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摘要

本文系統闡述了聚合硫酸鐵(PFS)在污水處理全過程中的作用機理、反應路徑和工程應用。研究表明，PFS通過"電中和-吸附架橋-網捕卷掃"三重協同機制，可實現對污水中懸浮物(去除率>95%)、有機物(COD去除率60-75%)和重金屬(去除率85-99%)的高效去除。研究詳細解析了PFS從藥劑溶解、水解聚合到絮體形成與分離的完整反應鏈條，揭示了其在不同水質條件下的較佳投加范圍(20-80mg/L)和pH控制區間(6.5-8.0)。工程案例分析顯示，合理應用PFS可使污泥產量減少30-40%，處理成本降低25%以上，為市政污水和工業廢水處理提供了經濟高效的技術方案。

關鍵詞：聚合硫酸鐵；污水處理；混凝機理；絮體形成；參數優化；污泥減量

引言

在水污染治理領域，化學混凝作為核心處理單元，其效果直接影響后續工藝的運行負荷和較終出水水質。聚合硫酸鐵(PFS)作為第三代無機高分子混凝劑，憑借其礬花密實、沉降速度快、適用pH范圍廣等優勢，已廣泛應用于各類污水處理系統。據統計，我國市政污水處理廠中約65%采用PFS或其復合藥劑作為主要混凝劑，工業廢水處理領域應用比例更高達82%。某10萬噸/日規模污水廠的運行數據顯示，與傳統鋁鹽相比，PFS可使污泥體積減少35%，藥劑費用節省28%，展現出顯著的技術經濟優勢。本文將深入剖析PFS處理污水的完整過程，從分子層面的反應機理到工程尺度的工藝控制，為污水處理優化運行提供理論指導和技術參考。

一、PFS的物理化學特性與混凝機理

1.1 分子結構與基本性質
PFS是一種由[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m表示的多核聚合物，其典型特征包括：

• 鹽基度(12-16%)：反映羥基與鐵的摩爾比，決定聚合物電荷密度

• 鐵含量(11-13%)：影響混凝劑的有效成分含量

• 密度(1.45-1.52g/cm³)：高于傳統混凝劑，有利于絮體沉降

• pH值(2.0-3.0)：酸性條件下保持穩定

1.2 混凝作用的三重機制
（1）電中和作用：PFS水解產生的[Fe(OH)]2+、[Fe2(OH)2]4+等高正電荷離子，可有效中和膠體顆粒表面負電荷，壓縮雙電層。Zeta電位測試顯示，投加PFS后膠體電位可從-25mV升至-5mV，達到臨界脫穩狀態。

（2）吸附架橋：PFS中的多核羥基聚合物在顆粒間形成"鐵氧橋"，通過分子鏈上的活性位點同時吸附多個顆粒。原子力顯微鏡觀測證實，這種架橋作用可使顆粒間距從200nm縮短至50nm以下。

（3）網捕卷掃：當PFS投加量足夠時，形成的Fe(OH)3沉淀物構成三維網狀結構，在沉降過程中機械截留微小顆粒。激光粒度分析表明，該過程可有效捕獲0.1-1μm的細微懸浮物。

二、PFS處理污水的完整過程

2.1 藥劑溶解與擴散階段
固態PFS投入水中后經歷溶解過程，其速率受以下因素影響：

• 水溫：20℃時完全溶解需8-10分鐘，30℃時縮短至3-5分鐘

• 攪拌強度：推薦G值150-250s?¹

• 產品形態：液體PFS(10-12%含量)可直接投加，省去溶解環節

2.2 水解聚合反應階段
溶解后的PFS發生系列水解-聚合反應，主要路徑為：
Fe3+ + H2O → [Fe(OH)]2+ + H+ (K1=10?²·?)
[Fe(OH)]2+ + H2O → [Fe(OH)2]+ + H+ (K2=10?³·²)
2[Fe(OH)]2+ → [Fe2(OH)2]4+ (Kp=10²·?)

該階段產生多種水解產物，其分布比例直接影響混凝效果。Ferron逐時絡合測定顯示，在典型污水條件下(pH7.0)，PFS水解產物中單核物種(Fea)占15-20%，中等聚合物(Feb)占60-70%，高聚物(Fec)占10-20%。

2.3 顆粒脫穩與絮體形成
污染物顆粒與PFS水解產物的相互作用包括：

• 初始吸附：0.5-1分鐘內完成，主要靠靜電作用

• 絮體成長：5-15分鐘，通過架橋作用形成微絮體(50-100μm)

• 絮體成熟：15-30分鐘，微絮體碰撞聚并形成宏觀礬花(300-500μm)

在線監測顯示，該過程分形維數從1.6(松散結構)增至1.9(密實結構)，沉降速度相應從2m/h提升至8m/h以上。

2.4 絮體分離階段
成熟絮體通過以下方式從水中分離：

• 重力沉降：在二沉池中完成，表面負荷0.8-1.2m³/(m²·h)

• 氣浮分離：適用于輕質絮體，溶氣壓力0.3-0.5MPa

• 過濾截留：用于深度處理，濾速4-6m/h

三、關鍵工藝參數控制

3.1 投加量優化
PFS較佳投加量取決于污水特性：

• 市政污水：20-40mg/L

• 工業廢水：40-80mg/L

• 高濃度有機廢水：80-120mg/L

可通過燒杯試驗確定具體劑量，通常控制Zeta電位在-5～+5mV范圍。某紡織廢水處理案例顯示，當PFS從50mg/L增至80mg/L時，色度去除率從85%提升至96%，但繼續增加至100mg/L僅提高至97%，得不償失。

3.2 pH值調控
PFS在不同pH區間的混凝機理：

• pH<5：以電中和為主

• pH5-8：電中和與吸附架橋協同

• pH>8：以網捕卷掃為主

實際運行中建議控制pH6.5-8.0，可通過投加石灰或酸進行調節。某食品廠廢水處理站將pH從5.2調至7.0后，PFS用量減少35%而COD去除率反升12%。

3.3 攪拌條件設置
合理的攪拌程序對絮體形成至關重要：

• 快速混合：G值300-500s?¹，時間1-2分鐘

• 慢速絮凝：G值30-60s?¹，時間15-25分鐘

• 靜止沉降：時間20-30分鐘

四、對不同污染物的去除特性

4.1 懸浮物去除
PFS對SS的去除效果很佳，通常可達90-98%。其特點包括：

• 形成絮體密實，沉降速度快(6-10m/h)

• 對膠體顆粒(0.1-1μm)去除效果好

• 低溫適應性優于鋁鹽

4.2 有機物去除
對污水中有機物的去除規律：

• 分子量>10000Da：去除率80-90%

• 分子量1000-10000Da：去除率60-80%

• 分子量<1000Da：去除率30-50%

三維熒光光譜分析顯示，PFS對類腐殖酸物質的去除效果優于類蛋白物質。

4.3 重金屬去除
對常見重金屬的去除效率：

• As(Ⅴ)：>95%(pH6-7)

• Cd(Ⅱ)：90-98%(pH8-9)

• Cr(Ⅵ)：需先還原后處理，去除率85-95%

• Pb(Ⅱ)：95-99%(pH6-8)

4.4 除磷性能
PFS具有優異的除磷能力：

• 正磷酸鹽：去除率>90%(摩爾比Fe/P=1.5-2.0)

• 有機磷：去除率70-85%

• 總磷：出水可達0.3mg/L以下

五、工程應用案例分析

5.1 市政污水處理
某10萬噸/日污水廠采用PFS強化一級處理：

• 投加量：25mg/L

• 出水SS：<15mg/L(去除率93%)

• 污泥產率：0.45kgDS/kgSS
  較原鋁鹽工藝，年節約藥劑費用58萬元。

5.2 印染廢水處理
某印染廠(5000m³/d)采用PFS混凝-氣浮工藝：

• 投加量：60mg/L

• 色度去除：從3000倍降至50倍

• COD去除：45%(從800mg/L降至440mg/L)
  配合后續生化處理，較終出水COD<80mg/L。

5.3 電鍍廢水處理
PFS用于含鎳廢水處理：

• 控制pH8.5-9.0

• PFS投加80mg/L

• 鎳殘留：<0.5mg/L(原水25mg/L)

• 污泥重金屬固定率：>99%

六、技術經濟比較與發展趨勢

6.1 與傳統混凝劑對比
表1 PFS與常用混凝劑性能比較

6.2 技術發展趨勢

• 改性PFS：如稀土摻雜提高對特定污染物的去除效果

• 復合藥劑：與PAM等復配提升絮體性能

• 智能投加：基于水質在線監測的自動控制系統

• 污泥資源化：回收PFS污泥中的鐵和磷

6.3 運行優化建議

• 定期進行燒杯試驗調整投加量

• 監控pH和Zeta電位等關鍵參數

• 關注污泥性狀變化(如SVI、含水率)

• 建立完整的運行數據記錄與分析系統

結論

PFS作為一種高效、經濟的污水處理藥劑，通過多重作用機制實現對各類污染物的有效去除。在實際應用中，需根據污水特性和處理要求，優化控制投加量、pH值和攪拌條件等關鍵參數。工程實踐表明，合理使用PFS可顯著提高處理效果，降低運行成本，減少污泥產量。未來隨著改性技術和智能控制的發展，PFS在污水處理領域的應用前景將更加廣闊。建議污水處理廠加強過程監控和數據分析，不斷優化PFS的應用效能，為水環境治理提供更可靠的技術保障。