染料废水处理设计方案
1、染料废水及其污染
染料废水的污染问题在染料工业中最为突出。近年来，我国每年污水排放量达到390多亿吨，其中工业污水占51%，而染料废水占工业废水排放总量的35%，并以1%的速度逐年增加。每排放1t染料废水可造成20t水污染。在所有行业中，印染纺织行业的COD排放量居第四位，且排放比例仍在逐年增加。在“三河三湖”中，染料废水对太湖和淮河流域的污染尤为严重。
染料废水主要来自染料和染料中间体的生产企业，由染整加工过程中排放的染料、浆料和助剂组成。随着印染行业的快速发展，染料废水已成为水体中最重要的污染源之一。目前世界染料年产量约为(8~9)x105t。中国是纺织品生产和加工大国，纺织品出口连续多年位居世界第一。年染料产量达到1.5×105t，其中约10% ~ 15%的染料将随废水直接排入水体。
染料废水色度高、水量大、碱度高、成分复杂，是难处理的工业废水之一。染料是染料废水中的主要污染物，其中含有各种显色基团(如-N=N-、-N=O等。)和一些极性基团(-SO3Na，-OH，-NH2)。成分复杂，多为芳烃和杂环类，难以降解，也是我国主要水域的重要污染源。
有机染料大多具有很强的化学稳定性，具有三(致癌、致畸、致突变)效应，是典型的有毒难降解有机污染物。此外，废水中的染料会吸收光线，降低水体透明度，不利于水生生物和微生物的生长，降低水体自净能力。同时造成视觉污染，严重破坏水体、土壤和生态环境，直接和间接危害人体健康。
2.一种染料废水的处理方法
染料的有效降解和处理技术是处理染料废水的重要前提。由于大多数染料化学性质稳定，难以降解，因此世界各国科学家都非常重视染料及染料废水的降解和处理方法的研究。随着科学技术的进步和污染控制技术的不断发展，人类也找到了许多处理染料废水的有效方法，可概括为物化法、生物法和物化-生物组合法。
2.1物化方法
2.1.1混凝沉淀法
混凝沉淀法是目前处理染料废水较为稳定和成熟的方法。普遍接受的机制是桥接、压缩双层、网捕获和电中和。混凝剂本身的特性决定了其沉淀性能，包括温度、pH和Eh在内的许多环境因素都可能促进或抑制其沉淀功能。近年来，IPF(无机高分子絮凝剂)已成为研究混凝行为和机理的热点。与普通混凝剂相比，IPF能形成更有效的絮凝形态。混凝法的主要研究方向是开发有效的混凝剂，特别是有机-无机复合混凝剂。
张等研制的无机-有机复合混凝剂对染料废水的处理效果优于聚合氯化铝。吴敦虎等研究了用硼泥复合混凝剂处理染料废水。结果表明，当投加量为0.3 ~ 0.6 g/L，pH值为4.0~11.5时，脱色率达92%以上，优于PAC。
2.1.2膜分离法
膜分离技术具有工艺简单、能耗低、对环境无污染等优点。通过自主研发的醋酸纤维素(CA)纳滤膜，郭明远等人指出CA纳滤膜对活性染料废水的处理和回收效果明显。填充活性炭的改性壳聚糖超滤膜，经过适当交联后，对酸性红染料废水的最大脱色截留率达到98.8%。冯等用壳聚糖超滤膜处理染料废水。脱色率在95%以上，COD去除率在80%左右。吴开芬采用超滤法处理靛蓝染料废水，可实现染料高浓度溶液的直接回用，透过液可作为中性水回用。Soma等mo用氧化铝微滤膜过滤不溶性染料废水，截留率高达98%。
由于膜污染、浓差极化和更换频率过快，以及膜的价格昂贵，膜分离技术处理染料废水的成本过高，极大地限制了膜分离技术在染料废水处理行业的应用和推广。
2.1.3催化氧化法
催化氧化法通过催化作用加速体系中氧化剂的分解，使其与水中的有机物快速反应，从而导致有机污染物在短时间内被氧化降解。为解决高级化学氧化和好氧生物处理处理分散染料废水效果不理想的问题，周建等人采用催化氧化法处理内电解处理后不能达标的染料废水，不仅日处理蒽醌系列分散染料达2500t，而且降低了内电解处理后不能达标的染料废水的色度和COD值，大大降低了运行成本。ArslanLt介绍了Fe2+催化臭氧氧化法处理分散染料废水。研究结论指出，单独使用臭氧氧化法(投加量为2300 mg/L)时，只有在pH=3的条件下才有一定的降解效果，脱色率仅为77%，COD去除率仅为11%。当Fe2+絮凝、臭氧氧化和Fe2+催化臭氧氧化联用时，当Fe投加量为0.09 ~ 18 mmol/L，染料废水pH值为3 ~ 13时，脱色率达到97%，COD去除率提高到54%。
2.1.4芬顿试剂法
以Fe3+或Fe2+为催化剂，在H202存在下产生的强氧化作用可以氧化很多有机分子，而且反应体系不需要高温高压，反应条件不苛刻，反应设备相对简单，适用范围广。陈等对低剂量Fenton氧化-混凝法处理模拟和实际染料废水的研究指出，该方法特别适用于处理成分复杂，同时含有亲水性和疏水性染料的染料废水，操作方便，运行费用低。近年来，有学者将紫外线(uV)和草酸盐引入Fenton法，大大提高了Fenton法的氧化能力，使处理效果更加显著。K. Swaminathan等人研究了光助Fenton体系对偶氮染料活性橙-4的脱色，结论指出光助Fenton体系的降解能力比普通Fenton体系强得多。
芬顿法的缺点是:氧化能力比较弱，出水因为含有大量铁离子而有颜色。近年来，铁离子的固定化技术已成为Fenton氧化的一个重要方向。
2.1.5光氧化法
光氧化法是通过光化学反应降解污染物，包括无催化剂和有催化剂两种。前者也叫光化学氧化，后者也叫光催化氧化。光降解通常是指有机物在光的作用下逐渐氧化成低分子量的中间产物，最终产生CO2、H2O等离子，如PO43-、NO3-、Cl-等。有机物的光降解过程可分为直接光降解和间接光降解。直接光降解是指有机分子吸收光能后的进一步化学反应。间接光降解是周围环境中的一些物质吸收光能形成激发态，然后诱导有机污染物产生一系列氧化降解反应，对处理环境中难以生物降解的有机污染物较为有效。
2.1.6臭氧氧化法
臭氧有很强的氧化能力。除分散染料外，还能破坏有机染料的生色或发色基团，有一定的脱色作用。H.Y.Shu等人比较了八种偶氮染料在O3、氧化和单独UV/O3氧化下的降解。结果表明，引入紫外光后，有机染料的降解速度没有明显加快，可能是因为染料废水颜色太深，吸收了大部分紫外光。石等人指出，直接氧化法是偶氮染料阳离子红x-GRL的主要脱色方法。
由于臭氧在水中的溶解度较低，如何更有效地提高臭氧在水溶液中的溶解度成为研究臭氧氧化技术的热点和关键。另外，臭氧的使用会产生一些副产物，特别是羰基化合物中的甲醛、乙醛等醛类物质。由于这些物质具有急慢性毒性和一定的致癌、致畸、致突变性，容易造成二次污染。另外，臭氧发生器的成本比较高，单独使用并不经济。
2.1.7超声波氧化法
随着超声化学的发展，超声氧化被认为是一种清洁、有前途的处理水污染的有效技术。超声波作用下的声空化效应产生的高温高压使空化气泡中的水蒸气与其他气体解离产生自由基，从而引发超声波化学反应。N.Ince等人关于pH和染料分子结构对超声波降解效率影响的研究表明，pH对染料降解有重要影响，降解程度随pH的降低而增加；分子量越小，结构越简单，带有偶氮邻羟基取代基的染料分子越容易被降解。G. tezcanli-gtiyer等人刚刚发现羟基自由基首先攻击染料的生色团，染料的脱色过程比芳香环的破坏过程更快。J. Ge等人也指出，超声波的引入可以有效加速染料的降解，提高矿化率。
2.1.8电化学方法
电化学处理技术近年来发展迅速，在原有基础上增加了氧化、光催化氧化或催化氧化的协同作用，很好地解决了微电解技术的局限性。周光远等人对盐染料废水处理的研究表明，余氯的产生对脱色和COD的去除起着关键作用。电解1 h后，脱色率可达85%，COD去除率可达99.8%。张廷喜等采用内电解-催化氧化-氧化塘法处理染料废水时，COD的去除率和脱色率均在95%以上。齐梦兰等采用微电解、催化氧化、粉煤灰吸附的组合工艺处理活性染料废水，脱色率达到99.9%，COD去除率在95%以上。
目前，电化学方法主要用于去除具有生物毒性的有机污染物。该方法最吸引人的一个特点是可以发挥电化学方法特有的电催化性能，在一定程度上选择性降解有机污染物。此外，电化学方法与其他处理方法有很好的协同作用，可以结合起来达到理想的处理效果。然而，电化学方法彻底降解水中有机污染物的设备过于昂贵，且消耗大量能量。
2.2生物方法
生物处理是通过生物细菌的絮凝、吸附和生物降解来分离和氧化降解染料。生物絮凝和生物吸附不会引起染料的化学变化。生物降解的过程是通过微生物酶的作用氧化或还原染料分子，破坏染料的发色团和不饱和键。通过氧化、还原、水解、结合等一系列过程，最终将染料分子降解为简单的无机物，或转化为各种微生物所需的营养物质或原生质。生物处理方法有三种:好氧处理、厌氧处理和厌氧-好氧组合处理。
鉴于传统的生物处理方法不能有效处理纺织印染废水中的有机染料，近年来有学者大力研发厌氧-好氧组合技术，并取得了意想不到的效果。有研究表明，许多好氧生物法不能通过同时应用好氧和厌氧方法来氧化或降解有限程度的有机染料，而可以通过厌氧方法实现不同程度的降解。
作为一种实用的水污染处理技术，微生物处理染料废水的开发和研究已有多年的历史。微生物脱色降解的机理非常复杂多样，很多降解过程和反应机理还不清楚，需要不断探讨。
以黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)为代表的白腐真菌因其低耗、高效、广谱以及对环境中各种有毒、有害、难降解、持久性异生物质的强适用性，成为控制各种污染物的有效武器，近年来发展起来的真菌技术被许多学者称为创新型环境生物技术。可能是由于次生代谢阶段产生的木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶的作用，许多白腐真菌对染料具有广谱脱色降解能力。培养条件对白腐真菌的脱色和降解活性有很大影响。康内利等人认为，白腐真菌对一些染料废水有很强的生物吸附作用，如瑞姆唑绿蓝G133、酞菁染料、依维唑绿蓝和海利贡蓝等。，并通过胞外酶的代谢使染料脱色降解。
利用微生物处理染料废水的发展方向之一是选育和培养高效降解工程菌。微生物对有机染料的脱色和降解过去主要集中在兼性厌氧菌，如芽孢杆菌、假单胞菌和一些光合细菌。近几年逐渐筛选出了很多新品种。有学者利用假单胞菌处理多种印染工业废水。研究结果表明，嗜油假单胞菌对甲基橙和B15染料的脱色率可达80%以上，且嗜油假单胞菌对高浓度染料环境表现出较强的耐受性。
20世纪80年代初，固定化微生物技术成为国内外有机工业废水处理的研究热点。该技术将能降解染料的微生物固定在特定载体表面，提高微生物降解效率。微生物的固定化方法有很多种，单一的和混合的。相关研究表明，混合菌具有更好的脱色和降解能力。随着固定化脱色菌载体技术的发展，脱色降解的反应时间也大大缩短。
生物强化技术是在生物处理系统中加入具有特定功能的微生物，以提高原处理系统的处理性能，去除难降解有机物。实施生物强化技术的主要途径有:添加高降解微生物；加入基因工程菌(GEM)；优化现有处理系统的营养供给，通过添加底物或类似物质刺激微生物生长或提高其活力。
膜生物反应器也是近年来发展起来的污水处理新技术。它最早用于发酵工业。20世纪80年代，膜生物反应器技术引起了学术界的极大关注。膜技术可以拦截有机物并减少流出物中所含的有机物。通过无泡曝气和膜生物反应器最大限度地利用氧气。近年来，膜生物反应器已成功用于处理航道污水、粪便污水和垃圾渗滤液，并开始用于处理染料废水。许多学者认为含酶膜生物反应器将是未来处理染料废水的一个重要方向。由于制膜成本高、易堵塞，限制了膜生物反应器技术在水处理领域的全面推广。
虽然生物法有了很大的发展，但随着染料废水可生化性的降低和微生物对营养物质、pH值、温度等条件的严格要求，生物法在实际应用中很难适应染料废水水质波动大、染料种类多、毒性大的实际情况。例如高效率和微生物的固定化。许多专家学者致力于高效降解菌的筛选和基因工程菌的构建，以利用自然界丰富的资源为人类服务。但实践表明，新开发的高效菌应用于染料废水处理时，未必能完全达到预期的强化效果。此外，微生物本身也存在安全问题。高效菌和基因工程菌可能流入自然环境，对自然环境和生态平衡造成威胁。因此，这些生物方法的应用必须事先经过严格的环境安全检查和评估。同时，微生物对染料的降解机理和微生物的代谢机理也需要进一步的研究和探讨。