微氣泡曝氣和納米絮凝組合工藝處理再造煙葉廢水的試驗

董亞梅

(上海市機電設計研究院有限公司，上海 200040)

再造煙草又稱煙草薄片，是將碎煙葉末、煙梗及碎煙葉片等煙葉下腳料在水或有機溶劑中浸泡，經分離、萃取、打漿處理后，將漿料在造紙機上干燥成型制成[1]。再造煙草可大幅提高煙葉的利用率，且產品品質穩定，理化性能可調控，能明顯降低煙草煙氣中的有毒有害物質的含量，具有相當的經濟和社會效益[2]。但在再造煙葉生產過程中，會產生大量的廢水，通常生產一噸薄片需要排放50～70 t廢水[3]。再造煙草廢水具有成分非常復雜、水質波動大、色度高、固體懸浮物(SS)濃度高的特點，其中有機污染物主要以纖維素及其水解產物為主[4]。再造煙草廢水現行處理工藝較為繁復，且運行費用高，總排水質不穩定，而近年來興起的微氣泡曝氣技術，可有效去除煙草的SS，降低COD及氨氮濃度，已有相關文獻報道將微納米氣浮技術應用于煙草薄片廢水[5]。微氣泡曝氣設備產生的微納米氣泡相對于普通宏觀氣泡有著巨大的比表面積，有利于氣液傳質，表面帶電荷，水體中上升速度非常緩慢，可長時間停留在水體[6]。微納米氣泡的表面電荷產生電勢差ζ電位，氣泡體積越小則界面處ζ電位越高，以空氣為介質的微氣泡ζ電位為-20～-17 mV，相應地，對水體中帶電粒子的吸附性能也越強[7]。微氣泡破裂的瞬間，因為氣液界面的劇變，界面上聚焦的能量瞬間釋放，可激發產生大量的羥基自由基[8]。羥基自由基的氧化電位為2.8 eV，具有超強氧化作用，可降解水中難降解的有機污染物[9]。同時以稀土元素鈰為助劑與傳統的鋁系絮凝劑及粉末活性炭相結合，復配制備出兼具吸附和絮凝作用的納米絮凝劑，可加快絮凝沉降速度，并提高色度、濁度和COD的去除率[10]。因此，將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結合處理再造煙葉廢水，根據微納米氣泡的表面具有帶電性及納米絮凝劑兼具吸附和絮凝的特性，利用兩者的耦合作用縮短微氣泡曝氣時間，減少絮凝劑使用量，考察不同微氣泡曝氣時間、納米絮凝劑投加量及兩者共同作用對煙草廢水COD的去除效果，爭取在較短的微曝氣時間和較少的絮凝劑使用量的條件下，達到COD較高的去除效果。本研究將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結合處理再造煙葉廢水，為減少絮凝劑的使用量，降低再造煙草廢水處理運行費用提供了數據支持，對降低再造煙草生產中對環境的影響有重要價值。

1 試驗部分

1.1 主要試劑和儀器

試驗用煙草廢水取自云南省昆明市某薄片廠曝氣池出水，廢水水質指標：pH 值為6～7，CODCr為120～160 mg/L。

A型微氣泡曝氣器(上海電氣清能能源有限公司，外觀尺寸為200 mm×Φ32 mm)，DR890多參數比色計、DRB200 COD消解器、 sensION pH測定儀(以上儀器購自美國哈希公司)，MS3000激光粒度分析儀(英國馬爾文儀器公司)，JJ-6A六聯自動升降攪拌器(常州國華電器有限公司)。

1.2 試驗和分析方法

納米絮凝劑的制備：首先將硫酸鋁鉀配成15%的溶液，根據以往研究經驗，分別按照20 g/L和2 mg/L復配活性炭和硝酸鈰，在60 ℃下，攪拌滴加25%氫氧化銨溶液，保溫靜置反應3 h，棄去上層清液，用去離子水清洗2～3次，即得到高效復合吸附絮凝劑[11]。將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結合處理再造煙葉廢水，具體過程如下：取一定量的再造煙葉廢水放入微氣泡曝氣裝置中，連續循環曝氣24 h，每隔2 h取樣測定COD，并取未曝氣和不同曝氣時間后的廢水1 000 mL，加入一定量的納米絮凝劑和高分子絮凝劑(PAM)，磁力攪拌器200 r/min下攪拌30～60 s，混合均勻后靜置10～30 min，待溶液沉淀分層，取上清液，在哈希DR890多參數比色計上分析，按照相應程序測定廢水和上清液的COD，計算COD去除率。

2 結果與討論

2.1 微氣泡曝氣氣泡粒徑分布

微納米氣泡是指氣泡發生時直徑在幾十微米到數百納米的氣泡，這種氣泡介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規氣泡所不具備的物理與化學特性。微納米氣泡的產生方式主要有加壓溶氣法、水力空化法、葉輪剪切法和膜法等[12]。本試驗采用設備屬于水力空化法中的射流噴射，是將水力旋轉切割和空氣混合兩種技術結合，通過對進氣口和進水口以及喉管部分的精確計算，保證產生的微納米氣泡的直徑和數量，并對適配水泵的流量和壓力進行控制，使其成為一套完整的微氣泡曝氣系統。圖1為粒度分析儀檢測到的微納米氣泡的粒徑分布圖。由圖1可知，體積占比最高的粒徑為40 μm，且分布相對集中，說明本次試驗采用的微氣泡曝氣設備產生的氣泡均勻。

圖1 微納米氣泡的粒徑分布圖Fig.1 Particle Size Distribution of Microbubbles

2.2 微氣泡曝氣時間對再造煙葉廢水COD去除率的影響

將100 L的再造煙葉廢水放入微氣泡曝氣裝置中，開啟器連續循環曝氣24 h，每隔2 h取樣測定COD，結果如圖2所示。廢水中的COD隨著時間的推移逐漸降低，中間數據有波動，最終CODCr從147 mg/L降低到100 mg/L左右，并穩定在100 mg/L水平，曝氣24 h后COD去除率在30%左右。曝氣24 h內，微氣泡曝氣對再造煙草廢水COD的平均去除速率為1.61 mg/(L·h)。以上數據也證實微納米曝氣產生的羥基自由基對再造煙葉廢水的COD有一定的去除效果。由COD下降趨勢線可知，微氣泡曝氣4 h左右，再造煙葉廢水中COD的下降速度較快，對COD去除率達到16%，可達到24 h曝氣COD去除率的50%，后續20 h的曝氣與前4 h曝氣降低COD的效果幾乎相同。考慮到微納米氣泡曝氣的能耗很高，延長曝氣時間會大大增加能耗，因此，僅單獨采用微氣泡曝氣降低再造煙葉廢水中COD，曝氣時間控制在4 h較為經濟可行。后續如要進一步降低COD，需與其他工藝相配合。

圖2 微氣泡曝氣時間對再造煙葉廢水COD的去除效果Fig.2 Effect of Microbubble Aeration Time on COD Removal of Reconstituted Tobacco Wastewater

2.3 納米絮凝劑投加量對再造煙葉廢水COD去除率的影響

納米絮凝劑是在鋁鹽絮凝劑的基礎上，加入活性炭和稀土元素作為助劑復配，制備出兼具吸附和絮凝效果的高效復合吸附絮凝劑，用量為3%(V/V)，對印染廢水處理效果較好，濁度、色度的去除率均為95%以上，COD去除率接近90%[11]。將其應用于再造煙葉廢水，投加量為1%～5%(V/V)，去除效果如表1所示。

表1 納米絮凝劑添加量對再造煙葉廢水COD去除率的影響

隨著納米絮凝劑投加量的增加，COD去除率也明顯提高，從18.4%提高到66.7%，其中有兩個投加量對COD的去除率提高幅度較大，2%的投加量比1%對COD的去除率提高23.3%，4%的投加量比3%對COD的去除率提高16.7%，在1%～5%的投加量中，2%和4%的投加量對COD的去除提高幅度較大。后續微氣泡曝氣后再造煙葉廢水的處理也選擇2%和4%的投加量，比較微曝氣時間對不同劑量納米絮凝劑去除COD效果的影響。

2.4 納米絮凝劑投加量對微氣泡曝氣后再造煙葉廢水COD去除率的影響

將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結合處理再造煙葉廢水，分別向微氣泡曝氣不同時間的再造煙葉廢水中加入一定量的納米絮凝劑和PAM，經絮凝反應后測定前后的COD，結果如表2所示。

表2 納米絮凝劑添加量對微氣泡曝氣后再造煙葉廢水COD去除率的影響

由表2可知，不同的納米絮凝劑添加量(2%、4%)對不同曝氣時間的再造煙葉廢水COD去除率基本在60%以上，最高可達88%左右。相對于未經微氣泡曝氣的廢水(曝氣時間為0 h)，投加2%的絮凝劑后COD去除率為41.7%；而經過2 h以上微氣泡曝氣，同樣投加2%納米絮凝劑，COD去除率整體提高20%以上；4%絮凝劑投加量的COD去除率也整體提高20%以上。試驗結果也證實，經過微氣泡曝氣后，微納米氣泡表面的電荷將水體中的有機污染物吸附，在納米絮凝劑的作用下形成膠團離開水相，進而提高了納米絮凝劑的COD去除效果。

2.5 微氣泡曝氣時間和納米絮凝劑投加量對再造煙葉廢水COD去除率的共同影響

本試驗的主要目的是利用微氣泡曝氣和納米絮凝劑的耦合作用，盡可能縮短微氣泡曝氣時間，減少絮凝劑使用量，爭取在較短的曝氣時間和較少的絮凝劑使用量下，達到較高的COD去除效果。不同的曝氣時間和絮凝劑投加量對COD去除率的匯總數據如圖3所示。

圖3 微氣泡曝氣時間和納米絮凝劑添加量對再造煙葉廢水COD去除率的共同影響Fig.3 Effects of Microbubble Aeration Time and Nano Flocculant Dosage on COD Removal Rate of Reconstituted Tobacco Wastewater

結合表1的數據可知，經過微氣泡曝氣后，2%的納米絮凝劑投加量可將COD去除率從未經曝氣時的41.7%提高到63.5%，已達到未經曝氣廢水中投加4%納米絮凝劑的COD去除率(63%)，而4%投加量的COD去除率也從63.0%提高到78.5%。按照COD去除率為60%測算，經過微氣泡曝氣后，納米絮凝劑的用量可減少一半(從4%到2%)，可大幅減少絮凝劑的使用成本。由圖3可知，延長微曝氣時間對納米絮凝劑較低投加量(2%)的有益影響超過高加藥量(4%)，微曝氣每增加1 h，2%絮凝劑投加量對COD的去除率提高0.76%，而4%投加量對COD的去除率僅提高0.5%，納米絮凝劑的低投加量(2%)對COD去除率的提高幅度高于4%的高投加量。根據前述數據將工藝條件設定為：微則曝氣時間控制在4 h，納米絮凝劑投加量在2%，則COD去除率為60%，較為經濟可行。

3 結論

(1)微氣泡曝氣24 h，對再造煙葉廢水的COD去除率可達到30%，曝氣4 h對COD的去除率可達16%。

(2)納米絮凝劑投加量為1%～5%，隨著投加量的增加，COD去除率從18.4%提高到66.7%，其中2%和4%的投加量對COD去除率的提高幅度較大。

(3)微氣泡曝氣和納米絮凝劑結合的處理工藝設定為：微曝氣時間控制在4 h，納米絮凝劑添加量在2%，則COD去除率為60%，較為經濟可行。