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聚氯化铝和聚丙烯酰胺对中段废水协同沉淀处理的研究

发布时间:2014-03-10 已被浏览:230 次

近年来,我国造纸工业发展迅速,但由此造成的环境污染问题也越来越突出,这在一定程 度上制约了行业的可持续发展。制浆造纸废水污染负荷高,含有大量的木素、纤维素、半纤维素及其衍生物等多羟基有机物,其中的木素及其衍生物在生物处 理中难以分解,是影响废水治理达标的主要因素[1]。虽然黑液可以通过碱回收得以处理,但在以生化处理为主的中段废水处理中,木素的存在增加了中段废水处理的难度。混凝法是向废水中投入一定量的混凝剂,使废水中难以自然沉淀的胶体污染物和一部分细小的悬浮物经过脱稳、凝聚、架桥等反应过程形成絮凝体沉淀,从而达到分离目的[2]。中段废水在生化处理之前,可通过混凝法除去部分污染物,特别是木素成分,这将大大降低后期生化处理的难度。目前常用的絮凝剂有无机 高分子絮凝剂和有机高分子絮凝剂两大类, 前者如聚合氯化 铝、聚合硫酸铁等, 后者如聚丙烯酰胺等[3]。不同絮凝剂对 废水具有不同的沉淀特性,因此人们对如何筛选以及协同使 用高效廉价的絮凝剂非常感兴趣。在造纸废水的处理中, 科学合理地复配使用絮凝剂不仅可以大大降低后期生化工程的处理负荷,同时该方法 适应性强,基建投资低、管理简单,可以实现低成本条件下造纸废水的达标治理。基于此,本文以聚合氯化铝(PAC)、聚氯化铝铁(PACF) 和阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM) 为对象,研究了它们单独和复配使用时对中段废水的絮凝沉淀效果。

实验

材料与仪器

废水为造纸中段废水,取自四川某造纸厂制浆工段,其性质如表1 所示。聚氯化铝(PAC)、 聚氯化铝铁(PACF)、阳离子聚 丙烯酰胺(CPAM) 均为工业品。 PHS-3C 型精密酸度仪,WGZ-200 浊度仪,HI99724A-6 生化耗氧量(BOD5) 测定仪, HI99721 微电脑化学耗氧量 (COD) 测定仪,总有机碳测定仪 (Liqui TOC)。

实验方法

沉淀实验在500mL 量筒中 进行。将500mL 废水试样转入量筒中,缓慢搅拌 (60 r·min-1), 滴加浓度10% 盐酸至设定pH 值。用少量水分散絮凝剂PAC ( 或PACF),定量加入废水中,维持搅拌1min,静置1h,取上 清液分析浊度、总固形物 (TS) 与COD 值。协同絮凝实验时, 在加入PAC ( 或PACF) 后搅拌 1min,然后继续加入CPAM 至设定浓度,搅拌1 m i n 后静置1h, 取上清液进行相关分 析。

结果和讨论

pH 对PAC 絮凝效果的影响 使用单一絮凝剂处理废水时,聚合氯化铝(PAC)比聚氯化铝铁表现出更好的沉淀效果,其絮凝作用受废水pH 值影响 较大。碱性条件下,PAC 电离将受到影响,从而降低其絮凝作 用[4]。PAC 沉淀处理废水,研究发现在较低pH 条件下絮凝沉淀效果更好,废水浊度和总固形物浓度(TS)下降明显。

不同pH条件下PAC 对废水的沉淀效果

PAC浓度1200mg·L-1。 如图1所示,pH8.0 时,废水的浊度和TS去除率分别是2.1% 和11.5%,而在pH5.0 条件下其去 除率分别达96.1% 和15.6%,进一 步下调pH值时没有发现明显的浊度和TS变化。考虑到调酸将导致废水盐浓度逐渐加大以 及增加处理成本,因此PAC 沉 淀处理废水的适宜pH 值是5.0。

PAC 絮凝浓度的确定废水沉淀处理中,通常随 着絮凝剂浓度增加,絮凝效果愈加明显。但当絮凝剂超过一定浓度后其作用效率就会降 低,甚至导致废水污染负荷增加[5],此外也会导致废水处理成本升高。如图2 所示,PAC 在较低浓度 (200mg·L-1) 时对废水的絮凝沉淀作用较弱,废水的浊度、COD 和TS浓度变化不大,去除率较低。随着PAC 浓度的增加,废水浊度、COD和TS去除率逐渐加大,当PAC 增至1200mg·L-1时,废水浊度、 COD 和TS去除率分别上升至94.2%、52.7%和16.7%。实验发现,随PAC 浓度进一步增加,废水浊度、COD和TS去除率相对稳定,因此PAC沉淀处理废水的适 宜浓度是1200mg·L-1。试验发现,在pH5.0条件下,经1200mg·L-1PAC 沉淀处理1h后,造纸废水颜色明 显变浅,其色度由初始的2000倍降至1400倍。

PAC 和CPAM的协同絮凝作用

如前所述,经PAC处理后, 废水污染负荷降低十分有限,其总固形物去除率仅达16.7%。废水具有较高的污染负荷,每升废 水的总固形物浓度通常达几万 至几十万毫克。在使用单一絮凝剂时,如此高的TS 浓度使得所形成的絮凝体难以沉降,导 致污染物去除率较低。因此, 实验中使用了协同絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺(CPAM),以改善沉淀效果。CPAM 一方面可以 形成新的絮凝体,另一方面由于 CPAM 具有较大的分子量,它可以促进小絮凝体的聚集,从而加速污染物的沉淀去除。 实验中分别探讨了PACCPAM 以及PACF-CPAM 对废 水的协同絮凝效果,控制PAC ( 或PACF) 与CPAM 的使用比 例为10??1(质量比)。如表2 所示,在PACF 和CPAM 协同 使用时,随絮凝剂投加量的变化废水TS去除率变化不大。 然而在PAC-CPAM 的复合絮 凝体系中,CPAM 改善了PAC 的沉淀效果,表现出良好的助凝作用。当PAC和CPAM 的 使用浓度分别为1 200mg·L-1 和 120mg·L-1时,废水TS去除率上

 不同浓度PAC对废水的沉淀效果注沉淀pH 5.0。

PAC(PACF)和CPAM对废水的协同絮凝作用絮凝剂CPAM投加量 /(mg L-1) 浊度 /NTU 浊度去 除率/% TS /(mg L-1) TS去除 率/% PAC+ CPAM 60 44.5 70.3 27 900 21.9 90 39.4 73.7 26 500 25.8 120 24.9 83.4 24 000 32.8 150 29.7 80.2 25 100 29.7 PACF+ CPAM 60 38.3 74.5 28 700 19.6 90 25.5 83.0 28 000 21.6 120 20.5 86.3 27 600 22.7 注 PAC(PACF)与CPAM的使用比例为10:1(质量 比),PAC-CPAM和PACF-CPAM沉淀pH分别 为5.0和6.0。

环保与综合利用 升至32.8%。研究发现进一步提高絮凝剂使用量时,废水处理效果反而变差,这可能由于在高絮凝剂浓度条件下,污染物絮 凝体表面被絮凝剂分子饱和,不再有结合空位,小的絮凝体难以聚集沉降。此外,游离的絮凝剂因空间位阻效应以及增 大废水黏度可使分散体系更加稳定,从而引起污染物难以有效沉淀去除。

pH 对PAC-CPAM协同絮凝效果的影响

PAC 与CPAM 复配使用时,其絮凝作用受废水pH值影响较大。这是由于H+大小影响到絮凝剂的分子形态及电荷分布,从 而影响分子间的相互作用[6]。同时,协同絮凝作用的最适pH 也受废水自身性质所影响。废水中的主要污染物是木素衍生物, 它在碱性条件下以钠盐形式存在,完全溶解而体现亲水胶体性质。酸性条件下,H+取代碱木素中的Na+,使碱木素成为不溶 性木素[7],进而在PAC的絮凝 以及与CPAM 的相互作用下,废水取得良好的沉淀效果。

利用CPAM(120mg·L-1) 和PAC(1200mg·L-1) 协同处理废水,随着pH的降低,造纸废水的浊度、TS和COD 去除率逐渐升高。此外废水颜色较明显变浅,其色度由原来的2000倍降至800倍。事实上,研究发现,在pH5.0条件下加入CPAM后,立即出现较大矾花,污染物沉淀迅速,同时污泥体积较小,表明在酸性条件下PAC与CPAM对废水具有良好的协同絮凝作用。实验中进一步下调pH时没有发现明显的COD和TS变化,基于操作和成本的考虑,可以认为PAC和CPAM 协同处理废水的适宜pH 值是5.0。

结论

聚氯化铝(PAC)对中段废水具有较强的絮凝作用,其絮凝行为受pH影响较大,酸性环境有利于PAC对废水的絮凝沉淀。

在中段废水的絮凝处理中,阳离子聚丙烯酰胺(CPAM) 对PAC具有明显的助凝作用。PAC-CPAM协同沉淀效果明显好于单独使用PAC的沉淀效果。在PAC-CPAM协同作用下,废水沉淀迅速,污泥体积小,浊度、总固形物和COD 去除率较高,同时废水色度降低明显。PAC-CPAM对废水的协同絮凝处理有利于废水后续生化处理的高效运行。

本文作者:申琳、何强等人;作者单位:《中国农业大学食品科学与营养工程学院》

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