聚合磷硫酸鐵廢水處理試驗及其影響因素研究

柯鵬振，劉 雄，馬先鋒，康得軍

（1.湖北省生態環境監測中心站，湖北 武漢 430070；2.福州大學土木工程學院，福建 福州 350108）

0 引言

作為一種復合無機分子絮凝劑，PFPS具備顯著的高分子特點。國內學者以化工廠生產的鈦白粉副產品FeSO4·7H2O作為PFPS的合成原料，國外學者將硫酸鐵、磷酸鈉作為PFPS的合成原料，并開展絮凝性能試驗。研究結果表明，PFPS可提升聚合硫酸鐵（polyferric sulfate,PFS）的增聚作用，使用期間可實現廢水處理沉降速度的提升，提高pH，提升化學需氧量（chemical oxygen demand,COD）與污濁去除能力[1]。工業生產一般使用濕式廢水處理工藝，其在生產階段會產生大量廢水，廢水來源包括機爐車間的生產污水、輸煤系統噴淋除塵污水、生產石青沖洗水、石青脫水等。與其他工業廢水相似，廢水內的元素污染性較強，廢水水質較為特殊，懸浮物濃度較高，廢水內的無機物超高，氟離子含量超標，重金屬超標。

1 試驗

1.1 主要儀器設備

（1）分光光度計：由上海光譜儀器有限公司生產和提供，型號為721E。

（2）酸度計：由金壇市科興儀器廠生產和提供，型號為pHs-3C。

（3）電動攪拌器：由常州國華電器有限公司生產和提供，型號為JJ-1/200 W。

1.2 主要試劑

（1）PFPS：將鈦白粉內的FeSO4·7H2O副產品作為制備原料，溶液濃度控制在0.01 mol/L。

（2）鎳標準儲備液：分析純硫酸鎳稱取1.238 g，將其溶于（1+0）硝酸內，將濃度為1%的硝酸定容為500 mL，并將其搖勻，保存在塑料瓶內，試驗溶液質量濃度為0.5 mg/L。

（3）鎳標準使用液：取5.0 mL的鎳標準儲備液，放置在250 mL容量瓶內，并使用去離子水定容，充分搖勻。10.0 fg/mL鎳液、50 g/L檸檬酸三鈉溶液、100 g/L氫氧化鈉溶液、50 g/L磷酸鈉溶液、40 g/L過硫酸鉀溶液、10 g/L丁二酮肟酒精溶液均為分析純。

1.3 鎳標準曲線

取得鎳標準使用液0 mL、0.25 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.50 mL、5.00 mL、7.50 mL、10.00 mL，依次放入500 mL容量瓶內，然后依次加入2.5 mL的50 g/L檸檬酸三鈉溶液、1.5 mL的100 g/L氫氧化鈉溶液、50 g的1 mL磷酸鈉溶液、2 mL的10 g/L丁二酮肟酒精溶液、2 mL的40 g/L過硫酸鉀溶液、5 mL濃氨水，在定容蒸餾水之后，充分搖勻。靜置20 min之后，選擇1 cm比色皿，在467 mm波長位置實施試劑空白對照，此階段不增添丁二酮肟，其他步驟和參數與上述實驗相同，測定吸光度[2]。以A吸光度為縱坐標，Ni+質量濃度為橫坐標，進行曲線繪制，獲得的線性方程為y=0.0045x+0.0289，R2=0.9991。

1.4 試驗步驟

用1 mL移液管移取含鎳水樣p（Ni2+=10 mg/mL）到500 mL燒杯內，調節選取緩沖液的pH，定量PFPS，電動攪拌之后靜置，提取1.0 mL上層清液，放置在500 mL容量瓶內，對鎳質量濃度進行分析，并開展空白試驗。

2 結果

2.1 污水處理試驗

實驗將濁度為7610 NTU的高嶺土加水配制為除濁污水，生活污水為1095 mg/L除COD污水，投加30 mg/L的PFPS絮凝劑與PFS絮凝劑，采用燒杯攪拌的方式，當pH=6～8時，快速攪拌，以150 r/min的速度攪拌2 min后切換為緩慢攪拌，以50 r/min的速度攪拌8 min，靜置15min之后取其清液。由實驗結果可知，在除濁、除COD、脫色等方面，PFPS優于PFS；在礬花形成速度、沉降速度方面，PFPS更佳，如表1所示。

表1 污水處理試驗統計

2.2 pH對PFPS處理含鎳廢水的影響

用緩沖溶液調節pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，分別加入0.01 mL PFPS，電動攪拌10 min后靜置60 min，分析不同pH下的鎳去除率，如圖1所示。

圖1 pH對PFPS處理含鎳廢水影響曲線

由圖1可知，pH增加會導致鎳去除率增加，但如果pH過高，則會影響鎳去除率。主要原因為Fe與OH-的結合已經處于飽和狀態。Fe有3種形態，隨著聚物Fe（b）含量減少，溶液內的Fe多以Fe（c）存在，在絮凝中聚物Fe（b）占據著主導地位。當pH=7時，鎳離子表面電荷會與絮凝劑PFPS水解產物聚合，生成Fe（b），具有強烈的電中和、橋鏈聚合作用，可以實現絮凝效果[3]。不少研究結果表明，pH=6～9時，廢水清除率最佳，本實驗結果也證實了這一實驗結論。

2.3 PFPS加入量對處理含鎳廢水的影響

分 別 取0.02 mL、0.04 mL、0.05 mL、0.06 mL、0.08 mL、1.00 mL的PFPS放置在不同燒杯內，調節pH為7，電動攪拌10 min之后，靜置60 min，對PFPS含量與鎳廢水鎳去除率的關系進行探究。PFPS用量對處理含鎳廢水的影響如圖2所示。

圖2 PFPS用量對處理含鎳廢水的影響

由圖2數據可知，隨著PFPS用量不斷增加，鎳去除率也不斷加大，PFPS增加會促進電中和及吸附能力提高。高價陰離子PO43-與Fe3+的親和力較強，可加速鐵中聚物Fe（b）的生成。但如果PFPS過量，則水內的游離高價陰離子PO43-會排斥帶負電荷膠體，對其沉淀、去除率產生影響。由圖2的數據可知，69.31 mg為PFPS的最佳使用量。

2.4 攪拌時間對PFPS處理含鎳廢水的影響

依次將69.31 mg PFPS加入5個燒杯，調節pH數值，將數值控制在7左右即可。5個燒杯分別電動攪拌2 min、5 min、10 min、15 min、20 min，攪拌后均靜置60 min，所得不同攪拌時間對鎳去除率的影響如圖3所示。

圖3 攪拌時間對PFPS處理含鎳廢水的影響

由圖3可知，延長攪拌時間可以提高鎳去除率，但是長時間攪拌會對鎳去除率產生影響。主要是因為攪拌過程會促使絮凝劑PFPS均勻分布，加劇鎳離子與其他污染物顆粒、絮凝劑顆粒的碰撞，加速它們之間的黏合，進而形成絮凝體，加速沉降，提升絮凝。需要注意的是，若攪拌時間特別長，會導致絮凝體顆粒損壞，分散于溶液內，進而影響去除率。由圖3數據可知，10 min為最佳攪拌時間。

2.5 靜置時間對PFPS處理含鎳廢水的影響

取6只燒杯，依次加入69.31 mg PFPS，將pH數值調節為7，電動攪拌10 min之后，6只燒杯分別靜置30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min。靜置時間與鎳去除率之間的關系如圖4所示。

由圖4得知，通過延長靜置時間，可以增加鎳去除率，但如果靜置時間超過60 min，去除率降低。原因在于最初溶液內可能含有Fe（a）元素，且占比較大，隨著靜置時間延長，元素逐步合成為聚物Fe（b），該物質含量的增加會使鎳去除率不斷上升[4]。靜置60 min后，Fe（c）含量會增加，解聚PFPS，減小聚合度，也會使原本沉降的溴離子污染物顆粒盡快回到溶液內，減小鎳去除率。由圖4數據可知，60 min為最佳靜置時間。

3 結語

目前常用的廢水處理方法為絮凝沉淀法，這一方法經濟、便捷。通過在廢水內加大絮凝劑的用量，促使廢水攜帶反電荷雜質，并促使微粒向膠體轉變，增加帶異性電荷微粒作用，以此將膠狀物轉變為中微粒，且不帶電，進而影響原子的穩定性。借助分子引力的作用，可促使大顆粒聚集，加速沉降，進而實現固、液的有效分離。

本文污水處理實驗結果表明，PFPS的凈水效果優于PFS的凈水效果；當pH=6～8時，在COD和濁度去除率上，PFPS高于PFS；在污水處理上，礬花與沉降速度更佳。PFPS作為絮凝劑，在鎳廢水處理上的應用價值更高。若鎳廢水濃度低，能夠實現鎳元素的全部去除；對于高濃度的含鎳廢水，也可實現100.0%鎳元素的去除。由實驗可知，對于10 mg/mL的鎳廢水，PFPS處理的最佳條件是pH為7，PFPS使用量為69.31 mg，持續攪拌時間為10 min，靜置時間為60 min。