微气泡曝气和纳米絮凝组合工艺处理再造烟叶废水的试验

2018-08-10董亚梅

净水技术 2018年7期

董亚梅

(上海市机电设计研究院有限公司，上海 200040)

再造烟草又称烟草薄片，是将碎烟叶末、烟梗及碎烟叶片等烟叶下脚料在水或有机溶剂中浸泡，经分离、萃取、打浆处理后，将浆料在造纸机上干燥成型制成[1]。再造烟草可大幅提高烟叶的利用率，且产品品质稳定，理化性能可调控，能明显降低烟草烟气中的有毒有害物质的含量，具有相当的经济和社会效益[2]。但在再造烟叶生产过程中，会产生大量的废水，通常生产一吨薄片需要排放50～70 t废水[3]。再造烟草废水具有成分非常复杂、水质波动大、色度高、固体悬浮物(SS)浓度高的特点，其中有机污染物主要以纤维素及其水解产物为主[4]。再造烟草废水现行处理工艺较为繁复，且运行费用高，总排水质不稳定，而近年来兴起的微气泡曝气技术，可有效去除烟草的SS，降低COD及氨氮浓度，已有相关文献报道将微纳米气浮技术应用于烟草薄片废水[5]。微气泡曝气设备产生的微纳米气泡相对于普通宏观气泡有着巨大的比表面积，有利于气液传质，表面带电荷，水体中上升速度非常缓慢，可长时间停留在水体[6]。微纳米气泡的表面电荷产生电势差ζ电位，气泡体积越小则界面处ζ电位越高，以空气为介质的微气泡ζ电位为-20～-17 mV，相应地，对水体中带电粒子的吸附性能也越强[7]。微气泡破裂的瞬间，因为气液界面的剧变，界面上聚焦的能量瞬间释放，可激发产生大量的羟基自由基[8]。羟基自由基的氧化电位为2.8 eV，具有超强氧化作用，可降解水中难降解的有机污染物[9]。同时以稀土元素铈为助剂与传统的铝系絮凝剂及粉末活性炭相结合，复配制备出兼具吸附和絮凝作用的纳米絮凝剂，可加快絮凝沉降速度，并提高色度、浊度和COD的去除率[10]。因此，将微气泡曝气和纳米絮凝剂相结合处理再造烟叶废水，根据微纳米气泡的表面具有带电性及纳米絮凝剂兼具吸附和絮凝的特性，利用两者的耦合作用缩短微气泡曝气时间，减少絮凝剂使用量，考察不同微气泡曝气时间、纳米絮凝剂投加量及两者共同作用对烟草废水COD的去除效果，争取在较短的微曝气时间和较少的絮凝剂使用量的条件下，达到COD较高的去除效果。本研究将微气泡曝气和纳米絮凝剂相结合处理再造烟叶废水，为减少絮凝剂的使用量，降低再造烟草废水处理运行费用提供了数据支持，对降低再造烟草生产中对环境的影响有重要价值。

1 试验部分

1.1 主要试剂和仪器

试验用烟草废水取自云南省昆明市某薄片厂曝气池出水，废水水质指标：pH 值为6～7，CODCr为120～160 mg/L。

A型微气泡曝气器(上海电气清能能源有限公司，外观尺寸为200 mm×Φ32 mm)，DR890多参数比色计、DRB200 COD消解器、 sensION pH测定仪(以上仪器购自美国哈希公司)，MS3000激光粒度分析仪(英国马尔文仪器公司)，JJ-6A六联自动升降搅拌器(常州国华电器有限公司)。

1.2 试验和分析方法

纳米絮凝剂的制备：首先将硫酸铝钾配成15%的溶液，根据以往研究经验，分别按照20 g/L和2 mg/L复配活性炭和硝酸铈，在60 ℃下，搅拌滴加25%氢氧化铵溶液，保温静置反应3 h，弃去上层清液，用去离子水清洗2～3次，即得到高效复合吸附絮凝剂[11]。将微气泡曝气和纳米絮凝剂相结合处理再造烟叶废水，具体过程如下：取一定量的再造烟叶废水放入微气泡曝气装置中，连续循环曝气24 h，每隔2 h取样测定COD，并取未曝气和不同曝气时间后的废水1 000 mL，加入一定量的纳米絮凝剂和高分子絮凝剂(PAM)，磁力搅拌器200 r/min下搅拌30～60 s，混合均匀后静置10～30 min，待溶液沉淀分层，取上清液，在哈希DR890多参数比色计上分析，按照相应程序测定废水和上清液的COD，计算COD去除率。

2 结果与讨论

2.1 微气泡曝气气泡粒径分布

微纳米气泡是指气泡发生时直径在几十微米到数百纳米的气泡，这种气泡介于微米气泡和纳米气泡之间，具有常规气泡所不具备的物理与化学特性。微纳米气泡的产生方式主要有加压溶气法、水力空化法、叶轮剪切法和膜法等[12]。本试验采用设备属于水力空化法中的射流喷射，是将水力旋转切割和空气混合两种技术结合，通过对进气口和进水口以及喉管部分的精确计算，保证产生的微纳米气泡的直径和数量，并对适配水泵的流量和压力进行控制，使其成为一套完整的微气泡曝气系统。图1为粒度分析仪检测到的微纳米气泡的粒径分布图。由图1可知，体积占比最高的粒径为40 μm，且分布相对集中，说明本次试验采用的微气泡曝气设备产生的气泡均匀。

图1 微纳米气泡的粒径分布图Fig.1 Particle Size Distribution of Microbubbles

2.2 微气泡曝气时间对再造烟叶废水COD去除率的影响

将100 L的再造烟叶废水放入微气泡曝气装置中，开启器连续循环曝气24 h，每隔2 h取样测定COD，结果如图2所示。废水中的COD随着时间的推移逐渐降低，中间数据有波动，最终CODCr从147 mg/L降低到100 mg/L左右，并稳定在100 mg/L水平，曝气24 h后COD去除率在30%左右。曝气24 h内，微气泡曝气对再造烟草废水COD的平均去除速率为1.61 mg/(L·h)。以上数据也证实微纳米曝气产生的羟基自由基对再造烟叶废水的COD有一定的去除效果。由COD下降趋势线可知，微气泡曝气4 h左右，再造烟叶废水中COD的下降速度较快，对COD去除率达到16%，可达到24 h曝气COD去除率的50%，后续20 h的曝气与前4 h曝气降低COD的效果几乎相同。考虑到微纳米气泡曝气的能耗很高，延长曝气时间会大大增加能耗，因此，仅单独采用微气泡曝气降低再造烟叶废水中COD，曝气时间控制在4 h较为经济可行。后续如要进一步降低COD，需与其他工艺相配合。

图2 微气泡曝气时间对再造烟叶废水COD的去除效果Fig.2 Effect of Microbubble Aeration Time on COD Removal of Reconstituted Tobacco Wastewater

2.3 纳米絮凝剂投加量对再造烟叶废水COD去除率的影响

纳米絮凝剂是在铝盐絮凝剂的基础上，加入活性炭和稀土元素作为助剂复配，制备出兼具吸附和絮凝效果的高效复合吸附絮凝剂，用量为3%(V/V)，对印染废水处理效果较好，浊度、色度的去除率均为95%以上，COD去除率接近90%[11]。将其应用于再造烟叶废水，投加量为1%～5%(V/V)，去除效果如表1所示。

表1 纳米絮凝剂添加量对再造烟叶废水COD去除率的影响

随着纳米絮凝剂投加量的增加，COD去除率也明显提高，从18.4%提高到66.7%，其中有两个投加量对COD的去除率提高幅度较大，2%的投加量比1%对COD的去除率提高23.3%，4%的投加量比3%对COD的去除率提高16.7%，在1%～5%的投加量中，2%和4%的投加量对COD的去除提高幅度较大。后续微气泡曝气后再造烟叶废水的处理也选择2%和4%的投加量，比较微曝气时间对不同剂量纳米絮凝剂去除COD效果的影响。

2.4 纳米絮凝剂投加量对微气泡曝气后再造烟叶废水COD去除率的影响

将微气泡曝气和纳米絮凝剂相结合处理再造烟叶废水，分别向微气泡曝气不同时间的再造烟叶废水中加入一定量的纳米絮凝剂和PAM，经絮凝反应后测定前后的COD，结果如表2所示。

表2 纳米絮凝剂添加量对微气泡曝气后再造烟叶废水COD去除率的影响

由表2可知，不同的纳米絮凝剂添加量(2%、4%)对不同曝气时间的再造烟叶废水COD去除率基本在60%以上，最高可达88%左右。相对于未经微气泡曝气的废水(曝气时间为0 h)，投加2%的絮凝剂后COD去除率为41.7%；而经过2 h以上微气泡曝气，同样投加2%纳米絮凝剂，COD去除率整体提高20%以上；4%絮凝剂投加量的COD去除率也整体提高20%以上。试验结果也证实，经过微气泡曝气后，微纳米气泡表面的电荷将水体中的有机污染物吸附，在纳米絮凝剂的作用下形成胶团离开水相，进而提高了纳米絮凝剂的COD去除效果。

2.5 微气泡曝气时间和纳米絮凝剂投加量对再造烟叶废水COD去除率的共同影响

本试验的主要目的是利用微气泡曝气和纳米絮凝剂的耦合作用，尽可能缩短微气泡曝气时间，减少絮凝剂使用量，争取在较短的曝气时间和较少的絮凝剂使用量下，达到较高的COD去除效果。不同的曝气时间和絮凝剂投加量对COD去除率的汇总数据如图3所示。

图3 微气泡曝气时间和纳米絮凝剂添加量对再造烟叶废水COD去除率的共同影响Fig.3 Effects of Microbubble Aeration Time and Nano Flocculant Dosage on COD Removal Rate of Reconstituted Tobacco Wastewater

结合表1的数据可知，经过微气泡曝气后，2%的纳米絮凝剂投加量可将COD去除率从未经曝气时的41.7%提高到63.5%，已达到未经曝气废水中投加4%纳米絮凝剂的COD去除率(63%)，而4%投加量的COD去除率也从63.0%提高到78.5%。按照COD去除率为60%测算，经过微气泡曝气后，纳米絮凝剂的用量可减少一半(从4%到2%)，可大幅减少絮凝剂的使用成本。由图3可知，延长微曝气时间对纳米絮凝剂较低投加量(2%)的有益影响超过高加药量(4%)，微曝气每增加1 h，2%絮凝剂投加量对COD的去除率提高0.76%，而4%投加量对COD的去除率仅提高0.5%，纳米絮凝剂的低投加量(2%)对COD去除率的提高幅度高于4%的高投加量。根据前述数据将工艺条件设定为：微则曝气时间控制在4 h，纳米絮凝剂投加量在2%，则COD去除率为60%，较为经济可行。