摘要

本文系统阐述了聚合硫酸铁(PFS)在污水处理全过程中的作用机理、反应路径和工程应用。研究表明，PFS通过"电中和-吸附架桥-网捕卷扫"三重协同机制，可实现对污水中悬浮物(去除率>95%)、有机物(COD去除率60-75%)和重金属(去除率85-99%)的高效去除。研究详细解析了PFS从药剂溶解、水解聚合到絮体形成与分离的完整反应链条，揭示了其在不同水质条件下的较佳投加范围(20-80mg/L)和pH控制区间(6.5-8.0)。工程案例分析显示，合理应用PFS可使污泥产量减少30-40%，处理成本降低25%以上，为市政污水和工业废水处理提供了经济高效的技术方案。

关键词：聚合硫酸铁；污水处理；混凝机理；絮体形成；参数优化；污泥减量

引言

在水污染治理领域，化学混凝作为核心处理单元，其效果直接影响后续工艺的运行负荷和较终出水水质。聚合硫酸铁(PFS)作为第三代无机高分子混凝剂，凭借其矾花密实、沉降速度快、适用pH范围广等优势，已广泛应用于各类污水处理系统。据统计，我国市政污水处理厂中约65%采用PFS或其复合药剂作为主要混凝剂，工业废水处理领域应用比例更高达82%。某10万吨/日规模污水厂的运行数据显示，与传统铝盐相比，PFS可使污泥体积减少35%，药剂费用节省28%，展现出显著的技术经济优势。本文将深入剖析PFS处理污水的完整过程，从分子层面的反应机理到工程尺度的工艺控制，为污水处理优化运行提供理论指导和技术参考。

一、PFS的物理化学特性与混凝机理

1.1 分子结构与基本性质
PFS是一种由[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m表示的多核聚合物，其典型特征包括：

• 盐基度(12-16%)：反映羟基与铁的摩尔比，决定聚合物电荷密度

• 铁含量(11-13%)：影响混凝剂的有效成分含量

• 密度(1.45-1.52g/cm³)：高于传统混凝剂，有利于絮体沉降

• pH值(2.0-3.0)：酸性条件下保持稳定

1.2 混凝作用的三重机制
（1）电中和作用：PFS水解产生的[Fe(OH)]2+、[Fe2(OH)2]4+等高正电荷离子，可有效中和胶体颗粒表面负电荷，压缩双电层。Zeta电位测试显示，投加PFS后胶体电位可从-25mV升至-5mV，达到临界脱稳状态。

（2）吸附架桥：PFS中的多核羟基聚合物在颗粒间形成"铁氧桥"，通过分子链上的活性位点同时吸附多个颗粒。原子力显微镜观测证实，这种架桥作用可使颗粒间距从200nm缩短至50nm以下。

（3）网捕卷扫：当PFS投加量足够时，形成的Fe(OH)3沉淀物构成三维网状结构，在沉降过程中机械截留微小颗粒。激光粒度分析表明，该过程可有效捕获0.1-1μm的细微悬浮物。

二、PFS处理污水的完整过程

2.1 药剂溶解与扩散阶段
固态PFS投入水中后经历溶解过程，其速率受以下因素影响：

• 水温：20℃时完全溶解需8-10分钟，30℃时缩短至3-5分钟

• 搅拌强度：推荐G值150-250s⁻¹

• 产品形态：液体PFS(10-12%含量)可直接投加，省去溶解环节

2.2 水解聚合反应阶段
溶解后的PFS发生系列水解-聚合反应，主要路径为：
Fe3+ + H2O → [Fe(OH)]2+ + H+ (K1=10⁻²·⁶)
[Fe(OH)]2+ + H2O → [Fe(OH)2]+ + H+ (K2=10⁻³·²)
2[Fe(OH)]2+ → [Fe2(OH)2]4+ (Kp=10²·⁸)

该阶段产生多种水解产物，其分布比例直接影响混凝效果。Ferron逐时络合测定显示，在典型污水条件下(pH7.0)，PFS水解产物中单核物种(Fea)占15-20%，中等聚合物(Feb)占60-70%，高聚物(Fec)占10-20%。

2.3 颗粒脱稳与絮体形成
污染物颗粒与PFS水解产物的相互作用包括：

• 初始吸附：0.5-1分钟内完成，主要靠静电作用

• 絮体成长：5-15分钟，通过架桥作用形成微絮体(50-100μm)

• 絮体成熟：15-30分钟，微絮体碰撞聚并形成宏观矾花(300-500μm)

在线监测显示，该过程分形维数从1.6(松散结构)增至1.9(密实结构)，沉降速度相应从2m/h提升至8m/h以上。

2.4 絮体分离阶段
成熟絮体通过以下方式从水中分离：

• 重力沉降：在二沉池中完成，表面负荷0.8-1.2m³/(m²·h)

• 气浮分离：适用于轻质絮体，溶气压力0.3-0.5MPa

• 过滤截留：用于深度处理，滤速4-6m/h

三、关键工艺参数控制

3.1 投加量优化
PFS较佳投加量取决于污水特性：

• 市政污水：20-40mg/L

• 工业废水：40-80mg/L

• 高浓度有机废水：80-120mg/L

可通过烧杯试验确定具体剂量，通常控制Zeta电位在-5～+5mV范围。某纺织废水处理案例显示，当PFS从50mg/L增至80mg/L时，色度去除率从85%提升至96%，但继续增加至100mg/L仅提高至97%，得不偿失。

3.2 pH值调控
PFS在不同pH区间的混凝机理：

• pH<5：以电中和为主

• pH5-8：电中和与吸附架桥协同

• pH>8：以网捕卷扫为主

实际运行中建议控制pH6.5-8.0，可通过投加石灰或酸进行调节。某食品厂废水处理站将pH从5.2调至7.0后，PFS用量减少35%而COD去除率反升12%。

3.3 搅拌条件设置
合理的搅拌程序对絮体形成至关重要：

• 快速混合：G值300-500s⁻¹，时间1-2分钟

• 慢速絮凝：G值30-60s⁻¹，时间15-25分钟

• 静止沉降：时间20-30分钟

四、对不同污染物的去除特性

4.1 悬浮物去除
PFS对SS的去除效果很佳，通常可达90-98%。其特点包括：

• 形成絮体密实，沉降速度快(6-10m/h)

• 对胶体颗粒(0.1-1μm)去除效果好

• 低温适应性优于铝盐

4.2 有机物去除
对污水中有机物的去除规律：

• 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%

三维荧光光谱分析显示，PFS对类腐殖酸物质的去除效果优于类蛋白物质。

4.3 重金属去除
对常见重金属的去除效率：

• As(Ⅴ)：>95%(pH6-7)

• Cd(Ⅱ)：90-98%(pH8-9)

• Cr(Ⅵ)：需先还原后处理，去除率85-95%

• Pb(Ⅱ)：95-99%(pH6-8)

4.4 除磷性能
PFS具有优异的除磷能力：

• 正磷酸盐：去除率>90%(摩尔比Fe/P=1.5-2.0)

• 有机磷：去除率70-85%

• 总磷：出水可达0.3mg/L以下

五、工程应用案例分析

5.1 市政污水处理
某10万吨/日污水厂采用PFS强化一级处理：

• 投加量：25mg/L

• 出水SS：<15mg/L(去除率93%)

• 污泥产率：0.45kgDS/kgSS
  较原铝盐工艺，年节约药剂费用58万元。

5.2 印染废水处理
某印染厂(5000m³/d)采用PFS混凝-气浮工艺：

• 投加量：60mg/L

• 色度去除：从3000倍降至50倍

• COD去除：45%(从800mg/L降至440mg/L)
  配合后续生化处理，较终出水COD<80mg/L。

5.3 电镀废水处理
PFS用于含镍废水处理：

• 控制pH8.5-9.0

• PFS投加80mg/L

• 镍残留：<0.5mg/L(原水25mg/L)

• 污泥重金属固定率：>99%

六、技术经济比较与发展趋势

6.1 与传统混凝剂对比
表1 PFS与常用混凝剂性能比较

6.2 技术发展趋势

• 改性PFS：如稀土掺杂提高对特定污染物的去除效果

• 复合药剂：与PAM等复配提升絮体性能

• 智能投加：基于水质在线监测的自动控制系统

• 污泥资源化：回收PFS污泥中的铁和磷

6.3 运行优化建议

• 定期进行烧杯试验调整投加量

• 监控pH和Zeta电位等关键参数

• 关注污泥性状变化(如SVI、含水率)

• 建立完整的运行数据记录与分析系统

结论

PFS作为一种高效、经济的污水处理药剂，通过多重作用机制实现对各类污染物的有效去除。在实际应用中，需根据污水特性和处理要求，优化控制投加量、pH值和搅拌条件等关键参数。工程实践表明，合理使用PFS可显著提高处理效果，降低运行成本，减少污泥产量。未来随着改性技术和智能控制的发展，PFS在污水处理领域的应用前景将更加广阔。建议污水处理厂加强过程监控和数据分析，不断优化PFS的应用效能，为水环境治理提供更可靠的技术保障。