生物法處理印染廢水的研究進展

梁 波，徐金球，關 杰，郭耀廣，蘇瑞景

（上海第二工業大學 環境與材料工程學院，上海 201209）

生物法處理印染廢水的研究進展

梁 波，徐金球，關 杰，郭耀廣，蘇瑞景

（上海第二工業大學 環境與材料工程學院，上海 201209）

介紹了生物法在印染廢水處理中的應用，主要從印染廢水的水質、新舊排放標準的對比、生物法的改進及強化（包括微生物研究、生物固定化技術的開發、工藝流程的改進）、生物法研究領域的新探索（包括生物法與其他處理方法的聯用、產電微生物的應用）等方面分析和總結了生物法研究的現狀和存在的問題，對未來生物法發展的方向進行了初步探討，認為生物法的深度研究及生物法與其他方法的聯用探索格外重要。

生物法；印染廢水；處理工藝

中國是染料的生產和消費大國。據統計，2013年中國的染料產量已達895 kt，占世界總產量的60%以上［1］。而染料使用大戶紡織印染業一直是中國的傳統產業，該行業產生的印染廢水排放量為（3～4）×106m3/d，約占全國工業廢水排放總量的35%［2］。由于染料生產中使用的化工原料多為萘系、蒽醌、苯系、苯胺及聯苯胺類化合物，且多與金屬、鹽類等物質螯合［3］，加之紡織印染包含4道工序（即預處理、染色、印花和整理），這使得印染廢水具有水量變化大、水質復雜、色度高、難降解物多、COD和BOD5高、懸浮物多等特點，屬于較難處理的工業廢水［4-5］。

生物法是廢水處理的傳統方法。由于微生物具有易獲得、易培養、易變異、繁殖快、適應性強等特性，且通過特定條件的馴化培養還可適應含毒廢水的水質條件，故生物法在印染廢水的處理中也經常使用。但隨著染料工業的迅速發展，目前使用的染料已達數萬種，印染廢水中聚氯乙烯漿料、新型助劑等難生化降解的有機物大量增加，導致印染廢水的可生化性能下降，傳統的生化工藝（如活性污泥法）已很難適應目前的處理需要［6］。

近年來，生物法處理印染廢水的新技術、新工藝不斷涌現。本文介紹了印染廢水的水質及排放標準，對生物法處理印染廢水的研究成果進行了分析和總結。

1 印染廢水水質及排放標準

1.1 印染廢水的水質

紡織印染廢水因染整工藝、纖維種類的不同而有所區別。不同種類的纖維需使用不同的染料和配套的化學藥劑。常用染料與配套藥劑見表1［7］。由表1可知，印染廢水除了含有染料成分，同時還可能存在其他輔助藥劑成分。

一般來說，印染加工的4道工序都有廢水排出，各工序產生的廢水類型和水質各不相同，差異較大［4，8-9］，詳見表2。

表1 常用的染料與配套藥劑

表2 印染各工序的廢水類型及水質

1.2 排放標準

我國歷來重視印染廢水的處理，相關排放標準已做過多次修訂。新的《紡織染整工業水污染物排放標準》［10］（GB 4287—2012）規定，自2015年起，所有企業（現有和新建企業）執行統一的排放限值。同時，在敏感地區，排放標準更加嚴格。與1992年的舊國標［11］相比，新標準增加了總氮、總磷、可吸附有機鹵素3個新指標，去除了含銅量指標；從限值上看，變化較大，除pH和二氧化氯未變，其他限值均比舊指標更加嚴格，且個別指標變化幅度較大，如COD、BOD5、懸浮物等，而苯胺類、六價鉻從過去的可以檢出提升為不能檢出。兩大紡織大省江蘇、山東分別在2004年、2005年頒布了地方性紡織染整工業水污染物排放標準［12-13］，地方標準除pH和二氧化氯與新國標相同、色度略微嚴格外，其他指標均比新國標中規定得更加嚴格，且差距較大。與2007年江蘇頒布的《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》［14］相比，新的國家標準略顯寬松。染整工業水污染物排放標準的對比見表3。

印染廢水本身成分復雜，加之新的國家排放標準趨嚴，使得廢水處理難度加大。因此，如何發揮生物法的優勢，適應印染廢水水質的不斷變化，提高處理能力和處理效果，滿足新的排放要求，成為環保工作者迫切需要考慮和研究的問題。

表3 紡織染整工業水污染物排放標準的對比 ρ，mg/L（pH和色度除外）

2 生物法的改進與強化

生物法是通過微生物的大量繁殖，將廢水中的有機物降解成簡單無機物或轉化為各種營養物及原生質，以達到凈化水質目的的一種處理方法。常用的生物法包括好氧和厭氧兩大類。好氧處理法對BOD5的去除效果較好，但對COD、色度等的去除效果不理想，特別是由于印染廢水的可生化性逐年降低，好氧法處理后的出水水質難以達到國家或地方的排放標準。厭氧處理法適合處理高、中、低濃度的廢水，以及好氧處理過程中產生的剩余污泥。厭氧法可降解含偶氮基、蒽醌基和三苯甲烷基等基團的物質，但尚不能完全分解一些活性染料的中間體（如芳香胺等）。一般而言，厭氧法處理后的出水水質往往達不到排放標準，故多與好氧生物法聯合使用［15］。

從近期生物法處理印染廢水的研究報道看，主要包括微生物研究、生物固定化技術、工藝流程的改進等。

2.1 微生物研究

印染廢水處理中，微生物研究主要關注的領域是選育和培養高效、優良的微生物菌株。目前發現的能降解染料的微生物主要有藻類、細菌和白腐真菌3種。

2.1.1 藻類

藻類能降解染料主要歸因于其生理生化特性。藻類具有較大的比表面積，且細胞壁表面官能團豐富（如氨基、羥基、羧基等），這些官能團能與廢水中的一些污染物鍵合或發生電吸附，從而達到凈化水質的目的［16］。Acuner等［17］采用馴化前后的小球藻處理Tectilon Yellow 2G染料時發現，未馴化的小球藻通過生物轉化對染料進行脫色，而馴化后的小球藻則通過生物降解完成脫色過程。金鵬［18］研究了綠藻對活性艷藍KN-R染料的生物吸附作用，實驗結果表明：整個吸附過程符合Freundlich等溫吸附模型，且該吸附過程的變化規律有別于普通吸附劑的吸附規律；此外，吸附時間和溶液pH對綠藻吸附的影響較大。

2.1.2 細菌

細菌的降解能力取決于酶的活性。Sharma等［19］采用固定化升流式反應器，接種從某印染廠分離出的高效菌處理三苯甲烷類染料酸性藍15，脫色率可達94%。胡起靖等［20］利用從某印染廠廢水處理池的活性污泥中篩選分離出的嗜麥芽寡養單胞菌處理結晶紫溶液，在溶液pH為7、溫度為35 ℃、NaCl質量分數為0.5%、搖床轉速為150 r/min的條件下，脫色效果最好；在此條件下處理60 mg/L的結晶紫溶液8 h時，脫色率可達95.7%。

2.1.3 白腐真菌

白腐真菌具有廣譜、高效、低耗、適應性強等生物特性。Eichlerová等［21］利用白腐真菌Dichomitus squalens降解三苯基甲烷類染料，發現白腐真菌對不同的染料均有不同程度的脫色能力，在液相環境中對活性藍19（RBBR）的去除率高于橙黃G。朱勇等［22］研究了在滅菌環境下白腐真菌對活性艷紅染料廢水脫色的有效性，實驗結果表明，當染料質量濃度為50 mg/L時，經過4 d處理，染料廢水的脫色率高于80%。

總體而言，選育和培養具有特定功能微生物菌株的研究還需做大量的工作，且從純菌株研究到印染廢水處理的實際使用，還需解決該類微生物易流失及被其他微生物吞噬的問題。

2.2 生物固定化技術

生物固定化技術是一種通過物理或化學手段，將酶、微生物細胞、動植物細胞、細胞器等生物催化劑固定培養在特定載體上，從而獲得高活性、高密度生物催化劑的新技術。該技術具有細胞密度大、反應速率快、不流失、耐沖擊負荷高以及反應過程易控制等優點，在印染廢水處理領域具有較大的應用潛力。生物固定化方法包括包埋法、吸附法、共價結合法和交聯法4大類［23］。生物固定化技術的研究關鍵是開發篩選出適合不同微生物固定化的理想載體，使其具備對微生物無毒、性質穩定、不易分解、不溶于水、傳質性能好、強度高、操作方便、價格便宜等特性。常用的載體根據組分的不同可分為無機載體、有機高分子載體和復合載體3大類［24］。

李博等［25］采用PVA-硼酸包埋法固定CK3脫色菌，并在不同酸堿度條件下處理偶氮染料C I Reactive Red 180，實驗結果表明：不同酸堿度影響染料的脫色效果；堿性環境下的脫色效果優于酸性環境，但酸性環境下凝膠小球的強度高于堿性環境。周林成等［26］采用自制的大孔載體復合聚氨酯泡沫固定復合菌群B350和B110，并將其用于處理某印染廠退漿工序沉淀池出水，經20 h固定化微生物反應器處理后，出水COD為95 mg/L，COD去除率達90%以上。董新姣等［27-28］嘗試將玉米芯、絲瓜瓤等植物材料作為載體固定微生物，并將其用于處理染料廢水，效果較好，利用玉米芯固定的青霉菌X5處理活性艷藍KN-R廢水，重復使用5次后，脫色率仍超過73%；利用絲瓜瓤固定無花果曲霉處理活性艷藍KN-R廢水，重復使用6次后，脫色率仍在80%以上。

此外，漆酶作為一種綠色環保的多酚氧化酶類，目前被廣泛應用于染料降解領域，它可以通過催化空氣中的氧氣而直接氧化分解各種酚類染料、取代酚、氯酚、硫酚、雙酚A及芳香胺等。在漆酶介導劑存在的情況下，漆酶還可催化降解偶氮類和靛青類染料。因此，漆酶固定化技術是該領域的熱點之一［29］。Held等［30］利用礬土固定Bacillus SF所產芽孢外衣漆酶進行染料脫色，脫色率可達99%。Niladevi等［31］利用海藻酸銅成功固定了Streptomyces psammoticus所產多銅氧化酶，穩定性較好。Singh等［32］用硝化纖維薄膜固定γ-proteobacterium JB所產漆酶，在4～30 ℃條件下能穩定保持100%酶活3個月。Daassi等［33］利用海藻酸鈣將Coriolopsis gallica所產漆酶固定，形成的凝膠小球用于對染料活性藍19、活性黑5、Lanaset Grey G等的脫色，重復使用4次后，其活性仍可保持在70%以上。

2.3 工藝流程的改進

生物法將微生物引入印染廢水的處理中，通過各種構筑物、預處理或其他手段創造滿足微生物生長和繁殖的條件，使其能利用印染廢水中的有害物質，進而達到凈化水質的目的。可根據廢水的水質狀況、微生物特性等因素組合不同操作單元，構成有效的工藝流程。近年來，生物法處理印染廢水工藝的組合和創新研究一直未曾停歇。生物法處理印染廢水的工藝及其處理效果見表4。

一般而言，生物法處理印染廢水的有效工藝是厭氧與好氧聯用，這主要是針對印染廢水中可生化性差的高分子物質，使其通過厭氧段發生水解和酸化，從而改善廢水的可生化性，為好氧段處理創造條件。由表3可見，單獨使用好氧法或厭氧法處理印染廢水的工藝幾乎沒有，聯合使用才是發展的主流。

厭氧法包括ABR，HABR，AFB，UASB等工藝方法，這些方法基本上屬于第二、第三代厭氧技術，與傳統厭氧技術相比，新一代反應器中生物量大幅增加，運行負荷也相應提高。經厭氧處理后的廢水，生化性能大幅提高。

好氧法包括ASP，BCO，MBR，BAF，CASS，SBR，BFB等工藝方法。其中，生物膜法使用較多，包括BCO和BFB等。生物膜法今后的發展主要關注3個方面［49］：一是填料改進，優質填料應比表面積大、有足夠的空隙率、易于掛膜、不易被微生物分解、有一定強度，且便宜；二是復合生物膜研究，復合生物膜優于單一生物膜，可同時去除廢水中多種污染物，有利于節省設備空間；三是與其他工藝的結合，通過前期處理改善廢水的可生化性能，使生物處理的優勢充分發揮。MBR法是傳統活性污泥法和膜分離技術的有機結合［50］，該方法以微濾膜組件代替傳統活性污泥法中的二沉池進行固液分離。MBR法具有生物處理負荷高、占地面積小、活性污泥濃度高、剩余污泥產量低、出水水質好等優點，自問世以來，受到廣泛關注。

表4 生物法處理印染廢水的工藝及其處理效果

在關注聯合工藝的同時，單個操作單元在印染廢水處理中相關問題的研究也在進行。趙新景等［51］應用厭氧膜生物反應器（AnMBR）處理活性黑KN-B廢水，廢水的BOD5和COD去除率分別達到90%和85%以上，脫色率可達90%以上，為后續處理提供了良好的條件。Lotito等［52］采用序批式生物濾池顆粒反應器（SBBGR）處理某染整工廠的實際印染廢水，SBBGR的COD有機負荷最高可達2.4～2.6 kg/（m3·d）、HRT約20 h，處理后的廢水可排入城市污水管道。

即便生物法工藝流程的研發工作開展了很多，但將表3所列的15項工藝的處理結果與新國標［10］直排限值進行比較，仍存在較大差距。

3 生物法研究領域的新探索

厭氧處理盡管已發展至第二、第三代，但其局限性仍不容忽視。不少研究者從新工藝、新技術、新材料角度出發，進行了多種探索。一些其他處理手段（如物理、化學法等）被引入，以優化生物法的處理效果。而生物法自身也出現了將產電微生物應用于染料廢水處理的新嘗試，擴大了生物法處理的內涵。

3.1 生物法與其他處理方法的聯用

陳桂娥等［53］采用UV氧化與MBR組合工藝處理模擬印染廢水，該組合工藝對TOC的平均總去除率達到89%，出水水質良好。沈政贏等［54］建立了SBR中超聲波輻射和好氧活性污泥聯合作用的方法，并研究了超聲波對偶氮染料AO7生物降解的影響，發現超聲波輻射使微生物的膜滲透性有所變化，有利于促進微生物對AO7的降解。夏炎等［55］研究了MBR與納濾法（NF）組合工藝，通過MBR去除廢水中大部分的COD，再通過NF去除殘余的COD和色度，二者的去除率分別可達97%和98%。

馬玉等［56］研究了投加無機混凝劑對膜污染及除磷效果的影響，實驗結果表明，向膜生物流化床（MBFB）投加混凝劑PAC能有效延緩膜污染并提高系統的除磷效果。張迎敏等［57］則通過單獨投加FeCl3及投加FeCl3與CaCl2的組合藥劑，分析混凝劑對強化MBR深度處理印染廢水的影響，發現不同的混凝劑均能提高MBR對色度、COD、氨氮和總磷的去除效果，且均可有效地緩解膜污染。

3.2 產電微生物的應用

有研究者將主要應用于微生物燃料電池（MFC）的產電微生物應用到印染廢水的處理中。一般的微生物降解是通過自身合成的降解酶來完成的，該降解過程特異性太強，制約了出水效果的提升。近年來，產電微生物所具有的非特異性降解能力受到了廣泛的關注［58］。已有研究證實，采用MFC既可以處理染料廢水，又可同時獲得電能［59-61］。崔旸等［62］研究了當內阻為400 Ω時，雙室MFC同步降解還原性硫化物和偶氮染料的產電性能，實驗結果表明：該系統的最大電流密度和最大功率密度可分別達到656.25 mA/m2和120.76 mW/ m2；一個周期結束后，還原性硫化物被完全氧化，而偶氮染料廢水的顏色變為透明。Kalathil等［63］將顆粒活性炭裝入不銹鋼籠并置于MFC的雙室反應器中，反應48 h后，COD在陽極室的去除率為71%。MFC也可與其他工藝聯用，Li等［64］的研究表明，將MFC與厭氧—好氧工藝聯用降解偶氮染料剛果紅，可同時降解染料和產生電能。

從現有的研究來看，MFC多用于對單一組分模擬染料廢水的處理；而用于處理實際印染廢水，甚至與其他處理工藝聯用的研究還不多。目前，該技術總體上還處于探索研究階段。

4 結語

由于生物法的成本相對較低、應用簡便，歷來受到研究者和使用者的關注。但傳統生物法處理印染廢水的出水水質難以達到新的排放標準要求，且單一的生物法又不能適應現今印染廢水水質的變化。因此，生物法的深度研究及生物法與其他方法的聯用探索就顯得格外重要。現代生物技術和新的物化方法的不斷發展，為生物法的改進提供了契機。總之，新工藝、新技術的出現，將促使進入生物處理單元的廢水符合生物法的進水要求，從而使得生物法在印染廢水處理中的作用得到進一步的提升。

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（編輯 魏京華）

Research Progresses in Treatment of Dyeing Wastewater by Biological Methods

Liang Bo，Xu Jinqiu，Guan Jie，Guo Yaoguang，Su Ruijing
（School of Environmental and Materials Engineering，Shanghai Second Polytechnic University，Shanghai 201209，China）

The applications of biological methods in treatment of dyeing wastewater are introduced. The present situation and problems in research of biological methods are analyzed and summarized in aspects of wastewater quality，comparison of the old and the new emission standards，improvement and enhancement of biological methods （including research on microbiology，development of biological immobilization technology，improvement of technological process，etc），as well as new exploration in the research fi eld of biological methods （including the combination of biological methods and other methods，the application of electricigens，etc）. The development directions of biological treatment methods are preliminarily explored，and it is considered that the in-depth research of biological methods and the combination of biological methods and other methods are especially important..

biological process；dyeing wastewater；treatment process

X712

A

1006 - 1878（2015）03 - 0259 - 08

2014 - 10 - 30；

2015 - 03 - 01。

梁波（1974—），男，云南省曲靖市人，博士，副教授，電話 021 - 50215021 - 8500，電郵 liangbo@sspu.edu.cn。