关键词：好氧颗粒污泥；纺织印染废水；重金属污染；偶氮染料

                    纺织印染行业对经济发展至关重要，但其产生的废水却是最难处理的工业废水之一。纺织印染废水中包含重金属、染料（偶氮染料、蒽醌染料、酞菁染料等）等多种污染物，造成了纺织印染废水具有色度高、毒性高、难以生物降解，处理难度大等特点。传统的处理工艺分为物理吸附、化学、生物处理法，前两种工艺的成本高，不利于广泛应用，而传统的生物处理法处理效果不佳、占地面积大、受外部环境影响大。

                       重金属与偶氮染料作为典型难降解污染物，研究者们对其进行了大量研究。重金属通常以阴离子或阳离子形式存在于废水中，传统的化学、物理去除方法成本高，不利于推广，较多采用生物吸附法。好氧颗粒污泥（AGS）的生物量高，胞外聚合物（EPS）含量高，一定程度上能够抵抗毒性[6]，另外，胞外聚合物中的蛋白、多糖成分高，含大量氨基、羧基等官能团，为重金属离子的去除提供了大量的吸附位点。偶氮染料因含有氮氮双键，其具有吸电子特性[7]，通常需要厌氧断键以实现脱色，并进一步好氧矿化。而好氧颗粒污泥的颗粒结构使得其同时存在好氧、缺氧、厌氧的微生物环境[8]，偶氮染料可以通过孔隙进入颗粒核心，发生厌氧反应，实现偶氮键断裂，生成的中间产物再迁移至好氧层进一步矿化，不用像传统活性污泥法一样需要建造两个反应单元来实现偶氮染料的去除。以上研究表明，与传统处理方法相比，好氧颗粒污泥对重金属、偶氮染料的去除造价低、占地小、更高效。

近年来研究者们在实验室和实际规模上开展了对好氧颗粒污泥处理纺织印染废水的研究。笔者总结好氧颗粒污泥处理纺织印染废水的研究现状，论述废水中重金属与偶氮染料的去除过程，并综述好氧颗粒污泥对模拟、实际纺织印染废水的研究进展，基于现有技术的局限性进行展望，以期为好氧颗粒污泥高效处理纺织印染废水的研究提供参考。

                        1 传统纺织印染废水处理

                        1. 1 纺织印染废水特性

                       据统计，纺织印染废水在 2015 年已成为中国第3 大工业废水。其含有大量的难降解污染物及有毒物质，包括各类染料、重金属、表面活性剂以及漂白 剂 等。纺 织 印 染 废 水 中 常 见 的 污 染 物见表 1。

                        在纺织印染废水中，重点关注的有毒污染物是染料类和重金属类。染料类主要是偶氮、蒽醌以及酞菁类染料，大量研究表明，纺织印染废水中铜、 锌、镍、镉、铬、铅等离子含量较大，这些重金属同样也具有较高的毒性。以上造成了纺织印染废水是一种难处理的工业废水，对生物处理方式带来一定难度。

                        处理纺织印染废水的方法主要有物理吸附、化学絮凝、化学氧化以及生物降解等。物理吸附法采用的吸附剂有碳质吸附剂、无机或有机吸附剂、复合吸附剂，吸附剂成本较高且存在再生难等等问题，所以通常用于深度处理中。化学絮凝法常用的絮凝剂有金属盐、有机高分子以及生物大分子等，但处理效果受药剂投加量和 pH 等因素的影响。化学氧化法包括臭氧氧化、芬顿氧化、光催化氧化等[30]，这些方法虽然处理效果好，但发生器成本高、实际应用中不稳定，同样也适用于深度处理中。单纯的物化方法相比于生物处理法成本高，受投加量、pH 等外界环境的影响，不稳定，导致其难以在工程上大规模地应用，通常用于深度处理中。

                       由表 1 可知，纺织印染废水的水质变化大，成分复杂，若采用物化法，则药剂投加量以及处理效果等均不能得到稳定保障，且成本高。而生物处理法具有成本低、对环境二次污染小，设备简单等优点，成为常用的废水处理方法。

                      1. 2 传统纺织印染废水生物处理工艺

                         一般生物处理法可以分为 3 种，即好氧活性污泥/生物膜法、厌氧-好氧生物法、人工湿地法。由 于 纺 织 印 染 废 水 的 BOD/COD 通 常 小 于0. 3[1]，可生化性差，单纯的好氧生物处理[31]对 COD的去除效果不佳。尽管厌氧-好氧生物法[32]能够提高 印 染 废 水 的 可 生 化 性 进 而 在 一 定 程 度 上 强 化COD 的总体去除效果，但厌氧和好氧的两种不同的微生物环境需要建造两个反应器来满足，不能节省占地面积，人工湿地法[33]可以利用植物与微生物对纺织印染废水有一定的净化作用，但净化过程缓慢、且受外部环境的影响较大。

随着废水排放标准日益严格，且传统纺织印染废水生物处理工艺耐毒性差、处理负荷低、受外部环境影响大等问题。因此，亟需更高效的生物处理法来处理纺织印染废水。 

                       2 好氧颗粒污泥处理纺织印染废水

                       2. 1 好氧颗粒污泥的特性

                      好氧颗粒污泥（AGS）是一种在高水力剪切条件下自动凝结的微生物团聚体，于 20 世纪 90 年代末期由 Morgenroth 等[34]在序批式反应器（SBR）中首 次 观 察 到 。 其 形 状 呈 球 形 或 椭 圆 形 ，直 径 在 2mm 左右，与传统活性污泥法（CAS）相比，其具有结构紧实、沉降速度快、生物量高等优点[35]。此外，在好氧颗粒污泥内部存在氧浓度梯度的变化使得其中存在不同的氧化还原微环境，能够同时完成有机物降解、硝化反硝化、生物除磷等生物过程，提升污染物处理效率[6]。在实际应用中，还可以使新建污水处理厂所需用地可减少近 75%，并使运行成本降低近 25%，污泥产量的减少和能源消耗的减少约30%[36]，是一种理想的污水处理生物技术。

                        好氧颗粒污泥内部的分层结构[8（] 结构见图 1）能使有毒物质的浓度沿颗粒径向呈梯度下降分布，使得污泥颗粒中的微生物受有毒物质毒性的影响小。此外好氧颗粒污泥的胞外聚合物含量高，胞外聚合物中的多糖和蛋白上的羧基、羟基、氨基等官能团可以为重金属的吸附提供吸附位点；且分层结构为染料发生厌氧、好氧反应提供了氧化还原环境。大量研究表明好氧颗粒污泥对重金属、染料等有毒难降解污染物具有良好的处理能力。

 

                       2. 2 好氧颗粒污泥对纺织印染废水中重金属和染料的去除

纺织印染废水中存在大量重金属、染料等难降解的有毒污染物，对传统活性污泥法而言，这些有毒污染物一定程度上抑制了微生物的活性。好氧颗粒污泥由于含有高生物量，且存在分层结构，一定程度上能够抵抗毒性。此外好氧颗粒污泥的胞外聚合物的含量高，能够对部分重金属和染料具有吸附作用，再依靠内部的不同氧化还原环境进一步降解有机污染物。

                       2. 2. 1 好 氧 颗 粒 污 泥 对 重 金 属 的 去 除 

                       一 般 来说，重金属可分为两类[39]，即阳离子重金属，如镉、 铅、镍、铜和锌等，以及含氧酸根阴离子重金属，包括锑(V)和铬(Ⅵ)等，通常以阴离子的形式出现在水溶液中[40]。

                          好氧颗粒污泥对这两类的重金属离子的去除方式有所不同[40]。对阳离子重金属而言，一般条件下好氧颗粒污泥表面带负电荷，这与阳离子重金属之间形成了静电引力，此外胞外聚合物中的多糖与蛋白上的羧基、羟基等官能团耗能作为吸附位点去吸附阳离子重金属，形成络合物，以实现阳离子重金属的去除[41]。在吸附过程中受 pH 值的影响[42]：在酸性条件下，AGS 表面的结合位点被 H3O+占据，与金属阳离子之间存在静电斥力从而影响吸附效果。反之，在碱性条件下，AGS 表面 Zeta 电位为负，静电引力促进了金属阳离子的吸附去除。对 含 氧 酸 根 阴 离 子 而 言 ，由 于 其 本 身 带 负 电荷，这与同样带负电荷的好氧颗粒污泥之间形成了静电斥力，所以在正常情况下，好氧颗粒污泥对含氧酸根阴离子重金属没有直接吸附能力[43]，需要对好氧颗粒污泥的表面进行改性来提高去除效果，改性剂可分为无机与有机改性剂。

                       Fe(Ⅲ)是常用的无机改性剂。AGS 经 Fe(Ⅲ)进行改性后，在低 pH 条件下，改性后的颗粒表面被质子化，形成≡Fe—OH2+ ，对含氧酸根阴离子金属具有较好的吸附效果。研究表明，两种不同的 AGS（致密型和蓬松型）在 300 min 内对 20 mg/L 的 Sb(V)（Sb(OH)6–）基本没有去除效果[43]。但经 Fe(Ⅲ)改性，Sb(OH)6– 可以与≡Fe—OH2+ 形成络合物，并且在 300 min 内去除效果可达 99%。有机改性剂可将长链接枝在 AGS 表面，为氧酸根阴离子金属吸附提供更多位点。例如，聚乙烯亚胺(PEI)可与 AGS 表面 EPS 中的 N—H 基团以及—OH 形成酰胺基团[44]，即形成配位连接结构 ，同时PEI 长链上的—NH2提供吸附位点（图 2）。AGS 和PEI 上的—NH2官能团还可以在酸性条件下（pH<2）质子化形成 NH3+ ，减少 AGS 与含氧酸根之间的静电斥力。研究表明，经 PEI 改性后的 AGS 对 Cr( Ⅵ)（HCrO4– ）的 去 除 率 比 原 始 AGS 提 高 了274%[44]。

虽然好氧颗粒污泥对阳离子、含氧酸根阴离子均有较好的吸附效果，但这两个过程对 pH 的要求截然不同，造成好氧颗粒污泥难以同步去除阴、阳离子重金属。

                      原标题：好氧颗粒污泥处理纺织印染废水研究进展

                      原作者：翟俊 ,陈茸茸,金静,刘文博 ,段科萍