纺织行业节能减排现状与主要废水处理技术综述

中国资源综合利用Vol.36，No.12018年1月综述纺织行业节能减排现状与主要废水处理技术综述沈彧彧（同济大学环境科学与工程学院，上海200092）摘要：本文介绍了纺织行业的节能减排现状。纺织行业对能源的消耗巨大，会产生大量废水。这类废水有机物含量高、色度深、成分杂、有害物质含量高，对水体会造成严重危害。目前，主要的废水处理技术有物理处理法、生物处理法、化学处理法三大类。然而，并没有哪一种处理方法是适合所有纺织废水的。因此，对纺织废水的处理必须要结合不同的处理技术。关键词：纺织行业；节能减排；废水；处理技术中图分类号：X322文献标识码：A文章编号：1008-9500(2018)01-0092-04CurrentStatusofEnergySavingandEmissionReductioninTextileIndustryandSummaryofMainWastewaterTreatmentTechnologiesShenYuyu（CollegeofEnvironmentalScienceandEngineeringofTongjiUniversity,Shanghai200092,China）Abstract:Thisarticledescribesthestatusofenergysavingandemissionreductioninthetextileindustry.Thetextileindustryconsumeshugeamountsofenergyandgeneratesalargeamountofwastewater.Suchwastewaterhashighcontentoforganicmatter,darkcolor,complexcomponentsandhighcontentofharmfulsubstances,whichwillcauseseriousharmtothewaterbody.Atpresent,themainwastewatertreatmenttechnologiesincludephysicaltreatment,biologicaltreatmentandchemicaltreatment.However,noparticulartreatmentmethodologyisappropriateoruniversallyadoptableforallkindsoftextileeffluents.Therefore,thetreatmentoftextilewastewatermustbecombinedwithdifferentprocessingtechnologies.Keywords:textileindustry;energysaving;wastewater;treatmenttechnology纺织工业是一个对能源、水消耗巨大的行业，与此同时，还产生大量废水和废气。除了二氧化碳之外，由于化石燃料的使用，燃烧过程中还产生氮氧化合物（NOx）、二氧化硫（SO2）和微小颗粒（PM）。节约能源与水，减轻废水、废气的排放是纺织行业环保生产的重要考量指标。预计到2050年，世界人口将增长约35%。人口的增长以及发展中国家持续的经济增长将会带动纺织品生产和消费的大幅增长，而与此同时，纺织行业对能源、水的需求量以及污水、二氧化碳的排放量也将大幅增加。虽然纺织业不是能源密集型行业，但纺织工厂数量众多，导致能源消耗量巨大。例如，2010年，纺织工业占中国制造业总能源使用总量的约4%，而美国则不到2%。与此同时，在众多行业中，纺织工业对水的消耗量最大，同时其产生的废水也是工业废水中最主要的组成部分。由于各种化学品应用在纺织工艺过程中，如预处理、染色、印花和整理等，纺织废水含有许多有毒化学物质，如果在排放到环境之前未经妥善处理，可能会造成严重的环境破坏。中国是全球第一大纺织品出口国，占全球纺织与成衣出口40%。纺织与成衣工业是中国最大的制造业，约有2.4万家企业。2015年，其总产值突破9万亿元。中国为全球最大的成衣生产国，纺织品产能为全球最大，包含棉花、人造纤维与丝。中国纺织工业2011年的总出口值超过5000亿元[1]。随着人民生活水平的提升，国内对高品质纺织与服饰品的需求持续上升。收稿日期：2017-11-09作者简介：沈彧彧（1989-），女，上海人，硕士研究生，主要从事纺织行业节能减排研究工作。中国资源综合利用Vol.36，No.12018年1月综述目前，国内外学者对于纺织行业的能耗现状也作了不同的研究。2002年，美国制造业普查数据显示，美国纺织工业61%终端能耗来自燃料，39%终端能耗来自电力。而在终端能耗占比中，纺织工业的蒸汽与电机驱动系统（泵、风机、压缩空气、材料搬运、材料加工等）比重最大，约为终端能耗的28%。此外，36%的能源损耗来自现场，其中电机驱动系统所占比重最大，为13%，其次是配送与锅炉，分别占8%、7%。电机驱动系统是纺织工业终端能源损失最主要的因素，而从不同工艺所用能耗的明细可看出，材料加工用掉电机驱动系统最多能源，约占31%，其次是泵、压缩空气与风机系统，分别是19%、15%、14%。从纺织工艺流程的角度来看，一个复合型纺织厂通常包含纺纱、织造、湿处理（制备、印染、整理）等多个环节。其中，纺纱是消耗电能最多的部分，约占41%，织造其次，约占18%。而湿处理制备，如脱浆、漂白、整理，则消耗约35%的热能。印染废水是纺织工业的主要污染源，不仅排放废水量大，而且污染物总量多。印染废水中的污染物质主要来自纤维材料、纺织用浆料和印染加工所使用的染料、化学药剂、表面活性剂和各类整理剂。从印染加工工艺来看，印染废水主要由退浆废水、煮练废水、漂白废水、丝光废水、染色废水和印花废水组成，具有高浓度、高色度、高pH值、难降解、多变化五大特征。目前，染料品种已近500种，我国染料年产量保持在77万～92万t，约占世界总产量的2/3[2]。棉制品的印染耗水达300L/kg，除少量蒸发外，大部分成为废水。印染过程中，2%的纤维与10%～20%染料都进入排水中，印染废水成分复杂，颜色深，化学需氧量（COD）浓度可达数千甚至上万毫克每升，非常难以生化降解。由此可见，印染废水是一种高强度的环境污染源，如不加处理而直接排放将对周围水环境造成严重污染。由于印染工业涉及许多有害化学药品，这类废水有机物含量高、色度深、成分杂、有害物质含量高，对水体会造成严重危害，纺织印染废水对环境和人类的危害引起了越来越多人的关注。印染废水的危害程度依所含污染物的不同可分为5级，1级最轻微，5级最严重[3]。其依次为：一般污染物，如酸、碱、盐、氧化剂，该类物质相对无害；中等至高生化需氧量（BOD）但易生物降解污染物，如淀粉浆料、植物油、脂肪、蜡质、可被生物降解表面活性剂、低分子有机酸（甲酸、乙酸）、还原剂（硫化物、亚硝酸盐）；难以降解的染料和聚合物，如染料和荧光增白剂、绝大多数纤维及聚合物杂质、聚丙烯酸染料、合成高聚物整理剂、硅酮；中等BOD难以生物降解的污染物，如羊毛脂、聚乙烯醇浆料、淀粉醚和酯、无机油、难生物降解的表面活性剂、阴离子型和非离子型表面活性剂；BOD很小，但不能用传统生化法处理的污染物，如甲醛、N-甲基反应物、阳离子缓染剂和柔软剂、有机金属、络合物、重金属盐（铬、铜、汞、镉、锑）。印染废水中的偶氮染料能使生物致畸、致癌、致突变。其初步降解后的产物多为联苯胺等一些致癌的芳香类化合物，毒性都较大。在将纺织废水安全地排入水体前，通常会采用物理、化学或生物等方法来进行处理。一般而言，每种技术都有其优点和局限性。因此，人们会根据实际情况，对污水进行预处理，然后采用一种或多种组合方式进行处理以达到最优效果。1物理处理目前有多种物理处理方法，如吸附、离子交换、膜过滤等。吸附是在适当的界面溶液中收集可溶性物质的过程。离子交换可用于去除废水中的有害阴离子和阳离子。大多数用于废水处理的离子交换树脂是通过将有机化合物聚合成多孔的三维结构而制成的合成树脂[4]。过滤的定义是液体经过多孔介质，以去除悬浮物中的杂质。该方法通常在混凝、絮凝或生物废水处理后使用。1.1吸附吸附技术是一种在废水处理技术中具有很高潜力的平衡分离过程。商业上可利用的活性炭具有高吸附能力，能吸附不同染料。但是，这种吸附方法非常昂贵，对活性炭再生的需求，降低了它污水处理的效果。近年来，人们把注意力转移到使用低成本吸附材料上。一些生物废料，如棕榈灰、竹炭、农业废料都被研究用来对纺织污水进行处理。1.2离子交换离子交换法在处理纺织工业废水时，影响其去除效率的主要原因是不能有效去除某几种染料。离子交换只能用于去除废水中的有害阴离子和阳离子，它可以有效去除阳离子（碱性染料）和阴离子（酸性、直接和活性染料）。然而，其去除非离子染料（分散染料）的效果非常差。一旦离子树脂的交换容量饱和，中国资源综合利用Vol.36，No.12018年1月综述必须在回用前再生，并且使用有机溶剂回收废离子交换树脂的成本较高。同时，离子交换处理方法的优点包括成功再生后吸附剂能力的恢复，使用后的溶剂可以再利用以及有效去除可溶性染料。1.3过滤纺织废水过滤技术包括微滤、超滤、纳滤和反渗透。在这些过滤技术中，微滤具有更大的孔径，所以是最经济的。因此，在采用纳滤或反渗透法做进一步处理前，微滤通常被用来做预处理以达到纺织染色所需的回用标准。过滤法能快速有效地去除各种染料杂质[5]。但是，它也有一些缺点，如只能小批量处理废水、过滤膜使用成本高、需要使用高压才能使废水通过过滤膜。此外，过滤膜孔会频繁堵塞，造成其使用寿命较短。因此，这种过滤方法需要经常清洗和更换以保证能有效地去除有机染料。这些缺点限制了它作为一种可持续纺织废水处理分离系统的潜力[6]。2生物处理生物处理是一种在有氧或厌氧条件下使用微生物来降解有机染料的方式。微生物能够代谢生物降解物，从而转化为水、二氧化碳和能量，用于其生长和繁殖。最常见的生物处理方法是滴滤池和活性污泥法，与一些物理和化学方法相比，这种方法简单且成本低廉。固定/附着生长系统依赖于微生物固定或附着在生物膜表面上的能力，同时废水在其上流动，而悬浮生长系统是指将微生物混合并悬浮在废水中的系统。但是，这对处理纺织工业的原污水是无效的。由于纺织染料废水的生物降解性差，其往往需要预处理。例如，反应性偶氮染料通常具有低生物降解性指数（BOD5/COD＜0.1），表明这些染料对常规生物处理方法具有抗性。用于生物降解染料的微生物有真菌（特别是白腐真菌）、细菌、酵母和藻类。在有氧条件下，废水中的微生物分泌的酶会破坏有机化合物。白腐真菌矿化有机染料的能力归因于其高度氧化和非特异性木质素分解酶，包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。2.1需氧大多数染料对有氧生物处理过程中的生物是有毒的，使用这种方法所产生的问题是污泥膨胀、污泥上升和絮状物形成。据报道，有氧生物方法在纺织废水处理中无效，因为对于染料，特别是偶氮染料没有明显的颜色去除效果[7]。需要考虑的问题是更长的水力停留时间，因此通常需要较大的需氧罐。此外，曝气处理可能导致形成未知的氧化化合物，这增加了废水的颜色强度。同时，絮凝物形成是一个不利因素，因为絮凝物的形成有可能降低有机染料生物降解的效率。然而，它可能在其他处理过程中有用。研究表明，使用在需氧生物膜反应器系统中形成的微生物絮凝物来处理纺织废水，处理6d后COD和颜色的去除率分别为55%和70%，这证实了该系统在纺织废水处理中的潜在用途[8]。2.2厌氧/需氧-厌氧在厌氧条件下，微生物对染料的脱色将导致毒性更大的芳族胺化合物的生成。由于该方法仅仅是部分降解过程，厌氧处理作为废水处理的最后步骤是不够的。此外，微生物具有缓慢的生长速率，这是直接导致产甲烷细菌生长缓慢的原因。因此，需要较长的驯化时间。然而，这种处理方法的优点是甲烷气体是从厌氧消化过程产生的，可以用作可再生能源。在厌氧条件下产生的芳香胺可在有氧条件下矿化，以达到排放标准。因此，废水处理系统中的