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高效絮凝剂生物聚合硫酸铁的制备及性能研究

发布时间:2016年6月12日     点击数:1792

1引言

混凝过程是给水和废水处理众多工艺流程中不可缺少的前置单元操作技术。混凝处理效果的好坏往往决定着后续过滤过程的效果,进而影响整个水净化工艺的出水质量和处理费用。混凝过程的关键在于选用合适的混凝剂(絮凝剂)以及适当的投加剂量。因此,近年来水处理工作者在研究制备高效、价廉的混凝剂方面做了大量工作。

聚合硫酸铁(简称PFS)是当前工业生产量较大、应用较广的一种无机高分子絮凝剂,它具有用量少、效率高、沉降速度快、适用pH范围宽等优点。目前生产PFS的方法很多,例如空气催化氧化法、氯酸钾(钠)氧化法、硫铁矿灰加压酸溶法、四氧化三铁矿酸溶氧化法、雾化法等。这些方法生产条件苛刻,反应时间长,温度高,使用的亚硝酸盐催化剂可致癌,生产过程会产生对环境不利的氮氧化物。为此,我们进行了PFS的生物催化氧化制备研究,利用恒化器原理和SBR技术,研究制取了一种新型高效絮凝剂生物聚合硫酸铁(简称高效絮凝剂生物聚合硫酸铁),并对其性质和性能进行了分析和研究。

2高效絮凝剂生物聚合硫酸铁制备

2.1方法及原理

在筛选和驯化基础上,优选T.f97等4种以嗜酸好氧自养菌为主的微生物混合菌种,作为生物催化剂。以工业硫酸铁为原料,配制一定浓度的FeS04溶液,用H2S04调节pH值,加入合适的营养物质,引入混合菌种,作为料液。在室温下鼓入空气作氧化剂,FeS04在微生物作用下经氧化、水解、聚合反应即生成高效絮凝剂生物聚合硫酸铁。

2.2制备工艺

2.2.1连续式制备工艺

连续式制备工艺流程如图1所示。
图1 连续式生产工艺流程

料液中的FeS04在微生物的催化氧化作用下,逐步氧化、水解、聚合,在不同的反应器中,反应逐步进行,最终制得成品的高效絮凝剂生物聚合硫酸铁。

2.2.2序批式制备工艺

序批式制备是基于SBR技术,工艺流程如图2所示,系统只设1个单元,在不同时期发挥不同作用,分为3个阶段。在进料期按比例加入FeS04溶液、菌种及氮、磷、钾等营养物质,作为料液;在反应期鼓入空气,控制温度在25℃左右,使微生物快速生长代谢;生成的高效絮凝剂生物聚合硫酸铁可在排液期排出,并留存一定量成品溶液作为下次反应的母液。
 

2.3制备条件

经实验确定制备工艺的最佳条件:反应温度为25℃左右,此为微生物菌种的适宜生存环境;初始pH值为1.4-1.7,用H2S04调节;H2S04与Fe2+的最佳摩尔比为1:8左右;反应时间为16-31h,母液留存越多,反应时间越短。

3高效絮凝剂生物聚合硫酸铁性质

3.1pH值的测定

在制备过程中,嗜酸菌生命过程消耗一定酸,使pH值升高。用pHS-2C型数字式酸度计及复合电极直接测量pH值,pH=1.95-2.18(15℃),比一般聚合铁的pH值高,对系统的腐蚀性较弱。

3.2全铁的测定

用重铬酸钾法(SnCl2-HgCl2法),测得全铁的范围为38.1-40.5g/L。

3.3盐基度的测定

参照《化学工业标准汇编一水处理药剂》中提供的方法,测得盐基度范围为20.85%-23.97%,与普通聚合铁相比,具有较高的盐基度。盐基度越高,絮凝效果越好。

3.4COD的测定

高效絮凝剂生物聚合硫酸铁中微生物及其部分代谢产物属有机物质,高效絮凝剂生物聚合硫酸铁中COD的测定参照3.3标准中提供的方法(重铬酸钾法),测得COD为80.5-120.6mg/L高效絮凝剂生物聚合硫酸铁的COD值与其良好的混凝性能有密切关系,有必要将COD作为高效絮凝剂生物聚合硫酸铁的性质指标之一。

4微量组分的测定

高效絮凝剂生物聚合硫酸铁中含有大量的铁,使其呈红褐色,影响各项测试,因此用优级纯NaOH沉淀其中铁,过滤定容,作为试样。

K十含量为5.51μg/L(采用267型原子吸收分光光度计,标准加入法),Ca2+含量为66.81μg/L(采用267型原子吸收分光光度计),Mg2+含量为70.20μg/L(采用267型原子吸收分光光度计),Pb含量为3.125mg/L(采用日本岛津A-6800型原子吸收分光光度计),As未检出,N03-含量为0.85mg/L(采用日本岛津UV-250紫外一可见光分光光度计),P043-含量为0.715mg/L(采用流动注射分光光度法)。

通过分析测定得出了高效絮凝剂生物聚合硫酸铁的基本性质及其中各微量组分的含量,参照饮用水标准,其含量不影响饮用水的处理。各种组分含量极低,不影响混凝出水水质。另外,高效絮凝剂生物聚合硫酸铁的性质稳定,长期存放(近2年),各项指标均未发生明显变化。

5 高效絮凝剂生物聚合硫酸铁性能研究

通过2年多的实验研究和某制药厂的应用表明,高效絮凝剂生物聚合硫酸铁具有良好的除浊、除有机物性能,加药量在30mg/L左右,浊度去除率达85%以上,COD去除率为65%以上。高效絮凝剂生物聚合硫酸铁不是传统意义上的聚合铁,它不仅聚合度高,而且其中含有部分微生物生物体,在混凝过程中,可催化氧化水中有机物,起到凝聚结晶核心作用,其本身的粘性又有助凝作用,能吸附较大分子的溶解态有机物。

高效絮凝剂生物聚合硫酸铁成品中所含的COD物质,主要是微生物及其代谢产物,使用时,不但不会造成出水的COD值增加,相反会使其大大降低。这些物质在混凝、澄清过程中,可被矾花有效带出,而且这些物质本身具有絮凝作用。这也正是高效絮凝剂生物聚合硫酸铁的一个显著特点。实验证明,高效絮凝剂生物聚合硫酸铁经混凝、澄清、过滤后未带入后续处理系统,出水中也未检出生产所用的菌种。而且在产品中不含有大量不发生混凝作用的电解质,不会造成水中含盐量增加,可减轻除盐工艺运行成本。

6 结 论

高效絮凝剂生物聚合硫酸铁的制备工艺具有投资少、设备简单、操作方便等优点;条件温和,可在常温常压下进行;无污染,可实现清洁生产;生产成本极低。高效絮凝剂生物聚合硫酸铁产品盐基度高,酸度低,含有的微生物可提高活性泥渣的活性,处理效果好。产品的除浊、除有机物性能好,对pH适应范围宽,对水温不敏感,对低温、低浊水也有很好的处理效果。用量少,吨水处理成本低。形成的矾花密实,沉降速度快,可提高出水能力。

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