聚硅酸硫酸鐵絮凝劑預(yù)處理高濃度化工廢水的試驗(yàn)研究

王磊

（滄州渤海新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，河北滄州 061113）

聚硅酸硫酸鐵絮凝劑預(yù)處理高濃度化工廢水的試驗(yàn)研究

王磊

（滄州渤海新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，河北滄州 061113）

采用聚硅酸硫酸鐵作為絮凝劑對高濃度化工廢水進(jìn)行預(yù)處理，分析絮凝劑投加量、水樣pH值、沉降時間對水樣COD消除率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳預(yù)處理條件為絮凝劑投加量為4.0 ml/L，水樣pH為9.0，沉降時間為80 min，廢水水樣COD消除率可達(dá)22.21 %。因此，聚硅酸硫酸鐵絮凝劑預(yù)處理高濃度化工廢水效果明顯，對于化工廢水深度處理達(dá)標(biāo)排放和回用具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。

化工廢水；預(yù)處理；聚硅酸硫酸鐵；COD消除率

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部2014年發(fā)布的《全國地表水環(huán)境質(zhì)量狀況》，長江等七大水系水質(zhì)不斷惡化，約有50 %的地表水受到不同程度的污染，不適合作為飲用水水源，其中約25 %的地表水污染嚴(yán)重，赤潮和富氧化現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。水污染問題已成為我國一個亟待解決的難題，嚴(yán)重影響著人們的日常生活和限制著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)環(huán)保部門統(tǒng)計，化工生產(chǎn)污水排放量約占工業(yè)污水總排放量的10 %。由于其有機(jī)污染物濃度高、成分復(fù)雜、環(huán)境危害大等特點(diǎn)，化工廢水的深度處理和回用已成為改善水污染的關(guān)鍵［1］。廢水深度凈化和再生回用及循環(huán)的關(guān)鍵是提高處理效率和降低技術(shù)成本，單純的物化方法或生物方法處理高濃度化工廢水效果較差，而多種處理方法聯(lián)合雖能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，但技術(shù)成本卻升高很多。因此，探索高濃度化工廢水的預(yù)處理方法，降低深度處理成本對于水資源的保護(hù)具有重要意義。

1　化學(xué)絮凝法預(yù)處理化工廢水的機(jī)理簡介

1.1聚硫酸鐵絮凝機(jī)理

聚硫酸鐵是一種高效的無機(jī)高分子絮凝劑，具有絮凝速度快，吸附能力強(qiáng)，沉降速度快等特點(diǎn)，對水樣中COD、懸浮物及色度的消除率十分明顯。聚硫酸鐵成分可用［ Fe （ OH ）n（ SO4）3-n/2］m表示，其水溶液絮體中含有［Fe2（ OH ）4］2+、［ Fe （ H2O ）6］3+、［ Fe8（ OH ）20］4+等多核絡(luò)合離子，具有較強(qiáng)的中和懸浮顆粒電荷能力，吸附能力很強(qiáng)。將其水溶液加入到廢水中可產(chǎn)生壓縮雙電層使懸浮微粒失去穩(wěn)定性，相互凝聚形成絮凝體。當(dāng)絮凝體增長到一定體積后，在重力的作用下從水相中脫離，從而去除廢水中的大量懸浮物，達(dá)到處理廢水的效果［2］?；瘜W(xué)絮凝法在化工廢水處理中，一般與氣浮或沉降聯(lián)用，不僅能夠降低廢水的濁度、色度，而且可以除去多種高分子物質(zhì)、有機(jī)物及重金屬離子，常用作生化處理和氧化處理的預(yù)處理或深度處理。

1.2聚硫酸鐵絮凝劑改性

為提高絮凝劑的絮凝效果，研究者通過加入不同的基團(tuán)或元素對絮凝劑進(jìn)行改性，改變絮凝劑的聚合度和形態(tài)來提高絮凝劑的吸附能力。聚硅酸硫酸鐵絮凝劑是在硫酸鐵溶液的基礎(chǔ)上加入少量的硅酸鈉改性劑，使硅酸根離子取代硫酸鐵分子簇網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的部分硫酸根離子，從而極大的提高硫酸鐵絮凝劑的聚合度，提高絮凝劑的絮凝效果［3］。一般認(rèn)為，聚硅酸硫酸鐵絮體需在偏堿性條件下才能有效形成，而在一定的堿度下，隨著Fe/Si的摩爾比的增加，聚硅酸硫酸鐵絮體的形態(tài)和帶電性質(zhì)會發(fā)生改變，高聚體數(shù)量減少，吸附能力降低［4］。因此，F(xiàn)e/Si摩爾比和待處理水樣的pH值是硅酸鈉改性聚硫酸鐵提高絮凝效果的關(guān)鍵。

2　實(shí)驗(yàn)水質(zhì)分析及絮凝劑配制

2.1實(shí)驗(yàn)水質(zhì)分析

本研究水樣選自河北省某大型化工企業(yè)未經(jīng)生化處理的生產(chǎn)廢水，水質(zhì)特征分析均采用國家標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 8978—1996進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果詳見表1。

表1　廢水水質(zhì)特征分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of wastewater quality characteristics

2.2絮凝劑的配制

稱取8.0 g分析純硫酸鐵溶于200 mL蒸餾水中，微熱使其完全溶解，制成0.1 mol/L的硫酸鐵溶液。稱取1.2 g硅酸鈉溶于100 mL蒸餾水中，微熱使其完全溶解，加入少量濃硫酸進(jìn)行活化，制成0.1 mol/L的硅酸鈉溶液。取40 mL硅酸鈉溶液加入到200 mL硫酸鐵溶液中，加入少量穩(wěn)定劑并于60 ℃條件下恒溫2 h，即的Fe/Si=10∶1的聚硅酸硫酸鐵絮凝劑。

3　結(jié)果與討論

3.1絮凝劑投加量對COD消除率的影響

取250 mL燒杯5個，分別加入200 mL廢水水樣（pH≈9），分別在攪拌下快速加入0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL的絮凝劑，繼續(xù)攪拌10 min后，沉降60 min。沉降完成后，取上層清液測定水樣COD值，計算水樣COD消除率。圖1顯示了絮凝劑投加量對COD消除率的影響。

圖1　絮凝劑投加量對COD消除率的影響Fig.1 Effect of coagulant on the removal rate of COD

從圖1中可以看出，廢水水樣的COD消除率隨著絮凝劑投加量的增加而增加，但當(dāng)絮凝劑投加量超過0.8 mL后，水樣的COD消除率并未呈現(xiàn)出預(yù)期的增加，反而出現(xiàn)一定的下降趨勢。這是由于廢水中的原有膠體顆粒表面帶負(fù)電荷，而聚硅酸硫酸鐵膠體顆粒表面帶正電荷，這些膠體顆粒擴(kuò)散層厚度下降從而能夠克服之間的排斥力而凝聚下來，達(dá)到消除COD的效果。但是，當(dāng)投加過量的絮凝劑時，廢水中原有的膠體顆粒表面逐漸帶有正電荷，相互之間難以發(fā)生有效的碰撞，從而使絮凝效果下降［5］。因此，當(dāng)絮凝劑投加量為0.8 mL（4.0 mL/L）時，COD消除率為21.84 %，若繼續(xù)增加絮凝劑的投加量，反而可能會出現(xiàn)COD消除率下降的趨勢。

3.2水樣pH值對COD消除率的影響

取250 mL燒杯5個，分別加入200 mL廢水水樣（pH≈9），滴加0.1 mol/L的稀硫酸溶液分別調(diào)節(jié)pH到7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，在攪拌下快速加入0.8 mL的絮凝劑，繼續(xù)攪拌10 min后，沉降60 min。沉降完成后，取上層清液測定水樣COD值，計算水樣COD消除率。圖2顯示了水樣pH值對COD消除率的影響。

圖2　水樣初始pH值對COD消除率的影響Fig.2 Effect of pH calue on the removal rate of COD

從圖2中可以看出，廢水水樣COD消除率隨著pH值的增大而增大，但當(dāng)pH＞9之后，水樣的COD消除率并未呈現(xiàn)出明顯的增加。在偏酸性條件下，聚硅酸硫酸鐵絮凝劑主要以Fe （ OH ）2+及Fe3+等分子量較小的形態(tài)存在，由于缺少Fe （ OH ）3的架橋作用，不能產(chǎn)生有效的絮凝作用，故本實(shí)驗(yàn)并未考察聚硅酸硫酸鐵在偏酸性條件下的絮凝效果。在偏堿性條件下，由于Fe3+水解形成帶正電的多核絡(luò)合離子可被廢水中帶負(fù)電的膠體顆粒吸引至緊密層，壓縮雙電層，再加之Fe （ OH ）3的架橋作用，使得膠體顆發(fā)生粒粘結(jié)聚沉，從而達(dá)到消除COD的效果。但當(dāng)pH＞10后，F(xiàn)e3+主要以Fe （ OH ）3形態(tài)存在，電中和與脫穩(wěn)性能下降，F(xiàn)e （ OH ）3絮體的混凝作用成為主導(dǎo)，故而COD消除效果不佳［6］。因此，當(dāng)廢水水樣pH=9時，聚硅酸硫酸鐵絮凝劑的絮凝效果最佳，COD消除率可達(dá)21.6 %。

3.3沉降時間對COD消除率的影響

取250 mL燒杯5個，分別加入200 mL廢水水樣，滴加0.1mol/L的稀硫酸溶液分別調(diào)節(jié)pH=9，在攪拌下快速加入0.8 mL的絮凝劑，繼續(xù)攪拌10 min后分別沉降20 min、40 min、60 min、80 min、100 min。沉降完成后取上層清液測定水樣COD值，計算水樣COD消除率。圖3顯示了沉降時間對COD消除率的影響。

圖3　沉降時間對COD消除率的影響Fig.3 Effect of settling time on the removal rate of COD

從圖3中可以看出，廢水水樣COD消除效果在沉降初期較差，隨著沉降時間的延長，COD消除率不斷增加，當(dāng)沉降時間為80 min時COD消除率達(dá)到22.21 %，之后消除效果趨向平穩(wěn)。結(jié)合圖2中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著絮凝劑投加量和沉降時間的增加，水樣的COD消除率并沒有持續(xù)性的增加，這也說明了絮凝劑處理高濃度廢水在COD消除率方面的有限性［7］，只對部分高分子物質(zhì)和有機(jī)物具有明顯的去除作用，從而只能作為廢水生化處理的預(yù)處理。

4　結(jié)論

化學(xué)絮凝法預(yù)處理高濃度化工廢水是降低COD的一種有效方法，該方法具有成本投入低、COD消除效果明顯，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。對于各種高濃度化工廢水，只要選取合適的絮凝劑，調(diào)節(jié)好絮凝劑投加量和沉降時間，均可達(dá)到有效預(yù)處理效果，對于進(jìn)一步降低生化處理負(fù)荷和運(yùn)行成本，具有重要的實(shí)際意義。

［1］劉蕾. 絮凝劑應(yīng)用于石化廢水處理的研究進(jìn)展［J］. 石油化工安全環(huán)保技術(shù)， 2012， 28（6）：51-55.

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［6］曹百川， 高寶玉，岳欽艷. 聚合硅酸硫酸鐵和聚合硫酸鐵處理黃河水的效果及其絮體特性研究 ［J］. 中國科學(xué)：化學(xué)， 2010，40（4）：399-406.

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Test and Study of Pretreatment of Highly Concentrated Chemical Waste Water with Polyferric Silicate Sulfate

Wang Lei
（Cangzhou Bohai New Area Environmental Monitoring Station， Cangzhou 061113）

Highly concentrated chemical waste water was pretreated by using polyferric silicate sulfate as flocculant. The quantity of flocculant needed， PH value in water sample and the effect of settle time to removal rate of COD in waste water sample were analyzed. It was shown that the optimum condition for pretreatment is as follows: the quantity of flocculant is 4.0 m/L； PH value of water sample is 9.0； when settle time is 80 min， the removal rate of COD can reach 22.21%. Thus， the effect of using polyferric silicate sulfate as flocculant is distinct in pretreatment of chemical waste water， and the method is highly valuable in extensive treatment for chemical waste water.

chemical waste water； pretreatment； polyferric silicate sulfate； removal rate of COD

TQ 085+.4

A

2095-817X（2016）03-0054-003

2015-11-24

王磊（1986—），男，助理工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測與環(huán)保技術(shù)工作。