清洁技术
印染废水脱色技术的研究进展
佚名
2021/9/15
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印染废水脱色技术的研究进展

印染废水具有很大的废水量,据不完全统计,我国印染废水每天的排放量约为300~400万吨[1]。由于化学浆料和染料的使用,造成印染废水可生化性差,具有很高的色度。大多数染料含有偶氮键、多聚芳香族有机化合物,难降解性的有毒物质化学性质稳定,有的染料还具有“三致”(致癌、致畸、致突变)作用。色度成为印染废水的主要控制指标,采取一定的方法将染料降解使印染废水得以脱色,成为印染废水处理的关键。常规的脱色方法中,物理化学法费用较高,并且容易造成二次污染;厌氧处理可能生成毒性更大更强的芳香胺;直接好氧处理对染料废水效果不理想。
印染废水因为成分比较复杂,并且色度较高,现在仍属于工业废水治理的难题。印染废水治理方法主要有:物理化学处理法,化学处理法以及生物处理法等。本文就以上三种方法存在问题和研究进展做简要概述[2]。

1 物理化学法
1.1 吸附法
吸附法是利用多孔性固体来吸附废水中污染物的方法。在印染废水中最有效最可靠的吸附剂是活性炭,但是商业用的活性炭比较昂贵,用以处理废水不经济。其他吸附剂如硅藻土、炉渣等可能产生大量的固体废物。吸附剂对染料有很大的选择性,并且受温度、接触时间及pH值的影响。国外有学者用桃花心木锯末焦化制成廉价吸附剂具有很高的处理效率,但是需要在酸性环境条件下处理[3]。国内有用改性膨润土和改性粉煤灰作吸附剂取得很好的效果,并且改性粉煤灰可以直接生产水泥,避免二次污染[4,5]。高效廉价的吸附剂成为吸附法研究的瓶颈。
1.2 超滤法
超滤法可以有效除去印染废水中粒径较大的染料分子,并且回收有用物质。G. Ciardelli[6]采用超滤法取得很好的出水水质,运行费用也比较低,平均每方印染废水的处理费用不到一欧元,有很广阔的市场前景。但是超滤法在我国用于纺织染料的回收利用尚处于实验室研究与中试阶段,超滤膜回收设备的投资和运行成本都较高,不能满足我国现阶段的实际情况。

2 化学处理法


印染废水具有很大的废水量,据不完全统计,我国印染废水每天的排放量约为300~400万吨[1]。由于化学浆料和染料的使用,造成印染废水可生化性差,具有很高的色度。大多数染料含有偶氮键、多聚芳香族有机化合物,难降解性的有毒物质化学性质稳定,有的染料还具有“三致”(致癌、致畸、致突变)作用。色度成为印染废水的主要控制指标,采取一定的方法将染料降解使印染废水得以脱色,成为印染废水处理的关键。常规的脱色方法中,物理化学法费用较高,并且容易造成二次污染;厌氧处理可能生成毒性更大更强的芳香胺;直接好氧处理对染料废水效果不理想。
印染废水因为成分比较复杂,并且色度较高,现在仍属于工业废水治理的难题。印染废水治理方法主要有:物理化学处理法,化学处理法以及生物处理法等。本文就以上三种方法存在问题和研究进展做简要概述[2]。

1 物理化学法
1.1 吸附法
吸附法是利用多孔性固体来吸附废水中污染物的方法。在印染废水中最有效最可靠的吸附剂是活性炭,但是商业用的活性炭比较昂贵,用以处理废水不经济。其他吸附剂如硅藻土、炉渣等可能产生大量的固体废物。吸附剂对染料有很大的选择性,并且受温度、接触时间及pH值的影响。国外有学者用桃花心木锯末焦化制成廉价吸附剂具有很高的处理效率,但是需要在酸性环境条件下处理[3]。国内有用改性膨润土和改性粉煤灰作吸附剂取得很好的效果,并且改性粉煤灰可以直接生产水泥,避免二次污染[4,5]。高效廉价的吸附剂成为吸附法研究的瓶颈。
1.2 超滤法
超滤法可以有效除去印染废水中粒径较大的染料分子,并且回收有用物质。G. Ciardelli[6]采用超滤法取得很好的出水水质,运行费用也比较低,平均每方印染废水的处理费用不到一欧元,有很广阔的市场前景。但是超滤法在我国用于纺织染料的回收利用尚处于实验室研究与中试阶段,超滤膜回收设备的投资和运行成本都较高,不能满足我国现阶段的实际情况。

2 化学处理法


化学处理法是利用化学反应的原理及方法来处理分离废水中的污染物,改变污染物的分子结构和化学性质,使其达到无害化。在印染废水的处理中常用的有电化学法,化学氧化法,絮凝沉淀法及光氧化法等。
2.1 电化学法
电化学法的原理有两种,电解池和原电池。电解池是利用废水中的电解质在直流电作用下发生化学反应。污染物在阳极被氧化,在阴极被还原,最终转化成无害成分除去。比较简单、有效,但是要消耗大量的电能。电解时,阳极可采用铁、铝等,产生Fe3+ 、Al3+等离子,可水解成为絮凝剂,达到更好的脱色效果。为了减少能耗,国内有学者将普通二维电极法中间加填料粒或其他电极材料,使其荷电为第三极,这样其有较大的面体比,缩小了离子间距,增加了传质效率,现在受到人们广泛的重视[7]。
内电解通常采用铁屑法和铁炭法,主要优点是无需通电,可节省能源,但是在其处理废水的过程中容易出现跑炭和铁炭板结现象,这样制约了该工艺的推广。同济大学的周荣丰等对此工艺进行改进,用铜代替炭,构成原电池,这样扩大了两极的电位差,电化学效率得以提高,可以更有效的去除色度[8,9]。
2.2 化学氧化法
化学氧化法是印染废水脱色处理的主要方法,且不容易产生二次污染物。常用的氧化剂O3和H2O2,近来有用Fentron试剂,都用强氧化性,脱色机理是将染料的发色基团打破或者破坏染料大分子的结构。这些氧化剂可以单独使用,但现在多组合使用,为提高处理效果节省氧化剂与UV结合,光氧化也是一种很有前景的印染废水脱色方法。 化学氧化法所用的试剂都比较昂贵,尽管是一种很有效的脱色方法,如果采用,成本太高。二氧化氯的氧化能力很强是HClO的9倍,即使很少的剂量也有很有效的效果,并且不受pH值的影响,并且能避免氯与水中的有机物结合成氯代物,即没有毒副作用。有资料显示进水色度300倍,反应一小时,脱色率能达到80%,对高色度的进水,适当加大剂量也能达到较好的脱色率[1,2]。
臭氧的脱色主要是将不饱和的发色基团分解,生成小分子的有机物,不仅能达到脱色的目的,也能有效地提高印染废水的生化性。单纯采用臭氧处理印染废水,处理效率可能不高。用H2O2也臭氧结合,两者反应产生氧自由基和OH自由基,可以使染料分子发生开环反应,达到除色效果。也有采用臭氧与超声波组合,超声波通过液体介质时,振动作用可使其中的分子键发生改变,同时也能加速臭氧的分解,产生大量的氧自由基,从而提高臭氧的利用率[10,11,12]。
2.3 湿空气氧化法


湿空气氧化法是利用溶解氧对污染物进行降解,首先将大分子污染物快速分解成小分子中间产物然后在慢慢氧化中间产物。香港大学采用此种方法处理印染废水,当温度达到523K,停留时间为2h,COD的去除效率达到60%左右,有效提高可生化性,同时大分子的断裂,达到脱色的目的。湿空气氧化法提提高反应速度,减少设备占地空间[13],但是需要将废水升温,要消耗大量的燃料。
2.4 光氧化法
光氧化法就是氧化剂与UV结合,紫外线利于氧化剂的分解和污染物的氧化,这样增强了氧化作用,以氯氧化为例,采用光后氧化能力可增强十倍,使得单纯用氯氧化法不能有效脱色的某些染料废水都能有效的除去。对大多数染料废水的脱色率达到90%。台湾有学者用H2O2与UV结合,处理初始浓度为40mg/L的Acid Blue 113(酸性蓝113)染料废水,H2O2试剂为46.53mM,pH为5.5,辅以紫外线催化,染料的脱色率达到95%以上[14]。
2.5 絮凝沉淀法
絮凝沉淀法是印染废水处理的重要方法,染料可使水显色,由于可溶性染料或带同种电荷疏水染料分子稳定存在于水中,脱色机理是在水中投加电解质,使染料失去稳定性,与絮凝剂形成胶体从水中沉淀出去,达到脱色的目的。絮凝沉淀法的发展方向是寻找高效廉价的絮凝剂。
用于印染废水处理工艺方面的絮凝剂主要有无机盐类絮凝剂,如铝盐和铁盐,高分子絮凝剂,如PAC(聚合氯化铝)和PAM(聚丙烯酰胺)。铁盐絮凝剂容易溶解形成密实的絮凝体,低温下也有很好的絮凝效果,对pH的适应范围较广,但铁盐具有一定的腐蚀性,对设备要求较高。铝盐絮凝剂使用较广泛,但无机铝盐多存在成本高,投入量大,在低温下处理效果不好,现在已经很少使用。聚合氯化铝由于性能好,对水质适应性强,目前被广泛使用。Vera Golob[15]用硫酸铝、硫酸铁和氯化铁制成混合絮凝剂,处理活性和酸性混合染料废水,在pH约为7的条件下,色度基本完全除去,并且废水的可生化性增加。
有机高分子絮凝剂对水中的胶粒有很强的吸附作用,离子型的絮凝剂对带电胶粒还起电中和和脱稳作用,有很好的处理效果。但由于有机高分子絮凝剂可能存在毒性,并且费用较高,使用不多。

3 生物处理法
生物处理法是利用环境中的微生物(主要是细菌)将废水中的有机物转变成无机物。就印染废水来说,微生物在适宜的条件下,通过吸附和生物降解,达到脱色的目的。生物处理法包括好氧法和厌氧法。由于化学浆料如PVA(聚乙烯醇)等和新型染料的大量使用,造成印染废水可生化性差,BOD/COD一般为0.2左右,并且有较高的色度[16]。采用传统好氧法处理,脱色率和COD的去除率都不高,出水很难达标排放[17]。国外有采用纯氧曝气,可提高脱色和有机物去除能力,但增加投资成本,也存在潜在威胁,如果混有大量烃类可能发生爆炸[2]。同样传统厌氧法也存在效率不高的缺陷。本文重点介绍几种改进工艺在印染废水脱色方面的应用。


3.1 SBR(间歇式活性污泥法)工艺
Ilgi Karapinar Kapdan[18] 采用SBR工艺染料废水,当进水染料浓度为60mgl-1,浓度为800mgl-1,两者的去除效率分别是95%和70%,其中脱色主要是在厌氧条件下发生的,实验也证明SBR工艺对染料的耐受能力很强,即使染料浓度为500mgl-1,对染料的去除率也能达到90%以上。清华大学用SBR工艺处理含有活性青绿蓝染料废水,也得出类似的结论,厌氧条件对染料的去除很有利,当形成生物膜处理效果更好,表明生物膜在染料废水的脱色很有前景[19]。
3.2 UASB(上流式厌氧污泥床)工艺
该工艺培育颗粒污泥是运行成败的关键。具有较好的吸附功能和容易沉降,在印染废水的处理上有较大的优势。van der Zee[20]等用UASB中的颗粒污泥处理偶氮染料,实验表明颗粒污泥能处理大多数的偶氮染料,能有效的对染料废水进行脱色,当颗粒污泥中加入适量的还原性物质如硫化物,可提高脱色能力,但是当出水暴露空气中能发生自氧化,色度有所增加。也有资料显示用UASB水解酸化之后再用生物接触氧化,色度和COD等指标能达到国家排放标准。
3.3 ABR(厌氧折流板)工艺
此工艺可使废水与微生物充分接触,容易形成颗粒污泥,对水质适应性强。国内有学者用此工艺处理PVA废水,进水COD为1200左右,PVA为300,经过30天的驯化培养,PVA和COD的去除率都达到80%左右[21],在处理印染废水有潜在的优势。
3.4 真菌处理
由于印染废水中的染料大多是芳香族化合物,好氧细菌对其降解能力有限,厌氧细菌将偶氮染料还原成芳香胺。国内有学者利用Coriolus versicolor(属白腐真菌)进行染料废水脱色,在保证适当的碳源和保持一定的通风,该菌丝球的漆酶产生量得以提高,漆酶可有效地将偶氮染料的偶氮键以N2形式释放,进而实现印染废水的脱色,脱色率达到90%以上,持续运行脱色能力没有下降,对多种染料均有很好的处理效果,对染料毒性耐受能力强,具有很大的应用潜力[22,23]。但真菌的降解速度比细菌快,目前尚没有成熟的工艺。
新型染料、浆料和助剂对进水COD的影响不大,但却极大的影响出水水质,造成印染废水可生化性差[24]。所以解决染料物质造成的问题,可使用低污染环保染料以降低印染废水的处理难度。但现在印染废水处理的关键在兼顾处理成本的基础上,研发新型处理技术和工艺。使新技术结合传统工艺,提高处理效率。采用膜集成技术对印染废水深度处理并加以回用,是现在发展的趋势,对于印染行业比较发达的我国,有着重大的意义。



印染废水具有很大的废水量,据不完全统计,我国印染废水每天的排放量约为300~400万吨[1]。由于化学浆料和染料的使用,造成印染废水可生化性差,具有很高的色度。大多数染料含有偶氮键、多聚芳香族有机化合物,难降解性的有毒物质化学性质稳定,有的染料还具有“三致”(致癌、致畸、致突变)作用。色度成为印染废水的主要控制指标,采取一定的方法将染料降解使印染废水得以脱色,成为印染废水处理的关键。常规的脱色方法中,物理化学法费用较高,并且容易造成二次污染;厌氧处理可能生成毒性更大更强的芳香胺;直接好氧处理对染料废水效果不理想。
印染废水因为成分比较复杂,并且色度较高,现在仍属于工业废水治理的难题。印染废水治理方法主要有:物理化学处理法,化学处理法以及生物处理法等。本文就以上三种方法存在问题和研究进展做简要概述[2]。

1 物理化学法
1.1 吸附法
吸附法是利用多孔性固体来吸附废水中污染物的方法。在印染废水中最有效最可靠的吸附剂是活性炭,但是商业用的活性炭比较昂贵,用以处理废水不经济。其他吸附剂如硅藻土、炉渣等可能产生大量的固体废物。吸附剂对染料有很大的选择性,并且受温度、接触时间及pH值的影响。国外有学者用桃花心木锯末焦化制成廉价吸附剂具有很高的处理效率,但是需要在酸性环境条件下处理[3]。国内有用改性膨润土和改性粉煤灰作吸附剂取得很好的效果,并且改性粉煤灰可以直接生产水泥,避免二次污染[4,5]。高效廉价的吸附剂成为吸附法研究的瓶颈。
1.2 超滤法
超滤法可以有效除去印染废水中粒径较大的染料分子,并且回收有用物质。G. Ciardelli[6]采用超滤法取得很好的出水水质,运行费用也比较低,平均每方印染废水的处理费用不到一欧元,有很广阔的市场前景。但是超滤法在我国用于纺织染料的回收利用尚处于实验室研究与中试阶段,超滤膜回收设备的投资和运行成本都较高,不能满足我国现阶段的实际情况。

2 化学处理法
@=================@###page###@=================@ 化学处理法是利用化学反应的原理及方法来处理分离废水中的污染物,改变污染物的分子结构和化学性质,使其达到无害化。在印染废水的处理中常用的有电化学法,化学氧化法,絮凝沉淀法及光氧化法等。
2.1 电化学法
电化学法的原理有两种,电解池和原电池。电解池是利用废水中的电解质在直流电作用下发生化学反应。污染物在阳极被氧化,在阴极被还原,最终转化成无害成分除去。比较简单、有效,但是要消耗大量的电能。电解时,阳极可采用铁、铝等,产生Fe3+ 、Al3+等离子,可水解成为絮凝剂,达到更好的脱色效果。为了减少能耗,国内有学者将普通二维电极法中间加填料粒或其他电极材料,使其荷电为第三极,这样其有较大的面体比,缩小了离子间距,增加了传质效率,现在受到人们广泛的重视[7]。
内电解通常采用铁屑法和铁炭法,主要优点是无需通电,可节省能源,但是在其处理废水的过程中容易出现跑炭和铁炭板结现象,这样制约了该工艺的推广。同济大学的周荣丰等对此工艺进行改进,用铜代替炭,构成原电池,这样扩大了两极的电位差,电化学效率得以提高,可以更有效的去除色度[8,9]。
2.2 化学氧化法
化学氧化法是印染废水脱色处理的主要方法,且不容易产生二次污染物。常用的氧化剂O3和H2O2,近来有用Fentron试剂,都用强氧化性,脱色机理是将染料的发色基团打破或者破坏染料大分子的结构。这些氧化剂可以单独使用,但现在多组合使用,为提高处理效果节省氧化剂与UV结合,光氧化也是一种很有前景的印染废水脱色方法。 化学氧化法所用的试剂都比较昂贵,尽管是一种很有效的脱色方法,如果采用,成本太高。二氧化氯的氧化能力很强是HClO的9倍,即使很少的剂量也有很有效的效果,并且不受pH值的影响,并且能避免氯与水中的有机物结合成氯代物,即没有毒副作用。有资料显示进水色度300倍,反应一小时,脱色率能达到80%,对高色度的进水,适当加大剂量也能达到较好的脱色率[1,2]。
臭氧的脱色主要是将不饱和的发色基团分解,生成小分子的有机物,不仅能达到脱色的目的,也能有效地提高印染废水的生化性。单纯采用臭氧处理印染废水,处理效率可能不高。用H2O2也臭氧结合,两者反应产生氧自由基和OH自由基,可以使染料分子发生开环反应,达到除色效果。也有采用臭氧与超声波组合,超声波通过液体介质时,振动作用可使其中的分子键发生改变,同时也能加速臭氧的分解,产生大量的氧自由基,从而提高臭氧的利用率[10,11,12]。
2.3 湿空气氧化法
@=================@###page###@=================@ 湿空气氧化法是利用溶解氧对污染物进行降解,首先将大分子污染物快速分解成小分子中间产物然后在慢慢氧化中间产物。香港大学采用此种方法处理印染废水,当温度达到523K,停留时间为2h,COD的去除效率达到60%左右,有效提高可生化性,同时大分子的断裂,达到脱色的目的。湿空气氧化法提提高反应速度,减少设备占地空间[13],但是需要将废水升温,要消耗大量的燃料。
2.4 光氧化法
光氧化法就是氧化剂与UV结合,紫外线利于氧化剂的分解和污染物的氧化,这样增强了氧化作用,以氯氧化为例,采用光后氧化能力可增强十倍,使得单纯用氯氧化法不能有效脱色的某些染料废水都能有效的除去。对大多数染料废水的脱色率达到90%。台湾有学者用H2O2与UV结合,处理初始浓度为40mg/L的Acid Blue 113(酸性蓝113)染料废水,H2O2试剂为46.53mM,pH为5.5,辅以紫外线催化,染料的脱色率达到95%以上[14]。
2.5 絮凝沉淀法
絮凝沉淀法是印染废水处理的重要方法,染料可使水显色,由于可溶性染料或带同种电荷疏水染料分子稳定存在于水中,脱色机理是在水中投加电解质,使染料失去稳定性,与絮凝剂形成胶体从水中沉淀出去,达到脱色的目的。絮凝沉淀法的发展方向是寻找高效廉价的絮凝剂。
用于印染废水处理工艺方面的絮凝剂主要有无机盐类絮凝剂,如铝盐和铁盐,高分子絮凝剂,如PAC(聚合氯化铝)和PAM(聚丙烯酰胺)。铁盐絮凝剂容易溶解形成密实的絮凝体,低温下也有很好的絮凝效果,对pH的适应范围较广,但铁盐具有一定的腐蚀性,对设备要求较高。铝盐絮凝剂使用较广泛,但无机铝盐多存在成本高,投入量大,在低温下处理效果不好,现在已经很少使用。聚合氯化铝由于性能好,对水质适应性强,目前被广泛使用。Vera Golob[15]用硫酸铝、硫酸铁和氯化铁制成混合絮凝剂,处理活性和酸性混合染料废水,在pH约为7的条件下,色度基本完全除去,并且废水的可生化性增加。
有机高分子絮凝剂对水中的胶粒有很强的吸附作用,离子型的絮凝剂对带电胶粒还起电中和和脱稳作用,有很好的处理效果。但由于有机高分子絮凝剂可能存在毒性,并且费用较高,使用不多。

3 生物处理法
生物处理法是利用环境中的微生物(主要是细菌)将废水中的有机物转变成无机物。就印染废水来说,微生物在适宜的条件下,通过吸附和生物降解,达到脱色的目的。生物处理法包括好氧法和厌氧法。由于化学浆料如PVA(聚乙烯醇)等和新型染料的大量使用,造成印染废水可生化性差,BOD/COD一般为0.2左右,并且有较高的色度[16]。采用传统好氧法处理,脱色率和COD的去除率都不高,出水很难达标排放[17]。国外有采用纯氧曝气,可提高脱色和有机物去除能力,但增加投资成本,也存在潜在威胁,如果混有大量烃类可能发生爆炸[2]。同样传统厌氧法也存在效率不高的缺陷。本文重点介绍几种改进工艺在印染废水脱色方面的应用。
@=================@###page###@=================@ 3.1 SBR(间歇式活性污泥法)工艺
Ilgi Karapinar Kapdan[18] 采用SBR工艺染料废水,当进水染料浓度为60mgl-1,浓度为800mgl-1,两者的去除效率分别是95%和70%,其中脱色主要是在厌氧条件下发生的,实验也证明SBR工艺对染料的耐受能力很强,即使染料浓度为500mgl-1,对染料的去除率也能达到90%以上。清华大学用SBR工艺处理含有活性青绿蓝染料废水,也得出类似的结论,厌氧条件对染料的去除很有利,当形成生物膜处理效果更好,表明生物膜在染料废水的脱色很有前景[19]。
3.2 UASB(上流式厌氧污泥床)工艺
该工艺培育颗粒污泥是运行成败的关键。具有较好的吸附功能和容易沉降,在印染废水的处理上有较大的优势。van der Zee[20]等用UASB中的颗粒污泥处理偶氮染料,实验表明颗粒污泥能处理大多数的偶氮染料,能有效的对染料废水进行脱色,当颗粒污泥中加入适量的还原性物质如硫化物,可提高脱色能力,但是当出水暴露空气中能发生自氧化,色度有所增加。也有资料显示用UASB水解酸化之后再用生物接触氧化,色度和COD等指标能达到国家排放标准。
3.3 ABR(厌氧折流板)工艺
此工艺可使废水与微生物充分接触,容易形成颗粒污泥,对水质适应性强。国内有学者用此工艺处理PVA废水,进水COD为1200左右,PVA为300,经过30天的驯化培养,PVA和COD的去除率都达到80%左右[21],在处理印染废水有潜在的优势。
3.4 真菌处理
由于印染废水中的染料大多是芳香族化合物,好氧细菌对其降解能力有限,厌氧细菌将偶氮染料还原成芳香胺。国内有学者利用Coriolus versicolor(属白腐真菌)进行染料废水脱色,在保证适当的碳源和保持一定的通风,该菌丝球的漆酶产生量得以提高,漆酶可有效地将偶氮染料的偶氮键以N2形式释放,进而实现印染废水的脱色,脱色率达到90%以上,持续运行脱色能力没有下降,对多种染料均有很好的处理效果,对染料毒性耐受能力强,具有很大的应用潜力[22,23]。但真菌的降解速度比细菌快,目前尚没有成熟的工艺。
新型染料、浆料和助剂对进水COD的影响不大,但却极大的影响出水水质,造成印染废水可生化性差[24]。所以解决染料物质造成的问题,可使用低污染环保染料以降低印染废水的处理难度。但现在印染废水处理的关键在兼顾处理成本的基础上,研发新型处理技术和工艺。使新技术结合传统工艺,提高处理效率。采用膜集成技术对印染废水深度处理并加以回用,是现在发展的趋势,对于印染行业比较发达的我国,有着重大的意义。



              

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