论文部分内容阅读
混凝法是自来水处理中最常用的方法,当前的常规混凝剂存在使用过程易残留、水质适应性较差和天然有机物去除能力弱等缺点,常常导致饮用水卫生安全问题。因此,研发一种制备工艺简单、混凝沉淀效果好和卫生安全性高的新型混凝剂或絮凝剂,将有广泛的应用前景。本文以废纸为原料制备两种废纸絮凝剂（Waste PaperFlocculant,WPF）并应用于对低浊水的处理,探讨其制备方法、使用条件和强化混凝沉淀作用及机理,以实现废纸的“变废为宝”和提供高效安全的净水药剂。首先,对废纸进行物理改性制备出废纸纤维絮凝剂（Waste Paper Fibre Flocculant,WPFF）,与硫酸铝（Aluminum Sulfate,AS）联合使用处理低浊水,优化制备工艺和使用条件;并研究其强化混凝沉淀效果和机理,为提升WPFF与AS联合使用对低浊水的综合处理效果奠定基础;而后,又以废纸浆为原料制备废纸浆絮凝剂（Waste Paper Pulp Flocculant,WPPF）,研究其分别与聚合氯化铝（Polyaluminium Chloride,PAC）和聚合氯化铝铁（Polymeric Aluminum Ferric Chloride,PAFC）的复配使用性能,以增加WPF的制备原料来源和拓展其使用方法;在明确两种WPF的使用效果基础上,评价其卫生安全性,结合造纸制浆工艺设计其规模化生产路线,并指出WPF的使用效益。研究内容获得的主要结论如下。（1）研究以废纸为原料物理改性制备WPFF的方法,并与常规混凝剂联合使用处理低浊水,优化制备工艺和混凝条件,提升对低浊水的处理效果。研究结果表明,宜采用破碎、筛分、湿式搅拌和制液润胀的改性工艺制取WPFF。该过程中,以废瓦楞纸为原料最为适合,废纸的干式破碎时间宜选择240 s,利用筛分获得的长纤维制备WPFF絮凝性能更佳,而未筛分纤维制备WPFF的性价比更高,湿式搅拌配制浓度为1.00%的纤维悬浮液并润胀,有利于增大废纸纤维的比表面积和提升投加时的分散性能。在与常规混凝剂联合使用时,当原水浊度为15.5 NTU,AS投加量为20mg/L,WPFF的投加量 20 mg/L,静置沉 20 min后出水浊度为2.03 NTU,相比单独使用AS的出水浊度提高51.20%,处理效果优于WPFF与FC或PAC联合使用的情况。同时,WPFF与AS联合使用的最佳混凝操作条件为:WPFF在中速搅拌前投加,搅拌方式为200r/min搅拌1min,100 r/min搅拌5 min,50 r/min搅拌10min,沉淀时间为12 min。在此基础上进行的正交实验结果表明,各实验因素对混凝沉淀处理效果影响的主次顺序是:AS投加量>WPFF投加量>快速搅拌速度>WPFF投加时间点,说明混凝剂和絮凝剂对处理效果的影响更加显著。此外,较高的浊度和水温,以及近中性偏酸性的水质条件有利于提高联合使用的处理效果。（2）在分析强化混凝沉淀作用的相关理论基础上,通过实验研究WPFF和AS联合使用处理低浊水过程中的强化混凝沉淀功能,并探究其作用机理。结果表明,两者联合使用具有良好的强化混凝沉淀效果,WPFF投加量越大,出水浊度、CODMn、UV254和余铝等指标越低。通过扫描电子显微镜表征纤维的表面微观形态,说明WPFF能够吸附和网捕微小絮体。利用光学显微镜观察絮体发现,WPFF能使生成的絮体更加粗大密实,在混凝沉淀实验中相同沉淀时间时的浊度处理效果显著优于单独使用AS的情况,并使达到沉淀出水浊度要求的所需时间缩短50.00%,且在沉淀初期可获得高达4.77 NTU/min的浊度去除速率。WPFF与AS联合使用的强化混凝沉淀作用机理主要包括:絮体的吸附和网捕作用,WPFF的强化凝聚、吸附、网捕和絮体结构改良作用,Al3+与NOM的络合反应和电中和作用,纤维素与Al3+的取代反应,上述络合反应和取代反应产物之间的聚合反应、以及AS与WPFF的协同增效作用等。此外,浊度去除率对NOM和Al3+的去除效果贡献最大,pH对强化混凝效果的影响较大,当pH为6时能促进络合反应、取代反应和絮体对NOM的吸附作用,从而获得良好的浊度、UV254和余铝去除效果。（3）为拓展WPF的原料来源和使用方法,将废纸浆用于制备WPPF,考察其与无机高分子混凝剂的复配使用效果。研究结果表明,以瓦楞纸废纸浆配制成WPPF,并分别与PAC和PAFC复配使用处理低浊水,其处理效果均优于混凝剂单独使用的情况,WPPF与PAC复配的最佳条件为:PAC投加量为10 mg/L,WPPF投加量为20 mg/L,两者在快速搅拌前投加,且中速搅拌速度为100 r/min,该条件下处理浊度为21.8 NTU的原水,处理后出水浊度为2.29 NTU,浊度去除率为89.50%。而WPPF与PAFC复配的最佳条件为:PAFC投加量为10 mg/L,WPPF投加量为20 mg/L,两者在快速搅拌前投加,中速搅拌速度为100 r/min,该条件下处理浊度为21.8NTU的原水,处理后出水浊度为1.53NTU,浊度去除率为92.98%。同时,较高浊度和弱碱性的水质有利于提高复配混凝剂对低浊水的处理效果。（4）为评价WPF的生产应用前景,首先研究了 WPF的使用安全性,基于废纸所含杂质的性质特点,通过论证排除杂质对水质的负面影响,并选择与所含杂质和安全性相关的水质指标,测定WPF使用后的出水水质,结果表明,各项水质指标均达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求,说明使用WPF具有较好的卫生安全性;而后结合造纸制浆生产工艺,对WPF的原料选择和生产过程进行分析,提出了造纸制浆生产线制备WPF的工艺流程,为WPF借助造纸平台实现规模化生产的发展路线奠定基础;最后,从环保效益、经济效益和社会效益三方面介绍了生产WPF的诸多有益之处,说明WPF的制备和应用能够变废为宝、节能减排,具有较强的现实意义和实用价值。