聚合氯化鋁預(yù)處理麥草制漿造紙廢水的實(shí)驗(yàn)研究

宋曉喬，白晉民，任天龍，陳娟，吉錚，馬欣彤

(1.西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710043；2.西安創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，陜西 西安 710086；3.深圳市普新環(huán)境資源技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518117；4.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，陜西 西安 710119)

造紙廢水污染較嚴(yán)重且難降解[1]，我國(guó)北方地區(qū)，以河南一林造紙廠為例，主要是以麥草進(jìn)行制漿，其制漿廢水中難生物降解的物質(zhì)較多，BOD/COD值≤0.3，可生化性較差[2]?？紤]采用混凝法對(duì)其預(yù)處理，以期提高可生化性，為后續(xù)生物處理單元做好前期準(zhǔn)備工作。研究中主要對(duì)混凝劑聚合氯化鋁的用量、pH值、轉(zhuǎn)速、PAM的種類和用量進(jìn)行優(yōu)化，確定了PAC混凝法的最佳工藝參數(shù)。較早應(yīng)用的脫色吸附劑是活性炭，其內(nèi)部細(xì)孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大[3]，因而對(duì)水中溶解的有機(jī)污染物具有很強(qiáng)的吸附能力，從而達(dá)到有效脫除廢水中的顏色。本文最后將PAC混凝法在最佳工藝參數(shù)下運(yùn)行的處理效果與活性炭吸附效果作以比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

水樣，取自河南一林造紙廠污水處理站曝氣池中(從表觀上看，該水樣顏色偏深，有刺鼻的惡臭味且雜質(zhì)較多，實(shí)測(cè)色度為160，pH為6.53，CODCr為1 150 mg/L);聚合氯化鋁(PAC)、陽(yáng)離子型助凝劑(CPAM)、非離子型助凝劑(NPAM)、陰離子型助凝劑(APAM)、NaOH、硫酸、鹽酸重鉻酸鉀、硫酸銀試亞鐵靈指示劑、硫酸亞鐵銨等均為分析純。

DSHZ-300A旋轉(zhuǎn)式裝置；CODCr測(cè)試裝置(自組裝)；AB104-N電子天平；UV-2000分光光度計(jì)；梅宇MY3000-6智能混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 混凝實(shí)驗(yàn) 工藝中各參數(shù)的最優(yōu)值通過(guò)單因素法確定，一般將需要測(cè)的量定為變量，根據(jù)所給的參考值設(shè)定其他參數(shù)。以PAC的用量為例：首先各取100 mL的麥草漿造紙廢水到6個(gè)500 mL燒杯中，并標(biāo)記為1，2，3，4，5，6，用NaOH(濃度為10%)和稀鹽酸(濃度為10%)將6組水樣的pH調(diào)節(jié)到7.00，將PAC溶液(濃度為10%)用量按標(biāo)號(hào)從1～6依次添加1，1.5，2，3，4，5，6 mL，在室溫下，以一定的程序用智能混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀進(jìn)行混凝反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后取出沉淀，取其上清液，分別測(cè)定吸光度、色度和CODCr值，并將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，計(jì)算其去除率。具體程序見表1。

表1 混凝程序-1Table 1 Coagulation procedure-1

1.2.2 活性炭實(shí)驗(yàn) 首先各取100 mL的水樣加入6個(gè)250 mL的錐形瓶中，并按順序從1～6進(jìn)行標(biāo)號(hào)，然后按順序分別加入活性炭0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 g。在設(shè)定參數(shù)下進(jìn)行反應(yīng)：振蕩溫度為40 ℃，振蕩強(qiáng)度為160 r/min，振蕩時(shí)間為1 h，沉降時(shí)間為3 h。水樣沉淀后，取其上層清液，分別測(cè)其吸光度、色度和CODCr值。

1.3 分析方法

CODCr值以重鉻酸鹽法測(cè)定。

脫色率是利用分光光度法測(cè)麥草制漿造紙廢水在某一特定波長(zhǎng)下的吸光度，然后計(jì)算求得。

色度以稀釋倍數(shù)法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC用量的影響

實(shí)驗(yàn)方法同1.2.1節(jié)，由于測(cè)得聚合氯化鋁用量為1 mL，即1 g/L時(shí)其處理效果最佳，為排除實(shí)驗(yàn)誤差，故再分別取PAC用量為0.2,0.4,0.6,0.8 mL進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖1。

圖1 PAC用量對(duì)混凝效果的影響Fig.1 Effect on coagulation with PAC dosage

由圖1可知，麥草制漿造紙廢水脫色率和CODCr去除率隨著聚合硫酸鋁用量的增加，均呈現(xiàn)先增加至趨于動(dòng)態(tài)的平穩(wěn),然后迅速下降再趨于動(dòng)態(tài)的平穩(wěn)的趨勢(shì)。同時(shí)，觀察到當(dāng)PAC用量超過(guò)一定量(比如PAC用量為3 mL時(shí))，其處理效果下降，PAC用量超過(guò)5 mL以后，脫色率幾乎趨于零。圖中可以看出有兩個(gè)最高點(diǎn)，分別是聚合氯化鋁的用量為1 mL(即1 g/L)和3 mL(即3 g/L)時(shí)，而聚合氯化鋁的用量為1 mL(即1 g/L)脫色率達(dá)到87.6%以上，且CODCr去除率在75.4%，聚合氯化鋁的用量為3 mL時(shí)脫色率達(dá)到90%，效果高于用量為1 mL時(shí)但用量卻多出了2倍，CODCr去除率為71.8%。綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，聚合氯化鋁的用量為1 mL時(shí)麥草制漿造紙廢水的處理效果最佳。因此，確定聚合氯化鋁(PAC，10%)的最佳用量為 1 g/L。

2.2 pH的影響

pH值按從1～5的順序調(diào)節(jié)至5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，其中PAC用量為1 mL,結(jié)果見圖2。

圖2 pH值對(duì)混凝效果的影響Fig.2 Effect on coagulation with pH

由圖2可知，用PAC(聚合氯化鋁)混凝劑處理麥草制漿造紙廢水時(shí)，隨著廢水pH值的增加，CODCr去除率的曲線呈現(xiàn)先增加后減小最后趨于動(dòng)態(tài)的平穩(wěn)趨勢(shì)；脫色率呈波浪曲線，出現(xiàn)了兩個(gè)波峰，分別在pH值為6.0和8.0時(shí)出現(xiàn)，由圖中可以看出pH值為6.0時(shí)比pH值為8.0時(shí)的處理效果好。綜合考慮出水pH指標(biāo)及處理效果，其廢水的pH在6.0時(shí)混凝法的總處理效果最佳。因此，確定聚合氯化鋁混凝實(shí)驗(yàn)的最佳pH值為6.0。

2.3 轉(zhuǎn)速的影響

6組水樣，轉(zhuǎn)速按標(biāo)號(hào)從1～6依次為80，90，100，110，120，130 r/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中pH調(diào)節(jié)到6.0，PAC(濃度為10%)的用量為1 mL，結(jié)果見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)混凝效果的影響Fig.3 Effect on PFS coagulation with speeds

由圖3可知，不同轉(zhuǎn)速的PAC混凝法預(yù)處理麥草制漿造紙廢水時(shí)，色度和COD兩種處理效果曲線呈波動(dòng)式現(xiàn)象，曲線走勢(shì)大致相同，基本上呈正態(tài)分布，先升后降。PAC的轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)脫色率和CODCr去除率效果最佳。因此，確定聚合氯化鋁混凝實(shí)驗(yàn)中的最佳轉(zhuǎn)速為100 r/min。

表2 混凝程序-2Table 2 Coagulation procedure-2

2.4 助凝劑種類的影響

在上述最佳條件下，3組水樣按標(biāo)號(hào)分別投加1 mL的NPAM、APAM、CPAM(3種助凝劑濃度均為0.5%)，具體的程序見表2，結(jié)果見表3。

表3 不同助凝劑種類對(duì)聚合氯化鋁混凝實(shí)驗(yàn)影響數(shù)據(jù)一覽表Table 3 Effect on different coagulant types on PAC coagulation test

由表3可知，在聚合氯化鋁混凝的優(yōu)化條件下，添加不同種類的助凝劑(PAM用量相同)處理麥草制漿造紙廢水，APAM(陰離子助凝劑)的脫色率和CODCr去除率的效果最好。因此，確定PAC混凝法選用陰離子型助凝劑。

2.5 APAM用量的影響

在上述最佳條件下，4組水樣按標(biāo)號(hào)從1～4依次添加0.5，1，1.5，2 mL的濃度為0.5%的APAM,結(jié)果見圖4。

圖4 APAM用量對(duì)混凝效果的影響Fig.4 Effect on coagulation with APAM dosage

由圖4可知，PAC混凝法處理造紙廢水時(shí)，隨著APAM的用量不斷增加，脫色率和CODCr去除率的曲線呈拋物線趨勢(shì)(即處理效果先增加后減小)。在最大峰值處即APAM(助凝劑)用量為50 mg/L時(shí)處理效果最佳。因此，確定聚合氯化鋁混凝時(shí)最佳APAM用量為50 mg/L。

2.6 活性炭用量對(duì)廢水處理效果的影響

實(shí)驗(yàn)方法同1.2.2節(jié)，結(jié)果見圖5。

圖5 活性炭用量對(duì)廢水處理效果的影響Fig.5 Effect on treatment wastewater with the amount of activated carbon

有研究表明，當(dāng)吸附質(zhì)分子的大小與活性炭顆粒成一定比例時(shí)，最有利于活性炭吸附[3-4]，故出現(xiàn)了圖5中曲線的最大峰值?；钚蕴款愃埔环N非極性吸附劑，所以，活性炭吸附水中非極性物質(zhì)的能力要大于極性物質(zhì)，一般情況下可提取的有機(jī)物都是極性比較大的，所以活性炭可吸附有機(jī)物[3]，由圖5可知，隨著活性炭用量的增加，脫色率及CODCr去除率均大致呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，先增加后減小，當(dāng)活性炭用量為5 g/L時(shí)處理水樣的效果最佳，因此，確定活性炭吸附法處理造紙廢水的最佳用量為5 g/L，CODCr去除率和脫色率分別為42%和71.3%。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)PAC混凝劑用量、pH值、轉(zhuǎn)速、助凝劑種類和助凝劑的用量的影響因素進(jìn)行優(yōu)化，確定了最佳參數(shù)為混凝劑PAC用量為1 g/L、混凝pH值為6.0，混凝轉(zhuǎn)速為100 r/min，助凝劑種類為APAM以及APAM用量為0.05 g/L，CODCr去除率為78.2%，脫色率為81.8%；活性炭最佳用量為5 g/L，CODCr去除率和脫色率分別為42%和71.3%。PAC混凝法比活性炭處理麥草制漿造紙廢水的效果好，作為麥草制漿造紙廢水的預(yù)處理工藝，將會(huì)對(duì)后續(xù)工藝提供良好的條件。