北極星水處理網訊:摘要：馬鈴薯澱粉廢水產生的季節性使得常規生物處理應用起來存在很大困難，採用絮凝劑對廢水進行預處理可減輕後續處理負擔。文章使用常規化學絮凝劑AlCl3、Fe2（SO4）3、PAM 以及有機和無機之間的相互復配對馬鈴薯澱粉廢水進行絮凝預處理，研究了投藥量、廢水pH 值、助凝劑CaCl2 投加量以及沉降時間等因素對絮凝效果的影響，確定了各絮凝劑處理廢水的較佳絮凝條件，並在較佳條件下處理廢水，通過綜合比較處理效率、處理成本、絮凝條件難易程度等方面，確定了馬鈴薯澱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（2mL AlCl3+0.3mL PAM）、助凝劑投加量少（1mL CaCl2 ） 、較佳pH 在廢水初始pH 範圍內、處理成本低（11.05 元/t 廢水）、產生汙泥量少（649g/t 廢水）等優點。
馬鈴薯澱粉廢水是馬鈴薯澱粉以及相關澱粉化工產品生產過程中產生的廢液，是食品工業中汙染最嚴重的廢水之一，廢水中含有大量有機物，如糖類、蛋白質等，造成廢水COD、濁度和色度很高。甘肅省的馬鈴薯總產量位於全國第一[1]，生產馬鈴薯加工產品，尤其是馬鈴薯澱粉，是甘肅省經濟發展的支柱產業之一，隨之而來的便是大量高濃度有機廢水的排放。
由於常規生物處理啟動較慢，而馬鈴薯澱粉生產的季節性特點（一般在9 月下旬至第二年3 月生產），使得其對廢水應用起來存在很大困難，同時生物處理法對廢水進行預處理佔地面積大、能耗大、投資費用和運行費用高、受廢水的水溫、pH 等環境條件影響較大，廢水濃度太高也影響生物處理的應用；而絮凝法預處理具有基建投資少、工藝簡單、操作容易、能耗低、對氣溫的變化適應性強等優點，並可以回收大量廢水中的蛋白物質，用做飼料。對廢水進行絮凝預處理，可大大降低廢水中有機物濃度，減輕後續處理負擔。
常用的化學絮凝劑包括無機絮凝劑和有機絮凝劑。文章採用無機絮凝劑氯化鋁（AlCl3）、硫酸鐵（Fe2（SO4）3）和有機絮凝劑聚丙烯醯胺（PAM）處理馬鈴薯澱粉廢水，並將無機和有機絮凝劑進行復配，研究各絮凝劑的投藥量、廢水pH 值、助凝劑投加量以及沉降時間等對絮凝效果的影響，從而確定了馬鈴薯澱粉廢水的較佳絮凝劑及其較佳絮凝條件，為工業應用提供理論依據。
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 聚丙烯醯胺（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 數顯六聯電動攪拌器；Lovibond ET99730COD 測定儀；Lovibond ET125 SC 消解器；HANNAHI93703-11 濁度儀；北京京立LD5-2A 離心機等。
1.3 實驗方法
1.3.1 廢水製備
根據馬鈴薯澱粉生產的一般過程，實驗室簡易製取廢水。取一定量馬鈴薯洗淨切絲搗碎後用紗布擠壓出細胞液離心，每次加入1 倍體積水分別洗滌馬鈴薯渣兩次、所得澱粉顆粒兩次，取離心上清液和洗滌廢水靜置1h 後的上清液混合均勻後為廢水樣。測定廢水水質，控制廢水濁度值在500~550NTU 之間。
1.3.2 廢水水質監測
（1）COD：分光光度計測定法。
（2）濁度：濁度儀測定法。
（3）色度：稀釋倍數法。
（4）pH 值：精密pH 試紙測定法。
1.3.3 絮凝劑投加量對絮凝效果的影響
3 只250 mL 燒杯中裝100mL 廢水，分別加入AlCl3、Fe2（SO4）3 和PAM，每次投加量為1mL，同時進行攪拌（150r/min）直到其出現礬花，確定各絮凝劑較佳投加量範圍。
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，停止攪拌後靜置10min，注射器吸取上清液測其濁度（來回測兩次取均值，以消除時間引起的誤差，下同）。以不加絮凝劑的相同水質廢水為對照，計算濁度去除率，用以表示絮凝效果。
1.3.4 複合型絮凝劑復配比對絮凝效果的影響
5 只250mL 燒杯中裝100mL 廢水，先按較佳投藥量一半劑量的20%~120%加入無機絮凝劑，快攪0.5min，中攪3min，然後加入PAM 較佳投藥量的一半劑量，中攪3min，慢攪10min，停止攪拌後靜置10min，取上清液測其濁度並計算濁度去除率。
1.3.5 廢水pH 值對絮凝效果的影響
5 只250mL 燒杯中裝100mL 廢水，調整為不同的pH 值後，分別加入已確定的較佳投藥量，相同條件下攪拌，停止攪拌後靜置10min，取上清液測其濁度並計算濁度去除率。
1.3.6 助凝劑CaCl2 投加量對絮凝效果的影響
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，停止攪拌後靜置10min，取上清液測其濁度並計算濁度去除率。
1.3.7 沉降時間對絮凝效果的影響
250mL 燒杯中裝200mL 廢水，調整廢水pH 後，加入較佳量的絮凝劑和助凝劑，相同條件下攪拌，停止攪拌後靜置，每隔5 分鐘取上清液測其濁度，計算濁度去除率。
1.3.8 化學絮凝劑處理馬鈴薯澱粉廢水效果比較
250mL 燒杯中裝100mL 廢水，在本實驗所確定的各絮凝劑的較佳絮凝條件下處理馬鈴薯澱粉廢水，絮凝後取上清液測其水質，過濾，固體蛋白物質烘乾稱重。
1.3.9 馬鈴薯澱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配後的廢水處理效果、處理成本、處理條件的難易程度等方面，得出馬鈴薯澱粉廢水的較佳絮凝處理方法及其較佳絮凝條件。
2 結果與討論
2.1 廢水水質監測結果
廢水水質監測結果見表1。
2.2 絮凝劑投加量對絮凝效果的影響結果
AlCl3、Fe2（SO4）3 和PAM 三種單一絮凝劑的投加量對絮凝效果的影響結果見圖1。
由圖1 可知，無機絮凝劑AlCl3 和Fe2（SO4）3 的投加量對其相應的廢水絮凝效果影響較大，投加量從5.4mL 增加到6mL 時，濁度去除率分別提高了約30%和20%；有機絮凝劑PAM 具有巨大的表面吸附和優良的架橋能力，其可以在較小的投加量下達到較好的絮凝效果，投加量＜1mL 時，濁度去除率即可達到45%以上。實驗結果還表明，增加投藥量可促進絮凝劑絮凝，但投藥量過高時，絮凝效果反而降低，這是由於投藥量加大時，廢水中含有大量聚合物，會把膠體微粒包圍，使它們失去了彼此之間架橋的可能，膠體顆粒仍處於穩定狀態，因此就存在一個最佳投藥量：AlCl3 的較佳投藥量為6mL（即600mg/L 廢水），Fe2（SO4）3 為5.9mL（即590mg/L 廢水），PAM 為0.7mL（即7mg/L 廢水）。此時濁度去除率分別為48.89%、39.16%和50.00%。由此可見，在原水條件下，PAM 和AlCl3 的絮凝效果相當，而Fe2（SO4）3 的絮凝效果較差，但總體都不高。
2.3 複合型絮凝劑復配比對絮凝效果的影響結果
當每100mL 廢水中投加0.3mL PAM 時，AlCl3和Fe2（SO4）3 的投加量對廢水絮凝效果的影響結果見圖2。
從圖2 可以看出，無機和有機絮凝劑的復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，濁度去除率可達到82.54%，比單獨使用Fe2（SO4）3 提高了43%，比單獨使用PAM提高了32%；AlCl3+PAM 復配絮凝時，在較佳投藥量為2mL+0.3mL 時，濁度去除率為54.18%，也比單獨使用任意一種絮凝劑的絮凝效果好，這是因為無論是鋁鹽還是鐵鹽，其水解後生成的多核羥基絡合物都具有較強的中和懸浮顆粒所帶負電荷的能力從而促進其凝聚，而PAM 的高度架橋能力可以使凝聚吸附更快，從而達到更佳的處理效果[2]。實驗結果還表明，無論是無機還是有機絮凝劑，其用量都比單獨使用時用量的一半還少。由此可見，使用無機和有機絮凝劑復配對廢水進行絮凝處理，具有絮凝效果好，用量少的優點。
2.4 廢水pH 值對絮凝效果的影響結果
廢水pH 值對絮凝效果的影響結果見圖3。
由圖3 可明顯看出，廢水pH 對各絮凝劑的絮凝效果影響很大，尤其是對Fe2（SO4）3 和PAM。在鹼性條件下，Fe2（SO4）3 的濁度去除率明顯提高，在pH11.5時，濁度去除率達到93.8%，比原水條件下的去除率提高了約56%，這是由於鐵鹽在鹼性條件下水解，不斷生成帶電的氫氧化物絡合離子並形成多核羥基絡合物，該絡合物在較高pH 下的吸附架橋能力強，混凝效果好[3]；在酸性條件下，PAM 絮凝時濁度去除率也有顯著提高，在pH3.5 時，去除率達到83.46%，比原水條件下提高了約37%，這是因為低pH 值有利於原水中帶負電的膠粒發生電性中和和壓縮雙電層作用以減少膠粒間斥力[4]；由於AlCl3 水解產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）時會溶解[5]，絮凝效果差，而在中性偏酸性條件下效果最好，此時水合水離子水解形成的多核羥基絡合物不但可以中和膠體表面所帶負電荷，還可以在其聚合度較高時，使膠體顆粒架橋連接起來，具有較強的凝聚能力，濁度去除率為79.63%；無論是AlCl3 還是Fe2（SO4）3，其與PAM 復配後較佳pH 範圍都發生了明顯的變化，前者為4，後者為4.5。在較佳pH 條件下，各絮凝劑的絮凝效果為Fe2（SO4）3+PAM＞Fe2（SO4）3＞AlCl3+PAM＞PAM＞AlCl3。由此可見，2.3 節的結論中Fe2（SO4）3 的絮凝效果差是因為Fe2（SO4）3 在強鹼性條件下具有較好的絮凝效果，而在酸性條件下較差，馬鈴薯澱粉廢水正好呈現酸性（pH4～6）；絮凝劑復配後在原水條件下效果明顯提高是因為復配後的較佳pH 範圍剛好在廢水的pH 範圍內。
2.4 助凝劑投加量對絮凝效果的影響結果
助凝劑投加量對廢水絮凝效果的影響結果見圖4。
由圖4 可知，助凝劑的投加對AlCl3 的絮凝效果影響最大，這是因為其絮凝時形成的絮凝體鬆散，不易沉降，投加助凝劑，有助於其絮凝沉降，在較佳投加量2mL 時，濁度去除率為89.30%；而助凝劑的投加和投加量的多少對Fe2（SO4）3 和PAM 絮凝效果影響較小，這是因為它們形成的絮凝體體積大而且相對密實，容易沉降，助凝劑對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%；將無機與有機絮凝劑復配後，所需CaCl2 的投加量明顯減少，這是因為PAM相對於無機絮凝劑來說，也有較高的助凝作用，促進絮凝過程，因此只需較小量的助凝劑即可達到較高的絮凝效果：AlCl3+PAM 絮凝時投加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 沉降時間對絮凝效果的影響結果
各絮凝劑在其較佳絮凝條件下絮凝廢水後沉降時間對絮凝效果的影響結果見圖5。
由於AlCl3 形成的絮凝體比較鬆散，較難沉降，所需沉降時間較長，沉降10min 時，濁度去除率較高，為90.80%，沉降30min 時，濁度去除率達到94.22%，其與PAM 復配後，沉降速度有所提高，10min 後，濁度去除率為93.30%；而Fe2（SO4）3 絮凝時形成的礬花密實，沉降速度快，在沉降5min 後即可達到較高的處理效果，濁度去除率為94.53%，此後變化不大，與PAM 復配後，沉降5min 的濁度去除率為95.75%；PAM 絮凝時形成的礬花最大，但密度稍小，沉降10min 時，濁度去除率為85.65%，隨著時間的延長，濁度去除率增加不明顯，沉降35min 時，濁度去除率為88.36%。
2.6 化學絮凝劑處理馬鈴薯澱粉廢水結果比較
各絮凝劑在其較佳條件下對廢水的絮凝效果見表2。
從表2 可以看出，使用無機絮凝劑和有機絮凝劑的復配比單純使用無機絮凝劑不僅提高了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減少，較佳pH 在廢水本身pH範圍內，無需調節pH，處理成本大大降低，同時，產生的汙泥量也大幅度降低；相比起來，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，但後者脫色效果不好，而且產生的汙泥量大，處理成本較高，同時Fe3+具有很強的腐蝕性。
綜上所述，文章認為用AlCl3+PAM 處理馬鈴薯澱粉廢水具有一定的優越性。
3 結論
文章對無機和有機絮凝劑及其之間的相互復配對馬鈴薯澱粉廢水絮凝處理過程中的投藥量、廢水pH 值、助凝劑投加量以及沉降時間等絮凝過程中的主要影響因子進行了試驗研究，主要結論如下：
（1）使用單一絮凝劑時，Fe2（SO4）3 的廢水COD和濁度去除率最高，但其較佳pH 範圍在鹼性條件下，需要大量鹼來調節pH，處理成本很高，而且脫色效果不好，產生汙泥量最大；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 範圍在3.5 左右，而且絮凝效果不好；而AlCl3 處於中間狀態。
（2）使用無機和有機絮凝劑復配，絮凝效果明顯提高，絮凝劑和助凝劑投加量明顯減少，較佳pH 在廢水的初始pH 範圍內，處理成本降低，產生汙泥量小，是廢水絮凝處理的較佳選擇。
（3）AlCl3 + PAM 雖然COD 和濁度去除率比Fe2（SO4）3+PAM 稍低，也比其較難沉降，但後者脫色效果不好，而且產生的汙泥量大，處理成本較高，同時Fe3+具有很強的腐蝕性。
（4）文章選擇用AlCl3+PAM 處理馬鈴薯澱粉廢水，其較佳投藥量為200mg/L+3mg/L，較佳pH 為4，助凝劑10%CaCl2 投加量為10mL/L。
轉自公眾號「乾來環保」。
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