Fenton污泥制備聚合硫酸鐵的中試試驗研究

周耘 武書彬

摘?要：以廣州造紙集團有限公司經Fenton法處理廢水后的污泥為原料，采用酸浸還原回收Fenton污泥中的Fe，進一步制備高效絮凝劑聚合硫酸鐵（PFS）。研究表明，Fenton污泥自然沉降至固含量8%～9%時，先用硫酸中和反應2 h，再加鐵屑還原反應2 h，可制備質量分數為25.0%～26.7%的硫酸亞鐵（FeSO4）溶液;該溶液經氯酸鈉氧化，成功制備出鹽基度為10.8%的聚合硫酸鐵（PFS）。并初步評價了所制備的PFS對廣州造紙集團有限公司廢水處理系統厭氧出水的絮凝效果。結果表明，當PFS用量為5 mL/L時，出水CODCr可降至260 mg/L，CODCr去除率達71.0%。

關鍵詞：Fenton污泥;聚合硫酸鐵;絮凝

中圖分類號：X793

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.05.013

Pilot Study on the Preparation of PFS from Fenton Treatment Sludge

ZHOU Yun1??WU Shubin2

（1.?Guangzhou Paper Group Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 511462;

2.?National Experimental Teaching Demonstration Center of Light Industry and

Food Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong Province， 510640）

（*Email： zhouyun@gzpaper.cn）

Abstract：The iron of Fenton sludge from Guangzhou Paper mill wastewater treatment system was recovered by using acid leaching， and high efficient flocculant polymeric ferric sulfate（PFS） was further prepared in pilot scale test.?The optimized conditions were found to be 2 h for first reaction with sulfuric acid neutralization and followed by 2 h iron reduction reaction， the solid concentrations of 25.0% to 26.7% ferrous sulfate solution was prepared.?For subsequent preparation of polymeric ferric sulfate（PFS） preparation， the ferrous sulfate solution was catalytic oxidized by sodium chlorate， the basicity of resulting PFS was 10.8%.?The flocculation effect of the prepared PFS on the anaerobic effluent of Guangzhou Paper mill was preliminarily evaluated.?The research showed that the effluent CODCr could be reduced to260 mg/L， the corresponding CODCr removal rate reached 71.0% when the addition amount of the prepared aqueous solution of PFS was 5 mL/L.

Key words：Fenton sludge; polymeric ferric sulfate （PFS）; flocculation

隨著環保形勢的日趨嚴峻和國家對工業廢水排放標準的進一步提高，目前常規的廢水處理工藝（如化學絮凝沉降、好氧厭氧處理等）都很難滿足新國家標準對污染物去除的要求[1]。廢水深度處理技術目前已經廣泛被企業采用，其中應用最多且最成熟的技術是Fenton法，其技術成熟，具有出水穩定、藥劑使用方便等優點[2-3]。Fenton法可對水體中有毒有害且難降解顏色較深的污染物具有較強的去除效果，但Fenton法處理廢水會產生大量的污泥（以下簡稱Fenton污泥）。Fenton污泥屬于化學污泥，且其中含有大量的金屬離子;目前污泥的處置一般直接經過焚燒處理，但是由于Fenton污泥中有機物的含量僅為20%～30%，熱值較低，大量的污泥焚燒會對企業焚燒鍋爐產生負擔，且焚燒后的燒渣已經被列為危險工業廢棄物[4]，之后的處置又是一難題。另一方面由于Fenton污泥中Fe含量在30%～50%，也是一種資源。因此急需開發一種新的污泥減量化、無害化和資源化的處置方法[5-6]。

據統計，3萬t/d廢水的Fenton處理系統，每天將產生20 t左右含水量為45%的Fenton污泥[7]。因此，研究開發Fenton污泥處理和資源化利用技術，具有重要的環保意義和使用價值。

聚合硫酸鐵（Polymeric ferric sulphate，PFS）又名堿式硫酸鐵，其化學通式為[Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]m，其中m=f（n），0.5<n<1。其具有價格低、礬花多、密度大等優點而被廣泛應用于廢水的絮凝處理[8]。目前按氧化方式不同，PFS的制備方法可歸納為：直接氧化法、催化氧化法、微生物氧化法。其中直接氧化法主要用硝酸、過氧化氫、次氯酸鈉、氯酸鈉或氯酸鉀等強氧化劑直接氧化硫酸亞鐵溶液，經水解聚合反應生成PFS[9]。其中氯酸鈉或氯酸鉀氧化設備簡單、操作簡便，產品穩定性好，因此本研究采用氯酸鈉氧化法制備PFS，其反應方程式為：

6FeSO4+NaClO3+（1-n/2）H2SO4→3[Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]+3（1-n/2）H2O+NaCl

本研究采用酸浸還原法回收Fenton污泥中的Fe，制備硫酸亞鐵（FeSO4）溶液，并將FeSO4回用于廢水的Fenton氧化處理系統，剩余的FeSO4可進一步制備PFS。

1?實?驗

1.1?實驗原料

Fenton污泥，取自廣州造紙集團有限公司Fenton系統污泥調理池，經自然沉降后得到，固含量為9%，其中Fe（OH）3含量為6.11%;工業硫酸（質量分數98%），取自Fenton系統;氯酸鈉等化學藥劑為化學純試劑;鐵屑，取自廣州造紙集團有限公司機械車間，為無規則車床鐵屑，寬度約0.8 cm，長度1～3 cm，鐵含量不低于85%。

1.2?主要儀器

IS50傅里葉變換紅外光譜儀，美國賽默飛公司;50 L玻璃反應釜，鞏義予華儀器公司;配加熱攪拌、藥液滴加和制冷系統;六聯電動攪拌器，常州澳華儀器有限公司。Fw-4壓片機，天津。

1.3?試驗方法

1.3.1?方法與規模

方法：Fenton污泥自然沉降至固含量為8%～9%時，先用硫酸中和反應2 h，再加鐵屑還原反應2 h，制備質量分數為25%～26.7%的FeSO4溶液，該溶液經氯酸鈉氧化，制備出鹽基度為10.8%的聚合硫酸鐵（PFS）。

規模：濃縮污泥制備FeSO4溶液在1 m3反應罐中進行，控制污泥加入量為500 L左右，制備PFS在50 L玻璃反應釜中進行，一次反應可得PFS約60 kg。

1.3.2?測試與分析

（1）化學需氧量（CODCr）

化學需氧量采用重鉻酸鉀法檢測[10]。首先將少量硫酸汞粉末加入COD測試管中，以消除氯離子干擾，然后依次準確加入2.0 mL水樣和3.0 mL重鉻酸鉀消解液，再將其放入消解儀中，在150°C下消解2 h，最后待其自然冷卻后用水質分析儀測量CODCr值。

（2）鹽基度

鹽基度的測量參考國家標準GB/T 14591—2016中的方法進行。

（3）全Fe含量

全Fe含量的測定采用重鉻酸鉀法。試驗中全Fe含量按照公式（1）計算全Fe的質量分數，用ω1表示。

ω1（%）=V·c·M1000m （1）

式中，V為滴定消耗重鉻酸鉀標準溶液的體積，mL; c為重鉻酸鉀標準溶液濃度，mol/L;M為鐵的摩爾質量， 55.85 g/mol。

（4）傅里葉紅外光譜（FTIR）分析

將干燥后的PFS與KBr（光譜級）按1∶100（質量比）充分混合并在壓片機上壓制成的透明薄膜，然后采用傅里葉變換紅外光譜儀測定PFS的化學結構。測試條件為：以空氣為背景，光譜掃描范圍400～4000 cm-1，掃描次數32次，分辨率為4 cm-1。

2?結果與討論

2.1?濃縮污泥制備FeSO4工藝優化

實驗室小試采用的是板框壓濾后的污泥（含水率約60%），中試試驗若直接采用板框壓濾后的污泥，一則是污泥可能再次溶化、分散需要較長時間，增加了過程能耗;二則可能降低Fe的提取率。因此，在中試試驗過程中，直接采用調理后的污泥，在自然沉降下，污泥最高可濃縮到固含量9%，呈流體狀態，便于泵輸送。

2.1.1?硫酸與污泥的質量比對Fe提取率的影響

根據理論計算，提取1 kg絕干污泥中的Fe（以Fe（OH）3存在），需要消耗0.94 kg的硫酸（質量分數98%）。然而，硫酸不僅與Fe（OH）3反應，還會與其他金屬氧化物和有機物反應。因此，實際所需硫酸用量大于理論計算的用量。

圖1為硫酸與污泥的質量比對Fenton污泥Fe提取率的影響。采用9%的濃縮污泥進行中試試驗，探討硫酸與污泥的質量比對Fe提取率的影響時，考慮到反應體積增大等因素，為實現充分反應，邊加酸邊攪拌，加酸結束后再攪拌1 h，然后在反應池中靜置一定的時間，保證反應進行徹底。中試試驗過程發現，當硫酸與污泥的質量比低于0.9∶1（即1 kg絕干污泥需加0.9 kg質量分數98%的硫酸）時，還可明顯看到呈紅褐色的污泥，污泥絮凝體基本沒有被破壞，靜置后，污泥的沉降體積與加酸之前也沒有明顯改變。當硫酸與污泥的質量比大于0.9∶1時，污泥變為黑灰色，沉降體積也顯著減小，這表明污泥的絮凝結構已被破壞，污泥中的Fe和其他物質被溶解出來。從圖1可以看出，在硫酸與污泥的質量比為0.9∶1時，Fe的提取率為90%，當硫酸與污泥的質量比為1.0∶1時，Fe的提取率達到95%。此時，再提高硫酸與污泥的質量比，Fe提取率的上升空間有限，且過高的硫酸用量，對后續制備FeSO4和PFS帶來影響。

2.1.2?反應時間對Fe提取率的影響

試驗過程中，濃縮后Fenton污泥在攪拌下加酸，加酸后開始計時，硫酸與污泥中的Fe反應理論上比較快，但實際中受污泥中有機物以及反應均一性的影響，與理論結果有差異。為保證反應進行徹底，提高Fe的提取率，結合小試的結果，中試試驗設定的Fe提取率≥86%的目標，圖2為反應時間對Fe提取率的影響。從圖2可以看出，控制反應總時長≥2 h，Fe提取率均可達到目標值，考慮到續批操作的運行間隔和生產效率，設定反應時間為2 h。

2.1.3?硫酸質量分數對Fe提取率的影響

在硫酸與污泥的質量比為1.0∶1、反應時間2 h的條件下，硫酸質量分數對Fe提取率的影響見圖3。

從圖3可知，硫酸質量分數對Fe提取率沒有明顯的影響，Fe提取率都在88%左右。當硫酸質量分數在70%以上時，提取液的過濾性能下降，這可能與濃硫酸加入時，加入速度的控制不佳，造成短時局部碳化問題有關。

2.2?中試試驗系統建立及運行分析

結合前面的試驗數據，硫酸與污泥的質量比為1.0∶1，雖然適當延長反應時間，Fe提取率可達95%以上，但考慮到生產效率等綜合因素，在中試試驗中，將酸提階段的硫酸與污泥的質量比定為1.1∶1，以加速酸提過程的反應速率，同時也可以保證足夠量的硫酸，以抵充生產過程中的物料波動和損失。基于上述結果，設計中試試驗工藝流程見圖4。

從圖4可知，濃縮污泥通過泵輸入酸提反應罐，進料結束后，在攪拌（轉速120 r/min）下緩緩加入濃硫酸，使其快速混合，防止局部硫酸濃度過高產生碳化問題。控制好硫酸的加入速度，保證污泥在反應罐分散均勻及與硫酸的充分混合，有助于提高酸提反應效率。

圖5為Fenton污泥提Fe中試試驗現場照片。當500 L污泥輸送至酸提反應罐后，在攪拌下緩慢加入一定質量分數的硫酸，采用紅外測溫儀測量酸提反應罐中溶液的溫度，通過控制加酸速度，控制反應罐內溫度不超過85℃，實際操作中，酸提反應溶液的溫度最高可達到83℃，比小試操作的溫度約高20℃。因此，這一步反應過程無需外加熱，就可使從酸提到還原的反應過程均在較高的溫度下進行，有利于生產效率的提高。

在沒有加硫酸時濃縮污泥的黏度較大，隨著硫酸的加入和反應的進行，濃縮污泥從非牛頓流體向牛頓流體轉變，這種轉變有利于硫酸的稀釋和促進反應的進行。酸提反應后，濃縮污泥已完全轉變為牛頓型流體，溶液呈黑色，這與污泥中有機物的氧化有關。

酸提反應完成后，將酸提液抽入還原反應罐中，加入過量鐵屑。還原反應完成后，可以明顯看到溶液的顏色變淺，這可能與H+被Fe還原成H2有關，也受鐵屑溶解后剩余的殘渣影響。反應產生H2釋放的氣泡，附著在一些污泥懸浮物上，上浮到液體表面，有利于懸浮物的分離，另外，鐵屑反應完后剩余的殘渣也具有很強的吸附性能，使產品溶液變得清澈。

表1為中試試驗結果。表1的結果表明，為使還原反應后得到的FeSO4溶液濃度達到商品硫酸亞鐵的要求（FeSO4·7H2O，30%），硫酸的用量應同時考慮Fenton污泥提取Fe所需硫酸用量和補充Fe（使產品濃度達標）所需的硫酸用量;還原過程中產生大量的氣泡，所需補充的Fe越多，硫酸消耗量越大，產生的泡沫也就越多，在后續的示范工程中應考慮這些氣體生產量的理論收集、控制和利用。

根據上述試驗所獲數據及化學計量關系，筆者對采用不同濃度Fenton污泥生產目標產品（FeSO4·7H2O，30%）所需的硫酸和Fe進行了理論計算分析，并核算了其成本，分析結果見表2。從表2可以看出，隨著污泥濃度的提高，酸提所得的Fe3+含量增加，所需補充的Fe含量減小，補Fe所需的硫酸也減少。雖然總體的硫酸用量隨污泥濃度提高而增加，但總的硫酸與污泥質量比卻不斷減小。當污泥濃度提高到120 g/L時，不再需要補充Fe和硫酸即可使最終的硫酸亞鐵溶液達到產品目標，此時，硫酸用量僅為提Fe所需用量。

隨著Fenton污泥濃度提高，硫酸消耗量（質量分數98%）不斷上升，而Fe的消耗量不斷下降，且Fe消耗量的下降速率快于硫酸消耗量（質量分數98%）的上升速率，此外鐵屑的單位價格成本是硫酸（質量分數98%）的2倍左右。因此，使得制備硫酸亞鐵溶液（FeSO4·7H2O，30%）的總成本隨Fenton污泥濃度的提高而下降。這為生產上進一步降低成本提供了一種途徑。

依照表2的估算，若要保證污泥濃度在90～100 g/L時，原料成本約為106元/ m3污泥。需要注意的是，成本估算過程中，Fe的消耗量是指單純的Fe消耗量，而鐵屑中的Fe含量取決于鐵屑的類型和品質。因此，在今后的示范工程和實際生產過程中應對鐵屑的品質作出要求。

2.3?FeSO4制備PFS的中試試驗研究

2.3.1?制備PFS過程控制

在如圖6所示的玻璃反應釜裝置上制備PFS。量取一定量的硫酸亞鐵溶液加入到體積為50 L的玻璃反應釜中，加入一定量的中試試驗自制的硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O），再加入一定量的質量分數98%的硫酸，使n[SO2-4]∶n[Fe2+]=1∶1.35，加入一定量的氧化劑氯酸鈉，使n（NaClO3）∶n（Fe2+）=1∶1.05，在溫度60℃下反應一定的時間，控制硫酸和氯酸鈉的加入速度，采用滴加方式，有利于控制所制備的PFS的鹽基度等性能。

2.3.2?合成PFS理化特性

中試制備的PFS的主要性能為：外觀紅棕色，密度1.54 g/cm3，固含量27%，全Fe含量10.78%，鹽基度10.8%，指標符合國家標準GB/T14591—2016中的要求，其FTIR譜圖見圖7。

由圖7可以看出，在3190～3500 cm-1處特征峰，屬于—OH伸縮振動峰[11]，3421～3430 cm-1特征峰表現為水分子伸縮振動峰[12]，在1630～1634 cm-1處的特征峰表現為水與混凝劑結合鍵的彎曲振動[13]，在1628 cm-1處峰表現為PFS中—OH的伸縮振動峰。在1227～1380cm-1處特征峰為Fe—OH的伸縮振動峰，在1080～1300 cm-1和610～680 cm-1處為SO2-4的吸收峰對應著SO和（或）OSO的伸縮振動，996 cm-1為Fe—O—Fe鍵的吸收峰[14]。483 cm-1左右出現的峰為Fe—O鍵的拉伸振動峰。PFS的FTIR譜圖表明，PFS是由羥基相互連接起來的高分子聚合物[15]。

2.3.3?制備的PFS對厭氧出水的絮凝效果初步評價

采用六聯電動攪拌器對中試制備的PFS絮凝劑進行了初步評價。取一定體積的廣州造紙集團有限公司廢水處理系統的厭氧出水，在200 r/min的攪拌速率下緩慢加入一定量的PFS，攪拌3 min后加入2 mL 0.1% 聚丙烯酰胺（PAM）助凝劑，繼續攪拌1 min，再降低攪拌速率為80 r/min，繼續攪拌15 min，結束后靜置30 min，取上清液進行檢測。

圖8 為PFS用量對厭氧出水處理的影響。從圖8中可以看出，隨著PFS用量的增加，CODCr先降低后上升，主要原因是PFS加入后形成水解產物，隨著水解產物濃度的增加，對廢水中的膠體通過電中和、吸附架橋和網捕卷掃作用增加[16]，從而CODCr明顯降低，當PFS用量大于5 mL/L（每升待處理廢水需要加入固含量為27%的PFS的體積）時，水解產物濃度過高，不利于絮凝[17]。

絮凝試驗表明，當每升廢水中加入5 mL固含量27%的PFS時，絮凝處理后，上清液的CODCr濃度由900 mg/L降為260 mg/L，CODCr去除率可達71%。這為采用自制PFS絮凝劑直接處理一部分厭氧出水、簡化處理流程、降低廢水處理成本指出了一個方向。

3?結?論

以廣州造紙集團有限公司經Fenton法處理廢水后的污泥為原料，采用酸浸還原回收Fenton污泥中的Fe，進一步制備高效絮凝劑聚合硫酸鐵（PFS）。

（1）酸提最佳工藝為：Fenton污泥自然沉降至濃度為8%～9%，酸提反應2 h，還原反應2 h，制備硫酸亞鐵濃度為25%～26.7%。

（2）采用自制的硫酸亞鐵溶液，氯酸鈉為氧化劑，控制SO2-4與Fe2+的摩爾比為1∶1.35，氯酸鈉與 Fe2+的摩爾比為1∶1.05時，成功合成了固含量為27%、全Fe含量為10.78%、鹽基度為10.8%、性質穩定的PFS。

（3）合成的PFS作為高效絮凝劑，用于處理廢水處理系統的厭氧出水，當每升廢水中加入5 mL固含量為27%的PFS時，混凝處理后上清液的CODCr濃度由900 mg/L降為260 mg/L，CODCr去除率可達71.0%。

參?考?文?獻

[1]?Paper industry waste water discharge and chemical oxygen demand emissions have the largest decline but still rank first in various industrial sectors[J]. Paper and Paper Making， 2015（1）： 82

造紙行業廢水排放量和化學需氧量排放量降幅最大但仍居各工業行業之首[J]. 紙和造紙， 2015（1）： 82.

[2]?Li Jun， Wang Lei， Peng Feng. Experimental Study on Fenton Oxidation/Coagulation Process in Subsequent Treatment of Landfill Leachate[J]. China Water & Wastewater， 2008， 24（3）： 64.

李?軍， 王?磊， 彭?鋒. Fenton氧化/混凝法后續處理垃圾滲濾液研究[J]. 中國給水排水， 2008， 24（3）： 64.

[3]?Xie Cheng， Yan Bo， Wei Chaohai. Removal of major organic pollutants in coking wastewater by Fenton oxidation pretreatment[J]. Acta Scientiae Circumstantiae， 2007， 27（7）： 1101.

謝?成， 晏?波， 韋朝海. 焦化廢水Fenton氧化預處理過程中主要有機污染物的去除[J]. 環境科學學報， 2007， 27（7）： 1101.

[4]?Zhang Yanxia， Zhang Weiling， Chen Tai. Study on Characteristics and Treatment Technology of Papermaking Wastewater[J]. China Science and Technology Review， 2013（37）： 43.

張艷霞， 張偉令， 陳?苔. 造紙廢水特性及處理技術研究[J]. 中國科技博覽， 2013（37）： 43.

[5]?Wan Jinquan. Advanced treatment technology and practice of contemporary pulp and paper wastewate[J]. China Pulp & Paper Industry， 2011（3）： 18.

萬金泉. 當代制漿造紙廢水深度處理技術與實踐[J]. 中華紙業， 2011（3）： 18.

[6]?Wang Ruyi， Fang Weizhong. Review on development of advanced treatment technology of papermaking wastewater[J]. Hunan Pulp & Paper， 2010（2）： 25.

王如一， 方偉忠. 制漿造紙廢水深度處理技術的發展[J]. 湖南造紙， 2010（2）： 25.

[7]?Hua Wen. Fenton wastewater treatment sludge disposal and recovery of iron salts using technology[D]. Guangzhou： South China University of Technology， 2017.

華?文. 廢水Fenton處理污泥的處置與鐵鹽回收利用技術研究[D]. 廣州： 華南理工大學， 2017.

[8]?Gu Shiguo， Lian Fei， Zhang Yikang， et al. The Changes of Residual Iron and p H Value in Papermaking Waste Water Treated with Magnetized PFS[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2018， 33（4）： 7.

顧時國， 廉?菲， 張義康， 等. 潘梅. 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[J]. 中國造紙學報， 2018， 33（4）： 7.

[9]?Balcioˇglu I A C F. Treatability of kraft pulp bleaching wastewater by biochemical and photocatalytic oxidation[J]. Water science and technology， 1999， 40（1）： 281.

[10]?Wei Fusheng， Bi Tong， Qi Wenqi. Water and wastewater detection and analysis methods[M]. 4th edition. Beijing： China Environmental Science Press， 2002.

魏復盛， 畢彤， 齊文啟. 水與廢水檢測分析方法[M]. 4版. 北京： 中國環境科學出版社， 2002.

[11]?Robert M Silverstein， Francis X Webster， David J Kiemle. Spectrometric Identification of Organic compounds[M]. 7th Edition. John Wiley & Sons， Inc.， 2007.

[12]?Weng Shifu. Fourier transform infrared spectroscopy analysis[M]. Beijing： Chemical Industry Press， 2010.

翁詩甫. 傅里葉變換紅外光譜分析[M]. 北京： 化學工業出版社， 2010.

[13]?Fu Ying， Yu Shuili， Han Chunwei. Morphology and coagulation performance during preparation of polysilicicferric （PSF） coagulant[J]. Chemical Engineering Journal， 2009， 149（1）： 1.

[14]?L B. The infrared spectra of complex molecules[M]. Springer Science & Business Media， 2013.

[15]?Fu Ying， Yu Shuili. Characterization and phosphorus removal of polysilicicferric coagulant[J]. Desalination， 2009， 247： 442.

[16]?Li Fengting. Discussion on the Application Status and Problems of Coagulants in China[J]. Water Purification Technology， 2018， 37（7）： 1.

李風亭. 我國混凝劑應用現狀及問題探討[J]. 凈水技術， 2018， 37（7）： 1.

[17]?Yang Dongkui， Huang Wenbo， Zhu Shunguang， et al. The Preparation of Polymerization of Ferric Sulfate and the Process Study of the Reduction of Secondary waste residue[J]. Environmental technology， 2018， 31（1）： 30.

楊東奎， 黃文博， 朱順廣， 等. 聚合硫酸鐵的制備及二次廢渣減量化處理的工藝研究[J]. 環境科技， 2018， 31（1）： 30.CPP