竹材染色廢水處理工藝及成本分析?

何 盛 陳玉和 馬英才 吳再興 陳章敏

（1.國家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心，國家林業(yè)和草原局竹家居工程技術(shù)研究中心，浙江省竹子高效加工重點實驗室，浙江 杭州 310012；2. 湖南九層臺環(huán)境科技有限公司，湖南 長沙 410205）

竹材染色是指染料與竹材發(fā)生化學或物理化學結(jié)合，賦予竹材堅牢色澤，是提高竹材表面質(zhì)量，改善竹材視覺特性和提高竹制品附加值的重要手段[1-2]。目前，竹材染色技術(shù)在彩色刨切薄竹、竹質(zhì)異色重組裝飾材、竹工藝品等新型高附加值產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域得到應(yīng)用[2-8]。

竹材染色常用染料為酸性染料，為石油化工類合成產(chǎn)品[1,9]，屬于可溶于水的陰離子染料。染料分子中含磺酸基、羧基等酸性基團，在酸性或中性染液中與材料結(jié)構(gòu)中的氨基或酰氨基相結(jié)合而達到染色效果[10]。染色處理后的廢液直接排放將對土壤及水體造成嚴重污染[11-13]。因此，為避免竹材染色廢水對環(huán)境造成污染，必須對染色廢水進行處理，達標后方可排放。

目前，針對竹材染色廢水處理尚無成熟的處理工藝，大多參考紡織印染廢水處理工藝進行[14-15]，如使用生物、化學絮凝-吸附及傳統(tǒng)的氧化處理方法[16-18]。利用上述處理方法能較好地降低竹材染色廢液中的色度及有機物含量。但由于竹材染色廢水水質(zhì)特點與印染廢水不同，為獲得良好的處理效果，同時更好地進行成本控制，本文結(jié)合竹材染色廢水水質(zhì)特點，合理選擇竹材染色廢水處理工藝，并對廢水處理成本進行分析，以期為竹材染色廢水處理提供解決方案。

1 竹材染色廢水水質(zhì)分析

竹材染色廢水中除含有染色用染料外，還含有大量竹材內(nèi)含物，如淀粉、糖類及木質(zhì)素等有機物，導致竹材染色廢水色度、化學需氧量（COD）較高，可生化性較差[19]。以酸性染料浸染竹束廢水為例，在染液濃度0.5%，循環(huán)染色5 次后，廢水中主要污染物的色度、COD、懸浮物（SS）、氨氮含量及酸堿度測試結(jié)果如表1所示。

表1 竹材染色廢水水質(zhì)及處理排放標準Tab. 1 Water quality and treatment discharge standard of bamboo dyeing waste water

參照GB 4287—2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》規(guī)定的處理后廢水直接排放限值，竹材染色廢水除pH符合排放標準外，其他污染物指標都遠高于限值，為防止對受納水體及周圍環(huán)境造成污染，必須經(jīng)有效處理達標后方可排放。

2 竹材染色廢水處理工藝

污水處理工藝的選擇直接關(guān)系到污水處理站的建設(shè)投資、運行成本的高低、污水站出水水質(zhì)以及運行管理是否方便可靠等。根據(jù)工藝合理、運轉(zhuǎn)高效、成本可控及達標排放原則，結(jié)合竹材染色廢水有機物濃度高、色度重等特點，制定如下處理工藝。

2.1 前期預(yù)處理

如圖1 所示，前期預(yù)處理選擇“人工格柵+調(diào)節(jié)池 +鐵碳微電解裝置池+芬頓氧化裝置+絮凝沉淀壓濾”工藝。其中，人工格柵主要用于攔截大顆粒懸浮物和雜質(zhì)；調(diào)節(jié)池主要用于均衡廢水水質(zhì)及水量；通過鐵碳微電解裝置可顯著提高廢水的可生化性，并降低廢水的色度[20]；芬頓氧化裝置主要用于去除難降解有機污染物并進一步降低色度[16]；絮凝沉淀主要是通過向系統(tǒng)中投加聚合氯化鋁（PAC），使廢水中顆粒較小的懸浮物絮凝成較大粒徑的懸浮物后利用自身重力作用沉降[21]，通過壓濾去除廢水中懸浮物，降低懸浮物含量。

圖1 竹材染色廢水處理工藝流程圖Fig. 1 Process flow chart of bamboo dyeing waste water treatment

2.2 主體工藝

經(jīng)預(yù)處理后的廢水，還不能達到直接排放標準，需通過生化處理過程進一步處理后才能達標排放。由于竹材染色廢水中含有染料、竹材內(nèi)含物等高分子化合物，其可生化性差，且有機物濃度高、色度重。因此在主體工藝中，首先將廢水導入上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)池，利用厭氧微生物的代謝作用，進行徹底的厭氧反應(yīng)，把有機物轉(zhuǎn)化為甲烷、硫化氫、一氧化碳等物質(zhì)，進而降解水中的有機高分子化合物[22-23]；出水自流進入吹脫池，采用向池中曝氣的方式，帶出水中的硫化氫、甲烷等有害氣體；出水再流入一級接觸氧化池，利用好氧微生物的代謝作用，把廢水中的有機污染物分解為二氧化碳、水等低能位小分子物質(zhì)。同時，利用硝化菌的代謝作用，把氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽；出水自流進入缺氧池，利用反硝化菌的代謝作用，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣穩(wěn)定下來，進而除去廢水中的氨氮[24]；出水自流進入二級接觸氧化池，進一步除去廢水中的有機物；出水自流進入沉淀池，利用重力的作用實現(xiàn)泥水分離；出水自流進入脫色池，在強氧化劑的作用下，進一步除去水中的色度，保證污水能夠達標排放[25]。本方案采用上述“前期預(yù)處理+生化處理”相結(jié)合的處理工藝，保證處理出水水質(zhì)穩(wěn)定達到GB 4287—2012 的直排標準，見表2。同時遵循“運行成本低”的原則，降低運行成本，節(jié)省能耗。

利用上述主體工藝處理后，竹材染色廢水中污染物可基本處理完成，達到直接排放標準。根據(jù)以上分析，確定該竹材染色廢水處理的主體工藝流程為：

竹材染色廢水+人工格柵+調(diào)節(jié)池+鐵碳微電解裝置池+芬頓氧化裝置+絮凝沉淀壓濾+集水池+UASB反應(yīng)池+吹脫池+一級接觸氧化池+缺氧池+二級接觸氧化池+沉淀池+脫色池+出水。

參照上述工藝對表1 所述水質(zhì)的竹材染色廢水進行處理，處理后水質(zhì)檢測結(jié)果顯示，色度為34 倍，COD為48 mg/L，懸浮物（SS）為23 mg/L、氨氮含量為8 mg/L，pH為7.4，可達到GB 4287—2012 規(guī)定的直排標準要求。

2.3 污泥處理

在竹材染色廢水處理過程中，通過絮凝沉降下來的污泥由污泥泵部分回流至組合式污水處理設(shè)備內(nèi)部，剩余污泥經(jīng)壓濾后打入污泥干化池，經(jīng)晾曬干化后定期進行抽排外運處理。污泥處理過程中，首先進行干化脫水處理，以防止造成二次污染。同時，污泥處理還可減少污泥中有機質(zhì)的含量，使污泥穩(wěn)定化；減少污泥體積，降低污泥后續(xù)處置費用。

根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，廢水處理后污泥的最終處置和利用的常用方法有直接農(nóng)用、堆肥、衛(wèi)生填埋、焚燒、干化、填海以及經(jīng)必要的處理后作建材利用等幾種途徑。竹材染色廢水處理后污泥主要成分為竹材內(nèi)含物，為有機高分子化合物，脫水干燥后可用做工廠鍋爐染料，可實現(xiàn)污泥的無害化處理。

3 染色廢水處理成本分析

竹材染色廢水處理成本主要包含固定投資成本及生產(chǎn)運行成本兩大部分。其中，固定設(shè)備材料投資成本包括土建基礎(chǔ)費用、工藝設(shè)備材料費、安裝工程費。生產(chǎn)運行費用主要包括設(shè)備用電費用、藥劑成本及人工成本。

3.1 固定投資成本

根據(jù)竹材染色廢水處理工藝流程，格柵井、調(diào)節(jié)池、污泥干化池及設(shè)備間需要土建完成。其工程土建投資估算如表2 所示，費用合計約3.00 萬元。工藝設(shè)備計價參考設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的設(shè)備基價計入；安裝工程按照全國統(tǒng)一安裝工程預(yù)算定額以及建筑安裝工程間接費定額。工藝設(shè)備材料費用估算如表3 所示，合計費用約35.00 萬元。

表2 工程土建費用Tab.2 Civil engineering cost

表3 工程土建費用Tab.3 Civil engineering cost

由上述分析可知，竹材染色費水處理固定投資成本合計38.00 萬元。設(shè)備設(shè)計使用壽命20 年，每天處理廢水20 t，每年工作時間按340 d計算，設(shè)備折舊費用為2.80 元/t。

3.2 生產(chǎn)運行成本

竹材染色廢水處理設(shè)備運行成本主要包括用電成本、藥劑成本及人工成本三部分。用電成本:竹材染色廢水處理設(shè)備（污水提升泵、風機、污泥回流泵）的總裝機容量為4.1 kW，其中2 臺污水提升泵功率合計1.5 kW，運行時間按4 h/d計算，每天用電量為6 kW·h。風機和污泥回流泵功率合計2.6 kW，設(shè)備運行時間按8h/d計算，風機和污泥回流泵每天用電量為 20.8 kW·h。廢水處理系統(tǒng)合計運行用電量為26.8 kW·h。工業(yè)用電價格按1.0 元/ kW·h計算，設(shè)備每天處理水量按20 t計算，折算水處理用電成本為1.34 元/t。

廢水處理過程中使用的藥劑包括NaClO、PAC、硫酸和NaOH四種，根據(jù)廢水處理過程中的藥劑用量、廢水處理量及藥劑價格核算，材料成本如表4 所示。折算藥劑成本為0.394 元/t。

表4 染色廢水處理藥劑種類及價格Tab.4 The price and types of dyeing waste water treatment chemicals

此外，設(shè)備運行過程中，除日常的處理藥劑添加外，基本可實現(xiàn)自動運行。計劃安排工人1 人輔助完成藥劑添加工作。設(shè)備年工作日340 d，工人設(shè)備運行管理費用支出按10 000 元/a計算，由此計算每噸水所需人工費用：10 000÷340÷20=1.47 元/t。

綜合上述分析，竹材染色廢水處理成本＝2.80+1.34+0.394+1.47=6.004元/t。

4 結(jié)論

本研究總結(jié)了竹材染色廢水處理工藝，并對其處理成本進行分析，得出以下結(jié)論：

1）竹材染色廢水處理主體工藝流程：竹材染色廢水+人工格柵+調(diào)節(jié)池+鐵碳微電解裝置池+芬頓氧化裝置+絮凝沉淀壓濾+集水池+UASB反應(yīng)池+吹脫池+一級接觸氧化池+缺氧池+二級接觸氧化池+沉淀池+脫色池+出水。通過該工藝處理后水質(zhì)可達到國家標準規(guī)定的直排水要求。

2）廢水處理成本主要包含固定投資成本及生產(chǎn)運行成本。根據(jù)廢水處理工藝流程，核算確定固定投資成本為2.80 元/t，生產(chǎn)運行成本為3.204 元/t，合計成本為6.004 元/t。

3）木材與竹材同屬于天然生物高分子材料，竹材染色廢水處理工藝同樣可適用于木材染色廢水處理，如科技木生產(chǎn)企業(yè)的木材染色廢水處理。