聚硅鐵短時混凝過濾應急工藝及效果

摘要：為保證污染的快速有效處理，基于聚硅鐵（PSF）的優異混凝效果及其絮體的快速沉淀性能，以模擬生活污水為試驗水樣，對短時混凝沉淀工藝（短時工藝）的絮凝和沉淀時間等參數的選擇及其對過濾的影響進行研究，對比研究聚硅鐵和聚合氯化鋁（PAC）在混凝過濾的短時和常規工藝下的去除效果，并利用掃描電鏡對其絮體進行分析，最后觀察短時工藝對于實際生活污水的處理效果。結果表明，在混凝沉淀試驗中，絮凝2 min、沉淀3 min時的PSF短時工藝就能達到與常規工藝較為接近的污染物去除水平。投加量為0.162 mmol/L時，濁度和CODCr平均去除差異率分別為0.59%和11.5%。在過濾試驗中，短時PSF工藝的濾后水水質穩定，平均CODCr去除率達到85.53%，比PAC短時工藝高了7.16%。掃描電鏡圖片表明短時PSF工藝的絮體比PAC絮體結構緊湊，顆粒粒徑大，具有更好的絮凝沉淀效果。在處理實際生活污水的試驗中，投加量達到0.162 mmol/L時，PSF短時工藝對于濁度和CODCr的去除效果比PAC短時工藝分別高了27.88%和11.11%。

關鍵詞：聚硅鐵；生活污水；短時混凝沉淀工藝；過濾效果

中圖分類號：X703文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2023）03-0135-08

Abstract∶In order to ensure the rapid， timely， and effective treatment of water pollution， based on the excellent coagulation effect of poly-Si-Fe（PSF） and the rapid precipitation performance of flocculation， and with simulated domestic sewage as the experimental water sample， we studied the flocculation and precipitation time parameters of the shortened coagulation precipitation process （shortened process） and their impacts on filtration through beaker experiments， compared the removal effects of PSF and polyaluminum chloride （PAC） under the shortened and conventional processes of coagulation filtration， and analyzed the flocs by scanning electron microscopy （SEM）. Finally， we observed the treatment effect of the shortened process on actual domestic sewage. The results show that in the coagulation sedimentation experiment， the PSF shortened process with 2 min of flocculation and 3 min of precipitation can reach the pollutant removal level close to that of the conventional process. With a dosage of 0.162 mmol/L， the turbidity and average CODCr removal rate are 0.59% and 11.5%， respectively. In the actual water treatment experiment， when the dosage reaches 0.162 mmol/L， the removal efficiencies of turbidity and CODCr by the PSF shortened process are 27.88% and 11.11% higher than that by PAC shortened process respectively. In the filtration experiment， the filtered water quality of the PSF shortened process was stable， and the average CODCr removal rate reached about 85%， 7% higher than the PAC shortened process. The SEM picture shows that the flocculation of PSF in the shortened process has a more compact structure and larger particle size than PAC catkins， thus better flocculation and precipitation effect.

Key words∶poly-Si-Fe; domestic sewage ; shortened coagulation filtration；filtering effect

我國洪水、地震等自然災害發生頻繁，這些自然災害對地下管網的破壞率達到80%以上[1]，會導致災區的生活污水不能夠及時處理，細菌病毒滋生傳播，從而對人們的健康造成極大的影響[2]。當前我國的污水處理主要是通過排水管網收集生活污水至污水處理廠統一處理，這種方法構筑物較多，流程較長，在短時間內不能處理完成。因此，國內外學者開始對靈活高效的污水應急處理技術進行研究[3-5]，但目前大多集中于反應器的優化，基于混凝劑自身進行研究的相對較少。

聚硅鐵（PSF）混凝劑是將金屬鐵鹽引入活化硅酸中得到的硅和金屬鹽的大分子復合型混凝劑[6]。與傳統混凝劑相比，PSF同時具有金屬離子的電性中和能力和聚硅酸的吸附橋架作用[7]，絮體礬花密實、易沉降[8-9]。聚合氯化鋁（PAC）因其適應性好、吸附能力強、出水濁度低等優點，在國內外被廣泛使用，占據了飲用水市場份額的95%[10-11]。

本文擬在PSF優異的混凝性能的基礎之上，提出一種靈活高效的短時混凝沉淀工藝（下文稱為短時工藝），以模擬生活污水為對象，以PAC為對比，考察該工藝的混凝沉淀處理效果，以期為污水的應急有效處理提供參考和借鑒。

1材料與方法

1.1試驗試劑

磷酸二氫鉀、氯化銨、葡萄糖、可溶性淀粉，均為分析純，PSF為實驗室自制[12]（PSF質量濃度為2.5 g/L，以Fe計），PAC（質量分數28%）。

試驗水樣采用自配模擬生活污水和濟南大學中水站實際生活污水，水質見表1。

1.2試驗裝置

采用ZR4-6混凝試驗六聯攪拌器（深圳中潤公司）進行燒杯試驗。過濾試驗采用自制過濾裝置，濾柱高1.5 m，內徑30 mm，承托層為厚約20 cm的鵝卵石，濾層為粒徑1～1.5 mm的石英砂，厚0.8 m，初始濾速為6 m/h，為保證等水頭過濾，在頂部設置溢流口。過濾裝置如圖1所示。

1.3試驗方法

常規混凝沉淀工藝（下文稱為常規工藝）：混凝程序設定初始投加量為0.09 mmol/L，以250 r/min的轉速快速攪拌1 min，隨后以60 r/min的轉速攪拌15 min，最后靜置沉淀15 min，取深度4 cm和10 cm處的水樣測定濁度和CODCr，并求平均值。

短時混凝沉淀工藝：混凝程序設定初始投加量為0.09 mmol/L，以250 r/min的轉速快速攪拌1 min，隨后以60 r/min的轉速攪拌3 min，最后沉淀2 min（絮凝時間和沉淀時間由2.1節確定），取深度4 cm和10 cm處的水樣測定濁度和CODCr，并求平均值。

過濾試驗：將常規工藝和短時工藝的混凝沉淀出水通入濾柱，每隔2 h讀取流量計數值并換算成濾速，從出水口取水樣進行濁度和CODCr的測定，待濾速降低至2 m/h時，計一個過濾周期。

濁度測定采用哈希濁度儀（美國Hach公司），CODCr測定參考《水和廢水監測分析方法》[13]，絮體表面形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM）（日本Hitachi公司）觀測。

2結果與討論

2.1PSF短時混凝沉淀工藝參數研究

前期試驗發現，影響短時PSF工藝混凝沉淀效果的參數主要涉及絮凝時間和沉淀時間，因此本試驗主要針對絮凝時間和沉淀時間對濁度去除率的影響進行短時混凝沉淀工藝的參數選擇，結果如圖2所示。

由圖2（a）可見，PSF對濁度的去除效果隨著絮凝時間的增加而增加，在3 min之前表現為急劇升高，濁度的平均去除率為92.5%；在3 min之后增速較為緩慢，當絮凝時間為15 min時，平均濁度去除率為97.5%，較3 min時的去除率只提高了5%。可以看出在混凝3 min時，就已經基本完成了對于濁度的去除，此時的絮凝作用已基本達到飽和。如圖2（b）所示，PSF對濁度的去除效果隨著沉淀時間的增加而增加，在2 min之前表現為急劇升高，平均濁度去除率為91.46%，在2 min之后緩慢上升，沉淀15 min時，平均濁度去除率為96.6%，較沉淀2 min時只高了5.2%，可以看出在沉淀2 min時，PSF對整體水質已經達到了較好的濁度去除效果。

綜上所述，短時工藝的絮凝時間選擇為3 min，沉淀時間選擇為2 min。PSF可以在較短的絮凝和沉淀時間內有良好的表現，是因為PSF自身的空間結構呈交聯支化網絡，形態尺寸及分形錐數較大[14-15]，具有比表面積大、吸附力強的特點，其吸附和架橋能力也得到增強，形成的絮體更大、密度更高、更容易沉降[16]。

2.2短時混凝沉淀工藝效果研究

PSF和PAC的短時工藝與常規工藝在不同投加量下的濁度去除差異率、CODCr去除差異率如圖3所示，其中，去除差異率=（常規工藝去除率－短時工藝去除率）/常規工藝去除率。

在濁度去除方面，濁度去除率在投加量0.054 mmol/L之前表現為急劇降低，在0.054 mmol/L之后為緩慢下降，逐漸趨于穩定。當投加量為0.162 mmol/L時，短時PSF工藝與常規工藝的濁度去除差異率為0.59%，達到最小，比短時PAC工藝的差異率低12.29%。

在CODCr的去除方面，對于短時PSF工藝，投加量從0.018 mmol/L增加為0.054 mmol/L時，CODCr的去除差異率從52.08%下降到18.99%，之后差異率有所上升，當投加量為0.090 mmol/L時，差異率上升至29.79%，而后繼續下降，在投加量為0.162 mmol/L時，與常規工藝的差異率最低，為11.5%，此時，短時PAC工藝的差異率為35.2%，比短時PSF工藝高23.7%。

綜上所述，隨著投加量的增加，短時工藝與常規工藝的差異率逐漸降低，當投加量增加到0.162 mmol/L時，短時工藝與常規工藝的差異率最小。且不管是低投加量還是高投加量的情況下，短時PSF工藝的效果都要比短時PAC工藝更貼近常規工藝，這是因為：（1）在低投加量下，PSF和PAC水解有效成分較少，與水中膠體顆粒較難發生劇烈碰撞，此時的混凝過程以吸附電中和作用為主，絮體形成緩慢且粒徑較小[17]。隨著投加量的增加，脫穩的粒子相互碰撞聚集，PSF和PAC更快地與顆粒吸附在一起，此時的混凝過程從吸附電中和轉向網捕卷掃和吸附架橋作用，顆粒逐漸增大，達到穩定值所需要的時間也變短[18]，短時混凝機理如圖4所示。（2）PSF和PAC在水解時會形成金屬氫氧化物，與帶負電荷的膠體粒子結合，構成網狀結構，發揮其網捕卷掃的作用，去除效率會增加，又因為PSF較PAC引入了聚硅酸和Fe元素[19]，混凝產生的絮體大且密實，吸附性能好，故PSF會比PAC具有更好的污染物去除性能。

2.3短時混凝沉淀工藝對過濾效果的影響

短時工藝和常規工藝的過濾效果如表2所示。短時工藝同常規工藝相比，過濾周期都有著不同程度的下降，短時PSF工藝的過濾周期比常規PSF工藝縮短了32%，短時PAC工藝則相比常規PAC工藝周期縮短了50%。分析其原因為：在流速較高時，水流剪切力較大，濾料表面的雜質顆粒受到的脫附作用更強，容易脫落并隨著水流穿透濾層[20-21]，并且濾前水中存在的絮體顆粒會隨著過濾時間的增加，堵塞濾柱，導致濾層的孔隙變小，截污能力下降，造成濾速下降，周期變短[22]。由于短時PAC工藝的濾前水中未沉降的絮體顆粒較多，在過濾前期濾層負荷較大，所以其濾后出水不如短時PSF工藝，且濾速下降較快，周期也變得更短。

對于濁度的去除方面，短時工藝和常規工藝過濾出水的濁度去除率變化基本保持穩定，效果相差不大。對于CODCr的去除方面，短時PAC工藝在過濾后對CODCr的平均去除率為76.37%，比短時PSF工藝低7.16%，并且隨著時間的增加，對CODCr的去除效果有下降的趨勢。

短時PSF工藝和短時PAC工藝雖然都對后續過濾處理產生了不同程度的影響，但短時PSF工藝在濁度和CODCr的去除方面，都達到了常規工藝的水平，表現要遠好于短時PAC工藝。

2.4絮體SEM分析

將混凝結束后的絮體進行冷凍干燥，置于掃描電子顯微鏡下觀測其表面形貌，如圖5所示。絮體粒徑可以反映出絮體的沉降性能，絮體大的沉降性能好，絮體較小的沉降性能較差[23]。團簇狀的絮體具有較大的比表面積[24]，對濁度、UV254和CODCr的去除效果較好[25]。雖然短時PSF工藝的絮團比常規PSF工藝略微稀疏，但絮體形狀均呈團狀或塊狀，較為密實，表面偏亮，噴金覆蓋不完全，發生荷電效應，說明其表面凹凸不平，有利于增強吸附能力；絮體粒徑較大，抗剪切能力較好。而PAC在短時工藝和常規工藝中的絮體呈不規則的小球狀或絲狀，粒徑較小，絮體較為分散且偏暗，說明其絮體表面單一平整，吸附能力較差，且短時PAC工藝下的絮體尺寸遠小于常規PAC工藝。

綜上所述，PSF的絮體比PAC的吸附能力更好，粒徑更大更密實，更容易沉降，對污染物的去除效果更好。故PSF有著比PAC更加優異的短時混凝沉降性能。

2.5短時混凝沉淀工藝處理實際生活污水的效果

短時工藝對實際水樣的處理效果如圖6所示。濁度去除方面，在投加量為0.09 mmol/L時，短時PSF工藝的去除率為49.62%，同常規PAC、PSF工藝相比分別低了9.47%、12.05%，差距較小，而短時PAC工藝的去除率則只有30.23%。當投加量增加為0.162 mmol/L時，短時PSF的去除率為73.18%，常規PAC、PSF的去除率分別為82.27%和80.98%，短時PSF工藝與兩種常規工藝差距均縮小在了10%以內，此時短時PAC工藝的去除率為45.3%，與常規工藝的差距仍較大。

在CODCr去除方面，在投加量為0.09 mmol/L時，短時PSF工藝的去除率為66.67%，比短時PAC工藝高了11.11%。在投加量為0.162 mmol/L時，短時PSF工藝的去除率為74.07%，同常規PAC、PSF工藝的差距均在10%以內，而短時PAC工藝的去除率只有62.96%，去除效果要明顯低于短時PSF工藝。

可以發現，隨著投加量的增加，短時PSF工藝對實際水樣的濁度以及CODCr的處理效果要更接近于常規工藝，且要明顯優于短時PAC工藝。

以投加量為0.162 mmol/L為準，此時PSF的成本費大概為0.053 1元/m3，PAC的成本費大概為0.061 9元/m3，則每處理1 m3生活污水，可約節省成本0.008 8元，同時短時工藝減少了混凝沉淀時間，會大大節省運營成本以及設備成本。

3結論

以模擬生活污水為試驗對象，提出了一種短時混凝沉淀工藝，通過與常規混凝沉淀工藝的對比，研究其工藝參數和效果及對過濾的影響，得出以下結論：

（1）在短時工藝參數研究中發現，在絮凝時間3 min和沉淀時間為2 min時，平均濁度去除率就已經達到了較好的去除效果，分別為92.5%、91.46%。

（2）短時混凝沉淀效果的研究表明，在低投加量0.054 mmol/L和高投加量為0.162 mmol/L時，短時PSF工藝與常規工藝的平均濁度去除差異率為14.47%和0.59%，平均CODCr去除差異率為18.99%和11.5%，均低于短時PAC工藝。過濾試驗表明，PSF、PAC的短時工藝過濾周期比常規工藝下降了32%和50%，短時PSF工藝濾后水中的濁度和CODCr的平均去除率為99.34%和83.54%，短時PAC工藝濾后水的濁度和CODCr的平均去除率則為97.47%和76.37%，雖然二者在濁度去除率方面都有著較好的效果，但在CODCr的去除方面短時PSF工藝的效果要好于短時PAC工藝。實際水樣處理試驗表明，隨著投加量的增加，PSF短時工藝同常規工藝的差距逐漸縮小，在投加量0.162 mmol/L時，PSF短時工藝對濁度和CODCr的去除率分別比PAC短時工藝高了27.88%和11.11%。

（3）短時PSF工藝的絮體比短時PAC工藝的絮體更為規則，尺寸更大，沉降效果更好。

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