废纸浆对聚合氯化铝处理低浊水的助凝效果研究

摘要：以废纸浆为助凝剂，通过混凝沉淀烧杯实验研究其对聚合氯化铝（PAC）的助凝效果及处理低浊水的适应性。 结果表明，当原水浊度为21.8 NTU，PAC 投加量为10 mg/L 时，适宜的废纸浆投加量为20 mg/L，处理后出水浊度为 2.89 NTU，相比单独使用PAC 的出水浊度降低47%。废纸浆宜在快速搅拌前投加，并采用100 r/min 的速度进行中 速搅拌，其对较高浊度和弱碱性的低浊水有更好的助凝效果。废纸浆的使用能够提高浊度去除率，降低CODMn 和铝、 铁含量，且出水的多数水质指标已能满足GB 5749－2006 要求，可以作为一种高效、安全、多功能的净水助凝剂。

低浊水处理是自来水厂的难题。增大加药量 能够提高处理效果，同时也会产生金属离子超标等 问题，采用新型絮凝剂的处理效果虽然优于传统药 剂，但又成本较高和存在二次污染等原因导致应用 受限。相比之下，添加助凝剂的方法则更加简单高 效，例如以硅藻土和活化硅酸等作为助凝剂能够大 幅提高聚合氯化铝（PAC）对低浊水的处理效果。

废纸浆是废纸回收后加工再生的纸纤维，产量 正逐年增加。但其多用于生产低端纸品，因而一些 学者将废纸应用于制备吸附剂、吸水树脂和复合材 料等，以实现高值化利用。本研究以自制的废纸浆 纤维悬浮液作为助凝剂使用，研究其对PAC 的助凝 效果及处理低浊水的适应性，以期为解决低浊水处 理问题提供参考，也为拓宽废纸浆应用领域开拓新 思路。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

废纸浆采用回收的蛋托经湿式搅拌疏解后配制 成质量浓度10 g/L的纤维悬浮液使用。水样取自厦 门某大学校区内地表水，其浊度为4.84～26.6 NTU， 温度为17～18℃，耗氧量为2.89～3.32 mg/L，pH 为 7.5～8.5。所用PAC 为饮用水级，加水配制成质量浓 度5 g/L的药液。

所用的仪器包括JJ-4A 六联数显同步电动搅拌器、SGZ-2P 微机浊度仪、JRM-01湿式破碎机、PHS- 25pH 计、BSA224s 分析天平、UV1100 紫外可见分 光光度计等。

1.2 实验方法

取若干个烧杯分别加入一定量的原水，置于六 联电动搅拌器上，加入一定量的PAC 和废纸浆，依 次以300 r/min 的转速搅拌1 min，150 r/min 的速搅 拌6 min，50 r/min 的转速搅拌9 min，搅拌完成后静 置沉淀20 min，取上层清液测定浊度、耗氧量、余铝 含量等指标，计算浊度去除率。

浊度采用微机浊度仪测定，其他水质指标均采 用GB/T 5750.6－2006 中的检测方法。

2 结果与讨论

2.1 废纸浆投加量的影响

当原水浊度为21.8 NTU，研究单独使用PAC 时，PAC 投加量对混凝沉淀处理效果的影响，结果 如表1 所示。

由表1 可知，随着PAC 投加量的增加，浊度呈先 减小后增大的趋势，当投加量为40 mg/L 时，浊度最 低，为2.35 NTU，而后继续增大投加量，由于加药量过大导致胶体再稳定，使得浊度处理效果反而变差。 为减少PAC 的投加量并体现废纸浆对PAC 的 助凝效果，选择PAC 投加量为10 mg/L，在相同实 验条件下研究废纸浆与PAC 配合使用时，废纸浆投 加量对混凝沉淀处理效果的影响，结果如表2 所示。

由表2 可知见，随着废纸浆投加量的增加，浊度呈先减小后增大的趋势，当废纸浆投加量为20 mg/L，相应浊度为2.89 NTU，相比单独使用PAC 的 出水浊度（5.48 NTU） 降低47%；当投加量为30 mg/L时，浊度最低，为2.59NTU，与单独使用30 mg/L PAC 的处理效果相当（ 相应浊度为2.58 NTU），而后继续增大投加量，浊度逐渐上升。 加入废纸浆能够提高浊度处理效果，原因是大量的细小纤维状废纸浆在均匀分散后，能够通过吸 附架桥作用加快絮体的成长速度，增大絮体粒径，增 强絮体的网捕、吸附和沉降性能，起到絮体结构改良 剂和吸附剂的作用。而当废纸浆投加量过大时，反而 会阻碍胶体与PAC 之间、胶体与胶体之间的相互作 用，导致处理效果变差。因此，废纸浆对PAC处理低 浊水具有较好的助凝作用，综合考虑助凝效果和经济成本，适宜的废纸浆投加量为20 mg/L。

2.2 废纸浆投加时间点的影响

实践证明，聚丙烯酰胺（PAM）作为助凝剂使用时，其投加的时间点宜在混凝剂之后。因此，废纸浆 作为助凝剂，其投加时间点同样会影响处理效果，需 要进一步研究。当原水浊度为7.33 NTU，PAC、废纸 浆投加量分别为10、20 mg/L 时，研究废纸浆的投加 时间点对混凝沉淀处理效果的影响，结果表明，在快 速搅拌前、中速搅拌前、慢速搅拌前浊度去除率分别 为79.67%、67.26%、52.66%。即，在快速搅拌前投加 废纸浆的处理效果最好，而越迟投加处理效果越差。

原因是在快速搅拌前投加，较高的转速产生的 水力剪切作用能够将相互缠绕的废纸浆纤维彻底分 离，保证废纸浆纤维均匀分散，使其充分发挥吸附架 桥作用，且越早投加作用时间越长，处理效果越好。 因此，废纸浆作为助凝剂处理低浊水时，宜在快速搅 拌前投加。

2.3 中速搅拌速度的影响

快速搅拌的作用主要是使药剂快速分散均匀，及并与水中胶体悬浮物充分反应。该过程反应速度 快，因而搅拌时间较短；而慢速搅拌的作用主要是利 用已形成的大块絮体在同向絮凝过程中发挥网捕作用去除水中的胶体和微小絮体。相比之下，中速搅拌 既要承担凝聚作用，提高脱稳胶体的碰撞接触概率， 又需要推动胶体聚集逐渐成长为大絮体，是一个承上启下的重要环节。因此，中速搅拌作用强度相比快 速和慢速更值得研究。

当原水浊度为21.8 NTU，PAC、废纸浆投加量 分别为10、20 mg/L，为研究不同搅拌速度对处理效 果的影响，改变中速搅拌速度分别为100、150、200 r/min，结果表明浊度去除率分别为89.5%、87.6%、 87.3%。即，随着搅拌速度的升高，浊度去除率下降， 而出水浊度上升，以中速搅拌速度为100 r/min 时处 理效果最好，此时出水浊度为2.29 NTU。

中速搅拌时较低转速下的处理效果好，其原因 主要是加入的废纸浆在快速搅拌过程中即已分散均 匀，在中速搅拌时仅需提供增大废纸浆、胶体和微小 絮体三者的碰撞接触几率所需的水力条件，从而加 快絮体的成长速度，而过大的转速产生的水力剪切 作用则可能适得其反，不利于大块絮体的形成，影响 处理效果。同时，由于混凝反应过程（即中速和慢速 搅拌阶段）要求将速度梯度G 控制在70～20 s-1、且 逐渐降低，转速100 r/min 时的G 为80.8 s-1，而转速 50 r/min 的G 仅为28.6 s-1，故中速搅拌不宜选择50 r/min 的转速。因此，废纸浆作为助凝剂与PAC 配合 使用时，适宜的中速搅拌速度为100 r/min。

2.4 原水浊度对处理效果的影响

当PAC、废纸浆投加量分别为10、20 mg/L 时， 研究废纸浆与PAC 配合使用对不同浊度原水的混 凝沉淀处理效果，并与单独使用投加量10 mg/L PAC 的处理效果相比较，结果如图1 所示。

去除率均呈先增大后减小的趋势。浊度较低时，水中 的胶体颗粒少，与混凝剂和助凝剂的碰撞接触几率 低，生成的絮体少，故处理效果较差；而浊度较高时， 胶体颗粒的数量较多，相比之下PAC 的投加量仅为 10 mg/L，用量不足，其压缩双电层和电中和作用能 力有限，因而导致处理效果下降。同时，投加废纸浆 对PAC 具有稳定的助凝效果，处理不同浊度的低浊 水时，浊度去除率可增加约4～12 个百分点，且浊度 越高，浊度去除率的增加越大，废纸浆的助凝作用越 显著。因此，较高的浊度有利于提升废纸浆对PAC 处理低浊水的助凝效果。

2.5 原水pH 的影响

当原水浊度为12.06 NTU，PAC、废纸浆投加量分别为10、20 mg/L 时，研究原水pH 的变化对混凝 沉淀处理效果的影响，结果如表3 所示。

表3

由表3 可知，随着原水pH 的增大，出水的浊度去除率快速上升；当pH 为8 时去除率最高，而后继 续增大pH，浊度去除率缓慢下降。pH 的变化影响着 水中铝的水解形态，进而影响废纸浆与PAC 配合使用的处理效果。

当pH 较低时，H+ 含量高，阻碍铝的水解反应过程，导致形成的絮体较少，处理效果差；而当pH 较 高时，又会导致絮体溶解生成Al(OH)4 -，絮凝效果减 弱。pH 的变化也会影响废纸浆的性质，碱性环境能使纤维素润胀，有利于提高助凝效果，而酸性条件下 虽然也能起到润胀作用，但可能导致部分纤维素溶 解，对水质产生不利影响。因此，废纸浆与PAC配合使用处理低浊水时，弱碱性水质能够取得更好的处 理效果。

2.6 出水的卫生安全性

废纸浆助凝剂可提高浊度处理效果，但所含的杂质也可能对水质产生其他影响，因此有必要检测其他水质指标，以便全面评价废纸浆的作用效果和 水质的卫生安全性。

当原水浊度为18.48 NTU，PAC、废纸浆投加量分别为10、20 mg/L 时，测定混凝沉淀后出水中能够 反映还原性有机物、溶解性固体、硬度以及金属离子 含量等多项水质指标，与单独使用10 mg/L PAC的出水、与原水和GB 5749－2006 的限值进行参照[12]。 结果如表4 所示。

由表4 可见，使用废纸浆助凝剂相比单独使用PAC，在显著提高浊度处理效果的同时，还能一定程 度降低耗氧量、铝和铁等的含量，具有一定的强化混 凝和去除金属离子功能。原因是纸浆中所含的主要成分纤维素具有多孔结构、比表面积大和亲水吸附 性等特点，能够吸附去除对水中的有机小分子和金 属离子[13]。而出水的其他水质指标与原水水质相当， 且除浊度外的其他检测指标均已经能够满足GB 5749－2006 的要求，说明废纸浆助凝剂的使用不会 对水质产生不利影响，具有较好的卫生安全性。

3 结论

以废纸浆作为助凝剂，通过混凝沉淀实验研究 其对PAC 的助凝效果及处理低浊水的适应性，得到以下结论：

1）废纸浆对PAC 处理低浊水具有较好的助凝 作用，当原水浊度为21.8 NTU，PAC 投加量为10 mg/L时，适宜的废纸浆投加量为20 mg/L，处理后出 水浊度为2.89 NTU，相比单独使用PAC 的出水浊 度降低47%。

2）使用废纸浆助凝剂时，宜在快速搅拌前投加， 采用100r/min 的中速搅拌速度，且其对较高浊度和弱碱性的低浊水有更好的处理效果。

3）使用废纸浆作为助凝剂，不但能在低混凝剂 投加量条件下提高浊度处理效果，还能一定程度降低耗氧量和铝、铁含量，出水的多项水质指标符合GB 5749－2006 的要求，可作为一种卫生安全的净水药 剂使用。