高铁酸钾在水处理方面的应用
高铁酸盐具有很强的氧化性，氧化能力优于氯和臭氧，溶于水中能有效杀灭水中的微生物和藻类，还能氧化分解各种有机、无机污染物，如酚、有机氮、硫化物、氰化物等，而且在整个净化过程中不会产生三氯甲烷、氯代酚等二次污染物[1]。研究表明，与PAC 单独投加相比，复合高铁酸盐溶液与PAC 联合投加对水体中的氨氮、COD、细菌、浊度、藻细胞等的去除效果更好，且达到同样处理效果所需药剂量少[2]。与传统水处理剂相比，高铁酸钾不仅能快速杀灭水中的细菌、病毒，而且能去除水中的部分有机物、重金属离子和藻类等污染物，其分解产物Fe(OH)3胶体，可以吸附去除水中有机及无机污染物，对重金属有特殊功效，还能起脱色除臭作用，Fe(OH)3还具有絮凝作用，且对水体无二次污染[3]。本文旨在对国内外高铁酸钾在水处理方面的应用进行总结，为水处理技术提供理论基础和技术支持。
1 高铁对微生物的去除
1．1 杀菌消毒作用
高铁酸钾具有强氧化性，加入水体后可破坏细菌的某些结构(如细胞壁、细胞膜) 及细胞结构中的一些物质(如酶等) ，抑制和阻碍蛋白质及核酸的合成，使菌体的生长和繁殖受阻，起到杀死菌体的作用。首次发现高铁酸钾具有明显的灭菌作用是在1974 年，试验的两种细菌被完全去除[4]。少量的高铁酸钾即可达到良好的杀菌效果，研究表明，质量浓度为10 ～ 40 mg·L-1 的高铁酸钾在反应5 min 后对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌的杀灭率即可达100%，对真菌的杀灭率也高于99．5%[5]。高铁酸钾对温和气单胞菌(Aeromonas sobria) 、河弧菌(Vibrio f lurialis)、弧菌I 组淡水亚组弧菌(Vibrio group I freshwater subgroup)的抑制效果良好，施以高铁酸钾溶液作用1 h 后，对以上两种弧菌亦表现出很强的杀灭效果[6]。后来的研究证实，高铁酸钾对大肠杆菌有良好的灭活作用，其灭活效率随pH 降低而升高[7]。高铁酸钾氧化二级污水处理厂出水时也发现，接触时间和高铁酸钾浓度对灭活f 2 病毒有重要影响，影响程度随pH 而变化，灭活效率高于HClO 和ClO －[8]。带正电的微生物对高铁酸钾抵抗性强于带负电微生物，f 2 病毒对高铁酸钾的抵抗性等于或略低于大肠杆菌E．coli 细菌的抵抗性[9]。
高铁酸钾与其它消毒剂相比，具有无毒副作用功效。自使用氯消毒后消毒副产物的出现以及由此引起的对于人体的潜在危害被越来越多的研究者发现[10]，正努力使用其它工消毒工艺去除天然或合成的有机物从而降低消毒副产物的生成量、或消毒工艺后对消毒副产物加以去除、或者考虑其它的消毒剂(如溴，碘，二氧化氯和臭氧) 来代替氯气进行消毒，但是研究结果发现，这些消毒剂也会产生一系列对人体和水生生物有一定毒害的副产物。基于上述原因，可以考虑使用高铁酸钾来替代氯作为水处理的消毒剂，Ames 试验检验致突变物质的初步研究表明，高铁酸钾处理水并没有产生致突变物质，但是仍需要对高铁酸钾处理不同水质时的情况进行深入研究[11-12]。
1．2 去除水中藻类
水体富营养化问题的日趋严重，导致藻类疯长，藻类可以使水产生嗅味、堵塞滤池、甚至穿透滤层恶化水质，并且藻类也是一种消毒副产物的前体物，因此对藻类的控制与去除具有重要的意义。
1．2．1 高铁酸钾除藻机理
由于高铁酸钾的强氧化性，它对富营养化水体中藻类物质的去除效果也十分明显。刘伟等人对高铁酸盐除藻机理研究认为，其作用过程大致为: 高铁酸钾氧化能够破坏藻细胞的表面结构，造成藻细胞表面鞘套的卷绕，并可能使细胞的外鞘开裂，致使胞内物质外流[13]。另外，胞内物质向周围介质的释放，影响了藻类的正常段殖体繁殖方式，并且高铁酸钾在水中分解生成氢氧化铁，吸附于藻类细胞表面，可以降低细胞表面电荷，增加藻类细胞沉淀性[14]。氢氧化铁吸附与外流胞内物质絮凝的双重作用下，使得部分藻类细胞在混凝之前就能发生凝聚。苑宝玲等人研究了高铁酸钾氧化絮凝去除水中藻类的机制。结果表明高铁酸钾的强氧化性对藻类呼吸作用和生长方式有影响，同时认为其还原产物Fe(OH)3对藻类有絮絮凝作用[15]。因此高铁酸盐对水中藻类的去除是氧化和絮凝协同作用的结果。
1．2．2 高铁酸钾除藻高效性
采用预氯化除藻时，除藻率随着投氯量增加而逐渐升高，但当投氯量增加到一定程度后，除藻率不再进一步提高，稳定在一定去除率，而当采用高铁酸钾复合药剂预氧化除藻时，仅需少量的高铁酸钾复合药剂即可使除藻效果显著提高，沉后除藻率提高到70%以上，滤后除藻率提高到80% 以上[16]。因此，高铁酸钾复合药剂预氧化可显著地提高对水中藻类的去除率，除藻效果明显优于传统的预氯化工艺，由于高铁酸盐复合药剂同时具有多功能的净水效果，且对饮用水水质无副作用，因而在含藻水处理上将具有很大的应用潜力[17]。
高铁酸钾对混凝除藻具有强化作用，经0．14 mg /L 高铁酸盐复合药剂预氧化后，投加量为50 mg /L 的硫酸铝可使沉降后藻类的去除率从30%提高到60%，并且随着高铁酸钾复合药剂投量增加，沉降后余藻量进一步降低[16]。因而，在同等条件下，由于高铁酸钾对混凝的强化作用，在一定程度上减少了混凝剂的投入，节省处理成本。
2 高铁在氧化去污中应用
2．1 对非金属化合物的去除
高铁酸钾是一种有效的氧化剂，甚至其氧化还原电极电位比臭氧的高，可以用来氧化去除许多有机和无机杂质。高铁酸钾利用其强氧化性可以将水中NH3-N、H2S、CN －等无机非金属化合物氧化生成SO2 －4 、NO －3 、CO2等无害物质，同时达到脱味除臭的效果。研究表明，高铁酸盐可氧化一些无机污染物，如氰化物[18]、氨[19]、硫化氢[20]等，如下列化学方程式所示:
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在不同的高铁酸钾与NH3-N 量比条件下，延长反应时间，均不同程度地增加了NH3-N 的去除率。由于反应时间延长，一方面高铁氧化作用时间增加，NH3-N 被高铁的继续氧化分解，另一方面有利于高铁氧化絮凝作用的发挥和絮体形成，达到彻底去除氨氮的目的[21]。H2 S 可以用一般氧化剂(如O2、H2O2等) 氧化去除，但是高铁酸钾可以更快速有效地氧化去除H2S。如ClO －、Cl2和KMnO4能在5 min 内完成H2 S 的氧化，而高铁酸钾在1 s 内即可完全氧化H2 S[22]。有人利用高铁酸钾去除氰化锌复合物，结果证明高铁酸钾可以将CN －完全转化为毒性较低的OCN －[23]; 利用高铁酸钾处理含CN －电镀清洗废水，能安全可靠地氧化废水中的氰化物，将CN －氧化成NO －2，NO －3和HCO －3等无害的物质[24]。马维超等[25]的研究表明，高铁酸钾预氧化将原水中的大分子有机物氧化成小分子有机物，与此同时生成部分新生态的水合氧化铁，这些水合氧化铁由于其无定形状态和较小的粒径而具有很强的吸附能力，这就说明在总铁投量一定的情况下，高铁酸钾预氧化比单独混凝时对磷酸根的去除有一定的强化作用。
高铁酸钾对污水中的BOD、TOC 等具有良好的去除作用。可选择性地氧化水中的许多有机物，包括醇类、羧酸化合物、氨基酸、酚、1，2－二醇、有机氮化合物、脂肪族硫化物、亚硝酸基胺化合物、硫脲、硫代硫酸酯、肼化物等[26]。与其他一般混凝剂相比，高铁酸钾对浊度、COD、溶解性COD、TP 和藻类的去除效果更好，但对TN 的去除效果比PAC 略差; 高铁酸钾去除的污染物量较多，产生的污泥量较少，高铁酸钾可提高景观水体的BOD5 /COD 值，显著改善了水体的可生化性[27-28]。
2．2 对水体中金属离子的去除
高铁酸钾对水体中的重金属离子有很强的去除能力，水解产生的中间态高电荷水解产物及最终生成的Fe(OH)3胶体，具有良好的絮凝、吸附等作用，因此对水体中的金属离子如Mn2 +、Cu2 +、Pb2 +、Cr2 +、Cd2 +、Hg2 + 有很强的去除能力[29-30]，仅少量的高铁酸钾(10 ～ 100 mg·L-1 ) 就可以将这些金属离子降低至较低浓度水平，去除效率可达到95% 以上[31]。除此之外，高铁酸钾还可以处理高砷饮用水，处理后的水样中砷残留量可达到国家饮用水卫生标准的要求，方法简便、产生污泥量少，还原产物可用于后续絮凝除砷，无二次污染等优点[32]。
3 高铁在脱味除臭中的应用
S．J．Deluca 等的研究表明，高铁酸钾能有效地去除生物污泥中的H2 S、CH3 SH 和NH3等恶臭物质，将NH3氧化成NO －3，将H2 S、CH3 SH 氧化成SO2 －4，迅速将生物污泥中恶臭物质控制到可接受的程度，处理后的污泥可以用作化学肥料和土壤调节剂，有利于废物资源化[33]; 利用高铁酸钾处理经过改性粉煤灰混凝后的造纸废水研究表明，改性粉煤灰和高铁酸钾时联用时，对造纸废水处理效果最优，上清液再用高铁酸钾处理，为最佳工艺条件，出水水质达到造纸用水标准[34]; 用海泡石、沸石浸渍高铁酸钠溶液，能制备出稳定的除臭剂，再与活性炭按1∶1 进行复配，短时间内可去除(CH3)3NH、H2 S、CH3 SH、NH3臭味物质[35]; 高铁酸钾与紫外－可见光/二氧化钛光催化氨氮的联用研究表明，在pH = 8．0，温度为室温，水中氨氮的去除率可达97．5%[36]; 在屠宰场、垃圾处理场除臭实际应用表明，高铁酸盐溶液不仅可以消除H2 S 臭气，对其他臭源物质同样能有效去除[37]。
4 研究展望
高铁酸钾在氧化污染物的同时还原生成无机絮凝剂，是集氧化与絮凝作用于一体的多功能高效水处理剂。无论用于工业污水、生活污水还是自然水体，都具有良好的杀菌消毒效果，可有效地控制藻类的生长、去除和减少消毒副产物的前体物; 对污水处理效果明显，可以破坏氰根，去除硫化物，可除去几乎全部重金属离子，大幅度地降低水体的COD 值; 能有效地去除生物污泥中的(CH3)3NH、H2 S、CH3 SH 和NH3等恶臭物质。近年来，随着人们对环境保护重要性的认识逐渐深入，尤其是水处理方面专业知识的不断提升，为提高某些难降解污染物的去除率，采用了高铁酸钾联用技术也成为今后研究的热点，将有助于进一步揭示某些难降解污染物的降解机理，在环境治理领域有着广阔的应用前景，具有良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]王翠华．脉冲放电等离子体杀菌灭藻及其藻毒素去除的研究[D]．大连理工大学博士毕业论文，2008．
[2]张洁，邱慧琴，喻艳菁，等．稳定性复合高铁酸盐的制备及其在水质净化中的应用[J]．环境污染与防治，2009， 31(7) : 34-43．
[3]吴小倩，汪永辉，刘振鸿，等．高铁酸钾深度处理垃圾渗滤液的试验研究[J]．中国给水排水， 2008，24(5) : 57-60．
[4] R．K．Murmann，P．R．Robinson．Experiments Utilizing FeO2-4 for Purifying Water [J]．Water Research，1974，8(8) : 543-547．
[5]马艳，高乃云，楚文海，等．高铁酸钾及其联用技术在水处理中的应用[J]．水处理技术， 2010，36(1) : 10-14．
[6]刘乾甫，汪建国，李明，等．高铁酸钾对几种常见鱼类病原菌的杀菌效果测定[J]．水生生物学报， 2009，133(15) : 818-825．
[7] F．Kazama．Viral Inactivation by Potassium Ferrate [J]．Water Sci Technol．，1995， 31(6) : 165-168．
[8] T．D．Waite．Feasibility of Wastewater Treatment with Ferrate [J]．J Environ Eng-ASCE．1979，105(6) : 1 023-1 034．
[9] T．Schink，T．D．Waite．Inactivation of f 2 Virus with Ferrate (VI) [J]．Water Research，1980，14(12) : 1 705-1 717．
[10] J．J．Rook．Formation of Haloforms During Chlorination of Natural Waters [J]．Water Treat Exam．，1974，23(2) : 234-243．
[11] Deluca S J，Chao A C．Smallwood Jr C．Ames test of ferrate treated water [J]．J Environ Eng ASCE，1983，109(5) : 1 159-1 167．
[12]杜建，梁恒国，张选峰，等．多功能水处理剂高铁酸钾的应用研究进展环[J]．环保科技，2010， 16(1) : 26-30．
[13]刘伟，马军．高铁酸盐预氧化对藻类细胞的破坏作用及其助凝机理[J]．环境科学学报，2002，22(1) : 24-28．
[14] Ma J，Liu W．Effectiveness and mechanism of potassium ferrate (VI)preoxidation for algae removal by coagulation [J]．Water Research，2002，36(4) : 871-878．
[15]苑宝玲，曲久辉．高铁酸盐氧化絮凝去除藻类的机制[J]．中国环境科学， 2002， 22(5) : 397-399．
[16]马军，石颖，刘伟，等．高铁酸盐复合药剂预氧化除藻效能研究[J]．中国给水排水， 1998， 14(5) : 9-11．
[17]马军，刘伟，刘慧，等．高铁酸盐复合药剂除污染效能研究[J]．中国给水排水， 1998， 24(2) : 21-24．
[18] V．K．Sharma，B．Obrien，J．O．Smith．Removal of Cyanide in Rinse Water by Ferrate (VI) [J]．Abatr．Pap．Am．Chem．Soc．，1997: 213-238．
[19] V．K．Sharma，S．Hollyfield．Ferrate (VI) Oxidaton of Aniline and Substituted Anilines[J]．Abstr．Pap．Am．Chem．Soc．，1995，210:186．
[20] D．F．Dormedy，T．R．Shepherd，J．D．Carr．Kinetics and Mechanism of the Ferrate Oxidation of Dimethyl Sulfide in Aqueous Media [J]．Abstr．Pap．Am．Chem．Soc．，1999，217(1) : 284．
[21]李坤林，苑宝玲，叶谋仁．高铁酸盐溶液的制备与去除氨氮的实验研究[J]．安全与环境工程，2006，13(3) : 55-58．
[22] Sharma V K．Potassium ferrate (VI) : an environmentally friendly oxidant
[J]．Advances in Environmental Research，2002，6(2) : 143 －156．
[23]苑宝玲，李坤林，邓临莉，等．多功能高铁酸盐去除饮用水中砷的研究[J]．环境科学， 2006， 27(2) : 281-285．
[24]陈武，彭友新．高铁酸钾的制备及应用研究进展[J]．无机盐工业，2009，41(5) : 9-11．
[25]马维超，马军，刘芳．高铁酸钾预氧化强化混凝工艺对污水深度处理效果的影响[J]．水处理技术，2009，35(10) : 66-69．
[26] Virender K．Sharma．Potassium Ferrate (VI) : An Environmentally Friendly Oxidant [J]．Advances in Environmental Research，2002 (2) : 143-156．
[27]李晨光，伊学农，高玉琼，等．高铁酸钾处理景观水体的效果研究[J]．中国给水排水，2010，26(5) : 73-76．
[28]张彦平，许国仁．高铁酸盐溶液氧化直接耐晒黑G 的效果及机理[J]．中国环境科学，2009，29(11) : 1 177-1 180．
[29] Bartzatt R，Cano M，Johnson L，et al．Removal of toxic metals and nonmetals from contaminated water [J]．Toxicol Environ Health，1992，35(4) : 205-210．
[30]温国，员建，郭江．高铁酸盐预氧化技术在饮用水处理中的应用．环境科学与技术，2010，33(12) : 397-402．
[31]顾国亮，杨文忠．高铁酸钾的制备方法及应用[J]．工业水处理，2006，26(3) : 59-61．
[32]苑宝玲，李坤林，邓临莉，等．多功能高铁酸盐去除饮用水中砷的研究[J]．环境科学， 2006， 27(2) : 281-285．
[33] Deluca S J，Idle C N，Chao A C．Quality imp rovement of biosolids by ferrate (Ⅵ) oxidation of offensive odour compounds [J]．Wat．Sci．Tech．，1996，33(3) : 119-130．
[34]何文丽，桂和荣，苑志华，等．改性粉煤灰联合高铁酸钾处理造纸废水的试验研究[J]．环境科学与技术，2010，33(5) : 154-158．
[35] J．Q．Jiang．Research progress in the use of ferrate (VI) for the environmental remediation [J]．J．Hazardous Materials，2007，146 (3) :617-623．
[36]郗丽娟，张瑛洁，杨文慧，等．高铁酸钾与UV-vis /TiO2 协同氧化效应的研究[J]．工业水处理，2007，27(12) : 56-58．
[37]贾汉东，孟祥茹，刘立松．高铁酸盐溶液除臭效果的研究[J]．环境污染与防治，2002， 24(2) : 82-84．
作者简介:汪小雄(1972-) ，男，硕士，助理研究员，主要研究方向为水资源保护与水污染控制。
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