基于水足跡的粘膠短纖維生產(chǎn)水環(huán)境負(fù)荷評價(jià)

朱菊香 李一 王來力

摘 要：為量化和評價(jià)粘膠短纖維生產(chǎn)廢水排放造成的水環(huán)境影響，分別基于灰水足跡和水劣化足跡理論核算與評價(jià)了粘膠短纖維生產(chǎn)過程的水環(huán)境負(fù)荷。結(jié)果表明：制漿階段的黑液廢水和紡練階段的精練廢水的灰水足跡較大，分別為3 375.35 m3/t和4 331.84 m3/t，特征污染物分別為COD和Zn離子;制漿階段黑液廢水的水體富營養(yǎng)化足跡最大，為9.05 kg PO3-4eq/t，約占生產(chǎn)工序水體富營養(yǎng)化足跡的75%;紡練階段精練廢水的水體生態(tài)毒性足跡最大，為3.38×106 m3 H2O eq/t，約占生產(chǎn)工序水體生態(tài)毒性足跡的73%;水酸化足跡主要集中于二浴廢水和精練廢水，分別為34.01 kg SO2 eq/t和46.86 kg SO2 eq/t。

關(guān)鍵詞：粘膠短纖維;灰水足跡;水劣化足跡;水環(huán)境負(fù)荷

中圖分類號：TS102.511.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）05-0067-06

Abstract：In order to quantify and evaluate the water environment impact caused by wastewater discharge from viscose staple fiber production， the water environmental load of viscose staple fiber production process was calculated and assessed according to grey water footprint method and water degradation footprint method. The results showed that grey water footprints of the black liquor wastewater from the pulping stage and the refined wastewater from the spinning stage were larger than other processes， which were 3 375.35 m3/t and 4 331.84 m3/t respectively. The characteristic pollutants in these two processes were COD and Zn ions respectively. The water eutrophication footprint of the black liquor in the pulping stage was maximum， 9.05 kg PO3-4eq/t， accounting for 75% of water eutrophication footprint in the production process. The refined wastewater in the spinning stage had the largest water ecotoxicity footprint， 3.38×106 m3 H2O eq/t， accounting for 73% of water ecotoxicity footprint in the production process. The water acidification footprint mainly concentrated in the two-bath wastewater and the refined wastewater， which were 34.01 kg SO2 eq/t and 46.86 kg SO2 eq/t， respectively.

Key words：viscose staple fiber; grey water footprint; water degradation footprint; water environmental load

粘膠短纖維生產(chǎn)造成大量的廢水及廢水污染物排放，嚴(yán)重危害水環(huán)境。量化和評價(jià)粘膠短纖維各生產(chǎn)工序的水環(huán)境負(fù)荷，明確各工序的污染來源并量化其影響，對粘膠短纖維行業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)具有推動(dòng)作用。

由Hoekstra于2002年提出的“水足跡”定義為量化水資源負(fù)荷的指標(biāo)，Water Footprint Network（WFN）將水足跡分為藍(lán)水、綠水和灰水足跡三類。灰水足跡通過核算污染物稀釋至環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)濃度的需水量來描述水污染，是評價(jià)水污染影響的指標(biāo)[1]。王來力等[2]根據(jù)廢水處理前后的變化將工序整體灰水足跡分為初始和殘余灰水足跡，并提出核算方法。許璐璐等[3-4]改進(jìn)階段累加灰水足跡法，根據(jù)廢水流向提出分階段鏈?zhǔn)交宜阚E，即將工序整體灰水足跡分為工序生產(chǎn)、排放和環(huán)境灰水足跡，并研究了紡織服裝灰水足跡核算中相關(guān)參數(shù)的取值和污染指標(biāo)的選擇。水足跡評價(jià)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14046： 2014《Environmental management-Water footprint-Principles， requirements and guidelines》將水足跡按不同的環(huán)境影響類別劃分，如水短缺足跡、水可用性足跡和水劣化足跡等。水劣化足跡從污染物的影響類型及排放量角度核算污染物的水環(huán)境影響，所得的水足跡結(jié)果為當(dāng)量值，側(cè)重于識別水環(huán)境影響類別和核算水環(huán)境影響大小[5]。白雪等[6-8]分別核算了電纜和乳制品的水劣化足跡，指出各環(huán)境影響類型的特征污染物，并將兩種水足跡評價(jià)方法進(jìn)行對比分析;何琬文等[9-10]基于ISO 14046標(biāo)準(zhǔn)分析討論了紡織服裝產(chǎn)品水足跡的應(yīng)用，并核算了絲綢產(chǎn)品的基準(zhǔn)水劣化足跡。

為量化和評價(jià)粘膠短纖維生產(chǎn)廢水排放造成的水環(huán)境負(fù)荷，基于WFN體系中的灰水足跡理論和ISO 14046標(biāo)準(zhǔn)中的水劣化足跡理論，核算并分析粘膠短纖維生產(chǎn)的灰水足跡和水劣化足跡。

1 水環(huán)境負(fù)荷核算與評價(jià)

1.1 核算邊界

本文中粘膠短纖維以棉漿粕為原料，經(jīng)過堿液浸漬生成堿纖維素，與二硫化碳反應(yīng)生成纖維素黃酸鈉，在稀堿溶液中制成紡絲液，并在塑化浴中形成再生纖維，經(jīng)牽伸、切斷后進(jìn)行精練，最后干燥打包成為成品出廠[11-12]。棉漿粕生產(chǎn)工藝流程見圖1，粘膠短纖維生產(chǎn)工藝流程見圖2。

如圖1所示，棉漿粕生產(chǎn)產(chǎn)生堿性廢水，主要來自于蒸煮環(huán)節(jié)產(chǎn)生的蒸煮黑液，洗料環(huán)節(jié)產(chǎn)生的混合黑液，漂打階段洗漿環(huán)節(jié)產(chǎn)生的打漿中段水[13]。

如圖2所示，粘膠短纖維在酸浴中成形時(shí)放出大量CS2和H2S，一部分逸入空氣中，另一部分溶解在酸浴中[14]。塑化浴（二浴）和去酸水工序中產(chǎn)生酸性廢水[15]。

根據(jù)工業(yè)水足跡定義，結(jié)合生產(chǎn)工藝鏈和投入產(chǎn)出的特點(diǎn)，粘膠短纖維生產(chǎn)的核算邊界可分為時(shí)間邊界和空間邊界[16-17]，如圖3所示。時(shí)間邊界以粘膠短纖維原材料為起點(diǎn)，從棉短絨制成棉漿粕，到制備紡絲液進(jìn)行紡絲，最后產(chǎn)出成品。空間邊界包括粘膠短纖維生產(chǎn)加工過程中的新鮮水投入和廢水及污染物排放。

1.2 核算方法

1.2.1 灰水足跡

灰水足跡定義為基于受納水體的自然本底濃度和環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將污染物稀釋至最大容忍濃度所需淡水的體積。同一水體可以稀釋不同污染物，將灰水足跡確定為污染物的最大稀釋水量，造成灰水足跡最大的污染物稱為特征污染物[1]。灰水足跡的核算方法如式（1）：

2 結(jié)果與分析

2.1 粘膠短纖維灰水足跡

根據(jù)式（1）計(jì)算粘膠短纖維生產(chǎn)各工序的灰水足跡，結(jié)果如圖4所示。圖4中左縱軸表示各工序灰水足跡占總灰水足跡的百分比，右縱軸表示各工序的灰水足跡大小。

由圖4可知，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的灰水足跡大小表現(xiàn)為：精練廢水>黑液冷凝水>二浴廢水>原液廢水>洗漿中段水>酸站廢水。制漿階段的黑液廢水和紡練階段的精練廢水的灰水足跡較其余工序較大，分別為3 375.35 m3/t和4 331.43 m3/t，各約占總灰水足跡的35.88%和46.04%。特征污染物分別為COD和Zn離子，排放量分別約為337.54 kg/t和8.7 kg/t。雖然黑液中COD的排放量是精練廢水中Zn離子的排放量的9倍多，但由于總鋅的排放標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)格，最大濃度限值僅為2 mg/L，所以精練廢水的灰水足跡略高于黑液。

2.2 粘膠短纖維水劣化足跡

根據(jù)式（2）～式（4）計(jì)算粘膠短纖維生產(chǎn)水劣化足跡，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，制漿階段的水體富營養(yǎng)化足跡最大，約為10 kg PO3-4 eq/t，主要污染物為COD和BOD5。制漿的主要原材料為棉短絨，且洗漿過程殘留大量有機(jī)物，導(dǎo)致COD和BOD5濃度較高，造成水體富營養(yǎng)化足跡較大，其余工序的水體富營養(yǎng)化足跡相對較小。精練工序的水富營養(yǎng)化足跡、水酸化足跡和水體生態(tài)毒性足跡均居紡練階段的首位，分別約為1.04 kg PO3-4eq/t、46.86 kg SO2 eq/t和3.38×106 m3 H2O eq/t，表明精練工序的水環(huán)境負(fù)荷是紡練階段中最大的。

3 結(jié) 論

研究基于WFN方法和ISO 14046標(biāo)準(zhǔn)，核算了粘膠短纖維各生產(chǎn)工序的灰水足跡和水劣化足跡，結(jié)論如下：

a）精練工序的灰水足跡最大，為4 331.43 m3/t，特征污染物為Zn離子，主要來源于酸浴中投入的ZnSO4。

b）制漿階段的水體富營養(yǎng)化足跡最大，約為10 kg PO3-4 eq/t，主要來源于黑液和洗漿中段水，主要污染物為COD和BOD5，COD貢獻(xiàn)的水體富營養(yǎng)化足跡為7.78 kg PO3-4 eq/t，約占78%。

c）水酸化足跡主要來源于紡練階段，精練工序的水酸化足跡最大，為46.86 kg SO2 eq/t，主要來源于纖維表面殘留的酸浴水，主要污染物為H2SO4。

d）精練工序的水體生態(tài)毒性足跡最大，其中Zn離子貢獻(xiàn)的水體生態(tài)毒性足跡約占97%，為3.29×106 m3 H2O eq/t。

綜上，粘膠短纖維生產(chǎn)企業(yè)可根據(jù)各生產(chǎn)工序的水環(huán)境負(fù)荷量化結(jié)果，明確高污染工序及其污染源，進(jìn)而相應(yīng)的改進(jìn)生產(chǎn)工藝，減少水資源和化工原料的投入，從源頭控制污染。制漿階段的水環(huán)境負(fù)荷主要來自含有大量纖維素及其分解產(chǎn)物、木質(zhì)素、臘質(zhì)等有機(jī)污染物的黑液。紡絲及精練階段的水環(huán)境負(fù)荷主要來自CS2和ZnSO4等化工原料造成的毒性廢水排放，黃化工序投入的CS2一部分殘留在酸浴中，以廢水形式排出，酸浴中投入的ZnSO4導(dǎo)致廢水中含有Zn離子，引發(fā)較大的水體生態(tài)毒性。

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