聚合磷硫酸铁废水处理试验及其影响因素研究

柯鹏振，刘 雄，马先锋，康得军

（1.湖北省生态环境监测中心站，湖北 武汉 430070；2.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108）

0 引言

作为一种复合无机分子絮凝剂，PFPS具备显著的高分子特点。国内学者以化工厂生产的钛白粉副产品FeSO4·7H2O作为PFPS的合成原料，国外学者将硫酸铁、磷酸钠作为PFPS的合成原料，并开展絮凝性能试验。研究结果表明，PFPS可提升聚合硫酸铁（polyferric sulfate,PFS）的增聚作用，使用期间可实现废水处理沉降速度的提升，提高pH，提升化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）与污浊去除能力[1]。工业生产一般使用湿式废水处理工艺，其在生产阶段会产生大量废水，废水来源包括机炉车间的生产污水、输煤系统喷淋除尘污水、生产石青冲洗水、石青脱水等。与其他工业废水相似，废水内的元素污染性较强，废水水质较为特殊，悬浮物浓度较高，废水内的无机物超高，氟离子含量超标，重金属超标。

1 试验

1.1 主要仪器设备

（1）分光光度计：由上海光谱仪器有限公司生产和提供，型号为721E。

（2）酸度计：由金坛市科兴仪器厂生产和提供，型号为pHs-3C。

（3）电动搅拌器：由常州国华电器有限公司生产和提供，型号为JJ-1/200 W。

1.2 主要试剂

（1）PFPS：将钛白粉内的FeSO4·7H2O副产品作为制备原料，溶液浓度控制在0.01 mol/L。

（2）镍标准储备液：分析纯硫酸镍称取1.238 g，将其溶于（1+0）硝酸内，将浓度为1%的硝酸定容为500 mL，并将其摇匀，保存在塑料瓶内，试验溶液质量浓度为0.5 mg/L。

（3）镍标准使用液：取5.0 mL的镍标准储备液，放置在250 mL容量瓶内，并使用去离子水定容，充分摇匀。10.0 fg/mL镍液、50 g/L柠檬酸三钠溶液、100 g/L氢氧化钠溶液、50 g/L磷酸钠溶液、40 g/L过硫酸钾溶液、10 g/L丁二酮肟酒精溶液均为分析纯。

1.3 镍标准曲线

取得镍标准使用液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容量瓶内，然后依次加入2.5 mL的50 g/L柠檬酸三钠溶液、1.5 mL的100 g/L氢氧化钠溶液、50 g的1 mL磷酸钠溶液、2 mL的10 g/L丁二酮肟酒精溶液、2 mL的40 g/L过硫酸钾溶液、5 mL浓氨水，在定容蒸馏水之后，充分摇匀。静置20 min之后，选择1 cm比色皿，在467 mm波长位置实施试剂空白对照，此阶段不增添丁二酮肟，其他步骤和参数与上述实验相同，测定吸光度[2]。以A吸光度为纵坐标，Ni+质量浓度为横坐标，进行曲线绘制，获得的线性方程为y=0.0045x+0.0289，R2=0.9991。

1.4 试验步骤

用1 mL移液管移取含镍水样p（Ni2+=10 mg/mL）到500 mL烧杯内，调节选取缓冲液的pH，定量PFPS，电动搅拌之后静置，提取1.0 mL上层清液，放置在500 mL容量瓶内，对镍质量浓度进行分析，并开展空白试验。

2 结果

2.1 污水处理试验

实验将浊度为7610 NTU的高岭土加水配制为除浊污水，生活污水为1095 mg/L除COD污水，投加30 mg/L的PFPS絮凝剂与PFS絮凝剂，采用烧杯搅拌的方式，当pH=6～8时，快速搅拌，以150 r/min的速度搅拌2 min后切换为缓慢搅拌，以50 r/min的速度搅拌8 min，静置15min之后取其清液。由实验结果可知，在除浊、除COD、脱色等方面，PFPS优于PFS；在矾花形成速度、沉降速度方面，PFPS更佳，如表1所示。

表1 污水处理试验统计

2.2 pH对PFPS处理含镍废水的影响

用缓冲溶液调节pH为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，分别加入0.01 mL PFPS，电动搅拌10 min后静置60 min，分析不同pH下的镍去除率，如图1所示。

图1 pH对PFPS处理含镍废水影响曲线

由图1可知，pH增加会导致镍去除率增加，但如果pH过高，则会影响镍去除率。主要原因为Fe与OH-的结合已经处于饱和状态。Fe有3种形态，随着聚物Fe（b）含量减少，溶液内的Fe多以Fe（c）存在，在絮凝中聚物Fe（b）占据着主导地位。当pH=7时，镍离子表面电荷会与絮凝剂PFPS水解产物聚合，生成Fe（b），具有强烈的电中和、桥链聚合作用，可以实现絮凝效果[3]。不少研究结果表明，pH=6～9时，废水清除率最佳，本实验结果也证实了这一实验结论。

2.3 PFPS加入量对处理含镍废水的影响

分 别 取0.02 mL、0.04 mL、0.05 mL、0.06 mL、0.08 mL、1.00 mL的PFPS放置在不同烧杯内，调节pH为7，电动搅拌10 min之后，静置60 min，对PFPS含量与镍废水镍去除率的关系进行探究。PFPS用量对处理含镍废水的影响如图2所示。

图2 PFPS用量对处理含镍废水的影响

由图2数据可知，随着PFPS用量不断增加，镍去除率也不断加大，PFPS增加会促进电中和及吸附能力提高。高价阴离子PO43-与Fe3+的亲和力较强，可加速铁中聚物Fe（b）的生成。但如果PFPS过量，则水内的游离高价阴离子PO43-会排斥带负电荷胶体，对其沉淀、去除率产生影响。由图2的数据可知，69.31 mg为PFPS的最佳使用量。

2.4 搅拌时间对PFPS处理含镍废水的影响

依次将69.31 mg PFPS加入5个烧杯，调节pH数值，将数值控制在7左右即可。5个烧杯分别电动搅拌2 min、5 min、10 min、15 min、20 min，搅拌后均静置60 min，所得不同搅拌时间对镍去除率的影响如图3所示。

图3 搅拌时间对PFPS处理含镍废水的影响

由图3可知，延长搅拌时间可以提高镍去除率，但是长时间搅拌会对镍去除率产生影响。主要是因为搅拌过程会促使絮凝剂PFPS均匀分布，加剧镍离子与其他污染物颗粒、絮凝剂颗粒的碰撞，加速它们之间的黏合，进而形成絮凝体，加速沉降，提升絮凝。需要注意的是，若搅拌时间特别长，会导致絮凝体颗粒损坏，分散于溶液内，进而影响去除率。由图3数据可知，10 min为最佳搅拌时间。

2.5 静置时间对PFPS处理含镍废水的影响

取6只烧杯，依次加入69.31 mg PFPS，将pH数值调节为7，电动搅拌10 min之后，6只烧杯分别静置30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min。静置时间与镍去除率之间的关系如图4所示。

由图4得知，通过延长静置时间，可以增加镍去除率，但如果静置时间超过60 min，去除率降低。原因在于最初溶液内可能含有Fe（a）元素，且占比较大，随着静置时间延长，元素逐步合成为聚物Fe（b），该物质含量的增加会使镍去除率不断上升[4]。静置60 min后，Fe（c）含量会增加，解聚PFPS，减小聚合度，也会使原本沉降的溴离子污染物颗粒尽快回到溶液内，减小镍去除率。由图4数据可知，60 min为最佳静置时间。

3 结语

目前常用的废水处理方法为絮凝沉淀法，这一方法经济、便捷。通过在废水内加大絮凝剂的用量，促使废水携带反电荷杂质，并促使微粒向胶体转变，增加带异性电荷微粒作用，以此将胶状物转变为中微粒，且不带电，进而影响原子的稳定性。借助分子引力的作用，可促使大颗粒聚集，加速沉降，进而实现固、液的有效分离。

本文污水处理实验结果表明，PFPS的净水效果优于PFS的净水效果；当pH=6～8时，在COD和浊度去除率上，PFPS高于PFS；在污水处理上，矾花与沉降速度更佳。PFPS作为絮凝剂，在镍废水处理上的应用价值更高。若镍废水浓度低，能够实现镍元素的全部去除；对于高浓度的含镍废水，也可实现100.0%镍元素的去除。由实验可知，对于10 mg/mL的镍废水，PFPS处理的最佳条件是pH为7，PFPS使用量为69.31 mg，持续搅拌时间为10 min，静置时间为60 min。