化學(xué)絮凝劑預(yù)處理淀粉廢水的比較研究

化學(xué)絮凝劑預(yù)處理淀粉廢水的比較研究摘要：馬鈴薯淀粉廢水產(chǎn)生的季節(jié)性使得常規(guī)生物處理應(yīng)用起來(lái)存在很大困難，采納絮凝劑對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理可減輕后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。文章使用常規(guī)化學(xué)絮凝劑AlCl3、Fe2（SO4）3、PAM以及有機(jī)和無(wú)機(jī)之間的相互復(fù)配對(duì)馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行絮凝預(yù)處理，討論了投藥量、廢水pH值、助凝劑CaCl2投加量以及沉降時(shí)間等因素對(duì)絮凝效果的影響，確定了各絮凝劑處理廢水的較佳絮凝條件，并在較佳條件下處理廢水，通過(guò)綜合比較處理效率、處理成本、絮凝條件難易程度等方面，確定了馬鈴薯淀粉廢水的較佳絮凝劑為AlCl3+PAM，其具有廢水處理效果好（COD去除率為41.08%，濁度去除率為95.06%，色度去除率為90.63%）、投藥量少（2mLAlCl3+0.3mLPAM）、助凝劑投加量少（1mLCaCl2）、較佳pH在廢水初始pH范圍內(nèi)、處理成本低（11.05元/t廢水）、產(chǎn)生污泥量少（649g/t廢水）等優(yōu)點(diǎn)。馬鈴薯淀粉廢水是馬鈴薯淀粉以及相關(guān)淀粉化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液，是食品工業(yè)中污染最嚴(yán)峻的廢水之一，廢水中含有大量有機(jī)物，如糖類、蛋白質(zhì)等，造成廢水COD、濁度和色度很高。甘肅省的馬鈴薯總產(chǎn)量位于全國(guó)第一[1]，生產(chǎn)馬鈴薯加工產(chǎn)品，尤其是馬鈴薯淀粉，是甘肅省經(jīng)濟(jì)進(jìn)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨之而來(lái)的便是大量高濃度有機(jī)廢水的排放。由于常規(guī)生物處理啟動(dòng)較慢，而馬鈴薯淀粉生產(chǎn)的季節(jié)性特點(diǎn)（一般在9月下旬至其次年3月生產(chǎn)），使得其對(duì)廢水應(yīng)用起來(lái)存在很大困難，同時(shí)生物處理法對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理占地面積大、能耗大、投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用高、受廢水的水溫、pH等環(huán)境條件影響較大，廢水濃度太高也影響生物處理的應(yīng)用；而絮凝法預(yù)處理具有基建投資少、工藝簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單、能耗低、對(duì)氣溫的變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并可以回收大量廢水中的蛋白物質(zhì)，用做飼料。對(duì)廢水進(jìn)行絮凝預(yù)處理，可大大降低廢水中有機(jī)物濃度，減輕后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。常用的化學(xué)絮凝劑包括無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑。文章采納無(wú)機(jī)絮凝劑氯化鋁（AlCl3）、硫酸鐵（Fe2（SO4）3）和有機(jī)絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）處理馬鈴薯淀粉廢水，并將無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑進(jìn)行復(fù)配，討論各絮凝劑的投藥量、廢水pH值、助凝劑投加量以及沉降時(shí)間等對(duì)絮凝效果的影響，從而確定了馬鈴薯淀粉廢水的較佳絮凝劑及其較佳絮凝條件，為工業(yè)應(yīng)用供應(yīng)理論依據(jù)。1材料與方法1.1試劑10g/L氯化鋁（AlCl3）溶液；10g/L硫酸鐵（Fe2（SO4）3）溶液；1g/L聚丙烯酰胺（PAM）溶液；10%氯化鈣（Ca-Cl2）溶液；10%鹽酸（HCl）溶液；10%氫氧化鈉（NaOH）溶液。1.2主要儀器JJ-4A數(shù)顯六聯(lián)電動(dòng)攪拌器；LovibondET99730COD測(cè)定儀；LovibondET125SC消解器；HANNAHI93703-11濁度儀；北京京立LD5-2A離心機(jī)等。1.3試驗(yàn)方法1.3.1廢水制備依據(jù)馬鈴薯淀粉生產(chǎn)的一般過(guò)程，試驗(yàn)室簡(jiǎn)易制取廢水。取肯定量馬鈴薯洗凈切絲搗碎后用紗布擠壓出細(xì)胞液離心，每次加入1倍體積水分別洗滌馬鈴薯渣兩次、所得淀粉顆粒兩次，取離心上清液和洗滌廢水靜置1h后的上清液混合勻稱后為廢水樣。測(cè)定廢水水質(zhì)，掌握廢水濁度值在500~550NTU之間。1.3.2廢水水質(zhì)監(jiān)測(cè)（1）COD：分光光度計(jì)測(cè)定法。（2）濁度：濁度儀測(cè)定法。（3）色度：稀釋倍數(shù)法。（4）pH值：精密pH試紙測(cè)定法。1.3.3絮凝劑投加量對(duì)絮凝效果的影響3只250mL燒杯中裝100mL廢水，分別加入AlCl3、Fe2（SO4）3和PAM，每次投加量為1mL，同時(shí)進(jìn)行攪拌（150r/min）直到其消失礬花，確定各絮凝劑較佳投加量范圍。5只250mL燒杯中裝100mL廢水，按絮凝劑較佳投藥量的20%~120%加入絮凝劑，快攪（300r/min）0.5min，中攪（150r/min）6min，慢攪（70r/min）10min，停止攪拌后靜置10min，注射器吸取上清液測(cè)其濁度（來(lái)回測(cè)兩次取均值，以消退時(shí)間引起的誤差，下同）。以不加絮凝劑的相同水質(zhì)廢水為對(duì)比，計(jì)算濁度去除率，用以表示絮凝效果。1.3.4復(fù)合型絮凝劑復(fù)配比對(duì)絮凝效果的影響5只250mL燒杯中裝100mL廢水，先按較佳投藥量一半劑量的20%~120%加入無(wú)機(jī)絮凝劑，快攪0.5min，中攪3min，然后加入PAM較佳投藥量的一半劑量，中攪3min，慢攪10min，停止攪拌后靜置10min，取上清液測(cè)其濁度并計(jì)算濁度去除率。1.3.5廢水pH值對(duì)絮凝效果的影響5只250mL燒杯中裝100mL廢水，調(diào)整為不同的pH值后，分別加入已確定的較佳投藥量，相同條件下攪拌，停止攪拌后靜置10min，取上清液測(cè)其濁度并計(jì)算濁度去除率。1.3.6助凝劑CaCl2投加量對(duì)絮凝效果的影響5只250mL燒杯中裝100mL廢水，在較佳投藥量和pH條件下加入不同量的助凝劑CaCl2，相同條件下攪拌，停止攪拌后靜置10min，取上清液測(cè)其濁度并計(jì)算濁度去除率。1.3.7沉降時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響250mL燒杯中裝200mL廢水，調(diào)整廢水pH后，加入較佳量的絮凝劑和助凝劑，相同條件下攪拌，停止攪拌后靜置，每隔5分鐘取上清液測(cè)其濁度，計(jì)算濁度去除率。1.3.8化學(xué)絮凝劑處理馬鈴薯淀粉廢水效果比較250mL燒杯中裝100mL廢水，在本試驗(yàn)所確定的各絮凝劑的較佳絮凝條件下處理馬鈴薯淀粉廢水，絮凝后取上清液測(cè)其水質(zhì)，過(guò)濾，固體蛋白物質(zhì)烘干稱重。1.3.9馬鈴薯淀粉廢水較佳絮凝劑的確定綜合比較三種絮凝劑及其相互復(fù)配后的廢水處理效果、處理成本、處理?xiàng)l件的難易程度等方面，得出馬鈴薯淀粉廢水的較佳絮凝處理方法及其較佳絮凝條件。2結(jié)果與爭(zhēng)論2.1廢水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果廢水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。<imgalt=“微信圖片_20190710103523.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019002/20197/Env/201907181330450409.jpg”/2.2絮凝劑投加量對(duì)絮凝效果的影響結(jié)果AlCl3、Fe2（SO4）3和PAM三種單一絮凝劑的投加量對(duì)絮凝效果的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。<imgalt=“微信圖片_20190710103546.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019002/20197/Env/201907181330458562.jpg”/由圖1可知，無(wú)機(jī)絮凝劑AlCl3和Fe2（SO4）3的投加量對(duì)其相應(yīng)的廢水絮凝效果影響較大，投加量從5.4mL增加到6mL時(shí)，濁度去除率分別提高了約30%和20%；有機(jī)絮凝劑PAM具有巨大的表面吸附和優(yōu)良的架橋力量，其可以在較小的投加量下達(dá)到較好的絮凝效果，投加量1mL時(shí)，濁度去除率即可達(dá)到45%以上。試驗(yàn)結(jié)果還表明，增加投藥量可促進(jìn)絮凝劑絮凝，但投藥量過(guò)高時(shí)，絮凝效果反而降低，這是由于投藥量加大時(shí)，廢水中含有大量聚合物，會(huì)把膠體微粒包圍，使它們失去了彼此之間架橋的可能，膠體顆粒仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此就存在一個(gè)最佳投藥量：AlCl3的較佳投藥量為6mL（即600mg/L廢水），F(xiàn)e2（SO4）3為5.9mL（即590mg/L廢水），PAM為0.7mL（即7mg/L廢水）。此時(shí)濁度去除率分別為48.89%、39.16%和50.00%。由此可見(jiàn)，在原水條件下，PAM和AlCl3的絮凝效果相當(dāng)，而Fe2（SO4）3的絮凝效果較差，但總體都不高。2.3復(fù)合型絮凝劑復(fù)配比對(duì)絮凝效果的影響結(jié)果從圖2可以看出，無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑的復(fù)配可明顯提高絮凝效果，尤其是Fe2（SO4）3+PAM，在較佳投藥量為2mL+0.3mL時(shí)，濁度去除率可達(dá)到82.54%，比單獨(dú)使用Fe2（SO4）3提高了43%，比單獨(dú)使用PAM提高了32%；AlCl3+PAM復(fù)配絮凝時(shí)，在較佳投藥量為2mL+0.3mL時(shí)，濁度去除率為54.18%，也比單獨(dú)使用任意一種絮凝劑的絮凝效果好，這是由于無(wú)論是鋁鹽還是鐵鹽，其水解后生成的多核羥基絡(luò)合物都具有較強(qiáng)的中和懸浮顆粒所帶負(fù)電荷的力量從而促進(jìn)其分散，而PAM的高度架橋力量可以使分散吸附更快，從而達(dá)到更佳的處理效果[2]。試驗(yàn)結(jié)果還表明，無(wú)論是無(wú)機(jī)還是有機(jī)絮凝劑，其用量都比單獨(dú)使用時(shí)用量的一半還少。由此可見(jiàn)，使用無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑復(fù)配對(duì)廢水進(jìn)行絮凝處理，具有絮凝效果好，用量少的優(yōu)點(diǎn)。2.4廢水pH值對(duì)絮凝效果的影響結(jié)果由圖3可明顯看出，廢水pH對(duì)各絮凝劑的絮凝效果影響很大，尤其是對(duì)Fe2（SO4）3和PAM。在堿性條件下，F(xiàn)e2（SO4）3的濁度去除率明顯提高，在pH11.5時(shí)，濁度去除率達(dá)到93.8%，比原水條件下的去除率提高了約56%，這是由于鐵鹽在堿性條件下水解，不斷生成帶電的氫氧化物絡(luò)合離子并形成多核羥基絡(luò)合物，該絡(luò)合物在較高pH下的吸附架橋力量強(qiáng)，混凝效果好[3]；在酸性條件下，PAM絮凝時(shí)濁度去除率也有顯著提高，在pH3.5時(shí)，去除率達(dá)到83.46%，比原水條件下提高了約37%，這是由于低pH值有利于原水中帶負(fù)電的膠粒發(fā)生電性中和和壓縮雙電層作用以削減膠粒間斥力[4]；由于AlCl3水解產(chǎn)物是典型的兩性氫氧化物，在原水pH值太高（9.0）或太低（5.5）時(shí)會(huì)溶解[5]，絮凝效果差，而在中性偏酸性條件下效果最好，此時(shí)水合水離子水解形成的多核羥基絡(luò)合物不但可以中和膠體表面所帶負(fù)電荷，還可以在其聚合度較高時(shí)，使膠體顆粒架橋連接起來(lái)，具有較強(qiáng)的分散力量，濁度去除率為79.63%；無(wú)論是AlCl3還是Fe2（SO4）3，其與PAM復(fù)配后較佳pH范圍都發(fā)生了明顯的變化，前者為4，后者為4.5。在較佳pH條件下，各絮凝劑的絮凝效果為Fe2（SO4）3+PAMFe2（SO4）3AlCl3+PAMPAMAlCl3。由此可見(jiàn)，2.3節(jié)的結(jié)論中Fe2（SO4）3的絮凝效果差是由于Fe2（SO4）3在強(qiáng)堿性條件下具有較好的絮凝效果，而在酸性條件下較差，馬鈴薯淀粉廢水正好呈現(xiàn)酸性（pH4～6）；絮凝劑復(fù)配后在原水條件下效果明顯提高是由于復(fù)配后的較佳pH范圍剛好在廢水的pH范圍內(nèi)。2.4助凝劑投加量對(duì)絮凝效果的影響結(jié)果由圖4可知，助凝劑的投加對(duì)AlCl3的絮凝效果影響最大，這是由于其絮凝時(shí)形成的絮凝體松散，不易沉降，投加助凝劑，有助于其絮凝沉降，在較佳投加量2mL時(shí)，濁度去除率為89.30%；而助凝劑的投加和投加量的多少對(duì)Fe2（SO4）3和PAM絮凝效果影響較小，這是由于它們形成的絮凝體體積大而且相對(duì)密實(shí)，簡(jiǎn)單沉降，助凝劑對(duì)其絮凝效果的提高作用不明顯，較佳投加量分別為1.5mL和0.4mL，濁度去除率分別為95.50%和85.49%；將無(wú)機(jī)與有機(jī)絮凝劑復(fù)配后，所需CaCl2的投加量明顯削減，這是由于PAM相對(duì)于無(wú)機(jī)絮凝劑來(lái)說(shuō)，也有較高的助凝作用，促進(jìn)絮凝過(guò)程，因此只需較小量的助凝劑即可達(dá)到較高的絮凝效果：AlCl3+PAM絮凝時(shí)投加1mL助凝劑，濁度去除率為91.12%，而Fe2（SO4）3+PAM僅需0.5mL，濁度去除率為95.13%。2.5沉降時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響結(jié)果由于AlCl3形成的絮凝體比較松散，較難沉降，所需沉降時(shí)間較長(zhǎng)，沉降10min時(shí)，濁度去除率較高，為90.80%，沉降30min時(shí)，濁度去除率達(dá)到94.22%，其與PAM復(fù)配后，沉降速度有所提高，10min后，濁度去除率為93.30%；而Fe2（SO4）3絮凝時(shí)形成的礬花密實(shí)，沉降速度快，在沉降5min后即可達(dá)到較高的處理效果，濁度去除率為94.53%，此后變化不大，與PAM復(fù)配后，沉降5min的濁度去除率為95.75%；PAM絮凝時(shí)形成的礬花最大，但密度稍小，沉降10min時(shí)，濁度去除率為85.65%，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，濁度去除率增加不明顯，沉降35min時(shí)，濁度去除率為88.36%。2.6化學(xué)絮凝劑處理馬鈴薯淀粉廢水結(jié)果比較從表2可以看出，使用無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑的復(fù)配比單純使用無(wú)機(jī)絮凝劑不僅提高了COD、濁度和色度的去除率，絮凝效果更好，所需投藥量和助凝劑投加量也大大削減，較佳pH在廢水本身pH范圍內(nèi)，無(wú)需調(diào)整pH，處理成本大大降低，同時(shí)，產(chǎn)生的污泥量也大幅度降低；相比起來(lái)，雖然AlCl3+PAM的COD和濁度去除率比Fe2（SO4）3+PAM稍低，也比其較難沉降，但后者脫色效果不好，而且產(chǎn)生的污泥量大，處理成本較高，同時(shí)Fe3+具有很強(qiáng)的腐蝕性。綜上所述，文章認(rèn)為用AlCl3+PAM處理馬鈴薯淀粉廢水具有肯定的優(yōu)越性。3結(jié)論文章對(duì)無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑及其之間的相互復(fù)配對(duì)馬鈴薯淀粉廢水絮凝處理過(guò)程中的投藥量、廢水pH值、助凝劑投加量以及沉降時(shí)間等絮凝過(guò)程中的主要影響因子進(jìn)行了試驗(yàn)討論，主要結(jié)論如下：（1）使用單一絮凝劑時(shí)，F(xiàn)e2（SO4）3的廢水COD和濁度去除率最高，但其較佳pH范圍在堿性條件下，需要大量堿來(lái)調(diào)整pH，處理成本很高，而且脫色效果不好，產(chǎn)生污泥量最大；PAM的脫色效果最好，所需投藥量和助凝劑投加量都很小，處理成本最低，但其最佳pH范