沈彧彧

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

紡織工業(yè)是一個對能源、水消耗巨大的行業(yè)，與此同時，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。

預(yù)計到2050年，世界人口將增長約35%。人口的增長以及發(fā)展中國家持續(xù)的經(jīng)濟增長將會帶動紡織品生產(chǎn)和消費的大幅增長，而與此同時，紡織行業(yè)對能源、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)占中國制造業(yè)總能源使用總量的約4%，而美國則不到2%。與此同時，在眾多行業(yè)中，紡織工業(yè)對水的消耗量最大，同時其產(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，可能會造成嚴重的環(huán)境破壞。

中國是全球第一大紡織品出口國，占全球紡織與成衣出口40%。紡織與成衣工業(yè)是中國最大的制造業(yè)，約有2.4萬家企業(yè)。2015年，其總產(chǎn)值突破9萬億元。中國為全球最大的成衣生產(chǎn)國，紡織品產(chǎn)能為全球最大，包含棉花、人造纖維與絲。中國紡織工業(yè)2011年的總出口值超過5 000億元[1]。隨著人民生活水平的提升，國內(nèi)對高品質(zhì)紡織與服飾品的需求持續(xù)上升。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于紡織行業(yè)的能耗現(xiàn)狀也作了不同的研究。2002年，美國制造業(yè)普查數(shù)據(jù)顯示，美國紡織工業(yè)61%終端能耗來自燃料，39%終端能耗來自電力。而在終端能耗占比中，紡織工業(yè)的蒸汽與電機驅(qū)動系統(tǒng)（泵、風(fēng)機、壓縮空氣、材料搬運、材料加工等）比重最大，約為終端能耗的28%。此外，36%的能源損耗來自現(xiàn)場，其中電機驅(qū)動系統(tǒng)所占比重最大，為13%，其次是配送與鍋爐，分別占8%、7%。電機驅(qū)動系統(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可看出，材料加工用掉電機驅(qū)動系統(tǒng)最多能源，約占31%，其次是泵、壓縮空氣與風(fēng)機系統(tǒng)，分別是19%、15%、14%。從紡織工藝流程的角度來看，一個復(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，我國染料年產(chǎn)量保持在77萬～92萬t，約占世界總產(chǎn)量的2/3[2]。棉制品的印染耗水達300 L/kg，除少量蒸發(fā)外，大部分成為廢水。印染過程中，2%的纖維與10%～20%染料都進入排水中，印染廢水成分復(fù)雜，顏色深，化學(xué)需氧量（COD）濃度可達數(shù)千甚至上萬毫克每升，非常難以生化降解。由此可見，印染廢水是一種高強度的環(huán)境污染源，如不加處理而直接排放將對周圍水環(huán)境造成嚴重污染。

由于印染工業(yè)涉及許多有害化學(xué)藥品，這類廢水有機物含量高、色度深、成分雜、有害物質(zhì)含量高，對水體會造成嚴重危害，紡織印染廢水對環(huán)境和人類的危害引起了越來越多人的關(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，1級最輕微，5級最嚴重[3]。其依次為：一般污染物，如酸、堿、鹽、氧化劑，該類物質(zhì)相對無害；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、無機油、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、陽離子緩染劑和柔軟劑、有機金屬、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，通常會采用物理、化學(xué)或生物等方法來進行處理。一般而言，每種技術(shù)都有其優(yōu)點和局限性。因此，人們會根據(jù)實際情況，對污水進行預(yù)處理，然后采用一種或多種組合方式進行處理以達到最優(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、膜過濾等。吸附是在適當?shù)慕缑嫒芤褐惺占扇苄晕镔|(zhì)的過程。離子交換可用于去除廢水中的有害陰離子和陽離子。大多數(shù)用于廢水處理的離子交換樹脂是通過將有機化合物聚合成多孔的三維結(jié)構(gòu)而制成的合成樹脂[4]。過濾的定義是液體經(jīng)過多孔介質(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，對活性炭再生的需求，降低了它污水處理的效果。近年來，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)廢料都被研究用來對紡織污水進行處理。

1.2 離子交換

離子交換法在處理紡織工業(yè)廢水時，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離子，它可以有效去除陽離子（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。一旦離子樹脂的交換容量飽和，必須在回用前再生，并且使用有機溶劑回收廢離子交換樹脂的成本較高。同時，離子交換處理方法的優(yōu)點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 過濾

紡織廢水過濾技術(shù)包括微濾、超濾、納濾和反滲透。在這些過濾技術(shù)中，微濾具有更大的孔徑，所以是最經(jīng)濟的。因此，在采用納濾或反滲透法做進一步處理前，微濾通常被用來做預(yù)處理以達到紡織染色所需的回用標準。過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，如只能小批量處理廢水、過濾膜使用成本高、需要使用高壓才能使廢水通過過濾膜。此外，過濾膜孔會頻繁堵塞，造成其使用壽命較短。因此，這種過濾方法需要經(jīng)常清洗和更換以保證能有效地去除有機染料。這些缺點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降解有機染料的方式。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，用于其生長和繁殖。最常見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，這種方法簡單且成本低廉。

固定/附著生長系統(tǒng)依賴于微生物固定或附著在生物膜表面上的能力，同時廢水在其上流動，而懸浮生長系統(tǒng)是指將微生物混合并懸浮在廢水中的系統(tǒng)。但是，這對處理紡織工業(yè)的原污水是無效的。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）、細菌、酵母和藻類。在有氧條件下，廢水中的微生物分泌的酶會破壞有機化合物。白腐真菌礦化有機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)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶。

2.1 需氧

大多數(shù)染料對有氧生物處理過程中的生物是有毒的，使用這種方法所產(chǎn)生的問題是污泥膨脹、污泥上升和絮狀物形成。據(jù)報道，有氧生物方法在紡織廢水處理中無效，因為對于染料，特別是偶氮染料沒有明顯的顏色去除效果[7]。需要考慮的問題是更長的水力停留時間，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度。同時，絮凝物形成是一個不利因素，因為絮凝物的形成有可能降低有機染料生物降解的效率。然而，它可能在其他處理過程中有用。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速率，這是直接導(dǎo)致產(chǎn)甲烷細菌生長緩慢的原因。因此，需要較長的馴化時間。然而，這種處理方法的優(yōu)點是甲烷氣體是從厭氧消化過程產(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，以達到排放標準。因此，廢水處理系統(tǒng)中的順序厭氧-需氧過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)/絮凝過程的原理是通過電荷中和，促進中和顆粒之間的碰撞，使膠體顆粒不穩(wěn)定，導(dǎo)致凝聚、絮凝生長和最終沉降，從而進行有效過濾[4]。然而，凝結(jié)和絮凝過程通常會產(chǎn)生有毒的污泥，處理和處置有毒污泥是一個衍生問題。因此，化學(xué)氧化方法引起了更多的關(guān)注，因為它不產(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氧化氫（H2O2）和臭氧（O3））或消耗能量（UV或超聲波）而無需微生物進行反應(yīng)。完全礦化的化學(xué)氧化是高級氧化工藝（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)物往往比原來的化合物具有更高的毒性。因此，有機污染物的快速礦化應(yīng)該是處理過程的目標，以盡量減少有毒中間產(chǎn)物的形成。這可以通過應(yīng)用組合的各種化學(xué)氧化方法或后常規(guī)處理方法來實現(xiàn)，以增強完全的礦化過程。

3.1 凝結(jié)和絮凝

由于用時短、操作簡單、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沉降、浮選和過濾來實現(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染料，因為其可以破壞不可生物降解的有機化合物，或者對微生物具有毒性或抑制其生長。通過AOP，強大的氧化劑如羥基（-OH）的生成能夠有效地將有機化合物礦化成二氧化碳、水和無機酸。然而，對于容易生物降解的有機污染物，生物處理過程應(yīng)該是首選的處理方法。只有有機物對生物處理過程是頑固的和穩(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)污水處理廠的目標是通過處理技術(shù)實現(xiàn)水質(zhì)不被污染或減少污染，通過紡織工業(yè)的污水處理設(shè)施來保證環(huán)境安全是目前被廣泛接受的方法。然而，并沒有哪一種處理方法是適合所有紡織廢水的。因此，對紡織廢水的處理必須要結(jié)合不同的處理技術(shù)。本文對印染廢水中染料的處理和減少污染負荷的方法進行了探討。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)生低無機污泥且運行成本低。但生物法處理后的紡織廢水仍然無法達到紡織廢水排放標準。因此，為了達到廢水排放標準，減少有毒或抑菌化合物對細菌的影響，需要將難處理的有機化合物和染料先用化學(xué)氧化或高級氧化的方法進行氧化，然后將其轉(zhuǎn)化為可生物降解的成分，之后再進行細菌處理。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)加強對組合方法的定量研究。此外，已經(jīng)有大量研究說明各種細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道甚少。因此，今后有必要開展相應(yīng)的研究對蒽醌類染料進行降解，從而為紡織廢水處理廠提供更多的解決方案。

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

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

3 章非娟.染料工業(yè)廢水處理的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].污染防治技術(shù)，1998，11（4）：250-253.

4 W W Eckenfelder，D L Ford，A J Englande.Industrial Water Quality，Catalyst for Wet Peroxide[M].New York：USA，2009.

5 V K Gupta，Suhas.Application of Low Cost Adsorbents for Dye Removal-A Review[J].Manage，2009，90（8）：2313-2342.

6 汪開明，馮海波，徐凱杰.雙膜法在印染廢水深度處理中的應(yīng)用[J].水處理技術(shù)，2013，39（8）：124-126.

7 W Somasiri，X F Li，W Q Ruan，etal.Evaluation of the Efficacy of up flow Anaerobic Sludge Blanket Reactor in Removal of Colour and Reduction of COD in Real Textile Wastewater[J].Bioresour Technol，2008，99（9）：3692-3699.

8 Z Ibrahim，M F Amin，A Yahya，etal.Characterisation of Microbial Flocs Formed from Raw Textile Wastewater in Aerobic Biofilm Reactor （ABR）[J].Water Science Technol，2009，60（3）：683-688.

9 張仲燕，施利毅.利用超細γ-Al2O3/CuO催化劑催化降解染料廢水的研究[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2000，22（3）：43-45.