不同混凝劑對(duì)牛仔布水洗廢水脫色效果的模擬研究

吳小平

(東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620)

近年來(lái)，紡織印染業(yè)在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，但在為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也帶來(lái)了較嚴(yán)重的水污染問(wèn)題。牛仔布水洗廢水是印染類廢水的一種，指牛仔布等棉織物或混紡產(chǎn)品在水洗工藝中所排出的廢水，其中含有大量衣服上脫落的帶發(fā)色基團(tuán)的染料有機(jī)物和印染助劑染料。常見(jiàn)的水洗廢水中染料有[1]：直接染料、不溶性偶氮染料、活性染料、還原染料、可溶性還原染料、分散染料等。廢水中有時(shí)還含有部分印染助劑，如表面活性劑、還原劑、染色載體等，處理難度大。

目前，印染廢水的處理方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法以及這3種方法的組合[2-3]。物理法主要包括吸附法和膜分離法，該方法操作簡(jiǎn)便，但運(yùn)行費(fèi)用高、易堵塞，需要預(yù)處理和定期的化學(xué)清洗等;化學(xué)法對(duì)COD的去除效果好，對(duì)疏水性染料的脫色率高，但對(duì)親水性染料的脫色效果差，處理成本高，泥渣難處理；物理化學(xué)法處理效果顯著，但處理費(fèi)用高、適應(yīng)范圍窄，易產(chǎn)生大量難處理的污泥；生化法可處理印染工業(yè)廢水所含有的大量能被生物氧化的可溶性物質(zhì)，但在應(yīng)用過(guò)程中填料容易堵塞，需經(jīng)常進(jìn)行沖洗，動(dòng)力消耗較大?；炷齽┦禽^常用的方法，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)操作易于掌握、特定處理效果好的特點(diǎn)，而且混凝劑的種類多，來(lái)源廣[4-6]。本研究針對(duì)不同廢水的混凝條件隨水質(zhì)的變化而不同的特性，對(duì)牛仔布水洗廢水采用混凝工藝處理，考察不同混凝劑的作用效果，為實(shí)際廢水的處理提供理論依據(jù)。

1 模擬廢水組成

甲基橙是牛仔布印染工藝中常用的染料[7]，其水溶液色度、濁度易于精確測(cè)定[8-9]，故本文配置甲基橙染料溶液以模擬印染廢水。具體配置方法是：在10 L自來(lái)水中，加入1 g甲基橙染料，形成濃度為1 000 mg/L的單品種染料液。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)中所需的藥品如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中所需的儀器如表2所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.3.1 實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)以廢水色度為主要評(píng)測(cè)參數(shù)，同時(shí)考察濁度、COD的去除效果。

色度：主要測(cè)定廢水中有色物質(zhì)的含量；

COD：測(cè)定廢水中還原性物質(zhì)的含量，廢水中還原性物質(zhì)越多，COD的測(cè)定值越大。

表1實(shí)驗(yàn)藥品
Table1Experimentaldrugs

序號(hào)名稱1聚合氯化鋁2硫酸亞鐵3三氯化鐵4聚丙烯酰胺5甲基橙6鹽酸7氫氧化鈉8硫酸銀9硫酸汞10重鉻酸鉀11硫酸12硫酸亞鐵銨13臨苯二甲酸氫鉀14菲繞啉

表2實(shí)驗(yàn)儀器
Table2Experimentalinstrument

序號(hào)名稱型號(hào)精度1混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀MY3000-6N12數(shù)字色度儀XS-1型1度3光電式濁度儀GDS-3型0.1NTU4酸度計(jì)pH-3型0.015磁力攪拌器WCJ-G02型6電子天平AL104型0.000 1 g7玻璃回流裝置8電磁爐9燒杯、量筒、移液管、溫度計(jì)等

濁度：測(cè)定廢水總懸浮顆粒的濃度。

2.3.2 混凝劑的配置

取1g聚丙烯酰胺，10 g聚合氯化鋁，10 g三氯化鐵，10 g硫酸亞鐵各溶于1 000 mL容量瓶中，搖勻，待用。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

2.4.1 燒杯實(shí)驗(yàn)

確定形成礬花所用的最小混凝藥劑量。用燒杯取200 mL原水置于磁力攪拌器上，投加0.5 mL混凝劑，然后慢速攪拌，每次增加0.5 mL混凝劑，直至出現(xiàn)礬花為止，這時(shí)的混凝劑量作為形成礬花的最小投加量。

2.4.2 投加量與混凝效果

本實(shí)驗(yàn)分別采用不同混凝劑進(jìn)行脫色試驗(yàn)，研究混凝劑投加量與脫色率的關(guān)系，以確定最佳投藥量，方法如下：

(1)用6個(gè)1 000 mL的燒杯，分別放入500 mL模擬廢水，置于混凝攪拌機(jī)平臺(tái)上。

(2)確定試驗(yàn)時(shí)混凝劑投加量。根據(jù)燒杯實(shí)驗(yàn)形成礬花最小混凝藥劑投加量，其1/2作為1號(hào)燒杯的混凝劑投加量，取其2倍作為6號(hào)燒杯的混凝劑投加量，用依次增加相等混凝劑投加量的方法求出2～5號(hào)燒杯混凝劑投加量，把混凝劑分別投入1～6號(hào)燒杯中。

(3)啟動(dòng)攪拌機(jī)，快速攪拌0.5 min，轉(zhuǎn)速約為300 r/min；中速攪拌6 min,轉(zhuǎn)速約為100 r/min；慢速攪拌6 min，轉(zhuǎn)速約為50 r/min。

(4)完成攪拌后，靜置沉淀30 min，用50 mL注射針筒抽出燒杯中的上清液約100 mL放入燒杯中，立即測(cè)取色度、COD值、濁度，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.4.3 pH值與絮凝效果

混凝劑與印染廢水發(fā)生混凝反應(yīng)時(shí)的pH值變化直接影響到混凝劑的水解成分，也影響染料分子的存在形態(tài)，因此pH值的大小關(guān)系到采用藥劑的種類和混凝效果與脫色效果。

(1)用6個(gè)1 000 mL的燒杯，分別放入500 mL模擬廢水，置于混凝攪拌機(jī)平臺(tái)上。

(2)調(diào)整原水pH值，用移液管一次向1號(hào)、2號(hào)裝有水樣的燒杯中分別加入0.50、0.25 mL10%濃度的鹽酸。依次向3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)裝有水樣的燒杯中分別加入0.25、0.5、0.75、1 mL10%濃度的氫氧化鈉。

(3)啟動(dòng)攪拌機(jī)，快速攪拌0.5 min，轉(zhuǎn)速約為300 r/min；隨后從各燒杯中分別取出50 mL放入燒杯，測(cè)定各水樣pH值并記錄。

(4)用移液管向燒杯中加入相同劑量的混凝劑。(投加量按前述實(shí)驗(yàn)中的最佳量確定)。

(5)啟動(dòng)攪拌機(jī)，快速攪拌0.5 min，轉(zhuǎn)速約為300 r/min;中速攪拌6 min,轉(zhuǎn)速約為100 r/min；慢速攪拌6 min，轉(zhuǎn)速約為50 r/min。

(6)完成攪拌后，靜置沉淀30 min，用50 mL注射針筒抽出燒杯中的上清液約100 mL放入燒杯中，立即測(cè)取色度、COD值、濁度，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 投藥量處理廢水中甲基橙染料的效果

由燒杯實(shí)驗(yàn)得出PAC、FeCl3、PAM、FeSO44種絮凝劑的最小投加量分別為150、300、50、500 mg/L。計(jì)算確定各燒杯中混凝劑的投加量后，把混凝劑分別加入1～6號(hào)燒杯中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在不同投加量下甲基橙模擬廢水的處理效果如圖1～圖4所示。

圖1 PAC投加量與去除率Fig.1 PAC dosage and the removal rate

圖2 FeCl3投加量與去除率Fig.2 FeCl3 dosage and the removal rate

圖3 PAM投加量與去除率Fig.3 PAM dosage and the removal rate

圖4 FeSO4投加量與去除率Fig.4 FeSO4 dosage and the removal rate

從PAC的處理曲線可以看出，脫色率隨著藥劑投加量的增大而提高。從圖1中可以看出，當(dāng)投藥量為210 mg/L時(shí)，脫色率達(dá)到61.8%，當(dāng)脫色率超過(guò)210 mg/L時(shí)，脫色率反而稍有下降。其濁度去除率曲線變化比較平緩，在75%～85%之間。COD去除率隨著投加量增大緩慢提高，在投藥量達(dá)到210 mg/L時(shí)，達(dá)到最大值56.1%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取PAC的最佳投藥量為210 mg/L。

以FeCl3作為絮凝劑處理甲基橙模擬廢水，絮體厚實(shí)，沉降較快。從圖2可以看出，當(dāng)投藥量從150 mg/L增加到330 mg/L時(shí)，脫色率從57%提高到68.8%。當(dāng)投藥量繼續(xù)增加后，脫色率沒(méi)有明顯提高。當(dāng)投藥量大于420 mg/L時(shí)，脫色率出現(xiàn)明顯下降。投藥過(guò)多會(huì)使廢水色度變大導(dǎo)致脫色率下降，出于經(jīng)濟(jì)原因考慮，取FeCl3最佳投藥量為240 mg/L，此時(shí)脫色率為68.1%，COD去除率為58.5%，濁度去除率為76%。

用PAM作為絮凝劑處理甲基橙染料模擬廢水，結(jié)成絮體速度快，但沉降速度慢。在中性條件下，脫色率隨投藥量增大而緩慢提高。從圖3可以看出，PAM對(duì)甲基橙脫色率低于25%，當(dāng)投藥量為85 mg/L，取得最大值22.7%，取此投藥量為最佳投藥量。FeSO4作為絮凝劑處理甲基橙染料模擬印染廢水時(shí)，廢水結(jié)成絮體速度慢，沉降后廢水仍然渾濁。從圖4可以看出，投藥量小于400 mg/L時(shí)，F(xiàn)eSO4脫色率隨著藥品投藥量增大而升高。當(dāng)投藥量大于550 mg/L時(shí)，上清液中會(huì)殘留大量Fe離子，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+，使處理后的水帶紅色，色度增加，因而脫色率下降較快。當(dāng)投藥量為400 mg/L時(shí)，可以得到最大脫色率56.6%，此時(shí)，COD去除率為21.7%。與其他絮凝劑相比，F(xiàn)eSO4對(duì)濁度去除率較低，處理效果不理想。

3.2 pH值對(duì)去除廢水中甲基橙染料效果影響

因?yàn)閜H值的大小影響色素存在的形式和表現(xiàn)的性質(zhì)，每種絮凝劑都有其適宜的pH值。一方面是水的pH值直接與水中膠體顆粒的表面電荷和電位有關(guān)，不同pH值下膠體顆粒的表面電荷和電位不同，所需要的混凝劑量也不同；另一方面，水的pH值大小對(duì)絮凝劑的水解反應(yīng)有顯著影響，不同的pH值對(duì)絮凝劑水解反應(yīng)的效果差別較大。

為求得最佳值范圍，選擇各種絮凝劑的最佳投藥量為投藥量，用NaOH和HCl調(diào)節(jié)模擬廢水pH值，1～6號(hào)燒杯的pH值分別為5.5、6.4、7.5、9.5、10.4、11.4、12。在不同pH值下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 PAC:pH值與去除率 Fig.5 PACpH values and the removal rate

圖6 FeCl3:pH值與去除率Fig.6 FeCl3pH values and the removal rate

由于甲基橙溶液的指示作用，當(dāng)pH為酸性，甲基橙模擬廢水顯紅色。從圖5可以看出，當(dāng)廢水pH值為中性時(shí)，PAC的脫色率較高；當(dāng)廢水呈強(qiáng)堿性時(shí)，脫色率快速下降；當(dāng)pH值7.5時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到最大脫色率為61.8%，此時(shí)COD去除率為56.1%，濁度去除率為85.4%。

從圖6可以看出，當(dāng)甲基橙模擬廢水pH值介于6.4～9.5之間時(shí)，F(xiàn)eCl3去除甲基橙效果較好，達(dá)到60%以上。而隨著pH值增大，F(xiàn)eCl3對(duì)濁度的去除率逐漸降低。當(dāng)pH值為7.5時(shí)FeCl3得到最大脫色率68.8%，此時(shí)COD去除率為56.6%，濁度去除率為80.8%。

從圖7可以看出，用PAM作為絮凝劑處理甲基橙模擬廢水，在不同pH值下的脫色率均較低，最高僅為23.8%，說(shuō)明PAM對(duì)這種小分子染料去除能力有限。

圖7 PAM:pH值與去除率Fig.7 PAMpH values and the removal rate

從圖8可以看出,用FeSO4作為絮凝劑對(duì)甲基橙模擬廢水進(jìn)行混凝處理，脫色率隨著廢水的pH值升高而升高。當(dāng)pH值為11.4時(shí)，得到最大脫色率43.3%，此時(shí)COD去除率為34.4%，濁度的去除率為92.9%。

圖8 FeSO4:pH值與去除率Fig.8 FeSO4pH values and the removal rate

圖9為4種絮凝劑在不同pH值條件下的脫色去除率比較。

圖9 各種絮凝劑在不同pH值條件下的脫色去除率Fig.9 Different flocculantsremoval rate of decolorization under different pH

對(duì)比4種絮凝劑的脫色效果，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)4種絮凝劑在中性條件下，F(xiàn)eCl3對(duì)甲基橙染料模擬廢水處理效果最好，最高脫色率為78%，PAC次之，而PAM和FeSO4對(duì)甲基橙染料模擬廢水混凝效果較差。

(2)PAC對(duì)甲基橙染料模擬廢水脫色能力較FeCl3稍低，但用藥量較少。

(3)各種絮凝劑對(duì)甲基橙染料模擬廢水濁度去除率較高，最高去除率均可達(dá)到80%～93.88%。

(4)4種絮凝劑對(duì)甲基橙染料模擬廢水COD去除率低，最高去除率都小于60%。

4 結(jié)論

(1)混凝劑對(duì)以甲基橙染料配置而成的模擬牛仔布水洗廢水具有一定的處理效果，不同的混凝劑處理效果有所不同。在中性條件下，F(xiàn)eCl3對(duì)甲基橙染料模擬廢水處理效果最好，最高脫色率為78%；COD去除率較低，最高去除率仍小于60%；濁度去除率較高，最高去除率均可達(dá)到80%～93.88%。

(2)pH值大小影響混凝劑的處理效果。PAC在pH值7.5時(shí)，最大脫色率為61.8%；FeSO4在pH值為11.4時(shí)，最大脫色率為43.3%；FeCl3在pH值為7.5時(shí)，最大脫色率68.8%;而PAM在不同pH值下的脫色率最高僅為23.8%。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，混凝劑可用于對(duì)牛仔布模擬水洗廢水的處理。但由于甲基橙僅僅是牛仔布生產(chǎn)工藝中用到的眾多染料之一，因此在設(shè)計(jì)廢水處理時(shí)，仍要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同混凝劑的最佳反應(yīng)藥量和pH值。

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