高铁酸盐的铁呈+6价, 具有很强的氧化性, 其有效成分是高铁酸根FeO₄^2-, 反应过后的还原产物是氢氧化铁Fe (OH) ₃, 在水溶液中呈胶体状, 具有良好的絮凝助凝作用而从水中除去, 因此, 与其他预氧化剂相比, 高铁酸盐是一种安全、高效、无二次污染的绿色环保水处理药剂^[1~4]。

　　 但由于其强氧化性, 制得后很容易在空气中还原而失效, 因此采用电解法在线制备高铁酸盐, 能够克服高铁酸盐的不稳定性, 减少高铁酸盐的损耗, 且适用于在线投加。电解法所得的液态高铁酸盐中, 还含有FeOOH、Fe⁴⁺、Fe⁵⁺等成分, 可以在预氧化过程中同时发挥氧化、絮凝、吸附、共沉淀等多种作用, 不仅能够去除水中的藻类、部分有机污染物、重金属离子, 而且可以快速杀灭水中的细菌和病毒, 其分解产物还有絮凝净水作用, 可吸附去除水体中有害物质, 减少消毒副产物的生成, 降低健康风险^[5~8]。

　　 本文针对福建地区水源水中含有藻类, 含藻水絮凝沉淀困难的问题, 通过研究高铁酸盐的电化学在线制备和在线投加, 并将预氧化工艺与常规水处理工艺相结合, 对厦门某水厂原水中浊度、UV₂₅₄、氨氮和叶绿素a进行去除试验研究, 评价高铁酸盐预氧化强化絮凝去除微污染物的效果, 研究适合水厂实际应用的预氧化强化絮凝组合工艺。

　　 KXN-6020D可调稳流直压电源 (深圳市兆信电子仪器设备有限公司) ;WFZ-UV-2000紫外分光光度计 (上海尤尼柯仪器有限公司) ;MY3000-6F六联电动搅拌器 (梅宇仪器有限公司) ;FE20pH计 (梅特勒-托利多仪器 (上海) 有限公司) ;1900C便携式浊度仪 (哈希) ;氢氧化钠、氯化钠 (AR, 西陇化工股份有限公司) ;纳氏试剂。

　　 高铁酸盐采用电化学方法制备^[9], 阳极采用铁板, 阴极采用钛钌网, 通过阴-阳-阴电极方式, 氢氧化钠浓度为250g/L, 电极板间距为2cm, 电解液氯化钠浓度为50 g/L, 电压控制在3.0 V, 电流10.0A, 电解2h, 采用分光光度法进行分析测定高铁酸盐的浓度。

　　 在六联电动搅拌器上进行烧杯搅拌试验。每个烧杯中加入1L的原水, 依次投加不同量的高铁酸盐溶液进行预氧化, 以500r/min的转速快搅1min, 再投加20mg/L絮凝剂进行混凝, 以250r/min的转速搅拌2min, 然后以50r/min的转速慢搅20min, 静置沉淀30min。在水面下1cm处取样过滤。浊度使用哈希1900C便携式浊度仪进行测量。氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法。UV₂₅₄采用分光光度法测定, 叶绿素a采用分光光度法测定。

　　 采用阴-阳-阴电极组合方式, 研究碱液浓度对高铁酸盐生成浓度的影响, 结果如图1所示。从图可知, 高铁酸盐的生成浓度随着碱浓度增加而增加。当NaOH浓度达到250g/L, 高铁酸盐生成浓度最高, 达到2mmol/L。这是由于OH^-浓度越高, 电解生成高铁酸盐的电势越低, 电解越容易;但是随着时间的延续, 电势由低到高缓慢攀升, 相应电流效率越来越低, 高铁酸盐生成速率也逐渐降低。

　　 极间距对高铁酸盐生成浓度的影响如图2所示。由图2可知, 极间距对电解产生高铁酸盐的速率和浓度都有很大影响。电解速率和产生浓度都随着电极板之间距离的减少而增加。当极间距为2cm时, 120min高铁酸盐浓度可达到1.92mmol/L。一是因为随着阳极距离缩短, 电解液电阻减小, 较少的电能消耗在电阻上, 使得高铁酸盐浓度提高;二是阳极消耗的OH^-主要通过阴极电解产生的氢氧根补充, 当极间距缩短, 氢氧根离子能够快速补充阳极消耗的OH^-, 使得阳极保持较高的OH^-浓度, 因此本试验选择2cm作为最佳极间距。

　　 电流大小对高铁酸盐生成浓度的影响如图3所示。由图3可知, 当电流为5A时, 基本上不产生高铁酸盐 (数据忽略) ;当电流为10A时, 体系快速产生高铁酸盐, 70min高铁酸盐的浓度达到1.1 mmol/L, 在240min后浓度基本稳定在1.6 mmol/L左右。当电流继续增加到15A时, 高铁酸盐浓度产生速率明显增加, 在120min基本达到稳定 (1.73mmol/L) 。通过增加电流, 电流密度增加能使高铁酸盐产生速率增加, 但对高铁酸盐浓度没有明显的促进左右, 从经济角度考虑, 本文选择10A作为最佳电流。

　　 电解质浓度 (氯化钠) 对高铁酸盐生成速率的影响如图4所示。由图4可知, 加入氯化钠能加快高铁酸盐的产生速率, 并且随着氯化钠浓度的增加, 效果越明显, 当氯化钠浓度为10g/L、50g/L、100g/L时, 电解产生1.1 mmol/L高铁酸盐所需时间分别为180min、70min和40 min, 不加氯化钠的则需要360min以上, 但是增加幅度随着氯化钠浓度的增加而变小, 所以增加氯化钠浓度能够加速电解, 但对体系的高铁酸盐浓度增加不够明显。这是因为加入氯化钠提高了电子在电解质中的传递效率, 并且氯离子在电解的过程中生成的次氯酸根, 作为氧化剂减少了高铁酸根离子的分解。

　　 通过投加不同量的高铁酸盐溶液进行预氧化强化絮凝后, 检测原水中浊度、UV₂₅₄、氨氮和叶绿素a的去除效果, 结果如表1所示。由表可知, 随着高铁酸盐投加量的增加, 对浊度、氨氮、UV₂₅₄和叶绿素a都有很好的去除效果。但是浊度出现了先降低后增加的现象, 观察絮凝体, 随着高铁酸盐投加量的增加, 絮体变多并且体积变大, 但是当高铁酸盐投加量超过0.7mL后, 絮体体积变得细小, 沉降性变差, 从而导致增加投加量溶液浊度反而增加。这是因为过高投量的高铁酸盐破坏了藻类细胞, 增加了水体浊度。

　　 为了克服单独高铁酸盐投加带来的浊度上升问题, 采用高铁酸盐预氧化强化絮凝对浊度进行去除。单独投加聚双酸铝铁絮凝剂和高铁酸盐预氧化强化絮凝除浊效果如表2所示。由表2可见, 单独投加聚双酸铝铁, 随着絮凝剂投加量的增加, 对水体浊度去除效果增强, 当投加量增加到30 mg/L时, 可以将浊度基本控制在1.5NTU以下, 当添加0.7mL高铁酸盐时, 只需投加4 mg/L聚双酸铝铁就可以将原水浊度降低到1.07NTU, 说明高铁酸盐可以显著减少絮凝剂的投加量。

　　 (1) 电化学在线制备高铁酸盐的最优电解条件:阴-阳-阴电极方式, 电流10A, 氢氧化钠浓度为250g/L, 极间距为2cm, 氯化钠浓度为50g/L, 高铁酸盐生成浓度可达2mmol/L。

　　 (2) 以高铁酸盐作为预氧化剂能够强化絮凝沉淀过程, 产生絮体沉降性能好, 并且对原水中UV₂₅₄、氨氮、叶绿素a、都有较好的去除效果。

　　 (3) 投加少量高铁酸盐 (0.7mL高铁酸盐溶液, 0.315mg/L) 进行预氧化, 可以显著强化絮凝效果, 大幅减少聚双酸铝铁絮凝剂的投加量, 节约制水成本。