再造煙葉生產(chǎn)過程中通常每生產(chǎn)1噸產(chǎn)品需排放60～80噸廢水，廢水成分復(fù)雜，含有木質(zhì)素、纖維素、煙堿、果膠、多糖、不溶性蛋白質(zhì)及許多難于被微生物降解的有機物，懸浮物含量較高，BOD和COD負(fù)荷較大，色度較深(呈紅棕色)，氧化還原電位較高，廢水易腐化變質(zhì)。因此，高效處理這類廢水是目前再造煙葉行業(yè)發(fā)展中一個亟待解決的難題。
絮凝-氣浮法是廢水處理中廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一，常作為廢水處理預(yù)處理單元。絮凝-氣浮法的機理是利用高效淺層氣浮設(shè)備溶氣原理，向廢水中通入溶氣水，利用溶氣水中釋放的微小氣泡，將水中懸浮物浮出水面，再加入絮凝劑，利用絮凝劑的電中和、架橋、網(wǎng)捕、卷掃和吸附等綜合作用，使廢水中的分散相凝聚、絮集，達(dá)到去除SS的目的。
本實驗選用常用無機絮凝劑聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鋁(PAC)作為絮凝藥劑，3種不同類型的陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)為助凝劑，采用絮凝-氣浮法對造紙法再造煙葉生產(chǎn)廢水進(jìn)行預(yù)處理，研究不同絮凝劑、助凝劑類型和用量，廢水的pH值、溫度，以及氣浮設(shè)備進(jìn)水量和壓力對廢水絮凝沉淀影響，得到了最佳的絮凝體系和優(yōu)化的工藝參數(shù)，為造紙法再造煙葉廢水預(yù)處理提供技術(shù)支撐。
1、實驗
1.1 材料和儀器
1.1.1 原料
廢水取自湖北省某煙草薄片生產(chǎn)企業(yè)初沉池出水。該廠再造煙葉廢水水量為1600～1800m3/d，廢水一級、二級處理工藝流程如圖1所示，廢水水質(zhì)指標(biāo)見表1。
1.1.2 試劑
PFS為工業(yè)品，淡黃色固體粉末，全鐵含量≥20%;PAM為工業(yè)品，白色固體顆粒，選擇的三種PAM性質(zhì)見表2。重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸汞、硫酸、經(jīng)氧化鈉等均為分析純。
1.1.3 儀器
pH計;分析天平;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;722G型可見光分光光度計;SHP-250型生化培養(yǎng)箱;具塞比色管;ZR4-6型六聯(lián)混凝攪拌機;SS-1Z懸浮物測定儀;752型紫外分光光度計。
1.2 方法
1.2.1 絮凝劑類型和用量對廢水絮凝沉淀影響的實驗
取200mL再造煙葉污水站初沉池出水，原水質(zhì)pH為6.8，出水溫度為30℃，快速(120r/min)攪拌2min，隨后加入不同用量絮凝劑PFS和PAC，按原速繼續(xù)攪拌1min，再慢速攪拌20min(30r/min)，最后靜置30min，取上清液，測定CODCr、SS、色度去除率。
1.2.2 助凝劑(CPAM)類型和用量對廢水絮凝沉淀影響的實驗
取200mL再造煙葉污水站初沉池出水，原水質(zhì)pH為6.8，出水溫度為30℃，快速(120r/min)攪拌2min，隨后加入不同用量的三種助凝劑CPAM(見表2)，根據(jù)2.1實驗結(jié)果，加入最優(yōu)用量絮凝劑，進(jìn)行實驗。
1.2.3 溫度和pH對廢水絮凝沉淀影響的實驗
取200mL再造煙葉污水站初沉池出水，用NaOH或H2SO4調(diào)節(jié)水樣的pH值，使用電爐加熱控制水樣溫度，按照2.1、2.2實驗結(jié)果加入最優(yōu)用量助凝劑和絮凝劑，進(jìn)行實驗。
1.2.4 氣浮設(shè)備進(jìn)水量和氣浮壓力對廢水絮凝沉淀影響的實驗
根據(jù)2.1～2.3實驗結(jié)果，在污水站初沉池出口加入最優(yōu)用量的助凝劑和絮凝劑，采用NaOH或H2SO4控制氣浮池pH、添加冷凝水控制水溫至最優(yōu)值，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水泵頻率控制不同進(jìn)水流量，空壓機曝氣量控制溶氣罐氣浮壓力，進(jìn)行實驗
1.2.5 PFS-CPAM復(fù)合混凝劑電鏡掃描
取20g聚合硫酸鐵置于燒杯中，加入50mL蒸餾水，邊攪拌成均勻的稀糊狀混合液;再加入8g陽離子聚丙烯酰胺，先快攪1min，再在80℃水浴下慢攪10min，得到濃稠膠體。選用PFSA、相對分子量1100萬、離子度為40%的CPAM以及PFS-CPAM，分別進(jìn)行電鏡掃描。
2、結(jié)果與討論
2.1 PFS和PAC對廢水絮凝沉淀的影響
由圖2和圖3可知，在絮凝劑50～400mg/L范圍內(nèi)，隨著PFS和PAC用量的增加，可以加大對雙電層的壓縮，增加顆粒物參與架橋、卷掃的機會，有利于破壞廢水懸浮物膠體的穩(wěn)定性，提高絮凝效果，從而提高廢水SS、COD去除率。當(dāng)PFS用量達(dá)到400mg/L時，SS、COD去除率達(dá)到最大值，為81.25%、38.17%;當(dāng)PAC用量為400mg/L，SS去除率達(dá)到最大值，為73.45%，PAC用量為450mg/L，COD去除率達(dá)到最大值，為31.36%。但進(jìn)一步增大絮凝劑用量時，COD去除率基本不變，甚至出現(xiàn)一定降低。這是因為當(dāng)用量超多膠體脫穩(wěn)的等電點時，盡管絡(luò)合離子數(shù)量增加，但吸附架橋所需的粒子表面活性點減少，導(dǎo)致架橋變得困難;甚至引起返濁現(xiàn)象，降低混凝效果。
由圖4可知，當(dāng)PAC和PFS為400mg/L時，色度去除率基本達(dá)到最大值，進(jìn)一步增加用量，使用PFS的廢水色度去除率迅速下降，主要原因是PFS溶液本身色度較大，當(dāng)用量較大時，會對脫色產(chǎn)生明顯的不利影響。綜上所述，選取PFS作為造紙法再造煙葉廢水預(yù)處理絮凝劑，用量400mg/L適宜。
2.2 不同類型助凝劑CPAM對廢水絮凝沉淀的影響
由圖5、圖6、圖7與圖2、圖3、圖4對比可知：添加三種助凝劑，SS、COD、色度去除率都不同程度提高，主要原因是CPAM分子鏈帶有電荷，可壓縮微顆粒表面雙電層，有利于絮凝劑“吸附”和“架橋”作用。其中，當(dāng)CPAM2濃度為5mg/L時，對SS、COD、色度去除率增幅最大，達(dá)到91.04%、60.56%、70.52%，繼續(xù)增加CPAM2用量，SS、COD、色度去除率基本不變，甚至下降，主要原因是隨著CPAM量的增加，基團(tuán)-COOH-增多將導(dǎo)致高分子鏈和水中帶負(fù)電顆粒的排斥力增大，阻礙絮凝過程。因此，相對分子量1100萬、離子度為40%的CAPM(CPAM3)與PFS復(fù)合使用絮凝效果最佳。
2.3 pH和溫度對廢水絮凝沉淀的影響
由圖8可知，隨著pH值的增加，廢水SS、COD、色度去除率先上升后下降，當(dāng)pH=6.5時，SS、COD、色度去除率達(dá)到最大值，分別為91.18%、63.43%、70.25%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為當(dāng)pH值≤4時，鐵的高價多核絡(luò)離子會轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x的鐵離子，而失去凝聚作用;隨著pH值變?yōu)閴A性，鋁離子水解產(chǎn)物所帶電荷減小并向-等負(fù)離子轉(zhuǎn)化，電荷斥力會使其對懸浮物的吸附作用降低且系統(tǒng)脫穩(wěn)變差。pH值在4.5～6.5時，廢水色度去除率變化不大，當(dāng)pH值超過6.5時，色度去除率急劇下降，這是由于在強堿性條件下，廢水由紅棕色變?yōu)榘岛谏�，色度較大。由圖9可知，當(dāng)溫度為32℃時，廢水絮凝沉淀效果較好，溫度繼續(xù)升高，SS、COD、色度去除率變化不大，溫度過高也不利于后續(xù)的生化過程。
2.4 淺層氣浮進(jìn)水量和氣浮壓力對廢水絮凝沉淀影響
由圖10和圖11可知，根據(jù)污水量和淺層氣浮處理能力，隨著淺層氣浮進(jìn)水量逐漸降低，廢水SS、COD、色度去除率逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定;隨著氣浮壓力的增加，去除率先增加后下降，當(dāng)進(jìn)水量為150m3/d，氣浮壓力為0.35MPa時，SS、COD、色度去除率達(dá)到最大值，分別為65.2%、87.43%、72.53%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象原因是隨著空壓機曝氣量增大，氣浮壓力大，溶氣水釋放氣泡量增多，懸浮物上浮量增加，去除率增大，當(dāng)氣浮壓力超過0.35MPa時，隨著氣浮壓力增大，會對氣浮池絮凝體產(chǎn)生攪動作用，降低去除率，同時浪費電耗。
2.5 絮凝劑電鏡掃描表征結(jié)果
由圖12可知，在50μm的尺寸下，可看出PFS—CPAM粒徑明顯大于PFS。在10μm的尺寸下，可看出CPAM具有明顯的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而PFS的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯差于CPAM且有一些分支結(jié)構(gòu)。通過復(fù)合改性后PFS-CPAM的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯改善，從而使其產(chǎn)物表面積增大，提高了PFS的吸附、架橋能力。已有的研究表明，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比分支結(jié)構(gòu)有更好的絮凝微小顆粒及架橋吸附能力，形成緊密的絮體，快速沉降。
2.6 運行成本分析
根據(jù)上述實驗結(jié)果，最佳的絮凝體系和優(yōu)化的工藝參數(shù)為：pH=6.5，溫度為32℃;絮凝劑使用類型為PFS，用量為400mg/L;助凝劑使用類型為CPAM2型，用量為5mg/L;氣浮設(shè)備進(jìn)水150m3/h、氣浮壓力0.35MPa。再造煙葉廢水初始溫度為30～35℃，pH值為6.9，綜合考慮，溫度無需調(diào)節(jié)，pH利用HCI調(diào)節(jié)。
因此，絮凝-氣浮法對再造煙葉廢水預(yù)處理的運行成本包括藥劑費、設(shè)備電耗費。藥劑費包括PFS、CPAM2、HCI消耗;設(shè)備電耗包括高效淺層氣浮溶氣泵，撇渣、布水、刮泥電機以及各類轉(zhuǎn)液泵電耗。最佳條件下，采用絮凝-氣浮法處理廢水的運行藥劑成本見表3。
高效淺層氣浮溶氣泵、撇渣、布水、刮泥電機及進(jìn)氣浮轉(zhuǎn)液泵總功率為39kW，運行時間約為16h/d，電費單價為0.8元/度。因此，絮凝-氣浮過程噸水電耗為0.29元/噸水。
綜上所述，最佳條件下采用絮凝-氣浮法對廢水進(jìn)行預(yù)處理的運行成本為2.72元/噸水。
3、結(jié)論
采用絮凝-氣浮法對再造煙葉廢水進(jìn)行預(yù)處理，以陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)為助凝劑，聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鋁(PAC)為絮凝劑，研究了廢水溫度、pH值，絮凝劑、助凝劑類型和用量、氣浮進(jìn)水量及壓力對廢水絮凝沉淀的影響。結(jié)果表明：
(1)PFS對廢水SS、COD去除率更高，更適合作為再造煙葉廢水處理絮凝劑;相對分子量1100萬、離子度為40%的CPAM與PFS復(fù)合使用絮凝效果最佳，對再造煙葉廢水SS、COD、色度去除率更高;
(2)當(dāng)廢水溫度為32℃、pH為6.5;PFS用量為400mg/L、CPAM用量為5mg/L時;氣浮設(shè)備進(jìn)水150m3/h、氣浮壓力0.35MPa時，CODCr、SS、色度去除率最高，分別為65.2%、87.43%、72.53%;
(3)以陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)為助凝劑，聚合硫酸鐵(PFS)為絮凝劑，制備PFS-CPAM復(fù)合混凝劑，用掃描電鏡對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯改善，從而使其產(chǎn)物表面積增大，提高了PFS的吸附、架橋能力;
(4)上述最優(yōu)條件下，采用絮凝-氣浮法對廢水進(jìn)行預(yù)處理的運行成本為2.72元/噸水。(來源：湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司，重組煙葉應(yīng)用技術(shù)研究湖北省重點實驗室)
