聚合硫酸铁处理高浓度有机废水的实验研究

本研究探讨了聚合硫酸铁作为混凝剂处理高浓度有机废水的效果及机理。通过实验考察了聚合硫酸铁投加量、pH值、反应时间和搅拌强度等因素对COD和色度去除率的影响，并优化了工艺参数。结果表明，在较佳条件下(聚合硫酸铁投加量200 mg/L，pH 6.5，反应时间30 min，搅拌强度150 rpm)，COD和色度去除率分别达到85.3%和92.7%。与传统混凝剂相比，聚合硫酸铁表现出更优的处理效果和更低的污泥产量。本研究为高浓度有机废水处理提供了一种经济高效的技术方案。

关键词 聚合硫酸铁；高浓度有机废水；混凝；废水处理；COD去除

随着工业的快速发展，高浓度有机废水的排放量日益增加，这类废水具有COD高、色度深、难降解等特点，对水环境构成严重威胁。传统的生物处理法对此类废水效果有限，而高级氧化技术虽然有效但成本较高。混凝法因其操作简单、成本低廉而成为预处理高浓度有机废水的重要选择。

聚合硫酸铁(聚合硫酸铁)作为一种新型无机高分子混凝剂，具有絮体形成快、沉降性能好、适用pH范围广等优点，近年来在水处理领域受到广泛关注。与传统的铝盐混凝剂相比，聚合硫酸铁产生的污泥量少，且不存在铝离子残留的潜在风险。然而，关于聚合硫酸铁处理高浓度有机废水的系统研究仍相对缺乏，特别是工艺参数优化和作用机理方面需要进一步探索。

本研究旨在系统考察聚合硫酸铁处理高浓度有机废水的效果，分析关键操作参数的影响规律，优化处理工艺，并探讨混凝机理，为实际工程应用提供理论依据和技术参考。

一、实验材料与方法

实验废水取自某化工厂的综合排水口，其COD为2500-3500 mg/L，色度为600-800倍，pH值为4.5-6.0。主要污染物包括苯系物、酚类和杂环化合物等难降解有机物。实验前将废水在4℃下保存，使用前恢复至室温并充分摇匀。

实验所用聚合硫酸铁(聚合硫酸铁)为工业级产品，有效成分含量≥18%，盐基度为8-12%。对比实验使用的聚合氯化铝(PAC)和硫酸亚铁(FeSO₄)均为分析纯试剂。pH调节使用1 mol/L的NaOH和H₂SO₄溶液。

实验在六联混凝搅拌机上进行。取1 L废水于烧杯中，调节至设定pH值后，加入预定量的聚合硫酸铁溶液。首先以200 rpm快速搅拌2 min使药剂充分混合，然后以50 rpm慢速搅拌15 min促进絮体成长，较后静置沉降30 min。取上清液测定各项指标。

COD采用重铬酸钾法测定，色度采用稀释倍数法测定，pH值使用pH计测定，浊度使用浊度仪测定，铁离子残留采用邻菲罗啉分光光度法测定。所有实验均重复三次取平均值。

二、实验结果与讨论

聚合硫酸铁投加量是影响处理效果的关键因素。实验结果表明，随着聚合硫酸铁投加量从50 mg/L增加到200 mg/L，COD去除率从45.2%提高到85.3%，色度去除率从58.6%提升至92.7%。这是因为增加聚合硫酸铁投加量提供了更多的活性组分，增强了电中和与吸附架桥作用。但当投加量超过200 mg/L后，处理效果提升不明显，且会导致铁离子残留增加和运行成本提高。

pH值对聚合硫酸铁混凝效果有显著影响。在pH 3-6.5范围内，处理效果随pH升高而改善，在pH 6.5时达到较佳。这是因为在此pH范围内，聚合硫酸铁水解产物以高电荷的多核羟基络合物为主，具有较强的电中和能力。当pH>7时，处理效果下降，因为铁离子会形成胶体氢氧化铁，降低了混凝效率。

反应时间和搅拌强度也影响处理效果。实验发现，快速搅拌2 min结合慢速搅拌15 min可获得较佳效果。延长搅拌时间会导致已形成的絮体破碎，而时间过短则混合不充分。搅拌强度过高同样会破坏絮体结构，150 rpm的慢速搅拌较有利于絮体成长和沉降。

与传统混凝剂相比，聚合硫酸铁表现出明显优势。在相同条件下，PAC的COD去除率为76.5%，FeSO₄为68.2%，均低于聚合硫酸铁的85.3%。此外，聚合硫酸铁产生的污泥体积比PAC少约30%，沉降速度更快。这是因为聚合硫酸铁具有更高的分子量和更复杂的结构，能形成更密实的絮体。

三、聚合硫酸铁混凝机理分析

聚合硫酸铁处理高浓度有机废水主要通过以下机理发挥作用：首先是电中和作用，聚合硫酸铁水解产生的多核阳离子络合物可中和胶体颗粒表面的负电荷，降低Zeta电位，破坏胶体稳定性。实验测得原废水Zeta电位为-35.2 mV，加入聚合硫酸铁后降至-5.1 mV，证实了电中和作用的存在。

其次是吸附架桥作用，聚合硫酸铁的长链聚合物结构可在颗粒间架桥连接，形成大的絮体。扫描电镜观察显示，聚合硫酸铁形成的絮体呈三维网状结构，比PAC形成的絮体更致密。这种结构有利于捕获更多的有机污染物。

此外，聚合硫酸铁还通过网捕卷扫作用去除污染物。当聚合硫酸铁投加量足够大时，形成的金属氢氧化物沉淀会像滤网一样在下沉过程中卷扫水中的胶体和悬浮物。这一机理在处理高浓度废水时尤为重要。

四、结论

本研究系统考察了聚合硫酸铁处理高浓度有机废水的效果及机理，得出以下主要结论：

1. 聚合硫酸铁能有效处理高浓度有机废水，在较佳条件下(聚合硫酸铁投加量200 mg/L，pH 6.5，反应时间30 min)可获得85.3%的COD去除率和92.7%的色度去除率。

2. 与传统混凝剂相比，聚合硫酸铁具有处理效果好、污泥产量少、沉降速度快等优势，是一种经济高效的废水处理药剂。

3. 聚合硫酸铁主要通过电中和、吸附架桥和网捕卷扫等机理发挥作用，形成的絮体结构密实，沉降性能良好。

本研究结果为高浓度有机废水的处理提供了新的技术选择，具有重要的实际应用价值。未来的研究可进一步探索聚合硫酸铁与其他技术的组合工艺，以应对更复杂的废水处理需求。