紗線筒染廢水的分質收集與處理試驗

操家順,周 明,李 超1,,方 芳1,,馬宏偉

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;3.河海大學水資源高效利用與工程安全國家研究中心,江蘇南京 210098)

紗線筒染廢水的分質收集與處理試驗

操家順1,2,3,周 明2,李 超1,2,方 芳1,2,馬宏偉2

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;3.河海大學水資源高效利用與工程安全國家研究中心,江蘇南京 210098)

以電導率為分質指標,對紗線筒染廢水進行“清濁分質”收集,并對收集到的輕廢水進行接觸氧化、超濾、反滲透處理；對重廢水進行水解酸化、接觸氧化、混凝沉淀處理,最后對輕廢水減緩膜污染方面進行優勢分析。結果表明：輕廢水經處理后,ρ(COD)＜17 mg/L、色度1倍、ρ(Fe3+)≤0.1 mg/L、ρ(Mn)=0.05～0.09 mg/L、硬度為50～80 mg/L,水質優于印染用水要求,并且能夠減緩膜系統污染速率；重廢水經處理后,ρ(COD)＜50 mg/L、ρ(NH3-N)=1.71～2.93 mg/L、色度小于50倍,滿足重點工業行業廢水排放要求；表明采用以電導率為指標的廢水分質收集與處理方法,自動化程度高、分質準確,有效緩解了后續處理負荷,減緩了膜污染,提高了廢水回用率。

紗線筒染廢水；電導率；分質收集；分類處理；再生利用

紗線筒染廢水是紡織染整廢水中的一種,具有堿性強、色度大、可生化性差等共性特點[1],一般處理方式為：集中排放后采用生物法、化學法和物理化學法或幾種方法的組合來進行處理[2-3]。這種收集與處理方式比較粗放,沒有針對具體的廢水水質特點進行有的放矢的收集與處理,且處理成本大,回用潛力低[4],同時生化二級出水仍然存在著色度、COD等指標不能穩定達標的問題[5-6]。

隨著國家對環境保護的重視、印染行業廢水排放標準的提高和企業取水定額的日益嚴格[7],印染廢水收集及處理方式亟待改變和升級。陳偉等[8]綜述了膜處理技術對印染工藝中不同工序廢水(如退漿廢水、洗毛廢水、染色廢水等)分質處理的效果。邱滔等[9]將印染廢水分為“退煮漂”廢水和染色廢水兩類,對于“退煮漂”廢水,采用水解酸化工藝提高廢水的可生化性;對染色廢水,先進行混凝脫色,最后將兩種出水混合進行好氧生化法處理。Tahri等[10]根據印染廢水不同階段排水污染程度不同,將前處理、染色和清洗排水中污染較重的部分從整個印染廢水中分離出來,然后對分離出的輕廢水和混合廢水進行微濾和納濾深度處理比較研究。Kurt等[11]將染深、淺色纖維的洗滌廢水劃分為9缸廢水,并對后7缸廢水分質收集,然后進行納濾和反滲透深度處理的比較研究。馬春燕等[12]對針織印染廢水進行清濁分流,將輕污染的印染漂洗水采用水解酸化好氧生化生物濾池陶粒過濾陶瓷膜過濾工藝進行處理并回用。賴冬麟等[13]通過對棉針織染整排水水質的統計分析,提出將前處理廢水中后兩道洗水與染色廢水中后三道洗水合稱為清廢水,其他染整廢水稱為濁廢水,并采用混凝臭氧氧化組合工藝對清廢水進行處理。

上述廢水分質收集方法僅僅局限在生產工藝界定上,事先人為界定每道工序排水等級,然后進行分質操作。這種方式沒有根據具體排水水質做出實時響應,分質操作繁瑣,分質準確度及效率不高。雖然在“清濁分質”收集的基礎上,開展了分類處理的研究,但沒有針對分質前后水質對后續處理工藝負荷及深度處理膜系統影響方面進行對比分析。

筆者以常州市某印染廠紗線筒染廢水為研究對象,通過分析各工序段廢水水質特征,提出實用的以排水電導率為分質指標的“清濁分質”方案,并對收集到的輕重廢水分別開展試驗研究：輕廢水深度處理后回用,重廢水常規處理后達標排放,最后對分質收集及處理措施進行優勢分析,旨在為同類企業染色廢水清濁分流、分類處理及回用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與工藝流程

輕廢水小試試驗處理裝置如圖1所示。接觸氧化池和沉淀池由有機玻璃制成,采用組合設計,接觸氧化池尺寸為150 mm×200 mm×700 mm,沉淀池尺寸為150 mm×150 mm×200 mm,其中超高均為0.1 m。接觸氧化池內置組合填料,采用塑料圓盤微孔曝氣器;超濾、反滲透裝置技術參數見表1和表2。

圖1 輕廢水小試試驗處理裝置

表1 超濾裝置技術參數

表2 反滲透裝置技術參數

1.2 試驗用水

為使試驗更具實際參考價值,本次試驗用水直接取自車間按電導率指標分質收集的輕、重廢水,具體試驗用水水質指標見表3。

1.3 試驗過程

試驗時間為2013年8—12月,分2個階段：①掛膜啟動階段;②試驗運行階段。掛膜啟動階段污泥取自相似企業廢水處理站反應池,直接接種污泥培養馴化,首先進行重廢水試驗的啟動,整個階段持續約35 d。然后進行輕廢水試驗的啟動,直接接種重廢水接觸氧化池內絮狀污泥,啟動周期較短,共一周。培養馴化結束后裝置投入試驗運行階段,通過改變水力停留時間(HRT)、DO濃度等不同運行條件,研究系統對污染物去除的效果。

1.4 監測指標及方法

COD、NH3-N、TN、色度、鐵離子、錳離子和總硬度均根據國家規定的標準方法[14]進行分析檢測,濁度采用WGZ-200B濁度計測定;電導率采用SHKY DDP-200型電導率儀測定。

各指標檢測頻率為試驗穩定后每天測1次。

2 試驗結果與討論

2.1 基于電導率的廢水“清濁分質”收集方法

典型紗線筒染工藝為：絡筒(倒角)、前處理、染色、后處理、成品。其中前處理、染色和后處理都是在以水為媒介的環境下操作的,每個工序都會排出一定量污染程度不同的廢水,這些廢水統稱紗線筒染廢水[15]。

由于紗線筒染廢水水質跟紗線纖維種類、所染色系、染料及助劑使用有很大關系,現結合企業生產實際對棉紗分別染深青色(深色系)和米色(淺色系)的具體水質進行分析。染色車間各工序段排放廢水水質跟蹤檢測結果分別見表4和表5。

根據具體水質指標檢測情況,染淺色系時各工序段排水都較染深色系排水污染程度輕,但兩者的共同特點為各工序段污染程度大小和相應電導率呈正相關關系,也即可以用電導率來間接反映水質的污染程度,以電導率為分質標準,通過和電磁閥聯用,實現廢水在線實時自動分質收集。因此,結合生產過程中具體操作流程及各工序段廢水排放量,確定分質收集方案為：電導率小于3 000 μS/cm時劃為輕廢水;電導率大于或等于3000μS/cm時劃為重廢水,通過兩套管路實現自動分質收集。

表3 試驗用水水質指標

表4 全棉紗線染深青色(深色系)排水水質

表5 全棉紗線染米色(淺色系)排水水質

2.2 輕廢水處理試驗

2.2.1 DO對去除效果的影響

為考察DO對輕廢水處理效果的影響,調整曝氣泵曝氣量使反應器內DO質量濃度分別為1.5 mg/L、2.5mg/L、3.5mg/L、4.5mg/L、5.5mg/L,每組試驗用時6d,設計進水流量為2.0L/h。不同DO質量濃度條件下輕廢水小試進出水水質變化見圖2。

由圖2可見,當DO質量濃度為1.5 mg/L時, COD、TN及色度去除率均較低,平均分別為55.9%、54.9%和51.1%。這是因為反應器內DO質量濃度較低,填料表面生物膜的活性受到抑制,對有機物和發色基團的生物降解性能不強。隨著DO質量濃度逐漸增大,COD、NH3-N、TN及色度去除效果逐漸增強,其中DO質量濃度為3.5 mg/L時, COD、TN和色度去除效果達到最佳,平均分別達到78.7%、67.0%和62.0%;DO質量濃度從1.5 mg/L增至3.5 mg/L的過程中,NH3-N去除率均處于較高的水平,平均為77.5%。但當DO質量濃度繼續增大到5.5 mg/L時,處理效果逐漸下降。可見,一定范圍內增大DO質量濃度,相應曝氣泵曝氣量增加,這樣不僅可以增強反應器內污染物質與填料生物膜的接觸幾率,同時加速填料表面生物膜的更新,提高反應器整體處理效率。但DO質量濃度進一步增大時,DO質量濃度已不是處理效果的制約因素,而由此形成的大的水力剪切力使得填料表面生物膜大范圍脫落[16],然后隨水流流失,導致反應器內生物濃度降低,反應器處理效率降低。

2.2.2 水力停留時間對去除效果的影響

為考察水力停留時間(HRT)對輕廢水處理效果的影響,調整進水流量,使得相應HRT分別為8 h、10 h、12 h、15 h、18 h,并調節曝氣量,維持DO質量濃度為3.5 mg/L左右,每組試驗用時7 d,為使數據穩定、可靠,取后6 d數據。不同HRT條件下輕廢水小試進出水水質變化見圖3。

由圖3可見,隨著HRT逐漸增大,COD、NH3-N、TN及色度去除效果逐漸增強,當HRT為15 h時, COD、NH3-N、TN及色度平均去除率分別為76.9%、77.8%、69.3%和66.1%,分別比HRT為8 h時高出6.1%、7.0%、18.0%和5.5%。HRT較短時,反應器內污染物質與填料內、外面生物膜接觸時間較短,污染物質沒有降解完全即被排出,處理效果欠佳,隨著HRT的延長,污染物質與生物膜接觸充分后得到了有效降解。但是,隨著HRT進一步增大,反應器處理效率增長放緩,甚至有降低趨勢。HRT的延長,使反應器內生物降解充分完成,而過長的HRT導致污泥停留時間延長,生物膜老化,活性降低,導致反應器處理效果下降[17],最明顯的反映在NH3-N和色度的去除效率方面。

圖2 不同DO質量濃度條件下輕廢水小試進出水水質變化

圖3 不同HRT條件下輕廢水小試進出水水質變化

2.2.3 深度處理效果

輕廢水經接觸氧化處理由二沉池沉淀,出水進入深度處理系統,超濾、反滲透深度處理系統設計產水率為50%。輕廢水深度處理系統出水水質見表6。

由表6可見,輕廢水處理系統出水pH呈中性偏堿,在6.5～8.5范圍內;色度、硬度、鐵離子和錳離子指標優于印染用水水質指標要求(印染生產用水水質要求中規定：硬度(以CaCO3計)小于150 mg/L,ρ(Fe3+)≤0.1 mg/L,ρ(Mn)≤0.1 mg/L),其中硬度指標遠遠低于150 mg/L,除不能用作溶解性染色化藥用水外,可用于其余全部生產。由于回用水是由印染廢水經深度處理后的水,除了印染用水要求的水質指標外,本系統出水還檢測了COD、濁度和電導率,檢測COD和濁度,可以直觀反映出系統處理效果,從而保障回用的安全可靠。電導率作為“清濁分質”的依據,其本身大小也間接反映了染色階段所添加的各種鹽類助劑的含量,而回用過程中鹽類還會累積,造成其含量增加,當鹽類含量過高時,會使染色織物產生“色差”,從而影響回用的效率。因此,對比印染用水水質要求可知,經過該系統處理,出水水質指標優于印染用水標準,能夠滿足回用要求。

2.3 重廢水處理效果

重廢水小試試驗處理系統中,系統設計進水流量為2.0 L/h,水解酸化池HRT為18 h,上升流速為1.5m/h;接觸氧化池DO質量濃度為3.5mg/L,HRT為12h,系統穩定運行36 d。物化混凝投加聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺,經燒杯試驗確定投量分別為80 mg/L、6mg/L,攪拌速率為300r/min,沉淀30min。

表6 輕廢水深度處理系統出水水質

系統最終出水ρ(COD)=36～48 mg/L、ρ(NH3-N)=1.71～2.82mg/L、色度為28～32倍,平均去除率分別為93.3%、77.6%和98.5%,滿足太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值。

2.4 分質收集與分類處理的優勢分析

對紗線筒染廢水進行分質收集,并對收集到的輕廢水和分質前的混合廢水開展深度處理對比研究,通過對超濾膜的通量變化、反滲透膜的跨膜壓差變化情況的分析,探討分質收集及分類處理措施對減輕后續處理工藝負荷、減緩膜系統污染速率,延長膜系統使用壽命方面的優勢。

2.4.1 超濾膜比通量變化對比分析

試驗中通過考察超濾膜比通量變化來表征超濾膜污染情況,超濾膜比通量變化用J/J0表示,其中J0為膜的初始通量,輕廢水和混合廢水的膜比通量變化情況見圖4。

圖4 輕廢水和混合廢水超濾膜膜比通量變化

由圖4可見,混合廢水膜比通量在運行的第一個小時內降低近10%,隨著運行時間的延長,其膜比通量呈現直線下降的趨勢,運行10 h時下降到0.6左右;反觀輕廢水膜比通量變化情況,其膜比通量變化趨勢較混合廢水的平緩,在運行10 h后還維持在0.8左右。這是由于紗線筒染混合廢水中含有大量的懸浮物和膠體物質,常規處理能力有限,這些懸浮物和膠體粒子沒有得到全部去除,在進入到超濾階段時,在膜表面生成濃差極化層,并且雜質進入膜孔隙并吸附在膜內部,減少了有效的膜孔密度和膜孔徑,從而造成膜通量的快速下降[18]。而分質收集的輕廢水,相比分質前的混合廢水,其懸浮物和膠體含量低,經過常規處理后,進入超濾膜的水相應懸浮物和膠體含量少,進而減輕對超濾膜系統的污染,能夠有效延緩超濾膜污染速率,延長使用壽命。

為更加直觀地反映超濾膜在兩種不同進水條件下的污染情況,分別取輕廢水和混合廢水運行10 d后的超濾膜絲進行電鏡掃描,結果見圖5。

圖5 超濾膜絲掃描電鏡結果

由圖5可見,輕廢水和混合廢水進水在膜過濾過程中,都形成濾餅層,但不同的是圖5(a)中膜絲表面較平坦、光滑;而圖5(b)中膜絲表面較粗糙,且厚度較大。這是由于兩種廢水中小分子物質不斷透過膜,大分子物質被截留并不斷濃縮,形成濃差極化現象(滯留層),隨著過濾的不斷進行,滯留層繼續增加形成濾餅層。但是由于混合廢水污染程度較輕廢水重,相應所含有的大分子物質及膠體量多,在膜系統過濾過程中,會快速地堵塞膜絲,導致污染更加嚴重。

2.4.2 反滲透跨膜壓差的對比分析

反滲透膜的運行效果受進水水質的影響很大,其中反滲透膜跨膜壓差(TMP)是反滲透裝置受污染程度的一個重要指標,TMP是指反滲透進水壓力和濃水壓力之間的差值。輕廢水和混合廢水反滲透膜跨膜壓差變化見圖6。

圖6 輕廢水和混合廢水反滲透膜跨膜壓差變化

由圖6可見,混合廢水出水作為反滲透進水的膜系統跨膜壓差增長幅度比輕廢水的跨膜壓差增長幅度要大。當系統運行到4 h時,混合廢水跨膜壓差已達11 kPa,比輕廢水跨膜壓差高出4 kPa;隨著系統繼續運行,兩者的差值逐漸增大,到16 h時,混合廢水的跨膜壓差比輕廢水高12 kPa,表明混合廢水對反滲透膜污染的影響更加嚴重。這是因為混合廢水出水相對于輕廢水出水水質差,隨著時間的推移,在膜表面由膠體顆粒、微生物以及溶解性有機物形成濾餅層的速度較快[19],所以跨膜壓差的增長速度較快,反映在膜污染速率方面,會加速膜污染,膜系統使用壽命也相應縮短。

2.5 工程應用

本試驗基于“十二五”國家水體污染控制與治理科技重大專項項目,并在該廠建立示范工程,示范工程采用分質收集和處理印染廢水,并回用。

示范工程于2012年11月建成投入使用,分質收集以電導率指標為分質依據,其中輕廢水量3000 m3/d,重廢水量5000 m3/d。輕廢水在常規處理后,二級生化出水經多介質過濾器后進入超濾和反滲透雙膜法系統進行深度處理,最終出水與清水一塊進入染色車間進行回用,設計回用率60%。雙膜法系統中超濾膜元件為SN(北京賽諾)膜,平均膜孔徑0.1μm,有效過濾面積為50m2,膜絲內徑為0.7 mm,外徑為1.3 mm,膜元件數量共36支,立式布置。反滲透膜為陶氏聚酰胺抗污染8040膜,共90支,臥式布置。實際運行過程中對膜系統定期進行反沖洗和氣擦洗,以防止污物堵塞膜絲,不利于裝置運行,裝置經過長期運行后,根據實際情況使用化學藥品進行化學清洗,以恢復膜系統的性能。

示范工程運行1年來,各項水質指標穩定,深度處理膜系統性能優良,日常運行中自動水洗和氣洗可以清除一般可逆污染,膜性能基本得到恢復。

3 結 論

a.通過對染色車間染深色系、淺色系紗線排水水質檢測及分析,確定以電導率指標為分質依據。分質標準為：電導率小于3 000 μS/cm的劃為輕廢水;電導率大于或等于3000 μS/cm的劃為重廢水。電導率可以間接反映廢水污染程度,并且檢測方便,誤差低,將電導率儀同電磁閥聯用,可以實現廢水的在線、實時、自動化分質收集,提高了分質的效率及準確度。

b.對“清濁分質”廢水采用分類處理。輕廢水處理系統出水指標ρ(COD)＜17 mg/L、ρ(Fe3+)≤0.1mg/L、ρ(Mn)0.05～0.09 mg/L、色度1倍、硬度為50～80mg/L,優于印染用水要求,可以回用,同時輕廢水有效降低了后續處理工藝負荷,在減緩膜系統污染、延長使用壽命方面具有明顯優勢。重廢水經水解酸化、好氧接觸氧化和物化混凝處理后,出水中COD、NH3-N的質量濃度范圍分別為36～48 mg/L、1.71～2.82mg/L,色度范圍為28～32倍,滿足排放要求。

c.所選基于電導率指標的“清濁分質”收集方法,對該紗線染色廢水分質收集、分類處理具有針對性,該分質及處理方法同樣適用于使用活性、分散等染料的純棉、滌棉印染廢水,示范工程為印染廢水的分質收集和分類處理提供了技術參考。

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Treatment experiment of cotton yarn-package dyeing wastewater by separated collection and sorting process

CAO Jiashun1,2,3,ZHOU Ming2,LI Chao1,2,FANG Fang1,2,MA Hongwei2
(1.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes, Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety, Hohai University,Nanjing 210098,China)

In this study,the cotton yarn-package dyeing wastewater was collected,separated,and sorted with conductivity chosen as an indicator of separated collection.The collected light wastewater was treated with contact oxidation,ultrafiltration,and reverse osmosis,and the heavy wastewater was treated with hydrolytic acidification, contact oxidation,and coagulation sedimentation.Finally,the advantage of light wastewater in reducing the membrane fouling was analyzed.The results are as follows：For the light wastewater,ρ(COD)＜17 mg/L,chroma was 1 time,ρ(Fe3+)≤0.1 mg/L,ρ(Mn)ranged from 0.05 to 0.09 mg/L,and the hardness ranged from 50 to 80 mg/L,indicating that the water quality exceeded the requirements of printing and dyeing and can reduce the membrane fouling rate.For the heavy wastewater,ρ(COD)＜50 mg/L,ρ(NH3-N)ranged from 1.71 to 2.93 mg/L,and chroma＜50 times,which met the emission standards of industrial wastewater.This study shows that the method of separated collection with conductivity as the indicator has a high degree of automation and accuracy, and can relieve the burden of the sorting process,slow down the membrane fouling,and improve the reutilization rate of wastewater.

cotton yarn-package dyeing wastewater;conductivity;separated collection;sorting process; reutilization

X791

A

10046933(2014)04007808

20140319 編輯：徐 娟)

D OI：10.3969/j.issn.10046933.2014.04.016

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-003)

操家順(1964—),男,教授,主要從事水處理技術研究。E-mail：caojiashun@163.com

李超,博士。E-mail：lichao0609@163.com