pH對(duì)三氯化鐵處理重金屬污染水源的效能影響研究

劉志濱， 陳玉琢， 馬 越

(天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，天津300040)

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pH對(duì)三氯化鐵處理重金屬污染水源的效能影響研究

劉志濱， 陳玉琢， 馬 越

(天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，天津300040)

研究了采用三氯化鐵去除水源水中14種金屬元素時(shí)，影響去除效果的重要因素以及初始和處理后的pH值。結(jié)果表明，水中13種金屬元素在合理pH條件下均能達(dá)到很好的去除效果。綜合考慮，本文制定了適用于天津水源水的pH調(diào)節(jié)及出水控制方案。

沉淀； 金屬元素； 三氯化鐵； pH

水體是人類賴以生存的主要自然資源之一，又是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。由于人類活動(dòng)的影響，進(jìn)入水體環(huán)境中的污染物質(zhì)越來(lái)越多，其中水體金屬污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，科學(xué)有效地解決金屬對(duì)水體的污染已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1]。

三氯化鐵是一種廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)的混凝劑，通常在投加之前將其配制成低濃度的稀釋液，然后以重力或壓力的方式向原水中投注。三氯化鐵之所以可以用作混凝劑，是因?yàn)樗谥行曰蛉鯄A性條件下，能強(qiáng)烈水解并生成膠狀Fe(OH)3沉淀[2]。

本次試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)研究達(dá)到，當(dāng)遇到水源水金屬污染時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)成果能夠快速有效地去除污染，使產(chǎn)出的自來(lái)水達(dá)到合格飲用的標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)原理

堿性化學(xué)沉淀法需要與混凝沉淀過(guò)濾工藝結(jié)合運(yùn)行，最常用的方法是通過(guò)預(yù)先調(diào)整pH值降低所要去除污染物的溶解性，形成沉淀析出物，再投加混凝劑形成礬花進(jìn)行共沉淀。使化學(xué)沉淀法產(chǎn)生的沉淀物有效沉淀分離，在去除水中膠體顆粒、懸浮顆粒的同時(shí)，去除這些金屬和非金屬離子污染物。

2 試驗(yàn)部分

2.1 材料

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液

鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳、鈦、鉬、釩、硒、銀、鉈、鉛單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液。用于配制模擬污染水源。

2.1.2 藥劑

混凝劑：三氯化鐵；調(diào)節(jié)pH藥劑：氫氧化鈉；鹽酸(優(yōu)級(jí)純)。

2.1.3 試驗(yàn)用水

采用天津某水廠配水井水源水。

2.2 設(shè)備

六聯(lián)混凝攪拌器：采用ZR4-6混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)。過(guò)濾裝置：采用漏斗和濾紙進(jìn)行過(guò)濾，以模擬實(shí)際生產(chǎn)中的過(guò)濾工藝。

2.3 混凝試驗(yàn)

每組試驗(yàn)量取若干水源水于燒杯內(nèi)，加入金屬元素標(biāo)準(zhǔn)，配成含有一定濃度的模擬污水水源。每1 L分為1份，倒入潔凈的混凝杯中，進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)。然后向其中加入一定量的三氯化鐵，立刻進(jìn)行混凝攪拌，模擬水廠工藝。統(tǒng)一設(shè)定攪拌程序，靜置沉淀后取上清液過(guò)濾，廢棄100 mL初濾液，取樣測(cè)定殘余金屬濃度，計(jì)算去除率。

2.4 檢測(cè)方法

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)。每組試驗(yàn)都進(jìn)行質(zhì)控，檢測(cè)誤差控制在±10%。

3 結(jié)果與討論

3.1 污染水體初始pH去除效果的規(guī)律性分類

為了消除各個(gè)金屬元素之間的相互干擾，此次試驗(yàn)每種金屬元素均單獨(dú)配制模擬污染水樣，共14種元素，分別為鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳、鈦、鉬、釩、硒、銀、鉈、鉛。用氫氧化鈉和鹽酸調(diào)節(jié)水樣的pH值。鉬和硒元素模擬水樣初始pH值為6.0，7.0，8.0和9.0，其它元素均為7.0，8.0，9.0和10.0，誤差控制在±0.1。分別加入15 mg/L三氯化鐵，然后開(kāi)始混凝實(shí)驗(yàn)。根據(jù)取樣測(cè)定的殘余金屬濃度，計(jì)算去除率，見(jiàn)表1和表2。然后以pH為橫坐標(biāo)，以去除率為縱坐標(biāo)作初始pH與去除率的關(guān)系曲線圖。

表1 初始pH與去除率a

表2 初始pH與去除率b

由表1、表2可以看出：①錳、鎳、鈷、鎘、鋅、鈹、銅7種金屬元素隨pH值的增高，去除率逐漸升高；②鉬、釩、硒3種金屬元素隨pH值的增高，去除率逐漸降低；③鈦、鉛、銀3種元素，去除率隨pH值的增高，去除率較穩(wěn)定，且去除率高；④鉈隨pH值的增高，去除率逐漸升高，但最高去除率為11.1%，難以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)效果分類：第一類，鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳7種金屬元素，產(chǎn)生氫氧化物沉淀受pH影響較大，且只能在高pH值(9或10)時(shí)，達(dá)到最佳去除效果，因此在進(jìn)行處理時(shí)，在調(diào)到合適pH時(shí)，應(yīng)控制三氯化鐵的用量；第二類，鉬、硒兩種金屬元素在較低pH值(6)時(shí)，達(dá)到最佳去除效果，因此在進(jìn)行處理時(shí)，適當(dāng)增加三氯化鐵的用量，有利于增加去除率；第三類，鈦，鉛，銀3種元素，可以在天津水源水常規(guī)pH條件下即可達(dá)到最佳去除效果；第四類，三氯化鐵對(duì)鉈的去除效果不佳，需繼續(xù)研究其他解決方案。

3.2 處理前后pH與去除率的關(guān)系

三氯化鐵在處理金屬污染的過(guò)程中，發(fā)生水解，處理后水的pH會(huì)明顯降低，從而影響后續(xù)處理效果。因此在實(shí)際的水處理中不但要考慮污染水源水的初始pH，同時(shí)還要通過(guò)在線儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理后水的pH。本次試驗(yàn)在獲得初始pH與去除率關(guān)系的同時(shí)，研究了處理后水的pH與去除率的關(guān)系。表3至表6提供了鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳、鈦、鉬、釩、硒、銀、鉛13種金屬元素，處理前后pH與去除率的關(guān)系。

表3 處理前后pH與去除率a

表4 處理前后pH與去除率b

表5 處理前后pH與去除率c

表6 處理前后pH與去除率d

表3中，初始pH值為7，8，9時(shí)，處理后水的pH為6.6～7.6，處理效果均不理想，而當(dāng)初始pH值調(diào)到10時(shí)，處理后水的pH為8.9～9.6，去除率均達(dá)到90%以上，因此在處理這5種金屬污染時(shí)，在將初始pH值調(diào)到10的同時(shí)，要監(jiān)測(cè)處理后水的pH值，及時(shí)調(diào)整堿的用量。表4中鈹和銅，處理效果較好的兩個(gè)初始pH值為9和10，處理后的pH值分別約為7.5和9.3，自來(lái)水在管道中輸送一般pH為7～8，因此選擇初始pH=9進(jìn)行處理，可以省略后續(xù)的pH回調(diào)。同理，表6中的鈦、鉛、銀、釩4種元素，最佳初始pH范圍應(yīng)在8～9。表5中鉬和硒，只有在低pH值(6)時(shí)，達(dá)到理想的效果，處理后的pH降到5.4～5.7，試驗(yàn)投入三氯化鐵為15 mg/L。試驗(yàn)還證明，在此基礎(chǔ)上增加投量，有利于去除率的進(jìn)一步提高，同時(shí)pH值進(jìn)一步降低，因此處理鉬和硒時(shí)，為達(dá)到理想的去除效果，處理后pH應(yīng)控制在5左右。

3.3 處理前后pH的控制

綜合3.1和3.2的試驗(yàn)結(jié)果，鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳、鈦、鉬、釩、硒、銀、鉛13種金屬元素，要達(dá)到理想的應(yīng)急處理效果，首先要保證初始pH能夠讓元素形成沉淀物并與混凝劑共沉淀，其次要控制處理后的pH穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，使混凝劑三氯化鐵持續(xù)發(fā)揮最佳處理效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了這13種元素理想的處理前后的pH，見(jiàn)表7。當(dāng)出現(xiàn)某種金屬污染時(shí)，可參照此表進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

表7 處理前后理想pH

注：試驗(yàn)中所有結(jié)果的濁度均達(dá)標(biāo)。

3.4 后續(xù)研究

采用氫氧化物沉淀法處理含金屬離子廢水時(shí)，沉淀方式對(duì)重金屬離子去除效果的影響主要體現(xiàn)在沉降效果方面，有時(shí)重金屬離子濃度低或介質(zhì)等原因，顆粒微細(xì)而難以沉淀，則需添加絮凝劑讓其凝聚沉淀[3]。

本次試驗(yàn)結(jié)果適用于天津水源水，因不同地域水源水特性，試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)有不同，后續(xù)應(yīng)深入研究不同水體在處理上的共性和個(gè)性，以更好地應(yīng)對(duì)水源水突發(fā)金屬污染狀況。

4 結(jié)論

① 采用混凝劑三氯化鐵進(jìn)行處理時(shí)，錳、鎳、鈷、鎘、鋅、鈹、銅7種金屬可以通過(guò)調(diào)高pH達(dá)到最佳去除效果；鉬、硒2種金屬可以通過(guò)調(diào)低pH達(dá)到最佳去除效果；對(duì)于常規(guī)pH的污染原水，鈦、鉛、銀、釩可以不進(jìn)行pH調(diào)節(jié)即可達(dá)到最佳去除效果；鉈難以去除。

② 理想的處理效果不僅與初始pH相關(guān)，處理后水的pH同樣影響去除效率；

③ 鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳、鈦、鉬、釩、硒、銀、鉛13種金屬元素處理前后的pH值控制可參照表7。

[1] 楊正亮, 馮貴穎, 呼世斌, 等. 水體重金屬污染研究現(xiàn)狀及治理技術(shù)[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2005, 23(1): 219-221.

[2] 周錦云, 唐滿生. 混凝劑三氯化鐵稀溶液的水解及防治[J]. 湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 28(4): 103-104.

[3] 郭燕妮, 方增坤, 胡杰華, 等. 化學(xué)沉淀法處理含重金屬?gòu)U水的研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理, 2011, 31(12): 9-13.

Influence of pH on treatment efficiency of heavy metal in source water by ferric chloride

Liu Zhibin, Chen Yuzhuo, Ma Yue

(TianjinWaterworksGroupCo.,Ltd.,Tianjin300040,China)

The important influencing factors of removal, and the pH values of initial and post-treatment were discussed using ferric chloride to treat 14 kinds of metal elements in source water. The results showed that 13 kinds of metal elements could be removed under reasonable pH values. The schemes of pH value adjustment and outflow control were made for the source water of Tianjin.

sedimentation; metal element; ferric chloride; pH value

TU991.27

A

1673-9353(2016)05-0025-04

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.006

劉志濱(1981- )， 男， 本科， 工程師，主要從事水質(zhì)檢測(cè)工作。E-mail：liuzhibin3638@163.com

2016-05-12