聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的應(yīng)用
摘要
造紙行業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的污水，這些污水成分復(fù)雜、污染負(fù)荷高，若不進(jìn)行有效處理，將對環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。聚丙烯酰胺作為一種性能優(yōu)良的高分子聚合物，在造紙污水處理中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文詳細(xì)闡述了聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的作用機(jī)理、應(yīng)用流程、影響因素以及實(shí)際案例，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，旨在為造紙污水處理技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展提供參考依據(jù)，推動(dòng)造紙行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞
聚丙烯酰胺；造紙污水；污水處理；絮凝劑
一、引言
造紙工業(yè)是我國重要的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要地位。然而，造紙行業(yè)也是一個(gè)高污染、高耗水的行業(yè)，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的污水。造紙污水中含有大量的懸浮物、有機(jī)物、纖維、木質(zhì)素、堿類物質(zhì)以及各種化學(xué)助劑等污染物，具有色度高、化學(xué)需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）含量高、可生化性差等特點(diǎn)。如果這些污水未經(jīng)有效處理直接排放，不僅會對水體生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，影響水生生物的生存和繁衍，還會對周邊居民的生活用水安全構(gòu)成威脅。因此，如何GAO效、經(jīng)濟(jì)地處理造紙污水，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和水資源的循環(huán)利用，已成為造紙行業(yè)面臨的重要課題。
聚丙烯酰胺（PAM）作為一種常用的高分子絮凝劑，具有絮凝性好、增稠性強(qiáng)、減阻性優(yōu)、表面活性高等多種優(yōu)良性能。在造紙污水處理中，聚丙烯酰胺能夠通過吸附架橋、電中和等作用，使污水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)凝聚成較大的絮體，從而實(shí)現(xiàn)污染物的分離和去除，有效降低污水的污染負(fù)荷，提高出水水質(zhì)。隨著環(huán)BAO要求的日益嚴(yán)格和造紙行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的應(yīng)用越來越廣泛，對其應(yīng)用技術(shù)的研究也不斷深入。
二、造紙污水的特性
（一）成分復(fù)雜
造紙污水的成分主要來源于制漿和造紙過程中使用的原材料、化學(xué)助劑以及生產(chǎn)工藝。其中，制漿過程產(chǎn)生的污水中含有大量的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等有機(jī)物，以及堿類物質(zhì)、硫化物等無機(jī)物；造紙過程產(chǎn)生的污水中則含有纖維、填料、顏料、施膠劑、助留助濾劑等物質(zhì)。這些成分相互作用，使得造紙污水的性質(zhì)極為復(fù)雜。
（二）污染負(fù)荷高
造紙污水的 COD 和 BOD 含量通常較高，部分污水的 COD 值可達(dá)數(shù)千甚至上萬 mg/L。這是由于污水中含有大量難以降解的有機(jī)物，如木質(zhì)素等，這些有機(jī)物在水中分解需要消耗大量的溶解氧，從而導(dǎo)致水體缺氧，影響水生生物的生存。此外，造紙污水中的懸浮物含量也較高，主要為纖維、填料等固體顆粒，這些懸浮物不僅會影響污水的透明度，還會對后續(xù)的處理工藝造成堵塞和磨損。
（三）色度高
造紙污水中的木質(zhì)素、顏料等物質(zhì)會使污水呈現(xiàn)出較高的色度，嚴(yán)重影響水體的美觀和生態(tài)環(huán)境。而且，這些有色物質(zhì)大多具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，難以通過常規(guī)的處理方法去除。
（四）可生化性差
造紙污水中的木質(zhì)素等有機(jī)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以被微生物分解利用，導(dǎo)致污水的可生化性較差。直接采用生化處理工藝往往效果不佳，需要進(jìn)行預(yù)處理來提高污水的可生化性。
三、聚丙烯酰胺的性質(zhì)與分類
（一）性質(zhì)
聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺單體經(jīng)自由基引發(fā)聚合而成的水溶性線性高分子聚合物，其分子鏈上含有大量的酰胺基（-CONH?），這些酰胺基具有很強(qiáng)的氫鍵形成能力，能夠與水分子、其他聚合物分子以及帶有極性基團(tuán)的物質(zhì)發(fā)生相互作用，從而賦予聚丙烯酰胺一系列獨(dú)特的性能。聚丙烯酰胺具有良好的絮凝性，能夠使污水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)凝聚成較大的絮體，加速其沉降和分離；同時(shí)，它還具有增稠性，能夠增加水溶液的黏度；此外，聚丙烯酰胺還具有減阻性、表面活性等性能。
（二）分類
根據(jù)離子特性，聚丙烯酰胺可分為陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）、陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）、非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）和兩性離子型聚丙烯酰胺（AmPAM）。
陰離子型聚丙烯酰胺：陰離子型聚丙烯酰胺分子鏈上帶有負(fù)電荷，主要通過吸附架橋作用使污水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)凝聚成絮體。它適用于處理帶正電荷的污水，如含有金屬離子、蛋白質(zhì)等的污水。在造紙污水處理中，陰離子型聚丙烯酰胺常用于與其他混凝劑配合使用，提高絮凝效果。
陽離子型聚丙烯酰胺：陽離子型聚丙烯酰胺分子鏈上帶有正電荷，能夠與污水中的帶負(fù)電荷的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)發(fā)生電中和反應(yīng)，降低顆粒之間的靜電排斥力，使顆粒更容易聚集在一起，形成絮體。它適用于處理帶負(fù)電荷的污水，如含有纖維、木質(zhì)素等的造紙污水。陽離子型聚丙烯酰胺在造紙污水處理中主要用于污泥脫水和助留助濾。
非離子型聚丙烯酰胺：非離子型聚丙烯酰胺分子鏈上不帶電荷，主要通過吸附架橋作用使污水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)凝聚成絮體。它適用于處理中性或弱酸性的污水，在造紙污水處理中也有一定的應(yīng)用。
兩性離子型聚丙烯酰胺：兩性離子型聚丙烯酰胺分子鏈上同時(shí)帶有正電荷和負(fù)電荷，具有陽離子型和陰離子型聚丙烯酰胺的雙重性能。它能夠適應(yīng)不同性質(zhì)的污水，在造紙污水處理中具有較好的應(yīng)用前景。
四、聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的作用機(jī)理
（一）吸附架橋作用
聚丙烯酰胺分子鏈上的酰胺基能夠吸附造紙污水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)，如纖維、填料、木質(zhì)素等。由于聚丙烯酰胺分子鏈較長，它可以同時(shí)吸附多個(gè)顆粒，通過分子鏈的伸展，將這些顆粒連接起來，形成較大的絮體。隨著絮體的不斷增大，其沉降速度加快，從而實(shí)現(xiàn)顆粒與水的分離。
（二）電中和作用
造紙污水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)通常帶有一定的電荷，這些電荷使得顆粒之間相互排斥，難以聚集沉降。陽離子型聚丙烯酰胺分子鏈上的正電荷能夠與污水中的帶負(fù)電荷的顆粒發(fā)生電中和反應(yīng)，降低顆粒之間的靜電排斥力，使顆粒更容易聚集在一起，形成絮體。同樣，陰離子型聚丙烯酰胺也可以與帶正電荷的顆粒發(fā)生電中和反應(yīng)，促進(jìn)絮凝過程的進(jìn)行。
（三）網(wǎng)捕作用
當(dāng)聚丙烯酰胺形成的絮體逐漸增大時(shí)，會像一張網(wǎng)一樣將水中的細(xì)小顆粒和膠體物質(zhì)網(wǎng)捕在一起，進(jìn)一步提高絮凝效果。這些被網(wǎng)捕的顆粒隨著絮體的沉降而被去除，從而實(shí)現(xiàn)污水的凈化。
五、聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的應(yīng)用流程
（一）預(yù)處理階段
在造紙污水進(jìn)入主體處理工藝之前，通常需要進(jìn)行預(yù)處理，以去除污水中的大顆粒雜質(zhì)和懸浮物，降低后續(xù)處理單元的負(fù)荷。在預(yù)處理階段，聚丙烯酰胺可以作為助凝劑與其他混凝劑（如聚合氯化鋁、硫酸鋁等）配合使用。首先，將混凝劑加入污水中，通過水解反應(yīng)生成帶正電荷的水解產(chǎn)物，這些水解產(chǎn)物能夠與污水中的帶負(fù)電荷的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)發(fā)生電中和反應(yīng)，使顆粒脫穩(wěn)。然后，加入聚丙烯酰胺，利用其吸附架橋作用，將脫穩(wěn)后的顆粒連接起來，形成較大的絮體。經(jīng)過絮凝沉淀后，污水中的大部分懸浮物和膠體物質(zhì)被去除，上清液進(jìn)入后續(xù)處理單元。
（二）主體處理階段
活性污泥法：活性污泥法是造紙污水處理中常用的生物處理工藝，聚丙烯酰胺在其中可以作為助凝劑，提高污泥的沉降性能。在曝氣池中，微生物利用污水中的有機(jī)物進(jìn)行生長繁殖，形成活性污泥。隨著活性污泥的不斷增長，其沉降性能會逐漸下降，導(dǎo)致污泥流失和出水水質(zhì)惡化。此時(shí)，加入適量的聚丙烯酰胺，可以使活性污泥中的微生物和懸浮顆粒凝聚成較大的絮體，提高污泥的沉降速度，減少污泥流失，保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定。
生物膜法：生物膜法是另一種常用的生物處理工藝，聚丙烯酰胺在生物膜法中也可以發(fā)揮一定的作用。在生物膜反應(yīng)器中，微生物附著在載體表面形成生物膜，通過生物膜的吸附、降解作用去除污水中的有機(jī)物。當(dāng)生物膜生長到一定程度時(shí)，會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。加入聚丙烯酰胺可以使脫落的生物膜和懸浮顆粒凝聚成較大的絮體，便于沉淀分離，提高出水水質(zhì)。
（三）深度處理階段
經(jīng)過預(yù)處理和主體處理后，造紙污水中的大部分污染物已經(jīng)被去除，但出水水質(zhì)可能仍不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)或回用要求。因此，需要進(jìn)行深度處理，進(jìn)一步去除污水中的殘留污染物。在深度處理階段，聚丙烯酰胺可以用于過濾和吸附過程。例如，在砂濾池中，加入聚丙烯酰胺可以使污水中的細(xì)小顆粒和膠體物質(zhì)凝聚成較大的絮體，便于砂濾池的過濾去除；在活性炭吸附池中，聚丙烯酰胺可以提高活性炭對有機(jī)物的吸附效果，進(jìn)一步降低污水的 COD 和色度。
（四）污泥處理階段
造紙污水處理過程中會產(chǎn)生大量的污泥，這些污泥中含有大量的有機(jī)物、懸浮物和微生物等，需要進(jìn)行妥善處理。聚丙烯酰胺在污泥處理中主要用于污泥脫水，通過加入聚丙烯酰胺，可以使污泥中的水分更容易分離出來，提高污泥的脫水效率和泥餅的含固率。在污泥脫水過程中，通常先將污泥與聚丙烯酰胺溶液混合，使污泥中的顆粒凝聚成較大的絮體，然后通過機(jī)械脫水設(shè)備（如板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)等）進(jìn)行脫水處理，得到含水率較低的泥餅。
六、影響聚丙烯酰胺在造紙污水處理中應(yīng)用效果的因素
（一）聚丙烯酰胺的類型和分子量
不同類型的聚丙烯酰胺適用于不同性質(zhì)的造紙污水，選擇合適的聚丙烯酰胺類型是提高處理效果的關(guān)鍵。例如，對于帶負(fù)電荷的纖維和木質(zhì)素等污染物較多的污水，應(yīng)選擇陽離子型聚丙烯酰胺；對于帶正電荷的金屬離子等污染物較多的污水，應(yīng)選擇陰離子型聚丙烯酰胺。此外，聚丙烯酰胺的分子量也會影響其應(yīng)用效果。一般來說，分子量較高的聚丙烯酰胺具有更強(qiáng)的吸附架橋能力，但分子量過高可能會導(dǎo)致溶解困難和絮體破碎。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適分子量的聚丙烯酰胺產(chǎn)品。
（二）投加量
聚丙烯酰胺的投加量對處理效果有直接影響。投加量過少，絮凝反應(yīng)不充分，污染物去除率低；投加量過多，不僅會增加處理成本，還可能導(dǎo)致膠體顆粒重新穩(wěn)定，出現(xiàn) “再穩(wěn)” 現(xiàn)象，降低處理效果。因此，需要通過實(shí)驗(yàn)確定ZUI佳的投加量。在實(shí)際應(yīng)用中，聚丙烯酰胺的投加量一般在幾 mg/L 到幾十 mg/L 之間。
（三）污水的 pH 值
污水的 pH 值會影響聚丙烯酰胺的電離程度和分子形態(tài)，從而影響其絮凝效果。不同類型的聚丙烯酰胺在不同的 pH 值范圍內(nèi)具有ZUI佳的絮凝效果。例如，陽離子型聚丙烯酰胺在酸性和中性條件下絮凝效果較好，而陰離子型聚丙烯酰胺在中性和堿性條件下絮凝效果較好。因此，在處理造紙污水時(shí)，需要根據(jù)聚丙烯酰胺的類型和污水的性質(zhì)，調(diào)節(jié)污水的 pH 值至適宜范圍。
（四）攪拌強(qiáng)度和時(shí)間
攪拌強(qiáng)度和時(shí)間對聚丙烯酰胺的絮凝效果也有重要影響。在投加聚丙烯酰胺后，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢瑁顾巹┡c污水充分混合。攪拌強(qiáng)度過大或時(shí)間過長，會使形成的絮體被打碎，影響沉淀效果；攪拌強(qiáng)度過小或時(shí)間過短，藥劑與污水混合不均勻，反應(yīng)不充分，也會降低處理效果。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況合理控制攪拌強(qiáng)度和時(shí)間。
（五）溫度
溫度對聚丙烯酰胺的溶解速度和絮凝效果有一定的影響。一般來說，溫度升高可以加快聚丙烯酰胺的溶解速度，但溫度過高會導(dǎo)致聚丙烯酰胺降解，影響其性能。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度升高可以提高絮凝反應(yīng)的速度，但溫度過高也可能會使絮體變得松散，降低沉淀效果。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和污水處理工藝，選擇合適的溫度范圍。
七、聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的實(shí)際案例分析
（一）案例背景
某造紙廠主要生產(chǎn)文化用紙，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的造紙污水。污水的 COD 值為 3000 - 5000mg/L，BOD 值為 1000 - 1500mg/L，懸浮物含量為 1000 - 1500mg/L，色度為 500 - 800 倍，pH 值為 7 - 9。該廠原有的污水處理系統(tǒng)采用 “格柵 + 調(diào)節(jié)池 + 氣浮池 + 活性污泥法 + 二沉池” 的工藝，處理效果不佳，出水水質(zhì)無法達(dá)標(biāo)排放。為了解決這一問題，該廠決定對污水處理系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，在原有工藝的基礎(chǔ)上，優(yōu)化聚丙烯酰胺的使用方法和投加量。
（二）改造措施
優(yōu)化聚丙烯酰胺的類型選擇：通過對造紙污水的成分和性質(zhì)進(jìn)行分析，確定采用陽離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑。同時(shí)，根據(jù)污水的特點(diǎn)和處理要求，選擇了分子量為 1200 萬的陽離子型聚丙烯酰胺產(chǎn)品。
調(diào)整投加量：在預(yù)處理階段，將聚丙烯酰胺的投加量從原來的 10mg/L 調(diào)整為 15mg/L，與聚合氯化鋁配合使用；在污泥脫水階段，將聚丙烯酰胺的投加量從原來的 3kg/t 干污泥調(diào)整為 5kg/t 干污泥。
控制攪拌條件：在投加聚丙烯酰胺后，嚴(yán)格控制攪拌強(qiáng)度和時(shí)間。在預(yù)處理階段，攪拌強(qiáng)度為 100 - 150r/min，攪拌時(shí)間為 2 - 3min；在污泥脫水階段，攪拌強(qiáng)度為 50 - 80r/min，攪拌時(shí)間為 1 - 2min。
（三）處理效果
經(jīng)過改造后，該廠的造紙污水處理效果得到了顯著提高。出水的 COD 值降至 100mg/L 以下，BOD 值降至 20mg/L 以下，懸浮物含量降至 30mg/L 以下，色度降至 50 倍以下，pH 值穩(wěn)定在 7 - 8 之間，達(dá)到了國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，污泥的脫水效果也得到了明顯改善，泥餅的含固率從原來的 20% 提高到了 30% 以上，降低了污泥的處理成本。
（四）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
通過該案例可以看出，合理選擇聚丙烯酰胺的類型和分子量，優(yōu)化投加量和攪拌條件，能夠顯著提高聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的應(yīng)用效果。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)造紙污水的具體情況，進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，確定ZUI佳的處理方案，以實(shí)現(xiàn)污水處理的GAO效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)BAO。
八、聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的應(yīng)用前景展望
（一）綠色環(huán)BAO型聚丙烯酰胺的研發(fā)與應(yīng)用
隨著環(huán)BAO要求的日益嚴(yán)格，開發(fā)綠色環(huán)BAO型聚丙烯酰胺產(chǎn)品將成為未來的發(fā)展趨勢。研究人員將致力于開發(fā)可生物降解的聚丙烯酰胺產(chǎn)品，減少其對環(huán)境的污染；同時(shí)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)過程中的能耗和污染物排放，實(shí)現(xiàn)聚丙烯酰胺的綠色生產(chǎn)。這些綠色環(huán)BAO型聚丙烯酰胺產(chǎn)品在造紙污水處理中的應(yīng)用，將有助于減少二次污染，提高污水處理的可持續(xù)性。
（二）復(fù)合聚丙烯酰胺絮凝劑的應(yīng)用
將聚丙烯酰胺與其他材料進(jìn)行復(fù)合，制備出具有協(xié)同效應(yīng)的復(fù)合絮凝劑，是提高造紙污水處理效果的重要途徑。例如，將聚丙烯酰胺與天然高分子材料（如淀粉、殼聚糖等）復(fù)合，制備出的復(fù)合絮凝劑不僅具有良好的絮凝性能，還具有生物降解性和環(huán)境友好性；將聚丙烯酰胺與納米材料（如納米二氧化鈦、納米氧化鋅等）復(fù)合，制備出的復(fù)合絮凝劑具有更強(qiáng)的吸附性能和催化性能，能夠有效去除造紙污水中的有機(jī)物和色度。
（三）智能化控制技術(shù)的應(yīng)用
在造紙污水處理過程中，引入智能化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對聚丙烯酰胺投加量、攪拌強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制，將有助于提高污水處理的效率和穩(wěn)定性。通過建立數(shù)學(xué)模型和在線監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)污水的水質(zhì)變化自動(dòng)調(diào)整處理參數(shù)，確保聚丙烯酰胺在ZUI佳條件下發(fā)揮作用，從而提高污水處理效果，降低處理成本。
九、結(jié)論
聚丙烯酰胺作為一種重要的高分子絮凝劑，在造紙污水處理中發(fā)揮著不可替代的作用。通過吸附架橋、電中和等作用機(jī)理，聚丙烯酰胺能夠有效地去除造紙污水中的懸浮物、有機(jī)物、色度等污染物，提高出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和水資源的循環(huán)利用。然而，聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的應(yīng)用效果受到多種因素的影響，需要根據(jù)污水的性質(zhì)和處理要求，合理選擇聚丙烯酰胺的類型和分子量，優(yōu)化投加量和攪拌條件，以提高處理效果。隨著環(huán)BAO要求的不斷提高和技術(shù)的不斷進(jìn)步，聚丙烯酰胺在造紙污水處理中的應(yīng)用前景將更加廣闊，綠色環(huán)BAO型聚丙烯酰胺、復(fù)合聚丙烯酰胺絮凝劑以及智能化控制技術(shù)的應(yīng)用將為造紙污水處理技術(shù)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
