聚合氯化铝预处理麦草制浆造纸废水的实验研究

宋晓乔，白晋民，任天龙，陈娟，吉铮，马欣彤

(1.西安建筑科技大学华清学院 土木工程学院，陕西 西安 710043；2.西安创业水务有限公司，陕西 西安 710086；3.深圳市普新环境资源技术有限公司，广东 深圳 518117；4.陕西师范大学 地理科学与旅游学院，陕西 西安 710119)

造纸废水污染较严重且难降解[1]，我国北方地区，以河南一林造纸厂为例，主要是以麦草进行制浆，其制浆废水中难生物降解的物质较多，BOD/COD值≤0.3，可生化性较差[2]。考虑采用混凝法对其预处理，以期提高可生化性，为后续生物处理单元做好前期准备工作。研究中主要对混凝剂聚合氯化铝的用量、pH值、转速、PAM的种类和用量进行优化，确定了PAC混凝法的最佳工艺参数。较早应用的脱色吸附剂是活性炭，其内部细孔结构发达，比表面积大[3]，因而对水中溶解的有机污染物具有很强的吸附能力，从而达到有效脱除废水中的颜色。本文最后将PAC混凝法在最佳工艺参数下运行的处理效果与活性炭吸附效果作以比较。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

水样，取自河南一林造纸厂污水处理站曝气池中(从表观上看，该水样颜色偏深，有刺鼻的恶臭味且杂质较多，实测色度为160，pH为6.53，CODCr为1 150 mg/L);聚合氯化铝(PAC)、阳离子型助凝剂(CPAM)、非离子型助凝剂(NPAM)、阴离子型助凝剂(APAM)、NaOH、硫酸、盐酸重铬酸钾、硫酸银试亚铁灵指示剂、硫酸亚铁铵等均为分析纯。

DSHZ-300A旋转式装置；CODCr测试装置(自组装)；AB104-N电子天平；UV-2000分光光度计；梅宇MY3000-6智能混凝实验搅拌仪。

1.2 实验方法

1.2.1 混凝实验 工艺中各参数的最优值通过单因素法确定，一般将需要测的量定为变量，根据所给的参考值设定其他参数。以PAC的用量为例：首先各取100 mL的麦草浆造纸废水到6个500 mL烧杯中，并标记为1，2，3，4，5，6，用NaOH(浓度为10%)和稀盐酸(浓度为10%)将6组水样的pH调节到7.00，将PAC溶液(浓度为10%)用量按标号从1～6依次添加1，1.5，2，3，4，5，6 mL，在室温下，以一定的程序用智能混凝实验搅拌仪进行混凝反应，反应结束后取出沉淀，取其上清液，分别测定吸光度、色度和CODCr值，并将数据记录下来，计算其去除率。具体程序见表1。

表1 混凝程序-1Table 1 Coagulation procedure-1

1.2.2 活性炭实验 首先各取100 mL的水样加入6个250 mL的锥形瓶中，并按顺序从1～6进行标号，然后按顺序分别加入活性炭0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 g。在设定参数下进行反应：振荡温度为40 ℃，振荡强度为160 r/min，振荡时间为1 h，沉降时间为3 h。水样沉淀后，取其上层清液，分别测其吸光度、色度和CODCr值。

1.3 分析方法

CODCr值以重铬酸盐法测定。

脱色率是利用分光光度法测麦草制浆造纸废水在某一特定波长下的吸光度，然后计算求得。

色度以稀释倍数法测定。

2 结果与讨论

2.1 PAC用量的影响

实验方法同1.2.1节，由于测得聚合氯化铝用量为1 mL，即1 g/L时其处理效果最佳，为排除实验误差，故再分别取PAC用量为0.2,0.4,0.6,0.8 mL进行实验,结果见图1。

图1 PAC用量对混凝效果的影响Fig.1 Effect on coagulation with PAC dosage

由图1可知，麦草制浆造纸废水脱色率和CODCr去除率随着聚合硫酸铝用量的增加，均呈现先增加至趋于动态的平稳,然后迅速下降再趋于动态的平稳的趋势。同时，观察到当PAC用量超过一定量(比如PAC用量为3 mL时)，其处理效果下降，PAC用量超过5 mL以后，脱色率几乎趋于零。图中可以看出有两个最高点，分别是聚合氯化铝的用量为1 mL(即1 g/L)和3 mL(即3 g/L)时，而聚合氯化铝的用量为1 mL(即1 g/L)脱色率达到87.6%以上，且CODCr去除率在75.4%，聚合氯化铝的用量为3 mL时脱色率达到90%，效果高于用量为1 mL时但用量却多出了2倍，CODCr去除率为71.8%。综合考虑技术经济指标，聚合氯化铝的用量为1 mL时麦草制浆造纸废水的处理效果最佳。因此，确定聚合氯化铝(PAC，10%)的最佳用量为 1 g/L。

2.2 pH的影响

pH值按从1～5的顺序调节至5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，其中PAC用量为1 mL,结果见图2。

图2 pH值对混凝效果的影响Fig.2 Effect on coagulation with pH

由图2可知，用PAC(聚合氯化铝)混凝剂处理麦草制浆造纸废水时，随着废水pH值的增加，CODCr去除率的曲线呈现先增加后减小最后趋于动态的平稳趋势；脱色率呈波浪曲线，出现了两个波峰，分别在pH值为6.0和8.0时出现，由图中可以看出pH值为6.0时比pH值为8.0时的处理效果好。综合考虑出水pH指标及处理效果，其废水的pH在6.0时混凝法的总处理效果最佳。因此，确定聚合氯化铝混凝实验的最佳pH值为6.0。

2.3 转速的影响

6组水样，转速按标号从1～6依次为80，90，100，110，120，130 r/min进行实验，其中pH调节到6.0，PAC(浓度为10%)的用量为1 mL，结果见图3。

图3 转速对混凝效果的影响Fig.3 Effect on PFS coagulation with speeds

由图3可知，不同转速的PAC混凝法预处理麦草制浆造纸废水时，色度和COD两种处理效果曲线呈波动式现象，曲线走势大致相同，基本上呈正态分布，先升后降。PAC的转速为100 r/min时脱色率和CODCr去除率效果最佳。因此，确定聚合氯化铝混凝实验中的最佳转速为100 r/min。

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

2.4 助凝剂种类的影响

在上述最佳条件下，3组水样按标号分别投加1 mL的NPAM、APAM、CPAM(3种助凝剂浓度均为0.5%)，具体的程序见表2，结果见表3。

表3 不同助凝剂种类对聚合氯化铝混凝实验影响数据一览表Table 3 Effect on different coagulant types on PAC coagulation test

由表3可知，在聚合氯化铝混凝的优化条件下，添加不同种类的助凝剂(PAM用量相同)处理麦草制浆造纸废水，APAM(阴离子助凝剂)的脱色率和CODCr去除率的效果最好。因此，确定PAC混凝法选用阴离子型助凝剂。

2.5 APAM用量的影响

在上述最佳条件下，4组水样按标号从1～4依次添加0.5，1，1.5，2 mL的浓度为0.5%的APAM,结果见图4。

图4 APAM用量对混凝效果的影响Fig.4 Effect on coagulation with APAM dosage

由图4可知，PAC混凝法处理造纸废水时，随着APAM的用量不断增加，脱色率和CODCr去除率的曲线呈抛物线趋势(即处理效果先增加后减小)。在最大峰值处即APAM(助凝剂)用量为50 mg/L时处理效果最佳。因此，确定聚合氯化铝混凝时最佳APAM用量为50 mg/L。

2.6 活性炭用量对废水处理效果的影响

实验方法同1.2.2节，结果见图5。

图5 活性炭用量对废水处理效果的影响Fig.5 Effect on treatment wastewater with the amount of activated carbon

有研究表明，当吸附质分子的大小与活性炭颗粒成一定比例时，最有利于活性炭吸附[3-4]，故出现了图5中曲线的最大峰值。活性炭类似一种非极性吸附剂，所以，活性炭吸附水中非极性物质的能力要大于极性物质，一般情况下可提取的有机物都是极性比较大的，所以活性炭可吸附有机物[3]，由图5可知，随着活性炭用量的增加，脱色率及CODCr去除率均大致呈现抛物线趋势，先增加后减小，当活性炭用量为5 g/L时处理水样的效果最佳，因此，确定活性炭吸附法处理造纸废水的最佳用量为5 g/L，CODCr去除率和脱色率分别为42%和71.3%。

3 结论

通过对PAC混凝剂用量、pH值、转速、助凝剂种类和助凝剂的用量的影响因素进行优化，确定了最佳参数为混凝剂PAC用量为1 g/L、混凝pH值为6.0，混凝转速为100 r/min，助凝剂种类为APAM以及APAM用量为0.05 g/L，CODCr去除率为78.2%，脱色率为81.8%；活性炭最佳用量为5 g/L，CODCr去除率和脱色率分别为42%和71.3%。PAC混凝法比活性炭处理麦草制浆造纸废水的效果好，作为麦草制浆造纸废水的预处理工艺，将会对后续工艺提供良好的条件。