化学絮凝剂预处理淀粉废水的比较研究

化学絮凝剂预处理淀粉废水的比较研究摘要：马铃薯淀粉废水产生的季节性使得常规生物处理应用起来存在很大困难，采纳絮凝剂对废水进行预处理可减轻后续处理负担。文章使用常规化学絮凝剂AlCl3、Fe2（SO4）3、PAM以及有机和无机之间的相互复配对马铃薯淀粉废水进行絮凝预处理，讨论了投药量、废水pH值、助凝剂CaCl2投加量以及沉降时间等因素对絮凝效果的影响，确定了各絮凝剂处理废水的较佳絮凝条件，并在较佳条件下处理废水，通过综合比较处理效率、处理成本、絮凝条件难易程度等方面，确定了马铃薯淀粉废水的较佳絮凝剂为AlCl3+PAM，其具有废水处理效果好（COD去除率为41.08%，浊度去除率为95.06%，色度去除率为90.63%）、投药量少（2mLAlCl3+0.3mLPAM）、助凝剂投加量少（1mLCaCl2）、较佳pH在废水初始pH范围内、处理成本低（11.05元/t废水）、产生污泥量少（649g/t废水）等优点。马铃薯淀粉废水是马铃薯淀粉以及相关淀粉化工产品生产过程中产生的废液，是食品工业中污染最严峻的废水之一，废水中含有大量有机物，如糖类、蛋白质等，造成废水COD、浊度和色度很高。甘肃省的马铃薯总产量位于全国第一[1]，生产马铃薯加工产品，尤其是马铃薯淀粉，是甘肃省经济进展的支柱产业之一，随之而来的便是大量高浓度有机废水的排放。由于常规生物处理启动较慢，而马铃薯淀粉生产的季节性特点（一般在9月下旬至其次年3月生产），使得其对废水应用起来存在很大困难，同时生物处理法对废水进行预处理占地面积大、能耗大、投资费用和运行费用高、受废水的水温、pH等环境条件影响较大，废水浓度太高也影响生物处理的应用；而絮凝法预处理具有基建投资少、工艺简洁、操作简单、能耗低、对气温的变化适应性强等优点，并可以回收大量废水中的蛋白物质，用做饲料。对废水进行絮凝预处理，可大大降低废水中有机物浓度，减轻后续处理负担。常用的化学絮凝剂包括无机絮凝剂和有机絮凝剂。文章采纳无机絮凝剂氯化铝（AlCl3）、硫酸铁（Fe2（SO4）3）和有机絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）处理马铃薯淀粉废水，并将无机和有机絮凝剂进行复配，讨论各絮凝剂的投药量、废水pH值、助凝剂投加量以及沉降时间等对絮凝效果的影响，从而确定了马铃薯淀粉废水的较佳絮凝剂及其较佳絮凝条件，为工业应用供应理论依据。1材料与方法1.1试剂10g/L氯化铝（AlCl3）溶液；10g/L硫酸铁（Fe2（SO4）3）溶液；1g/L聚丙烯酰胺（PAM）溶液；10%氯化钙（Ca-Cl2）溶液；10%盐酸（HCl）溶液；10%氢氧化钠（NaOH）溶液。1.2主要仪器JJ-4A数显六联电动搅拌器；LovibondET99730COD测定仪；LovibondET125SC消解器；HANNAHI93703-11浊度仪；北京京立LD5-2A离心机等。1.3试验方法1.3.1废水制备依据马铃薯淀粉生产的一般过程，试验室简易制取废水。取肯定量马铃薯洗净切丝捣碎后用纱布挤压出细胞液离心，每次加入1倍体积水分别洗涤马铃薯渣两次、所得淀粉颗粒两次，取离心上清液和洗涤废水静置1h后的上清液混合匀称后为废水样。测定废水水质，掌握废水浊度值在500~550NTU之间。1.3.2废水水质监测（1）COD：分光光度计测定法。（2）浊度：浊度仪测定法。（3）色度：稀释倍数法。（4）pH值：精密pH试纸测定法。1.3.3絮凝剂投加量对絮凝效果的影响3只250mL烧杯中装100mL废水，分别加入AlCl3、Fe2（SO4）3和PAM，每次投加量为1mL，同时进行搅拌（150r/min）直到其消失矾花，确定各絮凝剂较佳投加量范围。5只250mL烧杯中装100mL废水，按絮凝剂较佳投药量的20%~120%加入絮凝剂，快搅（300r/min）0.5min，中搅（150r/min）6min，慢搅（70r/min）10min，停止搅拌后静置10min，注射器吸取上清液测其浊度（来回测两次取均值，以消退时间引起的误差，下同）。以不加絮凝剂的相同水质废水为对比，计算浊度去除率，用以表示絮凝效果。1.3.4复合型絮凝剂复配比对絮凝效果的影响5只250mL烧杯中装100mL废水，先按较佳投药量一半剂量的20%~120%加入无机絮凝剂，快搅0.5min，中搅3min，然后加入PAM较佳投药量的一半剂量，中搅3min，慢搅10min，停止搅拌后静置10min，取上清液测其浊度并计算浊度去除率。1.3.5废水pH值对絮凝效果的影响5只250mL烧杯中装100mL废水，调整为不同的pH值后，分别加入已确定的较佳投药量，相同条件下搅拌，停止搅拌后静置10min，取上清液测其浊度并计算浊度去除率。1.3.6助凝剂CaCl2投加量对絮凝效果的影响5只250mL烧杯中装100mL废水，在较佳投药量和pH条件下加入不同量的助凝剂CaCl2，相同条件下搅拌，停止搅拌后静置10min，取上清液测其浊度并计算浊度去除率。1.3.7沉降时间对絮凝效果的影响250mL烧杯中装200mL废水，调整废水pH后，加入较佳量的絮凝剂和助凝剂，相同条件下搅拌，停止搅拌后静置，每隔5分钟取上清液测其浊度，计算浊度去除率。1.3.8化学絮凝剂处理马铃薯淀粉废水效果比较250mL烧杯中装100mL废水，在本试验所确定的各絮凝剂的较佳絮凝条件下处理马铃薯淀粉废水，絮凝后取上清液测其水质，过滤，固体蛋白物质烘干称重。1.3.9马铃薯淀粉废水较佳絮凝剂的确定综合比较三种絮凝剂及其相互复配后的废水处理效果、处理成本、处理条件的难易程度等方面，得出马铃薯淀粉废水的较佳絮凝处理方法及其较佳絮凝条件。2结果与争论2.1废水水质监测结果废水水质监测结果见表1。<imgalt=“微信图片_20190710103523.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019002/20197/Env/201907181330450409.jpg”/2.2絮凝剂投加量对絮凝效果的影响结果AlCl3、Fe2（SO4）3和PAM三种单一絮凝剂的投加量对絮凝效果的影响结果见图1。<imgalt=“微信图片_20190710103546.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019002/20197/Env/201907181330458562.jpg”/由图1可知，无机絮凝剂AlCl3和Fe2（SO4）3的投加量对其相应的废水絮凝效果影响较大，投加量从5.4mL增加到6mL时，浊度去除率分别提高了约30%和20%；有机絮凝剂PAM具有巨大的表面吸附和优良的架桥力量，其可以在较小的投加量下达到较好的絮凝效果，投加量1mL时，浊度去除率即可达到45%以上。试验结果还表明，增加投药量可促进絮凝剂絮凝，但投药量过高时，絮凝效果反而降低，这是由于投药量加大时，废水中含有大量聚合物，会把胶体微粒包围，使它们失去了彼此之间架桥的可能，胶体颗粒仍处于稳定状态，因此就存在一个最佳投药量：AlCl3的较佳投药量为6mL（即600mg/L废水），Fe2（SO4）3为5.9mL（即590mg/L废水），PAM为0.7mL（即7mg/L废水）。此时浊度去除率分别为48.89%、39.16%和50.00%。由此可见，在原水条件下，PAM和AlCl3的絮凝效果相当，而Fe2（SO4）3的絮凝效果较差，但总体都不高。2.3复合型絮凝剂复配比对絮凝效果的影响结果从图2可以看出，无机和有机絮凝剂的复配可明显提高絮凝效果，尤其是Fe2（SO4）3+PAM，在较佳投药量为2mL+0.3mL时，浊度去除率可达到82.54%，比单独使用Fe2（SO4）3提高了43%，比单独使用PAM提高了32%；AlCl3+PAM复配絮凝时，在较佳投药量为2mL+0.3mL时，浊度去除率为54.18%，也比单独使用任意一种絮凝剂的絮凝效果好，这是由于无论是铝盐还是铁盐，其水解后生成的多核羟基络合物都具有较强的中和悬浮颗粒所带负电荷的力量从而促进其分散，而PAM的高度架桥力量可以使分散吸附更快，从而达到更佳的处理效果[2]。试验结果还表明，无论是无机还是有机絮凝剂，其用量都比单独使用时用量的一半还少。由此可见，使用无机和有机絮凝剂复配对废水进行絮凝处理，具有絮凝效果好，用量少的优点。2.4废水pH值对絮凝效果的影响结果由图3可明显看出，废水pH对各絮凝剂的絮凝效果影响很大，尤其是对Fe2（SO4）3和PAM。在碱性条件下，Fe2（SO4）3的浊度去除率明显提高，在pH11.5时，浊度去除率达到93.8%，比原水条件下的去除率提高了约56%，这是由于铁盐在碱性条件下水解，不断生成带电的氢氧化物络合离子并形成多核羟基络合物，该络合物在较高pH下的吸附架桥力量强，混凝效果好[3]；在酸性条件下，PAM絮凝时浊度去除率也有显著提高，在pH3.5时，去除率达到83.46%，比原水条件下提高了约37%，这是由于低pH值有利于原水中带负电的胶粒发生电性中和和压缩双电层作用以削减胶粒间斥力[4]；由于AlCl3水解产物是典型的两性氢氧化物，在原水pH值太高（9.0）或太低（5.5）时会溶解[5]，絮凝效果差，而在中性偏酸性条件下效果最好，此时水合水离子水解形成的多核羟基络合物不但可以中和胶体表面所带负电荷，还可以在其聚合度较高时，使胶体颗粒架桥连接起来，具有较强的分散力量，浊度去除率为79.63%；无论是AlCl3还是Fe2（SO4）3，其与PAM复配后较佳pH范围都发生了明显的变化，前者为4，后者为4.5。在较佳pH条件下，各絮凝剂的絮凝效果为Fe2（SO4）3+PAMFe2（SO4）3AlCl3+PAMPAMAlCl3。由此可见，2.3节的结论中Fe2（SO4）3的絮凝效果差是由于Fe2（SO4）3在强碱性条件下具有较好的絮凝效果，而在酸性条件下较差，马铃薯淀粉废水正好呈现酸性（pH4～6）；絮凝剂复配后在原水条件下效果明显提高是由于复配后的较佳pH范围刚好在废水的pH范围内。2.4助凝剂投加量对絮凝效果的影响结果由图4可知，助凝剂的投加对AlCl3的絮凝效果影响最大，这是由于其絮凝时形成的絮凝体松散，不易沉降，投加助凝剂，有助于其絮凝沉降，在较佳投加量2mL时，浊度去除率为89.30%；而助凝剂的投加和投加量的多少对Fe2（SO4）3和PAM絮凝效果影响较小，这是由于它们形成的絮凝体体积大而且相对密实，简单沉降，助凝剂对其絮凝效果的提高作用不明显，较佳投加量分别为1.5mL和0.4mL，浊度去除率分别为95.50%和85.49%；将无机与有机絮凝剂复配后，所需CaCl2的投加量明显削减，这是由于PAM相对于无机絮凝剂来说，也有较高的助凝作用，促进絮凝过程，因此只需较小量的助凝剂即可达到较高的絮凝效果：AlCl3+PAM絮凝时投加1mL助凝剂，浊度去除率为91.12%，而Fe2（SO4）3+PAM仅需0.5mL，浊度去除率为95.13%。2.5沉降时间对絮凝效果的影响结果由于AlCl3形成的絮凝体比较松散，较难沉降，所需沉降时间较长，沉降10min时，浊度去除率较高，为90.80%，沉降30min时，浊度去除率达到94.22%，其与PAM复配后，沉降速度有所提高，10min后，浊度去除率为93.30%；而Fe2（SO4）3絮凝时形成的矾花密实，沉降速度快，在沉降5min后即可达到较高的处理效果，浊度去除率为94.53%，此后变化不大，与PAM复配后，沉降5min的浊度去除率为95.75%；PAM絮凝时形成的矾花最大，但密度稍小，沉降10min时，浊度去除率为85.65%，随着时间的延长，浊度去除率增加不明显，沉降35min时，浊度去除率为88.36%。2.6化学絮凝剂处理马铃薯淀粉废水结果比较从表2可以看出，使用无机絮凝剂和有机絮凝剂的复配比单纯使用无机絮凝剂不仅提高了COD、浊度和色度的去除率，絮凝效果更好，所需投药量和助凝剂投加量也大大削减，较佳pH在废水本身pH范围内，无需调整pH，处理成本大大降低，同时，产生的污泥量也大幅度降低；相比起来，虽然AlCl3+PAM的COD和浊度去除率比Fe2（SO4）3+PAM稍低，也比其较难沉降，但后者脱色效果不好，而且产生的污泥量大，处理成本较高，同时Fe3+具有很强的腐蚀性。综上所述，文章认为用AlCl3+PAM处理马铃薯淀粉废水具有肯定的优越性。3结论文章对无机和有机絮凝剂及其之间的相互复配对马铃薯淀粉废水絮凝处理过程中的投药量、废水pH值、助凝剂投加量以及沉降时间等絮凝过程中的主要影响因子进行了试验讨论，主要结论如下：（1）使用单一絮凝剂时，Fe2（SO4）3的废水COD和浊度去除率最高，但其较佳pH范围在碱性条件下，需要大量碱来调整pH，处理成本很高，而且脱色效果不好，产生污泥量最大；PAM的脱色效果最好，所需投药量和助凝剂投加量都很小，处理成本最低，但其最佳pH范