再造烟叶生产过程中通常每生产1吨产品需排放60～80吨废水，废水成分复杂，含有木质素、纤维素、烟碱、果胶、多糖、不溶性蛋白质及许多难于被微生物降解的有机物，悬浮物含量较高，BOD和COD负荷较大，色度较深(呈红棕色)，氧化还原电位较高，废水易腐化变质。因此，高效处理这类废水是目前再造烟叶行业发展中一个亟待解决的难题。
絮凝-气浮法是废水处理中广泛应用的技术之一，常作为废水处理预处理单元。絮凝-气浮法的机理是利用高效浅层气浮设备溶气原理，向废水中通入溶气水，利用溶气水中释放的微小气泡，将水中悬浮物浮出水面，再加入絮凝剂，利用絮凝剂的电中和、架桥、网捕、卷扫和吸附等综合作用，使废水中的分散相凝聚、絮集，达到去除SS的目的。
本实验选用常用无机絮凝剂聚合硫酸铁(PFS)和聚合氯化铝(PAC)作为絮凝药剂，3种不同类型的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)为助凝剂，采用絮凝-气浮法对造纸法再造烟叶生产废水进行预处理，研究不同絮凝剂、助凝剂类型和用量，废水的pH值、温度，以及气浮设备进水量和压力对废水絮凝沉淀影响，得到了最佳的絮凝体系和优化的工艺参数，为造纸法再造烟叶废水预处理提供技术支撑。
1、实验
1.1 材料和仪器
1.1.1 原料
废水取自湖北省某烟草薄片生产企业初沉池出水。该厂再造烟叶废水水量为1600～1800m3/d，废水一级、二级处理工艺流程如图1所示，废水水质指标见表1。
1.1.2 试剂
PFS为工业品，淡黄色固体粉末，全铁含量≥20%;PAM为工业品，白色固体颗粒，选择的三种PAM性质见表2。重铬酸钾、硫酸银、硫酸汞、硫酸、经氧化钠等均为分析纯。
1.1.3 仪器
pH计;分析天平;电热恒温鼓风干燥箱;722G型可见光分光光度计;SHP-250型生化培养箱;具塞比色管;ZR4-6型六联混凝搅拌机;SS-1Z悬浮物测定仪;752型紫外分光光度计。
1.2 方法
1.2.1 絮凝剂类型和用量对废水絮凝沉淀影响的实验
取200mL再造烟叶污水站初沉池出水，原水质pH为6.8，出水温度为30℃，快速(120r/min)搅拌2min，随后加入不同用量絮凝剂PFS和PAC，按原速继续搅拌1min，再慢速搅拌20min(30r/min)，最后静置30min，取上清液，测定CODCr、SS、色度去除率。
1.2.2 助凝剂(CPAM)类型和用量对废水絮凝沉淀影响的实验
取200mL再造烟叶污水站初沉池出水，原水质pH为6.8，出水温度为30℃，快速(120r/min)搅拌2min，随后加入不同用量的三种助凝剂CPAM(见表2)，根据2.1实验结果，加入最优用量絮凝剂，进行实验。
1.2.3 温度和pH对废水絮凝沉淀影响的实验
取200mL再造烟叶污水站初沉池出水，用NaOH或H2SO4调节水样的pH值，使用电炉加热控制水样温度，按照2.1、2.2实验结果加入最优用量助凝剂和絮凝剂，进行实验。
1.2.4 气浮设备进水量和气浮压力对废水絮凝沉淀影响的实验
根据2.1～2.3实验结果，在污水站初沉池出口加入最优用量的助凝剂和絮凝剂，采用NaOH或H2SO4控制气浮池pH、添加冷凝水控制水温至最优值，通过调节进水泵频率控制不同进水流量，空压机曝气量控制溶气罐气浮压力，进行实验
1.2.5 PFS-CPAM复合混凝剂电镜扫描
取20g聚合硫酸铁置于烧杯中，加入50mL蒸馏水，边搅拌成均匀的稀糊状混合液;再加入8g阳离子聚丙烯酰胺，先快搅1min，再在80℃水浴下慢搅10min，得到浓稠胶体。选用PFSA、相对分子量1100万、离子度为40%的CPAM以及PFS-CPAM，分别进行电镜扫描。
2、结果与讨论
2.1 PFS和PAC对废水絮凝沉淀的影响
由图2和图3可知，在絮凝剂50～400mg/L范围内，随着PFS和PAC用量的增加，可以加大对双电层的压缩，增加颗粒物参与架桥、卷扫的机会，有利于破坏废水悬浮物胶体的稳定性，提高絮凝效果，从而提高废水SS、COD去除率。当PFS用量达到400mg/L时，SS、COD去除率达到最大值，为81.25%、38.17%;当PAC用量为400mg/L，SS去除率达到最大值，为73.45%，PAC用量为450mg/L，COD去除率达到最大值，为31.36%。但进一步增大絮凝剂用量时，COD去除率基本不变，甚至出现一定降低。这是因为当用量超多胶体脱稳的等电点时，尽管络合离子数量增加，但吸附架桥所需的粒子表面活性点减少，导致架桥变得困难;甚至引起返浊现象，降低混凝效果。
由图4可知，当PAC和PFS为400mg/L时，色度去除率基本达到最大值，进一步增加用量，使用PFS的废水色度去除率迅速下降，主要原因是PFS溶液本身色度较大，当用量较大时，会对脱色产生明显的不利影响。综上所述，选取PFS作为造纸法再造烟叶废水预处理絮凝剂，用量400mg/L适宜。
2.2 不同类型助凝剂CPAM对废水絮凝沉淀的影响
由图5、图6、图7与图2、图3、图4对比可知：添加三种助凝剂，SS、COD、色度去除率都不同程度提高，主要原因是CPAM分子链带有电荷，可压缩微颗粒表面双电层，有利于絮凝剂“吸附”和“架桥”作用。其中，当CPAM2浓度为5mg/L时，对SS、COD、色度去除率增幅最大，达到91.04%、60.56%、70.52%，继续增加CPAM2用量，SS、COD、色度去除率基本不变，甚至下降，主要原因是随着CPAM量的增加，基团-COOH-增多将导致高分子链和水中带负电颗粒的排斥力增大，阻碍絮凝过程。因此，相对分子量1100万、离子度为40%的CAPM(CPAM3)与PFS复合使用絮凝效果最佳。
2.3 pH和温度对废水絮凝沉淀的影响
由图8可知，随着pH值的增加，废水SS、COD、色度去除率先上升后下降，当pH=6.5时，SS、COD、色度去除率达到最大值，分别为91.18%、63.43%、70.25%。出现这一现象是因为当pH值≤4时，铁的高价多核络离子会转变为游离的铁离子，而失去凝聚作用;随着pH值变为碱性，铝离子水解产物所带电荷减小并向-等负离子转化，电荷斥力会使其对悬浮物的吸附作用降低且系统脱稳变差。pH值在4.5～6.5时，废水色度去除率变化不大，当pH值超过6.5时，色度去除率急剧下降，这是由于在强碱性条件下，废水由红棕色变为暗黑色，色度较大。由图9可知，当温度为32℃时，废水絮凝沉淀效果较好，温度继续升高，SS、COD、色度去除率变化不大，温度过高也不利于后续的生化过程。
2.4 浅层气浮进水量和气浮压力对废水絮凝沉淀影响
由图10和图11可知，根据污水量和浅层气浮处理能力，随着浅层气浮进水量逐渐降低，废水SS、COD、色度去除率逐渐增大，最后趋于稳定;随着气浮压力的增加，去除率先增加后下降，当进水量为150m3/d，气浮压力为0.35MPa时，SS、COD、色度去除率达到最大值，分别为65.2%、87.43%、72.53%。出现这一现象原因是随着空压机曝气量增大，气浮压力大，溶气水释放气泡量增多，悬浮物上浮量增加，去除率增大，当气浮压力超过0.35MPa时，随着气浮压力增大，会对气浮池絮凝体产生搅动作用，降低去除率，同时浪费电耗。
2.5 絮凝剂电镜扫描表征结果
由图12可知，在50μm的尺寸下，可看出PFS—CPAM粒径明显大于PFS。在10μm的尺寸下，可看出CPAM具有明显的空间网状结构，而PFS的网状结构明显差于CPAM且有一些分支结构。通过复合改性后PFS-CPAM的网状结构明显改善，从而使其产物表面积增大，提高了PFS的吸附、架桥能力。已有的研究表明，空间网状结构比分支结构有更好的絮凝微小颗粒及架桥吸附能力，形成紧密的絮体，快速沉降。
2.6 运行成本分析
根据上述实验结果，最佳的絮凝体系和优化的工艺参数为：pH=6.5，温度为32℃;絮凝剂使用类型为PFS，用量为400mg/L;助凝剂使用类型为CPAM2型，用量为5mg/L;气浮设备进水150m3/h、气浮压力0.35MPa。再造烟叶废水初始温度为30～35℃，pH值为6.9，综合考虑，温度无需调节，pH利用HCI调节。
因此，絮凝-气浮法对再造烟叶废水预处理的运行成本包括药剂费、设备电耗费。药剂费包括PFS、CPAM2、HCI消耗;设备电耗包括高效浅层气浮溶气泵，撇渣、布水、刮泥电机以及各类转液泵电耗。最佳条件下，采用絮凝-气浮法处理废水的运行药剂成本见表3。
高效浅层气浮溶气泵、撇渣、布水、刮泥电机及进气浮转液泵总功率为39kW，运行时间约为16h/d，电费单价为0.8元/度。因此，絮凝-气浮过程吨水电耗为0.29元/吨水。
综上所述，最佳条件下采用絮凝-气浮法对废水进行预处理的运行成本为2.72元/吨水。
3、结论
采用絮凝-气浮法对再造烟叶废水进行预处理，以阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)为助凝剂，聚合硫酸铁(PFS)和聚合氯化铝(PAC)为絮凝剂，研究了废水温度、pH值，絮凝剂、助凝剂类型和用量、气浮进水量及压力对废水絮凝沉淀的影响。结果表明：
(1)PFS对废水SS、COD去除率更高，更适合作为再造烟叶废水处理絮凝剂;相对分子量1100万、离子度为40%的CPAM与PFS复合使用絮凝效果最佳，对再造烟叶废水SS、COD、色度去除率更高;
(2)当废水温度为32℃、pH为6.5;PFS用量为400mg/L、CPAM用量为5mg/L时;气浮设备进水150m3/h、气浮压力0.35MPa时，CODCr、SS、色度去除率最高，分别为65.2%、87.43%、72.53%;
(3)以阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)为助凝剂，聚合硫酸铁(PFS)为絮凝剂，制备PFS-CPAM复合混凝剂，用扫描电镜对产物的结构进行表征，发现复合物的网状结构明显改善，从而使其产物表面积增大，提高了PFS的吸附、架桥能力;
(4)上述最优条件下，采用絮凝-气浮法对废水进行预处理的运行成本为2.72元/吨水。(来源：湖北中烟工业有限责任公司，湖北新业烟草薄片开发有限公司，重组烟叶应用技术研究湖北省重点实验室)
