紡織行業(yè)節(jié)能減排現(xiàn)狀與主要廢水處理技術(shù)綜述

沈彧彧

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

紡織工業(yè)是一個(gè)對(duì)能源、水消耗巨大的行業(yè)，與此同時(shí)，還產(chǎn)生大量廢水和廢氣。除了二氧化碳之外，由于化石燃料的使用，燃燒過(guò)程中還產(chǎn)生氮氧化合物（NOx）、二氧化硫（SO2）和微小顆粒（PM）。節(jié)約能源與水，減輕廢水、廢氣的排放是紡織行業(yè)環(huán)保生產(chǎn)的重要考量指標(biāo)。

預(yù)計(jì)到2050年，世界人口將增長(zhǎng)約35%。人口的增長(zhǎng)以及發(fā)展中國(guó)家持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將會(huì)帶動(dòng)紡織品生產(chǎn)和消費(fèi)的大幅增長(zhǎng)，而與此同時(shí)，紡織行業(yè)對(duì)能源、水的需求量以及污水、二氧化碳的排放量也將大幅增加。

雖然紡織業(yè)不是能源密集型行業(yè)，但紡織工廠數(shù)量眾多，導(dǎo)致能源消耗量巨大。例如，2010年，紡織工業(yè)占中國(guó)制造業(yè)總能源使用總量的約4%，而美國(guó)則不到2%。與此同時(shí)，在眾多行業(yè)中，紡織工業(yè)對(duì)水的消耗量最大，同時(shí)其產(chǎn)生的廢水也是工業(yè)廢水中最主要的組成部分。由于各種化學(xué)品應(yīng)用在紡織工藝過(guò)程中，如預(yù)處理、染色、印花和整理等，紡織廢水含有許多有毒化學(xué)物質(zhì)，如果在排放到環(huán)境之前未經(jīng)妥善處理，可能會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞。

中國(guó)是全球第一大紡織品出口國(guó)，占全球紡織與成衣出口40%。紡織與成衣工業(yè)是中國(guó)最大的制造業(yè)，約有2.4萬(wàn)家企業(yè)。2015年，其總產(chǎn)值突破9萬(wàn)億元。中國(guó)為全球最大的成衣生產(chǎn)國(guó)，紡織品產(chǎn)能為全球最大，包含棉花、人造纖維與絲。中國(guó)紡織工業(yè)2011年的總出口值超過(guò)5 000億元[1]。隨著人民生活水平的提升，國(guó)內(nèi)對(duì)高品質(zhì)紡織與服飾品的需求持續(xù)上升。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于紡織行業(yè)的能耗現(xiàn)狀也作了不同的研究。2002年，美國(guó)制造業(yè)普查數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)紡織工業(yè)61%終端能耗來(lái)自燃料，39%終端能耗來(lái)自電力。而在終端能耗占比中，紡織工業(yè)的蒸汽與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（泵、風(fēng)機(jī)、壓縮空氣、材料搬運(yùn)、材料加工等）比重最大，約為終端能耗的28%。此外，36%的能源損耗來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所占比重最大，為13%，其次是配送與鍋爐，分別占8%、7%。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是紡織工業(yè)終端能源損失最主要的因素，而從不同工藝所用能耗的明細(xì)可看出，材料加工用掉電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最多能源，約占31%，其次是泵、壓縮空氣與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，分別是19%、15%、14%。從紡織工藝流程的角度來(lái)看，一個(gè)復(fù)合型紡織廠通常包含紡紗、織造、濕處理（制備、印染、整理）等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中，紡紗是消耗電能最多的部分，約占41%，織造其次，約占18%。而濕處理制備，如脫漿、漂白、整理，則消耗約35%的熱能。

印染廢水是紡織工業(yè)的主要污染源，不僅排放廢水量大，而且污染物總量多。印染廢水中的污染物質(zhì)主要來(lái)自纖維材料、紡織用漿料和印染加工所使用的染料、化學(xué)藥劑、表面活性劑和各類整理劑。從印染加工工藝來(lái)看，印染廢水主要由退漿廢水、煮練廢水、漂白廢水、絲光廢水、染色廢水和印花廢水組成，具有高濃度、高色度、高pH值、難降解、多變化五大特征。目前，染料品種已近500種，我國(guó)染料年產(chǎn)量保持在77萬(wàn)～92萬(wàn)t，約占世界總產(chǎn)量的2/3[2]。棉制品的印染耗水達(dá)300 L/kg，除少量蒸發(fā)外，大部分成為廢水。印染過(guò)程中，2%的纖維與10%～20%染料都進(jìn)入排水中，印染廢水成分復(fù)雜，顏色深，化學(xué)需氧量（COD）濃度可達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)毫克每升，非常難以生化降解。由此可見(jiàn)，印染廢水是一種高強(qiáng)度的環(huán)境污染源，如不加處理而直接排放將對(duì)周圍水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

由于印染工業(yè)涉及許多有害化學(xué)藥品，這類廢水有機(jī)物含量高、色度深、成分雜、有害物質(zhì)含量高，對(duì)水體會(huì)造成嚴(yán)重危害，紡織印染廢水對(duì)環(huán)境和人類的危害引起了越來(lái)越多人的關(guān)注。印染廢水的危害程度依所含污染物的不同可分為5級(jí)，1級(jí)最輕微，5級(jí)最嚴(yán)重[3]。其依次為：一般污染物，如酸、堿、鹽、氧化劑，該類物質(zhì)相對(duì)無(wú)害；中等至高生化需氧量（BOD）但易生物降解污染物，如淀粉漿料、植物油、脂肪、蠟質(zhì)、可被生物降解表面活性劑、低分子有機(jī)酸（甲酸、乙酸）、還原劑（硫化物、亞硝酸鹽）；難以降解的染料和聚合物，如染料和熒光增白劑、絕大多數(shù)纖維及聚合物雜質(zhì)、聚丙烯酸染料、合成高聚物整理劑、硅酮；中等BOD難以生物降解的污染物，如羊毛脂、聚乙烯醇漿料、淀粉醚和酯、無(wú)機(jī)油、難生物降解的表面活性劑、陰離子型和非離子型表面活性劑；BOD很小，但不能用傳統(tǒng)生化法處理的污染物，如甲醛、N-甲基反應(yīng)物、陽(yáng)離子緩染劑和柔軟劑、有機(jī)金屬、絡(luò)合物、重金屬鹽（鉻、銅、汞、鎘、銻）。印染廢水中的偶氮染料能使生物致畸、致癌、致突變。其初步降解后的產(chǎn)物多為聯(lián)苯胺等一些致癌的芳香類化合物，毒性都較大。

在將紡織廢水安全地排入水體前，通常會(huì)采用物理、化學(xué)或生物等方法來(lái)進(jìn)行處理。一般而言，每種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。因此，人們會(huì)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理，然后采用一種或多種組合方式進(jìn)行處理以達(dá)到最優(yōu)效果。

1 物理處理

目前有多種物理處理方法，如吸附、離子交換、膜過(guò)濾等。吸附是在適當(dāng)?shù)慕缑嫒芤褐惺占扇苄晕镔|(zhì)的過(guò)程。離子交換可用于去除廢水中的有害陰離子和陽(yáng)離子。大多數(shù)用于廢水處理的離子交換樹(shù)脂是通過(guò)將有機(jī)化合物聚合成多孔的三維結(jié)構(gòu)而制成的合成樹(shù)脂[4]。過(guò)濾的定義是液體經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)，以去除懸浮物中的雜質(zhì)。該方法通常在混凝、絮凝或生物廢水處理后使用。

1.1 吸附

吸附技術(shù)是一種在廢水處理技術(shù)中具有很高潛力的平衡分離過(guò)程。商業(yè)上可利用的活性炭具有高吸附能力，能吸附不同染料。但是，這種吸附方法非常昂貴，對(duì)活性炭再生的需求，降低了它污水處理的效果。近年來(lái)，人們把注意力轉(zhuǎn)移到使用低成本吸附材料上。一些生物廢料，如棕櫚灰、竹炭、農(nóng)業(yè)廢料都被研究用來(lái)對(duì)紡織污水進(jìn)行處理。

1.2 離子交換

離子交換法在處理紡織工業(yè)廢水時(shí)，影響其去除效率的主要原因是不能有效去除某幾種染料。離子交換只能用于去除廢水中的有害陰離子和陽(yáng)離子，它可以有效去除陽(yáng)離子（堿性染料）和陰離子（酸性、直接和活性染料）。然而，其去除非離子染料（分散染料）的效果非常差。一旦離子樹(shù)脂的交換容量飽和，必須在回用前再生，并且使用有機(jī)溶劑回收廢離子交換樹(shù)脂的成本較高。同時(shí)，離子交換處理方法的優(yōu)點(diǎn)包括成功再生后吸附劑能力的恢復(fù)，使用后的溶劑可以再利用以及有效去除可溶性染料。

1.3 過(guò)濾

紡織廢水過(guò)濾技術(shù)包括微濾、超濾、納濾和反滲透。在這些過(guò)濾技術(shù)中，微濾具有更大的孔徑，所以是最經(jīng)濟(jì)的。因此，在采用納濾或反滲透法做進(jìn)一步處理前，微濾通常被用來(lái)做預(yù)處理以達(dá)到紡織染色所需的回用標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)濾法能快速有效地去除各種染料雜質(zhì)[5]。但是，它也有一些缺點(diǎn)，如只能小批量處理廢水、過(guò)濾膜使用成本高、需要使用高壓才能使廢水通過(guò)過(guò)濾膜。此外，過(guò)濾膜孔會(huì)頻繁堵塞，造成其使用壽命較短。因此，這種過(guò)濾方法需要經(jīng)常清洗和更換以保證能有效地去除有機(jī)染料。這些缺點(diǎn)限制了它作為一種可持續(xù)紡織廢水處理分離系統(tǒng)的潛力[6]。

2 生物處理

生物處理是一種在有氧或厭氧條件下使用微生物來(lái)降解有機(jī)染料的方式。微生物能夠代謝生物降解物，從而轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳和能量，用于其生長(zhǎng)和繁殖。最常見(jiàn)的生物處理方法是滴濾池和活性污泥法，與一些物理和化學(xué)方法相比，這種方法簡(jiǎn)單且成本低廉。

固定/附著生長(zhǎng)系統(tǒng)依賴于微生物固定或附著在生物膜表面上的能力，同時(shí)廢水在其上流動(dòng)，而懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)是指將微生物混合并懸浮在廢水中的系統(tǒng)。但是，這對(duì)處理紡織工業(yè)的原污水是無(wú)效的。由于紡織染料廢水的生物降解性差，其往往需要預(yù)處理。例如，反應(yīng)性偶氮染料通常具有低生物降解性指數(shù)（BOD5/COD＜0.1），表明這些染料對(duì)常規(guī)生物處理方法具有抗性。用于生物降解染料的微生物有真菌（特別是白腐真菌）、細(xì)菌、酵母和藻類。在有氧條件下，廢水中的微生物分泌的酶會(huì)破壞有機(jī)化合物。白腐真菌礦化有機(jī)染料的能力歸因于其高度氧化和非特異性木質(zhì)素分解酶，包括木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶。

2.1 需氧

大多數(shù)染料對(duì)有氧生物處理過(guò)程中的生物是有毒的，使用這種方法所產(chǎn)生的問(wèn)題是污泥膨脹、污泥上升和絮狀物形成。據(jù)報(bào)道，有氧生物方法在紡織廢水處理中無(wú)效，因?yàn)閷?duì)于染料，特別是偶氮染料沒(méi)有明顯的顏色去除效果[7]。需要考慮的問(wèn)題是更長(zhǎng)的水力停留時(shí)間，因此通常需要較大的需氧罐。此外，曝氣處理可能導(dǎo)致形成未知的氧化化合物，這增加了廢水的顏色強(qiáng)度。同時(shí)，絮凝物形成是一個(gè)不利因素，因?yàn)樾跄锏男纬捎锌赡芙档陀袡C(jī)染料生物降解的效率。然而，它可能在其他處理過(guò)程中有用。研究表明，使用在需氧生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)中形成的微生物絮凝物來(lái)處理紡織廢水，處理6 d后COD和顏色的去除率分別為55%和70%，這證實(shí)了該系統(tǒng)在紡織廢水處理中的潛在用途[8]。

2.2 厭氧/需氧-厭氧

在厭氧條件下，微生物對(duì)染料的脫色將導(dǎo)致毒性更大的芳族胺化合物的生成。由于該方法僅僅是部分降解過(guò)程，厭氧處理作為廢水處理的最后步驟是不夠的。此外，微生物具有緩慢的生長(zhǎng)速率，這是直接導(dǎo)致產(chǎn)甲烷細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢的原因。因此，需要較長(zhǎng)的馴化時(shí)間。然而，這種處理方法的優(yōu)點(diǎn)是甲烷氣體是從厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生的，可以用作可再生能源。在厭氧條件下產(chǎn)生的芳香胺可在有氧條件下礦化，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，廢水處理系統(tǒng)中的順序厭氧-需氧過(guò)程通常是降解染料所必需的。

3 化學(xué)處理

化學(xué)處理包括凝結(jié)/絮凝和化學(xué)氧化過(guò)程。前一種方法通常用于從廢水中除去膠體和其他懸浮顆粒。凝結(jié)/絮凝過(guò)程的原理是通過(guò)電荷中和，促進(jìn)中和顆粒之間的碰撞，使膠體顆粒不穩(wěn)定，導(dǎo)致凝聚、絮凝生長(zhǎng)和最終沉降，從而進(jìn)行有效過(guò)濾[4]。然而，凝結(jié)和絮凝過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生有毒的污泥，處理和處置有毒污泥是一個(gè)衍生問(wèn)題。因此，化學(xué)氧化方法引起了更多的關(guān)注，因?yàn)樗划a(chǎn)生二次污染物?；瘜W(xué)氧化方法通常使用化學(xué)試劑（催化劑和氧化劑如過(guò)氧化氫（H2O2）和臭氧（O3））或消耗能量（UV或超聲波）而無(wú)需微生物進(jìn)行反應(yīng)。完全礦化的化學(xué)氧化是高級(jí)氧化工藝（AOP）的特殊情況。這兩種方法通常用于紡織廢液處理，或用于在生物處理后拋光最終排放物。

化學(xué)氧化后得到的產(chǎn)物往往比原來(lái)的化合物具有更高的毒性。因此，有機(jī)污染物的快速礦化應(yīng)該是處理過(guò)程的目標(biāo)，以盡量減少有毒中間產(chǎn)物的形成。這可以通過(guò)應(yīng)用組合的各種化學(xué)氧化方法或后常規(guī)處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，以增強(qiáng)完全的礦化過(guò)程。

3.1 凝結(jié)和絮凝

由于用時(shí)短、操作簡(jiǎn)單、效果好，凝結(jié)和絮凝方法是紡織工業(yè)廢水處理的最常用方法之一。廢水處理中最常用的絮凝劑是硫酸鋁或明礬（Al2（SO4）3·18H2O），石灰（Ca（OH）2）和鐵鹽如硫酸鐵（Fe2（SO4）3·7H2O））或氯化鐵（FeCl3·7H2O）。污泥與污水的分離可以通過(guò)沉降、浮選和過(guò)濾來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，該方法不能去除高度水溶性染料，并且處理大量濃縮的污泥將增加廢水處理的成本。在該技術(shù)中，需要考慮的其他因素是凝結(jié)或絮凝劑的高成本以及有效去除染色劑的pH依賴性。

3.2 化學(xué)氧化

化學(xué)氧化方法常被用于降解有機(jī)染料，因?yàn)槠淇梢云茐牟豢缮锝到獾挠袡C(jī)化合物，或者對(duì)微生物具有毒性或抑制其生長(zhǎng)。通過(guò)AOP，強(qiáng)大的氧化劑如羥基（-OH）的生成能夠有效地將有機(jī)化合物礦化成二氧化碳、水和無(wú)機(jī)酸。然而，對(duì)于容易生物降解的有機(jī)污染物，生物處理過(guò)程應(yīng)該是首選的處理方法。只有有機(jī)物對(duì)生物處理過(guò)程是頑固的和穩(wěn)定的，人們才應(yīng)考慮AOP。芬頓氧化、臭氧氧化、光催化氧化、超聲催化氧化、放射催化氧化都是常用的處理方法[9]。

4 結(jié)論

紡織工業(yè)污水處理廠的目標(biāo)是通過(guò)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)不被污染或減少污染，通過(guò)紡織工業(yè)的污水處理設(shè)施來(lái)保證環(huán)境安全是目前被廣泛接受的方法。然而，并沒(méi)有哪一種處理方法是適合所有紡織廢水的。因此，對(duì)紡織廢水的處理必須要結(jié)合不同的處理技術(shù)。本文對(duì)印染廢水中染料的處理和減少污染負(fù)荷的方法進(jìn)行了探討。物理和氧化方法只適用于紡織廢水量較小的情況，才能有效地降解染料，因此這限制了其使用范圍。膜過(guò)濾則因成本原因具有一定的限制，不適合大規(guī)模污水處理。目前，污水處理廠多使用生物方法，該方法可以產(chǎn)生低無(wú)機(jī)污泥且運(yùn)行成本低。但生物法處理后的紡織廢水仍然無(wú)法達(dá)到紡織廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，減少有毒或抑菌化合物對(duì)細(xì)菌的影響，需要將難處理的有機(jī)化合物和染料先用化學(xué)氧化或高級(jí)氧化的方法進(jìn)行氧化，然后將其轉(zhuǎn)化為可生物降解的成分，之后再進(jìn)行細(xì)菌處理。除去微生物后的水可以回收利用。

現(xiàn)在，紡織行業(yè)污染控制研究應(yīng)加強(qiáng)對(duì)組合方法的定量研究。此外，已經(jīng)有大量研究說(shuō)明各種細(xì)菌組在降解偶氮基水溶性染料中的作用，但是有關(guān)蒽醌基活性染料的研究報(bào)道甚少。因此，今后有必要開(kāi)展相應(yīng)的研究對(duì)蒽醌類染料進(jìn)行降解，從而為紡織廢水處理廠提供更多的解決方案。

1 韓國(guó)上市網(wǎng).2013年中國(guó)紡織品產(chǎn)銷情況：全球主要國(guó)家進(jìn)出口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析[EB/OL].（2013-01-23）[2017-10-20].http：//www.51report.com/free/3007417.html.

2 中國(guó)報(bào)告網(wǎng).2017-2022年中國(guó)染料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展定位分析報(bào)告[EB/OL].（2017-06-15）[2017-10-20].http：//baogao.chinabaogao.com/huaxuechangpin/285581285581.html.

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