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不同絮凝剂作用下造纸废水的絮凝行为

  【摘 要】 考察了几种常用絮凝剂对造纸中段废水的处理效果,探讨了絮凝剂作用下废水絮体的沉降速率及絮体尺寸的变化。实验结果表明:使用PAC/CPAM复合絮凝剂处理造纸废水时,其浊度、色度、COD和SS等各指标的去除率基本都达到或高于90%。pH值对PAC的处理效果影响较为明显,对CPAM的影响较弱。PAC形成的絮体较小,结构较为致密;CPAM形成的絮体较大,较为疏松;复合絮凝剂作用下形成的絮体尺寸最大,沉降速率最快。 

【关键词】 絮凝剂 造纸废水 絮凝 沉降速度 

  随着世界经济格局的重大调整和我国经济社会转型的明显加速,我国造纸工业发展面临的资源、能源和环境等方面的约束日益突显,节能减排任务仍较为艰巨。由于造纸工业物耗、水耗、能耗高,其主要污染特性是废水排放量大,其中含有一定的纤维悬浮物、半纤维素、木质素、有机助剂、无机酸盐、无机填料以及油墨、染料等,造成废水的化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)及悬浮物(SS)含量高,色度严重[1-3]。2012年颁布的“十二五规划”中,特别指出必须把节约用水、提高用水效率、减少废水排放放在首要地位[4]。 

  近年来,针对造纸废水的特性已开发了一系列的处理技术,根据其作用原理大致可分为物理法、化学法和生物法三大类。一般来说,仅用一种技术很难有效对废水进行充分处理,生产中通常是几种方法配合使用[5]。其中使用水溶性高分子聚合物为絮凝剂来处理废水,具有促进水质澄清、减少泥渣数量、加快沉降污泥的过滤速度和便于滤饼处理等优点,在废水处理中占有重要的地位[6]。 

  絮凝剂按照其化学成分可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。其中无机絮凝剂一般包括硫酸铝(Al2(SO4)3)、聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合氯化铁(PFC)以及聚合硫酸铁(PFS)等;有机絮凝剂又可分为阴离子型(如聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钙以及聚丙烯酰胺的聚合物;苯乙烯磺酸盐、木质磺酸盐、丙烯酸、甲基丙烯酸等共聚物)、阳离子型(如丙烯酰胺(AM)与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)或丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)的共聚物)、非离子型(如聚丙烯酰胺)和两性离子型(如丙烯酰胺与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)或丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)及丙烯酸(AA)或马来酸(MA)的三元共聚物)等[7]。本研究对比考察了常用的几种絮凝剂对造纸中段废水的处理效果,并对其絮凝沉降速度、絮体的大小等絮凝行为进行了探讨,以期为最大效率的发挥絮凝剂作用效果提供一定的理论指导。 

  1 实验 

  1.1 实验原料 

  聚合氯化铝(PAC),工业级;阳离子聚丙烯酰胺(CPAM):工业级,分子量1000万,阳离子度20%;造纸中段废水取自山东青州某造纸厂;其它药品均为工业级,由山东青州某造纸厂提供。 

  1.2 实验仪器 

  LS100Q型激光粒度分析仪,美国贝克曼-库尔特有限公司;s212-90w型变频调速搅拌器,上海互佳仪器厂;SG78型pH计,梅特勒-托利多仪器公司;2100N型浊度仪,美国哈希仪器公司;COD测定仪,北京宏昌信科技有限公司;LICO-500型色度计,美国哈希仪器公司,Sartorius-BS124S型电子天平,北京赛多利斯仪器有限公司。 

  1.3 实验方法 

  1.3.1 废水絮凝实验 

  取200mL废水(根据情况调节pH值)置于250mL烧杯中,安装好变频调速搅拌器,开启搅拌,根据实验设计加入一定量的絮凝剂,首先设置搅拌速度为200rpm,快速搅拌2min,然后将转速降至50rpm,慢速搅拌5min。静止1小时后取上清液,根据国标与各仪器使用说明测定上清液的浊度、色度、COD、SS等指标,具体实验流程如图1所示。 

  1.3.2 沉降速度的测定 

  在250mL沉降量筒中加入100mL中段废水,根据实验设计加入一定量的絮凝剂,按照上述1.3.1絮凝实验方法进行搅拌,停止搅拌后开始计时,记录在不同时刻清浊液界面的下降高度,以下降的高度h(cm)对时间t(s)作图,得到絮体的沉降速度。 

  2 结果与讨论 

  2.1 造纸中段废水的基本特性 

  随着白水封闭循环程度的不断增加,废水中污染物含量不断上升,回用难度越来越大。废水中的污染物质主要来源于生产过程中流失的纤维和细小纤维、溶解与胶体物质(DCS)、残余油墨以及化学药品(包括胶粘剂、施胶剂、颜料分散剂、表面活性剂等)。为了更好地掌握该厂中段废水的基本情况,我们对几个基本指标进行了测定,结果如表1所示。 

  表1中列出了该造纸厂中段废水的几个常规指标,可以看出废水的pH值基本接近中性,其固含量、SS含量偏高,说明含有一定量的细小纤维或填料等大颗粒的物质;COD含量略高,说明含有一定量的有机组分,由于该中段废水取自高得率浆生产线,推测主要为树脂酸、脂肪酸类物质。 

  2.2 不同絮凝剂对造纸废水的处理效果 

  絮凝处理过程中,不同絮凝剂对废水的处理效果有较大差别,为比较各类絮凝剂的处理效果,选出对造纸中段废水处理效果较好的絮凝剂,本研究首先对常用的几种絮凝剂进行了筛选。具体实验结果见表2。 

  由表2可以看出,在使用单一絮凝剂(其中无机絮凝剂用量为120mg/L;有机絮凝剂用量为50mg/L;复合絮凝剂中PAC用量为80mg/L,CPAM用量为20mg/L)的情况下,从浊度、色度、COD和SS的去除效果方面来看,PAC及CPAM对废水的处理效果最好,其中PAC和CPAM对浊度、色度及SS的去除率基本达到80%。当使用PAC/CPAM复合絮凝剂剂时,各指标的去除率基本都达到或高于90%。在对废水处理时,无机絮凝剂主要起凝结作用,其成本较低;而高分子絮凝剂在处理废水时主要起絮凝作用,因此将两者结合应用是更为有效的方法。   2.3 不同pH对废水絮凝效果的影响 

  pH通过影响絮凝剂在废液中的离子状态,能够改变离子的带电属性,对很多无机絮凝剂具有较大的影响,如铁系与铝系絮凝剂。本研究考察了不同pH值对PAC、CPAM及PAC/CPAM处理废水效果(COD去除率)的影响,其中絮凝剂用量与2.2中相同。 

  表3为pH值对絮凝剂处理废水COD效果的影响,可以看出pH值对PAC的处理效果影响较大,酸性条件下效果较好,碱性条件下明显减弱;pH值对CPAM的影响较弱;PAC/CPAM组成的复合絮凝剂在碱性条件下处理效果也有所降低。因此为了最大程度的发挥絮凝剂的作用效果,应尽量避免在较高的碱性条件下使用。 

  2.4 几种絮凝剂作用下造纸废水的沉降速度 

  为了较为明确的对比不同絮凝剂对废水絮凝行为的影响,我们选用较为常用的PAC、CPAM及由两者组成的复合絮凝剂处理造纸废水,考察了絮凝过程中絮体沉降速率的变化。 

  可以看出,在絮凝过程前期(150s之前),CPAM形成的絮体沉降速率较低,PAC较快,PAC/CPAM最快,这应该是由于前期CPAM的电荷密度较低,不能及时捕捉到较多的粒子,形成的絮体较小,沉降速率较小;由于PAC具有较高的电荷密度能够在较短的时间内捕捉到较多的粒子,形成大的絮体,沉降速率较快。在絮凝过程后期(150s之后),CPAM形成的絮体沉降速率大于PAC,推测应该是由于后期CPAM分子链较长,能够更有效地捕集废水中的粒子,形成更大的絮体,但其结构较为疏松,沉降阻力较小,沉降速率增加;PAC由于分子链较短,形成的絮体较大,但较为致密,随着絮凝时间的延长,沉降阻力增加,沉降速率下降。PAC/CPAM复合絮凝体系兼具两者的优势,既能在PAC作用下迅速捕捉到较多的粒子,又能在CPAM作用下,形成更大的絮体,因此沉降速率较快。 

  2.5 几种絮凝剂作用下造纸废水的粒径变化 

  本实验利用激光粒度仪测定絮凝剂处理前后造纸废水的粒径变化,探讨废水在不同絮凝剂作用下的絮凝行为。该粒度仪可得到不同粒级区间内Volume(体积)、SurfaceArea(表面积)和Number(数量)百分数的频率分布等多种统计值来表征粒径分布,同时该仪器也能够对一组样品的上述有关参数进行对照处理[8]。 

  为了较为明确的了解激光衍射粒度仪的测试结果,首先对表示粒度特性的几个关键参数进行了简单介绍。其中D10指样品的累积粒度分布分数达到10%时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的颗粒占颗粒总数的10%;D50指样品的累积粒度分布分数达到50%时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的颗粒占50%,大于它的颗粒也占50%。通常被称为“中位径”或“中值粒径”,用来表示颗粒的平均粒度;其它如D25、D75、D90等参数的定义与物理意义与D10相似。 

  可以看出,PAC形成的絮体各累积分布区间粒径增加值较小;CPAM形成的絮体各累积分布区间粒径增加值较大;PAC/CPAM形成的絮体粒径增加值居中。由此可知,PAC形成的絮体较小,CPAM形成的絮体较大,PAC/CPAM形成的絮体尺寸大小居中,这与上述不同絮凝剂作用下,絮体的沉降速度高低情况基本一致,即PAC形成的絮体较小,但较为致密;CPAM形成的絮体较大,且较为疏松;PAC/CPAM复合絮凝剂形成的絮体较大,且较为致密。 

  3 结语 

  (1)使用PAC/CPAM复合絮凝剂处理造纸废水时,其浊度、色度、COD和SS等各指标的去除率基本都达到或高于90%。 

  (2)pH值对PAC的处理效果影响较为明显,对CPAM的影响较弱。为了提高絮凝剂的效率,在实际应用中应避免在较高的碱性条件下使用。 

  (3)PAC形成的絮体较小,结构较为致密;CPAM形成的絮体较大,较为疏松;复合絮凝剂作用下形成的絮体尺寸最大,沉降速率最快。 

  参考文献: 

  [1]万金泉.当代制浆造纸废水深度处理技术与实践[J].中华纸业,2011,32(3):18-23. 

  [2]房桂干,施英乔,丁来保等.BCTMP废水处理研究和工程应用[J].中华纸业,2008,29(2):26-28. 

  [3]倪寿清,赵大传,崔清洁等.草浆造纸中段废水处理的组合工艺研究[J].中华纸业,2008,29(6):38-42. 

  [4]国家发展改革委工业和信息化部,国家林业局.造纸工业发展“十二五”规划[J].中华纸业,2012,33(1):8-21. 

  [5]苗庆显,秦梦华,徐清华.废纸造纸废水处理技术的现状与发展[J].中国造纸,2005,24(12):55-58. 

  [6]龙柱,陈蕴智,胡志斌等.聚合氯化铝-有机高分子复合絮凝剂处理造纸废水[J].中国造纸,2001,20(4):21-24. 

  [7]张育新,康勇.絮凝剂的研究现状及发展趋势[J].化工进展,2002,21(11):799-804. 

  [8]陈沈良,杨世伦,吴瑞明.杭州湾北岸潮滩沉积物粒度的时间变化及其沉积动力学意义[J].海洋科学进展,2004,22(3):299-305.

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