染料廢水處理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展
伴隨染料生產(chǎn)和印染行業(yè)的發(fā)展，染料工業(yè)廢水的排放量也急劇增多，據(jù)調(diào)查中國(guó)每年約有1.6億立方米的染料廢水排放進(jìn)入水環(huán)境中。并且染料廢水具有色度大、有機(jī)污染物含量高、組分復(fù)雜、水質(zhì)變化和生物毒性大，以及難生化降解，并朝著抗光解、抗氧化的方向發(fā)展等特點(diǎn)，使處理染料廢水的難度進(jìn)一步加大。印染廢水含大量的有機(jī)污染物，排入水體將消耗溶解氧，破壞水生態(tài)平衡，危及魚類和其它水生生物的生存。沉于水底的有機(jī)物，會(huì)因厭氧分解而產(chǎn)生硫化氫等有害氣體，惡化環(huán)境。由于以上幾點(diǎn)，使其成為國(guó)內(nèi)外難處理的工業(yè)廢水之一，中國(guó)己將染料廢水的治理列為環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)。
染料廢水是指棉、毛、化纖等紡織產(chǎn)品在預(yù)處理、染色、印花和整理過程中所排放的各種廢水的總稱，并具有水量大、色度高、組份復(fù)雜的廢水，水質(zhì)變動(dòng)范圍大等特點(diǎn)。為了解決有機(jī)染料對(duì)環(huán)境的污染，人們采用了不同的方法與技術(shù)對(duì)染料廢水進(jìn)行了各種處理途徑的嘗試，其主要目的為：分離去除富集發(fā)色物質(zhì)，破壞發(fā)色物質(zhì)，以達(dá)到脫色和降解有機(jī)物的目的。
當(dāng)前有多種物理化學(xué)方法和生物方法均可用于染料廢水的脫色降解處理，國(guó)內(nèi)外常用于工業(yè)染料廢水處理的方法有：生物處理法、化學(xué)絮凝法、化學(xué)氧化法、吸附法和電化學(xué)法等方法。其他如膜分離技術(shù)、輻照技術(shù)等也正在推廣應(yīng)用。
在具體城市下水道和污水處理中，廢水首先在工廠作預(yù)處理，達(dá)到城市下水道排放標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行集中處理。廢水經(jīng)過預(yù)處理再排放可改善污水水質(zhì)，降低城市污水廠處理負(fù)荷，同時(shí)便于根據(jù)不同的廢水水質(zhì)采取不同的預(yù)處理手段。在對(duì)印染廢水進(jìn)行最終處理時(shí)，有機(jī)物的去除一般以生物法為主，對(duì)難于生物降解的印染廢水，采用厭氧(水解)好氧聯(lián)合處理較為合適，對(duì)易于生物降解的印染廢水，可采用一段生物處理。色度的去除，一般以物理化學(xué)方法為主，對(duì)于規(guī)模大、處理水平高的工廠，可采用電解、化學(xué)絮凝、臭氧氧化等工藝，對(duì)于小規(guī)模的工廠，可采用爐渣過濾。以下是國(guó)內(nèi)外具體印染廢水處理工藝概要。
(1)生物處理法
生物處理法主要通過生物菌體的絮凝作用、吸附作用和生物的降解作用對(duì)廢水中發(fā)色物質(zhì)予以分離和降解。生物的絮凝和吸附作用屬于物理過程，并不能使得染料分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)變化，而生物的降解作用則是利用微生物酶來氧化或還原染料分子，破壞其發(fā)色基團(tuán)和不飽和鍵，并通過一系列氧化、還原、水解、化合過程，將染料最終降解為簡(jiǎn)單無機(jī)物，或轉(zhuǎn)化成各種營(yíng)養(yǎng)物或原生質(zhì)。廢水中大部分有機(jī)物是可以生物降解的，即使是苯環(huán)結(jié)構(gòu)，也能被諾卡氏菌、環(huán)形小球菌分解，在輔酶HSCOA的作用下，苯環(huán)裂解，分解為有機(jī)酸，最終氧化為CO2和H2O。因此，自上世紀(jì)以來，由于生物處理法運(yùn)營(yíng)成本低，經(jīng)濟(jì)適用，在染料廢水處理中得到廣泛應(yīng)用。全世界80%以上的染料廢水仍以生物處理為主，其中好氧生物處理法占絕大多數(shù)。
生物處理法可分為好氧生物處理法和厭氧生物處理法。好氧處理法雖然對(duì)BOD的去除率較高，去除率可達(dá)80%，且運(yùn)行費(fèi)用較低。但對(duì)復(fù)雜大分子物質(zhì)降解效果較差，僅在50%左右。故對(duì)染料廢水色度和難降解有機(jī)物的去除率往往不太理想，尤其PVA等化學(xué)漿料、表面活性劑和坯布?jí)A減量技術(shù)的廣泛應(yīng)用，染料廢水CODcr可達(dá)3000mg·L－1，且可生化性明顯下降，BOD/CODcr一般低于0.2，僅單純采用好氧生物處理，其出水難以達(dá)標(biāo)。相對(duì)于好氧處理法而言，厭氧生物處理法在一定條件下能夠?qū)?fù)雜大分子物質(zhì)有明顯的降解效果，是一種很有發(fā)展前途的工業(yè)廢水處理方法。但厭氧法處理工業(yè)廢水經(jīng)常伴隨著腐臭味，且單獨(dú)運(yùn)用厭氧處理法處理染料廢水效果也不理想，仍難以達(dá)標(biāo)排放。因此，在當(dāng)前染料工業(yè)廢水生物處理裝置后，通常串聯(lián)物理化學(xué)處理(混凝沉淀或氣浮)裝置作進(jìn)一步處理。后續(xù)處理中?；谏鲜錾锾幚矸ù嬖诘木窒藓彤?dāng)前染料向抗光解抗生物氧化方向發(fā)展，探索生物處理工藝優(yōu)化組合和篩選具有強(qiáng)降解能力、高效絮凝活性的降解菌成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
(2)絮凝法
絮凝法是向廢水中加入一定物質(zhì)，通過物理或化學(xué)的作用，使原先溶于廢水中或呈細(xì)微懸浮狀態(tài)、不易沉降(或氣浮)、過濾的污染物集結(jié)成較大顆粒，以便與水分離的方法，從而使富集在廢水中的發(fā)色物質(zhì)分離、去除。絮凝法主要有混凝沉淀法和混凝氣浮法，采用的混凝劑可分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。無機(jī)混凝劑多半以鋁鹽和鐵鹽為主，常用的混凝劑包括石灰(Ca(OH)2)、硫酸鋁(Al2(SO4)3·14H2O)、氯化鐵(FeCl3)、硫酸亞鐵(FeSO4)、硫酸鐵(Fe2(SO4)3)等，以及無機(jī)高分子聚合物，如聚合氯化鋁，聚合硫酸鐵(PFS)、聚合硫酸鐵等。無機(jī)高分子聚合物混凝劑具有腐蝕性小、pH值范圍廣、混凝沉降性能好、脫水性能好和廢水處理效果好優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)混凝劑是指能夠發(fā)揮絮凝作用的天然或人工合成的有機(jī)高分子物質(zhì)，根據(jù)可離解基團(tuán)特性，可分為陰離子型(基團(tuán)—COOH、—SO3H、—OS3H等)、陽離子型(基團(tuán)—NH3OH、—NH2OH、—CONH3OH等)、兩性型(同時(shí)含有兩種基團(tuán))和非離子型(不能電離的非電解質(zhì))。在染料廢水中常用的有機(jī)高分子絮凝劑有：CG－A、DC－491、611陽離子型高分子絮凝劑，mPAM(甲叉基聚丙稀酰胺)等。較無機(jī)絮凝劑而言，具有脫色效果好、投藥劑量小、pH范圍寬、產(chǎn)生淤泥體積小等優(yōu)點(diǎn)。近年來，國(guó)外采用有機(jī)高分子混凝劑者日益增加，且有取代無機(jī)混凝劑之勢(shì)，但有機(jī)絮凝劑的價(jià)格高，影響其廣泛應(yīng)用。絮凝法常作為單獨(dú)處理或與生化處理相結(jié)合的預(yù)處理。
絮凝法對(duì)疏水性染料脫色效率很高，色度去除率可達(dá)92%以上，但對(duì)親水性染料的脫色效果低，CODcr去除率低。因此，絮凝法常與其它處理方法(如：生化處理法、過濾等)聯(lián)用，處理后出水：CODcr去除率為70%～80%，BOD5去除率為90%～96%，色度去除率可達(dá)70%以上。絮凝法被認(rèn)為是最有效、最經(jīng)濟(jì)的脫色技術(shù)之一，比生物處理方法還更經(jīng)濟(jì)，具有工程投資低、占地面積少、處理量大、對(duì)疏水性染料脫色效率很高等優(yōu)勢(shì)。但絮凝法具有：對(duì)親水性染料的脫色效果差、CODcr去除率低、處理時(shí)間長(zhǎng)、生成大量的泥渣且脫水處置困難等缺點(diǎn)，這是影響該方法廣泛應(yīng)用工程實(shí)踐的主要原因。因此，開發(fā)新型多功能高效絮凝劑和優(yōu)化應(yīng)用工藝是當(dāng)前此法研究的重點(diǎn)。
(3)化學(xué)氧化法
化學(xué)氧化法是借助氧化作用破壞染料的共扼體系或發(fā)色基團(tuán)是印染脫色處理的方法，是染料廢水脫色降解的主要方法之一。除常規(guī)的氯氧化法外，國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)主要集中在臭氧氧化、過氧化氫氧化、電解氧化和光氧化方面。但由于氯氧化法在脫色的同時(shí)，易產(chǎn)生小分子、危險(xiǎn)性更大的、引起動(dòng)物腫瘤、損壞神經(jīng)系統(tǒng)的三氯甲烷等有機(jī)鹵代物，現(xiàn)已極少使用；而過氧化氫法和光催化法雖具有效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但受處理成本和能耗的制約，離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有一定的距離。臭氧是良好的脫色氧化劑，對(duì)于含水溶性染料廢水如活性、直接、陽離子和酸性等染林其脫色率很高；對(duì)分散染料也有較好脫色效果；但對(duì)其他以懸浮狀態(tài)存在于廢水中的還原、硫化和涂料，脫色效果較差。臭氧氧化也可以與其他處理技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。如用FeSO4、Fe2(SO4)3、及FeCl3，凝聚后再用臭氧處理可提高脫色處理；臭氧加紫外輻射或同時(shí)進(jìn)行電離輻射也可提高氧化效率。由于臭氧氧化對(duì)染料品種適應(yīng)性廣、脫色效率高，同時(shí)O3在廢水中的還原產(chǎn)物以及過剩O3，能迅速在溶液和空氣中分解為O2，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此O3脫色技術(shù)具有一定的工業(yè)化應(yīng)用前景。目前臭氧氧化的主要缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)偏高，因此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于工業(yè)廢水處理的化學(xué)氧化法主要是臭氧氧化法。
(4)吸附法
吸附脫色的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是通過吸附的作用可將染料從水中去除，吸附過程保留了染料的結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)用于染料工業(yè)廢水處理的吸附劑主要有：活性炭，硅聚物、大孔樹脂等比表面積大的材料作為吸附劑去除染料色度均具有良好的效果，但因成本相對(duì)較高尚未廣泛推廣應(yīng)用；高嶺土、工業(yè)爐渣等低成本的材料作為吸附劑對(duì)染料廢水也具有一定的脫色作用，但目前還處于實(shí)驗(yàn)探索階段。
當(dāng)前工業(yè)化處理染料廢水的吸附法主要為活性炭吸附法?；钚蕴孔鳛橐环N優(yōu)良吸附劑早已廣泛應(yīng)用，至今仍是有色廢水的最好吸附劑?；钚蕴课椒▽?duì)去除水溶性有機(jī)物非常有效，對(duì)陽離子染料、直接染料、酸性染料、活性染料等水溶性染料具有較好的吸附性能，脫色率均在97%以上，CODcr的去除率為63%～95%。但活性碳吸附對(duì)高濃度、疏水性染料廢水處理表現(xiàn)出明顯的局限性，且由于活性炭使用成本較昂貴，單位廢水處理成本較高。因此，活性碳吸附法常結(jié)合其他方法一并使用，主要作廢水的預(yù)處理或深度處理。因此，當(dāng)前研制開發(fā)適用范圍寬、吸附效率高、再生容易、性能穩(wěn)定、處理成本低的吸附劑是這一技術(shù)方法未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。
(5)電化學(xué)法
電化學(xué)法是利用電極產(chǎn)生的氧化還原劑破壞染料分子結(jié)構(gòu)而使染料脫色降解的方法。電化學(xué)法主要分：電解法、電氣浮除法和微電池法。研究表明，電化學(xué)法是能有效處理染料廢水色度、CODcr、BOD和TSS的有效的染料廢水處理方法。電解法是采用石墨、鈦板等作極板，以NaCl、Na2SO4或水中原有鹽做導(dǎo)電介質(zhì)，對(duì)染料廢水電解，陽極產(chǎn)生O2或Cl2，陰極產(chǎn)生H2，利用電解過程中產(chǎn)生的新生態(tài)氧或NaClO的氧化作用及H2的還原作用破壞染料分子結(jié)構(gòu)而脫色；電氣浮除法是以Fe、Al為陽極，由電極反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+、Al3+水解產(chǎn)物形成絮凝，通過對(duì)染料分子的氧化還原及吸附作用而脫色，絮體因陰極產(chǎn)生的H2而上??；微電池法是將鑄鐵屑作為濾料，染料廢水浸沒或通過，利用Fe與廢水的電位差，產(chǎn)生電極效應(yīng)，電極反應(yīng)產(chǎn)生新生態(tài)的H較高的化學(xué)活性，能夠與染料廢水中的多種組分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，破壞染料的發(fā)色結(jié)構(gòu)。
電化學(xué)法處理染料廢水一般無需加入化學(xué)藥品，后處理簡(jiǎn)單，占地面積少，管理方便，被稱為清潔處理法。除陽離子染料外，電化學(xué)法對(duì)其它的染料廢水的脫色率均在90%以上。但在實(shí)際運(yùn)行中，單位電耗和電極材料使用量大，使其發(fā)展和廣泛應(yīng)用受到了限制。因此，研制強(qiáng)性能新型電極材料和高效電化學(xué)反應(yīng)工藝是該技術(shù)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵，也正是當(dāng)前對(duì)電化學(xué)法技術(shù)進(jìn)行改良的重要方向。
由于當(dāng)前應(yīng)用于實(shí)際染料廢水處理技術(shù)均難以在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面滿足染料企業(yè)的需要。因此許多環(huán)?？萍脊ぷ髡咧铝τ谛滦腿玖蠌U水處理技術(shù)的研究開發(fā)。近年來，研究較為活躍染料廢水處理新技術(shù)主要有：超臨界水氧化技術(shù)、高溫深度氧化技術(shù)、低溫等離子體化學(xué)技術(shù)、超聲波技術(shù)、萃取技術(shù)、光催化技術(shù)和fenton氧化技術(shù)等。
(1)超臨界水氧化技術(shù)
超臨界水氧化(SCWO)是指當(dāng)溫度、壓力高于水的臨界溫度(374℃)和臨界壓力(22.1Mpa)條件下水中有機(jī)物的氧化。由于超臨界水氣液相界面消失，飽和水與干飽和蒸汽的密度差將為零，成為一均相體系。在這種特有的狀態(tài)點(diǎn)(臨界點(diǎn))水中的有機(jī)物的氧化反應(yīng)速度極快，水中幾乎所有的有機(jī)物在幾秒至幾分鐘內(nèi)，與氧氣或空氣中的氧進(jìn)行徹底氧化、分解，分解率可達(dá)99.99%。
(2)低溫等離子體化學(xué)
等離子體是在特定條件下使氣(汽)體部分電離而產(chǎn)生的非凝聚體系，體系中離子、自由基、中性原子或分子等重粒子的溫度因接近或略高于室溫，所以稱這些等離子體為低溫等離子體。低溫等離子體具有足夠高能量的活性物質(zhì)，因而可以使反應(yīng)物分子激發(fā)、電離或斷鍵。
(3)超聲波技術(shù)
超聲波技術(shù)是指利用超聲輻射所產(chǎn)生的空化效應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)崩潰釋能，形成具有極端物化條件和含有高能量的“微反應(yīng)器”，并導(dǎo)致水分子裂解形成H2O2、·H、·OH，將溶解于水中的有機(jī)大分子化合物分解為環(huán)境可以接受的小分子化合物的廢水處理技術(shù)。超聲波處理廢水是一種有效的，能夠加快染料脫色和礦化速率的新技術(shù)。
(4)萃取技術(shù)
萃取技術(shù)主要是通過萃取劑和污染物分子絡(luò)合，或是水中的污染物在載體的作用下透過很薄的膜層進(jìn)入萃取內(nèi)相而凈化廢水的技術(shù)。萃取技術(shù)處理染料廢水實(shí)質(zhì)就是利用不溶或難溶于水的溶劑將染料分子從水中萃取出來。
(5)光催化降解技術(shù)
光催化氧化技術(shù)是利用半導(dǎo)體作為催化劑，在光照的條件下，在半導(dǎo)體價(jià)帶產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化性的空穴，將水中的OH－和H2O分子氧化成具有強(qiáng)氧化性的·OH自由基，通過·OH自由基將難降解的有機(jī)物氧化成為CO2和H2O。常用的催化劑有TiO2、H2O2、Fe(C2O4)3等無機(jī)試劑。光催化氧化技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一種新興技術(shù)，具有明顯的節(jié)能高效、污染物降解徹底等特點(diǎn)。
(6)Fenton氧化技術(shù)
Fenton氧化技術(shù)是以H2O2為主體的高級(jí)氧化技術(shù)，F(xiàn)enton試劑由Fe2+和H2O2組成。Fe2+與H2O2反應(yīng)生成的羥基自由基(·OH)具有很強(qiáng)的氧化性(僅次于氟)，且無選擇性，能夠氧化打破有機(jī)高分子共軛體系結(jié)構(gòu)，使持久性難降解染料有機(jī)物降解成為無色的有機(jī)小分子達(dá)到降解脫色的目的。
Fenton氧化技術(shù)操作具有過程簡(jiǎn)單、反應(yīng)物易得、費(fèi)用便宜、無須復(fù)雜設(shè)備且對(duì)環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn)，已被逐漸應(yīng)用于染料、防腐劑、顯相劑、農(nóng)藥等廢水處理工程中，具有很好的應(yīng)用前景和極大的推廣價(jià)值。但從現(xiàn)有研究成果看，F(xiàn)enton氧化技術(shù)尚存在氧化降解能力需要提高、污染物礦化速度偏慢、出水含有鐵離子等缺點(diǎn)；改善Fenton反應(yīng)羥基自由基(·OH)的產(chǎn)生機(jī)制和反應(yīng)條件，提高羥基自由基(·OH)生成率和利用率將是該技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
盡管用物理法、化學(xué)法和生化法作為基本處理單元處理某些染料廢水可以取得一定的處理效果。但迄今為止，染料廢水仍是較難治理的工業(yè)廢水之一，既要考慮處理技術(shù)的先進(jìn)性，又要考慮基建投資和運(yùn)行費(fèi)用等方面的可行性。因而促使染料廢水處理技術(shù)主要集中在以下四個(gè)方面：高效性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、清潔性。
