无纺布在水处理中的应用研究进展

税永红

(成都纺织高等专科学校，四川 成都611731)

0 引言

无纺布也称“非织造布”、“不织布”，它是利用高聚物切片、短纤维或者长丝通过各种纤网成型方法和固结技术制成的新型纤维制品，是一种不需要经过纺纱和织布工序就能形成的织物。 生产工艺包括热轧粘合法、浸渍粘合法、针刺法、纺粘法、熔喷法等[1-2]，既可制成紧密型产品，又可制成膨松性的产品；既可加工成普通的薄型制品，又可加工成特殊需要的超厚型制品。 其纤维原材料主要包括涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET)、丙纶(聚丙烯，PP)、锦纶(聚酰胺，PA)、氯纶(聚氯乙烯，PVC)、腈纶(聚丙烯腈，PAN)、氨纶(聚氨基甲酸酯，PU)等。 由于无纺布具有比表面积大、孔径范围广、耐腐蚀、成本低且产量高等优点，在环保、建筑、医疗、服装、化工、矿业、汽车、航空航天工业等领域得到广泛应用，近年来在环保领域应用也越来越多[3-8]，被认为是21 世纪的朝阳产业[9]。 不同类型无纺布产品，不仅能过滤除去空气中的各种微粒、粉尘及异味，提供优质空气，还用于各种工业废水处理、生活污水处理及富营养水体的治理之中。

1 无纺布在工业废水处理中的应用

工业废水是造成环境污染，特别是水污染的重要原因之一。 2017 年我国工业用水总量1277 亿立方米，印染、石化焦化、电镀、工业循环水及垃圾填埋等是其中污染大户及重污染行业，无纺布在这些行业的工业废水处理过程中与传统工艺相组合都有应用。

1.1 印染废水

印染加工及染料生产会产生大量有色废水，是工业废水排放大户。 印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性大、水质变化大等特点，属难处理的工业废水。 无纺布在此类废水处理中主要通过过滤、吸附等作用对废水作预处理，较常用的是聚丙烯无纺布。

朱超华等用聚丙烯无纺布处理牛仔布染色废水，一方面通过无纺布在预处理工艺除去废水中的纤维及大颗粒杂质，另一方面从废水中回收靛蓝染料，从而减轻废水后处理负担[10]。 陈康等采用聚丙烯无纺布为载体制得CaAlg/PP 复合膜处理亮蓝染液，反复脱盐及用氯化钙交联后，仍能保持初始值90.6%的通量和98%的染料截留率[11]，从而提升了无纺布对印染废水处理能力。 由于无纺布孔径是影响印染废水处理效果的一个重要因素，为此研究者对不同孔径无纺布去除效果进行了相关研究。 叶萌等研究表明，由无纺布构建的动态膜生物反应器(DMBR)处理碱减量印染废水，小孔径无纺布膜基材比大孔径膜基材更容易形成动态膜，且形成的动态膜性能较大孔径好，对污染物的去除效果更好，对COD、UV254、色度和浊度的去除率分别为74% ～85%、74% ～79%、79% ～86%和96.8% ～98.6%[12]。 李素等构建的无纺布套筒式吸附装置处理pH 在3～7C.I.Acid Red 73 染料废水表明，当无纺布质量在4g ～8g 之间，处理时间在90 min ～120 min，去除率可达90%以上，吸附容量达到了88.43mg/g[13]。 此外，杨波等还研发了一种专用于印染废水处理的反应器，该反应器主体内两侧设有无纺布膜组件，无纺布膜组件与曝气系统、沉淀池及排泥系统共同构成结构简单、操作方便、运行费用低、处理效果好的处理装置[14]

1.2 石化、焦化废水

石化、焦化废水是一类含芳香族化合物与杂环化合物的典型废水，有机污染物以酚类化合物为主，占有机污染物的一半以上。 另外，还有多环芳香族化合物和含氮、氧、硫的杂环化合物等。 无机污染物主要以氢化物、硫氢化物、硫化物、氨盐等为主，属有毒有害高浓度有机废水，具有废水水量大、污染物成分复杂、水质水量波动大，处理难度大的特点。

黄霞等针对焦化废水高浓度难降解特点，采用聚丙烯无纺布与聚乙烯醇的复合载体固定包埋筛选的难降解有机物优势菌种，并对喹琳、异喹琳和吡啶进行降解试验，经8h 处理，3 种难降解有机物降解率均达90%以上[15]。 石顺存等以涤纶废丝作填料，采用生物接触氧化法对石油化工有机废水进行处理，填料接种浓缩活性污泥接触氧化塔内通空气闷曝32h 后，驯化第7 天丝束间挂满了垂丝状和蘑菇状的菌胶团，并栖生着许多有柄钟虫、盖纤虫、线虫、无柄钟虫等微型生物，废水以初始15L/h 通入COD1760mg/L 废水，逐日加大流量至80L/h，并控制溶解氧大于0.5mg/L，挂膜完成时出水COD小于150mg/L，出水清亮[16]。 方锐采用经壳聚糖改性的聚丙烯无纺布膜组件构建的A/O-MBR 工艺对中石油辽阳石化公司聚酯化纤厂综合废水进行处理，并与经PVDF 商品膜处理后的出水进行比较，在试验内，出水水质稳定，COD＜40 mg/L，NH4＋-N＜0.5 mg/L，TN ＜10 mg/L，浊度＜0.2 NTU[17]。此外，无纺布还被应用于对水面浮油的处理之中[18]。

1.3 重金属废水

重金属(如含镉、镍、汞、锌等)废水是对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水，其水质水量与生产工艺有关，废水中的重金属一般不能分解破坏，只能转移其存在位置和转变其物化形态降低其毒性。 无纺布处理废水中重金属，主要通过对无纺布进行改性，通过离子交换及吸附作用实现。

AOKI 等针对废水中铜、钙、铅等重金属离子，通过在PP-PE 无纺布上接入磷酸基官能团以去除[19]。 庞利娟等利用预辐射接枝对PE 无纺布进行改性得到季铵盐无纺布处理含铬废水，在较宽的pH 范围内，对Cr(VI)具有良好的去除效果，当pH＝3 时，无纺布对Cr(VI) 去除率达到最大值99.2%[20]。 徐晓等制备了聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)皮芯结构无纺布磺酸型吸附材料，通过对Cs＋的吸附性能进行研究，得到该磺酸型吸附材料在1 000 SV/h 的高流速下能快速去除Cs＋，最大吸附容量为1.35 mmol/g，pH＝4 ～10 时，吸附率稳定在90%左右，该值随pH 值的增加而降低的结论[21]。陈元维等采用聚丙烯纤维无纺布紫外光照，接枝丙烯酸合成用于处理重金属离子材料，得到获得高交换量无纺布螯合材料的关键因素，即采用平面小功率组合紫外光源与高纯度氮气，并在优化条件制得交换量为1mmol/g～7mmol/g(干基)的材料[22]。

1.4 其他工业废水

无纺布除了在以上工业废水处理中得到应用外，还有在以下工业废水及其他废水处理中得到应用。 任华等研究了无纺布与球形陶粒、碳酸钙矿石作为滤料对工业循环水中氨氮、亚硝酸盐、磷酸盐的处理效果对比，经过6 个月的运行，水中氨氮、亚硝酸盐、磷酸盐的含量最低组为无纺布滤料组[23]。徐光景等采用无纺布和玻璃钢支架制成无纺布生物转盘处理污泥消化液[24]，在进水NH4＋-N 和NO2--N 平均质量浓度分别为591.7 mg/L 和391.2mg/L 的情况下，去除率分别达到34%和47%，结果表明该工艺处理高氨氮废水具有可行性。 无纺土工布还是垃圾填埋场导排系统中重要的一部分，和它下部的导排砂石共同起到满足保土、透水和防淤堵的反滤作用[25]。 聚丙烯熔喷无纺布在过滤酸性和碱性液体、油漆时表现突出，被电池行业看做是良好的隔膜材料[26]。 连良清设计了一种采用离心方法的无纺布工业污水处理装置，提高了污水处理效率。

2 无纺布在生活污水处理中的应用

生活污水是居民日常生活中排出的废水，主要来源于居住建筑和公共建筑，如住宅、机关、学校、医院、商店、公共场所及工业企业卫生间等。 生活污水所含的污染物主要是有机物(如蛋白质、碳水化合物、脂肪、尿素、氨氮等) 和大量病原微生物(如寄生虫卵和肠道传染病毒等)。 存在于生活污水中的有机物极不稳定，容易腐化而产生恶臭，因而生物处理在生活污水处理中起着重要的作用。通过人工手段提高水中微生物量，形成良好的微型食物链，利用生物新陈代谢降解水中污染物，从而净化污水。 无纺布具有较好的保水性，适合作为生物填料，研究表明含水率8.7%的无纺布在空气中放置24h 后为5.02%，依然具有较高的含水率[27]，因而在生活污水处理中得到广泛应用。

袁少雄等采用厚0.2cm，比重0.028g/cm2的无纺布构建了容积为99.5L 的5 个无纺布填料组合单元，对经沉淀后的学生宿舍生活污水进行处理，研究表明处理系统15d 对总氮、硝 氮和总磷的净化效果较对比系统净化效果分别提高22.25%、62.88%和26.45%，对氨氮和可溶磷的净化效果差异不显箸[28]。

孟志国等人的研究表明，采用无纺布作为过滤材料应用于MBR 中的出水水质好，去除效果理想，并且表明无纺布过滤膜的出水水质与普通的微滤膜的差距很小[4]。 Ren 等人采用无纺布作为过滤膜处理生活污水，结果表明在重力流的作用下进行过滤的无纺布具有很好的分离效果，达到了操作费用低的效果[6]。 税永红等以无纺布为填料，辅以植物浮床构建无纺布植物浮反应器处理生活污水，一年的试验研究表明，无纺布植物反应器中无纺布在自然条件下经过34 d 挂膜成功，处理器对生活污水pH 变化具有较强的缓冲能力，CODMn、NH3-N去除率最高分别达83%和78%。 对比试验表明，悬挂无纺布生物膜填料的反应器(H 型)处理能力明显优于没有悬挂的反应器(N 型)，对CODMn和NH3-N 去除率H 型较N 型反应器提高了18%和12%[29]。

日本学者M.R.Alavi Moghaddam 采用多元酯无纺布处理污水，出水SS 浓度为16mg/L，总有机碳去除率达87%[30]。 英国学者Green G 对比了聚丙烯无纺布与聚砜膜作为MBR 反应器膜组件，研究表明两种膜组件对有机物与浊度的去除率均达到92%以上[31]，但聚丙烯无纺布价格却廉价得多。

薛念涛对不同孔径无纺布进行污水处理试验，研究表明无纺布孔径大小对出水浊度无明显影响[32]。 朱琳把无纺布作为膜替代品构建FSBR 反应器处理生活污水，与SBR 反应器相比较， COD、氨氮、TN、TP 的平均去除率分别提高5.61%、2.11%、5.04%、4.53%，是无纺布截留水中悬浮杂质，使出水效果好于SBR 反应器，无纺布表层形成的滤饼层具有动态膜功能，其中含有的生物相对水中污染物有一定的去除效果[33]。 唐云飞等采用无纺布负载平板作为水平流生物膜反应器(HFBR)的载体污水处理中试，当进水COD 为150 mg/L、氨氮为22mg/L 时，去除率分别为85.0%和99.5%，与聚乙烯平板相比，无纺布负载平板生物量明显高于聚乙烯平板[34]。

3 无纺布在富营养水体净化中的应用

我国水环境问题严重，2017 年中国生态环境状况公报显示，全国地表水1940 个水质断面(点位)中，劣Ⅴ类161 个，占8.3%；1617 个流域水质断面中，劣Ⅴ类136 个，占8.4%；112 个重要湖泊(水库)中，劣Ⅴ类12 个，占10.7%。 其中氮、磷是主要污染物，是水体富营养化的主要原因。 无纺布在富营养水体中的应用，主要利用其作为生物载体，为植物、微生物生长提供生存环境，通过生物的收获以去除水体中的营养盐，净化水质，通常表面结构复杂的无纺布填料对大分子和悬浮性有机物净化效果较好，且有利于自然复氧过程[35]。

丁伟林等采用糙纸和无纺布复合材质作为种植黑麦草基质和载体，黑麦草能有效地利用水体中的营养物质，作为自身生长所需的营养来源，从而不仅解决了水体中营养物质带来的富营养化问题，也解决了自身营养来源问题，达到了生态循环利用的目的[36]。

李骅等研究了普通无纺布(普纺)和精制无纺布(精纺)对富营养化河水总氮(TN)与总磷(TP)的处理效果，结果表明，两种无纺布材料处理效果均显著高于对照(污染自然降解)处理组，其中普通无纺布对 TN、 TP 的去除率为41.39% 与39.27%，精制无纺布对TN、 TP 的去除率为52.98%与68.68%[37]。

张玲玲分析了3 种不同固定方式的无纺布人工浮岛在应用中的优缺点，以及无纺布作为浮床材料的可行性和无纺布人工浮岛对水体的净化能力。结果表明：3 种无纺布浮床结构中，条状无纺布框架结构操作最简单且经济。 由于无纺布人工浮岛成本低、易操作，如果今后能为废弃无纺布的处置问题找到出路，无纺布人工浮岛在改善富营养化水体水质领域将会大面积推广使用[38]。

王晓晓等利用小型人工湿地对富营养化水体总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的影响进行了研究。 研究结果表明，相比对照来言，随着处理时间的延续，两种实验处理下富营养化水体中的TN、TP、COD 浓度均显著降低。 其中，精制无纺布材料对富营养化水体的TN、TP、COD 去除率分别52.62%、63.28%与48.28%，而小型人工湿地对富营养化水体的TN、TP、COD 去除率分别为65.34%、74.24%与58.01%，均显著高于对照处理。 整体上，植物与无纺布材料组成的小型人工湿地是较好的净化富营养化水体的组合，可用于富营养水体治理[39]。

此外，税永红等还研发了利用无纺布制作的一种功能强化型生态浮床应用于富营养水体的处理之中[40]。 林向阳采用无纺布对生物慢滤池进行改良，在滤料表面增加无纺布，应用于农村微污染水处理研究之中，结果表明，无纺布能够有效截留悬浮颗粒，浊度的去除效果与无纺布的厚度成正比关系，对生物慢滤池的滤料具有保护作用，并且能够增强滤池去污能力[41]。 张国炎以聚丙烯纤维混和天然纤维黄麻、废棉，开发应用于水土的公路护坡生态毯，得到棉、PP 和黄麻纤维分别单独成网，形成以棉为基层、PP 纤维中间层、黄麻叠加之上三层结构针刺无纺布，最利于护坡植被恢复[42]。

段文松等以聚丙烯无纺布铺设于U 形断面沟渠构建生态渠组合人工湿地处理污水，大大降低了人工湿地进水SS 含量[43]。 以无纺布作进水预处理，采用GAC 和ACF 以充填比9 ∶1的净水工艺，对微污染饮用水有很好的净化效果[44]。

4 结语

成本低产量高的无纺布作为水处理材料在工业废水、生活污水及富营养水体中已得到一定的应用，但仍处于起步阶段。 我国作为全球非织造产品最具驱动力的市场，占有世界46%的市场份额[45]。因此，随着水资源问题越来越突出，以及环保标准的提高，无纺布在水处理领域具有广阔的应用前景。 无纺布在水处理中的应用发展方向主要在以下两方面：一方面，无纺布作为水处理介质，宜采用具有较大比表面积及截面有较深纹理和沟槽的纤维为原料，使其具有更大的粒子捕集性能增强对废水的处理效果[46]，因而需要根据废水污染物性质对无纺布进行靶向改性，进一步提升无纺布在水处理应用中的优势与处理效果；另一方面，与传统污水处理技术相比较，集成了无纺布的联合工艺，其优势明显，因而需根据废水处理要求，研发相应的组合工艺，以降低成本提高处理效果。