废纸浆与硫酸铝联用强化混凝沉淀效果研究

黄金阳 卢昌义 林澜欣

摘 要：使用硫酸铝与废纸浆混凝处理地表水，研究废纸浆对地表水混凝沉淀效果的强化作用。结果表明，当地表水浊度为14.7～21.8 NTU，水温为12～14℃时，先投加20 mg/L的硫酸铝，以200 r/ min搅拌1 min后，再投加20 mg/L的废纸浆，以100 r/min搅拌5 min、50 r/min搅拌10 min，沉淀20 min后出水的浊度为1.37～2.03 NTU，优于单独使用硫酸铝的处理效果。同时，废纸浆的使用还能加快絮体沉降速度，降低出水的CODMn和余铝含量，起到强化硫酸铝混凝沉淀效果的作用。该方法既可为新型混凝剂的研制提供参考，也为废纸浆的高值化利用拓宽思路。

关键词：废纸浆；硫酸铝；混凝沉淀

中图分类号：TS721

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.04.007

Abstract：The treatment effect of surface water through coagulation and sedimentation experiment by combining application of aluminum sulfate and recycled fibers was studied. The enhanced coagulation sedimentation function of recycled fibers was also discussed. The experimental results demonstrated that when the raw water′s turbidity was 14.7～21.8 NTU and temperature was 12～14℃， adding aluminum sulfate with the dosage was 20 mg/L and stiring for 1 min at 200 r/ min， then adding 20 mg/L of recycled fibers and stirring at 100 r/min for 5 min at 50 r/min for 10 min， sedimentation for 20 min， the turbidity of the effluent was 1.37～2.03 NTU， which was improved more than 50% compared with the use of aluminum sulfate alone. The application of recycled fibers not only could increase the settling rate of flocs， but also reduce CODMn and residual aluminum， enhance the coagulation and sedimentation.

Key words：recycled fiber； aluminum sulfate； coagulation and sedimentation

廢纸回收与利用是造纸行业发展循环经济的必然趋势，我国的废纸浆生产规模逐年上升，2015年更是达到6338万t [1]。除造纸外，为拓宽应用领域并实现高值化利用，废纸浆还被用于制备净水吸附剂[2]、高吸水性树脂[3]和复合材料[4]等方面的研究，较之用于制造某些纸产品具有更广阔的发展前景。

混凝沉淀是最常用的水处理技术，其处理效果与混凝剂的种类密切相关。常用的无机混凝剂（如硫酸铝等）经常存在投药量大，铝、铁等残余成分易超标等问题[5]，而使用聚丙烯酰胺（PAM）等人工合成高分子絮凝剂虽然净水效果好，但PAM的价格昂贵，且产品中夹杂的丙烯酰胺具有强烈的神经毒性[6]，易造成卫生安全隐患。因此，研制高效安全的净水混凝剂一直是科研人员关注的热点。谢菁等人[7]将聚合氯化铝和三氯化铁复配用于处理低浊水，可获得良好的浊度和余铝去除效果。毛玉红等人[8]通过混凝实验发现，投加壳聚糖有助于降低混凝剂用量。因此，将不同药剂联合使用以增强混凝沉淀处理效果是可行的。

废纸浆的主要成分是纤维，具有价廉、可降解、无毒、无污染等特点[9]，被广泛应用于制备各种功能化材料[10-11]。因此，本课题拟采用废纸浆与硫酸铝来处理地表水以降低其浊度和CODMn，并研究废纸浆的使用条件和强化混凝沉淀处理效果，以期为研制高效安全的水处理混凝剂提供参考，也为实现废纸浆的高值化利用和应用领域的拓宽提出新思路。

1 实 验

1.1 实验材料、药剂与仪器

以废旧箱纸板作为原料，制成废纸浆。将废纸浆配制成5 g/L的纤维悬浮液。所用地表水浊度为14.7～21.8 NTU，水温为12～14℃，CODMn（化学需氧量）为4.5～5.2 mg/L。使用的药剂包括硫酸铝（分析纯），高锰酸钾（分析纯）、草酸钠（分析纯）、硫酸（98%）等。使用的仪器包括JJ-4A六联数显同步电动搅拌器、SGZ-2P微机浊度仪、PHS-25 pH计、Thermo Flsher ICE3300原子吸收光谱仪等。

1.2 实验方法

取6个烧杯分别加入一定量的地表水，置于六联电动搅拌器上，加入一定量的硫酸铝，以200 r/min转速快速搅拌1 min，再加入一定量的废纸浆，以100 r/min转速搅拌5 min、50 r /min转速搅拌10 min，完成后静置沉淀20 min，取上层清液测定浊度、CODMn、余铝等指标。浊度采用微机浊度仪测定，CODMn采用高锰酸盐法测定，余铝采用石墨炉原子吸收分光光度法测定。

参照上述方法，研究硫酸铝用量、废纸浆用量、以及二者的搅拌方式和投加方式等因素对混凝沉淀处理效果的影响。

2 结果分析与讨论

2.1 硫酸铝的用量对地表水浊度处理效果的影响

取浊度为15.52 NTU的地表水，研究硫酸铝用量对浊度处理效果的影响，实验结果如图1所示。由图1可见，随着硫酸铝用量的增大，处理后水的浊度逐渐降低，当用量为40 mg/L时，水的浊度为0.88 NTU，低于生活饮用水卫生标准（GB5749—2006）要求的限值（1 NTU）。虽然处理效果好，但较大的硫酸铝用量既会增加后续处理成本，又易引起余铝超标等问题。因此，为了节约处理成本，且不会引起自来水中余铝超标等问题，本实验将硫酸铝的用量控制在20 mg/L。

2.2 废纸浆对地表水混凝沉淀处理效果的影响

2.2.1 废纸浆用量对处理效果的影响

取浊度为21.8 NTU、CODMn为4.78 mg/L的地表水，先采用20 mg/L的硫酸铝对其进行处理，得到水的浊度和CODMn分别为7.30 NTU和2.01 mg/L，再采用不同用量的废纸浆进行处理，探究废纸浆对于水的浊度和CODMn处理结果的影响，结果如图2所示。由图2可见，地表水经硫酸铝处理后，再经废纸浆处理时，随着废纸浆用量的增加，浊度和CODMn均呈下降趋势，当废纸浆的用量为20 mg/L时，水的浊度和CODMn均最低，分别为1.51 NTU和0.83 mg/L，均已经达到了自来水混凝沉淀的处理要求，而后继续增大废纸浆用量，两项指标变化趋缓，处理结果并无太大差异。因此得出废纸浆的用量为20 mg/L。

2.2.2 搅拌方式对废纸浆处理效果的影响

取浊度为21.2 NTU的地表水先使用20 mg/L的硫酸铝进行处理后，再添加20 mg/L的废纸浆进行混凝沉淀处理，探究在添加废纸浆的过程中，不同搅拌方式对混凝沉淀处理后水的浊度影响，结果如表1所示。对比表1中的1#和2#可知，快速阶段的高转速（500 r/min）和中速阶段的长时间（10 min）既不利于提高混凝沉淀的处理效果，又会增加能耗；对比表1中的2#与3#可知，延长快速阶段的搅拌时间（1 min）、减小中速和慢速的搅拌速度（中速为100 r/min，慢速为50 r/min）对处理效果有一定提升，但不显著；对比表1中的3#与4#可知，快速阶段的低转速（200 r/min）对于处理效果的影响不显著；对比表中的4#、5#和6#可知，慢速搅拌的搅拌时间越长，处理效果越好，但影响同样不显著。此外，混凝反应过程（即中速和慢速搅拌阶段）要求将速度梯度（G值）控制在90～20 s-1、G值和搅拌时间T的乘积（GT值）控制在104～105，仅有3#～5#满足要求，而快速搅拌仅需满足药剂的快速混合即可。因此，综合考虑混凝沉淀处理效果和能耗，4#搅拌方式较为经济高效，即200 r/min转速搅拌1 min，100 r/min转速搅拌5 min，50 r/min转速搅拌10 min，处理后的水的浊度为1.37 NTU。

2.2.3 投加方式对废纸浆处理效果的影响

分别取浊度为21.2 NTU和14.7 NTU的地表水，先采用20 mg/L硫酸铝进行处理后水的浊度为2.26 NTU，再添加20 mg/L的废纸浆采用上述4#搅拌方式进行处理，研究废纸浆的不同投加方式对混凝沉淀处理后水的浊度影响，结果如图3所示。由图3可见，两种浊度的水的处理效果呈现相同趋势，即在中速搅拌前投加废纸浆的处理效果最佳，浊度分别为1.37 NTU和2.03 NTU，且处理效果受地表水浊度变化的影响较小。这与常规水处理使用PAM作为助凝剂时要先加混凝剂后加助凝剂的方式类似，符合混凝机理的作用过程。因此，废纸浆宜在中速搅拌前投加。

2.2.4 废纸浆对处理后絮体结构和性能的影响

取浊度为21.8 NTU、CODMn为4.78 mg/L的地表水进行混凝沉淀实验，分别采集只使用20 mg/L的硫酸铝处理和联合使用20 mg/L的硫酸铝和废纸浆处理的两种絮体在光学显微镜下观测，结果如图4所示。由图4（a）可见，只使用硫酸铝处理产生的絮体松散且分散均匀，而图4（b）中，联合使用硫酸铝与废纸浆处理的絮体以纤维为骨架连接聚集，变得大而密实。这表明废纸浆的使用对于弥补硫酸铝絮体沉降性能差的缺点有一定帮助。另外，根据斯托克斯公式可知，溶液中絮体变得越密实、颗粒越大越能够提升絮体的沉降性能，缩短沉淀时间，提高处理效果。因此，本课题取浊度为15.05 NTU的地表水，研究只使用20 mg/L的硫酸鋁以及联合使用20 mg/L的硫酸铝和废纸浆处理过程中沉淀时间对水的浊度影响，结果如图5所示。

由图5可见，当沉淀时间为2 min时，只使用硫酸铝处理和联合使用硫酸铝与废纸浆处理水的浊度分别为 14.7 NTU和8.66 NTU。另外，随着沉淀时间的延长，水的浊度变化趋势相同，但各时间点上联合使用硫酸铝与废纸浆处理后的浊度均低于只使用硫酸铝处理的浊度，且前者在沉淀初期的浊度显著低于后者。说明废纸浆既能降低出水的浊度，又可加快絮体的增长和沉降速度，起到了絮体结构改良剂的作用，具有强化混凝沉淀的效果，若能实际应用将有助于缩短沉淀池的设计停留时间、减小占地面积和建设费用。

2.2.5 废纸浆用量对出水余铝的影响

过量的铝会对人体健康造成危害，需要研究控制饮用水中铝含量的措施，如减少铝系混凝剂的用量、使用更加安全高效的混凝剂等。因此，取浊度为17.63 NTU的地表水，先使用20 mg/L硫酸铝进行处理，然后在废纸浆的最适搅拌和投加方式条件下研究废纸浆的不同用量对水的余铝和浊度的影响，结果如图6所示。

由图6可见，先使用20 mg/L的硫酸铝处理地表水后得到的水的浊度和余铝分别是7.88 NTU和0.95 mg/L，随着废纸浆用量的增加，水的浊度和余铝均逐渐下降，且两者的变化趋势一致。其中，废纸浆用量为20 mg/L时，对浊度的处理效果提升较为显著。相比于上述处理出水的浊度有所升高，这是由于此次原水的浊度较低（17.63 NTU），水中胶体颗粒量少，碰撞接触几率低，絮体成长速度慢，因而处理效果降低。由图6可以看出，当废纸浆的用量为20 mg/L时，出水余铝的含量为0.75 mg/L左右，已经达到了地表水混凝处理后出水余铝含量的要求；另外，余铝的含量是随着废纸浆的用量增加不断降低的。这一方面是由于余铝能够在除浊过程中一并被去除，这与王志红等人[13]的研究结果相似；另一方面是由于废纸浆中的纤维素对铝离子的吸附和取代反应所致。Kim Juyoung等人[14]在酸性溶液中进行改性，使游离的铁离子、铝离子取代纤维素分子链上的OH-中的H+，制备出木质纤维素吸附剂。基于此，本实验中的纤维素在铝水解后产生的弱酸性条件下，也存在与游离铝离子发生反应的可能性，其反应如图7所示。

由此可知，铝离子与废纸浆中的纤维在酸性条件下会发生取代反应，使得水溶液中的铝离子浓度降低。因此，如果持续增加废纸浆的用量，雖然可以继续降低余铝含量，但是会造成沉淀池的污泥量增加，并导致废纸浆中纤维的浪费，提高生产成本，因此废纸浆与硫酸铝联合使用时的用量为20 mg/L即可。

3 结 论

3.1 将废纸浆与硫酸铝联合使用处理地表水，当地表水浊度为14.7～21.8 NTU，水温为12～14℃，先投加硫酸铝，用量为20 mg/L，以200 r/ min转速搅拌1 min后再投加废纸浆，用量为20 mg/L，继续以100 r/min转速搅拌5 min、50 r/min转速搅拌10 min，沉淀20 min后，出水的浊度为1.37～2.03 NTU，优于单独使用硫酸铝的处理效果。

3.2 废纸浆的使用可以强化硫酸铝的混凝沉淀处理效果，既能提高絮体的沉降性能、缩短沉淀时间，又能一定程度上降低CODMn和余铝的含量。

3.3 将废纸浆作为一种新型的水处理药剂与硫酸铝联合使用，其研究可为混凝沉淀处理技术提供新的参考，又可为废纸浆的高值化利用拓宽思路。同时，由于废纸浆中还含有造纸过程中添加的填料和增白剂等成分，以及在制浆过程中未能完全脱除的油墨等杂质，在加入水中后可能对水质产生一定影响，具体影响效果有待今后进一步研究。

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（责任编辑：吴博士）