高鐵酸鹽溶液處理生活污水的試驗研究

張彥平，李 靜，李一兵，李 娟

（河北工業大學 土木工程學院，天津 300401）

高鐵酸鹽作為一種新型、高效、多功能的綠色水處理藥劑，集氧化、吸附、絮凝、助凝、殺菌、除臭等于一體[1]，能有效去除水中細菌、藻類、有機物、無機物、重金屬等污染物質[2-4]，其還原產物為Fe(OH)3，不引起二次環境污染，因此在水處理領域得到研究者的廣泛關注.但由于高鐵酸鹽固體制備過程復雜，生產成本昂貴，需要大量使用對人體和環境有害的有機溶劑，并且Fe(VI)穩定性差，導致其制備產率低，不便于貯存，從而限制了高鐵酸鹽的應用[5-6].本文作者通過前期研究制備出穩定的高鐵酸鹽溶液[7]，由于不需要進行高鐵酸鉀固體提純，因此簡化了制備工藝，降低了制備成本.目前，國內外有關高鐵酸鹽水處理效能的研究主要集中在飲用水方面及工業廢水處理方面，如高鐵酸鹽預氧化除酚、除藻；強化低溫低濁混凝；以及印染廢水、焦化廢水脫色處理等，在生活污水處理方面的研究較少.本研究以生活污水為研究對象，考察高鐵酸鹽溶液在污水的強化處理及深度處理中的應用性能.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中使用的氯化鐵為分析純（天津），高鐵酸鹽溶液為實驗室自制，試驗過程中藥劑的投加量均以Fe計.其他所用化學藥品均為國產分析純.

生活污水取自河北工業大學某生活小區，具體水質指標見表1.

表1 原水水質Tab.1 Characteristicsof sourcewater

1.2 檢測方法

混凝試驗采用MY3000-6J智能型混凝攪拌儀（湖北潛江）；pH值采用梅特勒-托利多Delta320 pH計（上海）測定；濁度采用A14型濁度儀（無錫）測定；COD采用美國HACH公司CODcr反應器測定.TP和NH4+-N參照水和廢水監測分析方法，分別采用鉬酸銨分光光度法和納氏試劑法測定.

1.3 試驗方法

試驗對比了高鐵酸鹽溶液和氯化鐵對生活污水的處理效果.試驗時分別取1 000 m L生活污水置于6個燒杯中，然后置于混凝攪拌儀上，投加一定量藥劑，然后以300 r m in1快速攪拌1 m in，以50 r min1慢速攪拌15min，靜沉30m in，取水樣測濁度、COD、NH4+-N、TP.

2 結果與討論

2.1 高鐵酸鹽溶液對濁度的去除效果

試驗研究了高鐵酸鹽溶液對濁度的去除效果，并與氯化鐵進行了比較，試驗結果見圖1.由圖1可見，高鐵酸鹽溶液對濁度具有較好的去除效果，并且對濁度的去除效果優于FeCl3.隨著高鐵酸鹽投藥量的增加，濁度去除率增加.當時，出水濁度為11.5NTU，對應的去除率為84.5%.此時，經氯化鐵處理的污水出水濁度為21.5NTU，對應去除率為71%.隨著Fe(VI)投加量的進一步增加，濁度去除率基本不變.在Fe投加量為時，FeCl3對濁度的去除率為83.1%，該值與時高鐵酸鹽溶液對濁度的去除效果相差不大.而此時 FeCl3用量是高鐵酸鹽溶液用量的2.5倍.這是由于生活污水中存在的大量有機物會降低混凝處理效果，增大混凝劑的用量，而高鐵酸鹽溶液集氧化與混凝與一體，其強氧化性能破壞水中膠體的穩定性，提高混凝效果，并且其水解產物Fe(OH)3對水中懸浮物具有良好絮凝沉降作用，因此其對濁度的去除率高于單獨混凝劑氯化鐵，并且在達到相同處理效果的情況下，其用量較少.

2.2 高鐵酸鹽溶液對COD的去除效果

高鐵酸鹽溶液對水中有機物質的去除效果見圖2.從圖2可以看出，高鐵酸鹽溶液對COD的去除效果高于FeCl3，當Fe投加量為2.8mg L1時，Fe(VI)和Fe(III)對COD的去除率分別為52.9%和39.5%.此后，隨著鐵鹽投加量的增加，對COD的去除率均增加.在Fe投加量為14.1mg L1時，Fe(VI)和Fe(III)對COD的去除率分別為61.5%和56.5%.由于生活污水中的有機物一部分以膠體和懸浮物的形式存在，另一部分以溶解形式存在.單獨的混凝作用只對以膠體和懸浮物形式存在的COD起作用，而對溶解性COD去除效果較差.而高鐵酸鹽溶液既有氧化作用又有混凝作用，當其投加到水中之后，Fe(VI)及其溶液中殘留的氧化劑 ClO能迅速的與水中有機物作用，將大分子有機物氧化為小分子有機物，甚至完全礦化；并且由于高鐵酸鹽溶液的預氧化作用，破壞了水中膠體離子的穩定性，因而進一步促進了混凝階段對有機物的去除.但是，在相同藥劑投加量條件下，高鐵酸鹽對COD的去除率比Fe(III)對COD的去除率僅高出5%～18%.該結果說明，高鐵酸鹽對COD的去除主要依靠新生成的Fe(OH)3的多相絮凝功能，其強氧化性起輔助作用，這與苗宗成[8]等研究結果一致.

圖1 高鐵酸鹽對濁度的去除效果Fig.1 Treatmenteffectof turbidity w ith ferrate

圖2 高鐵酸鹽對COD的去除效果Fig.2 Treatmenteffectof COD w ith ferrate

2.3 高鐵酸鹽溶液對的去除效果

圖3 為高鐵酸鹽溶液對生活污水中NH4+-N的去除效果.由圖3可見，單獨FeCl3混凝對污水中氨氮有一定去除，但去除效果較差，去除率僅為3%左右，這是由于在絮凝沉降過程中，部分氨氮吸附在絮體上共沉而被去除.高鐵酸鹽溶液對氨氮的去除率略高于FeCl3，氨氮的去除率在5%至7.7%之間，并且隨著投藥量的增加，對氨氮的去除率略有下降.該結果與羅志勇[9]等研究的高鐵酸鉀對氨氮的去除率能達到70%的研究結果不同.這一現象可以從兩個方面解釋：一方面高鐵酸鹽能與水中的含氮有機物反應，致使一部分有機氮向無機氮轉化，因為一般高鐵酸鹽與無機化合氮的反應速率常數為0.17L mol1s1，而與含氮有機物的反應速率常數數量級為102～103L mol1s1[10]，這一作用可使水中氨氮含量增加；另一方面，高鐵酸鹽及其溶液中殘留的氧化劑ClO能與氨氮作用，導致水中氨氮含量降低，并且部分氨氮能被高鐵酸鹽的水解產物Fe(OH)3絮凝沉淀去除.當后者的作用大于前者時，表現為對氨氮的去除作用.隨著高鐵酸鹽溶液投加量的增加，其與污水中含氮有機物的氧化作用越強，從而導致對生活污水中氨氮的去除率降低.

圖3 高鐵酸鹽對NH4+-N的去除效果Fig.3 Treatmenteffectof NH4+-N with ferrate

2.4 高鐵酸鹽溶液對TP的去除效果

高鐵酸鹽溶液對生活污水中TP的去除效果見圖4.由圖4可見，高鐵酸鹽溶液對總磷的去除效果較好，并且對TP的去除率高于FeCl3.當鐵鹽投加量為1.4mg L1時，高鐵酸鹽溶液和FeCl3對TP的去除率分別為58.6%和17.4%，隨著鐵鹽投加量的增加，TP的去除率均增加，當鐵鹽投加量為14.1mg L1，兩者對TP的去除率分別為86.5%和85.6%.由于污水當中的磷分為正磷、聚磷和有機磷，其中正磷和聚磷為溶解性的，可與金屬鹽作用形成金屬鹽沉淀去除；有機磷大多為顆粒性的，可經過絮凝沉淀去除.在鐵鹽投加量相同的條件下，一方面，高鐵酸鹽溶液的強氧化性能改變水中膠體離子的穩定性，增強混凝效果；另一方面，高鐵酸鹽與水中還原性物質反應后能生成新生態的水合氧化鐵，而新生態的水合氧化鐵粒徑非常小，在10～100nm之間，具有很好的吸附性能[11]，從而使得其在投藥量較低時對 TP的去除效果明顯優于FeCl3.隨著投藥量的增加，鐵鹽水解產物增加，絮凝吸附作用增強，使得兩者對TP的去除效果相差不多.

圖4 高鐵酸鹽溶液對TP的去除效果Fig.4 Treatmenteffectof TPw ith ferrate

3 結論

高鐵酸鹽溶液對生活污水具有較好的處理效果，其對生活污水的濁度、COD、氨氮和總磷的去除率分別為84.5%、61.5%、7.7%和86.5%，均優于單獨鐵鹽混凝劑，其在生活污水化學強化一級處理及污水深度處理領域具有廣闊的應用前景.

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