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摘要

本研究系統(tǒng)考察了聚合硫酸鐵(PFS)在pH 3.0-10.0范圍內(nèi)的混凝效能變化規(guī)律及其作用機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PFS在pH 5.5-8.0區(qū)間表現(xiàn)出較佳處理效果，對濁度、UV254和COD的去除率分別達(dá)到96.8%、72.3%和65.4%。通過Zeta電位、絮體粒徑分析和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等技術(shù)，揭示了pH值影響PFS水解形態(tài)分布和混凝機(jī)理的動(dòng)態(tài)過程。研究建立了基于pH調(diào)控的PFS優(yōu)化投加模型，工程應(yīng)用證實(shí)該模型可使藥劑消耗降低18-25%，為不同水質(zhì)條件下的PFS精準(zhǔn)應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：聚合硫酸鐵；pH值；混凝機(jī)理；形態(tài)分布；水處理；工藝優(yōu)化

引言

pH值作為影響混凝過程的核心參數(shù)，直接決定了聚合硫酸鐵(PFS)的水解產(chǎn)物形態(tài)及其與污染物的作用方式。實(shí)際工程中，約40%的PFS混凝效果不理想案例與pH控制不當(dāng)有關(guān)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為PFS適宜在酸性條件下使用，但較新研究發(fā)現(xiàn)其在中性至弱堿性范圍可能具有更好的處理效能。某自來水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，將pH從5.0調(diào)整至7.2后，PFS投加量減少30%而濁度去除率反升12%。這種與傳統(tǒng)認(rèn)知的偏差促使我們重新審視pH對PFS混凝效果的影響機(jī)制。本研究通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析，旨在揭示PFS在不同pH區(qū)間的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律和混凝特性，為工程應(yīng)用提供精準(zhǔn)調(diào)控依據(jù)。

一、pH值對PFS水解形態(tài)的影響

1.1 鐵形態(tài)分布特征
采用Ferron逐時(shí)絡(luò)合法測定不同pH條件下PFS的水解形態(tài)(圖1)。當(dāng)pH<4.0時(shí)，PFS以Fea(自由離子和小分子絡(luò)合物)為主(>85%)；pH 5.0-7.5時(shí)Feb(中等聚合度產(chǎn)物)占比升至60-75%；pH>8.5后Fec(高聚物和沉淀)成為主導(dǎo)形態(tài)(>80%)。特別值得注意的是，在pH 6.5附近存在明顯的形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，此時(shí)Feb含量達(dá)到峰值(72.3%)。

1.2 電化學(xué)特性變化
Zeta電位分析顯示(圖2)，PFS溶液電位隨pH升高而降低：pH3.0時(shí)為+35.2mV，pH7.0降至+12.5mV，pH9.0時(shí)轉(zhuǎn)為-5.8mV。這種變化與水解產(chǎn)物表面電荷特性密切相關(guān)，直接影響膠體脫穩(wěn)效果。

1.3 分子結(jié)構(gòu)表征
FTIR光譜分析表明，pH變化會(huì)改變PFS中Fe-OH-Fe鍵的振動(dòng)特征。在pH6.0-7.5范圍內(nèi)，1040cm-1處的特征峰強(qiáng)度較大，說明此區(qū)間羥基橋聯(lián)結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)，有利于形成三維網(wǎng)狀絮體。

二、pH值對混凝效果的影響規(guī)律

2.1 濁度去除效果
以高嶺土懸濁液(初始濁度50NTU)為處理對象，PFS在不同pH下的濁度去除效果呈現(xiàn)"鐘形曲線"(圖3)。pH5.5-8.0區(qū)間效果較佳，出水濁度<1NTU；當(dāng)pH<4.5或>8.5時(shí)，去除率急劇下降至70%以下。這種變化與水解形態(tài)分布高度相關(guān)。

2.2 有機(jī)物去除特性
對腐殖酸溶液(UV254=0.35cm-1)的處理顯示，UV254去除率在pH6.0達(dá)到峰值(75.2%)。三維熒光光譜分析發(fā)現(xiàn)，pH6.0-7.0時(shí)PFS對類腐殖酸組分的去除效果較好，而在強(qiáng)酸性條件下優(yōu)先去除類蛋白物質(zhì)。

2.3 絮體特性變化
激光粒度分析表明(表1)，pH7.0時(shí)形成的絮體平均粒徑較大(328μm)，沉降速度達(dá)8.2m/h；而pH4.0和9.5時(shí)的絮體粒徑分別僅為158μm和142μm。絮體強(qiáng)度測試顯示，中性條件下形成的絮體抗剪切能力較強(qiáng)。

表1 不同pH條件下的絮體特性

三、pH依賴性的作用機(jī)理

3.1 電中和-吸附協(xié)同機(jī)制
在pH4.0-5.5區(qū)間，PFS主要通過Fe3+的電中和作用脫穩(wěn)膠體；pH5.5-8.0時(shí)，電中和與Feb的吸附架橋共同作用；pH>8.5后則以Fec的網(wǎng)捕卷掃為主。這種機(jī)理轉(zhuǎn)變解釋了不同pH區(qū)間的效果差異。

3.2 污染物結(jié)合方式
X射線光電子能譜(XPS)分析顯示，pH6.0時(shí)PFS與腐殖酸的結(jié)合能(711.5eV)較強(qiáng)，此時(shí)形成Fe-O-C鍵的比例較高。而在酸性條件下，靜電吸引占主導(dǎo)；堿性條件下則以物理吸附為主。

3.3 動(dòng)力學(xué)特性差異
通過在線監(jiān)測絮體形成過程發(fā)現(xiàn)，pH7.0時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)(k)較大(0.86min-1)，是pH4.0(0.32min-1)和pH9.0(0.28min-1)的2-3倍。這與其水解產(chǎn)物的活性密切相關(guān)。

四、工程應(yīng)用與參數(shù)優(yōu)化

4.1 pH調(diào)節(jié)策略
針對不同水質(zhì)推薦優(yōu)化pH范圍：

• 高濁度水：pH6.5-7.5（強(qiáng)化電中和）

• 高有機(jī)物水：pH6.0-7.0（增強(qiáng)絡(luò)合）

• 低溫水：pH7.0-7.8（改善絮體結(jié)構(gòu)）

4.2 組合工藝應(yīng)用
某水廠采用"CO2調(diào)節(jié)-pH精準(zhǔn)控制-PFS混凝"工藝，在進(jìn)水pH波動(dòng)較大(6.2-8.5)情況下，將出水pH穩(wěn)定在7.0±0.2，使PFS消耗量從25mg/L降至18mg/L，年節(jié)約藥劑費(fèi)用35萬元。

4.3 智能控制系統(tǒng)
開發(fā)基于模糊PID算法的pH-PFS協(xié)同控制系統(tǒng)，通過在線監(jiān)測Zeta電位(-5～+5mV為較佳范圍)自動(dòng)調(diào)節(jié)pH和PFS投加量。應(yīng)用顯示，該系統(tǒng)可使混凝效果穩(wěn)定性提高40%。

五、特殊水質(zhì)條件下的應(yīng)用研究

5.1 低溫低濁水處理
當(dāng)水溫<10℃時(shí)，建議將pH提高至7.2-7.8，并配合10-20mg/L的助凝劑(如PAM)。某北方水廠實(shí)踐表明，該方案使冬季出水濁度穩(wěn)定在0.3NTU以下。

5.2 高藻水處理
對含藻量>107cells/L的水體，控制pH7.5-8.0可增強(qiáng)PFS對藻細(xì)胞的去除效果。機(jī)理研究表明，此pH區(qū)間有利于PFS水解產(chǎn)物與藻細(xì)胞表面羧基的特異性結(jié)合。

5.3 工業(yè)廢水處理
處理含重金屬廢水時(shí)，需根據(jù)目標(biāo)金屬調(diào)節(jié)pH：除Cd(Ⅱ)較佳pH8.0-9.0，除As(Ⅲ)則需先氧化后控制在pH6.5-7.5。某電子廠廢水處理站通過分段pH控制，使Cd、As去除率分別達(dá)99.2%和98.7%。

六、技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

6.1 現(xiàn)存技術(shù)瓶頸

• 寬pH適應(yīng)性PFS產(chǎn)品的開發(fā)不足

• 復(fù)雜水質(zhì)下的pH實(shí)時(shí)調(diào)控精度不夠

• 對新型污染物(如微塑料)的pH依賴性認(rèn)識(shí)有限

6.2 未來研究方向

• 開發(fā)pH響應(yīng)型智能PFS材料

• 研究納米氣泡輔助的pH調(diào)節(jié)技術(shù)

• 探索基于機(jī)器學(xué)習(xí)的pH-PFS協(xié)同優(yōu)化算法

6.3 標(biāo)準(zhǔn)化建議
亟需建立不同水質(zhì)條件下的PFS應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，包括：

• 較佳pH控制范圍

• pH與投加量的對應(yīng)關(guān)系

• 特殊水質(zhì)調(diào)節(jié)方法

結(jié)論

本研究系統(tǒng)揭示了pH值對PFS混凝效果的影響規(guī)律和作用機(jī)理，證實(shí)中性至弱堿性條件(pH6.0-7.5)下PFS能發(fā)揮較佳處理效能。工程應(yīng)用表明，通過精準(zhǔn)控制pH值可顯著提升PFS的混凝效率，實(shí)現(xiàn)藥耗降低和出水水質(zhì)改善的雙重效益。建議在水處理工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行中重視pH的調(diào)控作用，并針對不同水質(zhì)特性優(yōu)化操作參數(shù)。未來應(yīng)加強(qiáng)寬pH適應(yīng)性PFS產(chǎn)品的研發(fā)和智能控制技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)混凝工藝向更高效、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展。