絮凝自過(guò)濾工藝處理秸稈機(jī)械漿廢水的研究

唐怡聰 張 鵬，* 蘇河山 謝志琪

(1.北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京，100029;2.山東海利源綠色包裝材料有限公司，山東鄒平，256200)

我國(guó)每年產(chǎn)生約7億t農(nóng)作物秸稈，因此，加強(qiáng)農(nóng)作物秸稈綜合利用具有重要意義［1］。機(jī)械法制漿的得率可達(dá)80%，污染物發(fā)生量較少。制漿廢水處理技術(shù)按原理可分為物理法、化學(xué)法和生物化學(xué)法［2］。譚桂香等［3-4］對(duì)玉米稈、棕櫚空果串、棉稈的機(jī)械漿廢水的SS、COD、BOD和pH值進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械法制漿過(guò)程中沒(méi)有加入化學(xué)藥品，因此可采用絮凝法處理機(jī)械漿廢水。

目前，我國(guó)秸稈機(jī)械漿技術(shù)尚在起步階段，秸稈機(jī)械漿廢水中主要污染物為纖維懸浮物、膠體物質(zhì)和秸稈帶入的泥沙，溶解物質(zhì)的含量比較少。本試驗(yàn)采用斜篩過(guò)濾+沉淀+絮凝自過(guò)濾水處理工藝對(duì)秸稈機(jī)械漿廢水進(jìn)行處理，并對(duì)處理后廢水回用過(guò)程中主要污染物(SS、DCS、DS、CS等)含量的變化進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)

1.1 原料與儀器

在山東海利源綠色包裝材料有限公司進(jìn)行本次試驗(yàn)，該廠以小麥秸稈為原料，采用機(jī)械法制漿。具體制漿工藝流程為:小麥秸稈通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)渦流撕裂機(jī)，達(dá)到均混狀態(tài)后，泵送到CY700Z分解機(jī)(磨盤(pán)不同于傳統(tǒng)鋼磨，為不同材質(zhì)的復(fù)合型磨盤(pán)，直徑700 mm，運(yùn)行時(shí)可產(chǎn)生持久的高溫，達(dá)120℃以上)中，通過(guò)分解機(jī)內(nèi)非對(duì)稱(chēng)性磨盤(pán)的機(jī)械力磨漿后進(jìn)漿池，調(diào)整漿池濃度約為2%(加入回用水)后，通過(guò)斜篩濃縮使?jié){濃約為4%，最后用雙磨盤(pán)對(duì)粗漿進(jìn)行磨漿。秸稈機(jī)械漿得率為83%，打漿度15°SR。整個(gè)制漿過(guò)程中不添加化學(xué)藥品，工程出水為1500 t/d，廢水全部來(lái)自制漿車(chē)間，車(chē)間出水經(jīng)處理后全部回用。制漿車(chē)間出水中固體懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、溶解及膠體物質(zhì)(DCS)、膠體物質(zhì)(CS)、溶解物質(zhì)(DS)含量及工廠設(shè)定的回用水指標(biāo)如表1所示。

表1 車(chē)間出水及工廠設(shè)定回用水指標(biāo) mg/L

由表1可知，車(chē)間出水中DS含量較少，僅為300 mg/L，主要由無(wú)機(jī)鹽和單糖等組成;SS含量為1880 mg/L，主要由纖維和泥沙組成;CS含量為420 mg/L，主要為大分子蛋白質(zhì)和多糖。因此，秸稈機(jī)械漿廢水中主要污染物能夠通過(guò)絮凝處理有效去除。

聚合氯化鋁(PAC)，山東鄒平金泰環(huán)保材料有限公司;聚丙烯酰胺(PAM)，北京托普戴克科技發(fā)展公司;沸石，山東鄒平金泰環(huán)保材料有限公司;其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

9030A鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏;CTL-25消解儀，承德華通;TE-124S電子天平，德國(guó)賽多利斯;721可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海舜宇恒平;PH-HJ90B pH計(jì)，北京宏昌信科技有限公司;ZATE PALS表面電位分析儀，美國(guó)Brook Heaven儀器公司。

1.2 秸稈機(jī)械漿廢水處理工藝流程

車(chē)間出水首先通過(guò)斜篩的過(guò)濾作用去除部分大纖維和泥沙，之后進(jìn)入一級(jí)沉淀池，停留時(shí)間為3 h，在一級(jí)沉淀池中通過(guò)自身沉降作用去除沉降系數(shù)大的泥沙及纖維，一級(jí)沉淀池出水進(jìn)推流池中并在推流池入口處加入PAC，然后推流池出水進(jìn)二級(jí)沉淀池中，最后將二級(jí)沉淀池出水泵送至絮凝自過(guò)濾塔中，同時(shí)在絮凝自過(guò)濾塔入口處加入PAM和助濾劑沸石。處理后的廢水通過(guò)絮凝自過(guò)濾塔上部自行溢流出水并回用到制漿車(chē)間，絮凝物則在積累到一定量后進(jìn)行脫水(脫出的水進(jìn)一級(jí)沉淀池)，最后送至生物肥料車(chē)間。具體工藝流程如圖1所示。

1.3 絮凝自過(guò)濾塔

絮凝自過(guò)濾塔內(nèi)，廢水中的絮凝物在自身重力作用下沉降，通過(guò)間斷地添加助濾劑沸石可使絮凝物形成更大、更密實(shí)的絮凝團(tuán)，從而更有利于絮凝物的沉降。絮凝自過(guò)濾塔內(nèi)的水流方向?yàn)橛上轮辽?，因此在絮凝物自身重力和水流向上推力的共同作用下可在絮凝自過(guò)濾塔中下部形成致密的絮凝物過(guò)濾層。絮凝物過(guò)濾層對(duì)廢水起到進(jìn)一步吸附和過(guò)濾作用，能夠大大降低水流速度對(duì)絮凝效率的影響，在保證絮凝物過(guò)濾層不被沖破的前提下，可增加進(jìn)水流量，大大提高廢水處理效率，并可連續(xù)操作。由于絮凝物過(guò)濾層是絮凝自過(guò)濾塔中絮凝物自身形成的，而不是人工添加的強(qiáng)制過(guò)濾裝置，因此不存在濾網(wǎng)堵塞問(wèn)題，也無(wú)需進(jìn)行濾網(wǎng)反沖洗，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本。

1.4 分析方法

廢水中 SS、DCS、DS及 CS采用質(zhì)量法測(cè)定［5-6］，COD按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) HJT 399—2007(快速消解分光光度法)測(cè)定［7］。

2 結(jié)果與討論

2.1 斜篩過(guò)濾及一級(jí)沉淀池沉淀對(duì)廢水的影響

通過(guò)斜篩和一級(jí)沉淀池預(yù)處理制漿車(chē)間出水，可去除廢水中的一部分SS、COD、DCS等，且可大大降低絮凝劑的消耗量。廢水經(jīng)斜篩及一級(jí)沉淀池預(yù)處理后的水質(zhì)及各污染物的去除率分別如表2和圖2所示。

由表2和圖2可知，通過(guò)斜篩過(guò)濾及沉淀預(yù)處理后，廢水中的SS、COD、DCS、CS均不同程度降低，而DS含量沒(méi)有變化;SS、COD、DCS、CS的去除率分別為 21.8%、17.0%、8.3%、11.9%，而 DS去除率為0，這是因?yàn)樾焙Y過(guò)濾和沉淀作用主要對(duì)不溶物質(zhì)有效。廢水中SS和COD的去除率均較高，這是由于秸稈機(jī)械漿廢水中的污染物主要為纖維、CS及部分泥沙，這些物質(zhì)可通過(guò)微濾和沉淀預(yù)處理被有效地去除。

圖1 秸稈機(jī)械漿廢水回用工藝流程圖

表2 廢水預(yù)處理段的水質(zhì)數(shù)據(jù)

圖2 斜篩過(guò)濾和沉淀預(yù)處理對(duì)廢水中污染物去除率的影響

由于纖維有一定長(zhǎng)度且相對(duì)較大，在斜篩過(guò)濾時(shí)易被過(guò)濾去除，而CS在靜置沉淀過(guò)程中的沉降系數(shù)較小，因此，斜篩過(guò)濾和沉淀預(yù)處理對(duì)DCS的去除率小于對(duì)SS的去除率。

2.2 絮凝處理對(duì)回用水水質(zhì)的影響

2.2.1 不添加絮凝劑

在正常生產(chǎn)情況下，不添加絮凝劑，連續(xù)72 h監(jiān)測(cè)絮凝自過(guò)濾塔出水(回用水)中SS、DCS、DS、CS的含量及COD的變化情況(見(jiàn)圖3)，并觀察回用水水質(zhì)變化對(duì)制漿生產(chǎn)的影響。

從圖3可以看出，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，回用水中SS、COD、DCS、DS、CS均不同程度增加;系統(tǒng)運(yùn)行20 h后，回用水中SS含量在3000 mg/L附近波動(dòng)，并沒(méi)有不斷增加，這可能是因?yàn)?①回用水中SS不斷積累，某些大顆粒SS可作為晶核或吸附質(zhì)網(wǎng)捕捉廢水中微小SS，從而形成更大的絮凝團(tuán)，因此，在絮凝自過(guò)濾塔靜置沉淀過(guò)程中能夠去除部分SS;②由于回用水中SS含量增多，機(jī)械漿可能吸附更多SS并將其帶出系統(tǒng)。

圖3 不添加絮凝劑時(shí)回用水的水質(zhì)

由圖3可知，在系統(tǒng)運(yùn)行30 h后，回用水中DS含量的增加趨勢(shì)變緩，這是因?yàn)榇嬖谝欢ǖ娜芙馄胶?，隨回用水中DS的增多，其溶解更加困難，溶解速率減緩。由于CS的直徑及沉降系數(shù)較小，因此未添加絮凝劑時(shí)，其不易通過(guò)沉降去除，只有少部分CS能夠被大顆粒SS吸附去除。隨回用水中CS的不斷積累，其被大顆粒SS吸附的幾率增大，因此，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，回用水中CS含量的增加趨勢(shì)逐漸變緩。

回用水中SS、CS、DS含量的變化情況均會(huì)影響COD的變化趨勢(shì)。由圖3可知，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行約30 h時(shí)，回用水中COD的增加趨勢(shì)逐漸變緩。

回用水中SS、COD、DCS、DS在24、48 h處均有波動(dòng)，這是由于補(bǔ)充了清水。

在不添加絮凝劑的情況下，回用水水質(zhì)達(dá)不到工廠設(shè)定的回用水水質(zhì)指標(biāo)，回用水的利用會(huì)影響制漿車(chē)間的生產(chǎn)，主要表現(xiàn)在:①壓力篩濾水網(wǎng)布的濾水性能下降，降低了生產(chǎn)效率;②用壓力篩篩漿時(shí)，回用水有增稠現(xiàn)象，篩鼓易堵塞。

2.2.2 添加絮凝劑

根據(jù)工藝流程，在相應(yīng)位置加入絮凝劑，PAC、PAM及沸石的添加量分別為100 mg/L、15～20 mg/L及2 g/L。

在系統(tǒng)運(yùn)行的最初階段，為了使絮凝自過(guò)濾塔內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的絮凝層，控制進(jìn)水量為35 m3/h，為設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%，并加入沸石，以便形成絮凝物過(guò)濾層。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐步增加進(jìn)水量，最后進(jìn)水量達(dá)設(shè)計(jì)負(fù)荷(60 m3/h)。連續(xù)168 h監(jiān)測(cè)回用水水質(zhì)，結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可看出，在系統(tǒng)運(yùn)行約6 h后，回用水中 SS、COD、DCS、DS、CS就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，SS、COD、DS、CS、DCS在 170、600～700、140、180、340 mg/L波動(dòng)，SS、COD、DCS、CS、DS去除率分別為 88.4%、80.7%、48.5%、50.5%、51.7%。這主要是因?yàn)榧尤氲年?yáng)離子絮凝劑PAC中和了污染物顆粒表面所帶的負(fù)電荷，消除污染物顆粒間的排斥作用，且高分子絮凝劑PAM通過(guò)吸附架橋機(jī)理可使污染物顆粒聚集，沸石能夠使污染物顆粒形成更大的絮凝團(tuán)，有利于絮凝團(tuán)的沉降，也有利于絮凝自過(guò)濾塔中絮凝層的形成，最終達(dá)到去除廢水中污染物的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加絮凝劑后，回用水水質(zhì)達(dá)到工廠設(shè)定的回用水水質(zhì)指標(biāo)，說(shuō)明微濾+沉淀+絮凝自過(guò)濾水處理工藝對(duì)秸稈機(jī)械漿廢水的處理效果顯著，為連續(xù)生產(chǎn)提供保障。該工藝已于2010年通過(guò)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)的環(huán)評(píng)。

3 結(jié)論

在國(guó)內(nèi)首條秸稈機(jī)械漿生產(chǎn)線上采用斜篩過(guò)濾+沉淀+絮凝自過(guò)濾水處理工藝對(duì)秸稈機(jī)械漿廢水進(jìn)行處理，并對(duì)處理后廢水回用過(guò)程中主要污染物(SS、DCS、DS、CS等)含量的變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)及沸石添加量分別為100 mg/L、15～20 mg/L、2 g/L的條件下，SS、COD、DCS、DS、CS去除率分別為88.4%、80.7%、48.5%、51.7%、50.5%，回 用水 中 SS、COD、DCS、DS、CS質(zhì)量濃度分別為 170、600～700、340、140、180 mg/L，符合工廠設(shè)定的廢水回用質(zhì)量要求。

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