董亞梅

(上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200040)

再造煙草又稱煙草薄片，是將碎煙葉末、煙梗及碎煙葉片等煙葉下腳料在水或有機(jī)溶劑中浸泡，經(jīng)分離、萃取、打漿處理后，將漿料在造紙機(jī)上干燥成型制成[1]。再造煙草可大幅提高煙葉的利用率，且產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，理化性能可調(diào)控，能明顯降低煙草煙氣中的有毒有害物質(zhì)的含量，具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[2]。但在再造煙葉生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，通常生產(chǎn)一噸薄片需要排放50～70 t廢水[3]。再造煙草廢水具有成分非常復(fù)雜、水質(zhì)波動(dòng)大、色度高、固體懸浮物(SS)濃度高的特點(diǎn)，其中有機(jī)污染物主要以纖維素及其水解產(chǎn)物為主[4]。再造煙草廢水現(xiàn)行處理工藝較為繁復(fù)，且運(yùn)行費(fèi)用高，總排水質(zhì)不穩(wěn)定，而近年來(lái)興起的微氣泡曝氣技術(shù)，可有效去除煙草的SS，降低COD及氨氮濃度，已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道將微納米氣浮技術(shù)應(yīng)用于煙草薄片廢水[5]。微氣泡曝氣設(shè)備產(chǎn)生的微納米氣泡相對(duì)于普通宏觀氣泡有著巨大的比表面積，有利于氣液傳質(zhì)，表面帶電荷，水體中上升速度非常緩慢，可長(zhǎng)時(shí)間停留在水體[6]。微納米氣泡的表面電荷產(chǎn)生電勢(shì)差ζ電位，氣泡體積越小則界面處ζ電位越高，以空氣為介質(zhì)的微氣泡ζ電位為-20～-17 mV，相應(yīng)地，對(duì)水體中帶電粒子的吸附性能也越強(qiáng)[7]。微氣泡破裂的瞬間，因?yàn)闅庖航缑娴膭∽儯缑嫔暇劢沟哪芰克查g釋放，可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基[8]。羥基自由基的氧化電位為2.8 eV，具有超強(qiáng)氧化作用，可降解水中難降解的有機(jī)污染物[9]。同時(shí)以稀土元素鈰為助劑與傳統(tǒng)的鋁系絮凝劑及粉末活性炭相結(jié)合，復(fù)配制備出兼具吸附和絮凝作用的納米絮凝劑，可加快絮凝沉降速度，并提高色度、濁度和COD的去除率[10]。因此，將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結(jié)合處理再造煙葉廢水，根據(jù)微納米氣泡的表面具有帶電性及納米絮凝劑兼具吸附和絮凝的特性，利用兩者的耦合作用縮短微氣泡曝氣時(shí)間，減少絮凝劑使用量，考察不同微氣泡曝氣時(shí)間、納米絮凝劑投加量及兩者共同作用對(duì)煙草廢水COD的去除效果，爭(zhēng)取在較短的微曝氣時(shí)間和較少的絮凝劑使用量的條件下，達(dá)到COD較高的去除效果。本研究將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結(jié)合處理再造煙葉廢水，為減少絮凝劑的使用量，降低再造煙草廢水處理運(yùn)行費(fèi)用提供了數(shù)據(jù)支持，對(duì)降低再造煙草生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境的影響有重要價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

試驗(yàn)用煙草廢水取自云南省昆明市某薄片廠曝氣池出水，廢水水質(zhì)指標(biāo)：pH 值為6～7，CODCr為120～160 mg/L。

A型微氣泡曝氣器(上海電氣清能能源有限公司，外觀尺寸為200 mm×Φ32 mm)，DR890多參數(shù)比色計(jì)、DRB200 COD消解器、 sensION pH測(cè)定儀(以上儀器購(gòu)自美國(guó)哈希公司)，MS3000激光粒度分析儀(英國(guó)馬爾文儀器公司)，JJ-6A六聯(lián)自動(dòng)升降攪拌器(常州國(guó)華電器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)和分析方法

納米絮凝劑的制備：首先將硫酸鋁鉀配成15%的溶液，根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，分別按照20 g/L和2 mg/L復(fù)配活性炭和硝酸鈰，在60 ℃下，攪拌滴加25%氫氧化銨溶液，保溫靜置反應(yīng)3 h，棄去上層清液，用去離子水清洗2～3次，即得到高效復(fù)合吸附絮凝劑[11]。將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結(jié)合處理再造煙葉廢水，具體過(guò)程如下：取一定量的再造煙葉廢水放入微氣泡曝氣裝置中，連續(xù)循環(huán)曝氣24 h，每隔2 h取樣測(cè)定COD，并取未曝氣和不同曝氣時(shí)間后的廢水1 000 mL，加入一定量的納米絮凝劑和高分子絮凝劑(PAM)，磁力攪拌器200 r/min下攪拌30～60 s，混合均勻后靜置10～30 min，待溶液沉淀分層，取上清液，在哈希DR890多參數(shù)比色計(jì)上分析，按照相應(yīng)程序測(cè)定廢水和上清液的COD，計(jì)算COD去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 微氣泡曝氣氣泡粒徑分布

微納米氣泡是指氣泡發(fā)生時(shí)直徑在幾十微米到數(shù)百納米的氣泡，這種氣泡介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規(guī)氣泡所不具備的物理與化學(xué)特性。微納米氣泡的產(chǎn)生方式主要有加壓溶氣法、水力空化法、葉輪剪切法和膜法等[12]。本試驗(yàn)采用設(shè)備屬于水力空化法中的射流噴射，是將水力旋轉(zhuǎn)切割和空氣混合兩種技術(shù)結(jié)合，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣口和進(jìn)水口以及喉管部分的精確計(jì)算，保證產(chǎn)生的微納米氣泡的直徑和數(shù)量，并對(duì)適配水泵的流量和壓力進(jìn)行控制，使其成為一套完整的微氣泡曝氣系統(tǒng)。圖1為粒度分析儀檢測(cè)到的微納米氣泡的粒徑分布圖。由圖1可知，體積占比最高的粒徑為40 μm，且分布相對(duì)集中，說(shuō)明本次試驗(yàn)采用的微氣泡曝氣設(shè)備產(chǎn)生的氣泡均勻。

圖1 微納米氣泡的粒徑分布圖Fig.1 Particle Size Distribution of Microbubbles

2.2 微氣泡曝氣時(shí)間對(duì)再造煙葉廢水COD去除率的影響

將100 L的再造煙葉廢水放入微氣泡曝氣裝置中，開啟器連續(xù)循環(huán)曝氣24 h，每隔2 h取樣測(cè)定COD，結(jié)果如圖2所示。廢水中的COD隨著時(shí)間的推移逐漸降低，中間數(shù)據(jù)有波動(dòng)，最終CODCr從147 mg/L降低到100 mg/L左右，并穩(wěn)定在100 mg/L水平，曝氣24 h后COD去除率在30%左右。曝氣24 h內(nèi)，微氣泡曝氣對(duì)再造煙草廢水COD的平均去除速率為1.61 mg/(L·h)。以上數(shù)據(jù)也證實(shí)微納米曝氣產(chǎn)生的羥基自由基對(duì)再造煙葉廢水的COD有一定的去除效果。由COD下降趨勢(shì)線可知，微氣泡曝氣4 h左右，再造煙葉廢水中COD的下降速度較快，對(duì)COD去除率達(dá)到16%，可達(dá)到24 h曝氣COD去除率的50%，后續(xù)20 h的曝氣與前4 h曝氣降低COD的效果幾乎相同?？紤]到微納米氣泡曝氣的能耗很高，延長(zhǎng)曝氣時(shí)間會(huì)大大增加能耗，因此，僅單獨(dú)采用微氣泡曝氣降低再造煙葉廢水中COD，曝氣時(shí)間控制在4 h較為經(jīng)濟(jì)可行。后續(xù)如要進(jìn)一步降低COD，需與其他工藝相配合。

圖2 微氣泡曝氣時(shí)間對(duì)再造煙葉廢水COD的去除效果Fig.2 Effect of Microbubble Aeration Time on COD Removal of Reconstituted Tobacco Wastewater

2.3 納米絮凝劑投加量對(duì)再造煙葉廢水COD去除率的影響

納米絮凝劑是在鋁鹽絮凝劑的基礎(chǔ)上，加入活性炭和稀土元素作為助劑復(fù)配，制備出兼具吸附和絮凝效果的高效復(fù)合吸附絮凝劑，用量為3%(V/V)，對(duì)印染廢水處理效果較好，濁度、色度的去除率均為95%以上，COD去除率接近90%[11]。將其應(yīng)用于再造煙葉廢水，投加量為1%～5%(V/V)，去除效果如表1所示。

表1 納米絮凝劑添加量對(duì)再造煙葉廢水COD去除率的影響

隨著納米絮凝劑投加量的增加，COD去除率也明顯提高，從18.4%提高到66.7%，其中有兩個(gè)投加量對(duì)COD的去除率提高幅度較大，2%的投加量比1%對(duì)COD的去除率提高23.3%，4%的投加量比3%對(duì)COD的去除率提高16.7%，在1%～5%的投加量中，2%和4%的投加量對(duì)COD的去除提高幅度較大。后續(xù)微氣泡曝氣后再造煙葉廢水的處理也選擇2%和4%的投加量，比較微曝氣時(shí)間對(duì)不同劑量納米絮凝劑去除COD效果的影響。

2.4 納米絮凝劑投加量對(duì)微氣泡曝氣后再造煙葉廢水COD去除率的影響

將微氣泡曝氣和納米絮凝劑相結(jié)合處理再造煙葉廢水，分別向微氣泡曝氣不同時(shí)間的再造煙葉廢水中加入一定量的納米絮凝劑和PAM，經(jīng)絮凝反應(yīng)后測(cè)定前后的COD，結(jié)果如表2所示。

表2 納米絮凝劑添加量對(duì)微氣泡曝氣后再造煙葉廢水COD去除率的影響

由表2可知，不同的納米絮凝劑添加量(2%、4%)對(duì)不同曝氣時(shí)間的再造煙葉廢水COD去除率基本在60%以上，最高可達(dá)88%左右。相對(duì)于未經(jīng)微氣泡曝氣的廢水(曝氣時(shí)間為0 h)，投加2%的絮凝劑后COD去除率為41.7%；而經(jīng)過(guò)2 h以上微氣泡曝氣，同樣投加2%納米絮凝劑，COD去除率整體提高20%以上；4%絮凝劑投加量的COD去除率也整體提高20%以上。試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)，經(jīng)過(guò)微氣泡曝氣后，微納米氣泡表面的電荷將水體中的有機(jī)污染物吸附，在納米絮凝劑的作用下形成膠團(tuán)離開水相，進(jìn)而提高了納米絮凝劑的COD去除效果。

2.5 微氣泡曝氣時(shí)間和納米絮凝劑投加量對(duì)再造煙葉廢水COD去除率的共同影響

本試驗(yàn)的主要目的是利用微氣泡曝氣和納米絮凝劑的耦合作用，盡可能縮短微氣泡曝氣時(shí)間，減少絮凝劑使用量，爭(zhēng)取在較短的曝氣時(shí)間和較少的絮凝劑使用量下，達(dá)到較高的COD去除效果。不同的曝氣時(shí)間和絮凝劑投加量對(duì)COD去除率的匯總數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 微氣泡曝氣時(shí)間和納米絮凝劑添加量對(duì)再造煙葉廢水COD去除率的共同影響Fig.3 Effects of Microbubble Aeration Time and Nano Flocculant Dosage on COD Removal Rate of Reconstituted Tobacco Wastewater

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)微氣泡曝氣后，2%的納米絮凝劑投加量可將COD去除率從未經(jīng)曝氣時(shí)的41.7%提高到63.5%，已達(dá)到未經(jīng)曝氣廢水中投加4%納米絮凝劑的COD去除率(63%)，而4%投加量的COD去除率也從63.0%提高到78.5%。按照COD去除率為60%測(cè)算，經(jīng)過(guò)微氣泡曝氣后，納米絮凝劑的用量可減少一半(從4%到2%)，可大幅減少絮凝劑的使用成本。由圖3可知，延長(zhǎng)微曝氣時(shí)間對(duì)納米絮凝劑較低投加量(2%)的有益影響超過(guò)高加藥量(4%)，微曝氣每增加1 h，2%絮凝劑投加量對(duì)COD的去除率提高0.76%，而4%投加量對(duì)COD的去除率僅提高0.5%，納米絮凝劑的低投加量(2%)對(duì)COD去除率的提高幅度高于4%的高投加量。根據(jù)前述數(shù)據(jù)將工藝條件設(shè)定為：微則曝氣時(shí)間控制在4 h，納米絮凝劑投加量在2%，則COD去除率為60%，較為經(jīng)濟(jì)可行。

3 結(jié)論

(1)微氣泡曝氣24 h，對(duì)再造煙葉廢水的COD去除率可達(dá)到30%，曝氣4 h對(duì)COD的去除率可達(dá)16%。

(2)納米絮凝劑投加量為1%～5%，隨著投加量的增加，COD去除率從18.4%提高到66.7%，其中2%和4%的投加量對(duì)COD去除率的提高幅度較大。

(3)微氣泡曝氣和納米絮凝劑結(jié)合的處理工藝設(shè)定為：微曝氣時(shí)間控制在4 h，納米絮凝劑添加量在2%，則COD去除率為60%，較為經(jīng)濟(jì)可行。