顧時國 廉菲 張義康 延克軍

摘 要：利用自制磁化裝置對聚合硫酸鐵（PFS）進行預磁化，再進行混凝處理廢水實驗，從而降低出水余鐵和亞鐵含量。分別考察了有無磁場磁化作用條件下，PFS投加量、磁化強度、磁化時間等因素對出水余鐵含量和pH值的影響。結(jié)果表明，磁化組出水的余鐵和亞鐵含量比未磁化組分別降低了47.6%和53.0%，且pH值低于未磁化組； 在PFS投加量1000 mg/L、磁化強度12 mT、磁化頻率130 Hz、磁化時間5 min的條件下，最終出水的余鐵和亞鐵含量分別為0.688 mg/L和 0.202 mg/L，pH值呈弱酸性；磁化組出水的CODCr和色度的去除率分別較未磁化組提高了5.5個百分點和7.1個百分點。

關(guān)鍵詞：造紙廢水；聚合硫酸鐵；變頻磁場；余鐵；pH值

中圖分類號：X793

文獻標識碼：A

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2018.04.07

隨著國內(nèi)工業(yè)興起，產(chǎn)生了大量含有超標金屬的工業(yè)廢水，在水體的自流作用下，嚴重污染地表水，進而威脅人們的身體健康[1-3]。廢水運輸過程中，廢水中含有的鐵離子會腐蝕損壞設備及管網(wǎng)[4]。目前，廢水處理工藝中，無機高分子混凝劑的使用最為廣泛，其中以鐵基高分子混凝劑的處理效果最為顯著[5]。廢水處理過程中，使用鐵基高分子混凝劑會導致出水的鐵離子濃度偏高，引起出水存在色度以及腐蝕性等問題[6-7]。其中，聚合硫酸鐵（PFS）因具有低價、礬花多、比重大等優(yōu)點而被廣泛應用于混凝處理廢水，但經(jīng)PFS處理后的水中含有鐵離子，會引起設備的腐蝕損壞。因此，本課題利用自制變頻磁化裝置對PFS進行預磁化，再混凝處理造紙廢水。對比有無磁場磁化作用時，在最佳磁化條件和最佳PFS添加量的條件下測定出水余鐵含量和pH值。通過測定出水余鐵含量分析PFS混凝劑的利用率；出水余鐵含量的降低將大大減少后續(xù)處理費用，且提高混凝劑處理效果。

1 實 驗

1.1 儀器及材料

MY3000-6智能混凝試驗攪拌儀（潛江梅宇儀器有限公司），320P-01數(shù)字式pH計（美國Thermo Fisher奧利龍），UV2100紫外分光光度計（上海尤尼柯儀器有限公司），WT10C數(shù)字高斯計（韋斯特電科技有限公司），YTN-11010變頻穩(wěn)壓電源（青島翊泰儀器儀表有限公司）；自制交頻電磁裝置，利用交頻穩(wěn)壓電源為可調(diào)電源，連接電磁線圈，組成可調(diào)節(jié)的交流變頻磁化裝置，如圖1所示。

鹽酸羥胺，鄰菲啰啉，乙酸銨，硫酸亞鐵胺，乙酸鈉，乙酸，濃硫酸，重鉻酸鉀，硫酸銀，硫酸鉀，硫酸鐵均為分析純；剛果紅試紙。廢水樣取自鹽城某造紙廠經(jīng)三級混凝沉淀處理后的廢水，廢水樣的余鐵0.466 mg/L，亞鐵0.216 mg/L，pH值7.6，CODCr=450 mg/L，色度180度。

1.2 實驗方法

利用交流變頻磁場磁化具有鐵磁性的混凝劑PFS，磁場能改變體系中物質(zhì)內(nèi)能的特性和物理性質(zhì)，影響其混凝效果[8-9]。將定量的PFS溶液置于交流變頻磁化裝置中，進行磁化預處理。將變頻磁化預處理后的PFS溶液加入1 L造紙廢水中，先以300 r/min的轉(zhuǎn)速快速攪拌30 s，再以100 r/min的轉(zhuǎn)速慢速攪拌15 min。攪拌結(jié)束后靜置30 min，取上清液進行分析，得到出水中余鐵及亞鐵含量、pH值、CODCr和色度。磁化混凝實驗流程圖如圖2所示。

磁化聚合硫酸鐵混凝處理造紙廢水的余鐵和pH值變化研究第33卷 第4期

第33卷 第4期磁化聚合硫酸鐵混凝處理造紙廢水的余鐵和pH值變化研究

1.3 分析方法

實驗利用數(shù)字式pH計測定出水的pH值；出水余鐵含量使用鄰菲啰啉分光光度法測定，鐵標準曲線線性回歸方程Y=6.73143X+0.06124，相關(guān)系數(shù)：r=0.99945。水樣COD采用重鉻酸鹽法（GB11914—1989）法測定，色度采用鉑鈷比色法（GB11903—1989）測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 有無磁化PFS的實驗分析

配置1000 mg/L的PFS溶液，設置磁化條件：磁化強度12 mT、磁化頻率130 Hz、磁化時間5 min。有無磁化PFS對出水余鐵及亞鐵含量、pH值的影響如圖3所示。由圖3可知，磁化組的出水余鐵和亞鐵含量均低于未磁化組。磁化組出水的余鐵含量為0.688 mg/L，比未磁化組余鐵含量降低了47.6%；磁化組出水的亞鐵含量為0.202 mg/L，比未磁化組亞鐵含量降低了53.0%。PFS溶液經(jīng)過交頻磁場磁化后再混凝處理造紙廢水，可明顯提高混凝處理效果，降低出水的余鐵及亞鐵含量。PFS溶液中含有易于被磁化的鐵磁性物質(zhì)，磁化裝置對PFS溶液進行往復的磁感線切割運動，增加了PFS溶液水解產(chǎn)物中多核聚合物（Feb）的比例，但溶膠態(tài)聚合物（Fec）的質(zhì)量分數(shù)降低[10]。其中，F(xiàn)eb是混凝過程中最富活性的有效成分，而Fec為化學惰性、影響混凝效果的水解產(chǎn)物[11-12]；由于交頻磁場做磁感線切割運動，使磁場場能轉(zhuǎn)變?yōu)镻FS粒子的內(nèi)能，為水解反應提供了能量，促進了PFS粒子與廢水中的活性基團、膠體顆粒和部分溶解性物質(zhì)進行絡合和螯合反應，生成更多的Feb，進一步改善聚沉效果。因此，利用交頻磁場磁化PFS混凝處理造紙廢水，最終出水余鐵和亞鐵的含量明顯低于未磁化組。

有無磁化PFS對出水pH值的影響如圖4所示。由圖4可知，經(jīng)磁化作用后，廢水樣出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，pH值降低，出水pH值低于未磁化組。這是由于PFS水解后產(chǎn)生了大量的[Fe4（H2O）6]、[Fe2（H2O）6]、[Fe（OH）2]等多核絡合物；此外，交頻磁場的作用增加了PFS溶液水解產(chǎn)物中Feb的比例，F(xiàn)eb通過吸附、架橋、交聯(lián)等作用[13-14]與造紙廢水中的膠體微粒凝聚并形成沉淀；PFS水解過程中產(chǎn)生大量Fe3+與Fe2+，磁化作用有利于Fe3+發(fā)生水解，生成Fe（OH）3膠體，其反應式：Fe3++3H2O Fe（OH）3+3H+；同時，交頻磁場作用有利于Fe2+發(fā)生沉淀反應，使Fe2+減少，H+增加，F(xiàn)e2+沉淀反應式：Fe2++2H2OFe（OH）2+3H+。

2.2 PFS投加量對出水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響

實驗中取質(zhì)量濃度分別為400、600、800、1000、1200 mg/L的PFS溶液，將PFS溶液置于磁化裝置中進行磁化，再進行造紙廢水混凝實驗。設定磁化條件：磁化強度12 mT、磁化頻率130 Hz、磁化時間5 min，PFS投加量對出水的余鐵及亞鐵含量和pH值的影響如圖5所示。由圖5可知，當PFS投加量大于1000 mg/L時，隨PFS投加量的增加，出水的余鐵和亞鐵含量均增加，出水pH值呈降低趨勢；當PFS投加量低于1000 mg/L時，廢水處理效果不佳（CODCr和色度達不到工業(yè)廢水排放標準GB3544—1992）。因此，選擇PFS投加量為1000 mg/L較適宜。

2.3 磁化強度對出水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響

PFS投加量為1000 mg/L，設定磁化頻率130 Hz、磁化時間5 min，磁化強度對出水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響如圖6所示。由圖6可知，磁化強度為3～9 mT時，出水的余鐵和亞鐵含量均逐漸增加，且出水pH值呈降低趨勢；當磁化強度增大到12 mT時，出水的余鐵和亞鐵含量降低；繼續(xù)增大磁化強度，出水的余鐵和亞鐵含量呈增加趨勢，pH值繼續(xù)降低。因此，選擇磁化強度為12 mT較適宜。

2.4 磁化頻率對出水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響

PFS投加量為1000 mg/L，設定磁場強度12 mT、磁化時間5 min，分析磁化頻率對出水余鐵及亞鐵含量和pH值影響，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨磁化頻率的增大，出水的余鐵和亞鐵含量先增大后減??；當磁化頻率為130 Hz時，混凝處理造紙廢水的效果最為明顯，故選擇磁化頻率為130 Hz較適宜。

2.5 磁化時間對出水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響

PFS投加量為1000 mg/L，設定交流變頻磁場強度12 mT、磁化頻率130 Hz，探究磁化時間對出水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，當磁化時間為5 min時，廢水處理效果最佳；繼續(xù)延長磁化時間，出水的余鐵和亞鐵含量呈增加趨勢。因此，選擇磁化時間為5 min較適宜。

2.6 有無磁化PFS對廢水處理效果的影響

分析有無磁化PFS對造紙廢水的余鐵及亞鐵含量和pH值的影響，實驗進一步分析在最佳條件（考慮到CODCr和色度值以及廢水處理效果，故選擇磁化強度12 mT、磁化頻率130 Hz、磁化時間5 min和PFS投加量1000 mg/L）對造紙廢水處理效果的影響如圖9所示。由圖9可知，磁化組PFS處理廢水， CODCr去除率和色度去除率均高于未磁化組；磁化組出水的CODCr和色度值分別降至51.3 mg/L，23.18度，而未磁化組出水CODCr和色度值分別為76.1 mg/L和36度；磁化組出水CODCr和色度的去除率分別較未磁化組提高了5.5個百分點和7.1百分點。磁化組出水余鐵和亞鐵的含量明顯低于未磁化組，由此得出磁化作用使PFS混凝劑被充分利用。磁化作用增加了鐵鹽水解產(chǎn)物中 Feb的比例，F(xiàn)eb為混凝過程中的有效成分，F(xiàn)eb的增加有利于PFS混凝性能的提高。

3 結(jié) 論

利用自制磁化裝置對聚合硫酸鐵（PFS）進行磁化，再對廢水進行混凝處理。對比有無磁化PFS對造紙廢水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響。

3.1 磁化組PFS混凝處理造紙廢水，最終出水的余鐵含量比未磁化組降低了47.6%；亞鐵含量比未磁化組降低了53.0%；磁化組出水的pH值低于未磁化組。磁化組中PFS充分參與混凝沉淀，最終出水的含鐵量低于未磁化組。

3.2 交頻磁場磁化PFS的最佳條件為磁化強度12 mT、磁化頻率130 Hz、磁化時間5 min且PFS投加量為1000 mg/L；處理廢水樣，最終出水的余鐵含量為0.688 mg/L，亞鐵含量為0.202 mg/L，水質(zhì)呈弱酸性；磁化組的CODCr和色度的去除率分別較未磁化組提高了5.5個百分點和7.1百分點。

3.3 外加交頻磁化條件使PFS充分參與混凝過程，大大得到提高了PFS的混凝效果，減少了水質(zhì)中鐵離子帶來的“二次污染”。

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