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    印染廢水生物處理工程分析

    發布時間:2019-12-17 16:44:41   來源:www.safe-mates.com   

    據統計,全每年約有28萬t紡織染料排入水體.我國紡織印染業發達,生產規模居首位,產生的大量印染廢水不僅嚴重污染水環境,而且進入水體的染料及其中間代謝產物具有致癌、致突變等潛在危害;同時,水體的色度也降低了透光度,會導致水生生態系統的破壞.針對印染廢水的處理,物化工藝和生化工藝的合理結合,是目前印染廢水處理的普遍方式.物化法有磁分離法、膜分離法、混凝法、吸附法、高級氧化法、光催化法等,物化法可以高效率處理印染廢水,但物化法處理成本相對較高而且容易引起二次污染,比較而言生化法處理成本相對較低,而且污染物通過生物好氧代謝可以得到徹底降解.
      分散染料作為聚酯纖維的主要使用染料,廣泛應用于紡織印染工業.在分散染料中含偶氮結構的染料占比大,偶氮類分散染料具有合成簡單、耐日照強度高、色牢度高等特點.采用厭氧、好氧結合的生物工藝降解偶氮染料時,在厭氧條件下,偶氮染料中的偶氮鍵在偶氮還原酶作用下斷裂導致染料脫色,而后續的好氧條件下某些非特異性酶可以將厭氧條件下產生的芳香胺進一步降解.本文即是針對一種偶氮結構的分散染料 (neocron black, NB),分別研究其在好氧、厭氧、厭氧/好氧交替條件下的生物降解特性,并通過紫外-可見分光光度計和氣相色譜-質譜聯用,初步推測該染料生物降解過程的中間代謝產物和生物降解途徑,研究結果有助于加深對印染廢水生物處理過程的認識,以期為印染廢水生物處理工程設計的工藝優化提供理論依據.
      1 材料與方法1.1 實驗裝置
      實驗所用的3個序批式反應器 (R1、R2、R3) 由有機玻璃制成,其尺寸為20 cm×20 cm×35 cm,總容積14 L,反應容積10 L.其中好氧反應器R1設置攪拌裝置、曝氣裝置和定時器;厭氧反應器R2設置攪拌裝置和定時器;厭氧/好氧交替反應器R3設置攪拌裝置、曝氣裝置和定時器,反應器厭氧8 h后曝氣4 h.實驗期間反應器內溫度為 (28±3)℃,實驗裝置示意圖見圖 1.

    對于印染廢水,一般來說,厭氧/好氧交替更應該有利于微生物對廢水色度 (染料) 的去除,厭氧環境有利于某些還原類酶的生成和作用,而好氧曝氣可以提供充足的電子受體和受氫體,有利于將有機物徹底礦化分解.本實驗在好氧條件下反應器對NB染料的降解效率高,可能的原因有二,其一是該分散染料的相對分子量較小,容易進入細胞膜,同時也沒有增加生物降解難度的基團 (如磺酸基、羧基等),本身較易生物降解,其二是在曝氣池中存在大量厭氧微環境,菌膠團內部處于厭氧狀態,微生物可以產生大量還原類酶. NB染料結構上以苯環為主要架構,含有偶氮雙鍵和其它含氮基團,代謝時會產生大量苯胺類物質,這類物質對微生物具有強烈抑制作用,并在反應器中累積,而且隨著染料濃度的增加,包括染料本身和其某些中間代謝產物在廢水中累積也就越多,從而抑制了微生物活性,并終表現為反應器對COD和染料去除效率的下降;Hakimelahi等利用微生物降解偶氮染料也獲得類似實驗結果.
    在染料降解的前1.5 h時段,反應器在厭氧條件下 (厭氧/好氧交替反應器也是處于厭氧狀態) 對染料的去除效果優于好氧條件,厭氧條件產生的還原類酶在染料前期降解過程中起到關鍵作用.在前8 h時段中,厭氧/好氧交替條件實際處于厭氧狀態,之所以出現該條件下對染料去除效率高于厭氧條件時的現象.可能的原因有二:其一是厭氧/好氧交替系統始于前一組實驗的好氧處理,雖然本組實驗開始前3組反應器污泥均經過清水洗滌和一天的靜置,但是總體上經過好氧曝氣后的污泥中殘留剩余染料要少于厭氧系統,因此厭氧/好氧交替系統在厭氧階段的染料濃度比厭氧反應器中更低;其二是經過厭氧/好氧交替作用的微生物處于更低濃度的基質中,對新加入代謝基質也表現出更強代謝能力.進入三階段以后,隨著系統內易生物降解物質的逐漸消耗和難生物降解物質的大量累積,微生物代謝速度隨之降低,在四階段甚至出現停滯.總體上講,厭氧生物處理對于NB染料的降解至關重要,而好氧條件也加速了后續生物降解速度.有研究發現,某些微生物在好氧條件下能使偶氮鍵斷裂,同時染料偶氮鍵斷裂生成的芳香胺在好氧條件下更易降解,這些因素均會對NB染料的生物降解過程具有促進作用.
     對比有外加葡萄糖條件下2 h后染料降解動力學參數,染料降解速率常數在好氧條件下低,在厭氧條件下反而高,這似乎與前面的實驗結果相矛盾;實際上,在有外加碳源條件下2 h時染料的大部分已經實現了初步生物降解,而且好氧條件下的降解效率高,厭氧/好氧交替條件次之,厭氧條件下低,2 h以后的生物降解過程更接近在反應器中有大量中間代謝產物積累、而外加碳源基本逐漸代謝完畢時的情況 (特別是好氧條件下).與圖 5中NB染料起始濃度為400 mg ·L-1條件下的降解動力學參數相比較 (有外加碳源),不同起始濃度染料的生物降解動力學特性和動力學參數也存在較大差別,染料生物降解過程是個復雜的系列反應,特別是隨著對微生物具有強烈抑制作用中間代謝產物的逐漸生成和積累,僅僅體現染料發色基團受到破壞的染料降解動力學特性受到諸如中間代謝產物濃度、剩余外加碳源等諸多因素影響.
      總體上講,在實驗的12 h內,不同曝氣條下有外加碳源時NB染料降解情況和無外加碳源時類似,均是厭氧條件降解速率小,厭氧/好氧條件次之,好氧條件大.由此可見,外加碳源通過共代謝作用改善了NB染料的生物降解性能,但是如2.1節所論述的原因,相對分子質量較小的NB染料在外加碳源條件下,依然是在有氧條件下生物降解速率大.
    結論
      (1) NB染料的生物降解效率,好氧條件下高,厭氧/好氧交替條件次之,厭氧條件下染料降解效率低;在同一反應器中,隨著染料濃度的增加,微生物對NB染料的降解效率逐漸下降.厭氧條件對于NB染料的降解至關重要,而好氧條件加速了染料代謝產物的生物降解進程.
      (2) 染料生物降解的動力學特性受到曝氣形式、染料濃度和外加碳源的影響,外加碳源對NB染料的生物降解具有促進作用.在染料濃度為200 mg ·L-1、有外加碳源條件下,2 h后微生物對染料降解為零級反應,在無外加碳源條件下,2 h后微生物對染料降解為一級反應.
      (3) 不同實驗條件下,NB染料偶氮雙鍵發色基團均得到充分降解,但是在反應器中始終有苯環、不飽和烴和共軛烯烴等未得到充分降解. NB偶氮染料生物降解先從偶氮雙鍵斷裂,之后生成芳香胺,芳香胺再通過一系列生物降解作用,終開環直至被完全生物降解.

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