印染工業(yè)能源與資源的綜合治理與利用

（合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230002）

印染工業(yè)在現(xiàn)代服裝、日用品、涂料等領(lǐng)域十分重要，但大量使用染料和助劑，工藝流程中沒有上染的染料和部分助劑流入廢水［1］，使印染工業(yè)能耗較高，污染排放量較大，制約其進(jìn)一步發(fā)展。近年來，較多學(xué)者致力于研究化學(xué)、物理、生物法治理不同的廢液廢氣，在節(jié)能減排方面已取得顯著效果。

1 廢水治理進(jìn)展

印染工業(yè)廢水含有機(jī)物、重金屬離子，大量排放會(huì)使周邊一定范圍內(nèi)的水源pH 異常、水中有機(jī)物含量劇增或水源富營養(yǎng)化。根據(jù)印染工序，廢水可分為退漿、煮練、漂白、絲光、染色、印花、整理、堿減量等類型廢水［2］，不同類型廢水的可生化性、污染程度不同，需要不同的治理方法。

1.1 化學(xué)方法

常見的化學(xué)方法有絮凝法、高級氧化法、化學(xué)沉淀法等，化學(xué)方法常作為預(yù)處理法去除廢水中的雜質(zhì)、大分子，也可用于處理最后流程的廢水，即深度處理［3］。絮凝法指向工業(yè)廢水中加入絮凝劑，利用物理或化學(xué)作用使原本不易沉淀的微小污染物顆粒凝聚成較大顆粒沉淀，便于分離。絮凝機(jī)理有壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、沉淀物網(wǎng)捕［4］。電化學(xué)高級氧化工藝通過產(chǎn)生活潑性強(qiáng)的自由基，與廢水中的有機(jī)物發(fā)生加成、取代、電子轉(zhuǎn)移等反應(yīng)使污染物礦化，降解為二氧化碳、水和無機(jī)鹽，或轉(zhuǎn)化為便于生物降解的小分子物質(zhì)［5］。高級氧化技術(shù)反應(yīng)快、效果好，還可以促進(jìn)生化法的降解［6］。催化臭氧化在處理工業(yè)廢水方面有很強(qiáng)的實(shí)用性。中試實(shí)驗(yàn)表明，含MAc 的催化劑可促進(jìn)O3在水中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生更多的羥基自由基，提高去除難降解有機(jī)物的能力，并通過吸附有機(jī)物產(chǎn)生吸附-氧化-解吸附協(xié)同效應(yīng)，提高對有機(jī)物的去除能力［7］?；瘜W(xué)沉淀法常用于沉淀重金屬離子，通常以堿金屬氫氧化物為沉淀劑，如可用氫氧化鈉、氫氧化鈣沉淀污水中的銅離子。但化學(xué)沉淀法存在很多缺陷，如在水體中產(chǎn)生大量銅污泥，需要再處理；此外，當(dāng)廢水中的銅以化合物形式存在時(shí)，化學(xué)沉淀法很難達(dá)到理想效果［8］?；炷ㄖ饕褂脽o機(jī)或有機(jī)高分子混凝劑，使殘存在廢水中的染料以膠體或懸浮狀態(tài)沉淀，主要包括混凝沉淀法、混凝氣浮法［9］。張恩等［10］制備功能性納米Fe3O4材料，在與PAC 共同處理印染廢水時(shí)，以礬花核心的形式存在，產(chǎn)生異相成核作用，強(qiáng)化絮凝體的密實(shí)度，縮短礬花形成、聚集及沉淀時(shí)間，增強(qiáng)PAC 對印染廢水的處理效果。電解法處理污水常針對金屬離子，即利用陰陽極金屬板上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到目的，同時(shí)還能在陰極收集金屬泥產(chǎn)物。電解法的原料易得，如辛建宗等［11］利用鐵碳微電解方法處理青藍(lán)儲(chǔ)備液。Fenton 氧化法利用雙氧水在Fe2+和Fe3+的催化作用下產(chǎn)生活性很強(qiáng)的·OH，以其強(qiáng)氧化性降解水體中的污染物［8］。但由于Fe2+反應(yīng)利用率較低，有學(xué)者研究制備Fe/EDTA 體系處理廢水［12］。

目前，多數(shù)學(xué)者在化學(xué)處理法領(lǐng)域研究的方向是尋找新型化學(xué)試劑，尤其在尋找沉淀效果更好的絮凝劑、混凝劑方面研究較深入，但在化學(xué)-物理-生物聯(lián)合治理污水方面的研究報(bào)道較少。

1.2 物理吸附法

物理吸附法是指利用活性炭粉末、離子交換纖維、爐灰和植物廢料［13］等多孔材料，通過物理作用吸附固液兩相界面處液相中固體顆粒的方法?；钚蕴糠勰┘?xì)小多孔、比表面積大，隨著活性炭粉末粒徑減小，比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)，但與水的分離能力越差。研究發(fā)現(xiàn)，對活性炭進(jìn)行改性可以有效提高吸附能力。丁春生等［14］用微波對活性炭進(jìn)行改性，改性后的活性炭對亞甲基藍(lán)染料的吸附量大大增加。此外，等離子體改性是在真空或一定大氣壓下放電產(chǎn)生等離子體與活性炭表面進(jìn)行碰撞，從而改變活性炭的理化性質(zhì)，如增加活性炭的含氧、含氮官能團(tuán)［15］，操作簡單、高效，屬于環(huán)境友好型改性技術(shù)［16］。使用活性炭粉末吸附的缺點(diǎn)是用量過大，單一使用活性炭粉末物理吸附效果較差。劉魯建等［17］研究發(fā)現(xiàn)膜分離法與活性炭粉末吸附組合工藝具有較好的吸附效果。還有學(xué)者以明膠/蒙脫土復(fù)合體系［18］為吸附劑進(jìn)行廢水處理，具有良好的應(yīng)用前景。

1.3 離子交換法

離子交換法是指利用交換劑與水體中的離子交換并分離的方法，是一種固-液分離方法。離子交換通過交換劑中離子與溶液中離子總量等電荷互換去除目標(biāo)離子［19］。其中，磁性陰離子交換樹脂是一類在樹脂骨架中具有無機(jī)磁性材料的離子交換樹脂［20］，其結(jié)構(gòu)粒度小、比表面積大，含有的磁性物質(zhì)相當(dāng)于單個(gè)弱磁體，有助于吸附水中帶負(fù)電荷的污染物［21］，該類樹脂已被用于飲用水凈化處理。研究表明，磁性陰離子樹脂主要用來去除電負(fù)性的芳香有機(jī)物。印染生化出水的電負(fù)性有機(jī)物含量較高，磁性陰離子交換樹脂具有一定的應(yīng)用潛力［22］。

1.4 生物法

生物法是使用微生物對目標(biāo)污染物進(jìn)行吸附、氧化、還原和降解的方法，可以分為好氧法、好氧-厭氧聯(lián)合法和厭氧法［23］。生物法的優(yōu)勢在于能利用多種細(xì)菌和微生物代替化學(xué)藥品，相比化學(xué)法、物理法，對環(huán)境影響較小。鄒海燕等［24］利用生枝動(dòng)膠菌、蠟狀芽孢桿菌、酵母菌等處理含亞鐵廢水。研究表明，微生物能提高印染廢水中的亞鐵脫色率。

1.5 聯(lián)合法

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，單一處理技術(shù)往往難以滿足標(biāo)準(zhǔn)需求［25］，所以常采用聯(lián)合法對廢水進(jìn)行預(yù)處理或深度處理，如微電解-電解法、化學(xué)沉淀-電芬頓法、電沉淀-混凝法等。有學(xué)者表示，利用不同工藝流程及設(shè)備對污水進(jìn)行綜合深度處理，效果顯著提升，如吳葉等［26］利用氣浮-水解酸化-好氧工藝處理印染廢水，在約35 ℃的水溫條件下達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2 廢氣治理進(jìn)展

印染工業(yè)除了排放廢水外，還有大量廢氣需要處理達(dá)標(biāo)后排放。廢氣主要來源于印染定形機(jī)［27］。由于氣液兩態(tài)的物理和化學(xué)性質(zhì)差異，廢氣處理與廢液處理在處理方式和技術(shù)難點(diǎn)上存在較多區(qū)別。

2.1 廢氣來源

印染工業(yè)的廢氣主要來自印染前處理、染色處理、后整理等。印染前處理細(xì)分為燒毛、煮漂、絲光、預(yù)定形等工序；染色處理分為染色、皂洗、水洗、烘干等工序；后整理分為抓毛、磨毛、整理、定形。其中，印染前處理的燒毛環(huán)節(jié)產(chǎn)生含有氮氧化物和二氧化硫的細(xì)小顆粒污染物，預(yù)定形環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量的礦物油霧；染色處理的烘干工序會(huì)促使大量未揮發(fā)的化學(xué)藥品揮發(fā)從而產(chǎn)生廢氣［28］。

2.2 治理技術(shù)研究進(jìn)展

目前工業(yè)生產(chǎn)中治理印染廢氣最有效、最成熟的技術(shù)手段就是針對定形機(jī)進(jìn)行廢氣凈化。定形機(jī)廢氣溫度高，有一定的黏稠性、膨脹性、邊界層等［29］。劉曉盛等［30］采用“氣/氣熱交換-噴淋洗滌-靜電除塵-活性炭吸附”四級處理技術(shù)解決單一傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，既能降低安全隱患，又能提高廢氣治理效率。此外，采用冷卻高壓一體化處理工藝可彌補(bǔ)濕法靜電技術(shù)存在二次污染的不足［1］。

3 過剩熱能回收與利用

3.1 過剩熱能來源

印染工業(yè)中有大量熱能隨著廢水和廢氣排放耗散至空氣，產(chǎn)生過剩能源，尤其是烘干工序，耗能可達(dá)整條生產(chǎn)線的30%以上。據(jù)報(bào)道，治理與利用能源的主要方向是改變生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，通過復(fù)合、變形、改變工藝流程［31-32］等方式降低能量耗散，回收余熱轉(zhuǎn)為工藝熱源進(jìn)行再生產(chǎn)。

3.2 回收與利用方案

以將烘干機(jī)排氣熱量轉(zhuǎn)化為工藝蒸氣為目的，將噴射器與兩級開式吸收式熱泵相結(jié)合。李化淼［33］提出了一種全新的噴射-吸收復(fù)合式熱泵，與傳統(tǒng)吸收式熱泵相比，復(fù)合式熱泵在保證能量回收率的前提下大幅增強(qiáng)能量的升溫幅度。盛峰等［34］制備了直接換熱器和蒸氣壓縮式熱泵主機(jī)復(fù)合的復(fù)合型熱泵，實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用，減少?損。

4 結(jié)語

在印染工業(yè)的能源與資源綜合治理中，對廢氣、廢水的資源回收利用技術(shù)研究較多，工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)用性較強(qiáng)，但仍無法完全滿足各種生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)規(guī)模，能源利用方面還存在較多瓶頸，如熱能的回收利用率較低、電能消耗量較大等。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，在能源利用問題上，改變設(shè)備優(yōu)于調(diào)整工藝流程，原因可能是工藝流程與產(chǎn)物品質(zhì)有直接關(guān)系。