废纸纤维对聚合氯化铝铁的助凝效果研究

黄金阳，王伟艺

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

废纸是一种重要的二次资源，对其进行回收再利用能够变废为宝和保护环境[1]。近年来，全球的废纸利用率普遍较高，英国废纸利用率高达84.5%，中国的废纸利用率也接近74%[2]。随着废纸回收利用率的提高，中国的废纸浆生产规模逐年上升，2015年更是达到6.338×107t，占全年纸浆总产量的79.38%[3]。虽然回收利用率较高，但废纸仍主要用于生产低端纸品，产品的附加值较低。为提高废纸的回收率和产品附加值，一些学者研究将废纸应用于制备橡胶复合材料、导电纸、吸附剂和吸水树脂等方面，既降低了相关材料的生产成本，又能实现废纸的高值化利用[4-7]。

聚合氯化铝铁（PAFC）是一种集铝系和铁系混凝剂优点于一身的新型复合混凝剂，形成絮体速度快，吸附能力强，能降低浊度和色度。为了提高水处理效果，PAFC也常与助凝剂（如聚丙烯酰胺、活化硅酸等）配合使用，以增强处理效果，减少加药量，提高水质的卫生安全性[8-9]。本文以废纸为原料自制废纸纤维悬浮液作为助凝剂，研究其对PAFC处理地表水的助凝效果及对水质的适应性，以期为PAFC的应用和混凝沉淀处理技术提供参考，也为废纸的资源化利用研究开拓新思路。

1 试验

1.1 材料与仪器

采用回收的蛋托作为废纸原料，经湿式搅拌疏解后配制成10 g/L的纤维悬浮液使用。水样取自厦门大学嘉庚学院内地表水，其浊度为4.84～26.6 NTU，水温为17～18℃，pH为7.5～8.5。所用PAFC为饮用水级，加水配制成浓度为10 g/L的溶液。所用的仪器包括JJ-4A六联数显同步电动搅拌器、SGZ-2P微机浊度仪、JRM-01湿式破碎机、PHS-25pH计以及BSA224s分析天平等。

1.2 试验方法

取若干个烧杯分别加入一定量的原水，置于六联电动搅拌器上，加入一定量的PAFC和废纸纤维，依次以300 r/min的转速快速搅拌1 min，150 r/min的速度中速搅拌6 min，50 r/min的转速慢速搅拌9 min，搅拌完成后静置沉淀20 min，取上层清液测定浊度，计算浊度去除率。

根据以上试验步骤，改变PAFC的投加量、废纸纤维的投加量和投加时间点、搅拌方式、原水浊度和pH等因素，研究废纸对PAFCF的助凝效果和二者配合使用对水质的适应性。

2 结果分析与讨论

2.1 单独使用PAFC时投加量对混凝沉淀效果的影响

当原水浊度为21.8 NTU时，单独使用PAFC处理地表水，研究PAFC投加量对混凝沉淀效果的影响，结果如图1所示。

图1 PAFC投加量对浊度处理效果的影响

由图1可见，随着PAFC投加量的增加，浊度呈先下降后上升的趋势，当投加量为20 mg/L时处理效果最好，浊度为2.61 NTU，浊度去除率为87.97%，而后继续增大投加量，浊度反而上升。这是因为适量的PAFC能够通过压缩双电层和电中和作用使水中的大部分胶体粒子脱稳，并在水力搅拌作用下聚集成絮体，经过沉淀被去除；而过量的PAFC则会使被电中和后的胶体粒子重新带上正电而“再稳定”，影响了粒子的碰撞接触效果，故处理效果下降。为更好地体现助凝剂的处理效果，确定助凝试验中PAFC的投加量为10 mg/L，相应的剩余浊度为3.78 NTU，浊度去除率为82.58%。

2.2 废纸纤维的投加量对助凝效果的影响

当原水浊度为21.8 NTU，PAFC投加量为10 mg/L，废纸纤维在快速搅拌前投加，研究废纸纤维投加量对PAFC助凝效果的影响，结果如图2所示。

图2 废纸纤维投加量对浊度处理效果的影响

由图2可见，随着废纸纤维投加量的增加，出水的浊度逐渐降低，去除率逐渐升高，当废纸纤维投加量为30 mg/L时，出水浊度为1.45 NTU，浊度去除率可达93.35%，相比单独使用PAFC处理后的出水浊度下降61.64%，浊度去除率提升10.77个百分点。而后继续增大废纸纤维投加量，出水浊度反而升高，浊度去除率有所下降。这是因为，一方面纤维状的废纸纤维能够通过吸附架桥作用使生成的微小絮体快速成长为大絮体，有利于絮体的快速沉淀分离，从而提高处理效果；另一方面，废纸纤维的主要成分为纤维素和半纤维素，其具有较大的比表面积和吸附能力，能够在一定程度上吸附脱稳后的胶体和悬浮物，提高浊度处理效果。但是，当废纸纤维的投加量过多时，其中含有较多难以沉降的细小纤维，高浓度的废纸纤维可能阻碍PAFC与胶体、胶体与胶体之间的碰撞接触，故而影响处理效果。因此，废纸纤维对PAFC处理地表水具有较好的助凝作用，在本试验条件下废纸纤维的最佳投加量为30 mg/L。

2.3 废纸纤维投加时间点对助凝效果的影响

当原水浊度为9.43 NTU，PAFC投加量为10 mg/L，废纸纤维投加量为30 mg/L，研究废纸纤维投加时机的变化对PAFC混凝沉淀处理效果的影响，结果如图3所示。

图3 废纸纤维投加时间点对浊度处理效果的影响

由图3可见，废纸纤维的不同投加时机对助凝效果有一定影响，在快速搅拌前投加废纸纤维其助凝效果最好，出水浊度为0.79 NTU，浊度去除率为91.62%；在中速搅拌前投加处理效果略有下降；慢速搅拌前投加的处理效果最差。这是因为PAFC与水中胶体颗粒反应迅速，脱稳的胶体在快速搅拌作用下即开始碰撞接触生成小絮体，而快速搅拌能够使加入水中的废纸纤维快速、均匀分散，并提前加入到絮体的生成过程中，可加快絮体的生长速度，增强网捕效果。反之，在慢速搅拌前投加废纸纤维，此时的絮体已经成型，加入的废纸纤维仅能起到网捕功能，其助凝作用将大打折扣。因此，在快速搅拌前加入废纸纤维有利于提高PAFC的混凝沉淀处理效果。

2.4 搅拌速度对废纸纤维助凝效果的影响

混凝过程中，水力搅拌的作用主要是为了提高混凝体系中各物质之间碰撞接触的概率，提高处理效果。由于快速搅拌的时间较短，慢速搅拌的转速较小，相比之下起到承上启下作用的中速搅拌速度更值得研究。当原水浊度为21.8 NTU，PAFC的投加量为10 mg/L，废纸纤维投加量为20 mg/L时，在快速搅拌前投加废纸纤维，分别以三种中速搅拌速度进行混凝沉淀试验，研究不同搅拌速度对废纸纤维助凝效果的影响，结果如图4所示。

图4 搅拌速度对浊度处理效果的影响

由图4可见，当搅拌速度为100 r/min时处理效果最好，出水浊度为1.53 NTU，浊度去除率为92.98%，而后随着中速搅拌速度的增大，处理效果逐渐变差。这是因为适中的搅拌速度有利于提升絮体之间的碰撞接触概率，促进絮体的生长，而过大的搅拌速度能耗较高，其产生的水力剪切作用易将已经形成的较大絮体打碎，影响絮体的网捕和沉降性能，反而导致处理效果变差。因此，本试验条件下适宜的中速搅拌速度为100 r/min。

2.5 原水浊度对废纸纤维助凝效果的影响

当PAFC投加量为10 mg/L，废纸纤维投加量为20 mg/L，按照1.2试验方法中的步骤进行试验，研究不同浊度原水对废纸纤维助凝效果的影响，并与单独使用10 mg/L PAFC的处理效果相比较，结果如图5所示。

图5 不同浊度原水对浊度处理效果的影响

由图5可见，随着原水浊度的增大，二者的浊度去除率均呈先增大后减小的趋势，且投加废纸纤维助凝剂的效果明显好于单独使用PAFC的情况。这是因为低浊度水中的胶体颗粒含量少，与混凝剂和助凝剂的碰撞接触概率低，相应生成的絮体少，故处理效果较差；但当浊度较高时，又由于PAFC的投加量不足（仅为10 mg/L），胶体颗粒脱稳不彻底，因而导致处理效果下降。此外，投加废纸纤维对PAFC处理不同浊度的原水均具有较好的助凝作用，浊度去除率可增加5～8个百分点。因此，废纸纤维作为助凝剂与PAFC配合使用适于处理不同浊度的原水。

2.6 pH对废纸纤维助凝效果的影响

当PAFC投加量为10 mg/L，废纸纤维投加量为20 mg/L时，按照1.2试验方法中的步骤进行试验，研究不同原水pH对废纸纤维助凝效果的影响，结果如图6所示。

由图6可见，随着pH值的提高，出水浊度呈先下降后缓慢上升的趋势，浊度去除率则相反，近中性偏碱性条件下处理效果较好，特别是pH为8时，出水浊度低至1.32 NTU，相应浊度去除率为89.05%。pH值的变化会对处理效果产生影响，其主要因为pH值太低会使PAFC的水解过程受到抑制，太高又会导致已生成的Al（OH）3和Fe（OH）3絮体部分溶解，进而减弱PAFC与废纸纤维相互之间的协同增效作用，影响处理效果。因此，废纸纤维与PAFC配合使用对近中性偏碱性的水质有更好的处理效果。

3 结论

本文以废纸纤维为助凝剂，通过混凝沉淀试验研究其对PAFC的助凝效果及对水质的适应性，获得以下结论：废纸纤维对PAFC处理地表水具有较好的助凝作用，当原水浊度为21.8 NTU，PAFC投加量为10 mg/L，废纸纤维投加量为30 mg/L时，出水浊度为1.45 NTU，浊度去除率可达93.35%，相比单独使用PAFC处理后的出水浊度下降61.64%，浊度去除率提升10.77个百分点；使用废纸纤维助凝剂时，宜在快速搅拌前投加，并采用100 r/min的中速搅拌速度；废纸纤维与PAFC配合使用适于处理不同浊度的原水，且近中性偏碱性条件下处理效果较好。