不同类型ABR处理印染废水的对比研究

刘勇进，李 红

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；2.黄河工程质量检测有限公司桩基检测室，河南开封 475004）

随着物质生活水平的逐步提高，人们在着装的质量和数量方面的要求越来越高，纺织品得到了较大的改善，染料也一步步朝着抗生物降解的方向发展，所造成的污染也逐渐加重，从而导致废水越来越难治理。印染废水的污染物主要包括染料、浆料、表面活性剂、化学助剂、各种纤维材料以及整理剂等。据报道[1]，纺织业用水量居我国工业用水总量前5位，而纺织业中染整用水约占84%。目前，我国印染废水日排放量为3.2×106～4.5×106m3，约占工业废水总量的30%，印染废水的回用率不到10%，其中90%以上的废水均直接排入外环境中。印染废水主要来源于预处理、染色和整理等过程，废水中污染物的种类及含量跟生产工艺、纺织品的种类以及所添加的辅料有关[2-3]，包含纤维自身的夹带物和加工时所用的化学助剂、染料[4]。废水具有可生化性差、生物毒性强、水质水量变化大、污染物色度和含量高[5]等特点，印染废水中的苯及其同系物、氨基化合物和硝基化合物均具有较强的生物毒性，COD 高达2 000～3 000 mg/L，BOD5/COD 值一般为0.1～0.2[6]。因此，加强对印染废水处理机理方面的研究具有重要的意义。

目前，印染废水的处理方法主要有物化法、化学法和生化法[7-8]，厌氧折流板反应器（ABR）法作为生化法中印染废水处理使用较多的工艺之一，近年来在ABR 方面的研究较多，并取得了较好的成果[9-10]。本研究采用添加活性红染料的水溶液来模拟印染废水，考察印染废水中污染物在ABR各隔室中的降解规律，比较圆形ABR与传统的方形ABR对印染废水处理效果的差异，以期促进ABR结构及功能的改进。

1 实验

1.1 装置与仪器

圆形ABR 实验装置见图1，装置由4 个同轴圆柱体构成，圆柱的直径分别为20、150、200和350 mm，装置高400 mm，其中第1 个和第3 个圆柱体看似倒扣碗的隔板，下端均向外倾斜45°，水由第1 个圆柱体中部进入，经过下部隔板后进入第2个圆柱体，构成第1个隔室；随后水由第2圆柱体上端流到第3个圆柱体，经下部隔板后进入第4 个圆柱体后出水，形成第2 个隔室。圆柱体材质为有机玻璃，有效容积36 L。

图1 圆形ABR

方形ABR实验装置见图2。

图2 方形ABR

方形ABR有效容积24 L，竖直折流板将该反应器分为3 个隔室，每室又由一个升流区和一个降流区组成，废水由呈45°倒角的导流板进入，隔室底部设置排泥口，在每个隔室顶部设置水样取样口。装置均置于平均温度为20 ℃的室内，两套装置主要设备见表1。实验所用仪器：紫外-可见分光光度计，电子天平，烘箱，精密酸度计，溶解仪，加热棒，OPR电极，COD消解器及电冰箱。

1.2 废水及污泥

人工模拟印染废水：在废水中加入适量的微量矿物质元素和无机营养盐，添加质量浓度为20 mg/L 的活性红K-3B，其他营养物质质量浓度见表2，另外在每1 L 的模拟印染废水中添加0.1 mL 微量元素母液，其配方见表3。实验进水COD 控制在700 mg/L 左右，HRT为24 h，平均启动负荷为0.7 kg COD/(m3·d)。

表2 模拟印染废水营养物质的配方

表3 矿物盐营养物质的配方

两套装置所用污泥均取自常熟市某污水厂，采用已驯化的微生物直接接种。该污水厂主要处理园区内的工业废水和生活污水，所处理的印染废水量占总处理量的80%。

1.3 分析项目及方法

本实验测定的项目有：化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、氧化还原电位（ORP），采用重铬酸钾法测定COD质量浓度、纳氏试剂分光光度法测定NH3-N质量浓度、pH 计测定ORP，样品检测时严格按照《水和废水监测分析方法》[11]中相关规范进行。

2 ABR水力特性研究

目前有关水流运动水力特性的研究主要有计算流体力学（CFD）和停留时间（RTD）2 种方法，RTD 方法因操作简单在气相和液相流动特性研究中应用较为广泛。本文采用ρ(θ)-θ（示踪剂质量浓度和时间）曲线计算2种反应器的RTD水力特性。

清水示踪剂实验能反映反应器中的水力死区，主要通过构造变化引起反应器流态的变化，进而研究ABR 的水力特性。清水流态实验采用自来水作为进水，实验过程中不加污泥，通过添加NaCl作为示踪剂，间隔一定时间测出水中氯离子的质量浓度，作ρ(θ)-θ曲线来分析两套装置内的水力变化特性。两套装置内均固定HRT为24 h，进水中添加的NaCl均为5 g时，两套装置的RTD曲线见图3，水力特征参数如表4所示。

图3 2种不同类型ABR的RTD曲线

由图3分析可知：两套装置的RTD曲线均为不对称单峰曲线，在0～0.5倍的HRT时间内，示踪剂质量浓度几乎没变化，在0.5～1.0 HRT内，示踪剂质量浓度迅速增大，在1.0 HRT 时达到最大值，随后逐渐减小，这与其他学者研究结论基本吻合。

θ=1.0 时的水力特征参数如表4 所示。表中δ2为停留时间的方差、Vd为反应器内死水区容积、V为反应器容积、N为串级模型参数（N=1/δ2），当N=1时表明为单级全混流反应器（CSTR），N=∞时为活塞流反应器（PFR）[12]。由表4 可知：圆形和方形ABR 的N值分别为9.17 和7.81，表明两套装置反应器水流流态介于CSTR 和PFR 之间；圆形ABR 装置的N值较大，因此圆形ABR 中的水流更趋于推流。有学者研究表明，通过增加反应器内隔室数可使反应器内水流更趋于推流[13]，而圆形ABR 由于高径比较大，一方面可以减少占地面积，另一方面又增大了流程，这就相当于增加了反应器内的隔室，因而产生的推流效果更明显。

圆形ABR 的死水区容积率Vd/V为0.116，小于方形ABR 的0.148，可能原因为：（1）圆形ABR 高径比较大，占地面积小，拐角处水的体积较少，而反应器的死角一般主要在水流的拐角处；（2）占地面积小，从而拐角处流速较大，局部的混流作用加强，进一步减少了死水区容积。

表4 2种不同类型ABR的水力特征参数

3 实验启动

反应器可通过高、低负荷2 种方式来启动。在低负荷时，水体流速小，污泥流失量少，有利于污泥生长，因此本实验采用低负荷启动方式。实验开始时废水通过蠕动泵进入ABR，使泥水充分混合，反应器开始运行前3天因运行不稳定故未取水监测。观察发现，各隔室水面上均漂浮有褐色絮状污泥（尤以第1 隔室最为明显，且出水较为浑浊），尽管实验时尽量控制HRT较长，但是仍有小部分污泥失活或流出反应器，这可能是由反应器内环境的变化以及水体冲刷作用造成的。

随着反应时间的推移，一些死亡的微生物被排出反应器，剩下的微生物对反应环境的适应性越来越显著；当加大进水中模拟印染废水的量时，发现在各隔室液面上均有大量细小气泡；装置出水颜色经历了暗红色-粉红色-微红色的变化，表明悬浮污泥浓度逐渐降低，出水污染物质量浓度稳定，反应器启动成功。

4 结果与讨论

4.1 反应器内COD的变化情况

稳定运行后两套装置内各隔室的COD分别如图4和图5所示。

图4 圆形ABR中COD随隔室的变化

图5 方形ABR中COD随隔室的变化

分析可知：2 反应器中COD 均逐渐降低，圆形ABR 进水COD 为691 mg/L，出水COD 为439 mg/L，COD 去除率为35.27%；方形ABR 中进水COD 为696 mg/L，出水COD为416 mg/L，COD去除率为40.23%。

2 种类型反应器中各隔室的COD 相对去除率见图6、7。

图6 圆形ABR中各隔室的COD相对去除率

图7 方形ABR中各隔室的COD相对去除率

分析可知：圆形ABR第1隔室和第2隔室的相对去除率分别为25.07%和13.68%。方形ABR第1隔室、第2隔室和第3隔室的相对去除率分别为21.25%、12.01%和13.81%。两套装置均是第1隔室的COD相对去除率最高。因为经第1隔室后，污水与隔室内微生物混合较为充分，废水中小分子污染物（可被微生物直接利用）得到有效降解，同时废水中非溶解态的COD经第1隔室后大部分被污泥吸附沉降在反应器底部，后面隔室内主要发生水解酸化反应，以及在产甲烷菌的作用下消耗VFA等小分子物质，相对去除率较低[14]。方形ABR第2隔室的相对去除率低于第3隔室，可能是因为大分子有机物在第2隔室的水解酸化作用下断裂或开环裂解为小分子有机物，在第3隔室中更易于降解。圆形ABR中COD总去除率为35.27%，方形ABR 中COD 总去除率为40.23%，两者相差不大。可能是由于圆形ABR的体积大于方形ABR，实验时加入圆形ABR的污泥量过少而导致COD总去除率略小于方形ABR。

4.2 反应器内氨氮的变化情况

厌氧反应时，废水中的有机氮在氨化菌作用下被转化为氨氮，废水中的氨氮、硝酸盐及亚硝酸盐在厌氧氨氧化细菌作用下又被转化为氮气，废水中部分氨氮在厌氧微生物作用下可被自身吸收[14]。因此，废水中的氨氮量与生成量、自身消耗量有关，随运行时间的延长，2 反应器进出水中氨氮质量浓度变化情况如图8和9所示。

图8 圆形ABR中各隔室氨氮质量浓度的变化

图9 方形ABR中各隔室氨氮质量浓度的变化

由图8、9 可知：两套装置出水氨氮质量浓度高于进水。这可能是因为废水中含有偶氮染料，在缺氧或者厌氧环境中，废水中氮元素在偶氮还原酶作用下转化为氨，在偶氮还原酶作用下偶氮键又断裂为2 个胺分子，反应式[15]如下：

胺分子在氢化酶和水解酶的作用下又被转化成NH3，因此出水中氨氮质量浓度高于进水。

4.3 反应器内ORP的变化情况

微生物呼吸本质上就是发生氧化还原反应，因而ORP能够较好地反映装置内3种氧化还原环境（好氧、缺氧和厌氧）。影响反应器内ORP大小的因素有[16-17]：pH、电极反应、反应时发生变化的电子数、温度、氧化及还原态物质的浓度。本实验所测的ORP 是众多反应中电位叠加后的值。

两套反应器中各隔室ORP 随运行时间的变化情况如图10及图11所示。

图10 圆形ABR中ORP随隔室的变化

图11 方形ABR中ORP随隔室的变化

分析可知：圆形ABR 第1 隔室和第2 隔室内ORP分别为-364和-385 mV，方形ABR装置第1隔室、第2隔室和第3隔室ORP分别为-301、-321和-349 mV，两套反应器各隔室中ORP值均逐渐降低，说明两套装置各隔室内还原态物质的量逐渐增大[2]，反应时间越长，反应器内环境越适合厌氧微生物的生长及繁殖，这是因为反应器前端隔室水解酸化菌群较多，后端隔室产甲烷菌群较多。

5 结论

（1）采用ABR 装置处理印染废水，COD 去除效果较好，圆形和方形ABR的废水COD去除率相差不大，且各隔室COD的去除率逐渐降低。

（2）ORP的高低能说明反应器的厌氧程度。两套装置ORP值从第1隔室至第2、3隔室均逐渐降低，各隔室内还原态物质质量浓度逐渐增大，说明反应时间越长，反应器内环境越适合厌氧微生物的生长及繁殖。

（3）印染废水中含有偶氮染料，在缺氧或者厌氧环境中，微生物在偶氮还原酶作用下会发生一系列反应将废水中氮元素转化为氨，在偶氮还原酶作用下偶氮键断裂为2 个胺分子，在氢化酶和水解酶的作用下胺分子又转化成NH3，从而导致出水中氨氮质量浓度高于进水。

（4）圆形ABR 的水力特性要优于方形ABR，且具有更大的高径比，因此可以减少占地面积，降低工程造价，具有更好的工程应用前景。