無紡布在水處理中的應用研究進展

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成型方法和固結技術制成的新型纖維制品，是一種不需要經過紡紗和織布工序就能形成的織物。 生產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]，既可制成緊密型產品，又可制成膨松性的產品；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、成本低且產量高等優點，在環保、建筑、醫療、服裝、化工、礦業、汽車、航空航天工業等領域得到廣泛應用，近年來在環保領域應用也越來越多[3-8]，被認為是21 世紀的朝陽產業[9]。 不同類型無紡布產品，不僅能過濾除去空氣中的各種微粒、粉塵及異味，提供優質空氣，還用于各種工業廢水處理、生活污水處理及富營養水體的治理之中。

1 無紡布在工業廢水處理中的應用

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

1.1 印染廢水

印染加工及染料生產會產生大量有色廢水，是工業廢水排放大戶。 印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質變化大等特點，屬難處理的工業廢水。 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，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研究。 葉萌等研究表明，由無紡布構建的動態膜生物反應器(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膜，且形成的動態膜性能較大孔徑好，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，楊波等還研發了一種專用于印染廢水處理的反應器，該反應器主體內兩側設有無紡布膜組件，無紡布膜組件與曝氣系統、沉淀池及排泥系統共同構成結構簡單、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，還有多環芳香族化合物和含氮、氧、硫的雜環化合物等。 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勢菌種，并對喹琳、異喹琳和吡啶進行降解試驗，經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]。 方銳采用經殼聚糖改性的聚丙烯無紡布膜組件構建的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PVDF 商品膜處理后的出水進行比較，在試驗內，出水水質穩定，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)廢水是對環境污染最嚴重和對人類危害最大的工業廢水，其水質水量與生產工藝有關，廢水中的重金屬一般不能分解破壞，只能轉移其存在位置和轉變其物化形態降低其毒性。 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。

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，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)皮芯結構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，吸附率穩定在90%左右，該值隨pH 值的增加而降低的結論[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 其他工業廢水

無紡布除了在以上工業廢水處理中得到應用外，還有在以下工業廢水及其他廢水處理中得到應用。 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循環水中氨氮、亞硝酸鹽、磷酸鹽的處理效果對比，經過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盤處理污泥消化液[24]，在進水NH4＋-N 和NO2--N 平均質量濃度分別為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、油漆時表現突出，被電池行業看做是良好的隔膜材料[26]。 連良清設計了一種采用離心方法的無紡布工業污水處理裝置，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、學校、醫院、商店、公共場所及工業企業衛生間等。 生活污水所含的污染物主要是有機物(如蛋白質、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定，容易腐化而產生惡臭，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用。

袁少雄等采用厚0.2cm，比重0.028g/cm2的無紡布構建了容積為99.5L 的5 個無紡布填料組合單元，對經沉淀后的學生宿舍生活污水進行處理，研究表明處理系統15d 對總氮、硝 氮和總磷的凈化效果較對比系統凈化效果分別提高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用于MBR 中的出水水質好，去除效果理想，并且表明無紡布過濾膜的出水水質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，輔以植物浮床構建無紡布植物浮反應器處理生活污水，一年的試驗研究表明，無紡布植物反應器中無紡布在自然條件下經過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器(H 型)處理能力明顯優于沒有懸掛的反應器(N 型)，對CODMn和NH3-N 去除率H 型較N 型反應器提高了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建FSBR 反應器處理生活污水，與SBR 反應器相比較， 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，使出水效果好于SBR 反應器，無紡布表層形成的濾餅層具有動態膜功能，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 無紡布在富營養水體凈化中的應用

我國水環境問題嚴重，2017 年中國生態環境狀況公報顯示，全國地表水1940 個水質斷面(點位)中，劣Ⅴ類161 個，占8.3%；1617 個流域水質斷面中，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，是水體富營養化的主要原因。 無紡布在富營養水體中的應用，主要利用其作為生物載體，為植物、微生物生長提供生存環境，通過生物的收獲以去除水體中的營養鹽，凈化水質，通常表面結構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作為種植黑麥草基質和載體，黑麥草能有效地利用水體中的營養物質，作為自身生長所需的營養來源，從而不僅解決了水體中營養物質帶來的富營養化問題，也解決了自身營養來源問題，達到了生態循環利用的目的[36]。

李驊等研究了普通無紡布(普紡)和精制無紡布(精紡)對富營養化河水總氮(TN)與總磷(TP)的處理效果，結果表明，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用中的優缺點，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。結果表明：3 種無紡布浮床結構中，條狀無紡布框架結構操作最簡單且經濟。 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化水體水質領域將會大面積推廣使用[38]。

王曉曉等利用小型人工濕地對富營養化水體總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)的影響進行了研究。 研究結果表明，相比對照來言，隨著處理時間的延續，兩種實驗處理下富營養化水體中的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化水體的組合，可用于富營養水體治理[39]。

此外，稅永紅等還研發了利用無紡布制作的一種功能強化型生態浮床應用于富營養水體的處理之中[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，應用于農村微污染水處理研究之中，結果表明，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，開發應用于水土的公路護坡生態毯，得到棉、PP 和黃麻纖維分別單獨成網，形成以棉為基層、PP 纖維中間層、黃麻疊加之上三層結構針刺無紡布，最利于護坡植被恢復[42]。

段文松等以聚丙烯無紡布鋪設于U 形斷面溝渠構建生態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 結語

成本低產量高的無紡布作為水處理材料在工業廢水、生活污水及富營養水體中已得到一定的應用，但仍處于起步階段。 我國作為全球非織造產品最具驅動力的市場，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，以及環保標準的提高，無紡布在水處理領域具有廣闊的應用前景。 無紡布在水處理中的應用發展方向主要在以下兩方面：一方面，無紡布作為水處理介質，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]，因而需要根據廢水污染物性質對無紡布進行靶向改性，進一步提升無紡布在水處理應用中的優勢與處理效果；另一方面，與傳統污水處理技術相比較，集成了無紡布的聯合工藝，其優勢明顯，因而需根據廢水處理要求，研發相應的組合工藝，以降低成本提高處理效果。