聚合氯化鋁預處理麥草制漿造紙廢水的實驗研究

宋曉喬，白晉民，任天龍，陳娟，吉錚，馬欣彤

(1.西安建筑科技大學華清學院 土木工程學院，陜西 西安 710043；2.西安創業水務有限公司，陜西 西安 710086；3.深圳市普新環境資源技術有限公司，廣東 深圳 518117；4.陜西師范大學 地理科學與旅游學院，陜西 西安 710119)

造紙廢水污染較嚴重且難降解[1]，我國北方地區，以河南一林造紙廠為例，主要是以麥草進行制漿，其制漿廢水中難生物降解的物質較多，BOD/COD值≤0.3，可生化性較差[2]。考慮采用混凝法對其預處理，以期提高可生化性，為后續生物處理單元做好前期準備工作。研究中主要對混凝劑聚合氯化鋁的用量、pH值、轉速、PAM的種類和用量進行優化，確定了PAC混凝法的最佳工藝參數。較早應用的脫色吸附劑是活性炭，其內部細孔結構發達，比表面積大[3]，因而對水中溶解的有機污染物具有很強的吸附能力，從而達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下運行的處理效果與活性炭吸附效果作以比較。

1 實驗部分

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較多，實測色度為160，pH為6.53，CODCr為1 150 mg/L);聚合氯化鋁(PAC)、陽離子型助凝劑(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旋轉式裝置；CODCr測試裝置(自組裝)；AB104-N電子天平；UV-2000分光光度計；梅宇MY3000-6智能混凝實驗攪拌儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 混凝實驗 工藝中各參數的最優值通過單因素法確定，一般將需要測的量定為變量，根據所給的參考值設定其他參數。以PAC的用量為例：首先各取100 mL的麥草漿造紙廢水到6個500 mL燒杯中，并標記為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調節到7.00，將PAC溶液(濃度為10%)用量按標號從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驗攪拌儀進行混凝反應，反應結束后取出沉淀，取其上清液，分別測定吸光度、色度和CODCr值，并將數據記錄下來，計算其去除率。具體程序見表1。

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

1.2.2 活性炭實驗 首先各取100 mL的水樣加入6個250 mL的錐形瓶中，并按順序從1～6進行標號，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。在設定參數下進行反應：振蕩溫度為40 ℃，振蕩強度為160 r/min，振蕩時間為1 h，沉降時間為3 h。水樣沉淀后，取其上層清液，分別測其吸光度、色度和CODCr值。

1.3 分析方法

CODCr值以重鉻酸鹽法測定。

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

色度以稀釋倍數法測定。

2 結果與討論

2.1 PAC用量的影響

實驗方法同1.2.1節，由于測得聚合氯化鋁用量為1 mL，即1 g/L時其處理效果最佳，為排除實驗誤差，故再分別取PAC用量為0.2,0.4,0.6,0.8 mL進行實驗,結果見圖1。

圖1 PAC用量對混凝效果的影響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，均呈現先增加至趨于動態的平穩,然后迅速下降再趨于動態的平穩的趨勢。同時，觀察到當PAC用量超過一定量(比如PAC用量為3 mL時)，其處理效果下降，PAC用量超過5 mL以后，脫色率幾乎趨于零。圖中可以看出有兩個最高點，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，而聚合氯化鋁的用量為1 mL(即1 g/L)脫色率達到87.6%以上，且CODCr去除率在75.4%，聚合氯化鋁的用量為3 mL時脫色率達到90%，效果高于用量為1 mL時但用量卻多出了2倍，CODCr去除率為71.8%。綜合考慮技術經濟指標，聚合氯化鋁的用量為1 mL時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的順序調節至5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，其中PAC用量為1 mL,結果見圖2。

圖2 pH值對混凝效果的影響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，隨著廢水pH值的增加，CODCr去除率的曲線呈現先增加后減小最后趨于動態的平穩趨勢；脫色率呈波浪曲線，出現了兩個波峰，分別在pH值為6.0和8.0時出現，由圖中可以看出pH值為6.0時比pH值為8.0時的處理效果好。綜合考慮出水pH指標及處理效果，其廢水的pH在6.0時混凝法的總處理效果最佳。因此，確定聚合氯化鋁混凝實驗的最佳pH值為6.0。

2.3 轉速的影響

6組水樣，轉速按標號從1～6依次為80，90，100，110，120，130 r/min進行實驗，其中pH調節到6.0，PAC(濃度為10%)的用量為1 mL，結果見圖3。

圖3 轉速對混凝效果的影響Fig.3 Effect on PFS coagulation with speeds

由圖3可知，不同轉速的PAC混凝法預處理麥草制漿造紙廢水時，色度和COD兩種處理效果曲線呈波動式現象，曲線走勢大致相同，基本上呈正態分布，先升后降。PAC的轉速為100 r/min時脫色率和CODCr去除率效果最佳。因此，確定聚合氯化鋁混凝實驗中的最佳轉速為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組水樣按標號分別投加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，結果見表3。

表3 不同助凝劑種類對聚合氯化鋁混凝實驗影響數據一覽表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組水樣按標號從1～4依次添加0.5，1，1.5，2 mL的濃度為0.5%的APAM,結果見圖4。

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

由圖4可知，PAC混凝法處理造紙廢水時，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(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時處理效果最佳。因此，確定聚合氯化鋁混凝時最佳APAM用量為50 mg/L。

2.6 活性炭用量對廢水處理效果的影響

實驗方法同1.2.2節，結果見圖5。

圖5 活性炭用量對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，當吸附質分子的大小與活性炭顆粒成一定比例時，最有利于活性炭吸附[3-4]，故出現了圖5中曲線的最大峰值。活性炭類似一種非極性吸附劑，所以，活性炭吸附水中非極性物質的能力要大于極性物質，一般情況下可提取的有機物都是極性比較大的，所以活性炭可吸附有機物[3]，由圖5可知，隨著活性炭用量的增加，脫色率及CODCr去除率均大致呈現拋物線趨勢，先增加后減小，當活性炭用量為5 g/L時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 結論

通過對PAC混凝劑用量、pH值、轉速、助凝劑種類和助凝劑的用量的影響因素進行優化，確定了最佳參數為混凝劑PAC用量為1 g/L、混凝pH值為6.0，混凝轉速為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處理工藝，將會對后續工藝提供良好的條件。