Plan de diseño de tratamiento de aguas residuales con tintes
1. Las aguas residuales de tintes y su contaminación
El problema de la contaminación de las aguas residuales de tintes es el más destacado en la industria de los tintes. En los últimos años, la descarga anual de aguas residuales de mi país ha alcanzado más de 39 mil millones de toneladas, de las cuales las aguas residuales industriales representan el 51%, mientras que las aguas residuales de tintes representan el 35% de la descarga total de aguas residuales industriales, y está aumentando a un ritmo del 1% anual. por año. Cada tonelada de aguas residuales de tintes vertidas puede causar 20 toneladas de contaminación del agua. Entre todas las industrias, la de impresión, teñido y textil ocupa el cuarto lugar en emisiones de DQO, y la proporción de emisiones sigue aumentando año tras año. Entre los "Tres Ríos y Tres Lagos", las aguas residuales colorantes contaminan especialmente gravemente las cuencas de los ríos Taihu y Huaihe.
Las aguas residuales de tintes provienen principalmente de fabricantes de tintes e intermedios de tintes, y consisten en tintes, lechadas y auxiliares vertidos durante el proceso de teñido y acabado. Con el rápido desarrollo de la industria de la impresión y el teñido, las aguas residuales de tintes se han convertido en una de las fuentes más importantes de contaminación en los cuerpos de agua. La producción anual actual de tintes en el mundo es de aproximadamente (8~9)x105t. China es un país importante en producción y procesamiento de textiles, y sus exportaciones textiles han ocupado el primer lugar en el mundo durante muchos años. La producción anual de tinte alcanza 1,5×105t, de las cuales alrededor del 10% al 15% del tinte se descargará directamente en la masa de agua con aguas residuales.
Las aguas residuales de tintes tienen un color intenso, un gran volumen de agua, una alta alcalinidad y una composición compleja. Es una de las aguas residuales industriales difíciles de tratar. Los colorantes son los principales contaminantes en las aguas residuales de tintes, que contienen varios grupos cromogénicos (como -N=N-, -N=O, etc.) y algunos grupos polares (-SO3Na, -OH, -NH2). La composición es compleja, en su mayoría hidrocarburos aromáticos y heterociclos, que son difíciles de degradar. También es una fuente importante de contaminación en las principales aguas de mi país.
La mayoría de los tintes orgánicos tienen una fuerte estabilidad química y tres efectos (cancerígenos, teratogénicos y mutagénicos), y son contaminantes orgánicos tóxicos y refractarios típicos. Además, los tintes en las aguas residuales absorberán la luz y reducirán la transparencia del cuerpo de agua, lo que no favorece el crecimiento de organismos y microorganismos acuáticos y reduce la capacidad de autopurificación del cuerpo de agua. Al mismo tiempo, provoca contaminación visual, daña gravemente las masas de agua, el suelo y el medio ambiente ecológico y perjudica directa e indirectamente la salud humana.
2. Un método para tratar las aguas residuales de tintes
La tecnología de degradación y tratamiento eficaz de los tintes son requisitos previos importantes para el tratamiento de las aguas residuales de tintes. Dado que la mayoría de los tintes son químicamente estables y difíciles de degradar, los científicos de todo el mundo conceden gran importancia a la investigación sobre los métodos de degradación y tratamiento de los tintes y de las aguas residuales de los tintes. Con el avance de la ciencia y la tecnología y el desarrollo continuo de la tecnología de control de la contaminación, los humanos también han encontrado muchos métodos efectivos para tratar las aguas residuales de tintes, que se pueden resumir en métodos físicos y químicos, métodos biológicos y métodos combinados físicos y químico-biológicos.
2.1 Métodos físicos y químicos
2.1.1 Método de coagulación y sedimentación
El método de coagulación y sedimentación es actualmente un método relativamente estable y maduro para tratar aguas residuales de tintes. Los mecanismos comúnmente aceptados son puente, doble capa comprimida, captura neta y electroneutralización. Las características del coagulante en sí determinan su desempeño de precipitación, y muchos factores ambientales, incluidos la temperatura, el pH y el Eh, pueden promover o inhibir su función de precipitación. En los últimos años, el FPI (floculante de polímero inorgánico) se ha convertido en un punto importante en el estudio del comportamiento y mecanismo de la coagulación. En comparación con los coagulantes comunes, la FPI puede formar una forma de floculación más eficaz. La principal dirección de investigación del método de coagulación es desarrollar coagulantes eficaces, especialmente coagulantes compuestos orgánicos-inorgánicos.
El coagulante compuesto orgánico-inorgánico desarrollado por Zhang et al. tiene un mejor efecto de tratamiento de aguas residuales de tintes que el cloruro de polialuminio. Wu Dunhu et al. estudiaron el uso de coagulante compuesto de lodo de boro para tratar aguas residuales de tintes. Los resultados muestran que cuando la dosis es de 0,3 ~ 0,6 g/L y el valor de pH es de 4,0 ~ 11,5, la tasa de decoloración alcanza más del 92%, lo que es mejor que el PAC.
2.1.2 Método de separación por membrana
La tecnología de separación por membrana tiene las ventajas de un proceso simple, un bajo consumo de energía y ninguna contaminación para el medio ambiente. A través de la membrana de nanofiltración de acetato de celulosa (CA) desarrollada de forma independiente, Guo Mingyuan y otros señalaron que la membrana de nanofiltración de CA tiene efectos obvios en el tratamiento y recuperación de aguas residuales de tintes reactivos. La membrana de ultrafiltración de quitosano modificado rellena con carbón activado, después de una reticulación adecuada, tiene una tasa máxima de rechazo de la decoloración del 98,8 % para aguas residuales de tinte rojo ácido. Feng et al. utilizaron una membrana de ultrafiltración de quitosano para tratar aguas residuales de tintes. La tasa de decoloración es superior al 95% y la tasa de eliminación de DQO es de alrededor del 80%. Wu Kaifen utiliza ultrafiltración para tratar las aguas residuales de tinte índigo, lo que puede lograr la reutilización directa de soluciones de tinte de alta concentración y el permeado puede reutilizarse como agua neutra. Soma et al. utilizaron una membrana de microfiltración de alúmina para filtrar aguas residuales de tintes insolubles, con una tasa de retención de hasta el 98%.
Debido a la contaminación de las membranas, la polarización de la concentración, la rápida frecuencia de reemplazo y el alto precio de las membranas, el costo de la tecnología de separación de membranas para tratar las aguas residuales de tintes es demasiado alto, lo que limita en gran medida el uso de la tecnología de separación de membranas en la industria del tratamiento de aguas residuales de tintes.
2.1.3 Método de oxidación catalítica
El método de oxidación catalítica acelera la descomposición de oxidantes en el sistema mediante catálisis, haciendo que este reaccione rápidamente con la materia orgánica del agua, provocando así Los contaminantes se evaporan en poco tiempo. Se degradan internamente por oxidación. Para resolver el problema del tratamiento insatisfactorio de las aguas residuales de tintes dispersos mediante oxidación química avanzada y tratamiento biológico aeróbico, Zhou Jian y otros utilizaron el método de oxidación catalítica para tratar las aguas residuales de tintes que no cumplieron con los estándares después del tratamiento con electrólisis interna. La serie de antraquinona dispersa tintes hasta 2500 toneladas por día. Además, se reduce el color y el valor de DQO de las aguas residuales de tinte que no pueden cumplir con los estándares después del tratamiento de electrólisis interna, lo que reduce en gran medida los costos operativos. ArslanLt introdujo el método de oxidación con ozono catalizada por Fe2+ para tratar aguas residuales de tintes dispersos. La conclusión de la investigación señala que cuando se utiliza solo el método de oxidación con ozono (la cantidad de dosificación es 2300 mg/L), hay un cierto efecto de degradación sólo bajo la condición de pH=3, la tasa de decoloración es sólo del 77% y la eliminación de DQO la tasa es sólo del 11%. Cuando se combinan la floculación de Fe2+, la oxidación de ozono y la oxidación de ozono catalizada por Fe2+, cuando la dosis de Fe es de 0,09 ~ 18 mmol/L y el valor de pH del agua residual del tinte es de 3 ~ 13, la tasa de decoloración alcanza el 97% y la tasa de eliminación de DQO aumenta. al 54%.
2.1.4 Método del reactivo de Fenton
Usando Fe3+ o Fe2+ como catalizador, la fuerte oxidación producida en presencia de H2O2 puede oxidar muchas moléculas orgánicas, y el sistema de reacción no requiere alta temperatura y alta presión, las condiciones de reacción no son duras, el equipo de reacción es relativamente simple y tiene una amplia gama de aplicaciones. El estudio de Chen et al. sobre el tratamiento de aguas residuales de tintes simuladas y reales mediante el método de coagulación-oxidación de Fenton en dosis bajas señaló que este método es particularmente adecuado para tratar aguas residuales de tintes con componentes complejos y que contienen tintes tanto hidrófilos como hidrófobos. Es fácil de operar y tiene bajos costos operativos. En los últimos años, algunos estudiosos han introducido ultravioleta (uV) y oxalato en el método Fenton, lo que ha mejorado enormemente la capacidad de oxidación del método Fenton y ha hecho que el efecto del tratamiento sea más significativo. K. Swaminathan et al. estudiaron la decoloración del colorante azoico reactivo naranja-4 mediante el sistema Fenton fotoasistido y concluyeron que la capacidad de degradación del sistema Fenton fotoasistido es mucho más fuerte que la del sistema Fenton ordinario.
Las desventajas del método Fenton son: la capacidad de oxidación es relativamente débil y el efluente tiene color porque contiene una gran cantidad de iones de hierro. En los últimos años, la tecnología de inmovilización de iones de hierro se ha convertido en una dirección importante en la oxidación de Fenton.
2.1.5 Método de fotooxidación
El método de fotooxidación degrada los contaminantes mediante reacciones fotoquímicas, incluidos los métodos basados y sin catalizador. La primera también se llama oxidación fotoquímica y la segunda también se llama oxidación fotocatalítica. La fotodegradación generalmente se refiere a la oxidación gradual de la materia orgánica en productos intermedios de bajo peso molecular bajo la acción de la luz, produciendo finalmente CO2, H2O y otros iones, como PO43-, NO3-, Cl-, etc. El proceso de fotodegradación de la materia orgánica se puede dividir en fotodegradación directa y fotodegradación indirecta. La fotodegradación directa se refiere a reacciones químicas adicionales después de que las moléculas orgánicas absorben energía luminosa. La fotodegradación indirecta ocurre cuando algunas sustancias en el ambiente circundante absorben energía luminosa para formar un estado excitado y luego inducen una serie de reacciones de degradación oxidativa de contaminantes orgánicos. Es más eficaz en el tratamiento de contaminantes orgánicos en el ambiente que son difíciles de biodegradar.
2.1.6 Método de oxidación con ozono
El ozono tiene una fuerte capacidad oxidante. Además de los tintes dispersos, también puede destruir los grupos cromogénicos o productores de color de los tintes orgánicos y tener un cierto efecto de decoloración. H.Y.Shu et al. compararon la degradación de ocho colorantes azoicos con O3, oxidación y oxidación UV/O3 sola. Los resultados mostraron que la tasa de degradación de los tintes orgánicos no se aceleró significativamente después de la introducción de la luz ultravioleta. Esto puede deberse a que el color del agua residual del tinte es demasiado oscuro y absorbe la mayor parte de la luz ultravioleta. Shi et al. señalaron que el método de oxidación directa es el principal método de decoloración del colorante azoico catiónico rojo x-GRL.
Debido a la baja solubilidad del ozono en agua, cómo mejorar más eficazmente la solubilidad del ozono en solución acuosa se ha convertido en un tema candente y clave para la investigación sobre la tecnología de oxidación del ozono. Además, el uso de ozono producirá algunos subproductos, especialmente aldehídos como formaldehído y acetaldehído en compuestos carbonílicos. Dado que estas sustancias tienen toxicidad aguda y crónica y ciertas propiedades cancerígenas, teratogénicas y mutagénicas, pueden causar fácilmente una contaminación secundaria. Además, el coste de los generadores de ozono es relativamente alto y no resulta económico utilizarlos solos.
2.1.7 Método de oxidación ultrasónica
Con el desarrollo de la química ultrasónica, la oxidación ultrasónica se considera una tecnología limpia y prometedora y eficaz para tratar la contaminación del agua. La alta temperatura y la alta presión generadas por el efecto de cavitación acústica bajo la acción de ondas ultrasónicas disocian el vapor de agua en las burbujas de cavitación de otros gases para producir radicales libres, lo que desencadena reacciones químicas ultrasónicas. La investigación de N.Ince et al. sobre la influencia del pH y la estructura molecular del tinte en la eficiencia de la degradación ultrasónica muestra que el pH tiene un impacto importante en la degradación del tinte, y el grado de degradación aumenta con la disminución del pH cuanto menor es el peso molecular; , cuanto más simple es la estructura, con vecinos azoicos. Las moléculas de tinte con sustituyentes hidroxilo son más susceptibles a la degradación. G. Tezcanli-Gtiyer et al. acaban de descubrir que los radicales hidroxilo atacan primero al cromóforo del tinte y que el proceso de decoloración del tinte es más rápido que la destrucción del anillo aromático. J. Ge et al. también señalaron que la introducción de ondas ultrasónicas puede acelerar eficazmente la degradación de los tintes y aumentar la tasa de mineralización.
2.1.8 Método electroquímico
La tecnología de tratamiento electroquímico se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Sobre la base original, se ha añadido el efecto sinérgico de la oxidación, la oxidación fotocatalítica o la oxidación catalítica, que. es muy bueno Aborda las limitaciones de la tecnología de microelectrólisis.
La investigación sobre el tratamiento de aguas residuales con tintes salinos realizada por Zhou Guangyuan y otros muestra que la generación de cloro residual juega un papel clave en la decoloración y eliminación de DQO. Después de 1 hora de electrólisis, la tasa de decoloración puede alcanzar el 85% y la tasa de eliminación de DQO puede alcanzar el 99,8%. Cuando Zhang Tingxi et al. utilizaron el método del estanque de oxidación catalítica-electrólisis interna para tratar aguas residuales de tinte, la tasa de eliminación de DQO y la tasa de decoloración fueron superiores al 95%. Qi Menglan et al. utilizaron un proceso combinado de microelectrólisis, oxidación catalítica y adsorción de cenizas volantes para tratar las aguas residuales de tintes reactivos. La tasa de decoloración alcanzó el 99,9% y la tasa de eliminación de DQO superó el 95%.
Actualmente, los métodos electroquímicos se utilizan principalmente para eliminar contaminantes orgánicos biológicamente tóxicos. Una de las características más atractivas de este método es que puede ejercer el rendimiento electrocatalítico único de los métodos electroquímicos y degradar selectivamente los contaminantes orgánicos hasta cierto punto. Además, los métodos electroquímicos tienen buena sinergia con otros métodos de tratamiento y pueden combinarse para lograr efectos de tratamiento ideales. Sin embargo, los equipos que degradan completamente los contaminantes orgánicos del agua mediante métodos electroquímicos son demasiado caros y consumen mucha energía.
2.2 Métodos biológicos
El tratamiento biológico consiste en separar y degradar oxidativamente colorantes mediante floculación, adsorción y biodegradación de bacterias biológicas. La biofloculación y la biosorción no provocan cambios químicos en el tinte. El proceso de biodegradación consiste en oxidar o reducir las moléculas de tinte mediante la acción de enzimas microbianas, destruyendo los cromóforos y enlaces insaturados del tinte. A través de una serie de procesos como oxidación, reducción, hidrólisis y combinación, las moléculas de tinte eventualmente se degradan en sustancias inorgánicas simples o se convierten en nutrientes o protoplasma requeridos por diversos microorganismos. Existen tres métodos de tratamiento biológico: tratamiento aeróbico, tratamiento anaeróbico y tratamiento combinado anaeróbico-aeróbico.
En vista del hecho de que los métodos tradicionales de tratamiento biológico no pueden tratar eficazmente los tintes orgánicos en las aguas residuales de impresión y teñido de textiles, en los últimos años, algunos académicos han desarrollado vigorosamente una tecnología combinada anaeróbica-aeróbica y han logrado resultados inesperados. Los estudios han demostrado que muchos métodos biológicos aeróbicos no pueden oxidar o degradar los tintes orgánicos de forma limitada mediante la aplicación simultánea de métodos aeróbicos y anaeróbicos, pero pueden lograr diferentes grados de degradación mediante métodos anaeróbicos.
Como tecnología práctica de tratamiento de la contaminación del agua, el tratamiento microbiano de las aguas residuales de tintes se ha desarrollado e investigado durante muchos años. El mecanismo de decoloración y degradación microbiana es muy complejo y diverso. Muchos procesos de degradación y mecanismos de reacción aún no están claros y deben explorarse continuamente.
Los hongos de pudrición blanca representados por Phanerochaete chrysosporium son conocidos por su bajo consumo, alta eficiencia, amplio espectro y su capacidad para causar diversos xenobióticos tóxicos, dañinos, refractarios y persistentes en el medio ambiente. Las sustancias se han convertido en un arma eficaz para controlar diversos contaminantes. Muchos estudiosos denominan biotecnología ambiental innovadora a la tecnología fúngica desarrollada en los últimos años. Posiblemente debido a la acción de la lignina peroxidasa y la manganeso peroxidasa producidas en la etapa del metabolismo secundario, muchos hongos de pudrición blanca tienen capacidades de decoloración y degradación de amplio espectro de tintes. Las condiciones de cultivo tienen una gran influencia en las actividades de decoloración y degradación de los hongos de pudrición blanca. Connelly y otros creen que los hongos de la pudrición blanca tienen un fuerte efecto de biosorción en algunas aguas residuales de tintes, como el remazole verde azul G133, los tintes de ftalocianina, el ivezol verde azul y el heligon azul. , y decolora y degrada el tinte a través del metabolismo mediante enzimas extracelulares.
Una de las direcciones de desarrollo para el uso de microorganismos para tratar aguas residuales de tintes es seleccionar y cultivar bacterias de ingeniería de degradación eficientes. La decoloración y degradación de colorantes orgánicos por parte de microorganismos se centra en bacterias anaeróbicas facultativas, como Bacillus, Pseudomonas y algunas bacterias fotosintéticas. En los últimos años, se han ido eliminando gradualmente muchas variedades nuevas. Algunos estudiosos utilizan Pseudomonas para tratar diversas aguas residuales industriales de impresión y teñido. Los resultados de la investigación muestran que la tasa de decoloración de los tintes naranja de metilo y B15 por el aceite de Pseudomonas puede alcanzar más del 80%, y el aceite de Pseudomonas muestra una fuerte tolerancia a entornos de tintes de alta concentración.
A principios de la década de 1980, la tecnología microbiana inmovilizada se convirtió en un punto de investigación para el tratamiento orgánico de aguas residuales industriales en el país y en el extranjero. Esta tecnología inmoviliza microorganismos que pueden degradar tintes en la superficie de un portador específico para mejorar la eficiencia de la degradación microbiana. Existen muchos métodos para inmovilizar microorganismos, simples y mixtos. Estudios relevantes han demostrado que las bacterias mixtas tienen mejores capacidades de decoloración y degradación. Con el desarrollo de la tecnología de portadores de bacterias decolorantes inmovilizadas, el tiempo de reacción de decoloración y degradación también se ha acortado considerablemente.
La tecnología de bioaumentación consiste en agregar microorganismos con funciones específicas al sistema de tratamiento biológico para mejorar el rendimiento del procesamiento del sistema de tratamiento original y eliminar la materia orgánica refractaria. Las principales formas de implementar la tecnología de bioaumentación son: agregar microorganismos altamente degradables; agregar bacterias genéticamente modificadas (GEM); optimizar el suministro de nutrientes del sistema de tratamiento existente y estimular el crecimiento microbiano o mejorar su actividad agregando sustratos o sustancias similares.
El biorreactor de membrana es también una nueva tecnología de tratamiento de aguas residuales desarrollada en los últimos años. Se utilizó por primera vez en la industria de la fermentación. En la década de 1980, la tecnología de los biorreactores de membrana atrajo gran atención por parte de la comunidad académica. La tecnología de membranas puede interceptar la materia orgánica y reducir la materia orgánica contenida en el efluente. Maximice la utilización del oxígeno con aireación sin burbujas y biorreactores de membrana. En los últimos años, los biorreactores de membrana se han utilizado con éxito para tratar aguas residuales de canales, aguas residuales fecales y lixiviados de vertederos, y han comenzado a utilizarse para tratar aguas residuales de tintes. Muchos estudiosos creen que los biorreactores de membrana que contienen enzimas serán una dirección importante para el tratamiento de aguas residuales de tintes en el futuro. Debido al alto costo de producción de membranas y a la fácil obstrucción, la promoción integral de la tecnología de biorreactores de membranas en el campo del tratamiento de agua es limitada.
Aunque los métodos biológicos han logrado grandes avances, con la reducción de la biodegradabilidad de las aguas residuales de los tintes y los estrictos requisitos de los microorganismos en cuanto a nutrientes, valor de pH, temperatura y otras condiciones, los métodos biológicos son muy difíciles de utilizar en aplicaciones prácticas. Es difícil adaptarse a la situación actual de las aguas residuales de tintes con grandes fluctuaciones en la calidad del agua, muchos tipos de tintes y alta toxicidad. Como alta eficiencia e inmovilización de microorganismos. Muchos expertos y académicos están comprometidos con la detección de bacterias degradantes eficientes y la construcción de bacterias genéticamente modificadas para utilizar los ricos recursos de la naturaleza al servicio de la humanidad. Sin embargo, la práctica ha demostrado que cuando se utilizan bacterias de alta eficiencia recientemente desarrolladas en el tratamiento de aguas residuales con tintes, es posible que no alcancen completamente el efecto fortalecedor esperado. Además, existen problemas de seguridad con los propios microorganismos. Las bacterias eficientes y las bacterias genéticamente modificadas pueden fluir hacia el entorno natural, planteando una amenaza para el entorno natural y el equilibrio ecológico. Por lo tanto, la aplicación de estos métodos biológicos debe someterse previamente a estrictas inspecciones y evaluaciones de seguridad ambiental. Al mismo tiempo, el mecanismo de degradación de los tintes por parte de los microorganismos y el mecanismo de metabolismo de los microorganismos también necesitan más investigación y discusión.