基于浮石基质和香根草的水平潜流人工湿地对纺织废水中染料和化学需氧量的高效去除研究

《Results in Engineering》：Dye and Chemical Oxygen Demand Removal from Textile Wastewater Using a Scoria-Based Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland Planted with Chrysopogon zizanioides

本研究针对纺织工业废水中有机物和染料污染问题，开展了利用浮石基质并种植香根草的水平潜流人工湿地处理技术研究。结果表明，该技术对化学需氧量(COD)和染料的去除率分别高达94.32%和95.42%，显著优于未种植湿地系统，为纺织废水低成本高效处理提供了有前景的绿色解决方案。

　　

纺织工业是许多国家经济发展的关键驱动力，但同时也是水资源的主要污染源之一。在纺织品湿法加工过程中，每公斤织物需要消耗68-164升水，并产生大量含有有毒染料的废水。这些废水中含有高浓度的化学需氧量(COD)、合成染料、重金属和其他有机污染物，若未经适当处理直接排放，将对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。

传统的纺织废水处理方法，如吸附、混凝-絮凝、高级氧化和膜技术等，虽然能够有效去除特定污染物，但往往存在成本高、能耗大、化学药剂用量多以及污泥处理困难等问题。因此，开发低成本、环境友好的替代处理技术显得尤为重要。人工湿地技术作为一种基于自然的解决方案，结合了基质过滤、微生物降解和植物修复等多种作用，为纺织废水处理提供了新的可能。

为了探索更高效的纺织废水处理方案，研究人员在埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴科学技术大学进行了一项创新研究，并在《Results in Engineering》上发表了相关成果。该研究团队设计并评估了一种基于浮石基质并种植香根草(Chrysopogon zizanioides)的水平潜流人工湿地系统，专门用于处理来自Ketema Kebede纺织工业的真实废水。

研究人员采用的主要技术方法包括：设计并构建了四个平行运行的湿地单元（两个种植香根草，两个作为未种植对照），使用浮石作为过滤介质，系统在5天水力停留时间(HRT)和0.021 m3/天的平均流量下运行。废水样本来自Ketema Kebede纺织工业，与生活污水按75:25的比例混合以改善可生化性。关键分析技术包括使用标准方法(APHA)测定COD、染料浓度、pH、温度、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、总氮(TN)、总磷(TP)和电导率(EC)等参数，并采用独立样本t检验进行统计分析。

3.1. 废水特性

研究首先对KK纺织废水、生活污水及其混合液进行了全面表征。结果显示，纺织废水具有极高的污染负荷，COD浓度为995.1 ± 14.85 mg/L，染料浓度为377.63 ± 34.71 mg/L。值得注意的是，纺织废水的BOD值为0 mg/L，表明其中含有大量难生物降解的有机物。废水温度高达79.17°C，pH为中性(7.54)，溶解氧较低(1.17 mg/L)，电导率较高(1850.07 μS/cm)。与生活污水混合后，COD降至582.48 mg/L，染料浓度为363.96 mg/L，温度降至26.7°C，更适合生物处理。

3.2. 处理后废水特性

经过人工湿地处理后，废水水质得到显著改善。种植香根草的湿地对溶解氧的提升最为明显，从进水中的1.82 mg/L提高到7.20 mg/L，而未种植湿地仅为5.50 mg/L。电导率从1360.20 μS/cm降至268.30 μS/cm（种植）和305.6 μS/cm（未种植）。COD从618.50 mg/L降至30.20 mg/L（种植）和64.20 mg/L（未种植）。染料浓度从403.65 mg/L降至18.50 mg/L（种植）和36.50 mg/L（未种植）。统计分析表明，种植湿地在DO、COD和染料去除方面显著优于未种植湿地(p < 0.05)。

3.3. 化学需氧量(COD)和染料去除效率

长达12个月的监测数据显示，种植香根草的人工湿地在COD和染料去除方面表现出持续优化的趋势。COD去除率从第2个月的76.80%提高到第12个月的94.32%，而同期的未种植湿地从69.32%提高到88.11%。染料去除率从第2个月的87.77%提高到第12个月的95.42%（种植），未种植湿地从82.28%提高到90.95%。统计检验证实，种植湿地在所有监测时间点均显著优于未种植湿地(p < 0.05)，表明香根草的存在对系统性能有积极贡献。

3.4. 比较研究

与已报道的其他人工湿地系统相比，本研究采用的浮石基质结合香根草的水平潜流人工湿地表现出优越的性能。例如，使用香蒲(Typha domingensis)和芦苇(Phragmites australis)的垂直流湿地的COD去除率分别为56%和82%，染料去除率为90%-98%。而本研究系统的COD和染料去除率分别达到94.32%和95.42%，优于大多数已报道的配置。

3.5. 研究的局限性

本研究存在一些局限性，包括未系统优化质量负荷率、未进行微生物群落分析、营养补充仅限于生活污水稀释、未测试无浮石介质的空白系统、未评估总氮、总磷和重金属等其他水质参数，以及未解决经济可行性和放大问题。

3.6. 实际应用和未来研究展望

该技术为中小型纺织企业，特别是发展中国家的企业，提供了一种低成本的废水处理选择。未来研究应关注中试和全规模验证、设计优化和系统杂交、微生物和生态学研究、比较研究、可持续性和生命周期评估，以及政策、社会经济和利益相关者整合等方面。

研究表明，基于浮石基质并种植香根草的水平潜流人工湿地系统能够高效去除纺织废水中的COD和染料。种植湿地的性能显著优于未种植湿地，这归因于香根草根系提供的氧气释放、微生物栖息地形成和污染物吸收等多种协同作用。该技术为纺织工业提供了一种可持续、低成本且高效的废水处理方案，特别适合在资源有限地区推广应用。未来研究应着重解决系统放大、微生物机制解析和经济可行性评估等关键问题，以推动该技术的实际应用。