家具水性漆喷涂废水的混凝条件优化

李美萍，董海山，郑 雪

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 6100002)

水性漆是以水为稀释剂的环保型涂料[1]，目前在家具行业中使用的比例越来越高。家具水性漆喷涂废水产生于家具生产企业的水帘喷漆室[2]。由于水性漆中含有大量聚合物成膜物质(如丙烯酸树脂等)、颜料(如钛白粉、铬黄等)、成膜助剂、消泡剂、流平剂、防腐剂等多种成分[3]，家具水性漆喷涂废水中含有一定的有机溶剂和难降解的有机染料，属于高浓度有机废水[4]。其色度、浊度高，固体悬浮物含量高，化学需氧量高，可生化性差，成分复杂，采用常规的生化处理方法进行处理较难实现达标排放[5-6]。

本试验以某家具生产企业的水性漆喷涂废水为研究对象，采用聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、硫酸铁(Fe2(SO4)3)和硫酸铝(Al2(SO4)3)为混凝剂，以聚丙烯酰胺PAM为助凝剂，研究四种混凝体系对试验废水进行处理效果。并综合对比废水的处理效果和经济成本，确定优化的混凝剂及试验参数。

1 试验材料与方法

1.1 试验废水

表1 废水水质指标

试验废水取自某家具生产企业水帘喷漆室循环水池，废水的水质如表1所示。试验废水的B/C值很小(0.16<0. 3)，可生化性差[7]，不宜采用生物处理法，同时废水中SS浓度较高，因此考虑采用混凝沉淀法处理[8]。

1.2 仪器与试剂

六联搅拌器(ZR2-6)、节能COD恒温加热器(JHR-2)、电子天平(FA2004)。

工业级聚合氯化铝(PAC)、工业级聚合硫酸铁(PFS)、工业级硫酸铁(Fe2(SO4)3)、工业级硫酸铝(Al2(SO4)3)、工业级聚丙烯酰胺(PAM)、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、浓硫酸、氢氧化钠。

1.3 试验方法

取若干200 mL的水样，分别置于250 mL烧杯中。使用pHS-3C型pH计、H2SO4、NaOH调节水样pH值至相应范围。之后分别投加一定量的混凝剂，将水样置于ZR2-6型搅拌机下进行搅拌。首先以160 r/min的转速快速搅拌2 min，再投加适量助凝剂(PAM)，以60 r/min进行慢速搅拌 5 min。静置一定时间后，取上清液测 COD剩余浓度。

2 试验结果与讨论

2.1 混凝剂最佳投加量

取水样调节pH值为5.0，再分别投加不同量的四种混凝剂，首先以160 r/min转速快速搅拌2 min，再以60 r/min转速慢速搅拌5 min。试验结果如图1。

由图1可知，选用四种不同混凝剂，随着混凝剂投加量的逐渐增加，试验废水的COD去除率均先升高后有所降低。其中PFS对COD的去除效果最好，投加量为250～500 mg/L的COD去除率均高于其它四种混凝剂同水平投加量下的COD去除率。当PAC投加量为350 mg/L时，试验废水的COD去除率达到最高，为62.85%；当PFS投加量为400 mg/L时达到最佳去除效果，其COD去除率为72.48%；Fe2(SO4)3的最佳投量为400 mg/L时，其COD去除率为71.90%；Al2(SO4)3的最佳投量为350 mg/L，COD去除率达为53.13%。

图1 混凝剂投加量对污染物的去除效果

水性漆喷涂废水中的大分子有机物以及悬浮颗粒物与混凝剂互相聚合而形成絮凝胶体，通过脱稳沉淀的作用使得去除效果增强。当混凝剂投加量超过最佳投加量，污染物去除率均有所降低，其原因可能是由于过量的混凝剂与废水发生再稳现象，导致胶体凝聚受阻[9]，降低了COD的去除率。

2.2 最佳初始pH值

取水样分别调节初始pH值为3、4、5、6、7、8、9、10，再分别投加最佳量的不同混凝剂进行试验，结果如图2。

图2 初始pH值对污染物的去除效果

由图2可知，随着pH值的升高，四种混凝体系对试验废水中COD的去除率均呈现先升高后降低的趋势。PFS在pH值=5～8范围内对COD去除效果较好，Fe2(SO4)3在pH值=4～7范围内对COD去除率较高，PAC和Al2(SO4)3最适初始pH值范围分别为3～5和4～6。PFS和Fe2(SO4)3的pH值适用范围较宽。另外，四种混凝体系的最佳初始pH值均出现在酸性条件下。有两种解释，一种可能是因为水性漆具有碱溶性，在酸性条件下容易发生脱稳现象，去除了大量的色浆胶体。第二种可能是因为由于投加的混凝剂是带有高价正电荷的聚电解质，而水性漆喷涂废水中的有机高分子带负电荷[10]，在酸性条件下电中和作用更强，废水中各分子表面电荷斥力较大，且溶胀比最大，分子表面电荷发生变化，破坏了溶液分子间的稳定性，使胶体脱稳，从而色浆悬浮颗粒的混凝沉降效果显著提高[11]。而在碱性条件下，废水中各种物质的分子表面电荷斥力和溶胀比均较小，溶液分子间的稳定性较强。

2.3 最佳沉淀时间

分别设置不同的沉淀时间20、30、40、50、60、70、80、90 min。试验结果见图3。

图3 沉淀时间对污染物的去除效果

由图3可知，对于四种混凝体系，随着沉淀时间的延长，试验废水的COD去除率均呈现先升高后趋于平稳的趋势。PAC混凝体系中沉淀时间从20 min延长至60 min期间，废水COD的去除率亦呈明显上升趋势，从42.54%提高至71.48%，其最佳沉淀时间为60 min；PFS混凝体系中沉淀时间从20 min延长至50 min期间，废水COD的去除率从40.89%提高至71.32%，其最佳沉淀时间为50 min；Fe2(SO4)3混凝体系中沉淀时间从20 min延长至60 min期间，废水COD去除率从39.71%提高至61.55%，其最佳沉淀时间为60 min；Al2(SO4)3混凝体系最佳沉淀时间为50 min，废水COD的最高去除率52.85%。四种混凝体系达到最佳去除效果时的沉淀不尽相同，说明不同混凝剂的沉降速率不同。

2.4 最佳PAM投加量

在上述已取得最佳的条件基础上，加入助凝剂PAM，设置不同的PAM投加量，分别为1～8 mg/L，试验结果如图4。

图4 PAM投加量对污染物的去除效果

由图4可知，对于四种混凝体系，投加助凝剂PAM都能在一定程度上增加对试验废水COD的去除率，并且随着PAM投加量的增加，去除率呈现先升高再降低的趋势。其中PAC混凝体系PAM的最佳投加量为6.0 mg/L，试验废水COD去除率相较于未使用PAM分别提高了11.06%；PFS混凝体系PAM的最佳投加量为5.0 mg/L，试验废水COD的去除率提高了7.01%；Fe2(SO4)3混凝体系PAM的最佳投加量为5.0 mg/L，试验废水COD的去除率相较于未使用PAM提高了6.45%； Al2(SO4)3混凝体系PAM的最佳投加量为6.0 mg/L，COD、SS去除率相较于未使用PAM提高了4.00%。综合比较，投加助凝剂PAM对PFS和PAC混凝体系废水处理效果增强更明显。

助凝剂PAM是一种线状的有机高分子聚合物，同时也是一种可以吸附水中悬浮颗粒杂质的高分子水处理絮凝剂，在颗粒之间起吸附架桥作用。在PAM的架桥作用下废水中的小颗粒杂质形成大的絮团，沉降速度加快，因此试验废水处理效果增强。

2.5 经济成本比较

当前聚合氯化铝PAC市场价格约为4000元/t，聚合硫酸铁PFS为价格约为2600元/t，硫酸铁(Fe2(SO4)3)和硫酸铝(Al2(SO4)3)价格分别约为2800元/t、2400元/t，聚丙烯酰胺PAM 价格约为7600元/t。代入四种混凝体系的最佳混凝剂和助凝剂投加量，经济成本可用以下公式计算：

C=Q1·X1+Q2·X2

(1)

其中，C-Fenton氧化法处理成本(元/m3)；

Q1-混凝剂的单价(元/t)；

Q2-助凝剂的单价(元/t)；

X1、X2-最佳条件下的药剂投加量(mg/L)。

表2 经济成本核算结果

由表2可知，选择Al2(SO4)3作混凝剂处理废水的费用最低，其次是PFS。考虑到PFS在pH值=5～8的范围内对废水处理效果较好，而原水pH值在6.8左右，因此可不调节pH值，省去使用酸碱的成本。

3 结论

(1)PFS投加量为250～500 mg/L的COD去除率均高于其它四种混凝剂同水平投加量下的COD去除率，对COD的去除效果最好。

(2)PFS在pH值=5～8范围内COD去除效果较好，Fe2(SO4)3在pH值=4～7范围内COD去除率较高，而PAC和Al2(SO4)3的最适初始pH值范围分别为3～5和4～6。PFS和Fe2(SO4)3的pH值使用范围较宽。

(3)PAC、PFS、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3的最佳沉淀时间分别为60、50、60、50 min，不同混凝剂的沉降速率不同。

(4)经过处理效果和经济成本的综合分析，推荐选用PFS作为混凝剂处理家具水性漆喷涂废水。