廢紙漿與硫酸鋁聯用強化混凝沉淀效果研究

黃金陽 盧昌義 林瀾欣

摘 要：使用硫酸鋁與廢紙漿混凝處理地表水，研究廢紙漿對地表水混凝沉淀效果的強化作用。結果表明，當地表水濁度為14.7～21.8 NTU，水溫為12～14℃時，先投加20 mg/L的硫酸鋁，以200 r/ min攪拌1 min后，再投加20 mg/L的廢紙漿，以100 r/min攪拌5 min、50 r/min攪拌10 min，沉淀20 min后出水的濁度為1.37～2.03 NTU，優于單獨使用硫酸鋁的處理效果。同時，廢紙漿的使用還能加快絮體沉降速度，降低出水的CODMn和余鋁含量，起到強化硫酸鋁混凝沉淀效果的作用。該方法既可為新型混凝劑的研制提供參考，也為廢紙漿的高值化利用拓寬思路。

關鍵詞：廢紙漿；硫酸鋁；混凝沉淀

中圖分類號：TS721

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.04.007

Abstract：The treatment effect of surface water through coagulation and sedimentation experiment by combining application of aluminum sulfate and recycled fibers was studied. The enhanced coagulation sedimentation function of recycled fibers was also discussed. The experimental results demonstrated that when the raw water′s turbidity was 14.7～21.8 NTU and temperature was 12～14℃， adding aluminum sulfate with the dosage was 20 mg/L and stiring for 1 min at 200 r/ min， then adding 20 mg/L of recycled fibers and stirring at 100 r/min for 5 min at 50 r/min for 10 min， sedimentation for 20 min， the turbidity of the effluent was 1.37～2.03 NTU， which was improved more than 50% compared with the use of aluminum sulfate alone. The application of recycled fibers not only could increase the settling rate of flocs， but also reduce CODMn and residual aluminum， enhance the coagulation and sedimentation.

Key words：recycled fiber； aluminum sulfate； coagulation and sedimentation

廢紙回收與利用是造紙行業發展循環經濟的必然趨勢，我國的廢紙漿生產規模逐年上升，2015年更是達到6338萬t [1]。除造紙外，為拓寬應用領域并實現高值化利用，廢紙漿還被用于制備凈水吸附劑[2]、高吸水性樹脂[3]和復合材料[4]等方面的研究，較之用于制造某些紙產品具有更廣闊的發展前景。

混凝沉淀是最常用的水處理技術，其處理效果與混凝劑的種類密切相關。常用的無機混凝劑（如硫酸鋁等）經常存在投藥量大，鋁、鐵等殘余成分易超標等問題[5]，而使用聚丙烯酰胺（PAM）等人工合成高分子絮凝劑雖然凈水效果好，但PAM的價格昂貴，且產品中夾雜的丙烯酰胺具有強烈的神經毒性[6]，易造成衛生安全隱患。因此，研制高效安全的凈水混凝劑一直是科研人員關注的熱點。謝菁等人[7]將聚合氯化鋁和三氯化鐵復配用于處理低濁水，可獲得良好的濁度和余鋁去除效果。毛玉紅等人[8]通過混凝實驗發現，投加殼聚糖有助于降低混凝劑用量。因此，將不同藥劑聯合使用以增強混凝沉淀處理效果是可行的。

廢紙漿的主要成分是纖維，具有價廉、可降解、無毒、無污染等特點[9]，被廣泛應用于制備各種功能化材料[10-11]。因此，本課題擬采用廢紙漿與硫酸鋁來處理地表水以降低其濁度和CODMn，并研究廢紙漿的使用條件和強化混凝沉淀處理效果，以期為研制高效安全的水處理混凝劑提供參考，也為實現廢紙漿的高值化利用和應用領域的拓寬提出新思路。

1 實 驗

1.1 實驗材料、藥劑與儀器

以廢舊箱紙板作為原料，制成廢紙漿。將廢紙漿配制成5 g/L的纖維懸浮液。所用地表水濁度為14.7～21.8 NTU，水溫為12～14℃，CODMn（化學需氧量）為4.5～5.2 mg/L。使用的藥劑包括硫酸鋁（分析純），高錳酸鉀（分析純）、草酸鈉（分析純）、硫酸（98%）等。使用的儀器包括JJ-4A六聯數顯同步電動攪拌器、SGZ-2P微機濁度儀、PHS-25 pH計、Thermo Flsher ICE3300原子吸收光譜儀等。

1.2 實驗方法

取6個燒杯分別加入一定量的地表水，置于六聯電動攪拌器上，加入一定量的硫酸鋁，以200 r/min轉速快速攪拌1 min，再加入一定量的廢紙漿，以100 r/min轉速攪拌5 min、50 r /min轉速攪拌10 min，完成后靜置沉淀20 min，取上層清液測定濁度、CODMn、余鋁等指標。濁度采用微機濁度儀測定，CODMn采用高錳酸鹽法測定，余鋁采用石墨爐原子吸收分光光度法測定。

參照上述方法，研究硫酸鋁用量、廢紙漿用量、以及二者的攪拌方式和投加方式等因素對混凝沉淀處理效果的影響。

2 結果分析與討論

2.1 硫酸鋁的用量對地表水濁度處理效果的影響

取濁度為15.52 NTU的地表水，研究硫酸鋁用量對濁度處理效果的影響，實驗結果如圖1所示。由圖1可見，隨著硫酸鋁用量的增大，處理后水的濁度逐漸降低，當用量為40 mg/L時，水的濁度為0.88 NTU，低于生活飲用水衛生標準（GB5749—2006）要求的限值（1 NTU）。雖然處理效果好，但較大的硫酸鋁用量既會增加后續處理成本，又易引起余鋁超標等問題。因此，為了節約處理成本，且不會引起自來水中余鋁超標等問題，本實驗將硫酸鋁的用量控制在20 mg/L。

2.2 廢紙漿對地表水混凝沉淀處理效果的影響

2.2.1 廢紙漿用量對處理效果的影響

取濁度為21.8 NTU、CODMn為4.78 mg/L的地表水，先采用20 mg/L的硫酸鋁對其進行處理，得到水的濁度和CODMn分別為7.30 NTU和2.01 mg/L，再采用不同用量的廢紙漿進行處理，探究廢紙漿對于水的濁度和CODMn處理結果的影響，結果如圖2所示。由圖2可見，地表水經硫酸鋁處理后，再經廢紙漿處理時，隨著廢紙漿用量的增加，濁度和CODMn均呈下降趨勢，當廢紙漿的用量為20 mg/L時，水的濁度和CODMn均最低，分別為1.51 NTU和0.83 mg/L，均已經達到了自來水混凝沉淀的處理要求，而后繼續增大廢紙漿用量，兩項指標變化趨緩，處理結果并無太大差異。因此得出廢紙漿的用量為20 mg/L。

2.2.2 攪拌方式對廢紙漿處理效果的影響

取濁度為21.2 NTU的地表水先使用20 mg/L的硫酸鋁進行處理后，再添加20 mg/L的廢紙漿進行混凝沉淀處理，探究在添加廢紙漿的過程中，不同攪拌方式對混凝沉淀處理后水的濁度影響，結果如表1所示。對比表1中的1#和2#可知，快速階段的高轉速（500 r/min）和中速階段的長時間（10 min）既不利于提高混凝沉淀的處理效果，又會增加能耗；對比表1中的2#與3#可知，延長快速階段的攪拌時間（1 min）、減小中速和慢速的攪拌速度（中速為100 r/min，慢速為50 r/min）對處理效果有一定提升，但不顯著；對比表1中的3#與4#可知，快速階段的低轉速（200 r/min）對于處理效果的影響不顯著；對比表中的4#、5#和6#可知，慢速攪拌的攪拌時間越長，處理效果越好，但影響同樣不顯著。此外，混凝反應過程（即中速和慢速攪拌階段）要求將速度梯度（G值）控制在90～20 s-1、G值和攪拌時間T的乘積（GT值）控制在104～105，僅有3#～5#滿足要求，而快速攪拌僅需滿足藥劑的快速混合即可。因此，綜合考慮混凝沉淀處理效果和能耗，4#攪拌方式較為經濟高效，即200 r/min轉速攪拌1 min，100 r/min轉速攪拌5 min，50 r/min轉速攪拌10 min，處理后的水的濁度為1.37 NTU。

2.2.3 投加方式對廢紙漿處理效果的影響

分別取濁度為21.2 NTU和14.7 NTU的地表水，先采用20 mg/L硫酸鋁進行處理后水的濁度為2.26 NTU，再添加20 mg/L的廢紙漿采用上述4#攪拌方式進行處理，研究廢紙漿的不同投加方式對混凝沉淀處理后水的濁度影響，結果如圖3所示。由圖3可見，兩種濁度的水的處理效果呈現相同趨勢，即在中速攪拌前投加廢紙漿的處理效果最佳，濁度分別為1.37 NTU和2.03 NTU，且處理效果受地表水濁度變化的影響較小。這與常規水處理使用PAM作為助凝劑時要先加混凝劑后加助凝劑的方式類似，符合混凝機理的作用過程。因此，廢紙漿宜在中速攪拌前投加。

2.2.4 廢紙漿對處理后絮體結構和性能的影響

取濁度為21.8 NTU、CODMn為4.78 mg/L的地表水進行混凝沉淀實驗，分別采集只使用20 mg/L的硫酸鋁處理和聯合使用20 mg/L的硫酸鋁和廢紙漿處理的兩種絮體在光學顯微鏡下觀測，結果如圖4所示。由圖4（a）可見，只使用硫酸鋁處理產生的絮體松散且分散均勻，而圖4（b）中，聯合使用硫酸鋁與廢紙漿處理的絮體以纖維為骨架連接聚集，變得大而密實。這表明廢紙漿的使用對于彌補硫酸鋁絮體沉降性能差的缺點有一定幫助。另外，根據斯托克斯公式可知，溶液中絮體變得越密實、顆粒越大越能夠提升絮體的沉降性能，縮短沉淀時間，提高處理效果。因此，本課題取濁度為15.05 NTU的地表水，研究只使用20 mg/L的硫酸鋁以及聯合使用20 mg/L的硫酸鋁和廢紙漿處理過程中沉淀時間對水的濁度影響，結果如圖5所示。

由圖5可見，當沉淀時間為2 min時，只使用硫酸鋁處理和聯合使用硫酸鋁與廢紙漿處理水的濁度分別為 14.7 NTU和8.66 NTU。另外，隨著沉淀時間的延長，水的濁度變化趨勢相同，但各時間點上聯合使用硫酸鋁與廢紙漿處理后的濁度均低于只使用硫酸鋁處理的濁度，且前者在沉淀初期的濁度顯著低于后者。說明廢紙漿既能降低出水的濁度，又可加快絮體的增長和沉降速度，起到了絮體結構改良劑的作用，具有強化混凝沉淀的效果，若能實際應用將有助于縮短沉淀池的設計停留時間、減小占地面積和建設費用。

2.2.5 廢紙漿用量對出水余鋁的影響

過量的鋁會對人體健康造成危害，需要研究控制飲用水中鋁含量的措施，如減少鋁系混凝劑的用量、使用更加安全高效的混凝劑等。因此，取濁度為17.63 NTU的地表水，先使用20 mg/L硫酸鋁進行處理，然后在廢紙漿的最適攪拌和投加方式條件下研究廢紙漿的不同用量對水的余鋁和濁度的影響，結果如圖6所示。

由圖6可見，先使用20 mg/L的硫酸鋁處理地表水后得到的水的濁度和余鋁分別是7.88 NTU和0.95 mg/L，隨著廢紙漿用量的增加，水的濁度和余鋁均逐漸下降，且兩者的變化趨勢一致。其中，廢紙漿用量為20 mg/L時，對濁度的處理效果提升較為顯著。相比于上述處理出水的濁度有所升高，這是由于此次原水的濁度較低（17.63 NTU），水中膠體顆粒量少，碰撞接觸幾率低，絮體成長速度慢，因而處理效果降低。由圖6可以看出，當廢紙漿的用量為20 mg/L時，出水余鋁的含量為0.75 mg/L左右，已經達到了地表水混凝處理后出水余鋁含量的要求；另外，余鋁的含量是隨著廢紙漿的用量增加不斷降低的。這一方面是由于余鋁能夠在除濁過程中一并被去除，這與王志紅等人[13]的研究結果相似；另一方面是由于廢紙漿中的纖維素對鋁離子的吸附和取代反應所致。Kim Juyoung等人[14]在酸性溶液中進行改性，使游離的鐵離子、鋁離子取代纖維素分子鏈上的OH-中的H+，制備出木質纖維素吸附劑。基于此，本實驗中的纖維素在鋁水解后產生的弱酸性條件下，也存在與游離鋁離子發生反應的可能性，其反應如圖7所示。

由此可知，鋁離子與廢紙漿中的纖維在酸性條件下會發生取代反應，使得水溶液中的鋁離子濃度降低。因此，如果持續增加廢紙漿的用量，雖然可以繼續降低余鋁含量，但是會造成沉淀池的污泥量增加，并導致廢紙漿中纖維的浪費，提高生產成本，因此廢紙漿與硫酸鋁聯合使用時的用量為20 mg/L即可。

3 結 論

3.1 將廢紙漿與硫酸鋁聯合使用處理地表水，當地表水濁度為14.7～21.8 NTU，水溫為12～14℃，先投加硫酸鋁，用量為20 mg/L，以200 r/ min轉速攪拌1 min后再投加廢紙漿，用量為20 mg/L，繼續以100 r/min轉速攪拌5 min、50 r/min轉速攪拌10 min，沉淀20 min后，出水的濁度為1.37～2.03 NTU，優于單獨使用硫酸鋁的處理效果。

3.2 廢紙漿的使用可以強化硫酸鋁的混凝沉淀處理效果，既能提高絮體的沉降性能、縮短沉淀時間，又能一定程度上降低CODMn和余鋁的含量。

3.3 將廢紙漿作為一種新型的水處理藥劑與硫酸鋁聯合使用，其研究可為混凝沉淀處理技術提供新的參考，又可為廢紙漿的高值化利用拓寬思路。同時，由于廢紙漿中還含有造紙過程中添加的填料和增白劑等成分，以及在制漿過程中未能完全脫除的油墨等雜質，在加入水中后可能對水質產生一定影響，具體影響效果有待今后進一步研究。

參 考 文 獻

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（責任編輯：吳博士）