印染工业能源与资源的综合治理与利用

（合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥 230002）

印染工业在现代服装、日用品、涂料等领域十分重要，但大量使用染料和助剂，工艺流程中没有上染的染料和部分助剂流入废水［1］，使印染工业能耗较高，污染排放量较大，制约其进一步发展。近年来，较多学者致力于研究化学、物理、生物法治理不同的废液废气，在节能减排方面已取得显著效果。

1 废水治理进展

印染工业废水含有机物、重金属离子，大量排放会使周边一定范围内的水源pH 异常、水中有机物含量剧增或水源富营养化。根据印染工序，废水可分为退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花、整理、碱减量等类型废水［2］，不同类型废水的可生化性、污染程度不同，需要不同的治理方法。

1.1 化学方法

常见的化学方法有絮凝法、高级氧化法、化学沉淀法等，化学方法常作为预处理法去除废水中的杂质、大分子，也可用于处理最后流程的废水，即深度处理［3］。絮凝法指向工业废水中加入絮凝剂，利用物理或化学作用使原本不易沉淀的微小污染物颗粒凝聚成较大颗粒沉淀，便于分离。絮凝机理有压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕［4］。电化学高级氧化工艺通过产生活泼性强的自由基，与废水中的有机物发生加成、取代、电子转移等反应使污染物矿化，降解为二氧化碳、水和无机盐，或转化为便于生物降解的小分子物质［5］。高级氧化技术反应快、效果好，还可以促进生化法的降解［6］。催化臭氧化在处理工业废水方面有很强的实用性。中试实验表明，含MAc 的催化剂可促进O3在水中的链式反应，产生更多的羟基自由基，提高去除难降解有机物的能力，并通过吸附有机物产生吸附-氧化-解吸附协同效应，提高对有机物的去除能力［7］。化学沉淀法常用于沉淀重金属离子，通常以碱金属氢氧化物为沉淀剂，如可用氢氧化钠、氢氧化钙沉淀污水中的铜离子。但化学沉淀法存在很多缺陷，如在水体中产生大量铜污泥，需要再处理；此外，当废水中的铜以化合物形式存在时，化学沉淀法很难达到理想效果［8］。混凝法主要使用无机或有机高分子混凝剂，使残存在废水中的染料以胶体或悬浮状态沉淀，主要包括混凝沉淀法、混凝气浮法［9］。张恩等［10］制备功能性纳米Fe3O4材料，在与PAC 共同处理印染废水时，以矾花核心的形式存在，产生异相成核作用，强化絮凝体的密实度，缩短矾花形成、聚集及沉淀时间，增强PAC 对印染废水的处理效果。电解法处理污水常针对金属离子，即利用阴阳极金属板上发生的电化学反应达到目的，同时还能在阴极收集金属泥产物。电解法的原料易得，如辛建宗等［11］利用铁碳微电解方法处理青蓝储备液。Fenton 氧化法利用双氧水在Fe2+和Fe3+的催化作用下产生活性很强的·OH，以其强氧化性降解水体中的污染物［8］。但由于Fe2+反应利用率较低，有学者研究制备Fe/EDTA 体系处理废水［12］。

目前，多数学者在化学处理法领域研究的方向是寻找新型化学试剂，尤其在寻找沉淀效果更好的絮凝剂、混凝剂方面研究较深入，但在化学-物理-生物联合治理污水方面的研究报道较少。

1.2 物理吸附法

物理吸附法是指利用活性炭粉末、离子交换纤维、炉灰和植物废料［13］等多孔材料，通过物理作用吸附固液两相界面处液相中固体颗粒的方法。活性炭粉末细小多孔、比表面积大，随着活性炭粉末粒径减小，比表面积越大，吸附能力越强，但与水的分离能力越差。研究发现，对活性炭进行改性可以有效提高吸附能力。丁春生等［14］用微波对活性炭进行改性，改性后的活性炭对亚甲基蓝染料的吸附量大大增加。此外，等离子体改性是在真空或一定大气压下放电产生等离子体与活性炭表面进行碰撞，从而改变活性炭的理化性质，如增加活性炭的含氧、含氮官能团［15］，操作简单、高效，属于环境友好型改性技术［16］。使用活性炭粉末吸附的缺点是用量过大，单一使用活性炭粉末物理吸附效果较差。刘鲁建等［17］研究发现膜分离法与活性炭粉末吸附组合工艺具有较好的吸附效果。还有学者以明胶/蒙脱土复合体系［18］为吸附剂进行废水处理，具有良好的应用前景。

1.3 离子交换法

离子交换法是指利用交换剂与水体中的离子交换并分离的方法，是一种固-液分离方法。离子交换通过交换剂中离子与溶液中离子总量等电荷互换去除目标离子［19］。其中，磁性阴离子交换树脂是一类在树脂骨架中具有无机磁性材料的离子交换树脂［20］，其结构粒度小、比表面积大，含有的磁性物质相当于单个弱磁体，有助于吸附水中带负电荷的污染物［21］，该类树脂已被用于饮用水净化处理。研究表明，磁性阴离子树脂主要用来去除电负性的芳香有机物。印染生化出水的电负性有机物含量较高，磁性阴离子交换树脂具有一定的应用潜力［22］。

1.4 生物法

生物法是使用微生物对目标污染物进行吸附、氧化、还原和降解的方法，可以分为好氧法、好氧-厌氧联合法和厌氧法［23］。生物法的优势在于能利用多种细菌和微生物代替化学药品，相比化学法、物理法，对环境影响较小。邹海燕等［24］利用生枝动胶菌、蜡状芽孢杆菌、酵母菌等处理含亚铁废水。研究表明，微生物能提高印染废水中的亚铁脱色率。

1.5 联合法

在实际工业生产过程中，单一处理技术往往难以满足标准需求［25］，所以常采用联合法对废水进行预处理或深度处理，如微电解-电解法、化学沉淀-电芬顿法、电沉淀-混凝法等。有学者表示，利用不同工艺流程及设备对污水进行综合深度处理，效果显著提升，如吴叶等［26］利用气浮-水解酸化-好氧工艺处理印染废水，在约35 ℃的水温条件下达到标准。

2 废气治理进展

印染工业除了排放废水外，还有大量废气需要处理达标后排放。废气主要来源于印染定形机［27］。由于气液两态的物理和化学性质差异，废气处理与废液处理在处理方式和技术难点上存在较多区别。

2.1 废气来源

印染工业的废气主要来自印染前处理、染色处理、后整理等。印染前处理细分为烧毛、煮漂、丝光、预定形等工序；染色处理分为染色、皂洗、水洗、烘干等工序；后整理分为抓毛、磨毛、整理、定形。其中，印染前处理的烧毛环节产生含有氮氧化物和二氧化硫的细小颗粒污染物，预定形环节会产生大量的矿物油雾；染色处理的烘干工序会促使大量未挥发的化学药品挥发从而产生废气［28］。

2.2 治理技术研究进展

目前工业生产中治理印染废气最有效、最成熟的技术手段就是针对定形机进行废气净化。定形机废气温度高，有一定的黏稠性、膨胀性、边界层等［29］。刘晓盛等［30］采用“气/气热交换-喷淋洗涤-静电除尘-活性炭吸附”四级处理技术解决单一传统技术的缺陷，既能降低安全隐患，又能提高废气治理效率。此外，采用冷却高压一体化处理工艺可弥补湿法静电技术存在二次污染的不足［1］。

3 过剩热能回收与利用

3.1 过剩热能来源

印染工业中有大量热能随着废水和废气排放耗散至空气，产生过剩能源，尤其是烘干工序，耗能可达整条生产线的30%以上。据报道，治理与利用能源的主要方向是改变生产设备的结构，通过复合、变形、改变工艺流程［31-32］等方式降低能量耗散，回收余热转为工艺热源进行再生产。

3.2 回收与利用方案

以将烘干机排气热量转化为工艺蒸气为目的，将喷射器与两级开式吸收式热泵相结合。李化淼［33］提出了一种全新的喷射-吸收复合式热泵，与传统吸收式热泵相比，复合式热泵在保证能量回收率的前提下大幅增强能量的升温幅度。盛峰等［34］制备了直接换热器和蒸气压缩式热泵主机复合的复合型热泵，实现能量的梯级利用，减少㶲损。

4 结语

在印染工业的能源与资源综合治理中，对废气、废水的资源回收利用技术研究较多，工业化生产实用性较强，但仍无法完全满足各种生产工艺和生产规模，能源利用方面还存在较多瓶颈，如热能的回收利用率较低、电能消耗量较大等。相关文献显示，在能源利用问题上，改变设备优于调整工艺流程，原因可能是工艺流程与产物品质有直接关系。