絮凝自过滤工艺处理秸秆机械浆废水的研究

唐怡聪 张 鹏，* 苏河山 谢志琪

(1.北京化工大学生命科学与技术学院，北京，100029;2.山东海利源绿色包装材料有限公司，山东邹平，256200)

我国每年产生约7亿t农作物秸秆，因此，加强农作物秸秆综合利用具有重要意义［1］。机械法制浆的得率可达80%，污染物发生量较少。制浆废水处理技术按原理可分为物理法、化学法和生物化学法［2］。谭桂香等［3-4］对玉米秆、棕榈空果串、棉秆的机械浆废水的SS、COD、BOD和pH值进行检测发现，由于机械法制浆过程中没有加入化学药品，因此可采用絮凝法处理机械浆废水。

目前，我国秸秆机械浆技术尚在起步阶段，秸秆机械浆废水中主要污染物为纤维悬浮物、胶体物质和秸秆带入的泥沙，溶解物质的含量比较少。本试验采用斜筛过滤+沉淀+絮凝自过滤水处理工艺对秸秆机械浆废水进行处理，并对处理后废水回用过程中主要污染物(SS、DCS、DS、CS等)含量的变化进行分析。

1 试验

1.1 原料与仪器

在山东海利源绿色包装材料有限公司进行本次试验，该厂以小麦秸秆为原料，采用机械法制浆。具体制浆工艺流程为:小麦秸秆通过皮带运输机进涡流撕裂机，达到均混状态后，泵送到CY700Z分解机(磨盘不同于传统钢磨，为不同材质的复合型磨盘，直径700 mm，运行时可产生持久的高温，达120℃以上)中，通过分解机内非对称性磨盘的机械力磨浆后进浆池，调整浆池浓度约为2%(加入回用水)后，通过斜筛浓缩使浆浓约为4%，最后用双磨盘对粗浆进行磨浆。秸秆机械浆得率为83%，打浆度15°SR。整个制浆过程中不添加化学药品，工程出水为1500 t/d，废水全部来自制浆车间，车间出水经处理后全部回用。制浆车间出水中固体悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、溶解及胶体物质(DCS)、胶体物质(CS)、溶解物质(DS)含量及工厂设定的回用水指标如表1所示。

表1 车间出水及工厂设定回用水指标 mg/L

由表1可知，车间出水中DS含量较少，仅为300 mg/L，主要由无机盐和单糖等组成;SS含量为1880 mg/L，主要由纤维和泥沙组成;CS含量为420 mg/L，主要为大分子蛋白质和多糖。因此，秸秆机械浆废水中主要污染物能够通过絮凝处理有效去除。

聚合氯化铝(PAC)，山东邹平金泰环保材料有限公司;聚丙烯酰胺(PAM)，北京托普戴克科技发展公司;沸石，山东邹平金泰环保材料有限公司;其他试剂均为国产分析纯。

9030A鼓风干燥箱，上海精宏;CTL-25消解仪，承德华通;TE-124S电子天平，德国赛多利斯;721可见分光光度计，上海舜宇恒平;PH-HJ90B pH计，北京宏昌信科技有限公司;ZATE PALS表面电位分析仪，美国Brook Heaven仪器公司。

1.2 秸秆机械浆废水处理工艺流程

车间出水首先通过斜筛的过滤作用去除部分大纤维和泥沙，之后进入一级沉淀池，停留时间为3 h，在一级沉淀池中通过自身沉降作用去除沉降系数大的泥沙及纤维，一级沉淀池出水进推流池中并在推流池入口处加入PAC，然后推流池出水进二级沉淀池中，最后将二级沉淀池出水泵送至絮凝自过滤塔中，同时在絮凝自过滤塔入口处加入PAM和助滤剂沸石。处理后的废水通过絮凝自过滤塔上部自行溢流出水并回用到制浆车间，絮凝物则在积累到一定量后进行脱水(脱出的水进一级沉淀池)，最后送至生物肥料车间。具体工艺流程如图1所示。

1.3 絮凝自过滤塔

絮凝自过滤塔内，废水中的絮凝物在自身重力作用下沉降，通过间断地添加助滤剂沸石可使絮凝物形成更大、更密实的絮凝团，从而更有利于絮凝物的沉降。絮凝自过滤塔内的水流方向为由下至上，因此在絮凝物自身重力和水流向上推力的共同作用下可在絮凝自过滤塔中下部形成致密的絮凝物过滤层。絮凝物过滤层对废水起到进一步吸附和过滤作用，能够大大降低水流速度对絮凝效率的影响，在保证絮凝物过滤层不被冲破的前提下，可增加进水流量，大大提高废水处理效率，并可连续操作。由于絮凝物过滤层是絮凝自过滤塔中絮凝物自身形成的，而不是人工添加的强制过滤装置，因此不存在滤网堵塞问题，也无需进行滤网反冲洗，可大大节约生产成本。

1.4 分析方法

废水中 SS、DCS、DS及 CS采用质量法测定［5-6］，COD按国家标准 HJT 399—2007(快速消解分光光度法)测定［7］。

2 结果与讨论

2.1 斜筛过滤及一级沉淀池沉淀对废水的影响

通过斜筛和一级沉淀池预处理制浆车间出水，可去除废水中的一部分SS、COD、DCS等，且可大大降低絮凝剂的消耗量。废水经斜筛及一级沉淀池预处理后的水质及各污染物的去除率分别如表2和图2所示。

由表2和图2可知，通过斜筛过滤及沉淀预处理后，废水中的SS、COD、DCS、CS均不同程度降低，而DS含量没有变化;SS、COD、DCS、CS的去除率分别为 21.8%、17.0%、8.3%、11.9%，而 DS去除率为0，这是因为斜筛过滤和沉淀作用主要对不溶物质有效。废水中SS和COD的去除率均较高，这是由于秸秆机械浆废水中的污染物主要为纤维、CS及部分泥沙，这些物质可通过微滤和沉淀预处理被有效地去除。

图1 秸秆机械浆废水回用工艺流程图

表2 废水预处理段的水质数据

图2 斜筛过滤和沉淀预处理对废水中污染物去除率的影响

由于纤维有一定长度且相对较大，在斜筛过滤时易被过滤去除，而CS在静置沉淀过程中的沉降系数较小，因此，斜筛过滤和沉淀预处理对DCS的去除率小于对SS的去除率。

2.2 絮凝处理对回用水水质的影响

2.2.1 不添加絮凝剂

在正常生产情况下，不添加絮凝剂，连续72 h监测絮凝自过滤塔出水(回用水)中SS、DCS、DS、CS的含量及COD的变化情况(见图3)，并观察回用水水质变化对制浆生产的影响。

从图3可以看出，随着系统运行时间的延长，回用水中SS、COD、DCS、DS、CS均不同程度增加;系统运行20 h后，回用水中SS含量在3000 mg/L附近波动，并没有不断增加，这可能是因为:①回用水中SS不断积累，某些大颗粒SS可作为晶核或吸附质网捕捉废水中微小SS，从而形成更大的絮凝团，因此，在絮凝自过滤塔静置沉淀过程中能够去除部分SS;②由于回用水中SS含量增多，机械浆可能吸附更多SS并将其带出系统。

图3 不添加絮凝剂时回用水的水质

由图3可知，在系统运行30 h后，回用水中DS含量的增加趋势变缓，这是因为存在一定的溶解平衡，随回用水中DS的增多，其溶解更加困难，溶解速率减缓。由于CS的直径及沉降系数较小，因此未添加絮凝剂时，其不易通过沉降去除，只有少部分CS能够被大颗粒SS吸附去除。随回用水中CS的不断积累，其被大颗粒SS吸附的几率增大，因此，随着系统的运行，回用水中CS含量的增加趋势逐渐变缓。

回用水中SS、CS、DS含量的变化情况均会影响COD的变化趋势。由图3可知，当系统运行约30 h时，回用水中COD的增加趋势逐渐变缓。

回用水中SS、COD、DCS、DS在24、48 h处均有波动，这是由于补充了清水。

在不添加絮凝剂的情况下，回用水水质达不到工厂设定的回用水水质指标，回用水的利用会影响制浆车间的生产，主要表现在:①压力筛滤水网布的滤水性能下降，降低了生产效率;②用压力筛筛浆时，回用水有增稠现象，筛鼓易堵塞。

2.2.2 添加絮凝剂

根据工艺流程，在相应位置加入絮凝剂，PAC、PAM及沸石的添加量分别为100 mg/L、15～20 mg/L及2 g/L。

在系统运行的最初阶段，为了使絮凝自过滤塔内能够形成稳定的絮凝层，控制进水量为35 m3/h，为设计负荷的50%，并加入沸石，以便形成絮凝物过滤层。系统运行稳定后，逐步增加进水量，最后进水量达设计负荷(60 m3/h)。连续168 h监测回用水水质，结果如图4和图5所示。

从图4和图5可看出，在系统运行约6 h后，回用水中 SS、COD、DCS、DS、CS就达到了动态平衡，SS、COD、DS、CS、DCS在 170、600～700、140、180、340 mg/L波动，SS、COD、DCS、CS、DS去除率分别为 88.4%、80.7%、48.5%、50.5%、51.7%。这主要是因为加入的阳离子絮凝剂PAC中和了污染物颗粒表面所带的负电荷，消除污染物颗粒间的排斥作用，且高分子絮凝剂PAM通过吸附架桥机理可使污染物颗粒聚集，沸石能够使污染物颗粒形成更大的絮凝团，有利于絮凝团的沉降，也有利于絮凝自过滤塔中絮凝层的形成，最终达到去除废水中污染物的目的。试验结果表明，添加絮凝剂后，回用水水质达到工厂设定的回用水水质指标，说明微滤+沉淀+絮凝自过滤水处理工艺对秸秆机械浆废水的处理效果显著，为连续生产提供保障。该工艺已于2010年通过当地环保部门的环评。

3 结论

在国内首条秸秆机械浆生产线上采用斜筛过滤+沉淀+絮凝自过滤水处理工艺对秸秆机械浆废水进行处理，并对处理后废水回用过程中主要污染物(SS、DCS、DS、CS等)含量的变化进行分析。结果表明，在聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)及沸石添加量分别为100 mg/L、15～20 mg/L、2 g/L的条件下，SS、COD、DCS、DS、CS去除率分别为88.4%、80.7%、48.5%、51.7%、50.5%，回 用水 中 SS、COD、DCS、DS、CS质量浓度分别为 170、600～700、340、140、180 mg/L，符合工厂设定的废水回用质量要求。

［1］陶 伟，魏凤娟.安徽省农村秸秆综合利用研究［J］.安徽农业科学，2010，38(27):15194.

［2］鞠 琰.麦草浆造纸中段废水深度处理研究［D］.山东:山东轻工业学院，2007.

［3］谭桂香，徐永建.玉米秆、棕榈空果串、棉秆化机浆废水的处理和综合利用［J］.湖南造纸，2008(3):36.

［4］谭桂香，徐永建.机械浆废水的处理和综合利用［C］//中国造纸学会第十三届学术年会论文集.北京，2008:154.

［5］国家环保总局.水和废水监测分析方法［M］.北京:中国环境科学出版社，2002:105.

［6］张春辉，秦梦华，詹怀宇.废纸浆水体系中DCS的分析技术［J］.上海造纸，2006，37(1):52.

［7］马建疆，苏补拽.分光光度法COD的快速测定［J］.内蒙古环境保护，2006，18(2):35.