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      2. 高鐵酸鉀在水處理方面的應用

        高鐵酸鉀在水處理方面的應用


        高鐵酸鹽具有很強的氧化性,氧化能力優于氯和臭氧,溶于水中能有效殺滅水中的微生物和藻類,還能氧化分解各種有機、無機污染物,如酚、有機氮、硫化物、氰化物等,而且在整個凈化過程中不會產生三氯甲烷、氯代酚等二次污染物[1]。研究表明,與PAC 單獨投加相比,復合高鐵酸鹽溶液與PAC 聯合投加對水體中的氨氮、COD、細菌、濁度、藻細胞等的去除效果更好,且達到同樣處理效果所需藥劑量少[2]。與傳統水處理劑相比,高鐵酸鉀不僅能快速殺滅水中的細菌、病毒,而且能去除水中的部分有機物、重金屬離子和藻類等污染物,其分解產物Fe(OH)3膠體,可以吸附去除水中有機及無機污染物,對重金屬有特殊功效,還能起脫色除臭作用,Fe(OH)3還具有絮凝作用,且對水體無二次污染[3]。本文旨在對國內外高鐵酸鉀在水處理方面的應用進行總結,為水處理技術提供理論基礎和技術支持。
        1 高鐵對微生物的去除
        1.1 殺菌消毒作用
        高鐵酸鉀具有強氧化性,加入水體后可破壞細菌的某些結構(如細胞壁、細胞膜) 及細胞結構中的一些物質(如酶等) ,抑制和阻礙蛋白質及核酸的合成,使菌體的生長和繁殖受阻,起到殺死菌體的作用。首次發現高鐵酸鉀具有明顯的滅菌作用是在1974 年,試驗的兩種細菌被完全去除[4]。少量的高鐵酸鉀即可達到良好的殺菌效果,研究表明,質量濃度為10 ~ 40 mg·L-1 的高鐵酸鉀在反應5 min 后對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細菌的殺滅率即可達100%,對真菌的殺滅率也高于99.5%[5]。高鐵酸鉀對溫和氣單胞菌(Aeromonas sobria) 、河弧菌(Vibrio f lurialis)、弧菌I 組淡水亞組弧菌(Vibrio group I freshwater subgroup)的抑制效果良好,施以高鐵酸鉀溶液作用1 h 后,對以上兩種弧菌亦表現出很強的殺滅效果[6]。后來的研究證實,高鐵酸鉀對大腸桿菌有良好的滅活作用,其滅活效率隨pH 降低而升高[7]。高鐵酸鉀氧化二級處理廠出水時也發現,接觸時間和高鐵酸鉀濃度對滅活f 2 病毒有重要影響,影響程度隨pH 而變化,滅活效率高于HClO 和ClO -[8]。帶正電的微生物對高鐵酸鉀抵抗性強于帶負電微生物,f 2 病毒對高鐵酸鉀的抵抗性等于或略低于大腸桿菌E.coli 細菌的抵抗性[9]。
        高鐵酸鉀與其它消毒劑相比,具有無毒副作用功效。自使用氯消毒后消毒副產物的出現以及由此引起的對于人體的潛在危害被越來越多的研究者發現[10],正努力使用其它工消毒工藝去除天然或合成的有機物從而降低消毒副產物的生成量、或消毒工藝后對消毒副產物加以去除、或者考慮其它的消毒劑(如溴,碘,二氧化氯和臭氧) 來代替氯氣進行消毒,但是研究結果發現,這些消毒劑也會產生一系列對人體和水生生物有一定毒害的副產物?;谏鲜鲈?,可以考慮使用高鐵酸鉀來替代氯作為水處理的消毒劑,Ames 試驗檢驗致突變物質的初步研究表明,高鐵酸鉀處理水并沒有產生致突變物質,但是仍需要對高鐵酸鉀處理不同水質時的情況進行深入研究[11-12]。
        1.2 去除水中藻類
        水體富營養化問題的日趨嚴重,導致藻類瘋長,藻類可以使水產生嗅味、堵塞濾池、甚至穿透濾層惡化水質,并且藻類也是一種消毒副產物的前體物,因此對藻類的控制與去除具有重要的意義。
        1.2.1 高鐵酸鉀除藻機理
        由于高鐵酸鉀的強氧化性,它對富營養化水體中藻類物質的去除效果也十分明顯。劉偉等人對高鐵酸鹽除藻機理研究認為,其作用過程大致為: 高鐵酸鉀氧化能夠破壞藻細胞的表面結構,造成藻細胞表面鞘套的卷繞,并可能使細胞的外鞘開裂,致使胞內物質外流[13]。另外,胞內物質向周圍介質的釋放,影響了藻類的正常段殖體繁殖方式,并且高鐵酸鉀在水中分解生成氫氧化鐵,吸附于藻類細胞表面,可以降低細胞表面電荷,增加藻類細胞沉淀性[14]。氫氧化鐵吸附與外流胞內物質絮凝的雙重作用下,使得部分藻類細胞在混凝之前就能發生凝聚。苑寶玲等人研究了高鐵酸鉀氧化絮凝去除水中藻類的機制。結果表明高鐵酸鉀的強氧化性對藻類呼吸作用和生長方式有影響,同時認為其還原產物Fe(OH)3對藻類有絮絮凝作用[15]。因此高鐵酸鹽對水中藻類的去除是氧化和絮凝協同作用的結果。
        1.2.2 高鐵酸鉀除藻高效性
        采用預氯化除藻時,除藻率隨著投氯量增加而逐漸升高,但當投氯量增加到一定程度后,除藻率不再進一步提高,穩定在一定去除率,而當采用高鐵酸鉀復合藥劑預氧化除藻時,僅需少量的高鐵酸鉀復合藥劑即可使除藻效果顯著提高,沉后除藻率提高到70%以上,濾后除藻率提高到80% 以上[16]。因此,高鐵酸鉀復合藥劑預氧化可顯著地提高對水中藻類的去除率,除藻效果明顯優于傳統的預氯化工藝,由于高鐵酸鹽復合藥劑同時具有多功能的凈水效果,且對飲用水水質無副作用,因而在含藻水處理上將具有很大的應用潛力[17]。
        高鐵酸鉀對混凝除藻具有強化作用,經0.14 mg /L 高鐵酸鹽復合藥劑預氧化后,投加量為50 mg /L 的硫酸鋁可使沉降后藻類的去除率從30%提高到60%,并且隨著高鐵酸鉀復合藥劑投量增加,沉降后余藻量進一步降低[16]。因而,在同等條件下,由于高鐵酸鉀對混凝的強化作用,在一定程度上減少了混凝劑的投入,節省處理成本。
        2 高鐵在氧化去污中應用
        2.1 對非金屬化合物的去除
        高鐵酸鉀是一種有效的氧化劑,甚至其氧化還原電極電位比臭氧的高,可以用來氧化去除許多有機和無機雜質。高鐵酸鉀利用其強氧化性可以將水中NH3-N、H2S、CN -等無機非金屬化合物氧化生成SO2 -4 、NO -3 、CO2等無害物質,同時達到脫味除臭的效果。研究表明,高鐵酸鹽可氧化一些無機污染物,如氰化物[18]、氨[19]、硫化氫[20]等,如下列化學方程式所示:

        在不同的高鐵酸鉀與NH3-N 量比條件下,延長反應時間,均不同程度地增加了NH3-N 的去除率。由于反應時間延長,一方面高鐵氧化作用時間增加,NH3-N 被高鐵的繼續氧化分解,另一方面有利于高鐵氧化絮凝作用的發揮和絮體形成,達到徹底去除氨氮的目的[21]。H2 S 可以用一般氧化劑(如O2、H2O2等) 氧化去除,但是高鐵酸鉀可以更快速有效地氧化去除H2S。如ClO -、Cl2和KMnO4能在5 min 內完成H2 S 的氧化,而高鐵酸鉀在1 s 內即可完全氧化H2 S[22]。有人利用高鐵酸鉀去除氰化鋅復合物,結果證明高鐵酸鉀可以將CN -完全轉化為毒性較低的OCN -[23]; 利用高鐵酸鉀處理含CN -電鍍清洗廢水,能安全可靠地氧化廢水中的氰化物,將CN -氧化成NO -2,NO -3和HCO -3等無害的物質[24]。馬維超等[25]的研究表明,高鐵酸鉀預氧化將原水中的大分子有機物氧化成小分子有機物,與此同時生成部分新生態的水合氧化鐵,這些水合氧化鐵由于其無定形狀態和較小的粒徑而具有很強的吸附能力,這就說明在總鐵投量一定的情況下,高鐵酸鉀預氧化比單獨混凝時對磷酸根的去除有一定的強化作用。
        高鐵酸鉀對污水中的BOD、TOC 等具有良好的去除作用??蛇x擇性地氧化水中的許多有機物,包括醇類、羧酸化合物、氨基酸、酚、1,2-二醇、有機氮化合物、脂肪族硫化物、亞硝酸基胺化合物、硫脲、硫代硫酸酯、肼化物等[26]。與其他一般混凝劑相比,高鐵酸鉀對濁度、COD、溶解性COD、TP 和藻類的去除效果更好,但對TN 的去除效果比PAC 略差; 高鐵酸鉀去除的污染物量較多,產生的污泥量較少,高鐵酸鉀可提高景觀水體的BOD5 /COD 值,顯著改善了水體的可生化性[27-28]。具體參見更多相關技術文檔。
        2.2 對水體中金屬離子的去除
        高鐵酸鉀對水體中的重金屬離子有很強的去除能力,水解產生的中間態高電荷水解產物及最終生成的Fe(OH)3膠體,具有良好的絮凝、吸附等作用,因此對水體中的金屬離子如Mn2 +、Cu2 +、Pb2 +、Cr2 +、Cd2 +、Hg2 + 有很強的去除能力[29-30],僅少量的高鐵酸鉀(10 ~ 100 mg·L-1 ) 就可以將這些金屬離子降低至較低濃度水平,去除效率可達到95% 以上[31]。除此之外,高鐵酸鉀還可以處理高砷飲用水,處理后的水樣中砷殘留量可達到國家飲用水衛生標準的要求,方法簡便、產生污泥量少,還原產物可用于后續絮凝除砷,無二次污染等優點[32]。
        3 高鐵在脫味除臭中的應用
        S.J.Deluca 等的研究表明,高鐵酸鉀能有效地去除生物污泥中的H2 S、CH3 SH 和NH3等惡臭物質,將NH3氧化成NO -3,將H2 S、CH3 SH 氧化成SO2 -4,迅速將生物污泥中惡臭物質控制到可接受的程度,處理后的污泥可以用作化學肥料和土壤調節劑,有利于廢物資源化[33]; 利用高鐵酸鉀處理經過改性粉煤灰混凝后的造紙廢水研究表明,改性粉煤灰和高鐵酸鉀時聯用時,對造紙廢水處理效果最優,上清液再用高鐵酸鉀處理,為最佳工藝條件,出水水質達到造紙用水標準[34]; 用海泡石、沸石浸漬高鐵酸鈉溶液,能制備出穩定的除臭劑,再與活性炭按1∶1 進行復配,短時間內可去除(CH3)3NH、H2 S、CH3 SH、NH3臭味物質[35]; 高鐵酸鉀與紫外-可見光/二氧化鈦光催化氨氮的聯用研究表明,在pH = 8.0,溫度為室溫,水中氨氮的去除率可達97.5%[36]; 在屠宰場、垃圾處理場除臭實際應用表明,高鐵酸鹽溶液不僅可以消除H2 S 臭氣,對其他臭源物質同樣能有效去除[37]。
        4 研究展望
        高鐵酸鉀在氧化污染物的同時還原生成無機絮凝劑,是集氧化與絮凝作用于一體的多功能高效水處理劑。無論用于工業污水、生活污水還是自然水體,都具有良好的殺菌消毒效果,可有效地控制藻類的生長、去除和減少消毒副產物的前體物; 對污水處理效果明顯,可以破壞氰根,去除硫化物,可除去幾乎全部重金屬離子,大幅度地降低水體的COD 值; 能有效地去除生物污泥中的(CH3)3NH、H2 S、CH3 SH 和NH3等惡臭物質。近年來,隨著人們對環境保護重要性的認識逐漸深入,尤其是水處理方面專業知識的不斷提升,為提高某些難降解污染物的去除率,采用了高鐵酸鉀聯用技術也成為今后研究的熱點,將有助于進一步揭示某些難降解污染物的降解機理,在環境治理領域有著廣闊的應用前景,具有良好的經濟效益和社會效益。


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