不同混凝剂对牛仔布水洗废水脱色效果的模拟研究

吴小平

(东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620)

近年来，纺织印染业在推动经济发展中发挥了重要作用，但在为国家经济发展和人民生活水平提高做出巨大贡献的同时，也带来了较严重的水污染问题。牛仔布水洗废水是印染类废水的一种，指牛仔布等棉织物或混纺产品在水洗工艺中所排出的废水，其中含有大量衣服上脱落的带发色基团的染料有机物和印染助剂染料。常见的水洗废水中染料有[1]：直接染料、不溶性偶氮染料、活性染料、还原染料、可溶性还原染料、分散染料等。废水中有时还含有部分印染助剂，如表面活性剂、还原剂、染色载体等，处理难度大。

目前，印染废水的处理方法主要有物理法、化学法、生物法以及这3种方法的组合[2-3]。物理法主要包括吸附法和膜分离法，该方法操作简便，但运行费用高、易堵塞，需要预处理和定期的化学清洗等;化学法对COD的去除效果好，对疏水性染料的脱色率高，但对亲水性染料的脱色效果差，处理成本高，泥渣难处理；物理化学法处理效果显著，但处理费用高、适应范围窄，易产生大量难处理的污泥；生化法可处理印染工业废水所含有的大量能被生物氧化的可溶性物质，但在应用过程中填料容易堵塞，需经常进行冲洗，动力消耗较大。混凝剂是较常用的方法，具有设备简单、维护操作易于掌握、特定处理效果好的特点，而且混凝剂的种类多，来源广[4-6]。本研究针对不同废水的混凝条件随水质的变化而不同的特性，对牛仔布水洗废水采用混凝工艺处理，考察不同混凝剂的作用效果，为实际废水的处理提供理论依据。

1 模拟废水组成

甲基橙是牛仔布印染工艺中常用的染料[7]，其水溶液色度、浊度易于精确测定[8-9]，故本文配置甲基橙染料溶液以模拟印染废水。具体配置方法是：在10 L自来水中，加入1 g甲基橙染料，形成浓度为1 000 mg/L的单品种染料液。

2 实验材料及方法

2.1 实验药品

实验中所需的药品如表1所示。

2.2 实验仪器

实验中所需的仪器如表2所示。

2.3 实验准备

2.3.1 实验评测指标

本实验以废水色度为主要评测参数，同时考察浊度、COD的去除效果。

色度：主要测定废水中有色物质的含量；

COD：测定废水中还原性物质的含量，废水中还原性物质越多，COD的测定值越大。

表1实验药品
Table1Experimentaldrugs

序号名称1聚合氯化铝2硫酸亚铁3三氯化铁4聚丙烯酰胺5甲基橙6盐酸7氢氧化钠8硫酸银9硫酸汞10重铬酸钾11硫酸12硫酸亚铁铵13临苯二甲酸氢钾14菲绕啉

表2实验仪器
Table2Experimentalinstrument

序号名称型号精度1混凝实验搅拌仪MY3000-6N12数字色度仪XS-1型1度3光电式浊度仪GDS-3型0.1NTU4酸度计pH-3型0.015磁力搅拌器WCJ-G02型6电子天平AL104型0.000 1 g7玻璃回流装置8电磁炉9烧杯、量筒、移液管、温度计等

浊度：测定废水总悬浮颗粒的浓度。

2.3.2 混凝剂的配置

取1g聚丙烯酰胺，10 g聚合氯化铝，10 g三氯化铁，10 g硫酸亚铁各溶于1 000 mL容量瓶中，摇匀，待用。

2.4 实验方法

2.4.1 烧杯实验

确定形成矾花所用的最小混凝药剂量。用烧杯取200 mL原水置于磁力搅拌器上，投加0.5 mL混凝剂，然后慢速搅拌，每次增加0.5 mL混凝剂，直至出现矾花为止，这时的混凝剂量作为形成矾花的最小投加量。

2.4.2 投加量与混凝效果

本实验分别采用不同混凝剂进行脱色试验，研究混凝剂投加量与脱色率的关系，以确定最佳投药量，方法如下：

(1)用6个1 000 mL的烧杯，分别放入500 mL模拟废水，置于混凝搅拌机平台上。

(2)确定试验时混凝剂投加量。根据烧杯实验形成矾花最小混凝药剂投加量，其1/2作为1号烧杯的混凝剂投加量，取其2倍作为6号烧杯的混凝剂投加量，用依次增加相等混凝剂投加量的方法求出2～5号烧杯混凝剂投加量，把混凝剂分别投入1～6号烧杯中。

(3)启动搅拌机，快速搅拌0.5 min，转速约为300 r/min；中速搅拌6 min,转速约为100 r/min；慢速搅拌6 min，转速约为50 r/min。

(4)完成搅拌后，静置沉淀30 min，用50 mL注射针筒抽出烧杯中的上清液约100 mL放入烧杯中，立即测取色度、COD值、浊度，并记录实验数据。

2.4.3 pH值与絮凝效果

混凝剂与印染废水发生混凝反应时的pH值变化直接影响到混凝剂的水解成分，也影响染料分子的存在形态，因此pH值的大小关系到采用药剂的种类和混凝效果与脱色效果。

(1)用6个1 000 mL的烧杯，分别放入500 mL模拟废水，置于混凝搅拌机平台上。

(2)调整原水pH值，用移液管一次向1号、2号装有水样的烧杯中分别加入0.50、0.25 mL10%浓度的盐酸。依次向3号、4号、5号、6号装有水样的烧杯中分别加入0.25、0.5、0.75、1 mL10%浓度的氢氧化钠。

(3)启动搅拌机，快速搅拌0.5 min，转速约为300 r/min；随后从各烧杯中分别取出50 mL放入烧杯，测定各水样pH值并记录。

(4)用移液管向烧杯中加入相同剂量的混凝剂。(投加量按前述实验中的最佳量确定)。

(5)启动搅拌机，快速搅拌0.5 min，转速约为300 r/min;中速搅拌6 min,转速约为100 r/min；慢速搅拌6 min，转速约为50 r/min。

(6)完成搅拌后，静置沉淀30 min，用50 mL注射针筒抽出烧杯中的上清液约100 mL放入烧杯中，立即测取色度、COD值、浊度，并记录实验数据。

3 实验数据分析与讨论

3.1 投药量处理废水中甲基橙染料的效果

由烧杯实验得出PAC、FeCl3、PAM、FeSO44种絮凝剂的最小投加量分别为150、300、50、500 mg/L。计算确定各烧杯中混凝剂的投加量后，把混凝剂分别加入1～6号烧杯中进行实验。在不同投加量下甲基橙模拟废水的处理效果如图1～图4所示。

图1 PAC投加量与去除率Fig.1 PAC dosage and the removal rate

图2 FeCl3投加量与去除率Fig.2 FeCl3 dosage and the removal rate

图3 PAM投加量与去除率Fig.3 PAM dosage and the removal rate

图4 FeSO4投加量与去除率Fig.4 FeSO4 dosage and the removal rate

从PAC的处理曲线可以看出，脱色率随着药剂投加量的增大而提高。从图1中可以看出，当投药量为210 mg/L时，脱色率达到61.8%，当脱色率超过210 mg/L时，脱色率反而稍有下降。其浊度去除率曲线变化比较平缓，在75%～85%之间。COD去除率随着投加量增大缓慢提高，在投药量达到210 mg/L时，达到最大值56.1%。由实验结果，取PAC的最佳投药量为210 mg/L。

以FeCl3作为絮凝剂处理甲基橙模拟废水，絮体厚实，沉降较快。从图2可以看出，当投药量从150 mg/L增加到330 mg/L时，脱色率从57%提高到68.8%。当投药量继续增加后，脱色率没有明显提高。当投药量大于420 mg/L时，脱色率出现明显下降。投药过多会使废水色度变大导致脱色率下降，出于经济原因考虑，取FeCl3最佳投药量为240 mg/L，此时脱色率为68.1%，COD去除率为58.5%，浊度去除率为76%。

用PAM作为絮凝剂处理甲基橙染料模拟废水，结成絮体速度快，但沉降速度慢。在中性条件下，脱色率随投药量增大而缓慢提高。从图3可以看出，PAM对甲基橙脱色率低于25%，当投药量为85 mg/L，取得最大值22.7%，取此投药量为最佳投药量。FeSO4作为絮凝剂处理甲基橙染料模拟印染废水时，废水结成絮体速度慢，沉降后废水仍然浑浊。从图4可以看出，投药量小于400 mg/L时，FeSO4脱色率随着药品投药量增大而升高。当投药量大于550 mg/L时，上清液中会残留大量Fe离子，Fe2+被氧化成Fe3+，使处理后的水带红色，色度增加，因而脱色率下降较快。当投药量为400 mg/L时，可以得到最大脱色率56.6%，此时，COD去除率为21.7%。与其他絮凝剂相比，FeSO4对浊度去除率较低，处理效果不理想。

3.2 pH值对去除废水中甲基橙染料效果影响

因为pH值的大小影响色素存在的形式和表现的性质，每种絮凝剂都有其适宜的pH值。一方面是水的pH值直接与水中胶体颗粒的表面电荷和电位有关，不同pH值下胶体颗粒的表面电荷和电位不同，所需要的混凝剂量也不同；另一方面，水的pH值大小对絮凝剂的水解反应有显著影响，不同的pH值对絮凝剂水解反应的效果差别较大。

为求得最佳值范围，选择各种絮凝剂的最佳投药量为投药量，用NaOH和HCl调节模拟废水pH值，1～6号烧杯的pH值分别为5.5、6.4、7.5、9.5、10.4、11.4、12。在不同pH值下进行实验，结果如图5～图8所示。

图5 PAC:pH值与去除率 Fig.5 PACpH values and the removal rate

图6 FeCl3:pH值与去除率Fig.6 FeCl3pH values and the removal rate

由于甲基橙溶液的指示作用，当pH为酸性，甲基橙模拟废水显红色。从图5可以看出，当废水pH值为中性时，PAC的脱色率较高；当废水呈强碱性时，脱色率快速下降；当pH值7.5时，实验得到最大脱色率为61.8%，此时COD去除率为56.1%，浊度去除率为85.4%。

从图6可以看出，当甲基橙模拟废水pH值介于6.4～9.5之间时，FeCl3去除甲基橙效果较好，达到60%以上。而随着pH值增大，FeCl3对浊度的去除率逐渐降低。当pH值为7.5时FeCl3得到最大脱色率68.8%，此时COD去除率为56.6%，浊度去除率为80.8%。

从图7可以看出，用PAM作为絮凝剂处理甲基橙模拟废水，在不同pH值下的脱色率均较低，最高仅为23.8%，说明PAM对这种小分子染料去除能力有限。

图7 PAM:pH值与去除率Fig.7 PAMpH values and the removal rate

从图8可以看出,用FeSO4作为絮凝剂对甲基橙模拟废水进行混凝处理，脱色率随着废水的pH值升高而升高。当pH值为11.4时，得到最大脱色率43.3%，此时COD去除率为34.4%，浊度的去除率为92.9%。

图8 FeSO4:pH值与去除率Fig.8 FeSO4pH values and the removal rate

图9为4种絮凝剂在不同pH值条件下的脱色去除率比较。

图9 各种絮凝剂在不同pH值条件下的脱色去除率Fig.9 Different flocculantsremoval rate of decolorization under different pH

对比4种絮凝剂的脱色效果，可以归纳为以下几点：

(1)4种絮凝剂在中性条件下，FeCl3对甲基橙染料模拟废水处理效果最好，最高脱色率为78%，PAC次之，而PAM和FeSO4对甲基橙染料模拟废水混凝效果较差。

(2)PAC对甲基橙染料模拟废水脱色能力较FeCl3稍低，但用药量较少。

(3)各种絮凝剂对甲基橙染料模拟废水浊度去除率较高，最高去除率均可达到80%～93.88%。

(4)4种絮凝剂对甲基橙染料模拟废水COD去除率低，最高去除率都小于60%。

4 结论

(1)混凝剂对以甲基橙染料配置而成的模拟牛仔布水洗废水具有一定的处理效果，不同的混凝剂处理效果有所不同。在中性条件下，FeCl3对甲基橙染料模拟废水处理效果最好，最高脱色率为78%；COD去除率较低，最高去除率仍小于60%；浊度去除率较高，最高去除率均可达到80%～93.88%。

(2)pH值大小影响混凝剂的处理效果。PAC在pH值7.5时，最大脱色率为61.8%；FeSO4在pH值为11.4时，最大脱色率为43.3%；FeCl3在pH值为7.5时，最大脱色率68.8%;而PAM在不同pH值下的脱色率最高仅为23.8%。

(3)通过实验可知，混凝剂可用于对牛仔布模拟水洗废水的处理。但由于甲基橙仅仅是牛仔布生产工艺中用到的众多染料之一，因此在设计废水处理时，仍要通过实验确定不同混凝剂的最佳反应药量和pH值。

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