無紡布在水處理中的應(yīng)用研究進展

稅永紅

(成都紡織高等專科學校，四川 成都611731)

0 引言

無紡布也稱“非織造布”、“不織布”，它是利用高聚物切片、短纖維或者長絲通過各種纖網(wǎng)成型方法和固結(jié)技術(shù)制成的新型纖維制品，是一種不需要經(jīng)過紡紗和織布工序就能形成的織物。 生產(chǎn)工藝包括熱軋粘合法、浸漬粘合法、針刺法、紡粘法、熔噴法等[1-2]，既可制成緊密型產(chǎn)品，又可制成膨松性的產(chǎn)品；既可加工成普通的薄型制品，又可加工成特殊需要的超厚型制品。 其纖維原材料主要包括滌綸(聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET)、丙綸(聚丙烯，PP)、錦綸(聚酰胺，PA)、氯綸(聚氯乙烯，PVC)、腈綸(聚丙烯腈，PAN)、氨綸(聚氨基甲酸酯，PU)等。 由于無紡布具有比表面積大、孔徑范圍廣、耐腐蝕、成本低且產(chǎn)量高等優(yōu)點，在環(huán)保、建筑、醫(yī)療、服裝、化工、礦業(yè)、汽車、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用也越來越多[3-8]，被認為是21 世紀的朝陽產(chǎn)業(yè)[9]。 不同類型無紡布產(chǎn)品，不僅能過濾除去空氣中的各種微粒、粉塵及異味，提供優(yōu)質(zhì)空氣，還用于各種工業(yè)廢水處理、生活污水處理及富營養(yǎng)水體的治理之中。

1 無紡布在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

工業(yè)廢水是造成環(huán)境污染，特別是水污染的重要原因之一。 2017 年我國工業(yè)用水總量1277 億立方米，印染、石化焦化、電鍍、工業(yè)循環(huán)水及垃圾填埋等是其中污染大戶及重污染行業(yè)，無紡布在這些行業(yè)的工業(yè)廢水處理過程中與傳統(tǒng)工藝相組合都有應(yīng)用。

1.1 印染廢水

印染加工及染料生產(chǎn)會產(chǎn)生大量有色廢水，是工業(yè)廢水排放大戶。 印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質(zhì)變化大等特點，屬難處理的工業(yè)廢水。 無紡布在此類廢水處理中主要通過過濾、吸附等作用對廢水作預處理，較常用的是聚丙烯無紡布。

朱超華等用聚丙烯無紡布處理牛仔布染色廢水，一方面通過無紡布在預處理工藝除去廢水中的纖維及大顆粒雜質(zhì)，另一方面從廢水中回收靛藍染料，從而減輕廢水后處理負擔[10]。 陳康等采用聚丙烯無紡布為載體制得CaAlg/PP 復合膜處理亮藍染液，反復脫鹽及用氯化鈣交聯(lián)后，仍能保持初始值90.6%的通量和98%的染料截留率[11]，從而提升了無紡布對印染廢水處理能力。 由于無紡布孔徑是影響印染廢水處理效果的一個重要因素，為此研究者對不同孔徑無紡布去除效果進行了相關(guān)研究。 葉萌等研究表明，由無紡布構(gòu)建的動態(tài)膜生物反應(yīng)器(DMBR)處理堿減量印染廢水，小孔徑無紡布膜基材比大孔徑膜基材更容易形成動態(tài)膜，且形成的動態(tài)膜性能較大孔徑好，對污染物的去除效果更好，對COD、UV254、色度和濁度的去除率分別為74% ～85%、74% ～79%、79% ～86%和96.8% ～98.6%[12]。 李素等構(gòu)建的無紡布套筒式吸附裝置處理pH 在3～7C.I.Acid Red 73 染料廢水表明，當無紡布質(zhì)量在4g ～8g 之間，處理時間在90 min ～120 min，去除率可達90%以上，吸附容量達到了88.43mg/g[13]。 此外，楊波等還研發(fā)了一種專用于印染廢水處理的反應(yīng)器，該反應(yīng)器主體內(nèi)兩側(cè)設(shè)有無紡布膜組件，無紡布膜組件與曝氣系統(tǒng)、沉淀池及排泥系統(tǒng)共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運行費用低、處理效果好的處理裝置[14]

1.2 石化、焦化廢水

石化、焦化廢水是一類含芳香族化合物與雜環(huán)化合物的典型廢水，有機污染物以酚類化合物為主，占有機污染物的一半以上。 另外，還有多環(huán)芳香族化合物和含氮、氧、硫的雜環(huán)化合物等。 無機污染物主要以氫化物、硫氫化物、硫化物、氨鹽等為主，屬有毒有害高濃度有機廢水，具有廢水水量大、污染物成分復雜、水質(zhì)水量波動大，處理難度大的特點。

黃霞等針對焦化廢水高濃度難降解特點，采用聚丙烯無紡布與聚乙烯醇的復合載體固定包埋篩選的難降解有機物優(yōu)勢菌種，并對喹琳、異喹琳和吡啶進行降解試驗，經(jīng)8h 處理，3 種難降解有機物降解率均達90%以上[15]。 石順存等以滌綸廢絲作填料，采用生物接觸氧化法對石油化工有機廢水進行處理，填料接種濃縮活性污泥接觸氧化塔內(nèi)通空氣悶曝32h 后，馴化第7 天絲束間掛滿了垂絲狀和蘑菇狀的菌膠團，并棲生著許多有柄鐘蟲、蓋纖蟲、線蟲、無柄鐘蟲等微型生物，廢水以初始15L/h 通入COD1760mg/L 廢水，逐日加大流量至80L/h，并控制溶解氧大于0.5mg/L，掛膜完成時出水COD小于150mg/L，出水清亮[16]。 方銳采用經(jīng)殼聚糖改性的聚丙烯無紡布膜組件構(gòu)建的A/O-MBR 工藝對中石油遼陽石化公司聚酯化纖廠綜合廢水進行處理，并與經(jīng)PVDF 商品膜處理后的出水進行比較，在試驗內(nèi)，出水水質(zhì)穩(wěn)定，COD＜40 mg/L，NH4＋-N＜0.5 mg/L，TN ＜10 mg/L，濁度＜0.2 NTU[17]。此外，無紡布還被應(yīng)用于對水面浮油的處理之中[18]。

1.3 重金屬廢水

重金屬(如含鎘、鎳、汞、鋅等)廢水是對環(huán)境污染最嚴重和對人類危害最大的工業(yè)廢水，其水質(zhì)水量與生產(chǎn)工藝有關(guān)，廢水中的重金屬一般不能分解破壞，只能轉(zhuǎn)移其存在位置和轉(zhuǎn)變其物化形態(tài)降低其毒性。 無紡布處理廢水中重金屬，主要通過對無紡布進行改性，通過離子交換及吸附作用實現(xiàn)。

AOKI 等針對廢水中銅、鈣、鉛等重金屬離子，通過在PP-PE 無紡布上接入磷酸基官能團以去除[19]。 龐利娟等利用預輻射接枝對PE 無紡布進行改性得到季銨鹽無紡布處理含鉻廢水，在較寬的pH 范圍內(nèi)，對Cr(VI)具有良好的去除效果，當pH＝3 時，無紡布對Cr(VI) 去除率達到最大值99.2%[20]。 徐曉等制備了聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)皮芯結(jié)構(gòu)無紡布磺酸型吸附材料，通過對Cs＋的吸附性能進行研究，得到該磺酸型吸附材料在1 000 SV/h 的高流速下能快速去除Cs＋，最大吸附容量為1.35 mmol/g，pH＝4 ～10 時，吸附率穩(wěn)定在90%左右，該值隨pH 值的增加而降低的結(jié)論[21]。陳元維等采用聚丙烯纖維無紡布紫外光照，接枝丙烯酸合成用于處理重金屬離子材料，得到獲得高交換量無紡布螯合材料的關(guān)鍵因素，即采用平面小功率組合紫外光源與高純度氮氣，并在優(yōu)化條件制得交換量為1mmol/g～7mmol/g(干基)的材料[22]。

1.4 其他工業(yè)廢水

無紡布除了在以上工業(yè)廢水處理中得到應(yīng)用外，還有在以下工業(yè)廢水及其他廢水處理中得到應(yīng)用。 任華等研究了無紡布與球形陶粒、碳酸鈣礦石作為濾料對工業(yè)循環(huán)水中氨氮、亞硝酸鹽、磷酸鹽的處理效果對比，經(jīng)過6 個月的運行，水中氨氮、亞硝酸鹽、磷酸鹽的含量最低組為無紡布濾料組[23]。徐光景等采用無紡布和玻璃鋼支架制成無紡布生物轉(zhuǎn)盤處理污泥消化液[24]，在進水NH4＋-N 和NO2--N 平均質(zhì)量濃度分別為591.7 mg/L 和391.2mg/L 的情況下，去除率分別達到34%和47%，結(jié)果表明該工藝處理高氨氮廢水具有可行性。 無紡土工布還是垃圾填埋場導排系統(tǒng)中重要的一部分，和它下部的導排砂石共同起到滿足保土、透水和防淤堵的反濾作用[25]。 聚丙烯熔噴無紡布在過濾酸性和堿性液體、油漆時表現(xiàn)突出，被電池行業(yè)看做是良好的隔膜材料[26]。 連良清設(shè)計了一種采用離心方法的無紡布工業(yè)污水處理裝置，提高了污水處理效率。

2 無紡布在生活污水處理中的應(yīng)用

生活污水是居民日常生活中排出的廢水，主要來源于居住建筑和公共建筑，如住宅、機關(guān)、學校、醫(yī)院、商店、公共場所及工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生間等。 生活污水所含的污染物主要是有機物(如蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、尿素、氨氮等) 和大量病原微生物(如寄生蟲卵和腸道傳染病毒等)。 存在于生活污水中的有機物極不穩(wěn)定，容易腐化而產(chǎn)生惡臭，因而生物處理在生活污水處理中起著重要的作用。通過人工手段提高水中微生物量，形成良好的微型食物鏈，利用生物新陳代謝降解水中污染物，從而凈化污水。 無紡布具有較好的保水性，適合作為生物填料，研究表明含水率8.7%的無紡布在空氣中放置24h 后為5.02%，依然具有較高的含水率[27]，因而在生活污水處理中得到廣泛應(yīng)用。

袁少雄等采用厚0.2cm，比重0.028g/cm2的無紡布構(gòu)建了容積為99.5L 的5 個無紡布填料組合單元，對經(jīng)沉淀后的學生宿舍生活污水進行處理，研究表明處理系統(tǒng)15d 對總氮、硝 氮和總磷的凈化效果較對比系統(tǒng)凈化效果分別提高22.25%、62.88%和26.45%，對氨氮和可溶磷的凈化效果差異不顯箸[28]。

孟志國等人的研究表明，采用無紡布作為過濾材料應(yīng)用于MBR 中的出水水質(zhì)好，去除效果理想，并且表明無紡布過濾膜的出水水質(zhì)與普通的微濾膜的差距很小[4]。 Ren 等人采用無紡布作為過濾膜處理生活污水，結(jié)果表明在重力流的作用下進行過濾的無紡布具有很好的分離效果，達到了操作費用低的效果[6]。 稅永紅等以無紡布為填料，輔以植物浮床構(gòu)建無紡布植物浮反應(yīng)器處理生活污水，一年的試驗研究表明，無紡布植物反應(yīng)器中無紡布在自然條件下經(jīng)過34 d 掛膜成功，處理器對生活污水pH 變化具有較強的緩沖能力，CODMn、NH3-N去除率最高分別達83%和78%。 對比試驗表明，懸掛無紡布生物膜填料的反應(yīng)器(H 型)處理能力明顯優(yōu)于沒有懸掛的反應(yīng)器(N 型)，對CODMn和NH3-N 去除率H 型較N 型反應(yīng)器提高了18%和12%[29]。

日本學者M.R.Alavi Moghaddam 采用多元酯無紡布處理污水，出水SS 濃度為16mg/L，總有機碳去除率達87%[30]。 英國學者Green G 對比了聚丙烯無紡布與聚砜膜作為MBR 反應(yīng)器膜組件，研究表明兩種膜組件對有機物與濁度的去除率均達到92%以上[31]，但聚丙烯無紡布價格卻廉價得多。

薛念濤對不同孔徑無紡布進行污水處理試驗，研究表明無紡布孔徑大小對出水濁度無明顯影響[32]。 朱琳把無紡布作為膜替代品構(gòu)建FSBR 反應(yīng)器處理生活污水，與SBR 反應(yīng)器相比較， COD、氨氮、TN、TP 的平均去除率分別提高5.61%、2.11%、5.04%、4.53%，是無紡布截留水中懸浮雜質(zhì)，使出水效果好于SBR 反應(yīng)器，無紡布表層形成的濾餅層具有動態(tài)膜功能，其中含有的生物相對水中污染物有一定的去除效果[33]。 唐云飛等采用無紡布負載平板作為水平流生物膜反應(yīng)器(HFBR)的載體污水處理中試，當進水COD 為150 mg/L、氨氮為22mg/L 時，去除率分別為85.0%和99.5%，與聚乙烯平板相比，無紡布負載平板生物量明顯高于聚乙烯平板[34]。

3 無紡布在富營養(yǎng)水體凈化中的應(yīng)用

我國水環(huán)境問題嚴重，2017 年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示，全國地表水1940 個水質(zhì)斷面(點位)中，劣Ⅴ類161 個，占8.3%；1617 個流域水質(zhì)斷面中，劣Ⅴ類136 個，占8.4%；112 個重要湖泊(水庫)中，劣Ⅴ類12 個，占10.7%。 其中氮、磷是主要污染物，是水體富營養(yǎng)化的主要原因。 無紡布在富營養(yǎng)水體中的應(yīng)用，主要利用其作為生物載體，為植物、微生物生長提供生存環(huán)境，通過生物的收獲以去除水體中的營養(yǎng)鹽，凈化水質(zhì)，通常表面結(jié)構(gòu)復雜的無紡布填料對大分子和懸浮性有機物凈化效果較好，且有利于自然復氧過程[35]。

丁偉林等采用糙紙和無紡布復合材質(zhì)作為種植黑麥草基質(zhì)和載體，黑麥草能有效地利用水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，作為自身生長所需的營養(yǎng)來源，從而不僅解決了水體中營養(yǎng)物質(zhì)帶來的富營養(yǎng)化問題，也解決了自身營養(yǎng)來源問題，達到了生態(tài)循環(huán)利用的目的[36]。

李驊等研究了普通無紡布(普紡)和精制無紡布(精紡)對富營養(yǎng)化河水總氮(TN)與總磷(TP)的處理效果，結(jié)果表明，兩種無紡布材料處理效果均顯著高于對照(污染自然降解)處理組，其中普通無紡布對 TN、 TP 的去除率為41.39% 與39.27%，精制無紡布對TN、 TP 的去除率為52.98%與68.68%[37]。

張玲玲分析了3 種不同固定方式的無紡布人工浮島在應(yīng)用中的優(yōu)缺點，以及無紡布作為浮床材料的可行性和無紡布人工浮島對水體的凈化能力。結(jié)果表明：3 種無紡布浮床結(jié)構(gòu)中，條狀無紡布框架結(jié)構(gòu)操作最簡單且經(jīng)濟。 由于無紡布人工浮島成本低、易操作，如果今后能為廢棄無紡布的處置問題找到出路，無紡布人工浮島在改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)領(lǐng)域?qū)竺娣e推廣使用[38]。

王曉曉等利用小型人工濕地對富營養(yǎng)化水體總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)的影響進行了研究。 研究結(jié)果表明，相比對照來言，隨著處理時間的延續(xù)，兩種實驗處理下富營養(yǎng)化水體中的TN、TP、COD 濃度均顯著降低。 其中，精制無紡布材料對富營養(yǎng)化水體的TN、TP、COD 去除率分別52.62%、63.28%與48.28%，而小型人工濕地對富營養(yǎng)化水體的TN、TP、COD 去除率分別為65.34%、74.24%與58.01%，均顯著高于對照處理。 整體上，植物與無紡布材料組成的小型人工濕地是較好的凈化富營養(yǎng)化水體的組合，可用于富營養(yǎng)水體治理[39]。

此外，稅永紅等還研發(fā)了利用無紡布制作的一種功能強化型生態(tài)浮床應(yīng)用于富營養(yǎng)水體的處理之中[40]。 林向陽采用無紡布對生物慢濾池進行改良，在濾料表面增加無紡布，應(yīng)用于農(nóng)村微污染水處理研究之中，結(jié)果表明，無紡布能夠有效截留懸浮顆粒，濁度的去除效果與無紡布的厚度成正比關(guān)系，對生物慢濾池的濾料具有保護作用，并且能夠增強濾池去污能力[41]。 張國炎以聚丙烯纖維混和天然纖維黃麻、廢棉，開發(fā)應(yīng)用于水土的公路護坡生態(tài)毯，得到棉、PP 和黃麻纖維分別單獨成網(wǎng)，形成以棉為基層、PP 纖維中間層、黃麻疊加之上三層結(jié)構(gòu)針刺無紡布，最利于護坡植被恢復[42]。

段文松等以聚丙烯無紡布鋪設(shè)于U 形斷面溝渠構(gòu)建生態(tài)渠組合人工濕地處理污水，大大降低了人工濕地進水SS 含量[43]。 以無紡布作進水預處理，采用GAC 和ACF 以充填比9 ∶1的凈水工藝，對微污染飲用水有很好的凈化效果[44]。

4 結(jié)語

成本低產(chǎn)量高的無紡布作為水處理材料在工業(yè)廢水、生活污水及富營養(yǎng)水體中已得到一定的應(yīng)用，但仍處于起步階段。 我國作為全球非織造產(chǎn)品最具驅(qū)動力的市場，占有世界46%的市場份額[45]。因此，隨著水資源問題越來越突出，以及環(huán)保標準的提高，無紡布在水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 無紡布在水處理中的應(yīng)用發(fā)展方向主要在以下兩方面：一方面，無紡布作為水處理介質(zhì)，宜采用具有較大比表面積及截面有較深紋理和溝槽的纖維為原料，使其具有更大的粒子捕集性能增強對廢水的處理效果[46]，因而需要根據(jù)廢水污染物性質(zhì)對無紡布進行靶向改性，進一步提升無紡布在水處理應(yīng)用中的優(yōu)勢與處理效果；另一方面，與傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相比較，集成了無紡布的聯(lián)合工藝，其優(yōu)勢明顯，因而需根據(jù)廢水處理要求，研發(fā)相應(yīng)的組合工藝，以降低成本提高處理效果。