聚合磷硫酸鐵廢水處理試驗(yàn)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(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430070；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

作為一種復(fù)合無機(jī)分子絮凝劑，PFPS具備顯著的高分子特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者以化工廠生產(chǎn)的鈦白粉副產(chǎn)品FeSO4·7H2O作為PFPS的合成原料，國(guó)外學(xué)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(yàn)。研究結(jié)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(shí)現(xiàn)廢水處理沉降速度的提升，提高pH，提升化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand,COD）與污濁去除能力[1]。工業(yè)生產(chǎn)一般使用濕式廢水處理工藝，其在生產(chǎn)階段會(huì)產(chǎn)生大量廢水，廢水來源包括機(jī)爐車間的生產(chǎn)污水、輸煤系統(tǒng)噴淋除塵污水、生產(chǎn)石青沖洗水、石青脫水等。與其他工業(yè)廢水相似，廢水內(nèi)的元素污染性較強(qiáng)，廢水水質(zhì)較為特殊，懸浮物濃度較高，廢水內(nèi)的無機(jī)物超高，氟離子含量超標(biāo)，重金屬超標(biāo)。

1 試驗(yàn)

1.1 主要儀器設(shè)備

（1）分光光度計(jì)：由上海光譜儀器有限公司生產(chǎn)和提供，型號(hào)為721E。

（2）酸度計(jì)：由金壇市科興儀器廠生產(chǎn)和提供，型號(hào)為pHs-3C。

（3）電動(dòng)攪拌器：由常州國(guó)華電器有限公司生產(chǎn)和提供，型號(hào)為JJ-1/200 W。

1.2 主要試劑

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

（2）鎳標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：分析純硫酸鎳稱取1.238 g，將其溶于（1+0）硝酸內(nèi)，將濃度為1%的硝酸定容為500 mL，并將其搖勻，保存在塑料瓶?jī)?nèi)，試驗(yàn)溶液質(zhì)量濃度為0.5 mg/L。

（3）鎳標(biāo)準(zhǔn)使用液：取5.0 mL的鎳標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，放置在250 mL容量瓶?jī)?nèi)，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(biāo)準(zhǔn)曲線

取得鎳標(biāo)準(zhǔn)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?jī)?nèi)，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(zhǎng)位置實(shí)施試劑空白對(duì)照，此階段不增添丁二酮肟，其他步驟和參數(shù)與上述實(shí)驗(yàn)相同，測(cè)定吸光度[2]。以A吸光度為縱坐標(biāo)，Ni+質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，進(jìn)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(yàn)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(nèi)，調(diào)節(jié)選取緩沖液的pH，定量PFPS，電動(dòng)攪拌之后靜置，提取1.0 mL上層清液，放置在500 mL容量瓶?jī)?nèi)，對(duì)鎳質(zhì)量濃度進(jìn)行分析，并開展空白試驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 污水處理試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(dāng)pH=6～8時(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在除濁、除COD、脫色等方面，PFPS優(yōu)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(yàn)統(tǒng)計(jì)

2.2 pH對(duì)PFPS處理含鎳廢水的影響

用緩沖溶液調(diào)節(jié)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(dòng)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(duì)PFPS處理含鎳廢水影響曲線

由圖1可知，pH增加會(huì)導(dǎo)致鎳去除率增加，但如果pH過高，則會(huì)影響鎳去除率。主要原因?yàn)镕e與OH-的結(jié)合已經(jīng)處于飽和狀態(tài)。Fe有3種形態(tài)，隨著聚物Fe（b）含量減少，溶液內(nèi)的Fe多以Fe（c）存在，在絮凝中聚物Fe（b）占據(jù)著主導(dǎo)地位。當(dāng)pH=7時(shí)，鎳離子表面電荷會(huì)與絮凝劑PFPS水解產(chǎn)物聚合，生成Fe（b），具有強(qiáng)烈的電中和、橋鏈聚合作用，可以實(shí)現(xiàn)絮凝效果[3]。不少研究結(jié)果表明，pH=6～9時(shí)，廢水清除率最佳，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.3 PFPS加入量對(duì)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(nèi)，調(diào)節(jié)pH為7，電動(dòng)攪拌10 min之后，靜置60 min，對(duì)PFPS含量與鎳廢水鎳去除率的關(guān)系進(jìn)行探究。PFPS用量對(duì)處理含鎳廢水的影響如圖2所示。

圖2 PFPS用量對(duì)處理含鎳廢水的影響

由圖2數(shù)據(jù)可知，隨著PFPS用量不斷增加，鎳去除率也不斷加大，PFPS增加會(huì)促進(jìn)電中和及吸附能力提高。高價(jià)陰離子PO43-與Fe3+的親和力較強(qiáng)，可加速鐵中聚物Fe（b）的生成。但如果PFPS過量，則水內(nèi)的游離高價(jià)陰離子PO43-會(huì)排斥帶負(fù)電荷膠體，對(duì)其沉淀、去除率產(chǎn)生影響。由圖2的數(shù)據(jù)可知，69.31 mg為PFPS的最佳使用量。

2.4 攪拌時(shí)間對(duì)PFPS處理含鎳廢水的影響

依次將69.31 mg PFPS加入5個(gè)燒杯，調(diào)節(jié)pH數(shù)值，將數(shù)值控制在7左右即可。5個(gè)燒杯分別電動(dòng)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(shí)間對(duì)鎳去除率的影響如圖3所示。

圖3 攪拌時(shí)間對(duì)PFPS處理含鎳廢水的影響

由圖3可知，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間可以提高鎳去除率，但是長(zhǎng)時(shí)間攪拌會(huì)對(duì)鎳去除率產(chǎn)生影響。主要是因?yàn)閿嚢柽^程會(huì)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(jìn)而形成絮凝體，加速沉降，提升絮凝。需要注意的是，若攪拌時(shí)間特別長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致絮凝體顆粒損壞，分散于溶液內(nèi)，進(jìn)而影響去除率。由圖3數(shù)據(jù)可知，10 min為最佳攪拌時(shí)間。

2.5 靜置時(shí)間對(duì)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(shù)值調(diào)節(jié)為7，電動(dòng)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(shí)間與鎳去除率之間的關(guān)系如圖4所示。

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

3 結(jié)語

目前常用的廢水處理方法為絮凝沉淀法，這一方法經(jīng)濟(jì)、便捷。通過在廢水內(nèi)加大絮凝劑的用量，促使廢水?dāng)y帶反電荷雜質(zhì)，并促使微粒向膠體轉(zhuǎn)變，增加帶異性電荷微粒作用，以此將膠狀物轉(zhuǎn)變?yōu)橹形⒘?，且不帶電，進(jìn)而影響原子的穩(wěn)定性。借助分子引力的作用，可促使大顆粒聚集，加速沉降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固、液的有效分離。

本文污水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PFPS的凈水效果優(yōu)于PFS的凈水效果；當(dāng)pH=6～8時(shí)，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(yīng)用價(jià)值更高。若鎳廢水濃度低，能夠?qū)崿F(xiàn)鎳元素的全部去除；對(duì)于高濃度的含鎳廢水，也可實(shí)現(xiàn)100.0%鎳元素的去除。由實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)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(xù)攪拌時(shí)間為10 min，靜置時(shí)間為60 min。