聚合硫酸鐵混凝法處理三聚氰胺廢水的研究

楊翔宇，孫二軍，嚴曉飛，徐琳琳

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

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聚合硫酸鐵混凝法處理三聚氰胺廢水的研究

楊翔宇，孫二軍，嚴曉飛，徐琳琳

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

本文以聚合硫酸鐵(Polyferric Sulfate，PFS)作為混凝劑，對模擬三聚氰胺廢水進行混凝處理。研究中以總有機碳(Total Organic Carbon，TOC)作為評價指標，對混凝法處理三聚氰胺廢水的效果進行評價。通過單因子水平實驗可知：攪拌時間、溶液pH值、混凝劑用量、助凝劑的選擇及原水濃度是影響混凝處理效果的重要因素。實驗獲得最佳工藝參數(shù)為：混凝劑PFS用量為8 mL，pH值為8，攪拌時間為90 s，原水濃度為200 mg/L。在最佳處理條件下，TOC的去除率可達20%以上。

三聚氰胺；混凝；廢水處理

三聚氰胺是一種純白色單斜棱晶體，不可燃，低毒，無味，密度1.573 g/cm3(16 ℃)。常壓熔點為354 ℃，急劇加熱會分解；快速加熱升華，升華溫度300 ℃。在水中溶解度隨溫度升高而增大，在20 ℃時約為3.3 g/L，溶于熱水，微溶于冷水，極微溶于熱乙醇。不溶于苯、醚和四氯化碳，可溶于甲醇、甘油、乙酸、熱乙二醇、甲醛、吡啶等。

三聚氰胺呈弱堿性，與鹽酸、硫酸、硝酸、乙酸、草酸等能形成三聚氰胺鹽。在中性或微堿性情況下，與甲醛縮合形成各種羥甲基三聚氰胺，但在微酸性中(pH值5.5～6.5)與羥甲基的衍生物進行縮聚反應(yīng)生成樹脂產(chǎn)物。遇強酸或強堿水溶液水解，胺基逐步被羥基取代，先生成三聚氰酸二酰胺，進一步水解生成三聚氰酸一酰胺，最后生成三聚氰酸。

三聚氰胺是一種重要的氮雜環(huán)有機化工原料，由于其較強的黏性，如果不慎進入人體內(nèi)，將導(dǎo)致在體內(nèi)形成草酸、鞣酸及鈣等物質(zhì)，并沉積在泌尿系統(tǒng)中。長期服用過量含三聚氰胺的食品就很容易形成結(jié)石，甚至導(dǎo)致膀胱癌[1]。大人因為代謝系統(tǒng)能力比較強，耐受量高，所以受影響的幾率相對較小。而嬰幼兒代謝能力弱，所以食用就會對身體造成危害甚至威脅生命安全。

三聚氰胺廢水主要來自生產(chǎn)三聚氰胺裝置中的沖洗水、循環(huán)水的排污及一部分未回收的設(shè)備冷卻水。廢水被收集到廢水池中，經(jīng)測試合格后排放到污水系統(tǒng)。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水中主要含有少量的三聚氰胺、羥基酰胺類物質(zhì)的飽和溶液和高濃度的氨氮[2-3]。

1 實驗試劑與儀器

1.1 實驗試劑

聚合硫酸鐵(AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；三聚氰胺(AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；氫氧化鈉(AR，北京化學(xué)試劑三廠)；氫氧化鈣(AR，北京化學(xué)試劑三廠)；硅藻土(AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 實驗儀器

總有機碳測定儀(TOC-VCPN，日本島津)；電子天平(FA1604，上海雷韻試驗儀器制造有限公司)；恒溫磁力攪拌機(79-3，上海思樂自動化科技有限公司)。

2 實驗方法

2.1 混凝劑的配制

使用電子天平稱取10 g聚合硫酸鐵，溶于100 ml的蒸餾水中，配制成1∶10的聚合硫酸鐵溶液。

2.2 混凝實驗

取50 mL已知濃度的三聚氰胺模擬廢水于50 mL燒杯中，視實驗所需加入助凝劑，調(diào)節(jié)至所需pH值，加入一定量的PFS混凝劑，攪拌至所需時間，靜置澄清后，取上清液測定其TOC值。

2.3 TOC分析測試

通過單因子水平實驗，使用TOC測試儀進行分析測試，測定水樣中總有機碳的含量。以TOC作為評價指標，研究混凝劑用量、溶液pH值、攪拌時間、助凝劑的選擇和廢水濃度等因素對TOC去除率的影響，優(yōu)化反應(yīng)條件，證實PFS去除三聚氰胺的有效性，獲得最佳的工藝參數(shù)。

TOC測試原理：水樣分別被注入高溫燃燒管(900 ℃)和低溫反應(yīng)管(150 ℃)中。經(jīng)高溫燃燒管的水樣受高溫催化氧化，使有機化合物和無機碳酸鹽均轉(zhuǎn)化成為二氧化碳。經(jīng)反應(yīng)管的水樣加入體積分數(shù)為1.5%的酸，使無機碳酸鹽分解成為二氧化碳，所生成的二氧化碳依次導(dǎo)入非分散紅外檢測器，由于一定波長的紅外線被CO2選擇吸收，在一定濃度范圍內(nèi)CO2對紅外線吸收的強度與CO2的濃度成正比，故可對水樣總碳(TC)和無機碳(IC)進行定量測定[4]。總碳與無機碳之差值，即為總有機碳(TOC)，TOC=TC-IC

測定步驟如下：

(1)打開氧氣鋼瓶，調(diào)整出口壓力為200 kPa，調(diào)節(jié)TOC氧氣進口壓力為200 kPa；氧氣流量計100 mL/min。打開電腦和TOC測試儀。

(2)打開操作系統(tǒng)。

(3)單擊“NEW”建立一個新的操作界面。

(4)單擊“connect”將計算機與TOC測定儀進行聯(lián)機。

(5)使燃燒管溫度升高至680 ℃。

(6)單擊“Insert”插入標準曲線(樣品)，編輯測定方法。

(7)將進樣管插入樣品液面下，單擊“Start”，按計算機程序設(shè)置的順序進行設(shè)定。

(8)經(jīng)TOC測試儀測定后，電腦中自動顯示出所測樣品中TC、IC、TOC值，重復(fù)測試三次取平均值。

(9)計算所測樣品TOC的去除率。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 單因子最優(yōu)水平的選擇

3.1.1 混凝劑用量對TOC去除率的影響

取50 mL 100 mg/L的三聚氰胺模擬廢水于50 mL燒杯中，調(diào)節(jié)至所需pH為8，分別加入一定體積的濃度為1∶10的PFS混凝劑(0.5 mL、1 mL、2 mL、3 mL、 4 mL、 6 mL、8 mL、10 mL)，攪拌時間30 s，靜置至礬花體積為整個溶液體積一半時，取上清液測定其TOC值。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 PFS用量對TOC去除率的影響

由圖1可知，隨著PFS用量的增加，TOC去除率呈現(xiàn)著先升高后降低的趨勢。由于膠體在混凝時存在著一個脫穩(wěn)的過程，當PFS用量較少時，膠體脫穩(wěn)不完全，此時TOC的去除率較低。當PFS用量過多時，產(chǎn)生了多余的正電荷，膠體之間相互排斥，去除效果逐漸變差。當PFS用量為8 mL時，TOC去除率達到最大值，為21.04%。實驗結(jié)果證實，當PFS用量為8 mL時為最優(yōu)化條件。

3.1.2 pH值對TOC去除率的影響

取50 mL 100 mg/L的三聚氰胺模擬廢水于50 mL燒杯中，分別調(diào)節(jié)pH至7、8、9、10、11、12，加入濃度為1∶10的8 mL PFS混凝劑，攪拌時間30 s，靜置至礬花體積為整個溶液體積一半時，取上清液測定其TOC值。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 溶液pH值對TOC去除率的影響

由圖2可知，隨著溶液pH值的增加，溶液中TOC的去除率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。溶液的pH值直接影響著PFS的最優(yōu)形態(tài)。當溶液的pH值較低時，PFS沒有完全水解，此時溶液中TOC的去除率較低。當溶液中pH值過高時，會抑制PFS的水解程度，降低TOC去除率。在本實驗中，當溶液的pH值為8時，PFS為最優(yōu)形態(tài)，此時最高的去除率為25.12%。實驗結(jié)果證實，當溶液pH值為8時為最優(yōu)化條件。

3.1.3 攪拌時間對TOC去除率的影響。

取50 mL 100 mg/L的三聚氰胺模擬廢水于50 mL燒杯中，調(diào)節(jié)至所需pH為8，分別加入濃度為1∶10的8mL PFS混凝劑，分別攪拌至所需時間(30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s)，靜置至礬花體積為整個溶液體積一半時，取上清液測TOC值。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 攪拌時間對TOC去除率的影響

由圖3可知，隨著攪拌時間的增加，TOC的去除率呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。當攪拌時間較短時，PFS在溶液中沒有完全混合，所以此時的去除率較低，當攪拌時間過長時，沉降下來的絮體被打碎，降低了TOC的去除率。90 s為最佳攪拌時間，此時達到最大去除率為23.09%。實驗結(jié)果證實，攪拌時間為90 s時為最優(yōu)化條件。

3.1.4 原水濃度對TOC去除率的影響

分別取50 mL已知濃度(100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L)的三聚氰胺模擬廢水于50 mL燒杯中，調(diào)節(jié)至所需pH為8，分別加入濃度為1∶10的8mL PFS混凝劑，攪拌至所需時間90 s，靜置至礬花體積為整個溶液體積一半時，取上清液測定其TOC值。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 原水濃度對TOC去除率的影響

由表1可知，隨著原水濃度的增加，TOC去除率先升高后下降，而TOC的去除量不斷增加。該數(shù)據(jù)表明，PFS用量為8 ml時不足以使高濃度廢水中的微粒沉降。在本實驗所研究的范圍內(nèi)，適合處理原水濃度為200 mg/L的廢水溶液，去除率可達23.80%。

3.1.5 助凝劑對TOC去除率的影響

取兩份50 mL 200 mg/L的三聚氰胺模擬廢水于50 mL燒杯中，分別采用NaOH溶液和Ca(OH)2溶液調(diào)節(jié)至所需pH為8，加入濃度為1∶10的8 mL PFS混凝劑，攪拌至所需時間90 s，靜置至礬花體積為整個溶液體積一半時，取上清液測定其TOC值。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同助凝劑對TOC去除率的影響

從表2可以看出，在最優(yōu)化的實驗條件下，助凝劑的選擇對TOC的去除率有著重要的影響，溶液中污染物的性質(zhì)影響著助凝劑的選擇，在本實驗范圍內(nèi)選擇NaOH為助凝劑，TOC去除率可達23.80%。

3.1.6 硅藻土對TOC去除率的影響

取兩份50 mL 200 mg/L的三聚氰胺模擬廢水于50 mL燒杯中，調(diào)節(jié)至所需pH為8，分別加入濃度為1∶10的8 mL PFS混凝劑，向其中一份加入1 g的硅藻土，另一份不加入，分別攪拌至所需時間90 s,靜置至礬花體積為整個溶液體積一半時，取上清液測定其TOC值。實驗結(jié)果如表3所示。

表3 硅藻土對TOC去除率的影響

從表3可以看出，在最優(yōu)化的條件下，硅藻土對TOC的去除率有著重要的影響，加入硅藻土的廢水溶液中，TOC的去除率可達26.80%。該數(shù)據(jù)說明：硅藻土可以提高廢水溶液中TOC的去除率。

3.2 最優(yōu)條件下處理三聚氰胺廢水的實驗結(jié)果

通過以上一系列利用混凝原理進行的實驗，以TOC作為評價指標，對混凝法處理三聚氰胺廢水的效果進行評價。從混凝劑的用量、溶液pH值、攪拌時間、助凝劑的選擇等方面進行了探究，得到了最佳的工藝參數(shù)。即選定NaOH作為助凝劑，混凝劑PFS用量為8 mL，溶液的pH為8，攪拌時間為90 s的條件下，處理原水濃度約為200 mg/L的三聚氰胺廢水溶液，溶液的TOC去除率可達26.80%。

從實驗的處理效果看，聚合硫酸鐵混凝法處理三聚氰胺廢水是可行的。

4 結(jié)論

本文用PFS作為混凝劑處理三聚氰胺廢水，能達到較好的處理效果。通過比較不同條件下的混凝處理效果，選擇了最佳混凝條件：NaOH作為助凝劑、混凝劑的最佳用量為8 mL、溶液的最佳pH值為8、攪拌時間為90 s、原水濃度為200 mg/L，TOC的去除率可以達到20%以上，初步證實了混凝法處理三聚氰胺廢水的有效性。

[1]杜欣,辛海會,沈思駿,等.三聚氰胺及其在防火工程中的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2009(12):39-40.

[2]高霄,李小鵬.高效液相色譜儀測定乳制品中三聚氰胺的含量[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2011(12):34-35.

[3]趙明,王軍波.三聚氰胺的毒性及其對人體健康的影響[J].中國食物與營養(yǎng),2009(4):7-10.

[4]李俊.總有機碳(TOC)測量不確定度的評定[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2013(9):143-144.

Coagulation of Melamine Wasterwater by PFS

YANG Xiang-yu,SUN Er-jun,YAN Xiao-fei,XU Lin-lin

(Faculty of Chemistry，Changchun Normal University,Changchun Jilin 130032,China)

Polyferric Sulfate was used as a congulant in the treatment of melamine wastewater. TOC of the treated samples were tested to evaluate the optimizing process. Single-factor experiment illustrated that flocculation can be influenced by mixing time, pH, coagulant dosoge, coagulation aids and the melamine concentration of raw wastewater. The best treatment parameters are generated:[PFS]=8ml, pH=8, mixing time=90 s, [melamine]=200 mg/L,and more than 20% potion of TOC can be removed.

melamine；coagulant；wastewater treatment

2016-10-14

楊翔宇(1983- )，男，講師，碩士，從事水污染控制理論與技術(shù)研究。

X703

A

2095-7602(2016)12-0063-05