粘膠纖維生產(chǎn)廢水治理的改進工藝
目前，全世界粘膠纖維產(chǎn)量占化纖總產(chǎn)量的1/3左右，我國粘膠纖維年產(chǎn)達幾十萬噸，是主要的化纖品種。粘膠纖維的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的酸、堿廢水，其直接排放將造成嚴(yán)重的水污染和大量纖維資源的流失浪費。由于粘膠纖維生產(chǎn)混合廢水的酸性很強且富含鋅鹽和硫化物，治理難度較大，采用常規(guī)的物化+生化治理工藝存在運行效果不夠穩(wěn)定、占地面積大和投資高等問題，急需研究開發(fā)既可靠又經(jīng)濟的治理新工藝。
1 廢水概況
1.1 廢水來源［1］
粘膠纖維生產(chǎn)廢水主要包括酸性和堿性廢水兩大類，其中酸性廢水主要來源于紡絲車間和酸站，包括塑化浴溢流水、洗紡絲機水、酸站過濾器洗滌水、洗絲水和后處理酸洗水等；堿性廢水主要來源于堿站排水、原液車間廢水膠槽及設(shè)備洗滌水、濾布洗滌水、換噴絲頭時的帶出水和后處理的脫硫廢水等。
1.2 廢水水量及特征污染物
粘膠纖維生產(chǎn)過程中廢水排放總量大致為：短纖維300m3/t，長纖維1200m3/t。粘膠纖維生產(chǎn)混合廢水中的特征污染物為硫酸、硫化物、鋅鹽和纖維素。其中硫酸、硫化物(主要是H2S、CS2等)和鋅鹽污染主要來自粘膠成形工段廢水，且鋅鹽主要以硫酸鋅和纖維素磺酸鋅的形式存在；纖維素主要是由于堿性廢水中的粘膠纖維素與酸性廢水混合后酸析而產(chǎn)生。
2 常規(guī)治理工藝
2.1 一級物化處理
目前，國內(nèi)粘膠纖維生產(chǎn)廢水的一級物化處理工藝普遍采用如圖1所示的流程。粘膠纖維生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的酸性廢水和堿性廢水經(jīng)混合中和、曝氣吹脫硫化物、加石灰乳除鋅和沉淀澄清后，出水很難達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其是廢水的S2-、Zn2+和COD等不易達標(biāo)。
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存在的問題：
① 廢水經(jīng)混合后酸性仍較強(pH＝2～3)，此時原廢水中的粘膠纖維素大量地被酸析出來，而纖維素體積質(zhì)量小，以常規(guī)的沉淀方式難以徹底去除，從而影響出水水質(zhì)，造成COD超標(biāo)和資源的流失浪費。
② 該工藝主要通過曝氣吹脫方式去除硫化物(如H2S、CS2等)，但受到諸多因素的影響，吹脫效率不是很高，出水常會出現(xiàn)S2-超標(biāo)的現(xiàn)象。
③ 在加石灰乳除鋅的沉淀過程中，由于其沉淀反應(yīng)的最佳pH值范圍較窄(pH＝8～9)，反應(yīng)條件難于控制，加上人工投藥，出水常出現(xiàn)Zn2+超標(biāo)的現(xiàn)象。
④ 由于混合廢水的pH值較低，要達到后續(xù)的沉淀反應(yīng)條件需投加大量的石灰乳液，這一則增加了運行費用，二則產(chǎn)生的大量石灰渣增加了后續(xù)沉淀池的負荷，從而也增加了整個治理過程中的污泥處理量和處置難度。
2.2 二級生化處理
為全面提高粘膠纖維生產(chǎn)廢水治理后的出水水質(zhì)，達到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，丹東化纖廠和山東高密化纖廠在國內(nèi)率先采用了在一級物化處理的基礎(chǔ)上再加活性污泥二級生化處理工藝(如圖2所示)。
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粘膠纖維生產(chǎn)廢水經(jīng)一級物化處理后，一些主要污染物(如COD、SO2-4、Zn2+和硫化物等)有相當(dāng)一部分被去除，再經(jīng)后續(xù)的活性污泥二級生化處理，使得廢水中BOD5、COD等得以進一步去除，正常運行時出水可達國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
存在的問題：
① 由于僅是在物化處理的基礎(chǔ)上增加了一道活性污泥生化處理工藝，故原物化處理過程中的一些問題(如資源的流失浪費、運行費用高、泥量大)仍然存在。
② 由于前面物化處理過程的自動化控制程度不高，運行效果不穩(wěn)定，使得一級處理后的出水時常出現(xiàn)SO2-4、Zn2+超標(biāo)的現(xiàn)象，而通常當(dāng)SO2-4＞1000mg/L或Zn2+＞20mg/L時，微生物的生長會受到明顯抑制，這大大影響了后續(xù)生化處理的效率。
③ 由于前面物化處理過程對COD的去除效率不高，使得廢水中酸析出的大量輕質(zhì)纖維素進入后續(xù)的活性污泥生化處理時，污染負荷較大，活性污泥質(zhì)量不高，需要較長的停留時間(5.7～9.5 h)，這使整個基建投資和運行成本較高，占地面積也較大。
3 改進工藝
根據(jù)目前國內(nèi)粘膠纖維生產(chǎn)廢水治理工藝存在的一些不足，結(jié)合該廢水的實際水質(zhì)水量情況，通過中試試驗研究，提出了在常規(guī)的物化+生化處理工藝的基礎(chǔ)上增添淺層氣浮+鐵屑過濾的改進新工藝(如圖3所示)。
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3.1 主要工藝原理
① 淺層氣浮工藝
原水從氣浮池中心的旋轉(zhuǎn)進水管進水，通過旋轉(zhuǎn)布水管布水，布水管的移動速度和進水流速相同，這樣就產(chǎn)生了“零速度”，在這種狀態(tài)下進水不會對池水產(chǎn)生擾動，使得顆粒的懸浮和沉降都在一相對靜止的狀態(tài)下進行，且這類氣浮裝置的池深一般不超過650 mm。正是依據(jù)“零速理論”和“淺池理論”，使得該裝置的進水停留時間短(僅3～5min)，表面負荷高達9.5～12m3/(m2·h)，懸浮物的去除效率可達85%以上。
② 鐵屑過濾工藝
鐵屑過濾系統(tǒng)是用廢鐵屑經(jīng)預(yù)處理和活化后作填料，利用其產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)的氧化還原、電附集、催化、混凝、吸附過濾等綜合效應(yīng)達到處理效果［2］，其中主要作用是氧化還原和電附集。
廢鐵屑的主要成分是鐵和碳，當(dāng)將其浸入電解質(zhì)溶液中時，由于Fe和C之間存在1.2V的電極電位差，因而會形成無數(shù)的微電池系統(tǒng)，在其作用空間構(gòu)成一個電場［3］，其電極反應(yīng)如下：
陽極 Fe-2e→Fe2+
陰極 2H++2e→2［H］→H2↑
O2+4H++4e→2H2O
O2+2H2O+4e→4OH-
陽極反應(yīng)生成大量的Fe2+進入廢水，形成具有較高吸附絮凝活性的絮凝劑；陰極反應(yīng)產(chǎn)生大量新生態(tài)的H·，在偏酸性的條件下，新生態(tài)的H·能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使有機大分子發(fā)生斷鏈降解，提高廢水的可生化性，且陰極反應(yīng)消耗了大量的H+生成了大量的OH-，這使得廢水的pH值也有所提高。
3.2 工藝說明
① 粘膠纖維生產(chǎn)中產(chǎn)生的酸性和堿性廢水按配比混合至pH＝2～3后進入吹脫反應(yīng)池，酸析出大量呈懸浮狀的粘膠纖維素，大部分H2S、CS2等成分也得以吹脫去除。
② 吹脫反應(yīng)池出水進入淺層氣浮，大量纖維素得以較為徹底的去除并回收，這既降低了后續(xù)處理的污染負荷，也實現(xiàn)了粘膠纖維素的資源回收。
③ 氣浮池出水經(jīng)鐵屑過濾產(chǎn)生了氧化還原和電附集作用，廢水中的主要污染物(纖維素磺酸鋅)發(fā)生了斷鏈脫鋅反應(yīng)，利于后續(xù)處理對Zn2+的徹底沉淀去除，廢水的pH值和可生化性均得到了提高(pH＝5～6)，大大減少了后續(xù)中和沉淀的投堿量和污泥產(chǎn)量，也有利于生化處理過程。與此同時，該過程產(chǎn)生的大量Fe2+既可兼作絮凝劑，使后續(xù)沉淀過程中不必外加絮凝劑，又可使廢水中殘留的S2-以FeS沉淀的方式得以徹底去除。
④ 鐵屑過濾塔出水進入曲頸槽與電石乳液(代替石灰乳，節(jié)省藥劑費用)充分混合反應(yīng)，然后進入初沉池沉淀。通過pH值自動控制投藥系統(tǒng)的控制，反應(yīng)pH值控制在8～8.5，此時廢水中的Zn2+被徹底沉淀去除，廢水中的絕大部分Fe2+也得到沉淀去除。經(jīng)鐵屑塔處理后的廢水，沉淀性能好(僅需0.5～1.0h即可完全沉淀下來)，大大減少了沉淀池的池容；另外，出水中含有的極少量Fe2+，它是生物氧化酶的重要組成部分，同時在Fe2+→←Fe3+的過程中，電子傳遞對生化反應(yīng)有刺激作用，從而使生化反應(yīng)速度有所提高。
⑤ 初沉后的出水進入好氧池進行生物處理，由于廢水的可生化性得到了提高，使廢水中殘余的COD、BOD5能在很短時間內(nèi)得到進一步的降解去除，出水再經(jīng)二沉池沉淀后達標(biāo)排放。
⑥ 初沉池和二沉池中的污泥，先經(jīng)污泥泵泵入污泥濃縮池濃縮，再經(jīng)脫水機脫水(因纖維素含量少，其脫水性能好)，產(chǎn)生的泥餅外運，濃縮池的上清液回流至好氧池進行生化處理。
3.3 治理效果
在南平天元化纖廠現(xiàn)場進行了粘膠纖維廢水的中試，原水水質(zhì)情況見表1。
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堿性和酸性廢水按1∶2.5混合，經(jīng)處理后出水水質(zhì)能達到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。試驗結(jié)果見表2。
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① 經(jīng)淺層氣浮后的出水，其COD含量能降至250mg/L，COD的去除率能達到85.9%以上的水平，這充分說明了淺層氣浮在本工藝中運用的合理性和優(yōu)越性。
② 廢水在鐵屑過濾塔中反應(yīng)，停留30min左右后，出水Zn2+的含量＜0.05mg/L，硫化物的含量＜0.5mg/L，這充分說明了鐵屑過濾完全滿足本工藝對Zn2+和硫化物的治理要求。
4 結(jié)論
通過改進工藝的中試研究，可得出以下結(jié)論：
① 采用改進工藝處理粘膠纖維生產(chǎn)廢水切實經(jīng)濟可行，出水水質(zhì)能穩(wěn)定地達到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，且能回收纖維素資源，值得在實踐中推廣應(yīng)用。
② 實踐證明：淺層氣浮和鐵屑過濾在粘膠纖維生產(chǎn)廢水治理過程中的運用是合理、先進的，徹底解決了常規(guī)處理中時常會出現(xiàn)的COD、Zn2+和S2-等超標(biāo)的問題。
③ 結(jié)合粘膠纖維生產(chǎn)廢水的實際水質(zhì)情況，充分發(fā)揮淺層氣浮和鐵屑過濾的特點和優(yōu)勢，整個工程投資和占地面積較常規(guī)方法均能節(jié)省1/3左右，也無需另外投加絮凝劑，用電石乳廢液代替石灰乳使投加量大為減少，故投藥費用也能節(jié)省近2/3。
④ 采用改進工藝能使處理過程中產(chǎn)生的污泥量大為減少，大大降低了污泥的處置費用和難度。
⑤ 改進工藝設(shè)施操作簡單方便、運行可靠、自動化程度較高。
⑥ 對粘膠纖維廠現(xiàn)有的物化+生化治理設(shè)施，利用本改進工藝能很容易地實現(xiàn)技術(shù)改造。
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