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工业纺织废水中臭氧化和生物降解处理对生物毒性的影响
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摘要
纺织工业需要大量高质量的水，将其转化为受各种化学品污染的废水。估计纺织废水对水生系统的影响是一个非常重要的问题。
因此，停止工厂内的水循环是降低其环境影响和运营成本的有前途的方法。考虑到这两个原因，这项工作的目的是确定纺织废水在分离化学，生物以及化学和生物联合处理之前和之后的急性毒性。
第一次研究了三种不同的化学和生物学方法组合的效应。使用Microtox毒性测试评估急性毒性分析。在工作容积1 dm3（搅拌池）和20 dm3（泡罩塔）的两个反应器中的臭氧化作为化学过程进行测试，同时在两个不同的系统中进行生物降解—序批式反应器（SBR;工作体积1.5 dm3）和水平连续流动生物反应器（HCFB;工作容积12 dm3）。未经处理的废水具有最高的毒性（EC50值范围：3~6％）。
与生物降解相比，臭氧化造成的毒性降低较少。在使用SBR的系统中，获得了最好的结果，生物降解后臭氧化和额外的生物降解96％的毒性去除。在第二系统（含HCFB）中，两阶段处理（生物降解和臭氧化）导致最高的毒性降低（98％）。
关键词:毒性 Microtox法 生物降解 臭氧
1绪论
纺织工业被称为一个部门，对环境影响最大的是与初级用水量和废水产量（Rosi et al，2007）。其水需求估计为成品纺织品的80~100msup3;/Mg（Rosi et al，2007）。由于强烈建议停止水循环处理，因此纺织工业需要实现环境可持续发展。
该行业排放的废水中含有大量的有机和无机化合物。因此它的组成非常复杂。流出物的特征是碱性反应，较高的盐含量，深沉的颜色和强烈的毒性。它们包含：染料，有毒重金属，五氯苯酚，氯漂白剂，卤素载体，致癌胺，游离甲醛，生物杀灭剂，盐类，表面活性剂，消毒剂，溶剂和软化剂（Jadhav et al，2015）。以前提到的许多化学物质都是异生物质。其中染料尤其重要（Eren，2012）。首先，可用着色剂的数量超过了100,000（Yesiladali et al，2006）。这是造成纺织废水极度变化的主要原因之一。其次，它们应该对光照和生物降解产生抗性（Asghar et al，2015），这使得他们的处理非常困难。通常，它们几乎不变地通过传统的污水处理厂。结果有色废水排放到水生环境中，造成光合水生植物和藻类的问题（Sarayu和Sandhya，2012）。
第三，其中一些或其降解产物具有毒性，致突变或细胞毒性(Al et al., 2013; Bae and Freeman, 2007; Edwards et al., 2004; Lee et al., 2003; Mansour et al., 2007;Stammati et al., 2005; Umbuzeiro et al., 2005). 更重要的是，纺织废水在时间上发生巨大变化(Eren, 2012). 其组成与生产工艺流程密切相关，这取决于市场需求。 甚至即使在一个工厂内，也可以观察到大的差异，例如与季节和时尚趋势有关。(例如，新的颜色).
由于上述事实，纺织废水处理是至关重要的，但也是一项非常复杂的任务。 有许多方法可用于生物，化学和物理化学。 最常见的情况是，不可能仅使用其中的一种污水处理工艺就可以获得令人满意的污水处理效果，因为不同污水处理流程的整合是必要的 (Fu et al., 2011). 在可用的技术中，臭氧化和生物降解是最环保的(Asghar et al., 2015; Imran et al., 2015).
臭氧化被称为不产生污泥的过程。 残留的臭氧分解成水和氧气(Asghar et al., 2015). 然而，臭氧化适用于完全脱色而不是矿物质化(Tosik, 2005). 另外，由于高能量消耗，臭氧生成是昂贵的。 这就是为什么这种方法必须与其他方法相结合。 根据pH值，臭氧化过程遵循两种不同的路线。 在酸性条件下，臭氧直接与有机化合物反应成为亲电体。 它会攻击共轭双键，它们通常是染料中发色团的一部分(Turhan et al., 2012). 结果，形成了醛，羧酸和其他副产物(Asghar et al., 2015). 在碱性pH下，臭氧化机制从直接臭氧化变为复杂链式机制。 臭氧迅速分解产生羟基自由基和其他自由基物质(Turhan et al., 2012). 羟基自由基导致比臭氧本身更快且更有害的有机物降解。 例如，他们能够打开染料的芳香环(Asghar et al., 2015). 显然，染料氧化速率随着溶液pH的增加而增加(Turhan et al., 2012).
生物降解是纺织废水处理中最便宜的方法。 它不涉及任何化学品。 最常见的生物过程导致染料的解毒(Ayed et al., 2010; Champagne and Ramsay, 2010; Chougule et al., 2014). 含有分散染料，还原染料，直接染料和碱性染料的低浓缩废水可以在活性污泥系统中成功处理。 这些类型的染料可以很容易地吸附到活性污泥上或絮凝 (Frijters et al., 2006). 活性染料特别是偶氮染料的生物降解需要特定的过程顺序。 首先，必须提供厌氧条件。 在强还原条件下，通过低于350mV的潜在氧化还原可以破坏双键 (Isik and Sponza, 2007). 因此形成芳族胺，其在厌氧过程中不会降解。 这些胺可以在好氧条件下例如通过活性污泥法进一步矿物质化(Klepacz-Smołka et al., 2015; Popli and Patel, 2015). 但是，生物过程也有特定的限制。 它们只能用于可生物降解化合物的矿化。 而且，微生物对有毒化合物敏感(Ganzenko et al., 2014). 预臭氧化可用于非常有毒的流出物(Eremektar et al., 2007).
有许多关于臭氧化和染料生物降解的论文(Ayed et al., 2010; Bonakdarpour et al., 2011; Champagne and Ramsay, 2010; Chougule et al., 2014; Fanchiang and Tseng, 2009; Oguz and Keskinler, 2008; Popli and Patel, 2015; Souza et al., 2010; Tabrizi et al., 2011; Tehrani-Bagha et al., 2010; Turhan et al., 2012; Zhang et al., 2015), 然而纺织废水含有许多可能影响工艺的助剂。 这是研究人员去年专注于工业废水的原因(Anastasi et al., 2012; Fu et al., 2011; Iaconi, 2012; Jadhav et al., 2015; Lotito et al., 2012; Punzi et al., 2015; Qi et al., 2011; Somensi et al., 2010).
从生态学的角度来看，纺织废水对水生生态系统的影响是非常重要的一个方面。 另外，由于其毒理学效应，废水回用可能受到限制。对于不同过程对实际废水毒性的影响，仍然没有足够的调查研究 (Punzi et al., 2015). 处理，特别是臭氧处理可能导致有毒产物的形成，这对于环境来说可能比未处理的废水更危险。 尽管使用了不同的生物指示剂，Microtoxreg;检测法是快速评估对水生生物的急性毒性的最常用方法 (Ma et al., 2014).
本研究的目的是确定化学，生物以及化学生物处理联合对染色厂高负荷流出物毒性的影响。作为化学处理，选择臭氧化。 生物降解方法在序批式反应器（SBR）以及水平连续流生物反应器（HCFB）中进行。 化学和生物过程的不同组合在所用设备的两种尺度上进行了测试。
2. 材料和方法
调查分两个系统进行。 在第一个系统中，序批式反应器（SBR）用于生物降解，1dmsup3;的反应器以半间歇模式工作用于臭氧化。 第二，在水平连续流动生物反应器（HCFB）中进行生物降解，而在20dmsup3;泡沫柱中进行臭氧化。对生物和化学过程的三种组合进行了测试：臭氧化随后是生物降解，生物降解随后是臭氧化，生物降解随后是臭氧化，然后是第二次生物降解。
2.1. 污水
实际废水从位于波兰罗兹区的染色工厂进行四次。 在冬季收集的样品（TW I-22.03.15），在春季 (TW II e 14.05.15) 和夏季 (TW III e 12.08.15 and TW IV e 09.06.15) 进行了实验。使用浓缩的流出物流包含洗涤后的浴液，漂白，染色和染色后的第一次漂洗。 先前提到的浴槽的特征在于比没有漂白，冲洗和中和的洗涤更高量的有机和无机污染物。
2.2. 臭氧化实验
较小规模的臭氧化反应以半间歇模式进行（异质气体液体系统）。 设置由Bilinska et al. (2015) 先前描述。应用两种臭氧剂量：TW I为1.68 g O3 dmsup3;，TW II和TW III为0.42g O3 dmsup3;。而大规模的臭氧化是在20dm3的玻璃塔中进行的。 实验室设置图如图1所示。用陶瓷漫射器brandol 60reg; (3)把臭氧从反应器底部注射入反应器(1)。该柱与TOGC8X TROGEN LTD制造的臭氧发生器连接，该臭氧发生器与整体式压缩机和氧气浓缩器结合。 通过德国BMT MESSTECHNIK GMBH制造的臭氧分析仪BMT 964测量反应器入口和出口处气相中的臭氧浓度。 蠕动泵强制液相循环。 使用细胞收集用于分析的样品。 来自反应器的气体流出物通过填充有指示剂的硅胶的洗涤器以除去气体中含有的水分，然后导入臭氧破坏器。 该过程在0.65巴的恒定气体超压下进行。 生物降解后，将臭氧剂量等于0.42 gO3bull;dm3应用于TW IV。
2.3. 生物降解实验
第一个系统的生物降解实验在两个单独的SBR反应器中平行进行。 在Pazdzior et al. (2009)等人提出的早期调查中使用了非常类似的设备。但是，有一些显着的差异。 SBR的工作量为1.5 dm3。 实验在30℃下进行。所有生物反应器都用从纺织废水处理厂采集的活性污泥进行接种。 SBR反应器在水力停留时间（HRT）等于48小时的12小时循环（30分钟沉降，38分钟绘制，72分钟充填，几乎11小时混合和8小时充气）下工作。 一个生物反应器处理原始纺织废水，而另一个生物反应器处理臭氧化后的废水。TW IV在HCFB中处理，工作量为12立方分米 (图. 2). HCFB被分成三个小室和一个沉淀池。第一个室是缺氧的（通过IKA搅拌器机械搅拌），另外两个在好氧条件下工作。 通过空气注入以100Nm 3 / h 1的流量通过放置在每个腔室底部的两个多孔宝石供应氧气。 蠕动泵可实现反应器的填充和拉制以及内部和污泥再循环。 恒温器确保恒定的温度为30℃.HCFB部分（20％v / v）填充有接种前述活性污泥的球形LECA（直径9e13mm）。 HRT固定在48小时。
2.4. 分析方法
以下分析方法适用于处理后的废水：pH（WTW meter Multi 720），电导率（WTW meter Multi 720），BOD5（稀释法，标准方法— APHA，1992），COD（标准重铬酸盐法 ，分光光度计DR 5000，LCK314，Hach-Lange），TOC（分析仪IL550TOC-TN，Hach-Lange）和分光光度分析（根据PN-EN ISO 7887：2002）。 使用Microtoxreg;测量处理前后纺织废水的急性毒性。 根据“基本测试81.9％”方案（在Microtox Model 5
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