硫酸鋁預處理對麥草制漿造紙廢水脫色效果研究

宋曉喬，馬傳澍，任天龍，黨珂瑄，方睿

(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(chuàng)業(yè)水務有限公司，陜西 西安 710086)

“欲治淮河必先治沙潁河”，沙潁河上中游用麥草制漿造紙的廠子居多，造紙廢水是構成其水環(huán)境污染的主要來源之一，也是沙潁河上中游重污染行業(yè)污染治理的關鍵。其廢水色度大，直接排放對水體造成污染，目前由于草漿造紙廢水可生化性普遍較差[1]，制漿造紙廢水直接采用二級生化法處理效果不好[2-3]，探討常見的混凝劑硫酸鋁對麥草漿造紙廢水的脫色效果，主要優(yōu)化的影響因素有：混凝劑的用量、pH值、混凝攪拌強度、助凝劑種類和助凝劑的用量，確定了工藝最佳參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

水樣，取自沙潁河上中游具有代表性的河南許昌某造紙廠麥草制漿造紙廠的污水處理站曝氣池中。該水樣色度偏深，有惡臭味，含雜質較多，實測pH為6.53，色度(稀釋倍數(shù))為160；硫酸鋁、陽離子型助凝劑(CPAM)、陰離子型助凝劑(APAM)、非離子型助凝劑(NPAM)、鹽酸、硫酸、NaOH均為分析純。

梅宇MY3000-6智能混凝試驗攪拌儀；AB104-N電子天平；UV-2000分光光度計。

1.2 分析方法

采用分光光度法在波長410 nm[4]下測麥草制漿造紙廢水的吸光度，確定其脫色率；色度以稀釋倍數(shù)法測定。

1.3 實驗方法

1.3.1 硫酸鋁混凝法 采用環(huán)境工程單因素法確定各參數(shù)的優(yōu)化值，需測的量為變量，根據(jù)參考值設定其他參數(shù)。以硫酸鋁用量為例：取5個100 mL水樣于500 mL的燒杯中，編號1、2、3、4、5、6號，用濃度為10%的NaOH和濃度為10%的稀鹽酸調節(jié)其pH為7.00。1，2，3，4，5，6 mL的硫酸鋁(濃度為 100 g/L)，在室溫下，以一定的程序于智能混凝試驗攪拌儀中進行混凝反應，反應結束后取出沉淀，取其上清液，分別測定吸光度和色度，并將數(shù)據(jù)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

1.3.2 臭氧氧化法 取500 mL水樣到8個1 000 mL的量筒中，用臭氧發(fā)生器(300 mg/h)對水樣進行曝氣，臭氧反應時間分別為15，20，25，35，45，60，90，120 min，將反應后水樣測其吸光度、色度，并將數(shù)據(jù)記錄下來。

2 結果與討論

2.1 混凝工藝優(yōu)化

2.1.1 硫酸鋁用量的影響 按照1.3.1節(jié)實驗方法步驟進行，結果見圖1。由于硫酸鋁用量為1 mL，即1 g/L時其處理效果最佳，為排除實驗誤差，故再取硫酸鋁用量為0.5 mL進行實驗。

圖1 硫酸鋁用量對混凝效果的影響Fig.1 Effect on coagulation with Al2(SO4)3 dosage

由圖1可知，在一定范圍內隨著硫酸鋁用量的增加，麥草制漿造紙廢水脫色率增加，然后隨著混凝劑用量的增加，脫色率呈動態(tài)平衡，到后期略有降低。硫酸鋁用量為1 mL時，造紙廢水處理的脫色效果是最佳的。這是由于在混凝劑加入量少時，混凝不充分，而混凝劑用量過多時，過多的混凝劑包圍廢水中微粒，致使該微粒失去與其他微粒結合的機會，從而達到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，不易凝聚，因此混凝效果變差，以致逐漸趨于平衡[5-6]。由于硫酸鋁用量為0.5 mL時處理效果明顯比硫酸鋁用量為1 mL時的處理效果差，因此綜合經(jīng)濟技術指標對比，最終確定硫酸鋁的最佳用量為1 mL，即1 g/L。

2.1.2 pH值的影響 先取5個500 mL燒杯，pH值按從1～5的順序調節(jié)到4.0，5.5，7.0，8.5，10.0，其硫酸鋁(濃度為10%)用量為1 mL，其余條件同1.3.1節(jié)步驟，結果見圖2。

圖2 pH值對硫酸鋁混凝效果的影響Fig.2 Effect on Al2(SO4)3 coagulation with pH

由圖2可知，隨著水樣pH值的增大，造紙廢水處理的效果呈波動式現(xiàn)象，脫色率出現(xiàn)兩個波峰，硫酸鋁混凝在pH值為5.5～6時的脫色效果好，Al3+在最佳pH值范圍內會水解成單核及多核羥基絡離子，其具有電中和能力，能吸附微粒以壓縮雙電層，從而使微粒脫穩(wěn)，混凝效果較好[5]。而造紙廢水出水要求為6～9，如果選擇pH<6，處理之后還需要再加藥品調節(jié)，而由圖中可以看出5.5～6之間的脫色率相差不大。因此，綜合考慮確定硫酸鋁混凝時的最優(yōu)pH值為6.0。

2.1.3 混凝轉速的影響 6組水樣，pH調節(jié)到6.0，硫酸鋁(濃度為10%)的用量為1 mL。混凝程序中反應階段的轉速按燒杯標號從1～6依次為80，90，100，110，120，130 r/min進行實驗，其余條件同1.3.1節(jié)步驟，結果見圖3。

圖3 不同轉速對硫酸鋁混凝效果的影響Fig.3 Effect on Al2(SO4)3 coagulation with speeds

由圖3可知，麥草制漿造紙廢水處理效果呈倒U型，轉速為100 r/min時的造紙廢水的脫色率最佳。轉速過高時易使絮體碎裂，導致混凝形成的礬花沉降速度減慢，出水的效果變差；而轉速過低時則反應不充分，混凝時產(chǎn)生的礬花或絮體少而影響處理的效果。因此，確定硫酸鋁混凝法的最佳轉速為100 r/min。

2.1.4 PAM(助凝劑)種類的影響 2個500 mL燒杯，從1～3分別加入NPAM、APAM和CPAM，其中硫酸鋁的用量為1 mL，助凝劑用量為1 mL，pH為6.0，混凝程序見表2，其余條件同1.3.1節(jié)步驟，結果見表3。

表2 混凝程序-2Table 2 Coagulation procedure-2

表3 不同種類助凝劑對硫酸鋁混凝實驗效果的影響Table 3 Effect on different coagulant types onAl2(SO4)3 coagulation test

投加助凝劑可以提高有機物去除率[7]。由表3可知，在硫酸鋁混凝的優(yōu)化條件下，添加不同種類助凝劑(用量相同)處理麥草制漿造紙廢水，CPAM的脫色率效果最好。因此，確定在硫酸鋁的混凝選用陽離子型助凝劑。

2.1.5 CPAM用量的影響 4個500 mL燒杯按標號從1～4依次加0.5，1，2，3 mL的CPAM(0.5%)，其中硫酸鋁的用量為1 mL，pH為6.0，混凝程序見表2，其余條件同1.3.1節(jié)步驟，結果見圖4。

圖4 CPAM用量對混凝效果的影響Fig.4 Effect on Al2(SO4)3 coagulation with CPAM dosage

由圖4可知，隨著CPAM(陽離子)用量的增加，脫色率曲線的趨勢呈拋物線，先增加后減小。CPAM從1 mL增加到1.75 mL中，絮聚體體積明顯增大，沉降速度明顯加快。綜合考慮經(jīng)濟技術指標，因此確定硫酸鋁混凝的最佳助凝劑(陽)的用量為1.75 mL，即0.087 5 g/L，此時脫色率為83.2%。

2.2 臭氧對麥草制漿造紙廢水處理效果

步驟見1.3.2節(jié)，結果見圖5。

由圖5可知，隨著臭氧用量的增加，脫色率不斷地增加，后趨于動態(tài)平衡，而CODCr去除率呈波動式現(xiàn)象，最后也趨于動態(tài)平衡。經(jīng)綜合考慮，當臭氧通入時間為90 min(即用量為450 mg/L)時，其處理效果較好。因此，確定在臭氧法處理造紙廢水工藝中最佳臭氧用量為450 mg/L。實驗結果表明，O3對CODCr、BOD5去除效果不明顯，而對木素去除效果明顯。這是由于臭氧作氧化劑來分解廢水中的有機物時，對纖維素、木素的氧化沒有選擇性，在反應中O3作為兩性離子參加反應，能選擇分解發(fā)色基團。造紙廢水的主要致色物質為木質素及其衍生物，而臭氧能有效地降解木質素，脫色效果非常明顯。故臭氧的脫色效果較為明顯。

圖5 臭氧用量對廢水處理效果的影響Fig.5 Effect on wastewater treatment with dosage of O3

3 結論

通過對混凝劑用量、pH值、轉速、助凝劑種類和助凝劑的用量的影響因素進行優(yōu)化后，最佳參數(shù)如下：硫酸鋁用量為1 g/L，pH值為6.0，混凝轉速為100 r/min，助凝劑種類為CPAM，CPAM用量為0.087 5 g/L，其脫色效果顯著，脫色率為83.2%。而臭氧脫色率為49.1%，硫酸鋁脫色效果比臭氧脫色效果強1.7倍。