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CTS/PAM/PAC 絮凝剂处理造纸废水的应用研究

                 CTS/PAM/PAC 絮凝剂处理造纸废水的应用研究
                         张兰河1,李尧松1,张立东2,王旭明3
     ( 1. 东北电力大学化学工程学院,吉林132012; 2. 吉林化工学院资源与环境工程学院,吉林132022;3. 北京农业生物技术研究中心,北京100089 )
     摘要: 为了改善传统絮凝剂聚合氯化铝/聚丙烯酰胺( PAC/PAM) 的絮凝效果,本课题研究了壳聚糖/聚合氯化铝/聚丙烯酰胺( CTS /PAM/PAC) 复合絮凝剂的制备方法,考察了絮凝剂用量、pH 值、搅拌速率和搅拌时间等因素对造纸废水CODcr和浊度去除效果的影响。结果表明: 当复合絮凝剂中CTS、PAM 和PAC 用量分别为12 mg /L、60 mg /L和200 mg /L 时,在pH 值为7. 2、搅拌速率和搅拌时间分别为80 r /min 和8 min 条件下,絮凝效果最好,CODcr与浊度的去除率分别为53. 9%和98. 6%。与PAC/PAM 混合絮凝剂相比,CODcr与浊度的去除率分别提高了13. 2% 和5. 9%,药剂成本下降了21. 1%,因此,CTS /PAM/PAC 絮凝剂具有明显的环境效益与经济效益。
    关键词: 造纸废水; 复合絮凝剂; 絮凝处理
    中图分类号: TQ028 文献标识码: A 文章编号: 1001-1625( 2015) 02-0559-04
    1· 引言
    目前,处理造纸废水使用的絮凝剂主要为PAC、PAM 和PAC /PAM 絮凝剂,其中PAC 存在投加量大、处理费用高、出水铝离子含量高等缺点,PAM 投加量少,受水质影响小,但其对絮凝的胶体具有较大程度的选择性,微生物难以降解,PAC /PAM 处理效果优于其单独使用,也存在成本偏高、残留有毒单体等问题[1-4]。
    天然高分子絮凝剂采用天然高分子物质( 如淀粉、甲壳素等) 作为原料,通过天然高分子改性制得水处理药剂,其分子量高、无毒、能够完全生物降解,具有较长的分子链和强烈的吸附性官能团,无二次污染。尤其壳聚糖高分子絮凝剂,其分子中活性氨基基团( -NH2) 在水溶液中能够质子化产生H + 成为阳离子聚电解质,使絮凝物成为更大的颗粒,具有吸附作用、架桥作用、网捕作用和对金属离子的螯合作用,同时还能够抑制水体中微生物的生长和繁殖,已作为环境友好型水处理剂用于给水处理和废水处理[5-8]。
    本文制备壳聚糖/聚丙烯酰胺/聚合氯化铝( CTS /PAM/PAC) 絮凝剂,通过配置5 种不同组分的复合絮凝剂,考察复合絮凝剂对造纸废水CODcr与浊度去除效率的影响,确定最佳复合絮凝剂投加量,在最佳复合絮凝剂投加量下,分析pH 值、搅拌速率、搅拌时间等因素对造纸废水CODcr与浊度去除效果的影响,并与传统絮凝剂( PAC /PAM) 进行经济技术对比,为我国造纸污水处理技术的发展提供参考。
    2· 实验
    2. 1 实验材料
    TA6-2 型程控混凝试验搅拌仪( 武汉恒岭科技有限公司) ,TP-10 数字式pH 计( 德国sartorius 公司) ,XJ-1型浊度仪( 广东省环境保护仪器设备厂) 。聚合氯化铝( 工业一级,南京化学工业精细化工厂,简称PAC) ,聚丙烯酰胺( 阳离子型,工业一级,大庆精细化工厂,简称PAM) ,壳聚糖( 工业一级,青岛化工厂,简称CTS) 。水样取自于牡丹江恒丰造纸厂污水气浮段水样,浑浊呈黄棕色,水中含有大量纤维和胶体类悬浮物质,水质指标如表1 所示。

    2. 2 混凝实验
    配置质量浓度分别为12 mg /L、60 mg /L 和200 mg /L 的CTS、PAM 和PAC 溶液,设计5 种不同投加量的CTS /PAM/PAC 复合絮凝剂( 1# ~ 5#) ,如表2 所示,分别对100 mL 水样进行絮凝处理,静置沉淀后,取上层清液测定水样的CODcr和浊度,分析不同絮凝剂投加量下CODcr和浊度的去除率。通过絮凝对比实验,筛选CODcr和浊度去除率较高的絮凝剂投加方式,考察pH 值、搅拌速率、搅拌时间等因素对絮凝效果的影响,确定最佳絮凝剂投加方法。

    2. 3 分析方法
    pH 值采用TP-10 数字式pH 计测定,浊度采用“水质悬浮物的测定法( GB-1190189) ”测定,CODcr采用“水质化学需氧量的测定法( GB11914-89) ”测定。
    3· 结果与讨论
    3. 1 复合絮凝剂最佳投加量和pH 值的确定
    采用1# ~ 5#复合絮凝剂分别对造纸废水进行处理,测定CODcr和浊度去除率的变化,结果如图1 所示。
    由图1 可知,采用3#絮凝剂( CTS、PAM 和PAC 分别为0. 06 mg /L、0. 3 mg /L 和1 mg /L) 时,CODcr和浊度的去除率达到最大,分别为46. 54%和91. 96%,随着复合絮凝剂中各组分含量继续增加,CODcr和浊度去除率均呈现缓慢下降,因此,3#絮凝剂投加量为最佳投加量。
    pH 值是影响絮凝效果的一个重要因素,在水温为25 ℃,pH = 5. 0 ~ 9. 0 条件下,采用3#絮凝剂处理造纸废水,考察pH 对絮凝效果的影响,结果如图2。由图2 可知,在采用3#絮凝剂的条件下,当pH 值为6. 5 ~7. 5 时,CTS /PAM/PAC 絮凝剂对造纸废水的絮凝效果较好,CODcr和浊度去除率分别为48. 2% 和98. 5%,然而,当pH < 6. 5 或pH > 7. 5 时,CTS /PAM/PAC 对造纸废水的絮凝效果下降,pH 值适宜范围6. 5 ~ 7. 5。当pH < 6. 5 时,由于CTS 在偏酸性条件下易发生溶解,影响了复合絮凝剂的絮凝效果; 当pH > 7. 5 时,PAC与水中碱性物质发生聚沉,取代了其与水中污染物的絮凝作用,从而导致CODcr及浊度去除率下降[9],因此最佳pH 值为7. 2。
 
    3. 2 搅拌速率和搅拌时间对复合絮凝剂絮凝效果的影响
    在温度为25 ℃、pH 值为7. 2 条件下,采用3#复合絮凝剂处理造纸废水,考察搅拌速率对复合絮凝剂絮凝效果的影响,结果如图3 所示。从图3 可以看出,搅拌速率对絮凝效果影响显著,当搅拌速率为80 r /min时,CODcr和浊度去除率达到最大,分别为53. 9%和98. 6%; 当搅拌速率继续增大时,CODcr和浊度去除率反而下降。这主要是因为,搅拌速率过快,将通过架桥、网捕作用沉降的大颗粒打碎后变成细颗粒,降低絮凝效果,导致CODcr和浊度去除率下降; 搅拌速率过慢,则使絮凝剂和固体颗粒不能充分的接触,不利于絮凝剂捕集胶体颗粒,此外,絮凝剂的浓度分布不均匀,不利于发挥絮凝作用,最佳搅拌速率为80 r /min。

    在温度为25 ℃、pH 值为7. 2、搅拌速率为80 r /min 的条件下,采用3#复合絮凝剂处理造纸废水,通过调节不同的搅拌时间,考察搅拌时间对絮凝效果的影响,结果如图4 所示。由图4 可以看出,搅拌时间对絮凝效果影响不明显,其原因与复合絮凝剂的絮凝机理有关,复合絮凝剂主要通过两种途径发挥絮凝作用[10]: 一是絮凝剂的电中和与螯合作用,吸附水中的污染物; 二是通过网捕作用和吸附架桥作用与水中污染物形成较大絮体,发生沉降作用。然而,絮凝剂的电中和和网捕作用在较短的时间内完成,吸附架桥和网捕作用则需在搅拌条件下缓慢进行,随着搅拌时间增加,絮凝效果逐渐变好,当搅拌时间达到8 min 时,浊度和CODcr去除率达到最大。当搅拌时间继续增大时,由于过长的搅拌时间将一些已经形成的较大絮体打碎,导致浊度去除率反而下降,因此,最佳搅拌时间确定为8 min。
    3. 3 传统絮凝剂和复合絮凝剂絮凝效果及成本对比
    在温度为25 ℃、pH 值为7. 2、搅拌速率为80 r /min、搅拌时间为8 min 条件下,分别采用3#复合絮凝剂和传统PAC /PAM 絮凝剂处理造纸废水,对比CODcr和浊度去除率的变化及絮凝剂成本的大小,结果如表3所示。由表3 可以看出,与传统PAC /PAM 絮凝剂相比,采用CTS /PAM/PAC 絮凝剂处理造纸废水,CODcr和浊度去除率分别提高了13. 2% 和5. 9%,药剂成本下降了21. 1%。这主要是由于两方面原因: 首先,CTS /PAM/PAC 絮凝剂将主要起吸附作用的无机高分子絮凝剂( PAC) 与主要起架桥作用的有机高分子絮凝剂( PAM、CTS) 复合在一起使用,将溶液中细小的胶粒凝结形成大而致密的絮体,大大增强了复合絮凝剂的聚合度和凝聚力,其吸附效率和沉降速率大幅度提高; 其次,CTS 分子链上存在大量的羟基( -OH) ,能够与水中含有-NH2、-COOH 基团的物质( 如氨基酸类等有机物) 形成氢键,将其吸附聚沉,从而使CODcr和浊度的去除率明显高于其他絮凝剂,具有絮凝效果好、成本较低等特点。

    4· 结论
    ( 1) 采用新型CTS /PAM/PAC 复合絮凝剂用于造纸污水处理,在pH 值为7. 2,最佳搅拌速率和搅拌时间分别为80 r /min 和8 min 的条件下,壳聚糖( CTS) 、聚丙烯酰胺( PAM) 和聚合氯化铝( PAC) 组分分别为12mg /L、60 mg /L、200 mg /L,造纸废水处理效果最佳,CODcr和浊度去除率达到53. 9%和98. 6%;
    ( 2) 与PAC /PAM 传统絮凝剂处理造纸废水相比,采用CTS /PAM/PAC 复合絮凝剂,CODcr和浊度去除率分别提高了13. 2%和5. 9%,絮凝剂的药剂成本下降了21. 1%,具有显著的经济与环境效益。
参考文献
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