超細滑石粉對再生造紙廢水處理的助凝作用研究摘要針對目前許多中小造紙廠的廢水混凝處理中，使用PAM作助凝劑，致使污水處理成本居高，又可能帶來二次污染，找到了一種新的助凝劑超細滑石粉（SFT）作為PAM的替代品，可使處理的藥品成本降低0.173元/m3，且不會給排泥帶來二次污染。關鍵詞超細滑石粉再生造紙廢水處理混凝助凝劑替代性StudyofflocculationsubstituteofSFTintreatmentofreclaimedpapermakingwastewaterAbstract:Whiletreatingwastewater,manymedium-sizedandsmall-sizedpapermakingplantsusePAMasflocculant.Thecostoftreatmentisveryhighanditwillleadtopollutionthesecondtime.WeuseSFTasasubstituteforPAM.Asaresult,thetreatingcostwillbedecreasedby0.173￥/m3anditwillavoidthesecond-timepollution.Keywords:superfinetalc;reclaimedpapermaking;treatmentofwastewater;coagulation;flocculant;substitution研究目的文獻[1]報導，我國造紙廢水COD的排放量約占全國工業廢水COD排放量的三分之一以上。在河南省尤其如此。河南是一個農業大省，利用農作物秸稈植物纖維制漿造紙，曾經支撐了許多縣鄉級的地方財政。在2000年保衛淮河的“零點行動”以后，河南已經關閉了許多這類中小堿法制漿造紙廠，但是保留或改造了一批廢紙再生造紙廠，以生產黃紙板及再生新聞紙為主。再生造紙廢水的污染負荷相對堿法制漿造紙而言較輕，但仍遠遠超過國家排放標準，仍是環保局重點控制的污染源。目前河南各地的中小再生造紙廠實際上也都非常重視再生紙的廢水處理，但是由于在運行中發生的治污成本或工藝效果等各類問題，例如：混凝過程中通常采用PAM助凝，而PAM價格昂貴，即使少量投加也會使治污成本大幅上升，使利潤本來很薄的再生造紙雪上加霜，若不加或少加，又使工藝效果大為下降，這類矛盾困惑著企業家。于是許多企業的廢水處理設施建而不投或僅在環保檢查時運行一下，其要害就在于此，其危害也在于此。本課題的研究要尋找一種PAM助凝的替代品，使再生廢水處理既提高了混凝效果，有可使運行成本降下來，保證廢水處理設備的投運率，真正保護環境。本課題為河南省環保局2003年科技攻關項目。實驗方法與材料本課題以鄭州市宏達造紙實業公司的再生紙生產廢水為對象。該廠的廢水主要來源于制漿車間的水力碎漿廢水，日排廢水量3000噸左右，加上部分生活污水，每日實際處理污水量3200噸左右，該廠的污水處理工藝如圖1所示。加藥刮渣加藥刮渣出水出水氣浮池沉淀池混凝池初沉池氣浮池沉淀池混凝池初沉池污泥污泥污泥污泥圖1、宏達造紙廠廢水處理工藝圖1示出試驗的原始水樣，分別取自沉淀池的前、后。水質指標見表1所示。表1試驗原始水樣水質指標水樣PHCODCr(mgg/L)色度（tu）濁度（tu）SS（mg/L）原始水樣（1）6.901623.84276012401516.67原始水樣（2）6.87844.971100540422.548.060.156.472.1本試驗分別以常規的聚合氯化鋁（PAC），聚合硫酸鐵（PFS）為混凝劑，分別配合以聚丙烯酰胺（PAM），超細滑石粉（SFT）為助凝劑，模擬生產現場的運行條件因素，進行混凝試驗，對比實驗結果。本次試驗選擇了一種超細滑石粉（SuperfineTalc，簡寫SFT）作為新的無機助凝劑。實驗所用的SFT由國家非金屬礦研究院提供，滑石粉的細度為1250目，平均粒徑約為PAC選用了市售的工業級產品。PAM選用了鄭州市污水有限公司化工廠生產的產品。PFS選用了鄭州市柿園水廠生產的液態聚合硫酸鐵。混凝動力學中攪拌參數的選擇，根據文獻[2]M.Rossini的成果：當PAC混凝時，快速攪拌200r/min，攪拌時間1min；慢速攪拌40～60r/min，攪拌時間20min。在采用PFS作為混凝劑時，實驗參考生產廠家所提供的攪拌速率及攪拌時間：快速攪拌300r/min，攪拌時間30s；中速攪拌150r/min，攪拌時間6min；慢速攪拌60r/min，攪拌時間4min；沉淀過程以20r/min攪拌5min。試驗結果與討論3.1試驗首先對預沉后的原始水樣（2）進行了混凝劑PAC投藥量的優化試驗，即在50mg/L至500mg/L的投藥量范圍內，進行逐點試驗選擇以獲得最佳處理效果者為最優投藥量。結果獲得最優PAC投藥量為350mg/L，這一結果與生產現場運行的實際投藥量基本吻合。故本試驗把PAC投藥量鎖定在350mg/L，只研究PAM與SFT的替代性。由于受生產現場治污成本的限制，助凝劑PAM的投加量一般控制在3～5mg/L，后者的效果優于前者，但肯定不會超過5mg/L的投加量，用廠方的話來說：不能把僅有的一點點利潤全擲到水里去了。這使我們更加感受到了尋求PAM替代品的迫切性。混凝劑PAC（350mg/L）+助凝劑SFT投加量優化試驗的結果見表2所示。表2SFT投加量優化試驗（PAC：350mg/L）SFT投加量（mmg/L）CODCr(mgg/L)色度（tu）濁度（tu）1388.869663396.8010895386.8811267386.88806注：原水樣選用初沉池后的水樣由表2可見，SFT的最優投加量選為1mg/L。PAC（350mg/L）+PAM（5mg/L）組合與PAC（350mg/L）+SFT（1mg/L）組合的混凝對比試驗結果，見表3所示。表3PAM與SFT對比試驗結果（PAC：350mg/L）原始水樣（2）PAC+PAM（5mgg/L）去除率（%）PAC+SFT（1mgg/L）去除率（%）CODCr(mgg/L)844.97392.4453.6385.1154.4色度（tu）11008792.18892.0濁度（tu）540798.7599.1SS（mg/L）422.533.592.121.594.9由表3可見，作為助凝劑，SFT完全可以替代PAM與混凝劑PAC配合使用。3.2在生產現場使用的混凝劑除了PAC外，通常還使用PFS。本試驗選用了鄭州市柿園水廠生產的聚合硫酸鐵原液，一種棕紅色的液體，使用前先將溶液稀釋，配制成10%（V/V），PFS的投加量優化試驗結果見表4所示。表4PFS投加量優化試驗PFS投加量（mml/L）CODCr(mgg/L)色度（tu）濁度（tu）01623.84276012405.0602.16360505.5521.38265396.0533.32310516.5513.4225539注：原水樣選用初沉池前的水樣由表4可見，混凝劑PFS的最優投加量選為5.5ml/L。助凝劑PAM的投加量，仍選用5mg/L。當使用PFS（5.5ml/L）時助凝劑SFT的投加量優化試驗結果見表5所示。表5SFT投加量優化試驗（PFS：5.5ml/L）SFT投加量（mmg/L）CODCr(mgg/L)色度（tu）濁度（tu）1464.45152153488.06244295535.3034541注：原水樣選用初沉池前的水樣，助凝劑在慢速攪拌開始時加入由表5可見，SFT的最優投加量選為1mg/LPFS（5.5ml/L）+PAM（5mg/L）組合與PFS（5.5ml/L）+SFT（1mg/L）組合的混凝對比試驗結果見表6所示。表6PAM與SFT對比試驗結果（PFS：5.5ml/L）原始水樣（1）PFS+PAM（5mgg/L）去除率（%）PFS+SFT（1mgg/L）去除率（%）CODCr(mgg/L)1623.84497.9069.3464.4571.4色度（tu）276024091.315294.5濁度（tu）12402897.71598.8SS（mg/L）1516.678.099.57.099.5由表6可見，作為助凝劑，SFT完全可以替代PAM與混凝劑PFS配合使用。3.3討論3.3.1由表3、表6可見，無論在以PAC為混凝劑還是在以PFS為混凝劑的混凝工序中，SFT均可以作為助凝劑去替代PAM。并且，當SFT用量為1mg/L時，其助凝效果要優于PAM用量為5mg/L的助凝效果。混凝藥品成本比較見表7所示。表7混凝藥品成本比較（PAC為混凝劑）藥品名稱及用量（mg/L）PAC+PAM方方案PAC+SFT方方案PAC(350mmg/L)PAM(5mg//L)PAC(350mmg/L)SFT(1mg//L)單價（元/噸）18003500018002000m0.6300.1750.6300.002合計（）0.8050.632由表7可見，用SFT替代PAM，每處理1噸廢水，可以節約藥品成本0.173元。該宏達造紙廠每天廢水排放量為3200m3。僅此混凝藥品成本一項，每天可節約553.60元，每年按300天生產日計算，年節約藥品成本達16.608萬元，對于一個中小再生造紙廠來說，這應當屬于一筆較為可觀的利潤額了。SFT為什么可以替代PAM助凝呢？根據混凝動力學中碰撞速率方程：[3]式中N0—碰撞速率n—顆粒數量濃度d—參與絮凝過程的顆粒直徑G—速度梯度碰撞速率與顆粒物數量濃度的平方成正比，與參與絮凝過程的顆粒直徑的三次方成正比。當G值保持不變，由于加入的PAM是分子量300萬以上的有機高分子物質，其展開長度可達10μm以上[4]。Lamer認為，水中高分子物質可以形成吸附架橋，形成“膠粒—高分子—膠粒”絮凝體，但是許保玖先生以構成濁度的粘土顆粒為例，經推算后指出：粘土顆粒表面吸附混凝劑水解膠體產物顆粒后，不會影響粘土的粒度，因為兩者粒度相差2～3個數量級，未被吸附的即使聚集成更大的顆粒，也遠遠達不到所測定的粒度。故PAM在水中吸附膠體的行為對粒度的影響類似于此。因此，只有粘土顆粒才是決定水中顆粒物數量濃度以及顆粒直徑的因素。SFT是經過特殊加工的無機礦物超細顆粒，平均粒徑12μm，在幾何尺寸上，與PAM同一數量級，但PAM是一個二維長鏈，而SFT是一種三維球體，在提供顆粒物空間直徑d的三次因子和數量濃度n的二次因子的貢獻上，SFT比PAM更為優秀些。圖1、圖2示出了PAC+PAM組合與PAC+SFT組合兩種混凝絮體的掃描電鏡照片（×300倍）。圖3、圖4示出了PFS+PAM組合與PFS+SFT組合兩種混凝絮體的掃描電鏡照片（×1000倍）。從絮凝體的幾何結構微形態學上對比，也可以發現，投加PAM形成的絮凝體結構確實沒有投加SFT形成的絮體結構均勻、密實。這與上述碰撞速率理論的討論結果吻合。圖1PAC+PAM絮凝體ESM照片（×300）另外，根據表面絡合理論[5]，滑石粉的化學式為Mg3(Si4O10)(OH)2，屬于層狀硅酸鹽圖2PAC+SFT絮凝體ESM照片（×300）粘土礦類，其結構為上下兩片硅氧四面體晶片之間夾著一片八面體晶片，猶如三明治，上下兩個四面體的頂端都指向中央，擁有大量的表面羥基，它們均可參與各種表面質子遷移，配體交換及絡合反應，由于表面絡合的作用，對廢水中的有機物配體吸附常發生于一定的絡合位之上。圖3PFS+PAM絮凝體ESM照片（×1000）因此，由于超細滑石粉的表面絡合吸附和碰撞速率的共同貢獻，使得SFT可以圓滿替代PAM助凝，而且具有更好的助凝效果。結論4.1SFT可以替代PAM助凝，既可以與PAC又可以與PFS配合。而且其助凝效果要優于PAM。4.2用SFT作為再生造紙廢水混凝處理的助凝劑時，比用PAM作助凝劑，可節約藥品成本0.173元/m3。4.3由于PAM單體有毒[6]，選用PAM作為助凝劑可能會在排水或者排泥中帶入二次污染因子。而SFT屬于無機礦物顆粒，無毒，是環境無害材料，所產生的污泥不會引起二次污染。參考文獻[1]陳正夫等.控制造紙廢水對水源污染的調查報告.環境監測管理與技術.1997，9（4）：15～17[2]M.Rossini,J.GarciaGarrido,M.Galluzzo.Optimizationofthecoagulationfloc