迈向零排放的印染厂

摘译自美国(AATCC评论》陈颖  译  谢峥  校

 

0前言

纺织品加工需要消耗大量的水，一个标准的染厂每天需要耗用数千至数万立方米水。染整加工中，水主要作为染料和助剂化学品的载体。从环保角度出发，未吸附到纱线和织物上的化学品在排放前要先行处理。

世界各地已经实施各种排放标准，这些标准中涵盖了悬浮固体(ss)、生物需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODcr)和排放物中各种化学品的限量等各种参数。

染整加工由很多用水的步骤组成。例如，一个标准的棉针织物染色工艺包括前处理、染色和后处理三个工序。前处理中，精练和漂白用于去除纤维表面的油脂和蜡质等杂质，并赋予织物一定的白度。在棉纱染整加工中可能需要去除织物上浆料(淀粉浆或PVA浆)的退浆工序或提高织物性能(如光泽和染料亲和力)的丝光工序。随后织物用活性染料染色，并进行水洗，以去除其表面未固着的染料。最后，后处理工序包括整理，主要是改善纺织品的美观、耐久性和舒适性。表1列出了棉针织物染色加工各工序的耗水量。

该工艺中，每千克棉织物最多消耗了约185L水。表2列示的各种纤维针织物染整加工耗水量中，棉是耗水量最多的，而聚酯由于前处理工艺较简单，吸水量少，且分散染料在聚酯上的固色率高，因此其耗水量是最少的。

现在总体的发展趋势是提高染整厂水的利用率。公众和管理部门要求染厂减少废水排放量和新鲜水取用量的呼声日益高涨，最终可能要求零排放量。这就意味着所有的工艺用水都要进行处理并回用。本文介绍如何应用节水的染色设备和对废水处理厂进行设计，以回用工艺水来实现这一目标。

1减少染色设备的耗水量

纱线和织物可用不同的染色设备进行染色，表3是不同染色设备的标准浴比。喷射染色机和气流染色机因合适的浴比而受到关注。

1．1织物循环

喷射染色机、气流染色机和传统的绞盘绳状染色机的主要区别在于织物循环方式的不同。绞盘绳状染色机中，绞盘带动染液和织物循环。喷射染色机中，染液由喷嘴喷出，并带动织物循环(图1a)，通常在3min内织物在染机内完成一次循环。

如果提高喷射速度，可缩短循环时间，但需注意避免对精细织物的损伤。喷射染色机中l：5—1：12的浴比，较之传统染色机的效果好。

气流染色机中，依靠循环风机产生的气流来驱动织物(图1b)。织物在喷嘴处接受到的是雾化状的染液，因而染料的上染率较喷射染色机高。在该染色机中，水仅作为染料的溶剂，而非用于带动织物循环，因此可以实现1：2—1：5的染色浴比。气流染色机可用于精细织物染色，但不适用于厚重织物，主要是因为喷射力不足以驱动织物循环。

1．2水洗工艺

前处理和染色后的水洗和淋洗步骤要使用大量的水，以去除织物表面未固着的染料或化学品。间歇式水洗时，水在染缸中循环，要完成一次水洗，往往需要3个批次的水，这是由于水洗浴中染料和化学品浓度的增加会影响水洗效率。织物也可以进行连续式的淋洗，采用该淋洗方式时，由于织物表面直接接触到新鲜水，因而水洗效率高，同时水的消耗量较少。

2染厂废水的回用

染厂产生的废水进行一定的处理后可回用于生产，从而无需排放到江河中。表4列示了可回用水的水质要求。回用水的浊度和色度必须低；硬度也要控制好，以免沉积在织物上；某些化学品的浓度也不能超过限量值。例如，由于铁盐会使白色织物泛黄，并能催化漂白剂分解，因而其质量浓度不能超过0．1mg／kg。此外，在染色过程中，铁还能与某些染料形成络合物，而使染色物色泽暗淡。实际生产中，每个工厂、每种织物对水质的要求也各不相同。

2．1废水指标的测定

在设计染厂的废水处理工艺之前，要先测定废水的各项指标。可采用气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、离子色谱(IC)、电感耦合等离子体一质谱法(ICP—MS)、总有机碳(TOC)分析、紫外线／可见光谱(UV／Vis)、导电率和pH测定仪等。这些数据作为设计废水处理工艺时的基础输入信息。

一个标准的水质分析报告包含以下指标参数：固体含量(总溶解固体TDS，悬浮固体s5)，硬度(碳酸盐硬度，非碳酸盐硬度)，化学需氧量(重铬酸钾法，CODcr)，5日生化需氧量(BOD5)，pH值，浊度，溶解氧含量和各种离子的浓度(例如，K⁺，Na⁺，Ca ²⁺ ，Mg2+，Al3+，NH4+，Cl-，F-，S2-，SO42-，CO32-，HCO3-，PO43-)。

2．2处理工艺

印染厂废水处理通常采用以下方法：生物降解、混凝、吸附、深床过滤、超滤(UF)和反向渗透(MO)膜过滤，高级湿态氧化和离子交换由于成本原因而很少在染厂的废水处理中使用。图2是染厂常用的废水处理工艺流程。如果BOD5／CODcr大于0．4，常常先进行生化降解；如果CODcr超过1000mg／kg，在好氧处理前需要先进行厌氧处理，否则，单用好氧处理也可以。含氮或磷的染料，常在缺氧／厌氧的条件下进行脱色。

废水生物处理后是沉淀，以去除活性污泥，可加入絮凝剂以加速沉积到沉淀池底部。絮凝也可以去除部分残留的染料。

例如，聚氯化铝对去除活性染料非常有效。此时也可以加入脱色剂，通过电荷中和及桥接以更有效地去除染料。由于工业染色废水常含有不同的染料和助剂，絮凝剂和脱色剂要根据具体情况进行选择。处理工艺处方和工艺条件如搅拌速度和pH值需要进行优化。

为避免颗粒进入膜系统，沉淀池后面可安装多介质过滤器。根据所选择的填料，多介质过滤器可以用作为吸附柱。废水经多介质过滤器处理后，残留的小颗粒和大分子可经后续的超滤膜去除。生物降解、絮凝、吸附和超滤中未能除掉的无机盐可采用反渗透技术进行处理。在反渗透处理单元的上游加入阻垢剂，可以减少膜上的结垢。

废水处理厂产生的浓缩物，例如，沉淀池的沉积污泥，以及超滤和反渗透单元的截留物，可采用各种方法进行处理。主要有焚烧、填埋和蒸发。例如，反渗透处理后浓缩物中的水可通过多效蒸发器去除，然后用太阳能蒸发，完全干燥的盐以袋装处置。

2．3废水处理工艺的开发

对图2中的废水处理单元进行改进，可以降低成本。例如，商品染料会使生物处理时的微生物中毒，则可以在生物降解前先进行絮凝以降低其毒性，并可以提高染色废水的可生物降解性。如果空间有限，则可以用紧凑型的膜生物反应器来代替生物池。可用计算机模拟对各替代工艺进行评估。吸附柱和膜系统的小试和中试，可对模型的参数进行测定。

3案例分析

以日产量为4o吨的棉染色工厂为例，分析了采用的染色机和废水回用对环境和经济成本的影响。采用三种染色设备——溢流染色机、喷射染色机和气流染色机。表5是工厂的一些运行数据。溢流染色机、喷射染色机和气流染色机的染色浴比分别是1：10，1：5和1：4。每千克棉在这三种染色机中进行前处理、染色和后处理的用水量分别是100，60和5OL。

与表1中的用水量相比，染厂中水的消耗量大大减少。预计超滤和反渗透单元的回收率可达80％和60％。随着工艺条件的变化，这些数据也有相应的变动。处理1t废水，废水处理厂电力和化学品的运行成本分别是0．09美元和0．12美元。

表6是采用3种染色设备的用水数据。溢流染色机每天需要4000t新鲜水，远高于喷射染色机(2400t)和气流染色机(2000t)。Kazakevieiute等对喷射染色机和气流染色机的水、热能和化学品的消耗量进行分析比较，也发现后者的消耗量更少。如果采用此废水处理厂，那么48％的水可回用于染色工艺。对于溢流染色机、喷射染色机和气流染色机而言，每天新鲜水的消耗量可分别减少到2080，l248和1040t。假设每吨水的价格是0．32美元，那么采用这3种设备时新鲜水和废水处理的总成本分别是每天1506，903和753美元。图3(a)的敏感性分析(译注：敏感性分析法是指从众多不确定性因素中找出对投资项目经济效益指标有重要影响的敏感性因素，并分析、测算其对项目经济效益指标的影响程度和敏感性程度，进而判断项目承受风险能力的一种不确定性分析方法)表明，一旦新鲜水的价格超过0．44美元／吨，工艺用水的回用将会更加经济。这一结论表明，对于印染厂，工艺用水回用带来的经济性是非常吸引人的。图3(b)和图3(c)的电力(0．03美吨)和化学品(0．06美元／吨)成本数据也显示了相似的结论。

图4是一个废水处理厂开发的废水处理工艺流程示意，它强调了工艺开发过程中迭代的重要性。首先是废水指标的测定，随后根据经验或做尝试性的初步工艺方案设计，然后筛选化学品(实验室合成或购买)、小试和中试，在试验中获得沉淀池的色度去除效率、吸附速率常数、吸附容量和反渗透膜的扩散效率等参数。对一些替代工艺进行评估以确定最佳工艺。通常，还要进行其它的试验以获得一些补充数据，从而对设计方案进行改进。

4结论

在世界许多地区，水资源短缺加剧。公众对环境的关注，使得有关工业废水的排放法规日趋严格。传统的纺织印染厂要消耗大量的水。对于以废水零排放为终极目标的印染厂，引入新型的节水工艺非常必要。

减少水的消耗有两种途径：一是降低印染厂的用水量，由于约2／3的水用于染色阶段，因此可以采用染色浴比较小的喷射染色机或气流染色机；另一种是合理设计废水处理厂，对废水进行合适的处理，使其得以在染色工艺中循环使用或回用。随着新型废水处理用化学品、设备和工艺的推陈出新，印染厂废水零排放的目标一定会更经济地实现。