竹材染色废水处理工艺及成本分析∗

2021-05-06陈玉和马英才吴再兴陈章敏

林产工业 2021年4期

何盛陈玉和马英才吴再兴陈章敏

（1.国家林业和草原局竹子研究开发中心，国家林业和草原局竹家居工程技术研究中心，浙江省竹子高效加工重点实验室，浙江杭州 310012；2. 湖南九层台环境科技有限公司，湖南长沙 410205）

竹材染色是指染料与竹材发生化学或物理化学结合，赋予竹材坚牢色泽，是提高竹材表面质量，改善竹材视觉特性和提高竹制品附加值的重要手段[1-2]。目前，竹材染色技术在彩色刨切薄竹、竹质异色重组装饰材、竹工艺品等新型高附加值产品开发领域得到应用[2-8]。

竹材染色常用染料为酸性染料，为石油化工类合成产品[1,9]，属于可溶于水的阴离子染料。染料分子中含磺酸基、羧基等酸性基团，在酸性或中性染液中与材料结构中的氨基或酰氨基相结合而达到染色效果[10]。染色处理后的废液直接排放将对土壤及水体造成严重污染[11-13]。因此，为避免竹材染色废水对环境造成污染，必须对染色废水进行处理，达标后方可排放。

目前，针对竹材染色废水处理尚无成熟的处理工艺，大多参考纺织印染废水处理工艺进行[14-15]，如使用生物、化学絮凝-吸附及传统的氧化处理方法[16-18]。利用上述处理方法能较好地降低竹材染色废液中的色度及有机物含量。但由于竹材染色废水水质特点与印染废水不同，为获得良好的处理效果，同时更好地进行成本控制，本文结合竹材染色废水水质特点，合理选择竹材染色废水处理工艺，并对废水处理成本进行分析，以期为竹材染色废水处理提供解决方案。

1 竹材染色废水水质分析

竹材染色废水中除含有染色用染料外，还含有大量竹材内含物，如淀粉、糖类及木质素等有机物，导致竹材染色废水色度、化学需氧量（COD）较高，可生化性较差[19]。以酸性染料浸染竹束废水为例，在染液浓度0.5%，循环染色5 次后，废水中主要污染物的色度、COD、悬浮物（SS）、氨氮含量及酸碱度测试结果如表1所示。

表1 竹材染色废水水质及处理排放标准Tab. 1 Water quality and treatment discharge standard of bamboo dyeing waste water

参照GB 4287—2012《纺织染整工业水污染物排放标准》规定的处理后废水直接排放限值，竹材染色废水除pH符合排放标准外，其他污染物指标都远高于限值，为防止对受纳水体及周围环境造成污染，必须经有效处理达标后方可排放。

2 竹材染色废水处理工艺

污水处理工艺的选择直接关系到污水处理站的建设投资、运行成本的高低、污水站出水水质以及运行管理是否方便可靠等。根据工艺合理、运转高效、成本可控及达标排放原则，结合竹材染色废水有机物浓度高、色度重等特点，制定如下处理工艺。

2.1 前期预处理

如图1 所示，前期预处理选择“人工格栅+调节池 +铁碳微电解装置池+芬顿氧化装置+絮凝沉淀压滤”工艺。其中，人工格栅主要用于拦截大颗粒悬浮物和杂质；调节池主要用于均衡废水水质及水量；通过铁碳微电解装置可显著提高废水的可生化性，并降低废水的色度[20]；芬顿氧化装置主要用于去除难降解有机污染物并进一步降低色度[16]；絮凝沉淀主要是通过向系统中投加聚合氯化铝（PAC），使废水中颗粒较小的悬浮物絮凝成较大粒径的悬浮物后利用自身重力作用沉降[21]，通过压滤去除废水中悬浮物，降低悬浮物含量。

图1 竹材染色废水处理工艺流程图Fig. 1 Process flow chart of bamboo dyeing waste water treatment

2.2 主体工艺

经预处理后的废水，还不能达到直接排放标准，需通过生化处理过程进一步处理后才能达标排放。由于竹材染色废水中含有染料、竹材内含物等高分子化合物，其可生化性差，且有机物浓度高、色度重。因此在主体工艺中，首先将废水导入上流式厌氧污泥床（UASB）反应池，利用厌氧微生物的代谢作用，进行彻底的厌氧反应，把有机物转化为甲烷、硫化氢、一氧化碳等物质，进而降解水中的有机高分子化合物[22-23]；出水自流进入吹脱池，采用向池中曝气的方式，带出水中的硫化氢、甲烷等有害气体；出水再流入一级接触氧化池，利用好氧微生物的代谢作用，把废水中的有机污染物分解为二氧化碳、水等低能位小分子物质。同时，利用硝化菌的代谢作用，把氨氮转化为硝酸盐；出水自流进入缺氧池，利用反硝化菌的代谢作用，将硝酸盐转化为氮气稳定下来，进而除去废水中的氨氮[24]；出水自流进入二级接触氧化池，进一步除去废水中的有机物；出水自流进入沉淀池，利用重力的作用实现泥水分离；出水自流进入脱色池，在强氧化剂的作用下，进一步除去水中的色度，保证污水能够达标排放[25]。本方案采用上述“前期预处理+生化处理”相结合的处理工艺，保证处理出水水质稳定达到GB 4287—2012 的直排标准，见表2。同时遵循“运行成本低”的原则，降低运行成本，节省能耗。

利用上述主体工艺处理后，竹材染色废水中污染物可基本处理完成，达到直接排放标准。根据以上分析，确定该竹材染色废水处理的主体工艺流程为：

竹材染色废水+人工格栅+调节池+铁碳微电解装置池+芬顿氧化装置+絮凝沉淀压滤+集水池+UASB反应池+吹脱池+一级接触氧化池+缺氧池+二级接触氧化池+沉淀池+脱色池+出水。

参照上述工艺对表1 所述水质的竹材染色废水进行处理，处理后水质检测结果显示，色度为34 倍，COD为48 mg/L，悬浮物（SS）为23 mg/L、氨氮含量为8 mg/L，pH为7.4，可达到GB 4287—2012 规定的直排标准要求。

2.3 污泥处理

在竹材染色废水处理过程中，通过絮凝沉降下来的污泥由污泥泵部分回流至组合式污水处理设备内部，剩余污泥经压滤后打入污泥干化池，经晾晒干化后定期进行抽排外运处理。污泥处理过程中，首先进行干化脱水处理，以防止造成二次污染。同时，污泥处理还可减少污泥中有机质的含量，使污泥稳定化；减少污泥体积，降低污泥后续处置费用。

根据GB 50014—2006《室外排水设计规范》规定，废水处理后污泥的最终处置和利用的常用方法有直接农用、堆肥、卫生填埋、焚烧、干化、填海以及经必要的处理后作建材利用等几种途径。竹材染色废水处理后污泥主要成分为竹材内含物，为有机高分子化合物，脱水干燥后可用做工厂锅炉染料，可实现污泥的无害化处理。

3 染色废水处理成本分析

竹材染色废水处理成本主要包含固定投资成本及生产运行成本两大部分。其中，固定设备材料投资成本包括土建基础费用、工艺设备材料费、安装工程费。生产运行费用主要包括设备用电费用、药剂成本及人工成本。

3.1 固定投资成本

根据竹材染色废水处理工艺流程，格栅井、调节池、污泥干化池及设备间需要土建完成。其工程土建投资估算如表2 所示，费用合计约3.00 万元。工艺设备计价参考设备生产厂家提供的设备基价计入；安装工程按照全国统一安装工程预算定额以及建筑安装工程间接费定额。工艺设备材料费用估算如表3 所示，合计费用约35.00 万元。

表2 工程土建费用Tab.2 Civil engineering cost

表3 工程土建费用Tab.3 Civil engineering cost

由上述分析可知，竹材染色费水处理固定投资成本合计38.00 万元。设备设计使用寿命20 年，每天处理废水20 t，每年工作时间按340 d计算，设备折旧费用为2.80 元/t。

3.2 生产运行成本

竹材染色废水处理设备运行成本主要包括用电成本、药剂成本及人工成本三部分。用电成本:竹材染色废水处理设备（污水提升泵、风机、污泥回流泵）的总装机容量为4.1 kW，其中2 台污水提升泵功率合计1.5 kW，运行时间按4 h/d计算，每天用电量为6 kW·h。风机和污泥回流泵功率合计2.6 kW，设备运行时间按8h/d计算，风机和污泥回流泵每天用电量为 20.8 kW·h。废水处理系统合计运行用电量为26.8 kW·h。工业用电价格按1.0 元/ kW·h计算，设备每天处理水量按20 t计算，折算水处理用电成本为1.34 元/t。

废水处理过程中使用的药剂包括NaClO、PAC、硫酸和NaOH四种，根据废水处理过程中的药剂用量、废水处理量及药剂价格核算，材料成本如表4 所示。折算药剂成本为0.394 元/t。