高鐵酸鹽溶液處理生活污水的試驗(yàn)研究

張彥平，李 靜，李一兵，李 娟

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

高鐵酸鹽作為一種新型、高效、多功能的綠色水處理藥劑，集氧化、吸附、絮凝、助凝、殺菌、除臭等于一體[1]，能有效去除水中細(xì)菌、藻類、有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、重金屬等污染物質(zhì)[2-4]，其還原產(chǎn)物為Fe(OH)3，不引起二次環(huán)境污染，因此在水處理領(lǐng)域得到研究者的廣泛關(guān)注.但由于高鐵酸鹽固體制備過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)成本昂貴，需要大量使用對(duì)人體和環(huán)境有害的有機(jī)溶劑，并且Fe(VI)穩(wěn)定性差，導(dǎo)致其制備產(chǎn)率低，不便于貯存，從而限制了高鐵酸鹽的應(yīng)用[5-6].本文作者通過(guò)前期研究制備出穩(wěn)定的高鐵酸鹽溶液[7]，由于不需要進(jìn)行高鐵酸鉀固體提純，因此簡(jiǎn)化了制備工藝，降低了制備成本.目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)高鐵酸鹽水處理效能的研究主要集中在飲用水方面及工業(yè)廢水處理方面，如高鐵酸鹽預(yù)氧化除酚、除藻；強(qiáng)化低溫低濁混凝；以及印染廢水、焦化廢水脫色處理等，在生活污水處理方面的研究較少.本研究以生活污水為研究對(duì)象，考察高鐵酸鹽溶液在污水的強(qiáng)化處理及深度處理中的應(yīng)用性能.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用的氯化鐵為分析純（天津），高鐵酸鹽溶液為實(shí)驗(yàn)室自制，試驗(yàn)過(guò)程中藥劑的投加量均以Fe計(jì).其他所用化學(xué)藥品均為國(guó)產(chǎn)分析純.

生活污水取自河北工業(yè)大學(xué)某生活小區(qū)，具體水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Characteristicsof sourcewater

1.2 檢測(cè)方法

混凝試驗(yàn)采用MY3000-6J智能型混凝攪拌儀（湖北潛江）；pH值采用梅特勒-托利多Delta320 pH計(jì)（上海）測(cè)定；濁度采用A14型濁度儀（無(wú)錫）測(cè)定；COD采用美國(guó)HACH公司CODcr反應(yīng)器測(cè)定.TP和NH4+-N參照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法，分別采用鉬酸銨分光光度法和納氏試劑法測(cè)定.

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)比了高鐵酸鹽溶液和氯化鐵對(duì)生活污水的處理效果.試驗(yàn)時(shí)分別取1 000 m L生活污水置于6個(gè)燒杯中，然后置于混凝攪拌儀上，投加一定量藥劑，然后以300 r m in1快速攪拌1 m in，以50 r min1慢速攪拌15min，靜沉30m in，取水樣測(cè)濁度、COD、NH4+-N、TP.

2 結(jié)果與討論

2.1 高鐵酸鹽溶液對(duì)濁度的去除效果

試驗(yàn)研究了高鐵酸鹽溶液對(duì)濁度的去除效果，并與氯化鐵進(jìn)行了比較，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.由圖1可見(jiàn)，高鐵酸鹽溶液對(duì)濁度具有較好的去除效果，并且對(duì)濁度的去除效果優(yōu)于FeCl3.隨著高鐵酸鹽投藥量的增加，濁度去除率增加.當(dāng)時(shí)，出水濁度為11.5NTU，對(duì)應(yīng)的去除率為84.5%.此時(shí)，經(jīng)氯化鐵處理的污水出水濁度為21.5NTU，對(duì)應(yīng)去除率為71%.隨著Fe(VI)投加量的進(jìn)一步增加，濁度去除率基本不變.在Fe投加量為時(shí)，F(xiàn)eCl3對(duì)濁度的去除率為83.1%，該值與時(shí)高鐵酸鹽溶液對(duì)濁度的去除效果相差不大.而此時(shí) FeCl3用量是高鐵酸鹽溶液用量的2.5倍.這是由于生活污水中存在的大量有機(jī)物會(huì)降低混凝處理效果，增大混凝劑的用量，而高鐵酸鹽溶液集氧化與混凝與一體，其強(qiáng)氧化性能破壞水中膠體的穩(wěn)定性，提高混凝效果，并且其水解產(chǎn)物Fe(OH)3對(duì)水中懸浮物具有良好絮凝沉降作用，因此其對(duì)濁度的去除率高于單獨(dú)混凝劑氯化鐵，并且在達(dá)到相同處理效果的情況下，其用量較少.

2.2 高鐵酸鹽溶液對(duì)COD的去除效果

高鐵酸鹽溶液對(duì)水中有機(jī)物質(zhì)的去除效果見(jiàn)圖2.從圖2可以看出，高鐵酸鹽溶液對(duì)COD的去除效果高于FeCl3，當(dāng)Fe投加量為2.8mg L1時(shí)，F(xiàn)e(VI)和Fe(III)對(duì)COD的去除率分別為52.9%和39.5%.此后，隨著鐵鹽投加量的增加，對(duì)COD的去除率均增加.在Fe投加量為14.1mg L1時(shí)，F(xiàn)e(VI)和Fe(III)對(duì)COD的去除率分別為61.5%和56.5%.由于生活污水中的有機(jī)物一部分以膠體和懸浮物的形式存在，另一部分以溶解形式存在.單獨(dú)的混凝作用只對(duì)以膠體和懸浮物形式存在的COD起作用，而對(duì)溶解性COD去除效果較差.而高鐵酸鹽溶液既有氧化作用又有混凝作用，當(dāng)其投加到水中之后，F(xiàn)e(VI)及其溶液中殘留的氧化劑 ClO能迅速的與水中有機(jī)物作用，將大分子有機(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，甚至完全礦化；并且由于高鐵酸鹽溶液的預(yù)氧化作用，破壞了水中膠體離子的穩(wěn)定性，因而進(jìn)一步促進(jìn)了混凝階段對(duì)有機(jī)物的去除.但是，在相同藥劑投加量條件下，高鐵酸鹽對(duì)COD的去除率比Fe(III)對(duì)COD的去除率僅高出5%～18%.該結(jié)果說(shuō)明，高鐵酸鹽對(duì)COD的去除主要依靠新生成的Fe(OH)3的多相絮凝功能，其強(qiáng)氧化性起輔助作用，這與苗宗成[8]等研究結(jié)果一致.

圖1 高鐵酸鹽對(duì)濁度的去除效果Fig.1 Treatmenteffectof turbidity w ith ferrate

圖2 高鐵酸鹽對(duì)COD的去除效果Fig.2 Treatmenteffectof COD w ith ferrate

2.3 高鐵酸鹽溶液對(duì)的去除效果

圖3 為高鐵酸鹽溶液對(duì)生活污水中NH4+-N的去除效果.由圖3可見(jiàn)，單獨(dú)FeCl3混凝對(duì)污水中氨氮有一定去除，但去除效果較差，去除率僅為3%左右，這是由于在絮凝沉降過(guò)程中，部分氨氮吸附在絮體上共沉而被去除.高鐵酸鹽溶液對(duì)氨氮的去除率略高于FeCl3，氨氮的去除率在5%至7.7%之間，并且隨著投藥量的增加，對(duì)氨氮的去除率略有下降.該結(jié)果與羅志勇[9]等研究的高鐵酸鉀對(duì)氨氮的去除率能達(dá)到70%的研究結(jié)果不同.這一現(xiàn)象可以從兩個(gè)方面解釋：一方面高鐵酸鹽能與水中的含氮有機(jī)物反應(yīng)，致使一部分有機(jī)氮向無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化，因?yàn)橐话愀哞F酸鹽與無(wú)機(jī)化合氮的反應(yīng)速率常數(shù)為0.17L mol1s1，而與含氮有機(jī)物的反應(yīng)速率常數(shù)數(shù)量級(jí)為102～103L mol1s1[10]，這一作用可使水中氨氮含量增加；另一方面，高鐵酸鹽及其溶液中殘留的氧化劑ClO能與氨氮作用，導(dǎo)致水中氨氮含量降低，并且部分氨氮能被高鐵酸鹽的水解產(chǎn)物Fe(OH)3絮凝沉淀去除.當(dāng)后者的作用大于前者時(shí)，表現(xiàn)為對(duì)氨氮的去除作用.隨著高鐵酸鹽溶液投加量的增加，其與污水中含氮有機(jī)物的氧化作用越強(qiáng)，從而導(dǎo)致對(duì)生活污水中氨氮的去除率降低.

圖3 高鐵酸鹽對(duì)NH4+-N的去除效果Fig.3 Treatmenteffectof NH4+-N with ferrate

2.4 高鐵酸鹽溶液對(duì)TP的去除效果

高鐵酸鹽溶液對(duì)生活污水中TP的去除效果見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn)，高鐵酸鹽溶液對(duì)總磷的去除效果較好，并且對(duì)TP的去除率高于FeCl3.當(dāng)鐵鹽投加量為1.4mg L1時(shí)，高鐵酸鹽溶液和FeCl3對(duì)TP的去除率分別為58.6%和17.4%，隨著鐵鹽投加量的增加，TP的去除率均增加，當(dāng)鐵鹽投加量為14.1mg L1，兩者對(duì)TP的去除率分別為86.5%和85.6%.由于污水當(dāng)中的磷分為正磷、聚磷和有機(jī)磷，其中正磷和聚磷為溶解性的，可與金屬鹽作用形成金屬鹽沉淀去除；有機(jī)磷大多為顆粒性的，可經(jīng)過(guò)絮凝沉淀去除.在鐵鹽投加量相同的條件下，一方面，高鐵酸鹽溶液的強(qiáng)氧化性能改變水中膠體離子的穩(wěn)定性，增強(qiáng)混凝效果；另一方面，高鐵酸鹽與水中還原性物質(zhì)反應(yīng)后能生成新生態(tài)的水合氧化鐵，而新生態(tài)的水合氧化鐵粒徑非常小，在10～100nm之間，具有很好的吸附性能[11]，從而使得其在投藥量較低時(shí)對(duì) TP的去除效果明顯優(yōu)于FeCl3.隨著投藥量的增加，鐵鹽水解產(chǎn)物增加，絮凝吸附作用增強(qiáng)，使得兩者對(duì)TP的去除效果相差不多.

圖4 高鐵酸鹽溶液對(duì)TP的去除效果Fig.4 Treatmenteffectof TPw ith ferrate

3 結(jié)論

高鐵酸鹽溶液對(duì)生活污水具有較好的處理效果，其對(duì)生活污水的濁度、COD、氨氮和總磷的去除率分別為84.5%、61.5%、7.7%和86.5%，均優(yōu)于單獨(dú)鐵鹽混凝劑，其在生活污水化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理及污水深度處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

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