摘要：為保證污染的快速有效處理，基于聚硅鐵（PSF）的優(yōu)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(yàn)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(shù)的選擇及其對過濾的影響進(jìn)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(guī)工藝下的去除效果，并利用掃描電鏡對其絮體進(jìn)行分析，最后觀察短時工藝對于實(shí)際生活污水的處理效果。結(jié)果表明，在混凝沉淀試驗(yàn)中，絮凝2 min、沉淀3 min時的PSF短時工藝就能達(dá)到與常規(guī)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(yàn)中，短時PSF工藝的濾后水水質(zhì)穩(wěn)定，平均CODCr去除率達(dá)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(jié)構(gòu)緊湊，顆粒粒徑大，具有更好的絮凝沉淀效果。在處理實(shí)際生活污水的試驗(yàn)中，投加量達(dá)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(guān)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(xiàn)標(biāo)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(zāi)害發(fā)生頻繁，這些自然災(zāi)害對地下管網(wǎng)的破壞率達(dá)到80%以上[1]，會導(dǎo)致災(zāi)區(qū)的生活污水不能夠及時處理，細(xì)菌病毒滋生傳播，從而對人們的健康造成極大的影響[2]。當(dāng)前我國的污水處理主要是通過排水管網(wǎng)收集生活污水至污水處理廠統(tǒng)一處理，這種方法構(gòu)筑物較多，流程較長，在短時間內(nèi)不能處理完成。因此，國內(nèi)外學(xué)者開始對靈活高效的污水應(yīng)急處理技術(shù)進(jìn)行研究[3-5]，但目前大多集中于反應(yīng)器的優(yōu)化，基于混凝劑自身進(jìn)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(fù)合型混凝劑[6]。與傳統(tǒng)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(shí)、易沉降[8-9]。聚合氯化鋁（PAC）因其適應(yīng)性好、吸附能力強(qiáng)、出水濁度低等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外被廣泛使用，占據(jù)了飲用水市場份額的95%[10-11]。

本文擬在PSF優(yōu)異的混凝性能的基礎(chǔ)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(yīng)急有效處理提供參考和借鑒。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室自制[12]（PSF質(zhì)量濃度為2.5 g/L，以Fe計(jì)），PAC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%）。

試驗(yàn)水樣采用自配模擬生活污水和濟(jì)南大學(xué)中水站實(shí)際生活污水，水質(zhì)見表1。

1.2試驗(yàn)裝置

采用ZR4-6混凝試驗(yàn)六聯(lián)攪拌器（深圳中潤公司）進(jìn)行燒杯試驗(yàn)。過濾試驗(yàn)采用自制過濾裝置，濾柱高1.5 m，內(nèi)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(shè)置溢流口。過濾裝置如圖1所示。

1.3試驗(yàn)方法

常規(guī)混凝沉淀工藝（下文稱為常規(guī)工藝）：混凝程序設(shè)定初始投加量為0.09 mmol/L，以250 r/min的轉(zhuǎn)速快速攪拌1 min，隨后以60 r/min的轉(zhuǎn)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(shè)定初始投加量為0.09 mmol/L，以250 r/min的轉(zhuǎn)速快速攪拌1 min，隨后以60 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3 min，最后沉淀2 min（絮凝時間和沉淀時間由2.1節(jié)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(yàn)：將常規(guī)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(jì)數(shù)值并換算成濾速，從出水口取水樣進(jìn)行濁度和CODCr的測定，待濾速降低至2 m/h時，計(jì)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(jiān)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(jié)果與討論

2.1PSF短時混凝沉淀工藝參數(shù)研究

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響短時PSF工藝混凝沉淀效果的參數(shù)主要涉及絮凝時間和沉淀時間，因此本試驗(yàn)主要針對絮凝時間和沉淀時間對濁度去除率的影響進(jìn)行短時混凝沉淀工藝的參數(shù)選擇，結(jié)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(xiàn)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(dāng)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(jīng)基本完成了對于濁度的去除，此時的絮凝作用已基本達(dá)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(xiàn)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(zhì)已經(jīng)達(dá)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(nèi)有良好的表現(xiàn)，是因?yàn)镻SF自身的空間結(jié)構(gòu)呈交聯(lián)支化網(wǎng)絡(luò)，形態(tài)尺寸及分形錐數(shù)較大[14-15]，具有比表面積大、吸附力強(qiáng)的特點(diǎn)，其吸附和架橋能力也得到增強(qiáng)，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(guī)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(guī)工藝去除率－短時工藝去除率）/常規(guī)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(xiàn)為急劇降低，在0.054 mmol/L之后為緩慢下降，逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)投加量為0.162 mmol/L時，短時PSF工藝與常規(guī)工藝的濁度去除差異率為0.59%，達(dá)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(dāng)投加量為0.090 mmol/L時，差異率上升至29.79%，而后繼續(xù)下降，在投加量為0.162 mmol/L時，與常規(guī)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(guī)工藝的差異率逐漸降低，當(dāng)投加量增加到0.162 mmol/L時，短時工藝與常規(guī)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(guī)工藝，這是因?yàn)椋海?）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(fā)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(wěn)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(zhuǎn)向網(wǎng)捕卷掃和吸附架橋作用，顆粒逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時間也變短[18]，短時混凝機(jī)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(fù)電荷的膠體粒子結(jié)合，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其網(wǎng)捕卷掃的作用，去除效率會增加，又因?yàn)镻SF較PAC引入了聚硅酸和Fe元素[19]，混凝產(chǎn)生的絮體大且密實(shí)，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(guī)工藝的過濾效果如表2所示。短時工藝同常規(guī)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(guī)PSF工藝縮短了32%，短時PAC工藝則相比常規(guī)PAC工藝周期縮短了50%。分析其原因?yàn)椋涸诹魉佥^高時，水流剪切力較大，濾料表面的雜質(zhì)顆粒受到的脫附作用更強(qiáng)，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(dǎo)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(fù)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(guī)工藝過濾出水的濁度去除率變化基本保持穩(wěn)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(xù)過濾處理產(chǎn)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(dá)到了常規(guī)工藝的水平，表現(xiàn)要遠(yuǎn)好于短時PAC工藝。

2.4絮體SEM分析

將混凝結(jié)束后的絮體進(jìn)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(tuán)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(tuán)比常規(guī)PSF工藝略微稀疏，但絮體形狀均呈團(tuán)狀或塊狀，較為密實(shí)，表面偏亮，噴金覆蓋不完全，發(fā)生荷電效應(yīng)，說明其表面凹凸不平，有利于增強(qiáng)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(guī)工藝中的絮體呈不規(guī)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(yuǎn)小于常規(guī)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(shí)，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(yōu)異的短時混凝沉降性能。

2.5短時混凝沉淀工藝處理實(shí)際生活污水的效果

短時工藝對實(shí)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(guī)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(dāng)投加量增加為0.162 mmol/L時，短時PSF的去除率為73.18%，常規(guī)PAC、PSF的去除率分別為82.27%和80.98%，短時PSF工藝與兩種常規(guī)工藝差距均縮小在了10%以內(nèi)，此時短時PAC工藝的去除率為45.3%，與常規(guī)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(guī)PAC、PSF工藝的差距均在10%以內(nèi)，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(fā)現(xiàn)，隨著投加量的增加，短時PSF工藝對實(shí)際水樣的濁度以及CODCr的處理效果要更接近于常規(guī)工藝，且要明顯優(yōu)于短時PAC工藝。

以投加量為0.162 mmol/L為準(zhǔn)，此時PSF的成本費(fèi)大概為0.053 1元/m3，PAC的成本費(fèi)大概為0.061 9元/m3，則每處理1 m3生活污水，可約節(jié)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(jié)省運(yùn)營成本以及設(shè)備成本。

3結(jié)論

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

（1）在短時工藝參數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，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(jīng)達(dá)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(guī)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(yàn)表明，PSF、PAC的短時工藝過濾周期比常規(guī)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(shí)際水樣處理試驗(yàn)表明，隨著投加量的增加，PSF短時工藝同常規(guī)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(guī)則，尺寸更大，沉降效果更好。

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