聚硅酸铝铁元素配比对有机废水絮凝性能影响研究

聚硅酸铝铁元素配比对有机废水絮凝性能影响研究
郭雷;张硌;高红莉;胡军周;李洪涛
【摘要】The effects of different element ratio in aluminum iron silicon of poly silicate aluminum ferric on its flocculation properties are analyzed by the COD removal rate in different elements ratio of poly aluminum ferric silicate to the simulated organic wastewater flocculating. The results show that the ratio of aluminum iron and silicon and the ratio of aluminum and iron of polysilicate aluminum ferric have a significant effect to its flocculation performance ,and the influence of the ratio of iron aluminum
to silicon is the main factor for flocculation performance. With the increase of the ratio of aluminum and iron to silicon,the flocculation performance is gradually increased. The content of aluminum element is too high,which can decrease the flocculation performance of poly aluminum ferric silicate. In the treatment of organic wastewater,we choose the suitable element ratio range for polysilicate aluminum iron is iron and aluminum to silicon between 2 to 4,and the ratio of aluminum to iron around 2.%通过不同元素
配比的聚硅酸铝铁絮凝剂在模拟有机废水中的絮凝效果研究，分析了聚硅酸铝铁絮凝剂铝铁硅不同配比对其絮凝性能的影响，研究结果表明，铝铁与硅比、铝铁比对聚硅酸铝铁絮凝性能都有着显著影响，其中铝铁与硅比对絮凝性能的影响是主要因素.随着铝铁与硅摩尔比（0.25~4）的提高，絮凝性能逐渐提高，铝元素含量过高（n（铝）∶n（铁）>2）时会降低聚硅酸铝铁絮凝剂絮凝性能.对于有机废水处理，聚硅酸铝铁适宜的元素配比范围为铝铁与硅摩尔比在2~4之间，铝铁摩尔比在2
左右.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2016(034)012
【总页数】5页(P2025-2029)
【关键词】元素配比;聚硅酸铝铁;有机废水
【作者】郭雷;张硌;高红莉;胡军周;李洪涛
【作者单位】河南省科学院地理研究所，郑州450052;河南省科学院地理研究所，郑州450052;河南省科学院地理研究所，郑州450052;河南省科学院地理研究所，郑州 450052;河南省科学院地理研究所，郑州 450052
【正文语种】中文
【中图分类】X52
有机废水一般是指由造纸、皮革、食品等行业排出的废水，这些废水中含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物，如果直接排放会造成严重污染
［1-2］.随着工业生产规模的不断扩大，有机废水污染源日益增多，由于其处理难度较高，它的净化处理越来越受到人们的关注.目前“厌氧+好氧”工艺是其主要处理工艺环节［1-3］，而其混凝前处理过程对减轻工艺负担，保证“厌氧+好氧”
环节进水要求及出水水质具有重要作用［4］.聚硅酸铝铁作为无机高分子絮凝剂，有着较优的混凝性能［5］，较传统絮凝剂投药量少，适用的pH范围宽，絮凝物（矾花）比重大，絮凝速度快，制备简便，原料来源广，对有机废水处理效果明显［6-7］，具有极大的开发价值和广泛的应用前景［8］.聚硅酸类絮凝剂中各种金
属的摩尔比和金属与硅酸的摩尔比（以下所有比例均指的元素的摩尔比）对絮凝剂的效果有着显著影响［9-10］，通过正交试验设计及烧杯实验，利用模拟废水处
理效果，分析自制絮凝剂聚硅酸铝铁不同元素配比对有机废水处理的影响，不仅有助于更深入研究聚硅酸类絮凝机理，同时对于推进聚硅酸铝铁絮凝剂在有机废水上的应用具有指导作用.
1.1 实验水样
腐殖酸模拟废水配制：称量1.0 g腐殖酸和4.2 g碳酸钠，用蒸馏水溶解，最后定容到1 L，即得1 g/L的腐殖酸储备液.
1.2 主要仪器和试剂
1.2.1 主要仪器设备JJ-4型六联电动搅拌器，数显恒温水浴振荡器，马弗炉，PHS-3C酸度计，万分之一电子天平，数显恒温干燥箱，便携式浊度仪，标准COD消解器，分光光度计等.
1.2.2 试验用试剂聚合氯化铝、聚合硫酸铁均为工业级粉状固体，生产厂家为焦作源波环保科技有限公司.聚硅酸氯化铝铁（PSAFC），自制药剂，制备原料为郑州热电厂粉煤灰.此外还有分析纯的硫酸亚铁、邻菲罗啉、硫酸银、硫酸、硫酸亚铁铵等.
1.2.3 自制聚硅酸铝铁絮凝剂制备方法以电厂废料粉煤灰为主要原料，通过多步浸提法提取其中硅、铝、铁有效成分，进行聚合、复合反应［11-14］，根据不同铝铁硅比例以及铝铁比例设计研制了不同配方的聚硅酸铝铁絮凝剂.
1.3 试验设计与方法
正交试验设计是一种研究多因素试验的重要数理方法，正交试验设计法因其方法科学、操作简便、费用节省、效果显著等特点，目前广泛应用于化工生产与药剂学领域，尤其在化工生产配方及合成工艺的选择方面应用广泛［15-16］.因此，本试验主要通过正交试验设计的方法进行分析.根据正交试验设计表［17］，在前期模拟废水试验结果基础上，设计铝铁与硅比、铝铁比、用量三因素五水平饮料废水正交试验表（表1），用以分析自制药剂不同元素配比对高COD去除效果的影响.
1.4 实验方法
本实验采用烧杯混凝实验的方式进行［18］.实验步骤：通过自动搅拌器开始搅拌
后立即加混凝剂，搅拌1 min，静置沉淀固定时间后，取上清液为待测水样，测定指标.评价指标以废水COD为主.为保证数据可比性，试验中模拟废水水样指标的
分析均选用国家标准方法.使用方差分析（Oneway-ANOVA）来检验自制药剂不
同因素对废水处理效果的差异.采用Univariate多因素单变量方差分析方法对不同影响因素各水平之间对混凝效果的影响进行分析，除特殊声明，所有分析方法的置信度都为95%.所有分析均是通过MicrosoftExcel 2010和SPSS19统计软件完成.
2.1 絮凝剂铝铁硅元素最佳配方研究
聚硅酸铝铁絮凝剂中铝铁硅元素配比对其絮凝性能有很大影响，根据预试验结果正交设计表（表2），设计包括铝铁与硅比、铝铁比、絮凝剂用量三因素五水平的正交试验表（表1），应用到模拟废水中，通过絮凝性能得出絮凝剂的最佳元素配比.由表2可见，三个因素对试验指标（COD）的影响按大小次序来说分别是铝铁与
硅比＞絮凝剂用量＞铝铁比，絮凝剂制备的最佳参数是铝铁与硅比为4，铝铁比为2，絮凝剂用量为100 mg·kg-1.
2.2 铝铁硅元素配比对絮凝剂性能的影响
絮凝剂中不同金属元素配比对絮凝剂性能有着显著影响［19］，随着絮凝剂铝铁
与硅比的提高，即铝铁含量的增加，对废水中COD的去除率总体上逐渐提高，COD去除率从90.1%提升到96.5%，且金属元素铝铁与硅的比保持在一个合适的区间（铝铁与硅比2～4）时，COD去除率在96%以上，絮凝效果较好（图1），主要是因为聚硅酸铝铁絮凝剂絮凝机理为电中和与吸附架桥作用，聚硅酸溶液原本带有负电，引入铝盐、铁盐后，由于铝盐、铁盐的水解作用及水解产物与聚硅酸的相互作用，使聚硅酸由带负电改变为带正电，这使得聚硅酸型混凝剂对水中胶粒具有电中和、压缩双电层作用，金属元素含量较少时，其电中和作用较弱，当金属元
素铝铁和硅的配比合适时，电中和与吸附架桥能力都强，絮凝性能最佳.当金属含量过高时，虽然电中和与压缩双电层能力强，但吸附架桥能力差，导致除絮凝性能下降，处理效果不好［20］.
铝铁元素不同配比也对絮凝性能存在着影响，从图2可以看出，随着铝铁比的升高，废水处理效果先提高后降低，即铝元素含量过高会影响絮凝剂絮凝性能.这主要是因为铝盐形成絮体大，而铁盐絮体密实，两种元素合理的配比可使得所形成的絮体大而密实，沉速快，污染物去除率高.当铝盐过多，铁盐过少时，易使絮体大而松散，相反铁盐过多铝盐过少时絮体较小，卷扫作用差［21-22］.
2.3 铝铁硅元素配比间方差分析
为了对铝铁硅元素不同配比之间的差异进行检验，通过SPSS软件中多因素单变量分析方法，由表3得出，铝铁与硅比、铝铁比对絮凝剂性能的影响都达到显著水平（p＜0.05），同时，不同元素配比间也存在着明显差异，对于铝铁与硅比（表4），比例2和4与比例0.25、0.5、1之间差异显著，铝铁与硅比例为2、4的处理效果明显优于比例为0.25、0.5、1的絮凝剂，同时铝铁与硅比2与4之间差异不显著，即铝铁硅比2、4之间处理效果没有明显差异.由表4可知，铝铁比为2的处理效果与其他铝铁比例呈显著性差异，处理效果最佳，铝铁比为0.5、1的处理效果与比例为4、8间差异显著，处理效果优于比例为4、8的处理效果.铝铁比0.5与1之间，4与8之间差异不显著.以上分析可知，絮凝剂金属元素比例铝铁硅比在2～4之间，铝铁比在2左右时，处理效果较好（图3）.
聚硅酸铝铁絮凝剂中不同元素配比对于其絮凝性能有着显著影响，铝铁与硅比是影响絮凝性能的主要因素，其次是铝与铁比.
聚硅酸铝铁絮凝剂絮凝性能随着铝铁与硅比（0.25～4）的提高，絮凝性能逐渐提高，COD去除率不断提高.对于铝铁比，在一定范围内（铝铁比小于2）时，随着铝铁比的提高，絮凝性能逐渐变好，当铝铁比大于2时，即铝元素含量过高时，
絮凝剂絮凝性能降低，废水COD的去除效果变差.
对于有机废水，聚硅酸铝铁元素配比适宜范围为铝铁与硅比在2～4之间，铝铁比在2左右，最佳配比为铝铁与硅比为4，铝铁比为2.
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