聚合氯化鋁(PAC)是一種廣泛使用的無(wú)機(jī)絮凝劑,印染廢水經(jīng)生化處理后色度往往難以達(dá)標(biāo),采用PAC 進(jìn)行深度脫色處理效果較好, 但其存在用量大,水中殘留鋁對(duì)環(huán)境有害,形成的絮體結(jié)構(gòu)松散,沉降性能欠佳,水力沖擊下容易返渾等缺點(diǎn)〔1〕?目前改性硅藻土也常用于染料廢水的脫色〔2〕,硅藻土廉價(jià)無(wú)毒,適應(yīng)性強(qiáng),但吸附性能與活性炭相比還有差距,且多呈粉體難以固液分離?采用改性硅藻土復(fù)配聚合氯化鋁絮凝劑處理染料溶液, 可以獲得結(jié)構(gòu)密實(shí)的絮體,提高脫色效率,改善沉降性能,減少PAC用量從而減輕Al3+溶出對(duì)環(huán)境造成的危害, 由于硅藻土價(jià)格低廉,同時(shí)也可降低水處理成本?

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料:硅藻土,化學(xué)純,質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以Si 計(jì))為88%;聚合氯化鋁,質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以Al2O3計(jì))為10%?以上材料均來(lái)自常州友邦凈水材料有限公司?商品活性艷紅?

儀器:721 分光光度計(jì),上海精密科學(xué)儀器有限公司;MY3000-6 智能型混凝試驗(yàn)攪拌儀,潛江梅宇儀器有限公司;pHS-3C 型酸度計(jì),上海虹益儀器儀表有限公司?

1.2 硅藻土改性方法

將硅藻原土用0.1 mol/L 的稀HCl 溶液浸泡24 h,然后用去離子水沖洗?烘干,在450 ℃下焙燒1 h 至微呈粉紅色,備用?

1.3 絮凝劑復(fù)配方法

將聚合氯化鋁在85 ℃下烘0.5 h, 然后與改性硅藻土按照一定的質(zhì)量比混合后反復(fù)研磨,即得復(fù)合絮凝劑?

1.4 脫色率測(cè)定

活性艷紅濃度采用分光光度法在540 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定?

脫色率=(C0-C1)/C0×100%

式中:

C0———活性艷紅初始質(zhì)量濃度,mg/L;

C1———處理后活性艷紅質(zhì)量濃度,mg/L?

1.5 沉降性能測(cè)定

用沉降時(shí)間表征沉降快慢?沉降時(shí)間是指攪拌停止后,污泥和液面之間形成明顯的分界面所需時(shí)間?絮體的緊密程度用污泥沉降比表征?將反應(yīng)懸濁液倒入250 mL 量筒中靜置1 h,測(cè)得污泥體積與原渾濁液體積之比即為沉降比?

2 結(jié)果與分析

2.1 不同藥劑的脫色效果將改性硅藻土?PAC 及PAC+改性硅藻土復(fù)合絮凝劑(PAC 與改性硅藻土質(zhì)量比為5∶1)各0.5 g 分別投加到200 mL 質(zhì)量濃度為70 mg/L?pH 為9.7 的活性艷紅溶液中, 以250 r/min 的速度攪拌45 min,靜置1 h 后取上清液測(cè)其濃度?不同藥劑的脫色效果見(jiàn)表1?

由表1 可知,在相同條件下,復(fù)合絮凝劑的處理效果最好,PAC 次之,改性硅藻土最差,沉降效果也依此順序下降?由于改性硅藻土吸附容量有限,加之呈粉體狀,不易固液分離,導(dǎo)致其脫色率較小?

硅藻土和PAC 復(fù)配使用,由于硅藻土具有較大的比表面積,可吸附活性艷紅分子,也可作為PAC 絮凝的“核”進(jìn)而發(fā)生架橋吸附,同時(shí)硅藻土結(jié)構(gòu)中的硅醇基水解致使表面帶負(fù)電荷〔3〕,對(duì)PAC 具有電中和脫穩(wěn)作用,因此處理后上清液清亮透明,沒(méi)有硅藻土懸浮微粒,生成的絮體較大,沉降性能大大改善?

2.2 PAC 與改性硅藻土配比的影響

將PAC 與改性硅藻土以不同質(zhì)量比混合研磨制得的復(fù)合絮凝劑0.5 g 投加到200 mL 質(zhì)量濃度為100 mg/L?pH 為9.7 的活性艷紅溶液中,以50 r/min的速度攪拌15 min,靜置1 h 后取上清液測(cè)其濃度?PAC 與改性硅藻土配比對(duì)處理效果的影響見(jiàn)圖1?

由圖1 可知,隨著m(PAC)∶m(改性硅藻土)的增大,脫色率隨之增加,當(dāng)比值超過(guò)5 時(shí),脫色率增幅并不明顯,比值達(dá)到10 左右時(shí),脫色率有下降的趨勢(shì)?這是因?yàn)楦男怨柙逋林饕鹬齽┑淖饔?當(dāng)其在復(fù)合絮凝劑中所占比例較大時(shí), 發(fā)揮絮凝作用的PAC 的量不足,且硅藻土吸附容量較小,導(dǎo)致絮凝和吸附作用均不充分,脫色率不高,實(shí)驗(yàn)中觀察到硅藻土顆粒單獨(dú)于絮體先行沉降下來(lái),污泥體積較小?隨著m(PAC)∶m(改性硅藻土)的提高,混凝?助凝以及吸附聯(lián)合作用效果得到提高?進(jìn)一步增加PAC 的比例時(shí),硅藻土的吸附助凝作用被削弱,脫色效果和污泥沉降性能都有下降趨勢(shì)?實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,m(PAC)∶m(改性硅藻土)在5∶1 附近對(duì)活性艷紅脫色效果最好,下述實(shí)驗(yàn)中復(fù)合絮凝劑均采用該配比?

2.3 復(fù)合絮凝劑投加量的影響

將不同質(zhì)量的復(fù)合絮凝劑分別投加到200 mL質(zhì)量濃度為100 mg/L?pH 約為9.7 的活性艷紅溶液中,以50 r/min 的速度攪拌15 min,靜置1 h 后取上清液測(cè)其濃度?復(fù)合絮凝劑投加量對(duì)處理效果的影響見(jiàn)圖2?

由圖2 可知,隨著復(fù)合絮凝劑投加量的增加,脫色率隨之上升?當(dāng)復(fù)合絮凝劑投加質(zhì)量達(dá)到0.5 g時(shí),脫色率接近100%,進(jìn)一步增大投加量,脫色率沒(méi)有明顯變化,當(dāng)投加質(zhì)量增加到1 g 以上時(shí),脫色率明顯下降?這是因?yàn)榫酆下然X水解產(chǎn)物主要為Al(Ⅲ)多羥基絡(luò)合物,可通過(guò)電中和使污染物顆粒或膠體雙電層壓縮?ζ 電位降低從而迅速脫穩(wěn),最終發(fā)生凝聚并沉降下來(lái)?如果加入過(guò)量的聚合氯化鋁,則污染物顆粒吸附過(guò)多的反離子,使所帶電荷變號(hào),相互排斥,產(chǎn)生再穩(wěn)現(xiàn)象〔4〕?綜合考慮,合適的復(fù)合絮凝劑投加質(zhì)量濃度為2.5 g/L,下述實(shí)驗(yàn)均采用該投加量?

2.4 pH 的影響

將0.5 g 復(fù)合絮凝劑投加到200 mL 質(zhì)量濃度為100 mg/L?不同pH 的活性艷紅溶液中,以50 r/min的速度攪拌15 min,靜置1 h 后取上清液測(cè)其濃度?pH 對(duì)處理效果的影響見(jiàn)圖3?

由圖3 可知,pH<8 時(shí)絮凝過(guò)程非常緩慢,隨pH的增大,絮凝過(guò)程加快,絮體增大,脫色率隨之增大,當(dāng)pH 在10 左右時(shí), 脫色效果最好, 進(jìn)一步增大pH,脫色率呈下降趨勢(shì)?聚合氯化鋁水解產(chǎn)物有單體〔Al3+?Al(OH)2+?Al(OH)2+〕?二聚體〔Al2(OH)22+〕?聚十三鋁〔AlO4Al12(OH)24 (H2O)127 +〕和高聚鋁, 而Al13是最佳絮凝凝聚形態(tài)〔5〕?水解產(chǎn)物存在形式和表面所帶電荷受pH 影響較大?在酸性條件下,Al(Ⅲ)多羥基絡(luò)合物向單體Al3+形式轉(zhuǎn)變,表面帶正電荷,而在較強(qiáng)堿性條件下,其向Al(OH)4-形式轉(zhuǎn)變,表面帶負(fù)電荷, 因此絮凝形態(tài)分布及表面荷電性質(zhì)有一個(gè)最佳pH 平衡點(diǎn)?本實(shí)驗(yàn)條件下,較適宜的pH范圍為9~11?

2.5 初始濃度的影響

分別將0.5 g 和1.0 g 復(fù)合絮凝劑投加到200 mL?pH 為10 的不同濃度的活性艷紅溶液中, 以50r/min 的速度攪拌15 min,靜置1 h 后取上清液測(cè)其濃度?溶液初始濃度對(duì)處理效果的影響見(jiàn)圖4?

由圖4 可知, 復(fù)合絮凝劑投加質(zhì)量為0.5 g 時(shí),隨溶液初始濃度的增加,脫色率呈下降趨勢(shì);當(dāng)投加質(zhì)量為1.0 g 時(shí),在溶液初始質(zhì)量濃度﹤300 mg/L 的范圍內(nèi)均有95%以上的脫色率,溶液初始質(zhì)量濃度超過(guò)300 mg/L 以后,脫色率顯著下降?這說(shuō)明單位質(zhì)量絮凝劑存在一最大絮凝量, 超過(guò)此范圍處理效果下降?

2.6 反應(yīng)時(shí)間的影響

將0.5 g 復(fù)合絮凝劑投加到200 mL 質(zhì)量濃度為100 mg/L?pH 為10 的活性艷紅溶液中, 以50 r/min的速度攪拌,經(jīng)歷不同的反應(yīng)時(shí)間,靜置1 h 后取上清液測(cè)其濃度?反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果的影響見(jiàn)圖5?

由圖5 可知,反應(yīng)時(shí)間在20 min 左右時(shí),脫色率達(dá)到最大,反應(yīng)時(shí)間超過(guò)20 min 后脫色率略有下降,增加反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果幾乎沒(méi)有幫助?實(shí)驗(yàn)表明,該復(fù)合絮凝劑對(duì)活性艷紅的吸附?絮凝和凝聚過(guò)程較迅速,這在實(shí)際水處理中是十分便利的?

2.7 攪拌強(qiáng)度的影響

將0.5 g 復(fù)合絮凝劑投加到200 mL 質(zhì)量濃度為100 mg/L?pH 為10 的活性艷紅溶液中,以不同的轉(zhuǎn)速攪拌20 min,靜置1 h 后取上清液測(cè)其濃度?攪拌強(qiáng)度對(duì)處理效果的影響見(jiàn)圖6?

由圖6 可知,攪拌強(qiáng)度較小時(shí),脫色率較高,攪拌強(qiáng)度在50 r/min 左右時(shí),脫色效果最好,攪拌強(qiáng)度超過(guò)150 r/min,脫色率明顯下降?實(shí)驗(yàn)中亦觀察到在慢攪情況下,形成的絮體較大,沉降較快;快攪情況下,形成的絮體較小,沉降較慢,這是因?yàn)樗l件對(duì)絮凝與凝聚行為影響很大?但攪拌速度太小,復(fù)合絮凝劑未能與污染物充分接觸, 自然會(huì)影響脫色效果;攪拌速度過(guò)大,絮體易被打碎,影響絮團(tuán)對(duì)污染物的架橋吸附及網(wǎng)捕作用,造成脫色率下降?

3 結(jié)論

改性硅藻土作為聚合氯化鋁的助凝劑可明顯提高對(duì)染料溶液的脫色率,大大提高污泥的沉降性能,在難生化降解印染廢水的預(yù)處理中具有重要意義?當(dāng)聚合氯化鋁與改性硅藻土的質(zhì)量比在5~10 的范圍內(nèi),廢水的pH 在9~11 范圍內(nèi)時(shí),復(fù)合絮凝劑對(duì)染料廢水具有很好的脫色效果, 十分適合堿性印染廢水的預(yù)處理?另外,15~20 min 的混凝時(shí)間在實(shí)際廢水處理中是很容易接受的, 同時(shí)由于廉價(jià)無(wú)毒硅藻土的替代,減少了聚合氯化鋁的用量,有助于降低混凝后出水殘留鋁的濃度, 減輕對(duì)環(huán)境的危害以及降低處理成本?