两阶段A/O工艺可净化纺织印花废水中的尿素和总氮：重点探讨Na?SO?与Na?S?O?联合使用时的盐度影响

《Bioresource Technology》：Two-stage A/O process decontaminates urea and total nitrogen in textile printing wastewater: Focus on combined Na 2SO 4 and Na 2S 2O 4 salinity

纺织印刷废水处理中两阶段A/O工艺在联合Na2SO4和Na2S2O4盐分胁迫下的尿素水解及总氮去除机制研究。摘要：通过四组平行实验模拟含高浓度尿素和总氮的印刷废水，分析单独及联合盐分对两阶段A/O工艺性能的影响。结果表明：单独盐分对尿素水解和总氮去除的抑制效应较弱，而联合盐分会显著降低去除效率（TN去除率76%-70%，COD 71%-90%）。分子结构分析与荧光光谱显示有机物降解及微生物群落（Bacillota, Pseudomonadota）动态变化，揭示了盐胁迫对氨氧化和反硝化过程的抑制机制。

　　

Faheem Ahmed Ghori|Xumeng Lin|Ying Wu|Yimei Cheng|Ling Xiong|Hong Chen|Muhammad Usman Ghani|Gang Xue

东华大学环境科学与工程学院，中国上海人民北路2999号，201620

摘要

纺织印染行业产生的废水中含有高浓度的尿素和总氮（TN）。在印染过程中，经常使用硫酸钠（Na?SO?）和亚硫酸钠（Na?S?O?）作为固定剂和还原剂。两阶段A/O（厌氧-好氧-厌氧-厌氧）工艺具有处理印染废水的潜力。然而，盐度对尿素水解特性和总氮去除效果的综合影响尚未得到充分研究。本文采用了四个并行的实验室规模两阶段A/O批次反应器（R1–R4）来模拟富含尿素和总氮的印染废水。在R2–R4的初始厌氧阶段，分别加入硫酸钠（19 g/L）、亚硫酸钠（25 g/L）及其与印染废水的混合物。结果表明，盐度的存在对反应器性能有显著影响：在R1–R2的初始好氧阶段，尿素水解效率较高，尿素去除率为96%–93%；而在R3–R4阶段，尿素去除率降低至88%–85%。R1反应器实现了最佳的总氮（95%）和化学需氧量（COD）去除率，而R2–R4中的盐度压力则降低了总氮（86%～76%～70%）和化学需氧量（90%～70%～71%）的去除效率。分子结构分析证实了有机物在初始好氧阶段的分解。荧光光谱显示色氨酸、微生物物质和类腐殖质物质的差异。与细胞内水解相关的杆菌门（Bacillota）和 Gemmatimonadota 门在R1–R2的初始阶段富集，而负责总氮和化学需氧量去除的假单胞菌门（Pseudomonadota）和放线菌门（Actinomycetota）在R2–R4的后期阶段减少。这些发现有助于更好地理解在硫酸钠和亚硫酸钠共同作用下的两阶段A/O工艺中尿素和总氮的去除性能。

引言

纺织行业正在迅速发展，已成为许多国家经济发展的重要支柱（Wang et al., 2023b）。据估计，纺织行业贡献了17–20%的工业污染（Nidheesh et al., 2022）。该行业包括多个耗水较多的工序，如退浆、洗涤、丝光、漂白和印染（Bogale et al., 2024），这些工序消耗大量水资源，每公斤产品约需0.4立方米淡水，占总工业用水量的2.1%。因此，会产生大量受污染的废水，每吨最终产品产生约200–300立方米的废水，相当于每年排放21,500升废水，占工业废水的10.1%（Nidheesh et al., 2022）。值得注意的是，来自印染工序的废水占纺织行业总排放量的约80%，是主要的污染源（Chen et al., 2023）。印染废水具有复杂的性质，由于使用了大量化学物质，导致总氮（TN）和化学需氧量（COD）含量较高（Albahnasawi et al., 2023）。例如，尿素（NH?CONH?）是印染过程中常用的成分，用于提高印染质量和染料与织物的结合效果（Min et al., 2021）。淀粉含有高有机质，常作为增稠剂用于提高印染浆的粘度（Mongkholrattanasit et al., 2021）。因此，需要通过皂化过程去除尿素、淀粉和可溶性染料，这会增加废水中的尿素、总氮和化学需氧量（Min et al., 2021）。纺织印染废水中的尿素浓度范围为1000至5000毫克/升，尿素会水解生成氨（NH??-N），从而显著增加氮化合物的含量（Xian et al., 2021）。这些难以处理的氮化合物会导致严重的水污染问题，包括富营养化、水生生物中毒和人类健康风险，因此必须在排放前去除氮元素。

此外，印染废水中还含有染料、盐分、表面活性剂和重金属，这些因素会影响尿素的水解特性和总氮的去除过程（Song et al., 2023b）。其中，盐度在印染废水处理中起着关键作用，因为废水中含有高浓度的尿素和氮（Guo et al., 2020）。在印染过程中广泛使用了各种无机盐，例如氢氧化钠（NaOH）用于调节pH值（Velusamy et al., 2021）。氯化钠（NaCl）和硫酸钠（Na?SO?）可提高染料的固定效率，而亚硫酸钠（Na?S?O?）用于脱色和还原（Tayyaba et al., 2021, Wang et al., 2023b）。这些盐类在排放到废水中可能对生物处理过程构成潜在风险（Zhang et al., 2021）。

印染废水的处理采用化学、物理和生物技术，或这些技术的组合方法（Song et al., 2023a）。化学和物理方法由于能耗高和运营成本高而受到限制，而生物处理方法因其经济可行性、灵活性和环保性而受到青睐（Bogale et al., 2024）。针对高硫酸钠和氯化钠浓度的印染废水，已经研究了几种生物处理方法，如厌氧-好氧（Gu et al., 2018）、厌氧-厌氧-好氧（Castillo-Suárez et al., 2023）、水解酸化（Guo et al., 2020）、膜生物反应器（Yurtsever et al., 2016）和好氧颗粒化（Manavi et al., 2017）。然而，这些研究主要关注盐分对脱色效果的影响。另有研究探讨了不同亚硫酸钠浓度下尿素的水解和总氮去除情况（Ghori et al., 2025），但处理时间长达六天。这些研究仅分析了盐分对单个处理步骤的影响，而需要进一步研究在硫酸钠和亚硫酸钠共同作用下的尿素和总氮去除效率，尤其是在印染废水处理过程中。目前，关于硫酸钠和亚硫酸钠共同作用下的尿素和总氮去除性能的研究仍存在空白。

本文采用两阶段A/O工艺处理印染废水，并研究了硫酸钠和亚硫酸钠对尿素水解特性和总氮去除效果的影响。分析了硫酸钠、亚硫酸钠单独及共同作用对去除效果的影响，特别是在尿素去除、尿素水解特性、总氮和化学需氧量去除以及污泥特性（生物量和EPS）方面的影响。还阐明了在不同盐度条件下各批次反应器各阶段的分子结构变化、荧光化合物特性和微生物群落的结构。

实验部分

合成废水特性和种子污泥

实验中使用的模拟印染废水由补充材料中描述的原料溶液和微量元素溶液组成。原料溶液包含尿素、可溶性淀粉和亚甲蓝（MB）。尿素是总氮的唯一有机来源，而淀粉是主要的化学需氧量来源。种子污泥用于...

尿素去除效果

图1a–d展示了四个批次反应器（R1–R4）的尿素去除效果。所有批次反应器在2150毫克/升的尿素浓度下稳定运行。24小时后，出水尿素浓度分别降至93.1毫克/升、143.1毫克/升、324.4毫克/升和430.6毫克/升，表明尿素被有效去除（Chen et al., 2021）。

结论

本研究探讨了在硫酸钠和亚硫酸钠共同作用下，两阶段A/O工艺对印染废水中尿素和总氮的去除效果。结果表明，硫酸钠的抑制作用相对较轻，而亚硫酸钠和共同盐度会降低反应器性能。在共同盐度作用下，尿素去除和通过尿素水解的基质生物转化效率降低。总氮和化学需氧量的去除也受到抑制。

作者贡献声明

Faheem Ahmed Ghori：撰写原始稿件、软件开发、方法设计、实验设计、数据分析。 Xumeng Lin：撰写、审稿与编辑、数据管理。 Ying Wu：撰写、审稿与编辑、数据可视化。 Yimei Cheng：数据验证。 Ling Xiong：数据管理。 Hong Chen：撰写、审稿与编辑、资源协调、资金申请。 Muhammad Usman Ghani：数据可视化。 Gang Xue：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金申请。

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

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22476018、52170067、22476019）的财政支持。