飲用水源突發(fā)鎘污染的應(yīng)急處理技術(shù)研究

劉學(xué)卿，真 誠(chéng)，丁文婧

(1.鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 鎮(zhèn)江212000；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225000)

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飲用水源突發(fā)鎘污染的應(yīng)急處理技術(shù)研究

劉學(xué)卿1，真 誠(chéng)1，丁文婧2

(1.鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 鎮(zhèn)江212000；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225000)

模擬鎮(zhèn)江市征潤(rùn)州水源地突發(fā)鎘污染事故，考察了活性炭吸附、混凝沉淀工藝對(duì)不同超標(biāo)倍數(shù)下鎘污染的應(yīng)急處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)渭円揽客都覲AC，處理能力有限，并不能將原水處理達(dá)標(biāo)，需要結(jié)合混凝沉淀工藝。混凝沉淀實(shí)驗(yàn)表明：針對(duì)初始濃度為25μg/L和50μg/L的鎘污染，分別投加80 mg/L和160 mg/L的Ca(OH)2時(shí)，出水鎘濃度即可達(dá)標(biāo)；針對(duì)初始濃度為250μg/L和500μg/L鎘污染，固定Ca(OH)2投加量為160 mg/L和200 mg/L，最佳聚合氯化鋁投加量為15 mg/L和20 mg/L。

突發(fā)污染；鎘；應(yīng)急處理；粉末活性炭；氫氧化鈣；聚合氯化鋁

近年來，隨著長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口的高度集聚，造成流域污染負(fù)荷不斷增加[1]，使得突發(fā)水污染事故頻繁發(fā)生。征潤(rùn)州水源地作為長(zhǎng)江流域重要的供水水源之一，其水質(zhì)狀況直接關(guān)系到鎮(zhèn)江市民的生活質(zhì)量和身體健康。征潤(rùn)州取水口處于一個(gè)半封閉狀的緩沖區(qū)，水體流動(dòng)性較差，導(dǎo)致水域的環(huán)境承載壓力不斷加大，一旦突發(fā)水污染事故，后果不堪設(shè)想，因而及時(shí)構(gòu)建應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制意義重大。鎘污染是近年來我國(guó)各大水域常見的重金屬突發(fā)污染物，作為“五毒”重金屬中的一種，具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性、難降解性、可蓄積性和毒性，廣泛分布于河流、湖泊、水庫(kù)等水源地[2]。飲用含鎘的水源水后，會(huì)在肝、腎和骨骼中產(chǎn)生鎘積累，進(jìn)而造成骨質(zhì)軟化和疏松，表現(xiàn)為背和四肢疼痛、行走困難，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生自發(fā)性骨折和動(dòng)脈硬化性腎萎縮、慢性球體腎炎等疾病[3]。當(dāng)水體突發(fā)鎘污染時(shí)，其在暴發(fā)時(shí)間和作用強(qiáng)度上均不同于一般性的水污染事件，常規(guī)處理工藝很難保證出水水質(zhì)，這就需要一種能快速啟動(dòng)、有效的應(yīng)急處理技術(shù)[4]。結(jié)合當(dāng)下水體重金屬的處置方法，比較可行的應(yīng)急處理技術(shù)是活性炭吸附法與混凝沉淀法[5-7]。本文以模擬受突發(fā)性鎘污染的水源地為處理對(duì)象，以期為鎮(zhèn)江自來水廠應(yīng)對(duì)水源水突發(fā)鎘污染改進(jìn)和優(yōu)化凈水工藝提供指導(dǎo)意見和參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 水源地水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水為鎮(zhèn)江市征潤(rùn)州取水口段原水，水質(zhì)主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)(年均值)如表1所示。

表1 征潤(rùn)州水源地原水水質(zhì)情況 (mg/L)

1.2 材料

竹質(zhì)粉末活性炭(竹炭)(粒徑0.75 mm，比表面積1000 m2/g上海活性炭廠)；硝酸鎘、碘化鉀、抗壞血酸、甲基異丁基甲酮均為AR；固體聚合氯化鋁(有效成分含量30%)、氫氧化鈣均為工業(yè)品。

1.3 儀器

SHA-C恒溫振蕩器，原子吸收分光光度儀。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 吸附實(shí)驗(yàn)

稱取0.5 gPAC，加入1L蒸餾水，攪拌均勻配成炭漿；用原水配制所需濃度的鎘溶液，取200 mL于250 mL錐形瓶中，加入一定量炭漿，振蕩20 min，過濾，取200 mL濾液于分液漏斗中，采用KI-MIBK火焰原子吸收分光光度法測(cè)定殘余鉛濃度。測(cè)定波長(zhǎng)為228.80 nm；光譜帶寬：0.40 nm；火焰類型：AIR-C2H2，氧化型；AIR流量：0.20 Mpa；C2H2流量：1.20 L/min，0.05 Mpa；燃燒頭高度：5 mm。

1.4.2 混凝沉淀實(shí)驗(yàn)

配制一定濃度的氫氧化鈣溶液和聚合氯化鋁溶液；用原水配制一定濃度的鎘溶液，取250 mL于錐形瓶中，加入一定量的氫氧化鈣和聚鋁，振蕩20 min，過濾，取250 mL濾液于分液漏斗中，檢測(cè)方法同吸附試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC投加量對(duì)處理效果的影響

根據(jù)《GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中鎘的標(biāo)準(zhǔn)限值0.005 mg/L，選取標(biāo)準(zhǔn)限值的5倍、10倍、50倍及100倍作為鎘突發(fā)污染的初始濃度。在不同PAC投加量下，考察對(duì)不同水平鎘污染的處理效果，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見，隨著PAC投加量的增大，不同超標(biāo)倍數(shù)下鎘的去除率也隨之提高。針對(duì)初始濃度為25 μg/L的鎘污染，投加10 mg/L PAC，去除率大幅提高至40%。主要原因是PAC對(duì)于水中無機(jī)離子的吸附，主要是依靠其自身在高溫制備過程中形成的多種官能團(tuán)的絡(luò)合螯合作用，當(dāng)水體中鎘濃度明顯低于活性炭濃度時(shí)，活性炭官能團(tuán)數(shù)量較多，能顯著去除鎘離子。當(dāng)PAC投加量增至40 mg/L時(shí)，去除率可達(dá)50%；針對(duì)初始濃度為50 μg/L的鎘污染，投加50 mg/L PAC，去除率為48%，殘余鎘濃度為26 μg/L，超標(biāo)5倍左右；針對(duì)初始濃度為250 μg/L和500 μg/L的鎘突發(fā)污染，PAC投加量從40 mg/L增至50 mg/L時(shí)，去除率僅分別提升0.8%和3%，最終鎘殘余濃度分別為145 μg/L和321 μg/L。由此可見，針對(duì)高濃度鎘突發(fā)污染，強(qiáng)化PAC投加量，去除效率也遠(yuǎn)不能達(dá)到預(yù)期要求，主要原因是水體中浮游生物、有機(jī)物很多，活性炭表面更易吸附有機(jī)物，且加大活性炭投加量，處理成本過高，因此需要結(jié)合其他工藝，提高處理效果。針對(duì)重金屬突發(fā)污染，技術(shù)方案的選擇應(yīng)遵循四項(xiàng)原則[8]：①形成穩(wěn)定性良好的產(chǎn)物，不易分解，溶度積小，即使在惡劣自然條件下也不易返溶，不易進(jìn)入生物體或被植物吸收；②處置過程對(duì)環(huán)境的二次破壞作用小；③投資少，效率高；④方案易于實(shí)施。高中方[4]等人的研究表明：采用混凝沉淀法可有效應(yīng)對(duì)220～260 μg/L的鎘突發(fā)污染，去除率高達(dá)97.70%以上。由此可見，混凝沉淀法可作為應(yīng)急處理鎘突發(fā)污染的有效手段。

2.2 混凝沉淀工藝

2.2.1 考察Ca(OH)2投加量對(duì)處理效果的影響

由圖可見，隨著Ca(OH)2投加量的增大，原水pH值亦不斷增大。原水pH值是影響去除效果的重要因素，通過提高原水的pH值，使溶解態(tài)的Cd(Ⅱ)轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸k沉淀顆粒的形式。圖2表明，針對(duì)初始濃度為25 μg/L的鎘污染，投加80 mg/L的Ca(OH)2時(shí)，原水pH值為8.0，此時(shí)鎘的去除率高達(dá)84%，出水殘余濃度僅為4 μg/L，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值；由圖3可見，當(dāng)原水鎘濃度為50 μg/L時(shí)，投加120 mg/LCa(OH)2，去除率達(dá)到82%，殘余鎘濃度僅為9 μg/L，此時(shí)pH值在8.9左右，繼續(xù)增大Ca(OH)2的投加量至160 mg/L，原水pH值達(dá)到9.4，去除率達(dá)100%。如圖4、圖5所示，針對(duì)初始濃度250 μg/L和500 μg/L的鎘突發(fā)污染，Ca(OH)2投加量分別為160 mg/L和200 mg/L時(shí)，原水pH值約為9.6、10.1，此時(shí)，鎘的去除率迅速提升至86%和90.8%，殘余濃度分別超標(biāo)7倍、9倍，繼續(xù)增大Ca(OH)2投加量至200 mg/L和240 mg/L時(shí)，原水pH值分別被調(diào)至10和11.2，鎘的去除率顯著提高至96%和96.2%，出水殘余濃度分別降至10 μg/L和19 μg/L，僅分別超標(biāo)2倍和4倍。但考慮到增大Ca(OH)2投加量，必然會(huì)導(dǎo)致處理成本增大及水源水質(zhì)遭到二次污染、pH值回調(diào)困難等問題，因此，針對(duì)初始濃度為250 μg/L和500 μg/L的鎘污染，Ca(OH)2最佳投加量分別為160 mg/L和200 mg/L，此時(shí)出水殘余濃度為35 μg/L和46 μg/L，需投加聚合氯化鋁進(jìn)一步處理。

2.2.2 考察聚合氯化鋁投加量對(duì)處理效果的影響

由圖6可見，針對(duì)初始濃度為250 μg/L的鎘突發(fā)污染，固定Ca(OH)2的投加量為160 mg/L，投加聚鋁2 mg/L時(shí)，出水殘余濃度即可降至25 μg/L，去除率達(dá)88%，繼續(xù)增大聚鋁投加量至15 mg/L，出水殘余濃度即降至4 μg/L，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值以下。針對(duì)濃度為500 μg/L的鎘污染，固定Ca(OH)2的投加量為200 mg/L，聚鋁投加量從2 mg/L增至20 mg/L時(shí)，去除率由92%升至99.4%，殘余濃度由40 μg/L降至3 μg/L，處理效果顯著。因此，針對(duì)初始濃度超標(biāo)50倍和100倍的鎘突發(fā)污染，最佳聚合氯化鋁投加量分別為15 mg/L和20 mg/L。

3 結(jié)論

(1)水源地突發(fā)低濃度鎘污染時(shí)，應(yīng)急投加PAC，可顯著提高鎘的去除效率，針對(duì)初始濃度為25 μg/L和50 μg/L的鎘污染，分別投加40 mg/L和50 mg/L的PAC，去除率分別達(dá)到50%和48%。但針對(duì)超標(biāo)50倍、100倍的高濃度鎘突發(fā)污染，僅依靠投加PAC，處理效果較差，需通過投加氫氧化鈣及聚鋁的方式進(jìn)一步處理。

(2) 針對(duì)初始濃度為25 μg/L的鎘污染，投加80 mg/L的Ca(OH)2時(shí)，出水殘余濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值；針對(duì)原水鎘濃度為50 μg/L的污染，投加160 mg/LCa(OH)2時(shí)，去除率達(dá)100%；針對(duì)初始濃度250 μg/L和500 μg/L的鎘突發(fā)污染，考慮到增大Ca(OH)2投加量，會(huì)導(dǎo)致處理成本增大及水源水質(zhì)遭到二次污染、pH值回調(diào)困難等問題，因此， Ca(OH)2最佳投加量分別為160 mg/L和200 mg/L。

(3) 針對(duì)初始濃度250 μg/L和500 μg/L的鎘突發(fā)污染，最佳聚合氯化鋁投加量分別為15 mg/L和20 mg/L，經(jīng)處理后，出水殘余濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值。

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Study on Emergency Treatment for Cadmium Pollution in Drinking Water Source

LIU Xue-qing1, ZHEN Cheng1, DING Wen-jing2

(1.Zhenjiang Environmental Monitoring Center, Zhenjiang Jiangsu 212000, China)

Assuming cadmium pollution occurring suddenly in Zhengrunzhou drinking water source, the emergency treatment efficiencies of different pollution levels by powdered activated carbon (PAC) adsorption and coagulation sedimentation process were investigated. The jar test results showed that processing ability was limited through dosing PAC alone and the raw water could not meet the standard. The coagulation sedimentation process needed to be combined. Coagulation sedimentation experiments showed that for the initial concentration of cadmium pollution of 25 μg/L and 50 μg/L, adding 80 mg/L and 160 mg/L of Ca (OH)2respectively, effluent concentration of cadmium could reach the standard. For the initial concentration of 250 μg/L and 500μg/L cadmium pollution, the amount of Ca (OH)2dosage was 160 mg/L and 200 mg/L, the best dosage of poly-aluminum chloride was 15 mg/L and 20 mg/L respectively. According to the test results, the preliminary scheme was proposed above in order to provide the technical support of perfecting the Zhenjiang water source of sudden pollution accident emergency response.

pollution accident; cadmium; abrupt treatment; powdered activated carbon; calcium hydroxide; poly-aluminum chloride

2017-02-21

劉學(xué)卿(1985-)，女，助理工程師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

X52

A

1673-9655(2017)05-0020-04