結團絮凝工藝處理兩種不同性質染料廢水研究

許雯，王宏飛，陳舒展，朱麗婷，王平

(南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京 210037)

合成染料的用途十分廣泛[1]，隨著合成染料的普及，其對水資源以及周圍環境造成了嚴重破壞[2]?，F今，對染料廢水的主流處理方法包括了化學、物理及生物處理方法等[3]。絮凝沉淀法，其在染料廢水處理中也發揮了重要的作用[4]。

結團絮凝工藝，是在傳統絮凝技術進一步發展過程中形成的，可定義為在液體介質中直接生成濕顆粒[5]。本文采用結團絮凝工藝對兩種染料模擬廢水進行處理，通過控制工藝運行條件，確定了最佳運行參數，并與其它絮凝工藝進行對比，認為結團絮凝工藝在處理染料廢水方面具有良好的應用前景。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

陰離子聚丙烯酰胺(PAM，分子量>300萬)、聚合氯化鋁(PAC，Al2O3≥28%)、活性嫩黃K-4G、直接耐酸大紅4BS均為分析純。

JJ-4A六聯攪拌器；HI93703哈納濁度測定儀。

1.2 模擬染料廢水的配制

稱量0.5 g直接耐酸大紅4BS與1 g活性嫩黃K-4G分別加入35 L蒸餾水中，采用色度法測得兩種模擬染料廢水的色度分別為1 000，400，濁度為1.65 NTU，2.25 NTU。

1.3 結團絮凝工藝原理

結團絮凝工藝的核心是控制適宜的投藥條件和水力條件，投加適量的混凝劑，使得廢水中的膠體雜質脫穩，在該階段于管式反應器內形成理想的高密度、小粒徑初始粒子[6]，其與加入的高分子助凝劑混合，并在上升水流、剪切力的共同作用下生成致密的大顆粒結團體，繼而形成懸浮層。在該工藝穩定運行時，流化床底部進入的理想初始粒子與懸浮層顆粒間發生擠壓摩擦，初始粒子逐一附著在其表面，從而降低了結團體的內部孔隙率，生成了高密度的結團絮凝體[7-8]。這種絮凝顆粒沉降性能良好，可在設備澄清區實現液固分離[9]。許多研究表明利用結團絮凝工藝對高濁水、水廠生產廢水等不同水質進行處理效果顯著[10-11]。

試驗裝置見圖1。該裝置主體由結團絮凝反應器(高1.0 m，直徑50 mm)構成，入水管直徑10 mm，反應器共配置7個出水口，每個出水口間隔100 mm并在第7個出水口出水。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup1.模擬廢水池；2.加壓泵；3.管式反應器；4.結團絮凝反應器；5.出水池；6.攪拌器

1.4 實驗方法

在500 mL燒杯中依次加入高嶺土和PAC，為制備絮凝效果好的結團絮凝體，控制高嶺土與PAC的質量比為50∶1，接著將該體系放入六聯攪拌器中攪拌1 min，轉速為200 r/min，攪拌充分后繼續向燒杯中添加少量PAM(添加的PAM占燒杯中高嶺土質量的5‰)，然后繼續在低速的條件下(65 r/min)攪拌90 min，即得實驗所需結團絮凝體。

染料模擬廢水依次進入蠕動泵、微管混凝器(DN10，10 m)和結團絮凝反應器。將PAC與PAM分別投加到微管混凝器的前端和末端，在反應器中添加制備的結團絮凝體，靜置高度為40 cm。啟動蠕動泵并打開入水閥門，通過控制泵的流量來調節儀器中的水高度。

1.5 分析項目及檢測方法

通過稀釋倍數法測定染料廢水的色度；濁度采用濁度測定儀測定。

脫色率(%)按下式計算：

R=(1-A/A0)×100%

(1)

其中，A和A0分別為處理前后的色度(倍)。

2 結果與討論

2.1 結團絮凝體對4BS和K-4G的處理效果

圖2為結團絮凝體對兩種模擬廢水(未加PAC或PAM)的處理效果，控制上升流速30 cm/min。

圖2 結團絮凝體對4BS和K-4G水質的影響Fig.2 Effect of pellet flocs on the water quality of 4BS and K-4G a.4BS；b.K-4G

由圖2可知，由于吸附作用，運行時間10 min內，4BS和K-4G脫色率分別達到60%與50%，之后脫色率逐漸降低，30 min后幾乎沒有脫色效果。這是由于4BS與K-4G在水中的流體力學半徑遠小于結團絮凝體的本身粒徑，使得染料不易被截留，從而脫色效果較差；出水濁度隨運行時間逐漸減小，這是由于反應器中結團絮凝體的濃度在逐漸降低，而在運行過程中出水濁度值均較高，在水流沖擊下，結團絮凝體緊密度下降，易被沖散，最終導致廢水的出水濁度較高，4BS和K-4G的出水濁度分別達到100 NTU、40 NTU左右。

2.2 投藥條件對染料的影響

2.2.1 PAC投加量對染料的影響 在結團絮凝工藝中，PAC主體上依靠壓縮雙電子層以及吸附電中和作用來使得水中的膠體脫穩，在管式反應器中形成理想的初始粒子[12]。研究表明，投加的混凝劑的量是以生成初始粒子為前提的[13]，投加的量越多，則初始粒子的密度降低，不利于后續操作中高密度結團體的形成[9]。出水濁度以及脫色效果在一定程度上受到PAC濃度的影響。首先在微管混凝器前端加入一定量的PAC進行預反應，當出現了適度的脫色效果后再進入結團絮凝反應器。為提高結團體本身結構的致密性，接著在微管混凝器末端注入1.2 mg/L 的PAM溶液，圖3為PAC的加入量分別對4BS和K-4G脫色效果及出水濁度的影響。

圖3 PAC投加量對4BS和K-4G水質的影響Fig.3 Effect of PAC dosage on the water quality of 4BS and K-4G a.4BS；b.K-4G

由圖3a可知，就4BS而言，脫色率隨著PAC投加量的增加而逐漸變高，與此相適應，出水濁度隨著PAC的投加量而逐漸降低。當PAC持續添加達到20 mg/L時，脫色率以及出水濁度分別停留在96%和8.14 NTU；當PAC的投加量超過20 mg/L時，染料廢水的脫色率以及出水濁度基本不變，故20 mg/L的PAC投加量效果最佳。

對另外一種染料廢水K-4G來說，PAC的處理效果明顯不如4BS，由圖3b可知，K-4G的脫色率達到最大值87.5%時，PAC的投加量已達到200 mg/L；與此同時，當PAC投加量>200 mg/L時，濁度不減反增，該現象形成的原因可能是由于結團絮凝體對懸浮顆粒吸附能力降低。因此，確定最佳PAC投加量為200 mg/L。

2.2.2 PAM投加量對染料的影響 高分子助凝劑在結團絮凝領域具有廣闊的應用背景，其中PAM的吸附架橋作用可以增強結團體顆粒之間的結合強度[14]。20世紀90年代，PAM在結團絮凝體中所起到的作用已經受到了廣泛的關注，Tambo研究發現適量的PAM會使得初始粒子逐漸附著在核心絮凝體表面，結團絮凝體的密度顯著提高[15]。通過在兩種廢水中分別投加固定濃度的PAC溶液并通過控制PAM的投加量，得到了PAM投加量對4BS和K-4G染料廢水處理效果的影響，見圖4。

圖4 PAM投加量對4BS和K-4G水質的影響Fig.4 Effect of PAM dosage on the water quality of 4BS and K-4G a.4BS；b.K-4G

由圖4可知，4BS染料廢水的出水色度隨著PAM投加量增加而逐步減小，當PAM投加量為0.8 mg/L時，4BS染料廢水的出水色度為40，并在繼續添加PAM的條件下基本保持不變；相應地，PAM的投加顯著降低了廢水的出水濁度，濁度降低到最低值7.26 NTU時基本保持不變，此時PAM的投加量為0.8 mg/L，因此，判斷該投加量效果最佳。

對K-4G而言，PAM投加量為0～1 mg/L時，出水色度為100并幾乎保持不變，在1～2 mg/L范圍內，脫色率與PAM投加量呈正相關，當脫色率達到最大值87.5%時，PAM的投加對其脫色效果基本沒有影響：染料廢水濁度與PAM投加量的關系具有波動性，總體上，PAM投加量達到2 mg/L時，出水濁度可以達到最低值20 NTU，故確定2 mg/L是PAM的最佳投加量。

2.3 上升流速對染料的影響

上升流速變大使得水力負荷升高，進而可以提高處理廢水的效率，但有研究表明，水力負荷(上升流速)的增加，使得流化床體積濃度減小，從而降低懸浮層顆粒間互相碰撞的頻率，導致處理的出水水質會隨之變差；同時也會削弱結團絮凝體的致密作用，導致絮凝體顆粒沉降性能降低。故而，如何提高體系的上升流速又能同時保證一定的出水水質具有重要的研究意義[9，12]。上升流速對于4BS和K-4G模擬廢水的脫色效果以及出水濁度的影響見圖5。

圖5 上升流速對4BS和K-4G水質的影響Fig.5 Effect of up-flow rate on the water quality of 4BS and K-4G a.4BS；b.K-4G

由圖5可知，對4BS來說，在上升流速范圍內，脫色率穩定在96%附近而出水濁度略有上升，但最高濁度值低于10 NTU。由此得出結論：上升流速對于結團絮凝工藝處理染料廢水的影響較小，在運行過程中可承受的水力負荷較高。

對K-4G而言，當上升流速從23.96 cm/min上升至47.77 cm/min時，脫色率基本保持不變，而隨著上升流速繼續增加，該染料的脫色效果具有明顯的下降趨勢；出水濁度與上升流速的關系呈現波動性。故處理活性染料廢水宜采用較低的水力負荷。

2.4 結團絮凝體的用量對染料廢水處理效果的影響

圖6分別為結團絮凝體對于4BS和K-4G的效果圖，為研究結團絮凝體用量的影響，設置PAC和PAM的投加量為2.2節所確定的最佳濃度，上升流速設置為30 cm/min。

圖6 結團絮凝體的量對4BS和K-4G水質的影響Fig.6 Effect of the dosage of pellet flocs on the water quality of 4BS and K-4G a.4BS；b.K-4G

由圖6可知，4BS的脫色率隨著結團絮凝體的高度增加而逐漸上升，繼續增加結團絮凝體的量(>30 cm)對于脫色率基本沒有影響；出水濁度值從初始41.97 NTU顯著下降至10 NTU并在附近波動。結團柱高在當結團絮凝體的高度達到40 cm時保持穩定。

對K-4G而言，脫色率隨著結團絮凝體的量不斷增加而升高，當達到20 cm時，脫色率達到最高，為87.5%；絮凝體高度>10 cm時，染料廢水的出水濁度達到最低值，繼續增加用量會造成濁度輕微上升，其范圍在10～30 NTU之間；結團絮凝體的高度直接影響到結團柱高，與脫色率的變化趨勢類似，結團柱高隨著結團絮凝體量的增加先逐漸變高而后保持穩定。

2.5 運行時間對染料的影響

在上述小節確定的最優操作條件下運行不同時間，兩種染料的出水水質見圖7。

圖7 運行時間對4BS和K-4G水質的影響Fig.7 Effect of time on the water quality of 4BS and K-4G a.4BS；b.K-4G

由圖7可知，結團絮凝工藝處理4BS染料廢水具有很好的效果，出水色度及濁度僅在30 min之前出現較大波動，繼續延長運行時間，脫色率可達到95%以上并保持穩定，出水濁度值也下降至5 NTU左右。

對K-4G而言，運行25 min后，出水色度降至50并且基本維持穩定，出水濁度值在10 NTU左右波動，可以看出結團絮凝工藝處理K-4G染料廢水的效果隨運行時間的延長變化不大，該工藝處理K-4G染料廢水效果較好，由圖7可知，結團絮凝工藝處理兩種染料廢水的穩定運行時間均可達6 h以上。

2.6 不同絮凝工藝對照實驗

表1、表2總結并對比了3種絮凝工藝的運行條件和對兩種染料的處理效果。

表1 絮凝工藝對直接耐酸大紅4BS出水水質的比較Table 1 Comparison of flocculation processes on the water quality of 4BS

表2 絮凝工藝對活性嫩黃K-4G出水水質的比較Table 2 Comparison of flocculation processes on the water quality of K-4G

由表1與表2可知，染料性質不同，絮凝工藝的處理效果也有差異。在處理直接染料廢水上，結團絮凝工藝具有更好的效果，較小的投藥量即可以取得較高的脫色率。而在活性染料廢水上，普通絮凝與結團絮凝的處理效果相差不大，與石英砂微絮凝工藝相比，結團絮凝工藝的脫色效果更為明顯，并且能夠在較高的水力負荷條件下穩定運行較長時間。

3 結論

本文采用結團絮凝工藝處理了兩種不同性質的染料模擬廢水，研究了不同實驗參數對廢水處理效果的影響。

(1)處理直接染料廢水，當聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺的投藥量分別為20.0 mg/L和 0.8 mg/L時可以達到最佳脫色效果，脫色率最大值可達96%，其中上升流速達到64.1 cm/min時亦沒有對脫色效果產生影響，表明該工藝能承受水的載荷能力較強。出水色度隨著絮凝體量的增加而減小，與此同時，出水濁度維持在較低水平，出水水質整體較好，整個系統在30 cm/min的上升流速下可連續穩定運行6 h以上。對于直接染料廢水來說，結團絮凝工藝相較另外兩種絮凝工藝具有更好的效果。

(2)處理活性染料廢水，最佳投藥量PAC為200 mg/L，PAM為2 mg/L，但藥劑成本較高，脫色率穩定在87.5%左右，上升流速為47.77 cm/min。隨著絮凝體的量不斷增加，出水色度逐漸減小，達到一定量后開始穩定，整個系統在30 cm/min的上升流速下可連續穩定運行6 h以上。對于處理活性染料廢水來說，結團絮凝的處理效果優于石英砂微絮凝工藝。