印染废水生物处理的研究现状及发展

王家宾，马 乐，张 凯，李友祥，王新波

（鲁泰纺织股份有限公司，山东淄博 255100）

印染行业废水具有色度高、水质水量变化大、含盐量高、可生化性差等[1]特点，是难处理的工业废水之一。随着环保力度的加强以及废水排放标准的提高，污水处理技术相应地有了更高的要求。污水处理的方法主要包括物理法、化学法以及生物法。其中，利用生物法具有运行成本低、不产生二次污染的优点，但存在挂膜困难、运行稳定性差、污染物去除率低的缺点。针对生物法处理废水过程的缺点，一系列新型生物处理方法被应用到废水处理中。污水处理技术的日趋发展为污水的深度处理提供了条件，同时，污水回用技术对清洁生产以及缓解水资源短缺问题具有重要意义。

1 菌种的选育及培养

生物处理法主要通过生物菌体的絮凝、吸附、生物转化和生物降解作用对废水中的污染物质进行分离和降解。活性污泥是在生物处理系统中起主体作用的物质，是具有强大生命力的微生物群体，由细菌、真菌、原生动物和后生动物等各种生物和金属氢氧化物等无机物形成污泥状的絮凝物，具有良好的吸附、絮凝、生物氧化和生物合成作用。

传统的生物培养方法是培养、驯化高效生物处理菌株，鉴定菌株后进行扩大培养并用于污水处理中。此外，还可以在土著微生物中引入具有代谢功能的基因片段，利用基因技术构建高效微生物。这些生物强化技术是目前废水处理研究中的热点之一。

1.1 细菌

细菌是生物的主要类群之一，数量巨大、繁殖迅速，广泛存在于土壤和水中；其中，异养腐生细菌是生态系统中重要的分解者，被广泛用于废水处理工程中。细菌作为生物法处理污水的核心组成部分，种类和活性是提高污水处理效率的关键。任随周等[2]通过细菌脱色酶TpmD 酶学特性研究发现，TpmD 对结晶紫、碱性品红、灿烂绿和孔雀绿4种三苯基甲烷类染料具有较强的脱色能力。Silveira等[3]采用假单胞菌属处理14 种工业印染废水，结果表明，食油假单胞菌对甲基橙、B15染料的脱色率达到80%以上，并且表现出较强的高浓度染料耐受性。

1.2 真菌

真菌是典型的异养生物，和细菌一样是自然界的分解者，是废水处理过程中应用的主要微生物之一。真菌对复杂有机物的降解机理与细菌不同，本质上与木质素过氧化物酶（LiP）和锰过氧化物酶（MnP）对木质素的降解机理类似，是一个以自由基为基础的链式反应过程，过程中染料本身被氧化脱色。这种反应是胞外进行的非特异性反应，因此真菌对降解底物具有高耐受性和降解广谱性[4]；目前，白腐真菌是研究的热点。

白腐真菌属于担子菌纲，常生长于树木或者木材上，但应用、研究当中所指的白腐真菌是对木质素具有降解能力的一类真菌的统称，黄孢原毛平革菌是其中的典型。白腐真菌能够分泌特殊的胞外酶，这种酶具有非特异性，无需底物诱导，对不同种类的染料具有广谱的降解能力[5-9]；此外，白腐真菌对降解底物无专一性要求，可以降解低浓度无机污染物，适应性强。唐婉莹等[10]对分离纯化的白腐真菌进行长时间的连续驯化，其生物特征为：属中温菌，适宜温度9～39 ℃；属好氧菌；对一般微生物有强的拮抗作用，抗杂菌污染。研究了白腐真菌对TNT装药厂废水、TNT红水、分散染料生产废水、纺织染整废水的处理能力，结果表明，白腐真菌对多种污染物具有良好的降解能力。

真菌能够快速地吸附并降解污水中的污染物质，通过生物絮凝和生物降解有效地去除复杂污染物，使污染物完全矿化，避免二次污染及有毒中间体的产生，但真菌繁殖速度慢，在非灭菌环境中难以与细菌竞争，要保持系统不被其他杂菌感染相当困难[4,11-12]。即使初期启动时，真菌在系统中存在优势，但一段时间后，真菌都会出现一定程度上的退化，而初期不占优势的细菌得以大量繁殖，重新取得优势。因此，强化系统中的真菌，保持真菌在系统中的长期优势，对提高废水处理效果具有重要意义。Leidig等[13]采用细胞包埋技术，以聚乙烯醇包埋白腐真菌，避免其他杂菌污染，但随着真菌的生长，最终会挣脱包埋的聚丙烯醇小球。高大文等[12]通过控制C/N研究了非灭菌条件下白腐真菌的脱色性能，结果表明，氮限制液体培养基（C/N=56/2.2 mmol/L）容易抑制细菌生长，使该培养基下的白腐真菌在非灭菌环境下对活性艳红仍具有很高的脱色率。

2 生物法污水处理工艺

2.1 处理工艺优化

生物法处理污水的过程中，直接作用于污染物的是微生物分泌的酶，外部条件的改变对微生物产酶量及酶的活性有重要影响，包括pH、温度、营养物质、废水组成等。金朝晖等[14]从受污染的土壤中分离出了多株脱色优势菌，并研究了脱色能力最强的3 株菌株的脱色条件，结果表明，该菌在pH=5～9、温度18～37℃，且外加葡萄糖提供0.5%碳源时，对染料废水的脱色率可达70%。肖继波等[15]研究了真菌烟曲霉制成的生物吸附剂吸附活性艳红过程中，初始pH、金属离子、盐度和脲对吸附容量的影响，结果表明，pH对吸附容量影响较大，而一定浓度的重金属离子和氯化钠对其吸附性能具有促进作用。

2.2 反应器

改进反应器的形态可以达到提高处理效率、减少能耗的目的，例如膨胀颗粒污泥床、流化床、折流式反应器、序批式反应器、循环式活性污泥法、膜生物反应器以及其他各种组合工艺。

为了寻求高效、低耗、省投资的印染废水处理新技术，将好氧处理技术与厌氧处理技术结合，开发了多种生物组合处理工艺，其中包括传统工艺的改进及新工艺的应用。周海峰等[16]采用O/A/O组合工艺处理印染废水，并将兼氧池分2格，充分利用好氧、兼氧及AB法的特点，弥补了各自工艺的不足，工艺运行中好氧污泥可以在部分工艺内消化，降低了建设费用与运行成本，实现了废水的综合治理。罗吴进等[17]采用连续搅动水箱式反应器（CSBR）工艺处理印染废水，在平均进水水质的化学需氧量（COD）为1 200 mg/L，生物需氧量（BOD）为350 mg/L，悬浮固体（SS）质量浓度为200 mg/L，色度为400 倍时，去除率分别为90%、94%、91%和85%。

2.3 运行条件

生物处理系统中运行条件的选择及优化，例如水力停留时间、运行负荷、氧化还原电位、曝气量、污泥回流比、填料等因素的选取都会影响到反应器能否顺利启动以及系统中微生物的活性和处理污染物的效率。应一梅等[18]研究了IC 反应器污泥接种和一次启动阶段的特点及主要影响因素，并讨论了污泥接种量、进料方式、运行温度、负荷提高方式、水质稳定性对IC 反应器启动的影响。喻学敏等[19]研究了ABR 反应器处理印染废水过程中水力停留时间对运行效果的影响，结果表明，在水力停留时间（HRT）为14～32 h时，ABR 各格室出水COD 逐渐降低，HRT 越长，COD去除率越高；在HRT 为32 h 时，色度去除率高达75%；废水经逐格处理后pH升高，氧化还原电位下降，废水可生化性提高；综合经济性因素与废水处理效果，HRT选择24 h最佳。

2.4 组合工艺

1978 年，Miller 和Rice 在总结欧洲水处理经验时首次正式提出了“生物活性炭”（BAC）一词[20]。BAC指活性炭与微生物构成一个组合系统，系统充分发挥微生物降解污染物与活性炭的吸附作用，二者相互协调达到改善出水效果、提高处理效率的目的，是目前国内研究的热点之一。以活性炭对微生物进行强化能缩短工程启动、微生物挂膜时间。吴火焰等[21]采用不经二沉池沉淀的二级生化出水启动生物活性炭反应器，结果表明，挂膜过程中进出水溶解氧量（DO值）变化小，出水pH 变化小时，硝化细菌生长状况良好；生物膜成熟后，装置对COD、色度及NH3-N 均具有较好的去除效果。

生物法与其他废水处理工艺的结合可以最大限度地发挥各工艺的优点，是目前废水处理研究的重要方向。贾洪斌等[22]采用了2 种生物处理工艺，即将高效好氧工艺（HCR）法与生物活性炭法（PACT）结合，提高了反应器中氧的利用率，增强了抗冲击负荷能力，提高了处理效率。该工艺后处理采用纤维球对原水进行过滤，过滤速度快、效果好，回用水质稳定。生产性实验表明，回用水可用于皂洗，洗后的布样色光、深度与自来水一致。

此外，还有学者根据微生物的特性，研究了磁粉[23]、壳聚糖[24]以及生物促进剂[25]对生物法处理废水中微生物的强化作用。

3 印染废水回用技术研究进展

印染行业用水对水质要求比较高，尤其是对色度、硬度、浊度、pH、铁盐等有严格要求。实际应用过程中，三级污水处理基建投资大、运行费用高，一般污水处理厂普遍采用二级出水，仍含有极细微的悬浮物、磷、氮和难以生物降解的有机物、矿物质、病原体等，需进一步净化处理才能达到回用要求。

目前，关于印染废水回用技术的研究，膜处理技术、离子交换技术、高级氧化技术等是主要研究热点。这些新型污水深度处理技术能够有效处理污水中的污染物，但是普遍存在处理成本高等问题。以膜处理技术为例，膜处理技术主要包括微滤、超滤、纳滤、反渗透等，能够有效降低废水中总悬浮颗粒物（TSP）、硬度等，对废水的色度及COD去除率不高。由于膜处理只是将废水中的污染物浓缩，污染物并没有分解，一般膜滤后的浓水再次进入污水处理系统，增加了处理难度与运行负荷；此外，膜处理过程中设备及运行费用高，对进水水质要求较高，膜再生困难。因此，废水回用工程一般采用生物法与膜处理技术联用，以改善膜系统进水水质，降低污水的色度与COD。

印染废水回用过程中，可通过提高二级出水质量尽量达到生产回用标准，这样可以有效降低后续回用设备负荷，延长设备使用寿命，降低处理成本。黄瑞敏等[26]采用混凝脱色-曝气生物滤池再深度处理的污水回用工艺进行现场实验研究，结果表明此工艺出水色度可降低到10 倍以下，CODCr降到20 mg/L 以下；此工艺的关键在于高效脱色混凝剂的选择和曝气生物滤池的应用。

通常二级出水的可生化性低，采用生物法进行回用处理效率偏低，但是对降低废水色度及COD仍具有一定效果。曝气生物滤池（BAF）是新型的水处理设备，可以有效去除废水中的有机物，减轻后续处理负荷，降低废水中色度、有机物、SS 等，为废水深度处理提供保证，属于废水强化处理工艺，可以用于膜处理的进水预处理过程。

朱乐辉等[27]采用混凝沉淀-曝气生物滤池-纳米材料复合膜联用进行印染废水回用处理的研究，结果表明，此工艺能够有效去除印染废水中的浊度、色度、COD、SS；其中，在有机负荷小于5.32 kg COD/(m3·d)的3种工况下，BAF对COD去除率稳定在80%左右，浊度去除率为85%～95%，色度去除率为50%～95%。董佳等[28]采用BAF-微絮凝组合工艺对印染废水进行回用预处理，结果表明，BAF 对废水中的浊度、SS、色度均具有一定的去除效果，当进水COD、SS 的质量浓度分别为100、50～60 mg/L，色度为40 倍时，BAF 对COD、SS、色度平均去除率分别达到46.8%、85.0%、25.0%，BAF 出水再经微絮凝处理后可满足后续深度处理系统的进水要求。

此外，生物活性炭法（BAC）等新型的污水处理技术处理污水效率高、出水水质好，也常用于印染废水回用工程中废水的预处理过程[29]。

4 结语

生物法处理印染废水成本低，不产生二次污染，符合现今污染治理的要求，具有很大的发展空间。目前针对生物法应用方面的研究很多，但是理论研究较少，应该加强理论研究的深度与广度，然后以理论指导应用，可避免应用中存在的许多问题。此外，针对废水成分及排放标准不同的废水生物处理工艺模式可以作为今后研究的方向。