廢紙纖維對聚合氯化鋁鐵的助凝效果研究

黃金陽，王偉藝

（廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105）

廢紙是一種重要的二次資源，對其進行回收再利用能夠變廢為寶和保護環境[1]。近年來，全球的廢紙利用率普遍較高，英國廢紙利用率高達84.5%，中國的廢紙利用率也接近74%[2]。隨著廢紙回收利用率的提高，中國的廢紙漿生產規模逐年上升，2015年更是達到6.338×107t，占全年紙漿總產量的79.38%[3]。雖然回收利用率較高，但廢紙仍主要用于生產低端紙品，產品的附加值較低。為提高廢紙的回收率和產品附加值，一些學者研究將廢紙應用于制備橡膠復合材料、導電紙、吸附劑和吸水樹脂等方面，既降低了相關材料的生產成本，又能實現廢紙的高值化利用[4-7]。

聚合氯化鋁鐵（PAFC）是一種集鋁系和鐵系混凝劑優點于一身的新型復合混凝劑，形成絮體速度快，吸附能力強，能降低濁度和色度。為了提高水處理效果，PAFC也常與助凝劑（如聚丙烯酰胺、活化硅酸等）配合使用，以增強處理效果，減少加藥量，提高水質的衛生安全性[8-9]。本文以廢紙為原料自制廢紙纖維懸浮液作為助凝劑，研究其對PAFC處理地表水的助凝效果及對水質的適應性，以期為PAFC的應用和混凝沉淀處理技術提供參考，也為廢紙的資源化利用研究開拓新思路。

1 試驗

1.1 材料與儀器

采用回收的蛋托作為廢紙原料，經濕式攪拌疏解后配制成10 g/L的纖維懸浮液使用。水樣取自廈門大學嘉庚學院內地表水，其濁度為4.84～26.6 NTU，水溫為17～18℃，pH為7.5～8.5。所用PAFC為飲用水級，加水配制成濃度為10 g/L的溶液。所用的儀器包括JJ-4A六聯數顯同步電動攪拌器、SGZ-2P微機濁度儀、JRM-01濕式破碎機、PHS-25pH計以及BSA224s分析天平等。

1.2 試驗方法

取若干個燒杯分別加入一定量的原水，置于六聯電動攪拌器上，加入一定量的PAFC和廢紙纖維，依次以300 r/min的轉速快速攪拌1 min，150 r/min的速度中速攪拌6 min，50 r/min的轉速慢速攪拌9 min，攪拌完成后靜置沉淀20 min，取上層清液測定濁度，計算濁度去除率。

根據以上試驗步驟，改變PAFC的投加量、廢紙纖維的投加量和投加時間點、攪拌方式、原水濁度和pH等因素，研究廢紙對PAFCF的助凝效果和二者配合使用對水質的適應性。

2 結果分析與討論

2.1 單獨使用PAFC時投加量對混凝沉淀效果的影響

當原水濁度為21.8 NTU時，單獨使用PAFC處理地表水，研究PAFC投加量對混凝沉淀效果的影響，結果如圖1所示。

圖1 PAFC投加量對濁度處理效果的影響

由圖1可見，隨著PAFC投加量的增加，濁度呈先下降后上升的趨勢，當投加量為20 mg/L時處理效果最好，濁度為2.61 NTU，濁度去除率為87.97%，而后繼續增大投加量，濁度反而上升。這是因為適量的PAFC能夠通過壓縮雙電層和電中和作用使水中的大部分膠體粒子脫穩，并在水力攪拌作用下聚集成絮體，經過沉淀被去除；而過量的PAFC則會使被電中和后的膠體粒子重新帶上正電而“再穩定”，影響了粒子的碰撞接觸效果，故處理效果下降。為更好地體現助凝劑的處理效果，確定助凝試驗中PAFC的投加量為10 mg/L，相應的剩余濁度為3.78 NTU，濁度去除率為82.58%。

2.2 廢紙纖維的投加量對助凝效果的影響

當原水濁度為21.8 NTU，PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維在快速攪拌前投加，研究廢紙纖維投加量對PAFC助凝效果的影響，結果如圖2所示。

圖2 廢紙纖維投加量對濁度處理效果的影響

由圖2可見，隨著廢紙纖維投加量的增加，出水的濁度逐漸降低，去除率逐漸升高，當廢紙纖維投加量為30 mg/L時，出水濁度為1.45 NTU，濁度去除率可達93.35%，相比單獨使用PAFC處理后的出水濁度下降61.64%，濁度去除率提升10.77個百分點。而后繼續增大廢紙纖維投加量，出水濁度反而升高，濁度去除率有所下降。這是因為，一方面纖維狀的廢紙纖維能夠通過吸附架橋作用使生成的微小絮體快速成長為大絮體，有利于絮體的快速沉淀分離，從而提高處理效果；另一方面，廢紙纖維的主要成分為纖維素和半纖維素，其具有較大的比表面積和吸附能力，能夠在一定程度上吸附脫穩后的膠體和懸浮物，提高濁度處理效果。但是，當廢紙纖維的投加量過多時，其中含有較多難以沉降的細小纖維，高濃度的廢紙纖維可能阻礙PAFC與膠體、膠體與膠體之間的碰撞接觸，故而影響處理效果。因此，廢紙纖維對PAFC處理地表水具有較好的助凝作用，在本試驗條件下廢紙纖維的最佳投加量為30 mg/L。

2.3 廢紙纖維投加時間點對助凝效果的影響

當原水濁度為9.43 NTU，PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為30 mg/L，研究廢紙纖維投加時機的變化對PAFC混凝沉淀處理效果的影響，結果如圖3所示。

圖3 廢紙纖維投加時間點對濁度處理效果的影響

由圖3可見，廢紙纖維的不同投加時機對助凝效果有一定影響，在快速攪拌前投加廢紙纖維其助凝效果最好，出水濁度為0.79 NTU，濁度去除率為91.62%；在中速攪拌前投加處理效果略有下降；慢速攪拌前投加的處理效果最差。這是因為PAFC與水中膠體顆粒反應迅速，脫穩的膠體在快速攪拌作用下即開始碰撞接觸生成小絮體，而快速攪拌能夠使加入水中的廢紙纖維快速、均勻分散，并提前加入到絮體的生成過程中，可加快絮體的生長速度，增強網捕效果。反之，在慢速攪拌前投加廢紙纖維，此時的絮體已經成型，加入的廢紙纖維僅能起到網捕功能，其助凝作用將大打折扣。因此，在快速攪拌前加入廢紙纖維有利于提高PAFC的混凝沉淀處理效果。

2.4 攪拌速度對廢紙纖維助凝效果的影響

混凝過程中，水力攪拌的作用主要是為了提高混凝體系中各物質之間碰撞接觸的概率，提高處理效果。由于快速攪拌的時間較短，慢速攪拌的轉速較小，相比之下起到承上啟下作用的中速攪拌速度更值得研究。當原水濁度為21.8 NTU，PAFC的投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為20 mg/L時，在快速攪拌前投加廢紙纖維，分別以三種中速攪拌速度進行混凝沉淀試驗，研究不同攪拌速度對廢紙纖維助凝效果的影響，結果如圖4所示。

圖4 攪拌速度對濁度處理效果的影響

由圖4可見，當攪拌速度為100 r/min時處理效果最好，出水濁度為1.53 NTU，濁度去除率為92.98%，而后隨著中速攪拌速度的增大，處理效果逐漸變差。這是因為適中的攪拌速度有利于提升絮體之間的碰撞接觸概率，促進絮體的生長，而過大的攪拌速度能耗較高，其產生的水力剪切作用易將已經形成的較大絮體打碎，影響絮體的網捕和沉降性能，反而導致處理效果變差。因此，本試驗條件下適宜的中速攪拌速度為100 r/min。

2.5 原水濁度對廢紙纖維助凝效果的影響

當PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為20 mg/L，按照1.2試驗方法中的步驟進行試驗，研究不同濁度原水對廢紙纖維助凝效果的影響，并與單獨使用10 mg/L PAFC的處理效果相比較，結果如圖5所示。

圖5 不同濁度原水對濁度處理效果的影響

由圖5可見，隨著原水濁度的增大，二者的濁度去除率均呈先增大后減小的趨勢，且投加廢紙纖維助凝劑的效果明顯好于單獨使用PAFC的情況。這是因為低濁度水中的膠體顆粒含量少，與混凝劑和助凝劑的碰撞接觸概率低，相應生成的絮體少，故處理效果較差；但當濁度較高時，又由于PAFC的投加量不足（僅為10 mg/L），膠體顆粒脫穩不徹底，因而導致處理效果下降。此外，投加廢紙纖維對PAFC處理不同濁度的原水均具有較好的助凝作用，濁度去除率可增加5～8個百分點。因此，廢紙纖維作為助凝劑與PAFC配合使用適于處理不同濁度的原水。

2.6 pH對廢紙纖維助凝效果的影響

當PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為20 mg/L時，按照1.2試驗方法中的步驟進行試驗，研究不同原水pH對廢紙纖維助凝效果的影響，結果如圖6所示。

由圖6可見，隨著pH值的提高，出水濁度呈先下降后緩慢上升的趨勢，濁度去除率則相反，近中性偏堿性條件下處理效果較好，特別是pH為8時，出水濁度低至1.32 NTU，相應濁度去除率為89.05%。pH值的變化會對處理效果產生影響，其主要因為pH值太低會使PAFC的水解過程受到抑制，太高又會導致已生成的Al（OH）3和Fe（OH）3絮體部分溶解，進而減弱PAFC與廢紙纖維相互之間的協同增效作用，影響處理效果。因此，廢紙纖維與PAFC配合使用對近中性偏堿性的水質有更好的處理效果。

3 結論

本文以廢紙纖維為助凝劑，通過混凝沉淀試驗研究其對PAFC的助凝效果及對水質的適應性，獲得以下結論：廢紙纖維對PAFC處理地表水具有較好的助凝作用，當原水濁度為21.8 NTU，PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為30 mg/L時，出水濁度為1.45 NTU，濁度去除率可達93.35%，相比單獨使用PAFC處理后的出水濁度下降61.64%，濁度去除率提升10.77個百分點；使用廢紙纖維助凝劑時，宜在快速攪拌前投加，并采用100 r/min的中速攪拌速度；廢紙纖維與PAFC配合使用適于處理不同濁度的原水，且近中性偏堿性條件下處理效果較好。