廢紙纖維對(duì)聚合氯化鋁鐵的助凝效果研究

黃金陽(yáng)，王偉藝

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105）

廢紙是一種重要的二次資源，對(duì)其進(jìn)行回收再利用能夠變廢為寶和保護(hù)環(huán)境[1]。近年來，全球的廢紙利用率普遍較高，英國(guó)廢紙利用率高達(dá)84.5%，中國(guó)的廢紙利用率也接近74%[2]。隨著廢紙回收利用率的提高，中國(guó)的廢紙漿生產(chǎn)規(guī)模逐年上升，2015年更是達(dá)到6.338×107t，占全年紙漿總產(chǎn)量的79.38%[3]。雖然回收利用率較高，但廢紙仍主要用于生產(chǎn)低端紙品，產(chǎn)品的附加值較低。為提高廢紙的回收率和產(chǎn)品附加值，一些學(xué)者研究將廢紙應(yīng)用于制備橡膠復(fù)合材料、導(dǎo)電紙、吸附劑和吸水樹脂等方面，既降低了相關(guān)材料的生產(chǎn)成本，又能實(shí)現(xiàn)廢紙的高值化利用[4-7]。

聚合氯化鋁鐵（PAFC）是一種集鋁系和鐵系混凝劑優(yōu)點(diǎn)于一身的新型復(fù)合混凝劑，形成絮體速度快，吸附能力強(qiáng)，能降低濁度和色度。為了提高水處理效果，PAFC也常與助凝劑（如聚丙烯酰胺、活化硅酸等）配合使用，以增強(qiáng)處理效果，減少加藥量，提高水質(zhì)的衛(wèi)生安全性[8-9]。本文以廢紙為原料自制廢紙纖維懸浮液作為助凝劑，研究其對(duì)PAFC處理地表水的助凝效果及對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)性，以期為PAFC的應(yīng)用和混凝沉淀處理技術(shù)提供參考，也為廢紙的資源化利用研究開拓新思路。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與儀器

采用回收的蛋托作為廢紙?jiān)?，?jīng)濕式攪拌疏解后配制成10 g/L的纖維懸浮液使用。水樣取自廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院內(nèi)地表水，其濁度為4.84～26.6 NTU，水溫為17～18℃，pH為7.5～8.5。所用PAFC為飲用水級(jí)，加水配制成濃度為10 g/L的溶液。所用的儀器包括JJ-4A六聯(lián)數(shù)顯同步電動(dòng)攪拌器、SGZ-2P微機(jī)濁度儀、JRM-01濕式破碎機(jī)、PHS-25pH計(jì)以及BSA224s分析天平等。

1.2 試驗(yàn)方法

取若干個(gè)燒杯分別加入一定量的原水，置于六聯(lián)電動(dòng)攪拌器上，加入一定量的PAFC和廢紙纖維，依次以300 r/min的轉(zhuǎn)速快速攪拌1 min，150 r/min的速度中速攪拌6 min，50 r/min的轉(zhuǎn)速慢速攪拌9 min，攪拌完成后靜置沉淀20 min，取上層清液測(cè)定濁度，計(jì)算濁度去除率。

根據(jù)以上試驗(yàn)步驟，改變PAFC的投加量、廢紙纖維的投加量和投加時(shí)間點(diǎn)、攪拌方式、原水濁度和pH等因素，研究廢紙對(duì)PAFCF的助凝效果和二者配合使用對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)性。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 單獨(dú)使用PAFC時(shí)投加量對(duì)混凝沉淀效果的影響

當(dāng)原水濁度為21.8 NTU時(shí)，單獨(dú)使用PAFC處理地表水，研究PAFC投加量對(duì)混凝沉淀效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 PAFC投加量對(duì)濁度處理效果的影響

由圖1可見，隨著PAFC投加量的增加，濁度呈先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)投加量為20 mg/L時(shí)處理效果最好，濁度為2.61 NTU，濁度去除率為87.97%，而后繼續(xù)增大投加量，濁度反而上升。這是因?yàn)檫m量的PAFC能夠通過壓縮雙電層和電中和作用使水中的大部分膠體粒子脫穩(wěn)，并在水力攪拌作用下聚集成絮體，經(jīng)過沉淀被去除；而過量的PAFC則會(huì)使被電中和后的膠體粒子重新帶上正電而“再穩(wěn)定”，影響了粒子的碰撞接觸效果，故處理效果下降。為更好地體現(xiàn)助凝劑的處理效果，確定助凝試驗(yàn)中PAFC的投加量為10 mg/L，相應(yīng)的剩余濁度為3.78 NTU，濁度去除率為82.58%。

2.2 廢紙纖維的投加量對(duì)助凝效果的影響

當(dāng)原水濁度為21.8 NTU，PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維在快速攪拌前投加，研究廢紙纖維投加量對(duì)PAFC助凝效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 廢紙纖維投加量對(duì)濁度處理效果的影響

由圖2可見，隨著廢紙纖維投加量的增加，出水的濁度逐漸降低，去除率逐漸升高，當(dāng)廢紙纖維投加量為30 mg/L時(shí)，出水濁度為1.45 NTU，濁度去除率可達(dá)93.35%，相比單獨(dú)使用PAFC處理后的出水濁度下降61.64%，濁度去除率提升10.77個(gè)百分點(diǎn)。而后繼續(xù)增大廢紙纖維投加量，出水濁度反而升高，濁度去除率有所下降。這是因?yàn)?，一方面纖維狀的廢紙纖維能夠通過吸附架橋作用使生成的微小絮體快速成長(zhǎng)為大絮體，有利于絮體的快速沉淀分離，從而提高處理效果；另一方面，廢紙纖維的主要成分為纖維素和半纖維素，其具有較大的比表面積和吸附能力，能夠在一定程度上吸附脫穩(wěn)后的膠體和懸浮物，提高濁度處理效果。但是，當(dāng)廢紙纖維的投加量過多時(shí)，其中含有較多難以沉降的細(xì)小纖維，高濃度的廢紙纖維可能阻礙PAFC與膠體、膠體與膠體之間的碰撞接觸，故而影響處理效果。因此，廢紙纖維對(duì)PAFC處理地表水具有較好的助凝作用，在本試驗(yàn)條件下廢紙纖維的最佳投加量為30 mg/L。

2.3 廢紙纖維投加時(shí)間點(diǎn)對(duì)助凝效果的影響

當(dāng)原水濁度為9.43 NTU，PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為30 mg/L，研究廢紙纖維投加時(shí)機(jī)的變化對(duì)PAFC混凝沉淀處理效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 廢紙纖維投加時(shí)間點(diǎn)對(duì)濁度處理效果的影響

由圖3可見，廢紙纖維的不同投加時(shí)機(jī)對(duì)助凝效果有一定影響，在快速攪拌前投加廢紙纖維其助凝效果最好，出水濁度為0.79 NTU，濁度去除率為91.62%；在中速攪拌前投加處理效果略有下降；慢速攪拌前投加的處理效果最差。這是因?yàn)镻AFC與水中膠體顆粒反應(yīng)迅速，脫穩(wěn)的膠體在快速攪拌作用下即開始碰撞接觸生成小絮體，而快速攪拌能夠使加入水中的廢紙纖維快速、均勻分散，并提前加入到絮體的生成過程中，可加快絮體的生長(zhǎng)速度，增強(qiáng)網(wǎng)捕效果。反之，在慢速攪拌前投加廢紙纖維，此時(shí)的絮體已經(jīng)成型，加入的廢紙纖維僅能起到網(wǎng)捕功能，其助凝作用將大打折扣。因此，在快速攪拌前加入廢紙纖維有利于提高PAFC的混凝沉淀處理效果。

2.4 攪拌速度對(duì)廢紙纖維助凝效果的影響

混凝過程中，水力攪拌的作用主要是為了提高混凝體系中各物質(zhì)之間碰撞接觸的概率，提高處理效果。由于快速攪拌的時(shí)間較短，慢速攪拌的轉(zhuǎn)速較小，相比之下起到承上啟下作用的中速攪拌速度更值得研究。當(dāng)原水濁度為21.8 NTU，PAFC的投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為20 mg/L時(shí)，在快速攪拌前投加廢紙纖維，分別以三種中速攪拌速度進(jìn)行混凝沉淀試驗(yàn)，研究不同攪拌速度對(duì)廢紙纖維助凝效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 攪拌速度對(duì)濁度處理效果的影響

由圖4可見，當(dāng)攪拌速度為100 r/min時(shí)處理效果最好，出水濁度為1.53 NTU，濁度去除率為92.98%，而后隨著中速攪拌速度的增大，處理效果逐漸變差。這是因?yàn)檫m中的攪拌速度有利于提升絮體之間的碰撞接觸概率，促進(jìn)絮體的生長(zhǎng)，而過大的攪拌速度能耗較高，其產(chǎn)生的水力剪切作用易將已經(jīng)形成的較大絮體打碎，影響絮體的網(wǎng)捕和沉降性能，反而導(dǎo)致處理效果變差。因此，本試驗(yàn)條件下適宜的中速攪拌速度為100 r/min。

2.5 原水濁度對(duì)廢紙纖維助凝效果的影響

當(dāng)PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為20 mg/L，按照1.2試驗(yàn)方法中的步驟進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同濁度原水對(duì)廢紙纖維助凝效果的影響，并與單獨(dú)使用10 mg/L PAFC的處理效果相比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同濁度原水對(duì)濁度處理效果的影響

由圖5可見，隨著原水濁度的增大，二者的濁度去除率均呈先增大后減小的趨勢(shì)，且投加廢紙纖維助凝劑的效果明顯好于單獨(dú)使用PAFC的情況。這是因?yàn)榈蜐岫人械哪z體顆粒含量少，與混凝劑和助凝劑的碰撞接觸概率低，相應(yīng)生成的絮體少，故處理效果較差；但當(dāng)濁度較高時(shí)，又由于PAFC的投加量不足（僅為10 mg/L），膠體顆粒脫穩(wěn)不徹底，因而導(dǎo)致處理效果下降。此外，投加廢紙纖維對(duì)PAFC處理不同濁度的原水均具有較好的助凝作用，濁度去除率可增加5～8個(gè)百分點(diǎn)。因此，廢紙纖維作為助凝劑與PAFC配合使用適于處理不同濁度的原水。

2.6 pH對(duì)廢紙纖維助凝效果的影響

當(dāng)PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為20 mg/L時(shí)，按照1.2試驗(yàn)方法中的步驟進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同原水pH對(duì)廢紙纖維助凝效果的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見，隨著pH值的提高，出水濁度呈先下降后緩慢上升的趨勢(shì)，濁度去除率則相反，近中性偏堿性條件下處理效果較好，特別是pH為8時(shí)，出水濁度低至1.32 NTU，相應(yīng)濁度去除率為89.05%。pH值的變化會(huì)對(duì)處理效果產(chǎn)生影響，其主要因?yàn)閜H值太低會(huì)使PAFC的水解過程受到抑制，太高又會(huì)導(dǎo)致已生成的Al（OH）3和Fe（OH）3絮體部分溶解，進(jìn)而減弱PAFC與廢紙纖維相互之間的協(xié)同增效作用，影響處理效果。因此，廢紙纖維與PAFC配合使用對(duì)近中性偏堿性的水質(zhì)有更好的處理效果。

3 結(jié)論

本文以廢紙纖維為助凝劑，通過混凝沉淀試驗(yàn)研究其對(duì)PAFC的助凝效果及對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)性，獲得以下結(jié)論：廢紙纖維對(duì)PAFC處理地表水具有較好的助凝作用，當(dāng)原水濁度為21.8 NTU，PAFC投加量為10 mg/L，廢紙纖維投加量為30 mg/L時(shí)，出水濁度為1.45 NTU，濁度去除率可達(dá)93.35%，相比單獨(dú)使用PAFC處理后的出水濁度下降61.64%，濁度去除率提升10.77個(gè)百分點(diǎn)；使用廢紙纖維助凝劑時(shí)，宜在快速攪拌前投加，并采用100 r/min的中速攪拌速度；廢紙纖維與PAFC配合使用適于處理不同濁度的原水，且近中性偏堿性條件下處理效果較好。