PFS处理海河水的实验研究
关键词：给水处理；聚合硫酸铁；投加量；浊度
Experimental Research of Treating Water of Haihe River with PFS
Yu Han1, Tian Dan2
（1. School of Material Science and Chemical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160;
2. Tianjin Urban Construction Design Institute Co., Ltd, Tianjin 300072）
Abstract: The optimizing experiment of adding condition and experiment of effect of water turbidity on coagulative precipitation were carried out, the results showed that PFS could achieve good treating effect to turbidity. The optimum dosage of PFS was 50 mg/L in treating water of Haihe River. The way of increasing water turbidity artificially could greatly reduce dosage of coagulant and improve settling properties of flocs remarkably.
Key words: water supply treatment；polymeric ferric sulfate；dosage；turbidity
天津市是我国人均水资源最少的城市之一，人均本地水资源占有量仅160 m3。随着工业生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高，水的需求量也越来越大，其中工业用水占城市用水的70%～80%。因此，作为工业用水主要来源的海河对天津工业发展起着重要作用。但近年来，海河的污染日益严重，最主要污染物为氨氮、有机物和石油类。整个海河流域1 万km 的长河中，近79％的断面为五类及劣五类水质［1］。因此，将海河水作为工业给水使用前必须经过适当处理。
混凝沉淀工艺是工业给水处理中最常用的技术之一。作为本次实验混凝剂的聚合硫酸铁（PFS） 实际上是铁（Ⅲ） 盐水解聚合过程的动力学中间产物，其本质是多核羟基配合物或羟基桥联的无机高分子化合物。其水溶液中存在着Fe2 （ OH）4+、Fe3 （ OH）5+、Fe4 （ OH）6+等以OH-作为架桥形成的多核配离子及大量的无机高分子化合物。
与其它混凝剂相比，PFS 性质稳定，形成的矾花大而密实，沉降速度快，而且无毒无害，成本低廉，是一种非常有应用前景的水处理药剂。
1 实验
1. 1 实验主要仪器、样品
实验期间海河取水口水质变化情况见表1。
实验仪器为梅宇MY-3000K 型六联搅拌机及其他水质分析仪器；水质分析按相应国家标准方法进行［2］；实验室烧杯为混凝实验专用的高筒烧杯，容积为1 L。
实验使用的水处理药剂PFS 配成质量分数为5%，w（FeSO4·7H2O）为10%的水溶液，非离子型聚丙烯酰氨（CPAM） 配为0. 2‰的水溶液。
1. 2 实验方法
混凝实验中，从加入混凝剂开始到混凝沉淀结束整个过程分为3 个阶段：快速搅拌阶段、慢速搅拌阶段、沉降阶段。快速搅拌阶段（快速混合阶段）：转速120 r/min，搅拌时间1 min，G 值40. 6 /s，GT 值2 436. 0。慢速搅拌阶段（絮凝阶段）：转速30 r/min，搅拌时间20 min，G 值5. 0/s，GT 值8 436. 0。沉降阶段：静置15 min，G值0. 0 /s，GT 值8 436. 0。实验分为常温下混凝剂投加条件的确定和水体浊度变化对混凝效果的影响。
2 实验结果与讨论
2. 1 PFS 投加条件的优化实验
取完全相同的水样，分别投加不同剂量的PFS，在相同的混凝搅拌条件下进行实验，实验中PFS 投加量分别为5、10、20、30、50、80、100、120、140 mg/L。实验条件为水温19. 2 ℃，pH 6. 8，浊度17. 6 NTU，CODMn 13. 98 mg/L。
在快速搅拌阶段，所有烧杯中水体均呈浑浊状态。10 s 左右，PFS 投加量为30～140 mg/L，对应的水体中有大量细小矾花；30 s 左右，投加量为5～20 mg/L，对应的水体有细小矾花，快搅后期矾花逐渐增大。进入慢速搅拌阶段，投加量在5～100 mg/L 的烧杯中矾花不断长大， PFS 投加量为30～100 mg/L 对应的矾花很快呈絮状。进入慢搅中期，PFS 投加量为5～20 mg/L 烧杯中矾花变大的趋势减弱，而投加量为80～100 mg/L 的烧杯中矾花突然变得细碎。另一方面，实验发现，对于投加量为120、140 mg/L 的烧杯，生成的矾花始终很细碎，说明PFS 投加量过高会出现过稳现象。
进入沉降阶段后，随着PFS 投加量的增加，主体渣层沉降时间呈现递减趋势。当PFS 的投加量达到50 mg/L 时，矾花的沉降性能最好，矾花主体的沉降时间最短。此后，当PFS 投加量继续增加，矾花主体沉降时间反而逐渐增加，见图1。
2. 2 水体浊度变化对混凝沉淀的影响实验
2. 2. 1 低浊度水的混凝实验
原水浊度为10. 2 NTU，水温19. 2 ℃，pH6. 9，CODMn 7. 26 mg/L。PFS 投加量分别为20、30、50、60、70、80、100 mg/L，在快速搅拌阶段，所有烧杯水体均呈现浑浊，10 s 左右均出现大量细小矾花，40 s 左右矾花明显变大。进入慢速搅拌初期，矾花迅速长大，随后，矾花呈絮状。实验开始3 min 左右，PFS 投加量为80、100 mg/L 的烧杯中矾花变得细碎，10 min 左右，PFS 投加量为60、70 mg/L 烧杯中矾花也变得细碎；慢搅后期，PFS 投加量为20、30 mg/L 烧杯中矾花相差不大，投加量为50 mg/L 烧杯中的矾花较小但水体较澄清，PFS 投加量为60～100 mg/L 烧杯中的矾花仍很细碎。进入沉降阶段，随着PFS 投加量的增加，矾花主体沉降时间逐渐增大，见图2。PFS 投加量为30 mg/L 的烧杯中矾花主体最先沉降完毕，沉降时间为0. 38 min，PFS 投加量为100 mg/L 的烧杯中矾花主体沉降速度最慢，沉降时间为4. 38 min。沉降阶段结束后，PFS 投加量为100 mg/L 的烧杯最混浊。
实验中发现，投加量60～100 mg/L 的烧杯中在不同时期都出现了矾花变碎的现象，认为投加量在60～80 mg/L 的烧杯中矾花破碎应该是由于慢速搅拌时间过长所致，而投加量在100 mg/L的烧杯中矾花破碎不仅是搅拌所致，应该与胶体过稳现象有关。
2. 2. 2 中浊度水的混凝实验
原水浊度7. 43 NTU，加硅藻土将浊度调整为53. 6 NTU，水温19 ℃，pH 6. 8，CODMn 6. 78mg/L。PFS 投加量分别为20、30、50、60、80、100 mg/L。中浊度水混凝实验在快速搅拌阶段观察到的现象与低浊度水基本相同。进入慢速搅拌阶段，矾花迅速长大，大约36 s 后，PFS 投加量为30～60 mg/L 烧杯中的矾花开始呈絮状。52 s后，投加量为20 mg/L 烧杯中的矾花也出现絮状。而投加量为80、100 mg/L 的烧杯中矾花则一直比较细碎。约90 s 后，投加量为20～60 mg/L 对应水体出现澄清液面，投加量为30 mg/L 对应的矾花最大，且容器底部均有少量矾花沉降；5 min后，投加量为50、60 mg/L 的烧杯中矾花突然变得细碎，分析应该是由于此时矾花量过大，搅拌时间相对过长所致。进入沉降阶段后，随着PFS投加量的增加，各烧杯中矾花主体沉降时间逐渐增大，如图3 所示。PFS 投加量为30 mg/L 的烧杯中矾花主体沉降速度最快，沉降时间仅为0. 18min，明显小于低浊度水时30 mg/L 投加量的主体沉降时间（0. 38 min）。
2. 2. 3 高浊度水的混凝实验
原水浊度7. 23 NTU，加硅藻土将浊度调整为98. 3 NTU，水温19. 5 ℃，pH 6. 5，CODMn 5. 08mg/L。PFS 投加量分别为5、10、20、30、50、80 mg/L。在慢速搅拌初期，PFS 投加量为20～50mg/L 烧杯中的矾花就已经呈絮状，同时水体均变澄清，且容器底部均有少量矾花沉降。而投加量为80 mg/L 的烧杯中矾花则一直比较细碎。大约3 min 后，投加量为50 mg/L 烧杯中矾花变得细碎，分析同样是由于搅拌时间相对过长所致。进入沉降阶段后，随着PFS 投加量的增加，烧杯中矾花主体的沉降时间逐渐增大，如图4 所示。
PFS 投加量为20 mg/L 的烧杯中矾花主体沉降速度最快，沉降时间为0. 18 min，而在中浊度水实验中，同样达到这样的沉降时间需要PFS 的投加量为30 mg/L。此外，在本实验中，PFS 投加量为80 mg/L 的烧杯中矾花主体沉降速度最慢，沉降结束时烧杯中的水体非常浑浊，说明出现过稳现象。
3 结论
1） 实验选取PFS 对海河水进行混凝沉淀研究。从主体渣层沉降时间、矾花沉降性能和经济费用等方面综合考虑，常温条件下，PFS 对浊度有很好的去除效果，用混凝剂PFS 处理海河水的最佳投加量为50 mg/L。
2） 通过3 种不同浊度下的对比实验发现，在混凝剂投加量相同的前提下，人为增加水体浊度可以有效提高混凝沉淀对浊度的去除效果。换言之，为达到同样的浊度去除效果，通过人为增加水体浊度的方法可以大大降低混凝剂的投加量，同时，还可以明显改善絮凝体的沉降性能。
参考文献
［1］朱亦仁. 环境污染治理技术［M］. 北京：中国环境科学出版社，2002.
［2］国家环境保护总局，水和废水检测分析方法编委会. 水和废水监测分析方法［M］. 4 版. 北京：中国环境科学出版社，2002.
作者简介：于晗（1987—），本科，研究方向为环境工程。
来源：《环境卫生工程》2009.6
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延伸阅读
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