纺织废水处理的进展(例如，上流式厌氧污泥床，UASB，膨胀颗粒污泥床，EGSB，厌氧bafABR反应器;厌氧膜生物反应器和混合动力系统)。人们通过对厌氧工作原理以及各系统的处理性能的总结后，对厌氧菌的研究现状进行了展望，并提出了机会进一步的机械研究和高端应用。

二、高速率厌氧的研究进展

2.1上流式厌氧污泥床(UASB)

UASB反应器在各种厌氧系统中已被确定为最受欢迎的厌氧反应器之一，并已应用于各种工业的废水。UASB反应器的示意图如图1a所示。这个系统的特点投资少，效率高，运行稳定，对各种废水具有良好的适应性。由于它对有毒化合物（如染料，添加剂），在介质中，UASB反应器有事实证明，它对于纺织品印花的处理是有效的。选用于纺织品印花的高速厌氧反应器的实例和染色废水处理总结列在表1中。大量研究表明，可以通过UASB反应堆来实现高色度去除效率。这可能是由于还原酶在厌氧条件中，使偶氮键等发色基团进行分解。例如，Somasiri等人报道了使用UASB反应器后大于 90％的脱色效率（颜色去除效率R，可以通过以下公式计算：R =（1-Ci / Co）times;100％，其中Co和Ci是分别为工业纺织品的流动性和有效性）的废水，COD浓度高达6000毫克/升。这表明了工业纺织废水中的有毒成分未抑制厌氧过程。 Razoflores等人的另一项有趣研究 （1997）发现了两种偶氮染料中的一种可以完全去除，中间产物在延长时间后甚至被矿化，最后稳定在UASB反应器中。

一般来说，纺织品印花的优异脱色染色废水可在厌氧条件下获得。厌氧反应器不仅可以分解染料的发色团，还可以降解一定量的化合物，如染料，浆料和添加剂（Wang等，2015）。我们最近调查了偶氮分散染料的降解特性，可能在厌氧条件下会降解完全（新陈代谢Neocron Black染料的路线如图2所示）。此外，厌氧反应器的性能明显受到操作参数的影响，例如，共代谢基质，水力停留时间（HRT）和水质。 Wijetunga等（2010）报道在HRT为24小时且有机负荷率（OLR）为5.6千克COD/m ³/天时，可以获得53.1％的最佳COD去除效率。这些结果表明尽管一定量的难溶化合物色度大于 90％，反应器的效果仍然很好。但是，进一步的研究表明这些耐火材料成分可能会进一步降解足够的HRT。例如，Bras等人（2005）报道：96小时的HRT和进水时去除90%的COD ，COD为3000mg/L，采用UASB台架级反应器进行合成染料废水。然而，投资成本关于厌氧反应器的基本建设不可避免的会随着激素替代治疗的延长而增加。

据报道，向内部添加共代谢底物（例如，葡萄糖，蔗糖和淀粉）能够改善污染物降解速率并降低HRT（Amaral等人2014; dos Santos等人2004）。 这些衬底用作电子供体，提供电子以减少污染物。例如，如果偶氮染料接受来自共代谢底物的电子，则可以实现偶氮键裂解，导致有效的颜色去除和偶氮染料的降解（Yang等人，2018b）Senthilkumar等人在两相UASB反应器中实现了96.0％的COD去除率，这可以用于处理HRT为12小时的合成复合染料和废水。

每年都有新的染料被发明和生产，许多这些染料对生物降解具有很强的抵抗力。使用单独的厌氧反应器有效去除污染物变得越来越困难。基于UASB反应器是最近开发和应用的一种反应器。其中，UASB-好氧组合技术被认为是最有效和最经济的技术之一。尽管UASB反应器已经应用成功应用于纺织印染工程，印染废水处理取得了良好的运行效果，仍存在一些关键问题，解决这些问题可以增加操作稳定性和效率。这些问题如下如下：（i）难以控制上流速度，以及颗粒污泥很容易被洗掉，（ii）质量差转移以及废水和生物质的接触，（iii）pH调整是必要的，（iv）OLR低，（v）硫酸盐对产甲烷菌的抑制作用。

图1高速厌氧反应器示意图：a UASB，b EGSB和c ABR

图2 分散染料在厌氧条件下的代谢途径

表1高速厌氧反应器用于纺织印染废水处理的例子

2.2厌氧反应器（ABR）

作为高速反应堆，ABR通常含有3-8隔间和每个隔间可以看作是独立的UASB反应堆。ABR反应器的示意图如图1c所示。液体流动发生了位移隔间隔板之间的上下移动，此外，ABR特殊的设计有利于微生物的相分离（例如，产酸和产甲烷）在单个单元内，相分离可以保护微生物免受有毒物质或诱发环境条件的侵害。此外，ABR的配置非常简单。不需要搅拌装置，支撑材料和液-气分离系统。一些研究探索了应用ABR的可行性用于纺织印染废水的处理。Ozdemir等报告了98％的COD去除率，以及在使用ABR在48小时的HRT后去除93%的硫酸盐合成染料废水处理结果。这个结果表明这个结果表明ABR可以提供一个良好的生长环境用于各种微生物生化反应。戈埃尔也评估了纺织品印花和印花的处理ABR染色废水。只有67％的COD去除率获得了效率，但是有效的BOD5/COD比率明显增加了。虽然污染物不可能通过厌氧过程完全降解，但废水的生物降解性得到了改善。这有利于后续过程进一步降解。

退浆废水是纺织品印花之一，在染色废水中往往含有大量的废水聚乙烯醇（PVA），这是一种水溶性聚合物，它的BOD5/COD比率为0.01。直到现在，常用的理化方法有几种用于处理含聚乙烯醇的废水，但在治理成本增加。虽然ABR已成功用于各种工业废水处理，大部分启动阶段需要接种好氧活性污泥。这种方法的缺点是启动时间长，污泥负荷低，容易酸败。最近，我们通过接种成熟的厌氧颗粒污泥，研究了ABR的启动，并进一步应用于处理碱减量和印染废水。结果表明，连续运行70天后，启动已经完成并达到稳定。平均COD去除效率已提高到78％。此外，不同隔室之间的污泥特性存在显着差异，表明隔室内已实现微生物的相分离。碱减量和印染废水中的这些低聚物是废水生物降解性差的主要原因。

ABR技术具有良好的耐毒性，抗冲击负荷能力强，对各种废水质量的适应性强，已广泛应用于工业纺织印染废水处理领域。然而，最近的研究表明ABR的COD去除性能不足，导致ABR流出物不能满足废水排放标准，后续工艺是必要的。将ABR与其他有氧系统相结合可能是解决该问题的可行解决方案。

2.3膨胀颗粒污泥床（EGSB）

作为第三代厌氧生物反应器的典型代表，EGSB反应器是在UASB反应器的基础上开发的，EGSB反应器的示意图如图1b所示。安装了一个外部循环系统，以有效地改善质量传输性能以及废水和生物质之间的接触。此外，与UASB反应器相比，EGSB反应器具有高OLR，低占用，生物气产生和改善的抗冲击性的优点。

因此，它已广泛应用于各种有机废水的处理。一般来说，如果废水中含有有毒物质，可以抑制微生物的代谢和活性。显然，一些难降解物质不能被微生物有效转化。因此，对于传统的厌氧反应器，包括UASB反应器，在处理这些耐火化合物时难以获得良好的去除效率。为了解决这个问题，EGSB反应器的设计理念包括废水回流，它可以稀释进水中的有毒物质，进一步改善传质并促进生物降解。因此，设想EGSB反应堆有效地进行，纺织印染废水可以得到处理。。然而，由于水分配器和三相分离器的设计受专利保护，因此只有非常有限的工程应用可以使用EGSB反应器的实验研究。目前，EGSB反应堆的应用很少。主要集中在制药废水，淀粉和糖废水以及酒精废水的处理上。它们主要应用于欧洲和美国等发达国家。

2.4改良的厌氧反应器

近年来，这些高速厌氧反应器的实际应用越来越多。 然而，当将这些反应器应用于纺织废水处理时，存在若干未解决的问题，包括污泥洗出，挥发性脂肪酸积累和pH的降低。 因此，已经开发了几种改进的厌氧反应器来解决这些现有问题。

王等人应用改进的内循环（MIC）厌氧反应器处理印染废水。MIC厌氧反应器与外部液压循环系统相结合，以加强传质。COD去除效率和颜色去除效率分别达到85％和90％。这些结果表明，由外部循环系统支持的合适的上流速度不仅减少了反应器的启动时间，而且增加了去除效率。然而，过高的上流速度（gt;40.9m/h）导致污泥冲洗和反应器性能下降。我们最近根据传统内循环（IC）厌氧反应器和EGSB反应器（Yang et al.2017）的特点开发了强化循环厌氧反应器（SCA），如图3所示。SCA反应器由粗底反应区，初级三相分离器，上部精细反应区，二级三相分离器和从反应器的下部到上部的外部循环系统组成。

SCA反应器可以克服处理过程中传统IC厌氧反应器产气不足的缺点，通过安装外循环系统可以改善反应堆系统的传质。开发了中试SCA反应器（有效容积27 m³），成功应用于工业染色废水处理，脱色效率为62.7％，COD去除率为73.5％。 SCA反应器处理后生物降解性也明显增强。结果表明，两级反应器设计有利于反应器内乙酸裂解产甲烷菌和氢营养产甲烷菌的合理空间分布，并取得了有效的性能。此外，实验室采用基准SCA反应器进行实际的碱减量废水处理，相应的COD为48.6％。碱减量废水中的低聚物使得该废水难以在SCA反应器中生物降解。随着厌氧技术的发展，已经开发和研究了许多新型反应器。因此，用于处理顽固纺织品印染废水有了更多可能性。然而，它们中的大多数仍然是实验室规模的反应堆，必须进一步将这些反应堆升级到中试规模或全规模，以便对其潜力进行实际评估。

图3强化循环厌氧（SCA）反应堆的照片（a）和SCA反应堆系统的示意图（b）

三、结合厌氧联合工艺

3.1厌氧 - 好氧过程

由于水质特征复杂，通过单一厌氧或好氧工艺处理纺织废水很难达到令人满意的处理性能。同时，偶氮染料的生物降解过程包括染料偶氮键的还原裂解和降解。芳香胺、偶氮染料还原通常需要厌氧条件，而芳香胺的生物降解几乎完全是需氧过程。为了充分利用厌氧和好氧过程的积极特征，最近开发了一种联合厌氧-好氧系统并引起了人们极大的兴趣（图4）。几种高速厌氧-好氧生物反应器已被用于处理高浓度废水（Senthilkumar等人2011; Spagni等人2012）。在表2中总结了纺织品印染和染色废水处理的厌氧-好氧工艺的实例。

以前使用IC曝气池系统处理含有可溶性和不溶性染料的合成染料废水（Frijters等，2006），平均COD和颜色去除率分别为85％和87.5％。在厌氧条件下容易地实现偶氮染料的脱色。芳族胺等中间产物不能完全降解，因此在厌氧条件下积累。相反，在连续好氧阶段可以有效地去除一些中间产物。对于UASB充气生物过滤器（AB）系统（Amaral等人，2014）也报道了类似的结果，其中实现了71％的COD去除和96％的颜色去除。作者发现，脱色反应主要发生在厌氧阶段，芳香胺等中间产物在此阶段不能生物降解。然而，这些中间体芳族胺可在随后的需氧阶段期间有效地生物降解。

此外，水解酸化工艺也是纺织废水处理的新方法。与传统的厌氧消化不同，水解酸化过程的HRT仅为3-5小时。该方法设计用于处理纺织废水中生物降解性差的高分

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