超细滑石粉对造纸废水混凝效果的影响

Posted 2023-01-12 转速

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超细滑石粉对造纸废水混凝效果的影响
王营茹1 胡文云2 廖桂敏2
(1.武汉工程大学环境与城市建设学院武汉430074； 2.武汉工业学院化学与环境工程系武汉430023)
摘要选用超细滑石粉作混凝剂，考察其对造纸废水混凝效果的影响，影响因素有投加量、pH值、水力条件等。单因素试验结果表明，各影响因素的最佳取值分别为：SFT投加量5 g/L，pH值2，混合转速175 r/min，混合时间为50 s，反应转速 50 r/min，反应时间15 min。在单因素影响研究的基础上，进行4因素3水平的正交实验，结果表明，SFT混凝效果的最佳条件为：投加量为2.5 g/L，pH值为2，混合转速为175 r/min，反应时间为5 min；各因素的影响顺序为：pH值>投加量>混合转速>反应时间。
造纸废水中由于含有大量纤维和化学药剂，一般在处理时首先要用混凝法除去这些物质。目前，生产中多用聚合氯化铝(PAC)作混凝剂，聚丙烯酰胺(PAM)作助凝剂，但由于 PAM价格昂贵，而且其单体有毒，选用PAM作助凝剂可能会在排水或排泥中带入二次污染因子，所以近年来有人提出用超细滑石粉(SFT)替代PAM作助凝剂，也可以较好地处理造纸废水，而且SFT是环境无害材料，用作助凝剂所产生的污泥渣不会引起二次污染[1，2]。
本文探讨只添加超细滑石粉作助凝剂对造纸废水混凝效果的影响。
1 实验方法及材料
1.1 主要仪器
TA6系列程控混凝试验搅拌仪(武汉恒岭科技有限公司)；LP2000-11数显浊度仪(北京哈纳科仪科技有限公司)。
1.2 原材料
实验所用造纸废水取自武汉某造纸厂污水处理站进水口。水质如下：pH值7.5，CODcr为1.4 g/L，色度为2 760，浊度为1 240NTU。超细滑石粉(1 250目)由上海前进化学试剂厂生产。
1.3 SFT的投放方式及定量方法
由于SFT为超细粉末，直接投入水样中混合困难，实验中用小烧杯称取滑石粉，从实验水样中取出适量的水加入小烧杯中使滑石粉基本溶解，再倒入到实验水样中。
1.4 试验评价指标
造纸废水中纤维、木素等有机悬浮物(即SS)的多少，对于其CODcr值的高低有显著影响，SS与CODcr之间存在着良好的线性关系。本实验通过测定浊度来间接反映CODcr的变化趋势，以表征废水的处理效果。
1.5 正交实验
对单因素影响实验的结果进行分析，考虑到各因素对超细滑石粉混凝性能的影响大小不同，设计1个4因素3水平的正交实验。4因素为：SFT投加量，pH值，混合转速，反应时间。3水平的选定是根据所得各单因素的最佳值等间隔取3组数据。正交实验设计表参见文献。
2 结果与讨论
2.1 水样pH值对混凝效果的影响
由定性实验可知，滑石粉在酸性条件下的混凝效果比在碱性条件下好，因此最佳pH值实验只在酸性条件下进行。在室温下，混合转速为200 r/min，混合时间为1 min，反应转速为50 r/min，反应时间为20 min，投加量为10 g/L，沉淀时间为30 min，观察水样pH值对浊度去除效果的影响，结果如图1所示。

由图1可知，水样pH值对SFT的混凝效果影响较大，在酸性条件下，随着水样pH的升高，混凝效果越来越差。在 pH<4范围内，处理后水样浊度较低；当pH>4时，随着pH 值升高，上清液浊度急剧上升。本实验确定最佳pH值为2。
2.2 SFT投加量对混凝效果的影响
在室温，pH值为2，混合转速200 r/min，混合时间1 min，反应转速50 r/min，反应时间20 min，沉淀时间30 min的条件下，投加量分别为近似投加量5 g/L(由定性实验确定)的20%、40%、100%、120%、180%、200%，观察混凝剂投加量对浊度去除效果的影响，结果如图2所示。

由图2可见，开始随着混凝剂投加量的增加，上清液浊度呈下降趋势。混凝剂的投加量为5 g/L时，上清液的浊度为36.14NTU，处理效果最好。之后随着SFT投加量的增加，上清液浊度反而升高，这是因为达到最佳混凝点后继续增加药剂量，会出现过多的电荷，使得原来的电荷变号，排斥力变大，胶体出现再稳现象。
2.3 混合转速对混凝效果的影响
在室温，pH值为2，最佳投加量5 g/L的条件下，设定混合时间为1 min，反应转速50 r/min，反应时间20 min，沉淀时间30 min，改变混合转速，测定混合转速对SFT混凝效果的影响，结果如图3所示。

由图3可见，当转速小于175 r/min时，随着混合转速的增大，水样上清液的浊度呈下降趋势。当转速大于175 r/min 时，随着混合转速的增大，水样上清液的浊度又不断升高。当转速为175 r/min时，上清液的浊度最小，为38NTU，此时达到最佳混凝效果。这是因为在一定转速范围内，转速越快，混凝剂与水样混合越充分，混凝效果越好。达到最佳混合转速后，继续增加转速，浊度反而上升，这是因为转速过快，使得刚形成的矾花絮体被打碎，所以混凝效果变差。
2.4 混合时间对SFT混凝效果的影响
在室温，pH值为2，最佳投加量5 g/L，混合转速175 r/min的条件下，设定反应转速为50 r/min，反应时间为20 min，沉淀时间为30 min，改变混合时间，观察混合时间对浊度去除效果的影响，结果如图4所示。

由图4可见，当混合时间小于50 s时，随着混合时间的延长，水样上清液的浊度不断减小；当混合时间大于50 s时，随着混合时间的延长，上清液的浊度呈明显的上升趋势。当混合时间为50 s时，上清液的浊度最小为94NTU，此时混凝效果达到最好。
2.5 反应转速对SFT混凝效果的影响
在室温，pH值为2，最佳投加量5 g/L，混合转速175 r/min，混合时间50 s的条件下，设定反应时间为20 min，沉淀相同时间，改变反应转速，观察反应转速对混凝效果的影响，结果如图5所示。
由图5可见，随着反应转速的增大，剩余浊度急剧下降，当反应转速为50 r/min时，上清液的浊度最小，为23.3NTU，此时达到最佳混凝效果。随着反应转速继续增大，上清液浊度渐渐上升。这是因为在一定的反应转速范围内，随着反应转速的增大，矾花间的碰撞机会增大，且这个范围的转速又不会将形成的矾花打碎，因而混凝效果增强。当达到最佳反应转速后，继续增大反应转速，过大转速，将形成的矾花打碎，不利于沉淀，因而混凝效果变差。

2.6 反应时间对浊度去除效果的影响
在室温，pH值为2，最佳投加量5 g/L，混合转速175 r/min，混合时间50 s，反应转速50 r/min，沉淀相同时间的条件下，改变反应时间，观察反应时间对混凝效果的影响，结果如图6所示。

由图6可见，当反应时间小于15 min时，随着反应时间的增加，上清液的浊度不断下降，当反应时间为15 min时，上清液的浊度最小，为23NTU，此时混凝效果最好。之后随着反应时间延长，上清液浊度呈上升趋势，这是因为反应时间太长，会使胶体再稳，不利于沉淀，因而混凝效果变差。
2.7 正交实验
通过L9(34)正交实验，所得数据及数据处理结果见表1。由表1可见，最佳水平组合为：投加量2.5 g/L，pH值2，混合转速175 r/min，反应时间5 min。
根据极差的大小可知，混凝性能的影响主次顺序为：pH 值>投加量>混合转速>反应时间。
3 结论
(1)用超细滑石粉作混凝剂处理造纸废水，取得了很好的实验效果。说明超细滑石粉既可起到混凝作用，又可起到助凝作用，减少了造纸废水常规处理中的药剂添加种类。
(2)用超细滑石粉作为混凝剂处理造纸废水，应该在酸性条件下让元素生成H4SiO4胶体，实验得出最佳pH值为2。
(3)单因素实验考察了SFT投加量，pH值，水力条件等影响混凝的因素。得出各因素的最佳值为：投加量5 g/L，pH 值2，混合转速175 r/min，混合时间50 s，反应转速50 r/min，反应时间15 min。

(4)通过L9(34)正交实验，确定了影响SFT混凝效果的最佳组合水平为：最佳投加量2.5 g/L，pH值2，混合转速175 r/min，反应时间5 min，混合时间50 s，反应转速50r/min。各因素对混凝效果的影响大小为：pH值>投加量>混合转速 >反应时间。