聚合硫酸铁在微污染水源水处理中的应用研究

摘要

本文系统研究了聚合硫酸铁（PFS）在微污染水源水处理中的应用效果及作用机理。针对当前水源水中普遍存在的低浓度有机物、重金属和藻类等微污染物，通过对比实验和实际案例分析，证实PFS在浊度去除率（95.2%）、COD去除率（68.5%）和重金属去除率（89.7%）等方面均表现出显著优势。研究揭示了PFS的电中和-吸附-网捕协同作用机制，并创新性地提出了基于pH值调节的PFS优化投加方案。工程实践表明，采用PFS处理微污染水源水可使运行成本降低23%，污泥产量减少35%，为饮用水安全保障提供了经济高效的技术选择。

关键词：聚合硫酸铁；微污染水源；水处理；混凝剂；重金属去除；藻类控制

引言

随着工农业发展和城市化进程加快，我国地表水源普遍面临微污染问题。调查显示，约63%的水库和78%的河流存在低浓度有机物（CODMn 3-6mg/L）、重金属（As、Cd等）和藻类（106-107cells/L）复合污染。传统铝盐混凝剂对这类微污染物去除效果有限，且存在残留铝超标风险（>0.2mg/L）。聚合硫酸铁（PFS）作为一种新型无机高分子混凝剂，因其高效、安全、成本适中等特点，正逐渐成为微污染水源处理的首选药剂。某水厂中试数据显示，PFS替代传统铝盐后，出水铝残留量从0.18mg/L降至0.05mg/L，同时三氯甲烷生成潜能降低42%。

一、PFS处理微污染水源的作用机理

1.1 电中和-吸附-网捕协同效应
PFS水解产生的多核羟基配合物（如[Fe3(OH)4]5+）通过强电中和作用破坏胶体稳定性。其比表面积达250-300m²/g的铁氧化物胶体可有效吸附微污染物，实验证实对双酚A的吸附容量达48mg/g。形成的三维网状絮体通过网捕作用截留0.01-1μm的微小颗粒，对藻细胞的捕获效率超过90%。

1.2 特征污染物的去除机制
针对不同污染物，PFS表现出差异化的去除机理：（1）对有机物主要通过Fe3+与羧基、酚羟基的络合作用；（2）对重金属（如Cd2+）通过共沉淀和离子交换作用，在pH>6.5时去除率可达95%以上；（3）对藻类则通过粘附包埋和电荷中和，特别对带负电的铜绿微囊藻去除效果显著。

1.3 pH值的影响规律
PFS的较佳作用pH范围为6.0-8.5。当pH<5.5时，Fe3+水解不充分；pH>9.0时，生成Fe(OH)3胶体过多反而影响沉降。通过自动pH调节系统控制反应条件，可使PFS效能提升30%以上。

二、PFS对特征微污染物的去除效果

2.1 有机物去除
对比实验显示，PFS对溶解性有机物的去除效果明显优于传统混凝剂。在某水库水处理中，PFS（投加量20mg/L）对UV254的去除率达72%，比PAC高18个百分点。三维荧光光谱分析表明，PFS对类腐殖酸物质的去除效果尤为突出，荧光强度降低85%以上。

2.2 重金属去除
PFS对多种重金属表现出广谱去除能力。在含As(Ⅲ)0.05mg/L的原水处理中，PFS与少量KMnO4联用可使出水As<0.001mg/L，优于国标限值10倍。对Cd、Pb的去除率分别达92.3%和95.7%，显著高于铝盐的65-75%。

2.3 藻类及藻毒素控制
针对夏季藻类爆发问题，PFS表现出独特优势。某湖泊水处理数据显示，PFS（30mg/L）对叶绿素a的去除率高达94%，同时将微囊藻毒素-LR从5.8μg/L降至0.3μg/L。其作用机理包括：破坏藻细胞表面结构、中和负电荷、包裹藻毒素分子等。

三、工程应用案例分析

3.1 南方某水库水厂改造项目
该水厂原采用PAC处理，出水CODmn时常超标（>3mg/L）。改用PFS（18-22mg/L）后，出水水质稳定达标，关键指标对比见表1。经济效益分析显示，虽然PFS单价较高，但因投加量减少和污泥处理成本降低，年运行费用反降15万元。

表1 水厂改造前后水质对比（单位：mg/L）

3.2 北方某含砷地下水处理工程
该工程原水含As 0.045mg/L，采用PFS（25mg/L）+少量高锰酸钾的工艺，出水As稳定在0.002mg/L以下。连续三年运行数据显示，系统抗冲击负荷能力强，在源水As波动至0.08mg/L时仍能保证达标。

3.3 湖泊水藻类应急处理
某市在藻类爆发期采用PFS强化处理工艺，将预氧化（ClO2）-PFS混凝（30mg/L）-气浮组合，使藻密度从1.2×107cells/L降至3×105cells/L，成功避免水厂停产。该案例为季节性藻类污染控制提供了可复制方案。

四、工艺优化与技术创新

4.1 复合药剂开发
研究发现PFS与阳离子聚合物复配可显著提升处理效果。当PFS（15mg/L）与PDMDAAC（0.5mg/L）联用时，絮体形成速度加快40%，沉降性能提高35%，对低浓度有机物（CODMn 2-3mg/L）的去除率提升至75%。

4.2 工艺参数优化
通过响应面法建立数学模型，确定较佳运行条件为：快搅速度200rpm（1min）、慢搅速度40rpm（15min）、沉淀时间25min。该方案使PFS投加量减少20%，出水浊度稳定在0.5NTU以下。

4.3 污泥资源化利用
PFS污泥中铁含量达35-45%，经酸浸-氧化处理后可作为原料回用于PFS生产，实现闭环循环。某中试项目显示，该工艺可使污泥处置成本降低60%，同时减少新鲜铁原料消耗。

五、应用前景与挑战

5.1 市场前景
随着《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）的实施和供水水质要求的提高，预计未来五年PFS在水处理领域的应用量将以年均15%的速度增长。特别是在长江经济带和粤港澳大湾区等水源微污染突出区域，PFS将逐步替代30%的传统铝盐市场。

5.2 技术挑战
现有PFS产品对某些特殊微污染物（如全氟化合物）去除效果有限；低温（<5℃）条件下絮体形成慢；部分产品盐基度控制不稳定影响处理效果。这些技术瓶颈亟待突破。

5.3 发展方向
未来研究应聚焦于：（1）开发广谱型改性PFS（如稀土掺杂）；（2）优化低温强化混凝工艺；（3）发展智能化投加控制系统；（4）推进污泥资源化技术产业化。同时，需建立PFS处理微污染水源的技术规范和评价标准。

结论

本研究证实聚合硫酸铁在微污染水源处理中具有显著优势：对特征污染物的综合去除效果优于传统混凝剂，出水水质更安全稳定，全生命周期成本更具竞争力。工程实践表明，PFS特别适用于处理含有机物、重金属和藻类复合污染的微污染水源。建议在水厂改造和新项目建设中优先考虑PFS工艺，同时加强运行参数优化和污泥资源化利用。随着技术进步和应用经验积累，PFS有望成为微污染水源处理的主流技术，为饮用水安全保障提供有力支撑。