混合构建湿地-电凝聚系统在真实纺织染料废水处理中的性能评估

《Journal of Water Process Engineering》：Performance evaluation of a hybrid constructed wetland-electrocoagulation system for real textile dyeing wastewater treatment

　　人工湿地与电化学协同处理纺织废水，实验室研究显示HCW-EC系统可有效去除色度（92%）、COD（93%）及悬浮物（76%），通过微生物降解（Proteobacteria等优势菌群）与电化学混凝（Al电极优化参数）实现高效水质净化，符合印度排放标准，为复杂废水处理提供新思路。

　　

克里斯蒂·K·本尼（Christy K Benny）| 杰迪普·贾达夫（Jaydip Jadav）| 萨斯瓦蒂·查克拉博蒂（Saswati Chakraborty）

印度古瓦哈提理工学院（Indian Institute of Technology Guwahati）土木工程系，古瓦哈提，781039，阿萨姆邦，印度

摘要

纺织印染废水对环境和人类健康构成严重威胁，由于其顽固的染料和降解中间体，其处理仍具有挑战性。本研究评估了一种实验室规模的混合水平流 constructed wetland（HCW）-电凝聚（EC）系统，用于处理实际的纺织印染废水。该废水的特性如下：颜色（1698 ± 256 ADMI）、COD（598 ± 106 mg/L）、BOD₅（190 ± 25 mg/L）、TDS（4898 ± 324 mg/L）、TSS（326 ± 68 mg/L）和pH值（9.6 ± 0.2）。HCW以连续模式运行，水力停留时间为2天，主要通过微生物降解去除颜色和可生物降解的有机物。优势细菌群包括变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）。EC单元以批次模式运行，使用铝电极，在最佳条件下（初始pH值5、电流密度12.5 mA/cm²、反应时间60分钟和电极间距2厘米）通过凝聚和吸附去除残留颜色和固体。HCW-EC系统实现了较高的去除率：颜色（92 ± 1%）、COD（93 ± 1%）和TSS（76 ± 1%），同时TDS也有部分减少（59 ± 1%）。处理后的出水符合印度纺织废水排放标准，并有效去除了有毒的染料降解中间体。本研究展示了将HCW与EC结合用于实际纺织印染废水处理的潜力，突显了其优于传统单独生物或电化学工艺的性能。

引言

纺织行业是水资源的最大消费者，生产一吨产品大约需要230-270吨水。据世界银行数据，全球约20%的工业废水来自这一行业，其中印染过程产生的废水占总量的80%以上[1]。纺织印染废水通常含有染料、有机化合物、无机盐和辅助化学品[2]。这类废水的成分变化较大，其特征是颜色浓度高（1450–4750 ADMI）、COD（1100–4600 mg/L）、BOD（10–1800 mg/L）、总固体（500–14,100 mg/L）和pH值（5–10）[3]。染料在水生环境中的存在对环境和健康构成严重风险，因为许多染料具有致癌性和致突变性。此外，染料会阻碍光线穿透并降低水体的溶解氧，从而破坏水生生态系统[1]。由于染料复杂的芳香结构，使其具有高化学稳定性和难以生物降解的特性，因此完全去除染料仍然具有挑战性[4]。 生物处理方法利用细菌、藻类、真菌和酵母等微生物来降解纺织印染废水中的污染物[5]。其中，constructed wetlands（CWs）因建造、运行和维护成本低、能耗低以及工艺稳定性好而受到广泛关注[6]。这些人工湿地通过微生物、介质和植物之间的相互作用来去除污染物。先前的研究已经证明了不同配置的CWs在处理含染料废水方面的潜力[[7], [8], [9], [10]]。然而，CWs存在一些局限性，如需要大量土地、水力停留时间较长，以及去除顽固染料及其降解中间体的效率较低[11,12]。因此，CW出水往往无法达到排放或再利用标准，这突显了需要有效的后处理工艺。后处理方法如吸附、膜过滤和高级氧化已被用于净化染料废水[13]。吸附可以有效去除残留染料，但会导致吸附剂频繁再生，产生二次废物；膜工艺可产生高质量出水，但面临污染、高能耗和维护成本高的问题；高级氧化能有效脱色，但操作成本高且会产生有毒副产物[13]。电凝聚（EC）作为一种电化学技术，在去除生物处理后的废水中的残留污染物方面显示出巨大潜力，因其操作简单、效率高且成本低、处理时间短[14]。在EC过程中，牺牲阳极（通常为铝（Al）或铁（Fe））在电流作用下氧化，释放金属阳离子，这些阳离子与阴极产生的氢氧根离子反应形成不溶性金属氢氧化物，作为凝聚剂[15]。这些氢氧化物具有较大的表面积，有助于吸附溶解有机化合物并捕获胶体和悬浮颗粒，随后通过沉淀和浮选去除[16]。尽管EC效果显著，但作为独立工艺时可能存在高能耗、电极钝化和污泥产生过多的问题，尤其是在处理高污染废水时[17]。 结合CW和EC的优势和局限性，可以提供一种协同的混合处理方法，有效处理纺织印染废水。CW单元作为可持续的初级处理阶段，可减少有机负荷，而后续的EC单元可去除残留的不可生物降解污染物。HCW-EC混合系统结合了低能耗、高效去除顽固染料、低化学药剂使用量和可控的污泥生成量，特别适用于实际纺织废水处理。尽管CW和EC单独使用已证明有效，但它们联合应用于实际纺织印染废水处理的系统研究尚不充分。

为填补这一研究空白，本研究开发并评估了一种混合水平流 constructed wetland-电凝聚（HCW-EC）系统，用于处理来自印度阿萨姆邦古瓦哈提一家棉纺织企业的实际印染废水。具体目标包括：（1）评估HCW-EC系统去除颜色、有机物和固体的性能；（2）研究HCW中与污染物降解相关的微生物群落结构；（3）优化EC工艺的关键操作参数；（4）分析EC过程中产生的污泥特性。

实际纺织印染废水的来源

实际纺织印染废水（RTDW）在两个月的时间内，每隔四天从印度阿萨姆邦古瓦哈提的Orient Processors (P) Ltd.公司的废水池中收集一次。该公司专门使用活性染料加工和印染高质量棉织物。废水池接收来自每批印染过程的废水，因此具有批次间的差异性。

HCW中的污染物去除效果

经过接种和适应期后，HCW以全浓度RTDW作为进水。进水的特性为：颜色（1698 ± 256 ADMI）、COD（598 ± 106 mg/L）、BOD₅（190 ± 25 mg/L）、TDS（4898 ± 324 mg/L）、TSS（326 ± 68 mg/L）和电导率（7.8 ± 1.3 mS/cm）。如表2所示，进水中重金属浓度很低。除重金属外，其他进水参数均超过了地表水的允许值。

结论

实验室规模的HCW-EC系统有效处理了来自纺织企业的RTDW。作为预处理单元，HCW对颜色的去除效率为63 ± 6%，COD为79 ± 4%，BOD₅为94 ± 1%，TDS为36 ± 5%，TSS为44 ± 10%。HCW中颜色和有机物的主要去除机制是微生物降解，这得益于适宜的厌氧条件和碳源的可用性。宏基因组分析显示，优势细菌群为变形菌门（Proteobacteria）。

作者贡献声明

克里斯蒂·K·本尼（Christy K Benny）：撰写初稿、验证、方法论设计、数据分析、正式分析。 杰迪普·贾达夫（Jaydip Jadav）：资源提供、正式分析。 萨斯瓦蒂·查克拉博蒂（Saswati Chakraborty）：撰写与编辑、监督、方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢印度古瓦哈提理工学院（Indian Institute of Technology, IIT Guwahati）提供的实验室支持和研究奖学金。我们衷心感谢IIT Guwahati的中央仪器设施（Central Instrument Facility, CIF）提供的必要仪器设备。同时，我们也非常感谢阿萨姆邦古瓦哈提的Orient Processors (P) Ltd.公司允许我们收集用于研究的纺织印染废水。作者还感谢Eurofins公司的支持。