印染废水AOX污染研究

2017-03-15 04:18:04 14

  可吸附性有机卤化物 (absorbable organic halogens,AOX)在工业中作为原料、溶剂等大量使用. AOX包括氯化物、溴化物和碘化物,不包括氟化物. 该类物质具有高毒性、持久性和生物累积性,排放到环境中会影响人类健康并危害生态安全. 美国环保局提出的 129种优先污染物中,卤代有机物约占 60%. 以 AOX表征的有机卤化物已成为一项国际性水质指标[1, 2, 3]. 1987年德国首先在联邦废水法中规定了 AOX的排放限值,英国、瑞典、荷兰、比利时、挪威、澳大利亚等国家也相继规定了废水中 AOX的排放标准[4]. 中国在 1996年的《污水综合排放标准》 (GB 8978-1996)中首次规定了综合排放废水中 AOX的排放限值,此后 AOX的环境排放标准迅速完善,2008年至今已先后在制浆造纸、纺织印染、麻纺等行业规定了废水中 AOX的排放限值[5, 6, 7, 8, 9]. 然而,由于 AOX测试难、费用高,目前除了对制浆造纸行业废水中 AOX污染情况有些研究报道外[10, 11, 12],其它行业排放的 AOX污染报道很少,现状不明.

  纺织印染业是我国重要的轻工业之一,全国每年产生印染废水量约为 1.6×109 t[13]. 印染废水中的 AOX主要来自印染过程中所使用的染料[14],活性基团中含有卤素的活性染料以及发色基团中含卤素原子的其它类染料都会带来 AOX的污染问题[3]. 同样,染料生产行业由于原料与产品中存在含卤素的物质,排放物中也应该存在 AOX污染.

  本研究在印染和染料行业十分发达的长三角地区,选择 6家大型印染企业和 4家大型染料生产企业,检测了废水原水和污水生物处理各单元出水 AOX质量浓度以及活性污泥中的 AOX含量,分析了 AOX的特征物质组成,探讨了现行水处理工艺对各种 AOX组分的去除效果,以期为我国加强印染和染料废水中 AOX的排放管理提供数据支持.

  1 材料与方法

   1.1 采样地点和采样时间

  浙江省是全国印染布的主要产区,2013年其印染布产量达到 325.08亿m,占全国总产量的59.97%[15]. 选取省内 6家大型印染企业(JY、BLD、DC、YX、LB和 KL)进行调研. 这6家印染企业生产的产品包含棉、麻、丝、化纤及羊绒等不同材质,年产量均在百万米布匹以上. 2013年 11月对 6家印染企业 进行第1次采样,2014年9月对其中3家印染企业(JY、BLD和DC)进行第2次采样.

  浙江省也是染料主要生产区[16],选取省内4家大型染料生产企业(C、Y、L和 R),染料企业产品包括分散染料、活性染料、靛蓝和硫化黑,年产量均在万吨以上. 分别于 2014年 3月对染料企业 L进行采样,2014年 11月对染料企业 L、C、Y和 R进行采样,2015年 3月对染料企业 C、Y和 R进行采样.

  每次采样时进行企业问询,确定该企业产量和产品与往年同期相似,无异常调整; 该企业废水处理系统运行正常,常规指标未发现异常变化. 因此认为,所采取的样品基本能够代表所调查企业一般情况下的 AOX含量与变化. 1.2 分析方法 1.2.1 废水和污泥的 AOX分析

  AOX的检测采用微库仑法[17],使用仪器为 Multi X 2500 总有机卤素分析仪(德国耶拿分析仪器股份公司). 测试水样时,量取 100 mL水样至 250 mL磨口带塞锥形瓶中,加入 5 mL浓度为17 g ·L-1的硝酸钠储备液,并用浓硝酸调节 pH值至 2.0以下,加入 50 mg活性炭. 在大约 200 r ·min-1速度下振摇 1 h,使活性炭充分吸附水样中的 AOX. 振摇后的水样转移到 AFU3过滤系统(德国耶拿分析仪器股份公司),排出废水,活性炭收集到 AFU3系统配套的石英柱中,用 25 mL浓度为0.85 mg ·L-1 的硝酸钠洗脱液冲洗,去除活性炭表面的无机卤化物,再用微库仑法测定活性炭上吸附的 AOX. 以上方法适用于 AOX浓度为 0.01~10 mg ·L-1的水样. 当浓度高于 10 mg ·L-1时需预先稀释.

  测试污泥样品时,污泥经冷冻干燥、100目研磨过筛后,称取 1~20 mg放入 25 mL磨口带塞锥形瓶中,加入 20 mg活性炭和 10 mL硝酸钠储备液,在大约 200 r ·min-1转速下振荡 1 h[18]. 后续处理步骤同废水. 1.2.2 AOX分析方法的质量控制

  每次测试时取1~3个样品平行测试5次,计算该样品的相对标准偏差 (RSD),确认测试重现性; 选取部分样品进行加标回收实验,保证测试准确性. 加标回收实验方法如下:样品分成两份,一份样品(废水100 mL,冷冻干燥污泥2~20 mg)中加入 50 μL 725.1 mg ·L-1对氯苯酚溶液,即加入 10 μg有机氯,另一份则不加标. 同时检测两份样品中的AOX,加标样品与未加标样品中AOX含量的差值与加标量10 μg之比即为样品加标回收率. 1.2.3 废水中有机组分的 GC-MS分析

  GC-MS的分析参照标准方法[19],使用仪器为 890A-5975C气相色谱-质谱联用仪(GC-MS,美国安捷伦科技有限公司). 水样用 0.22 μm玻璃纤维膜抽滤后取 200~300 mL至分液漏斗中,用 (1 ∶3)浓硫酸调节 pH至 2.0以下,加入 15 mL二氯甲烷,振荡 5 min后静置 10 min,将有机相收集在锥形瓶中. 重复萃取3次,合并有机相. 然后用 25%氢氧化钠调节水样 pH值大于 11,用 15 mL的二氯甲烷萃取3次,合并有机相. 有机相经无水硫酸钠干燥后用 0.22 μm玻璃纤维膜过滤,氮吹浓缩并定容至1 mL,再用 0.22 μm有机相针式滤器过滤至干净的进样瓶中,进行 GC-MS分析.

  2 结果与分析

  2.1 废水及污泥的相对标准偏差 (RSD)和平均加标回收率

  废水样品和污泥样品的RSD及平均加标回收率数据如表 1和表 2所示. 印染和染料废水测试的相对标准偏差(RSD)在 0.90%~9.78%之间,污泥 RSD在 1.21%~4.32%之间; 印染和染料废水平均加标回收率为 80.00%~98.00%; 污泥平均加标回收率为 78.20%~93.00%. 这与其他研究人员的实验结果相似. 苏州市环境监测中心站使用同类型仪器检测地下水、污水处理厂废水、造纸废水及印染废水中AOX,得到RSD为0.69%~3.57%,对氯苯酚加标回收率为89%~102%[20]. 上海市环境监测中心使用Multi X 2000 总有机卤素分析仪测试自来水和造纸废水中AOX,得到RSD为2.44%~10.71%[21],取不同浓度的对氯苯酚标准溶液测定回收率,结果为79.2%~123.5%; 对上海市黄浦江西渡断面沉积物样品和上海市闵行区自然农田土壤进行检测,得到RSD分别为6.60%和3.68%,加标回收率分别为90.02%和97.17%[18].

  表 1 废水和污泥AOX值的相对标准偏差(RSD)

  表 2 废水和污泥 AOX值的平均加标回收率

  2.2 印染企业排水和污泥中的 AOX污染

  6家印染企业废水 AOX质量浓度和污泥 AOX含量如表 3所示. 其中 4家企业 (DC、YX、LB和 KL)废水原水的 AOX低于 0.5 mg ·L-1,这 4家企业印染的产品材质分别为棉、羊绒、真丝等; 2家较高,最高的 1家为印染亚麻产品的企业 JY,两次采样废水原水 AOX分别为 1.27 mg ·L-1和 1.62 mg ·L-1. 有关资料显示麻纤维由于其结晶度、取向度较高,纤维细胞间较密实,纤维的延展性小,染料难以渗透其中,着色率差,因此推测印染亚麻的企业染料较易扩散到废水中,带来较严重的 AOX污染[22].

  表 3 印染企业废水及污泥中的 AOX质量浓度

  废水的 AOX质量浓度水平与现有文献报道相似. 刘晓剑等[3]调研的 6家印染企业的进水 AOX均低于 0.5 mg ·L-1; Gunasekaran等[23]调查的漂白印染废水出水为 0.4 mg ·L-1. 总体来看,印染企业废水中 AOX质量浓度不高,5家印染企业好氧处理出水 AOX在 0.5 mg ·L-1以下,远远低于现行《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB 4287-2012)中 AOX特别排放限值 8 mg ·L-1[7]. 1家亚麻类企业出水 AOX质量浓度略高于 1.0 mg ·L-1,但也低于现行《亚麻工业水污染物排放标准》(GB 28938-2012)的特别排放限值 8 mg ·L-1[8].

  在废水AOX质量浓度不高的情况下,本研究发现个别印染企业污泥中 AOX含量高. 5家印染企业的活性污泥AOX含量在36~621 mg ·kg-1之间,1家企业污泥AOX含量超过1 300 mg ·kg-1. 陈元彩等[24]的实验发现污泥对 AOX的生物吸附是一不可逆过程,并且污泥对 AOX的吸附基本上是与生物代谢无关的简单物理吸附. 这些情况表明部分 AOX从废水中转移到污泥中并被累积起来,意味着废水中 AOX减少的同时有可能加重污泥中的 AOX污染. 2.3 染料生产企业排水和污泥中的 AOX污染

  4家染料企业排水 AOX质量浓度和污泥 AOX含量如表 4所示. 4家染料企业排水原水中 AOX质量浓度差异较大,最低的 1家 AOX质量浓度低于 5 mg ·L-1,最高的 1家超过 60 mg ·L-1,其余两家 AOX质量浓度保持在 12 mg ·L-1和 9 mg ·L-1左右.

  表 4 染料企业废水及污泥中的 AOX质量浓度

  上述4家企业均采用 水解酸化-好氧工艺处理废水,染料厂 C废水中AOX较易被处理,两次采样的废水经过 水解酸化池处理后 AOX大约减少了一半,但再经过好氧池处理时 AOX质量浓度仅略有减少; L和Y两次采样的废水经过水解酸化池处理后 AOX大约减少了三分之一,经过好氧池处理后 AOX质量浓度均略有减少; R废水中的 AOX较难被生物处理,2014年 11月采集的废水经过 水解酸化-好氧工艺处理后不仅没有减少,反而略有增加; 2015年 3月采集的废水经过水解酸化池后 AOX大约减少三分之一,经过好氧池后几乎保持不变. 值得注意的是,染料厂 L和 R污泥中的 AOX含量 分别高达 2 000 mg ·kg-1和 1 300 mg ·kg-1以上,甚至高于废水 AOX质量浓度最高的 C染料厂. 上述现象说明难降解的 AOX污染物易被累积到污泥中; 废水 AOX质量浓度与污泥 AOX含量不一定构成正比关系.

  总体而言,本研究中的染料废水中 AOX质量浓度要高出表 3中印染废水 AOX质量浓度几倍到上百倍,这说明染料行业可能存在比印染行业更为严重的 AOX污染问题. 我国是染料生产大国,2010年我国染料产量达到 75.6万 t[25]. 染料行业已然成为 AOX的一个重要污染源,但目前国内还几乎没有关于染料废水 AOX污染的研究,相关的排放法规也没有出现,这给染料生产集中地区的水环境带来极大的安全隐患. 2.4 染料废水中 AOX的特征组分分析 为了解有机卤代物的物质结构特征并找出主要污染物质,对 4家染料厂排水和污泥中的有机组分用 GC-MS方法进行检测,并对丰度在20 000以上、匹配度大于75%的检出化合物进行统计分析,结果分别如表 5~8所示.

 

  表 5 通过 GC-MS检测的染料厂C排水中化合物的种类和峰面积

  表 6 通过 GC-MS检测的染料厂 L排水中化合物的种类和峰面积

  表 7 通过 GC-MS检测的染料厂 Y排水中化合物的种类和峰面积

  表 8 通过 GC-MS检测的染料厂 R排水中化合物的种类和峰面积

  AOX排放质量浓度最高的染料厂C排水原水中检出的有机卤代物包括氯硝基苯类、氯苯类、氯硝基苯胺类和卤代(含氯、含溴)苯酚类物质 (表 5). 氯硝基苯类物质中,单氯硝基苯经过水解酸化池处理后峰面积减少了 94%,经过好氧池处理后峰面积略有增加; 多氯硝基苯在水解酸化池中峰面积减少了 46%,经过好氧池处理后峰面积也有所增加. 上述现象说明,处理氯硝基苯类物质时水解酸化比好氧处理有效,而 单氯硝基苯比 多氯硝基苯更容易通过水解酸化去除. 多氯代苯类经过水解酸化池后峰面积减少 98%,但在多氯代苯类降解的同时产生了一定量的氯苯; 经过好氧池后多氯代苯类进一步降解,峰面积减少约一半,而氯苯的峰面积仅略有减少,说明产生的氯苯较难被生物处理. 氯硝基苯胺类和卤代苯酚类基本都被去除,生物处理出水中峰面积低于检测限. 值得注意的是在有机卤代物大量被去除的同时,水解酸化出水中检测到了少量氯代苯并呋喃类物质,这种物质在好氧处理后浓度基本不变. 文献[26]表明氯代苯并呋喃类物质具有剧毒性,会导致内分泌系统和体内荷尔蒙平衡紊乱,还能对机体新陈代谢、免疫力和生殖系统造成长久的损伤.

  染料厂 L排水的 AOX质量浓度位于第二位,原水 AOX质量浓度平均为 12.65 mg ·L-1,出水 AOX质量浓度平均为 8.17 mg ·L-1. GC-MS检出的 有机卤代物主要有卤代苯胺类、卤代硝基苯类和卤代硝基苯胺类物质,占总有机卤代物峰面积的 80%(表 6). 上述卤代物中,以含氯物质为主,另外含有少量含溴物质. 经过水解酸化池后单氯代苯胺类物质峰面积低于检测限,单氯代苯二胺和多氯代苯胺峰面积略有增加,说明单氯代苯胺类物质被水解酸化处理的同时部分转化成难生物降解的其他氯苯胺类形式,刘伟京等[27]的研究也表明,经过厌氧水解后水中检测出更多的2,6-二氯对苯二胺; 经过好氧池后单氯代苯二胺和多氯代苯胺峰面积分别减少 84%和 35%,说明单氯代苯二胺类物质较易在好氧池中处理,少部分多氯代苯胺也能在好氧处理中得以去除. 不过在氯苯胺类物质去除的同时产生了一定量的溴苯胺类物质. 氯、溴硝基苯类和氯、溴硝基苯胺类物质大部分被去除,峰面积在检出限以下,其他卤代物也有一定程度的减少. 值得注意的是好氧生物处理出水中产生了一定量的溴吡啶类物质,卤代吡啶类物质具有明显的致畸性并对胚胎有毒性作用[28].

  染料厂 Y排水原水AOX质量浓度平均为9.40 mg ·L-1,出水AOX质量浓度为4.17 mg ·L-1,GC-MS检出的 有机卤代物主要包括卤代烃类、氯苯类及氯苯胺类(表 7). 1-氯-27烷经过水解酸化-好氧处理后峰面积略有增加,说明该物质极难被生物处理; 多氯代苯类经过水解酸化池后峰面积减少 67%,经过好氧池后几乎没有减少,说明水解酸化处理对去除 多氯代苯类物质更有效果. 单氯代苯胺经过水解酸化池后被大部分去除,峰面积在检出限以下,说明水解酸化对去除 单氯代苯胺类物质效果显著.

  染料厂 R排水 AOX质量浓度是最低的,原水 AOX质量浓度为 2.87 mg ·L-1,出水 AOX质量浓度为 2.22 mg ·L-1. GC-MS检出的 有机卤代物主要包括氯苯胺类和卤代苯酚类物质(表 8). 废水原水中的氯苯胺类物质均是单氯代苯胺,经过水解酸化池后峰面积减少81%,并且水解酸化池出水中检测到的氯苯胺类物质均是多氯代苯胺,说明单氯代苯胺在水解酸化池中得到较大程度的去除,但也产生了部分多氯代苯胺类物质; 经过好氧处理后多氯代苯胺也被大部分去除,峰面积在检测限以下. 结合染料厂L和Y的测试结果可以发现,3家染料厂排水中的单氯代苯胺类物质经过水解酸化池后均能被去除,但易产生多氯代苯胺. 卤代苯酚类物质经过水解酸化池后基本被去除,峰面积在检测限以下. 结合染料厂 C可以发现,2家染料厂排水中的卤代苯酚类物质经水解酸化处理后均被有效去除,其峰面积均在检测限以下. 具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  (1)调研的浙江省6家印染企业废水中 AOX的质量浓度不高,处理出水均能满足现行 AOX的排放标准,个别印染企业的污泥中 AOX含量很高.

  (2)调研的浙江省4家染料企业废水 AOX质量浓度和污泥中 AOX含量很高,但目前还没有针对染料行业的 AOX排放标准. 染料企业普遍使用的水解酸化-好氧生物处理工艺对 AOX的去除率差别较大,难生物降解的 AOX极易累积到污泥中.

  (3)染料废水的 AOX特征性组分主要包括氯苯类、氯硝基苯类、氯苯胺类、氯硝基苯胺类及卤代苯酚类等物质. 卤代苯酚类和氯代硝基苯胺类较易被去除; 氯代苯胺和氯代硝基苯类物质中的单氯代苯胺和单氯代硝基苯类较易被生物处理,但在处理过程中会产生较难降解的多氯代苯胺和多氯代硝基苯类物质; 与上述 2种物质相反,氯苯类物质中的多氯代苯类较易被生物处理,但在降解过程中会产生较难处理的氯苯.(来源及作者:浙江工业大学生物与环境工程学院 申洋洋 浙江清华长三角研究院生态环境研究所 刘锐、徐灿灿、舒小铭、上虞市水处理发展有限责任公司 许江军 浙江清华长三角研究院生态环境研究所 兰亚琼、陈吕军)

  (4)个别企业的生物处理出水中产生了少量剧毒性卤代物,如氯代苯并呋喃类、溴吡啶类物质.

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