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上流式曝气生物滤池深度处理碱 减量印染废水 杨波魏爽田晴李方 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620 摘要 采用上流式曝气生物活性炭滤池 UABACF 深度处理碱减量印染废水， 在固定汽水比 3∶1 条件下， 研究水力停 留时间 HRT 对 COD、 UV254和色度去除效果的影响， 分析污染物降解、 系统微生物量和微生物活性在滤柱高度方向 的沿程分布特征。结果表明 HRT 对 COD 去除率影响最大、 色度次之， 对 UV254去除影响最小， 在 HRT 8. 90 h 条件下 系统对 COD、 色度和 UV254的去除效率分别为 74 、 95 和 92 。试验条件下， 110 cm 滤柱高度以下属于污染物降解 的高效区域， 微生物量和单位质量活性炭脱氢酶活性在此滤柱高度范围内逐渐降低而后保持基本稳定的状态， 而单位 微生物量 TTC-脱氢酶活性在滤柱底部至 70 cm 高度处逐渐上升， 然后呈下降趋势至 110 cm 高度附近降至最低， 然后 出现上升的趋势。 关键词 上流式曝气生物滤池;碱减量印染废水;水力停留时间;生物量;脱氢酶活性 ADVANCED TREATMENT OF ALKALI- MINIMIZATION AND DYEING- PRINTING WASTEWATER BY UPFLOW AERATED BIOLOGICAL ACTIVATED CARBON FILTER Yang BoWei ShuangTian QingLi Fang College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China AbstractAn upflow aerated biological aerated carbon filter UABACFwas applied to treating alkali-minimization and dyeing-printing wastewater． Under the fixed gas-water ratio of 3 ∶1，the impact of HRT hydraulic retention timeon the degradation of COD， UV254and chroma was researched．The relations among pollutants degradation characters，biomass， dehydrogenase activity and the height of filter column were also analysed． The results showed that the impact of HRT on pollutant removal order was as follows COD， chroma， UV254． The average removal rate of COD，chroma and UV254were 74 ， 95 and 92 separately with HRT being 8. 90h． Under the experiment conditions， the region below the height of 110 cm filter column was efficient to the degradation of pollutants，where the microbial biomass and dehydrogenase activity to unit mass activated carbon gradually reduced and then maintained the basic stability of the state． But microbial activity expressed as the ratio of dehydrogenase to biomass increased below the height of 70cm filter column and decreased between the height of 70cm to 110cm filter column，then a rising trend appeared in the higher filter column． Keywordsbiological aerated filter;alkali-minimization and dyeing-printing wastewater;HRT;biomass;dehydrogenase activity 0引言 碱减量工艺是改善涤纶纤维性能的重要方法之 一， 该过程会产生碱减量废水， 碱减量废水混合在印 染废水中， 形成具有高 pH 值、 高污染物浓度特征的 碱减量印染废水。碱减量印染废水一般采用物化和 生化相结合的处理方法可实现对废水处理的达标排 放 GB 42871996 中的Ⅰ级排放标准 ， 而随着排放 标准的逐渐提高， 原有系统必须增加新的处理工序方 可保证对废水的达标处理。 生物活性炭 BAC 利用活性炭作为微生物的载 体， 是一种有效的废水与污水深度处理技术， 可应用 于印染废水的深度处理 ［1- 5］。本实验采用上流式曝气 生物滤池 UABACF ， 针对经过厌氧和好氧生物处理 后的碱减量印染废水进行深度处理， 研究该废水处理 的最佳水力停留时间范围、 滤柱沿程污染物降解规律 和微生物活性变化特性， 为该工艺处理碱减量印染废 03 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 水及工艺参数的优化提供理论依据。 1实验部分 1. 1实验装置及过程 实验采用上流式曝气生物滤池 UABACF ， 实验 装置示意见图 1。 图 1 BAC 装置示意 上流式曝气生物滤池采用直径100 mm的有机玻 璃制成， 总高为2 550 mm， 反应器有效体积为14. 7 L。 活性炭粒径3 mm 5 mm， 炭装填高1. 78 m。承托 层高0. 1 m， 由粒径8 ～ 32 mm的鹅卵石组成， 对上层 填料起支撑作用。反应器下部安装砂芯微孔曝气头， 采用曝气机连续供气。反应器采用上流式进水方式， 反应器顶端溢流出水。在距离反应器底部 30， 70， 110， 150 cm处分别设置取样口。 实验原水为人工模拟碱减量印染废水。取一定 量纯度高于 98 的涤纶布， 用碱减量工艺处理 在高 压、 高温、 高 NaOH 浓度条件下进行水解 ， 产生的废 水即为碱减量废水， ρ COD 为 50 ～ 60 g/L， pH ＞ 12， 其中含有大量的乙二醇、 对苯二甲酸钠及其难降解聚 合物。然后将碱减量废水与分散染料、 添加剂和营养 物配制成的染整废水混合， 再调节 pH 至中性即配制 成实验原水。 实验原水先后经过厌氧折板反应器 ABR 和生 物接触氧化池， 处理后的出水进入上流式曝气生物滤 池 UABACF ， 进入上流式曝气生物滤池的水质条件 见表 1。 表 1上流式曝气生物滤池进水水质条件 ρ COD / mg L － 1 色度 /倍 UV254/cm － 1 浊度 /NTUpH 93. 4 ～158. 650 ～701. 225 ～2. 21015. 2 ～30. 0 7. 0 ～8. 5 1. 2分析项目和方法 1. 2. 1水质指标的测定 主要水质指标测定方法与仪器见表 2。 表 2主要水质指标测定方法与仪器 水质指标分析方法与仪器 温度便携式多参数水质分析仪 美国哈希; Sension- 6 溶解氧便携式多参数水质分析仪 美国哈希; Sension- 6 pHpH 计 Sension- 156 COD 重铬酸钾法［6 ］ UV254 紫外分光光度法［6 ］ UV- 7504PC 型紫外分光光度计 浊度散射光浊度 WGZ- 1A 型， 上海昕瑞仪器仪表有限公司 色度稀释倍数法 1. 2. 2微生物指标的测定 微生物量的测定 本实验采用脂磷法 ［7］测定微生 物量。结果以单位质量填料的生物量 mol/g 表示， 1molP 约相当于大肠杆菌 E． coli 大小的细胞 106个。 微生物活性的测定 采用 TTC-脱氢酶活性法 ［8］ 测定， 结果用 TF μg/g 表示， 即单位干重 GAC 载体上 的生物活性， 用 1h 内生成的 TF 量来表示脱氢酶活性。 2结果与讨论 2. 1水力停留时间 HRT 对污染物去除的影响 通过调整反应器的水力负荷来设置废水在滤柱 中的平均水力停留时间。在表面负荷分别为 0. 14， 0. 20， 0. 29， 0. 40 m3/ m2h 条件下， 废水在滤柱中 的平均停留时间分别为 12. 71， 8. 90， 6. 14， 4. 45 h。 不同水力停留时间条件下每组实验取连续稳定运行 的 6 d 数据， 水力停留时间对滤池的影响见图 2图 4。实验过程气水比为 3∶ 1。 图 2水力停留时间对 COD 去除效果的影响 图 3水力停留时间对色度去除效果的影响 13 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 图 4水力停留时间对 UV254去除效果的影响 由图 2图 4 可见 随着 HRT 的减少， 曝气生物 滤池对 COD、 色度和 UV254的去除率下降。较 HRT 12. 71 h， 在 HRT 分别为 8. 90， 6. 14， 4. 45 h条件时， COD 平均去除率由 84 分别下降到 74 、 61 和 59 ; 色度去除效果分别由 96 下降到 95 、 92 和 79 ; UV254去除效果分别由 94 下降到 92 、 89 和 89 。HRT 对 COD 去除率影响最大， 色度次之， 对 UV254去除的影响最小， 表明经过深度处理后的碱 减量印染废水中剩余的 COD 较色度和 UV254更加难 以生物去除。 综合分析曝气生物滤池对碱减量印染废水中污染 物的处理效果， 水力停留时间应控制在 9h 为宜， 此时废 水 COD、 色度和 UV254均获得良好的处理效果， 出水水质 可以满足 CJ/T481999 生活杂用水水质标准 要求。 2. 2上流式曝气生物滤池污染物的沿程降解特性 在滤柱进水处、 滤柱 30， 70， 110， 150 cm高度处 和出水处共设置 6 个取样口分别记为取样点 1、 2、 3、 4、 5、 6。BAC 滤池在气水比 3∶ 1， 表面负荷0. 20 m3/ m2h 、 水力停留时间为8. 90 h的工况条件下， 各取样 口水样指标取平均值得污染物沿程变化情况见图 5。 图 5污染物沿程变化情况 如图 5 所示 实验条件下滤池出水 ρ COD 平均 值小于35 mg/L， COD 总去除率为 75 ， 在滤柱 30， 70， 110， 150 cm 高 度 处， COD 去 除 率 分 别 达 36 、 57 、 68 、 65 ， 在前30 cm高度， 滤柱内单位高度滤 柱降解 COD 速度最大， 30 ～ 110 cm滤柱高度范围内， 单位高度滤柱 COD 的降解速度变慢， 而110 cm滤柱 高度以上， 单位高度滤柱 COD 的降解速度进一步减 小。色度和 UV254在滤柱中的总去除率均超过 90 ， 二者在滤柱高度方向的沿程变化规律与 COD 相似 在前30 cm高度滤柱内， 单位高度滤柱降解的色度和 UV254最大， 30 ～ 110 cm滤柱高度范围内降解速度变 慢， 而110 cm滤柱高度以上， 单位高度降解速度进一 步减缓， 二者在110 cm滤柱高度处的去除率均超过 90 。COD 在110 cm滤柱高度处的去除率占总去除 率 86 ， 后 二 者 均 占 总 去 除 率 的 98 以 上， 小 于 110 cm滤柱高度范围属于污染物的高效去除区域。 在图 5 中，COD 和 UV254的降解曲线有较明显的 下凹， 即在滤柱底部位置 滤柱30 cm高度以下 有更 多的 COD 和 UV254被降解， 而尤以 UV254为甚。实验 原水经过厌氧和好氧生物处理后， 水体中依然含有少 量属于较易生物降级的物质 如对苯二甲酸钠， 同时 贡献 COD 和 UV254 在滤柱底部得到降解， 而其他产 生 COD 和 UV254物质 如腐植酸等物质 则很难继续 被生物降解， 这类物质浓度在经过一定高度滤柱处理 后浓度基本不变， 其降解曲线也因此变缓。 通过污染物的沿程降解特性分析， 生物滤池的有 效高度应控制在一定的范围内， 在此高度范围内污染 物质可 以 得 到 高 效 去 除。实 验 条 件 下， 综 合 考 虑 COD、 色度和 UV254沿程去除效率以及在各个沿程段 去除效果的分析， 碱减量印染废水深度处理的有效滤 柱高度不应小于110 cm。 2. 3BAC 滤池沿程生物量的分布 生物滤池利用具有较大比表面积的活性炭作为 微生物的附着载体， 通过微生物的新陈代谢作用实现 对废水中污染物的去除， 系统中的微生物量与污染物 的去除密切相关。用脂磷分析法对生物活性炭滤池 的微生物量沿程分布进行分析 ［9- 13］， 结果如图 6 所 示。图中取样点 1、 2、 3、 4 分别位于距滤池底部 30， 70， 110， 150 cm距离处的滤柱位置。 图 6脂磷法沿程检测结果 23 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 从图 6 可以看出 滤柱沿程单位质量活性炭所含 脂磷含量经历了从逐渐下降到稳定的过程， 从下至上 4 个取样点的磷脂含量分别为 166， 98， 32， 30 mol/g， 约分别相当于大肠杆菌 E． coli 大小的细胞数量为 166 106， 98 106， 32 106， 30 106个。 在110 cm高度滤柱以下， 微生物数量沿滤柱高度 呈线性下降， 至110 cm高度滤柱处微生物的数量仅为 30 cm高度滤柱处的 19. 36 ; 而在110 cm高度滤柱 以上， 微生物数量保持较稳定状态。滤池上流式的进 水方式使滤柱底部的有机物浓度较上部为高， 滤柱底 部的微生物由于底物相对丰富而实现更多的增殖， 而 后随着底物浓度的逐渐降低， 沿程微生物的增殖量也 逐渐减少， 一直到110 cm高度时水体中可生物降解物 质 在实验的水力条件下 基本被去除， 微生物合成 代谢和内源呼吸实现平衡， 110 cm 以上的滤柱中微 生物量基本保持稳定状态。 2. 4BAC 滤池中微生物的活性变化 图 7 表示滤柱单位质量干重活性炭 TTC-脱氢酶 活性的沿程变化趋势。 图 7滤柱沿程微生物的 TTC － 脱氢酶活性 由图 7 可以看出 滤柱沿程单位质量干重活性炭 脱氢酶活性逐渐变小并趋向稳定， 此与脂磷法测定的 系统微生物量变化趋势相似。在30 cm滤柱高处单位 质量干重活性炭的脱氢酶活性 TF 为 128. 0 μg/g， 然 后沿程下降， 在滤池110 cm高度下降至 23. 6 μg/g， 而 后处于基本稳定的状态。 比较图 5、 图 6 与图 7， 在滤柱的底部底物浓度 最高， 活性炭上的生物量最多， 单位高度填料去除 率也最大， 大部分的污染物在110 cm高度以下的滤 柱内实现降解。在更高的滤柱中水体的可生物降 解物质浓度很低， 营养物质已经成为微生物生长的 限制因子， 微生物分解代谢作用减弱， 脱氢酶活性 也随之降低。 为进一步分析微生物活性， 将生物脱氢酶活性 TTC － 脱氢酶活性 除以生物量 脂磷法测定的生物 量 得到单位生物量的生物活性值， 可以反映生物膜 的基质比去除能力 ［14］， 结果如图 8 所示。 图 8单位生物量的 TTC － 脱氢酶活性 由图 8 可以看出 单位微生物量 TTC-脱氢酶活性 在滤柱的底部 30 cm高度处 至70 cm高度处逐渐上 升， 然后呈下降趋势， 到110 cm高度附近达到最低， 再 后又出现上升的趋势; 这样的变化趋势与单位干重活 性炭的微生物活性并不一致。经过厌氧、 好氧处理后 剩余的大多数污染物可生化性差， 降解速率小， 它们在 滤柱底部 小于30 cm高度的滤柱 浓度相对较大， 也就 具有更大进入生物膜的扩散动力， 这些有机物在滤柱 底部生物吸附和水解作用占优势地位， 虽然单位滤柱 高度的有机物浓度降低很快， 但是表现出的微生物呼 吸活性并不高; 而随着水解产物的释放， 水体中污染物 的可生化性逐渐提高， 在后续高度范围的微生物呼吸 作用加强， 单位微生物量的脱氢酶活性逐渐增加， 直到 70 cm滤柱高度处达到最高， 而后随着底物浓度的降 低， 基质成为微生物分解代谢的主要限制因素， 微生物 量及其呼吸活性开始逐渐降低， 到110 cm高度附近降 至最低。但在填料110 cm滤柱高度以上， 单位生物量 的 TTC-脱氢 酶 活 性又 有 了 增 加 的 趋 势， 该 现 象 与 Daniel 和 Peter 的研究结果类似， 他们认为污染物浓度 很低而造成填料表面的生物膜非常薄， 有机物及溶解 氧受传质阻力的影响也变小， 这样生物膜内、 外层的生 物活性均会较高 ［15］; 从图 5 中 COD 和色度的变化情况 上也可反映出来， 二者在110 cm高度以上的滤柱中依 然有较为明显的降解效果。 由上述分析可知， 曝气生物滤池的微生物活性用 单位质量干重活性炭脱氢酶活性和单位微生物量脱 氢酶活性均可表示， 前者与系统微生物量变化趋势相 似， 而后者变化趋势虽然异于前者， 但是体现出的系 统微生物活性更直接。 3结论 1 HRT 对上流式曝气生物滤池的 COD 去除率 33 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 影响最大， 色度次之， 对 UV254去除的影响最小。在 HRT 8. 90 h 时， COD、 色 度、 UV254去 除 率 分 别 为 74 、 95 和 91 。综合分析曝气生物滤池对碱减 量印染废水中污染物的处理效果， 水力停留时间应控 制在9 h为宜。 2 110 cm滤柱高度范围属于污染物生物去除的 高效区域， 该区域内 COD 去除率占滤池总去除率的 86 ， 而色度和 UV254超过总去除率的 98 。在前 30 cm高度滤柱内， 单 位 高 度 滤 柱 对 COD、 色 度 和 UV254的去除速度最大， 30 ～ 110 cm范围内降解速度 变慢， 而110 cm滤柱高度后的降解速度进一步减小。 3 滤柱沿程单位质量活性炭所含脂磷含量经历 了从逐渐下降到稳定的过程， 在110 cm高度滤柱以下 微生物数量沿着滤柱高度呈线性下降， 至110 cm高度 滤柱 处 微 生 物 的 数 量 仅 为 30 cm 高 度 滤 柱 处 的 19. 36 ; 而在110 cm高度滤柱以上， 微生物数量保持 较稳定状态。 4 滤柱沿程单位质量干重活性炭的脱氢酶活性 逐渐变小并趋向稳定， 在30 cm滤柱高度处单位质量 干重活性炭的脱氢酶活性 TF 为 128. 0 μg/g， 然后沿 程下降在滤池110 cm高度下降至 23. 6 μg/g， 而后处 于基本稳定的状态。 5 滤柱沿程单位微生物量 TTC-脱氢酶活性变化 趋势异于单位干重活性炭的微生物活性， 在滤柱的底 部至70 cm 高 度 处 逐 渐 上 升， 然 后 呈 下 降 趋 势， 到 110 cm高度附近达到最低， 再后又出现上升的趋势。 参考文献 ［1］Pujol R， HamonM， KandelX．Biofilters flexible-reliable biological reactors［J］． Wat Sci Tech， 1994， 29 10 /11 33- 38． ［2］张真江， 李继． 进水负荷对曝气生物滤池内微生物的影响［J］． 环境工程， 2011， 29 2 40- 44． ［3］FerhanC， zgǖrAktas．Powderedactivatedcarbon-assisted biotreatment of a chemieal synthesis wastewater［J］． Journal of Chem Technol and Biotechnol，2001， 76 1249- 1259． ［4］SguretF， RacaultY．Hydrodynamicbehaviorofafull- scalesubmerged biofilter and its possible influence on perance ［J］． Wat Sci Tech， 1998， 38 8 /9 249- 256． ［5］田晴． 印染碱减量废水二级出水生物活性炭法深度处理工艺的 研究［D］． 上海 东华大学， 2006． ［6］国家环保总局． 水和废水检测分析方法［M］． 4 版． 北京 中国 环境科学出版社， 2002． ［7］于鑫， 张晓健， 王占生． 饮用水生物处理中生物量的脂磷法测定 ［J］． 给水排水，2002，28 5 1- 5． ［8］李今， 吴振斌， 贺锋． 生物膜活性测定中 TTC － 脱氢酶活性测定 法的改进［J］． 吉首大学学报． 自然科学版， 2005， 26 1 37- 39． ［9］李俊生． 曝气活性炭生物滤池应用于染纱废水深度处理研究 ［D］． 上海 东华大学， 2010． ［ 10］Vestal J B，White D C． Lipid analysis in microbial ecology［J］． Bioscience， 1989， 39 8 535- 541． ［ 11］王占生， 刘文君． 微污染水源饮用水处理［M］． 北京 中国建筑 工业出版社， 1999． ［ 12］王志勇， 许振成． HRT 对悬挂链曝气式生物接触氧化工艺的影 响［J］． 环境科学与技术， 2009， 32 5 52- 56． ［ 13］于鑫， 张晓键， 王占生． 饮用水生物处理中生物量的脂磷法测定 ［J］． 给水排水， 2002， 28 5 1- 5． ［ 14］朱小彪， 许春华， 高宝玉， 等． 曝气生物滤池生物量和生物活性 的试验研究［J］． 环境科学学报，2007， 27 7 1135- 1140． ［ 15］Urfer D，Huck P M． Measurement of biomass activity in drinking water biofilters using a respirometric ［J］． Wat Res，2001， 35 6 1469- 1477 作者通信处杨波201600上海市松江区人民北路 2999 号 4 号学 院楼 E- mail13564605618 163． com 2012 － 07 － 25 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 55 页 ［ 34］Greene B， Hosea M， Mcpherson R， et al． Interaction of gold I and gold Ⅲ compls with algal biomass［J］． Environ Sci Technol， 1986， 20 6 627- 632． ［ 35］Figueira M M， Volesky B， Mathieu H J．Instrumental analys is study of iron species biosorption by Sargassum biomass［J］． Environ Sci Technol， 1999， 33 11 1840- 1846． ［ 36］Raize O，Argaman Y， Yannal S．Mechanisms of biosorption of differentheavymetalsbybrownmarinemacroalgae ［J］． Biotechnology and Bioengineering， 2004， 87 4 451- 458． ［ 37］常秀莲， 王文华， 冯咏梅， 等． 不同海藻吸附重金属镉离子的研 究［J］． 离子交换与吸附，2002， 18 5 433- 434． ［ 38］严国安， 李益健． 固定化小球藻净化污水的初步研究［J］． 环境 科学研究， 1994， 7 1 39- 42． ［ 39］Leusch A， Holan Z R， Volesky B． Biosorption ofheavy metals Cd， Cu， Ni， Pb， Zn by cheanieaily-reinfomceed biomass of marine algae ［J］． J Chem Tech Biotechnol， 1995， 62 279- 288． 作者通信处耿存珍266071青岛市宁夏路 308 号青岛大学化学 化工与环境学院环境科学 E- mailczgeng 163． com 2012 － 04 － 13 收稿 43 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期