聚合硫酸铁混凝法处理三聚氰胺废水的研究

杨翔宇，孙二军，严晓飞，徐琳琳

(长春师范大学化学学院，吉林长春 130032)



聚合硫酸铁混凝法处理三聚氰胺废水的研究

杨翔宇，孙二军，严晓飞，徐琳琳

(长春师范大学化学学院，吉林长春 130032)

本文以聚合硫酸铁(Polyferric Sulfate，PFS)作为混凝剂，对模拟三聚氰胺废水进行混凝处理。研究中以总有机碳(Total Organic Carbon，TOC)作为评价指标，对混凝法处理三聚氰胺废水的效果进行评价。通过单因子水平实验可知：搅拌时间、溶液pH值、混凝剂用量、助凝剂的选择及原水浓度是影响混凝处理效果的重要因素。实验获得最佳工艺参数为：混凝剂PFS用量为8 mL，pH值为8，搅拌时间为90 s，原水浓度为200 mg/L。在最佳处理条件下，TOC的去除率可达20%以上。

三聚氰胺；混凝；废水处理

三聚氰胺是一种纯白色单斜棱晶体，不可燃，低毒，无味，密度1.573 g/cm3(16 ℃)。常压熔点为354 ℃，急剧加热会分解；快速加热升华，升华温度300 ℃。在水中溶解度随温度升高而增大，在20 ℃时约为3.3 g/L，溶于热水，微溶于冷水，极微溶于热乙醇。不溶于苯、醚和四氯化碳，可溶于甲醇、甘油、乙酸、热乙二醇、甲醛、吡啶等。

三聚氰胺呈弱碱性，与盐酸、硫酸、硝酸、乙酸、草酸等能形成三聚氰胺盐。在中性或微碱性情况下，与甲醛缩合形成各种羟甲基三聚氰胺，但在微酸性中(pH值5.5～6.5)与羟甲基的衍生物进行缩聚反应生成树脂产物。遇强酸或强碱水溶液水解，胺基逐步被羟基取代，先生成三聚氰酸二酰胺，进一步水解生成三聚氰酸一酰胺，最后生成三聚氰酸。

三聚氰胺是一种重要的氮杂环有机化工原料，由于其较强的黏性，如果不慎进入人体内，将导致在体内形成草酸、鞣酸及钙等物质，并沉积在泌尿系统中。长期服用过量含三聚氰胺的食品就很容易形成结石，甚至导致膀胱癌[1]。大人因为代谢系统能力比较强，耐受量高，所以受影响的几率相对较小。而婴幼儿代谢能力弱，所以食用就会对身体造成危害甚至威胁生命安全。

三聚氰胺废水主要来自生产三聚氰胺装置中的冲洗水、循环水的排污及一部分未回收的设备冷却水。废水被收集到废水池中，经测试合格后排放到污水系统。生产过程中产生的废水中主要含有少量的三聚氰胺、羟基酰胺类物质的饱和溶液和高浓度的氨氮[2-3]。

1 实验试剂与仪器

1.1 实验试剂

聚合硫酸铁(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)；三聚氰胺(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)；氢氧化钠(AR，北京化学试剂三厂)；氢氧化钙(AR，北京化学试剂三厂)；硅藻土(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)。

1.2 实验仪器

总有机碳测定仪(TOC-VCPN，日本岛津)；电子天平(FA1604，上海雷韵试验仪器制造有限公司)；恒温磁力搅拌机(79-3，上海思乐自动化科技有限公司)。

2 实验方法

2.1 混凝剂的配制

使用电子天平称取10 g聚合硫酸铁，溶于100 ml的蒸馏水中，配制成1∶10的聚合硫酸铁溶液。

2.2 混凝实验

取50 mL已知浓度的三聚氰胺模拟废水于50 mL烧杯中，视实验所需加入助凝剂，调节至所需pH值，加入一定量的PFS混凝剂，搅拌至所需时间，静置澄清后，取上清液测定其TOC值。

2.3 TOC分析测试

通过单因子水平实验，使用TOC测试仪进行分析测试，测定水样中总有机碳的含量。以TOC作为评价指标，研究混凝剂用量、溶液pH值、搅拌时间、助凝剂的选择和废水浓度等因素对TOC去除率的影响，优化反应条件，证实PFS去除三聚氰胺的有效性，获得最佳的工艺参数。

TOC测试原理：水样分别被注入高温燃烧管(900 ℃)和低温反应管(150 ℃)中。经高温燃烧管的水样受高温催化氧化，使有机化合物和无机碳酸盐均转化成为二氧化碳。经反应管的水样加入体积分数为1.5%的酸，使无机碳酸盐分解成为二氧化碳，所生成的二氧化碳依次导入非分散红外检测器，由于一定波长的红外线被CO2选择吸收，在一定浓度范围内CO2对红外线吸收的强度与CO2的浓度成正比，故可对水样总碳(TC)和无机碳(IC)进行定量测定[4]。总碳与无机碳之差值，即为总有机碳(TOC)，TOC=TC-IC

测定步骤如下：

(1)打开氧气钢瓶，调整出口压力为200 kPa，调节TOC氧气进口压力为200 kPa；氧气流量计100 mL/min。打开电脑和TOC测试仪。

(2)打开操作系统。

(3)单击“NEW”建立一个新的操作界面。

(4)单击“connect”将计算机与TOC测定仪进行联机。

(5)使燃烧管温度升高至680 ℃。

(6)单击“Insert”插入标准曲线(样品)，编辑测定方法。

(7)将进样管插入样品液面下，单击“Start”，按计算机程序设置的顺序进行设定。

(8)经TOC测试仪测定后，电脑中自动显示出所测样品中TC、IC、TOC值，重复测试三次取平均值。

(9)计算所测样品TOC的去除率。

3 实验结果与讨论

3.1 单因子最优水平的选择

3.1.1 混凝剂用量对TOC去除率的影响

取50 mL 100 mg/L的三聚氰胺模拟废水于50 mL烧杯中，调节至所需pH为8，分别加入一定体积的浓度为1∶10的PFS混凝剂(0.5 mL、1 mL、2 mL、3 mL、 4 mL、 6 mL、8 mL、10 mL)，搅拌时间30 s，静置至矾花体积为整个溶液体积一半时，取上清液测定其TOC值。实验结果如图1所示。

图1 PFS用量对TOC去除率的影响

由图1可知，随着PFS用量的增加，TOC去除率呈现着先升高后降低的趋势。由于胶体在混凝时存在着一个脱稳的过程，当PFS用量较少时，胶体脱稳不完全，此时TOC的去除率较低。当PFS用量过多时，产生了多余的正电荷，胶体之间相互排斥，去除效果逐渐变差。当PFS用量为8 mL时，TOC去除率达到最大值，为21.04%。实验结果证实，当PFS用量为8 mL时为最优化条件。

3.1.2 pH值对TOC去除率的影响

取50 mL 100 mg/L的三聚氰胺模拟废水于50 mL烧杯中，分别调节pH至7、8、9、10、11、12，加入浓度为1∶10的8 mL PFS混凝剂，搅拌时间30 s，静置至矾花体积为整个溶液体积一半时，取上清液测定其TOC值。实验结果如图2所示。

图2 溶液pH值对TOC去除率的影响

由图2可知，随着溶液pH值的增加，溶液中TOC的去除率呈现出先上升后下降的趋势。溶液的pH值直接影响着PFS的最优形态。当溶液的pH值较低时，PFS没有完全水解，此时溶液中TOC的去除率较低。当溶液中pH值过高时，会抑制PFS的水解程度，降低TOC去除率。在本实验中，当溶液的pH值为8时，PFS为最优形态，此时最高的去除率为25.12%。实验结果证实，当溶液pH值为8时为最优化条件。

3.1.3 搅拌时间对TOC去除率的影响。

取50 mL 100 mg/L的三聚氰胺模拟废水于50 mL烧杯中，调节至所需pH为8，分别加入浓度为1∶10的8mL PFS混凝剂，分别搅拌至所需时间(30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s)，静置至矾花体积为整个溶液体积一半时，取上清液测TOC值。实验结果如图3所示。

图3 搅拌时间对TOC去除率的影响

由图3可知，随着搅拌时间的增加，TOC的去除率呈现出先升高后下降的趋势。当搅拌时间较短时，PFS在溶液中没有完全混合，所以此时的去除率较低，当搅拌时间过长时，沉降下来的絮体被打碎，降低了TOC的去除率。90 s为最佳搅拌时间，此时达到最大去除率为23.09%。实验结果证实，搅拌时间为90 s时为最优化条件。

3.1.4 原水浓度对TOC去除率的影响

分别取50 mL已知浓度(100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L)的三聚氰胺模拟废水于50 mL烧杯中，调节至所需pH为8，分别加入浓度为1∶10的8mL PFS混凝剂，搅拌至所需时间90 s，静置至矾花体积为整个溶液体积一半时，取上清液测定其TOC值。实验结果如表1所示。

表1 原水浓度对TOC去除率的影响

由表1可知，随着原水浓度的增加，TOC去除率先升高后下降，而TOC的去除量不断增加。该数据表明，PFS用量为8 ml时不足以使高浓度废水中的微粒沉降。在本实验所研究的范围内，适合处理原水浓度为200 mg/L的废水溶液，去除率可达23.80%。

3.1.5 助凝剂对TOC去除率的影响

取两份50 mL 200 mg/L的三聚氰胺模拟废水于50 mL烧杯中，分别采用NaOH溶液和Ca(OH)2溶液调节至所需pH为8，加入浓度为1∶10的8 mL PFS混凝剂，搅拌至所需时间90 s，静置至矾花体积为整个溶液体积一半时，取上清液测定其TOC值。实验结果如表2所示。

表2 不同助凝剂对TOC去除率的影响

从表2可以看出，在最优化的实验条件下，助凝剂的选择对TOC的去除率有着重要的影响，溶液中污染物的性质影响着助凝剂的选择，在本实验范围内选择NaOH为助凝剂，TOC去除率可达23.80%。

3.1.6 硅藻土对TOC去除率的影响

取两份50 mL 200 mg/L的三聚氰胺模拟废水于50 mL烧杯中，调节至所需pH为8，分别加入浓度为1∶10的8 mL PFS混凝剂，向其中一份加入1 g的硅藻土，另一份不加入，分别搅拌至所需时间90 s,静置至矾花体积为整个溶液体积一半时，取上清液测定其TOC值。实验结果如表3所示。

表3 硅藻土对TOC去除率的影响

从表3可以看出，在最优化的条件下，硅藻土对TOC的去除率有着重要的影响，加入硅藻土的废水溶液中，TOC的去除率可达26.80%。该数据说明：硅藻土可以提高废水溶液中TOC的去除率。

3.2 最优条件下处理三聚氰胺废水的实验结果

通过以上一系列利用混凝原理进行的实验，以TOC作为评价指标，对混凝法处理三聚氰胺废水的效果进行评价。从混凝剂的用量、溶液pH值、搅拌时间、助凝剂的选择等方面进行了探究，得到了最佳的工艺参数。即选定NaOH作为助凝剂，混凝剂PFS用量为8 mL，溶液的pH为8，搅拌时间为90 s的条件下，处理原水浓度约为200 mg/L的三聚氰胺废水溶液，溶液的TOC去除率可达26.80%。

从实验的处理效果看，聚合硫酸铁混凝法处理三聚氰胺废水是可行的。

4 结论

本文用PFS作为混凝剂处理三聚氰胺废水，能达到较好的处理效果。通过比较不同条件下的混凝处理效果，选择了最佳混凝条件：NaOH作为助凝剂、混凝剂的最佳用量为8 mL、溶液的最佳pH值为8、搅拌时间为90 s、原水浓度为200 mg/L，TOC的去除率可以达到20%以上，初步证实了混凝法处理三聚氰胺废水的有效性。

[1]杜欣,辛海会,沈思骏,等.三聚氰胺及其在防火工程中的应用[J].工业安全与环保,2009(12):39-40.

[2]高霄,李小鹏.高效液相色谱仪测定乳制品中三聚氰胺的含量[J].中国石油和化工标准与质量,2011(12):34-35.

[3]赵明,王军波.三聚氰胺的毒性及其对人体健康的影响[J].中国食物与营养,2009(4):7-10.

[4]李俊.总有机碳(TOC)测量不确定度的评定[J].资源节约与环保,2013(9):143-144.

Coagulation of Melamine Wasterwater by PFS

YANG Xiang-yu,SUN Er-jun,YAN Xiao-fei,XU Lin-lin

(Faculty of Chemistry，Changchun Normal University,Changchun Jilin 130032,China)

Polyferric Sulfate was used as a congulant in the treatment of melamine wastewater. TOC of the treated samples were tested to evaluate the optimizing process. Single-factor experiment illustrated that flocculation can be influenced by mixing time, pH, coagulant dosoge, coagulation aids and the melamine concentration of raw wastewater. The best treatment parameters are generated:[PFS]=8ml, pH=8, mixing time=90 s, [melamine]=200 mg/L,and more than 20% potion of TOC can be removed.

melamine；coagulant；wastewater treatment

2016-10-14

杨翔宇(1983- )，男，讲师，硕士，从事水污染控制理论与技术研究。

X703

A

2095-7602(2016)12-0063-05