絮凝自過濾工藝處理秸稈機械漿廢水的研究

唐怡聰 張 鵬，* 蘇河山 謝志琪

(1.北京化工大學生命科學與技術學院，北京，100029;2.山東海利源綠色包裝材料有限公司，山東鄒平，256200)

我國每年產生約7億t農作物秸稈，因此，加強農作物秸稈綜合利用具有重要意義［1］。機械法制漿的得率可達80%，污染物發生量較少。制漿廢水處理技術按原理可分為物理法、化學法和生物化學法［2］。譚桂香等［3-4］對玉米稈、棕櫚空果串、棉稈的機械漿廢水的SS、COD、BOD和pH值進行檢測發現，由于機械法制漿過程中沒有加入化學藥品，因此可采用絮凝法處理機械漿廢水。

目前，我國秸稈機械漿技術尚在起步階段，秸稈機械漿廢水中主要污染物為纖維懸浮物、膠體物質和秸稈帶入的泥沙，溶解物質的含量比較少。本試驗采用斜篩過濾+沉淀+絮凝自過濾水處理工藝對秸稈機械漿廢水進行處理，并對處理后廢水回用過程中主要污染物(SS、DCS、DS、CS等)含量的變化進行分析。

1 試驗

1.1 原料與儀器

在山東海利源綠色包裝材料有限公司進行本次試驗，該廠以小麥秸稈為原料，采用機械法制漿。具體制漿工藝流程為:小麥秸稈通過皮帶運輸機進渦流撕裂機，達到均混狀態后，泵送到CY700Z分解機(磨盤不同于傳統鋼磨，為不同材質的復合型磨盤，直徑700 mm，運行時可產生持久的高溫，達120℃以上)中，通過分解機內非對稱性磨盤的機械力磨漿后進漿池，調整漿池濃度約為2%(加入回用水)后，通過斜篩濃縮使漿濃約為4%，最后用雙磨盤對粗漿進行磨漿。秸稈機械漿得率為83%，打漿度15°SR。整個制漿過程中不添加化學藥品，工程出水為1500 t/d，廢水全部來自制漿車間，車間出水經處理后全部回用。制漿車間出水中固體懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、溶解及膠體物質(DCS)、膠體物質(CS)、溶解物質(DS)含量及工廠設定的回用水指標如表1所示。

表1 車間出水及工廠設定回用水指標 mg/L

由表1可知，車間出水中DS含量較少，僅為300 mg/L，主要由無機鹽和單糖等組成;SS含量為1880 mg/L，主要由纖維和泥沙組成;CS含量為420 mg/L，主要為大分子蛋白質和多糖。因此，秸稈機械漿廢水中主要污染物能夠通過絮凝處理有效去除。

聚合氯化鋁(PAC)，山東鄒平金泰環保材料有限公司;聚丙烯酰胺(PAM)，北京托普戴克科技發展公司;沸石，山東鄒平金泰環保材料有限公司;其他試劑均為國產分析純。

9030A鼓風干燥箱，上海精宏;CTL-25消解儀，承德華通;TE-124S電子天平，德國賽多利斯;721可見分光光度計，上海舜宇恒平;PH-HJ90B pH計，北京宏昌信科技有限公司;ZATE PALS表面電位分析儀，美國Brook Heaven儀器公司。

1.2 秸稈機械漿廢水處理工藝流程

車間出水首先通過斜篩的過濾作用去除部分大纖維和泥沙，之后進入一級沉淀池，停留時間為3 h，在一級沉淀池中通過自身沉降作用去除沉降系數大的泥沙及纖維，一級沉淀池出水進推流池中并在推流池入口處加入PAC，然后推流池出水進二級沉淀池中，最后將二級沉淀池出水泵送至絮凝自過濾塔中，同時在絮凝自過濾塔入口處加入PAM和助濾劑沸石。處理后的廢水通過絮凝自過濾塔上部自行溢流出水并回用到制漿車間，絮凝物則在積累到一定量后進行脫水(脫出的水進一級沉淀池)，最后送至生物肥料車間。具體工藝流程如圖1所示。

1.3 絮凝自過濾塔

絮凝自過濾塔內，廢水中的絮凝物在自身重力作用下沉降，通過間斷地添加助濾劑沸石可使絮凝物形成更大、更密實的絮凝團，從而更有利于絮凝物的沉降。絮凝自過濾塔內的水流方向為由下至上，因此在絮凝物自身重力和水流向上推力的共同作用下可在絮凝自過濾塔中下部形成致密的絮凝物過濾層。絮凝物過濾層對廢水起到進一步吸附和過濾作用，能夠大大降低水流速度對絮凝效率的影響，在保證絮凝物過濾層不被沖破的前提下，可增加進水流量，大大提高廢水處理效率，并可連續操作。由于絮凝物過濾層是絮凝自過濾塔中絮凝物自身形成的，而不是人工添加的強制過濾裝置，因此不存在濾網堵塞問題，也無需進行濾網反沖洗，可大大節約生產成本。

1.4 分析方法

廢水中 SS、DCS、DS及 CS采用質量法測定［5-6］，COD按國家標準 HJT 399—2007(快速消解分光光度法)測定［7］。

2 結果與討論

2.1 斜篩過濾及一級沉淀池沉淀對廢水的影響

通過斜篩和一級沉淀池預處理制漿車間出水，可去除廢水中的一部分SS、COD、DCS等，且可大大降低絮凝劑的消耗量。廢水經斜篩及一級沉淀池預處理后的水質及各污染物的去除率分別如表2和圖2所示。

由表2和圖2可知，通過斜篩過濾及沉淀預處理后，廢水中的SS、COD、DCS、CS均不同程度降低，而DS含量沒有變化;SS、COD、DCS、CS的去除率分別為 21.8%、17.0%、8.3%、11.9%，而 DS去除率為0，這是因為斜篩過濾和沉淀作用主要對不溶物質有效。廢水中SS和COD的去除率均較高，這是由于秸稈機械漿廢水中的污染物主要為纖維、CS及部分泥沙，這些物質可通過微濾和沉淀預處理被有效地去除。

圖1 秸稈機械漿廢水回用工藝流程圖

表2 廢水預處理段的水質數據

圖2 斜篩過濾和沉淀預處理對廢水中污染物去除率的影響

由于纖維有一定長度且相對較大，在斜篩過濾時易被過濾去除，而CS在靜置沉淀過程中的沉降系數較小，因此，斜篩過濾和沉淀預處理對DCS的去除率小于對SS的去除率。

2.2 絮凝處理對回用水水質的影響

2.2.1 不添加絮凝劑

在正常生產情況下，不添加絮凝劑，連續72 h監測絮凝自過濾塔出水(回用水)中SS、DCS、DS、CS的含量及COD的變化情況(見圖3)，并觀察回用水水質變化對制漿生產的影響。

從圖3可以看出，隨著系統運行時間的延長，回用水中SS、COD、DCS、DS、CS均不同程度增加;系統運行20 h后，回用水中SS含量在3000 mg/L附近波動，并沒有不斷增加，這可能是因為:①回用水中SS不斷積累，某些大顆粒SS可作為晶核或吸附質網捕捉廢水中微小SS，從而形成更大的絮凝團，因此，在絮凝自過濾塔靜置沉淀過程中能夠去除部分SS;②由于回用水中SS含量增多，機械漿可能吸附更多SS并將其帶出系統。

圖3 不添加絮凝劑時回用水的水質

由圖3可知，在系統運行30 h后，回用水中DS含量的增加趨勢變緩，這是因為存在一定的溶解平衡，隨回用水中DS的增多，其溶解更加困難，溶解速率減緩。由于CS的直徑及沉降系數較小，因此未添加絮凝劑時，其不易通過沉降去除，只有少部分CS能夠被大顆粒SS吸附去除。隨回用水中CS的不斷積累，其被大顆粒SS吸附的幾率增大，因此，隨著系統的運行，回用水中CS含量的增加趨勢逐漸變緩。

回用水中SS、CS、DS含量的變化情況均會影響COD的變化趨勢。由圖3可知，當系統運行約30 h時，回用水中COD的增加趨勢逐漸變緩。

回用水中SS、COD、DCS、DS在24、48 h處均有波動，這是由于補充了清水。

在不添加絮凝劑的情況下，回用水水質達不到工廠設定的回用水水質指標，回用水的利用會影響制漿車間的生產，主要表現在:①壓力篩濾水網布的濾水性能下降，降低了生產效率;②用壓力篩篩漿時，回用水有增稠現象，篩鼓易堵塞。

2.2.2 添加絮凝劑

根據工藝流程，在相應位置加入絮凝劑，PAC、PAM及沸石的添加量分別為100 mg/L、15～20 mg/L及2 g/L。

在系統運行的最初階段，為了使絮凝自過濾塔內能夠形成穩定的絮凝層，控制進水量為35 m3/h，為設計負荷的50%，并加入沸石，以便形成絮凝物過濾層。系統運行穩定后，逐步增加進水量，最后進水量達設計負荷(60 m3/h)。連續168 h監測回用水水質，結果如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可看出，在系統運行約6 h后，回用水中 SS、COD、DCS、DS、CS就達到了動態平衡，SS、COD、DS、CS、DCS在 170、600～700、140、180、340 mg/L波動，SS、COD、DCS、CS、DS去除率分別為 88.4%、80.7%、48.5%、50.5%、51.7%。這主要是因為加入的陽離子絮凝劑PAC中和了污染物顆粒表面所帶的負電荷，消除污染物顆粒間的排斥作用，且高分子絮凝劑PAM通過吸附架橋機理可使污染物顆粒聚集，沸石能夠使污染物顆粒形成更大的絮凝團，有利于絮凝團的沉降，也有利于絮凝自過濾塔中絮凝層的形成，最終達到去除廢水中污染物的目的。試驗結果表明，添加絮凝劑后，回用水水質達到工廠設定的回用水水質指標，說明微濾+沉淀+絮凝自過濾水處理工藝對秸稈機械漿廢水的處理效果顯著，為連續生產提供保障。該工藝已于2010年通過當地環保部門的環評。

3 結論

在國內首條秸稈機械漿生產線上采用斜篩過濾+沉淀+絮凝自過濾水處理工藝對秸稈機械漿廢水進行處理，并對處理后廢水回用過程中主要污染物(SS、DCS、DS、CS等)含量的變化進行分析。結果表明，在聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)及沸石添加量分別為100 mg/L、15～20 mg/L、2 g/L的條件下，SS、COD、DCS、DS、CS去除率分別為88.4%、80.7%、48.5%、51.7%、50.5%，回 用水 中 SS、COD、DCS、DS、CS質量濃度分別為 170、600～700、340、140、180 mg/L，符合工廠設定的廢水回用質量要求。

［1］陶 偉，魏鳳娟.安徽省農村秸稈綜合利用研究［J］.安徽農業科學，2010，38(27):15194.

［2］鞠 琰.麥草漿造紙中段廢水深度處理研究［D］.山東:山東輕工業學院，2007.

［3］譚桂香，徐永建.玉米稈、棕櫚空果串、棉稈化機漿廢水的處理和綜合利用［J］.湖南造紙，2008(3):36.

［4］譚桂香，徐永建.機械漿廢水的處理和綜合利用［C］//中國造紙學會第十三屆學術年會論文集.北京，2008:154.

［5］國家環?？偩?水和廢水監測分析方法［M］.北京:中國環境科學出版社，2002:105.

［6］張春輝，秦夢華，詹懷宇.廢紙漿水體系中DCS的分析技術［J］.上海造紙，2006，37(1):52.

［7］馬建疆，蘇補拽.分光光度法COD的快速測定［J］.內蒙古環境保護，2006，18(2):35.