摘要

本文系統研究了聚合硫酸鐵（PFS）在微污染水源水處理中的應用效果及作用機理。針對當前水源水中普遍存在的低濃度有機物、重金屬和藻類等微污染物，通過對比實驗和實際案例分析，證實PFS在濁度去除率（95.2%）、COD去除率（68.5%）和重金屬去除率（89.7%）等方面均表現出顯著優勢。研究揭示了PFS的電中和-吸附-網捕協同作用機制，并創新性地提出了基于pH值調節的PFS優化投加方案。工程實踐表明，采用PFS處理微污染水源水可使運行成本降低23%，污泥產量減少35%，為飲用水安全保障提供了經濟高效的技術選擇。

關鍵詞：聚合硫酸鐵；微污染水源；水處理；混凝劑；重金屬去除；藻類控制

引言

隨著工農業發展和城市化進程加快，我國地表水源普遍面臨微污染問題。調查顯示，約63%的水庫和78%的河流存在低濃度有機物（CODMn 3-6mg/L）、重金屬（As、Cd等）和藻類（106-107cells/L）復合污染。傳統鋁鹽混凝劑對這類微污染物去除效果有限，且存在殘留鋁超標風險（>0.2mg/L）。聚合硫酸鐵（PFS）作為一種新型無機高分子混凝劑，因其高效、安全、成本適中等特點，正逐漸成為微污染水源處理的首選藥劑。某水廠中試數據顯示，PFS替代傳統鋁鹽后，出水鋁殘留量從0.18mg/L降至0.05mg/L，同時三氯甲烷生成潛能降低42%。

一、PFS處理微污染水源的作用機理

1.1 電中和-吸附-網捕協同效應
PFS水解產生的多核羥基配合物（如[Fe3(OH)4]5+）通過強電中和作用破壞膠體穩定性。其比表面積達250-300m²/g的鐵氧化物膠體可有效吸附微污染物，實驗證實對雙酚A的吸附容量達48mg/g。形成的三維網狀絮體通過網捕作用截留0.01-1μm的微小顆粒，對藻細胞的捕獲效率超過90%。

1.2 特征污染物的去除機制
針對不同污染物，PFS表現出差異化的去除機理：（1）對有機物主要通過Fe3+與羧基、酚羥基的絡合作用；（2）對重金屬（如Cd2+）通過共沉淀和離子交換作用，在pH>6.5時去除率可達95%以上；（3）對藻類則通過粘附包埋和電荷中和，特別對帶負電的銅綠微囊藻去除效果顯著。

1.3 pH值的影響規律
PFS的較佳作用pH范圍為6.0-8.5。當pH<5.5時，Fe3+水解不充分；pH>9.0時，生成Fe(OH)3膠體過多反而影響沉降。通過自動pH調節系統控制反應條件，可使PFS效能提升30%以上。

二、PFS對特征微污染物的去除效果

2.1 有機物去除
對比實驗顯示，PFS對溶解性有機物的去除效果明顯優于傳統混凝劑。在某水庫水處理中，PFS（投加量20mg/L）對UV254的去除率達72%，比PAC高18個百分點。三維熒光光譜分析表明，PFS對類腐殖酸物質的去除效果尤為突出，熒光強度降低85%以上。

2.2 重金屬去除
PFS對多種重金屬表現出廣譜去除能力。在含As(Ⅲ)0.05mg/L的原水處理中，PFS與少量KMnO4聯用可使出水As<0.001mg/L，優于國標限值10倍。對Cd、Pb的去除率分別達92.3%和95.7%，顯著高于鋁鹽的65-75%。

2.3 藻類及藻毒素控制
針對夏季藻類爆發問題，PFS表現出獨特優勢。某湖泊水處理數據顯示，PFS（30mg/L）對葉綠素a的去除率高達94%，同時將微囊藻毒素-LR從5.8μg/L降至0.3μg/L。其作用機理包括：破壞藻細胞表面結構、中和負電荷、包裹藻毒素分子等。

三、工程應用案例分析

3.1 南方某水庫水廠改造項目
該水廠原采用PAC處理，出水CODmn時常超標（>3mg/L）。改用PFS（18-22mg/L）后，出水水質穩定達標，關鍵指標對比見表1。經濟效益分析顯示，雖然PFS單價較高，但因投加量減少和污泥處理成本降低，年運行費用反降15萬元。

表1 水廠改造前后水質對比（單位：mg/L）

3.2 北方某含砷地下水處理工程
該工程原水含As 0.045mg/L，采用PFS（25mg/L）+少量高錳酸鉀的工藝，出水As穩定在0.002mg/L以下。連續三年運行數據顯示，系統抗沖擊負荷能力強，在源水As波動至0.08mg/L時仍能保證達標。

3.3 湖泊水藻類應急處理
某市在藻類爆發期采用PFS強化處理工藝，將預氧化（ClO2）-PFS混凝（30mg/L）-氣浮組合，使藻密度從1.2×107cells/L降至3×105cells/L，成功避免水廠停產。該案例為季節性藻類污染控制提供了可復制方案。

四、工藝優化與技術創新

4.1 復合藥劑開發
研究發現PFS與陽離子聚合物復配可顯著提升處理效果。當PFS（15mg/L）與PDMDAAC（0.5mg/L）聯用時，絮體形成速度加快40%，沉降性能提高35%，對低濃度有機物（CODMn 2-3mg/L）的去除率提升至75%。

4.2 工藝參數優化
通過響應面法建立數學模型，確定較佳運行條件為：快攪速度200rpm（1min）、慢攪速度40rpm（15min）、沉淀時間25min。該方案使PFS投加量減少20%，出水濁度穩定在0.5NTU以下。

4.3 污泥資源化利用
PFS污泥中鐵含量達35-45%，經酸浸-氧化處理后可作為原料回用于PFS生產，實現閉環循環。某中試項目顯示，該工藝可使污泥處置成本降低60%，同時減少新鮮鐵原料消耗。

五、應用前景與挑戰

5.1 市場前景
隨著《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2022）的實施和供水水質要求的提高，預計未來五年PFS在水處理領域的應用量將以年均15%的速度增長。特別是在長江經濟帶和粵港澳大灣區等水源微污染突出區域，PFS將逐步替代30%的傳統鋁鹽市場。

5.2 技術挑戰
現有PFS產品對某些特殊微污染物（如全氟化合物）去除效果有限；低溫（<5℃）條件下絮體形成慢；部分產品鹽基度控制不穩定影響處理效果。這些技術瓶頸亟待突破。

5.3 發展方向
未來研究應聚焦于：（1）開發廣譜型改性PFS（如稀土摻雜）；（2）優化低溫強化混凝工藝；（3）發展智能化投加控制系統；（4）推進污泥資源化技術產業化。同時，需建立PFS處理微污染水源的技術規范和評價標準。

結論

本研究證實聚合硫酸鐵在微污染水源處理中具有顯著優勢：對特征污染物的綜合去除效果優于傳統混凝劑，出水水質更安全穩定，全生命周期成本更具競爭力。工程實踐表明，PFS特別適用于處理含有機物、重金屬和藻類復合污染的微污染水源。建議在水廠改造和新項目建設中優先考慮PFS工藝，同時加強運行參數優化和污泥資源化利用。隨著技術進步和應用經驗積累，PFS有望成為微污染水源處理的主流技術，為飲用水安全保障提供有力支撐。