棉机织物印染加工包含退浆和丝光工序，其印染废水具有水量大、有机污染物浓度高、色度深、碱度大、水质变化大等特点，属于难处理的工业废水。处理方法一般采用物化法和生化法组合工艺[1-3]，废水处理后基本能达标排放。物化工序中的吸附法需要使吸附剂再生，混凝法需要投加混凝剂，气浮法需要投加气浮剂和耗费大量的电能，从而导致棉机织物印染废水的处理成本较高。为了降低其处理成本，本文通过对厌氧工序进行强化，来探索HABR-CASS组合生物工艺处理棉机织物印染废水的可行性。
1.材料与方法
1.1试验水质
试验用水取自佛山市某印染厂水处理站调节池综合排放废水，废水水质见表1，其主要成分为棉印染加工过程中产生的大量染料、表面活性剂、荧光增白剂、元明粉、烧碱等多种印染助剂。
1.2试验装置
试验装置如图1所示，由高位水箱、填料复合ABR厌氧池(HABR)、缓冲槽、CASS反应池、曝气机、出水槽等部分组成。HABR厌氧池与CASS反应池均为有机玻璃制作，HABR厌氧池尺寸为：800mm×200mm×380mm，有效容积为42.0L，内置软性纤维填料，填充率为50%；CASS反应池尺寸为：400mm×200mm×380mm，有效容积为21.0L，由生物选择区、缺氧区、主反应区组成，三部分容积比为1∶5∶15，曝气机曝气。CASS反应池以6h为一运行周期，其中曝气4h，沉淀1h，排水1h，用时间控制器对CASS反应池的曝气、沉淀、排水进行控制。进水时开始污泥回流，静置沉淀时污泥回流停止，排水比为30%。废水进水流量约2.3L/h，进入HABR厌氧池前根据水质状况适当调节pH值，然后从高位水箱通过流量计进入HABR厌氧池。CASS反应池主反应区的污泥通过污泥回流泵回流到生物选择区，与废水混合。本装置利用水位差原理使上清液排入出水槽。
1.3分析方法
CODCr测定：重铬酸钾氧化法；BOD5测定：标准稀释法；SS测定：烘干称重法；pH值测定：pHS-3C精密pH计；色度：稀释倍数法；NH3-N：纳氏试剂光度法。
2.结果与讨论
2.1反应器的启动与驯化
在HABR厌氧池、CASS反应池中分别投加了占池容20%左右的接种污泥，该污泥为某印染厂水处理站的厌氧与好氧污泥，污泥驯化初期采取间歇进水、闷曝的方式，然后以小流量连续进水，以镜检结果和CODCr去除率达80%以上作为增加进水量的依据，逐步提升流量到设计负荷。低负荷启动是HABR厌氧池快速启动的关键，启动时控制CODCr容积负荷低于1kg/(m3.d)，增长幅度以每次增加20%～30%为宜，过大容易造成挥发酸积累。HABR厌氧池的负荷是否适中可以通过出水pH值来间接反映，合适的pH值为7.0～7.4，pH值小于6.9时，说明有机负荷过大，可以在减小有机负荷的同时向水中投加石灰和纯碱的方法来加以调节。pH值大于7.4，说明有机负荷偏小。随着培养时间的增加，观测到CASS池污泥中有大量活跃的原生动物(如钟虫)和少量的后生动物(如轮虫)，表明活性污泥培养基本成功。经过3个月的调试，HABR厌氧池、CASS反应池的水力停留时间分别控制在24、12h，pH值控制在6～9之间，连续稳定运行。
2.2对有机物的去除
系统稳定运行2个月对有机物的去除情况见图2～图4。由图2可知，在反应器CODCr容积负荷为1.4kg/(m3.d)，进水CODCr波动较大的情况下，HABR厌氧池对CODCr的去除效果良好，平均去除率为48.8%，与文献中的ABR反应器相比，HABR厌氧池对CODCr的去除率提高4.3%。这是因为由ABR反应器增设填料构成的HABR厌氧池能利用填料加速污泥与气泡分离，提高沉淀区域的泥水分离效率，降低污泥流失，从而能截留更多的生物量，增加反应器的有效泥量，提高了反应器的容积负荷和处理效果。由图3、图4可知，HABR厌氧池对BOD5的平均去除率仅为25.3%，但经过HABR厌氧池处理后，废水的m(BOD5)/m(CODCr)均值由进水的0.30提高到出水的0.44，大大提高了废水的可生化性，为后续的CASS反应池的进一步处理创造了有利的条件。
HABR厌氧池出水进入后续CASS反应池进行进一步处理。CASS反应池在时间序列上以推流方式运行，而各个反应区则以完全混合的方式运行，它兼有完全混合式反应器耐冲击负荷能力强和推流式反应器生化反应推动力大的优点。主反应区回流的活性污泥在生物选择区中先经历一个高负荷的吸附阶段(基质积累)；然后在主反应区中再经历一个低负荷的反应阶段，完成基质降解，从而实现活性污泥的再生。此时的活性污泥已经过充分的好氧代谢，微生物多处于内源呼吸阶段，具有很强的活性，对有机物的吸附、降解作用十分明显。因此CASS反应池有较强的去除有机物的能力。由图2、图4可知，经过CASS反应池处理后，其出水CODCr、BOD5的平均质量浓度分别为67.5、13.8mg/L，平均去除率分别达到90.4%、95.5%。
2.3对氨氮的去除在HABR厌氧池中，废水中的有机氮能在氨化菌的作用下分解转化为氨氮。氨氮的消耗存在2个方面：部分氨氮被厌氧氨氧化细菌利用与NO2-/NO3-发生厌氧氨氧化转化为氮气；部分氨氮被厌氧微生物利用，合成自身物质。因此，HABR厌氧池中氨氮含量的变化取决于生成部分与消耗部分的对比关系。由图5可知，HABR厌氧池的出水氨氮含量有所提高，说明氨氮的生成大于消耗，即氨化作用大于厌氧氨氧化作用。氨氮含量的增加主要是废水中有机氮的转化，由此亦证明废水中染料分子结构发生了改变，发色基团打开，由复杂难生物降解的有机物分子转化成易生物降解的有机物。经过厌氧处理后CODCr有一定程度降低，而作为好氧处理所必需氮源的氨氮并未减少甚至增加将有益于后续的好氧微生物的正常生长，好氧微生物活性的增加将会增加分泌的酶量，提高生物降解性能及氧气的利用率，有利于成本的降低。
随着曝气的推进，世代时间长的硝化细菌将会在CASS反应池内积累，硝化细菌的活性与数量逐渐增多，硝化作用逐渐加强。CASS反应池主反应区的污泥回流到生物选择区的同时，也实现了硝化液的回流，有利于反硝化反应进行；且生物选择区与主反应区相比存在较低的溶解氧浓度，增大了污泥絮体的溶解氧梯度，使污泥絮体内部更易形成厌氧环境，从而在菌胶团的外部和内部分别完成硝化和反硝化过程。由图5可知，氨氮负荷为0.03kg[NH3-N]/(kg[MLSS].d)时，CASS反应池出水氨氮的平均质量浓度为6.9mg/L，平均去除率为87.0%。
2.4对色度的去除
HABR厌氧池对废水色度的去除主要是通过以下作用：废水通过污泥层所产生的截留作用，大量的疏水性染料被吸附在污泥上直到被降解为小分子物质；污泥层中的厌氧菌或兼性菌直接对染料的降解作用，破坏其发色基团，使其失去显色能力。且HABR厌氧池内污泥量大，保证了厌氧水解的微生物量；水力停留时间较长，污泥与废水接触混合效果较好，使厌氧菌或兼性菌的作用得到充分发挥。CASS反应池能使色度得到进一步去除。由图6可知，HABR厌氧池、CASS反应池对色度的去除率分别达到79.7%、75.2%，系统对色度的总体去除率为95.0%，出水平均色度值为33.0倍。但亦有少量天数的色度值超过DB44/26—2001《广东省水污染排放限值》第Ⅱ时段一级排放标准中的40倍标准。
2.5对SS的去除
HABR厌氧池具有独特的分室结构，反应器内的折流板迫使水流上下折流，使废水与厌氧微生物充分接触，大量的悬浮物在前面隔室中被有效去除，故SS去除率较高。由图7可知，虽然HABR厌氧池进水SS浓度波动较大，但其出水SS平均质量浓度稳定在100.3mg/L，对SS的平均去除率为66.9%。CASS反应池在沉淀阶段停止曝气，只有进水而无出水，曝气结束后沉淀阶段整个反应池的面积均用于在近乎静止的环境中进行泥水分离，故其固体通量很低，泥水分离效果良好。CASS反应池对SS的平均去除率为62.1%，出水SS平均质量浓度稳定在38.0mg/L。系统对SS的总体去除率达到87.5%。
3.结论
(1)HABR高效厌氧-CASS耦合工艺进行棉机织物印染废水处理的中试研究表明，在HABR厌氧池、CASS反应池的水力停留时间分别为24、12h的条件下，系统对CODCr、BOD5、氨氮、SS的总去除率分别为90.4%、95.5%、87.0%、87.5%，各污染物出水平均质量浓度分别为67.5、13.8、6.9、38.0mg/L，出水色度为33.0倍，总去除率为95.0%，均低于DB44/26—2001第Ⅱ时段一级排放标准限值。
(2)棉机织物印染废水的处理可尝试采用HABR-CASS组合工艺。通过强化厌氧处理，降低了后续好氧处理的负荷，减少了电能的消耗，且CASS工艺运行成本较低，从而可降低处理成本。考虑到中试研究过程中，少量天数的色度指标超过排放标准，为安全起见，可在耦合工艺后增加化学氧化作为色度去除的补充工艺，其开启情况可根据耦合工艺出水水质状况而定。
