基于城市污水處理系統的重金屬污染物檢測及治理工藝分析

摘要：隨著城市工業化的進程加快，城市污水重金屬污染情況日益加重。為更深入了解城市污水處理系統中重金屬污染物實際情況，并能選擇最優治理工藝，本文選取了泉州市某污水處理廠的A/O工藝處理流程中不同單元的水樣作為分析對象，通過使用電感耦合等離子體發射光譜儀和原子熒光光度計，對水中多種重金屬（包括Cu、Pb、Cr、Cd、Ni和Hg）的濃度進行了精確測量。研究發現，該污水處理廠的進水樣本中Cu、Pb、Cr、Cd和Hg的濃度均超過了安全標準。盡管A/O處理工藝能有效降低這些重金屬的濃度，但處理后的出水樣本中Pb和Cr的濃度仍然超標，且Cu的濃度相對較高，達到0.283 mg·L-1。為此，進行了以改性活性炭G作為吸附劑、投加量為200 mg·L-1、吸附時間為10min的活性炭吸附試驗，結果表明在此條件下，Cu、Pb 和Cr的濃度均可顯著降低，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的要求。

關鍵詞：城市污水處理系統；重金屬污染物；治理工藝

引言

城市污水處理系統在維護城市水環境質量中扮演著關鍵角色。然而，隨著工業化進程的加快，重金屬污染逐漸成為水處理領域的一大挑戰。某些重金屬，如銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、鎳（Ni）和汞（Hg）等，在環境中由于其自有的有毒性質以及在生物體內的累積趨勢難以被分解，對人類的健康和生態系統的安全構成了嚴峻的挑戰[1]。目前，城市污水處理中，大多應用 A/O（厭氧/缺氧）處理工藝，高效去除污水中的有機物，但對于重金屬元素去除效果則存在一定局限性。因此，本研究以福建省泉州市某污水廠作為研究對象，明確該污水廠不同處理單元水樣中重金屬元素含量，并提出活性炭吸附技術，驗證其在重金屬去除中的潛力，明確工藝的最佳參數，以提高城市污水處理效率，保障城市水環境安全和公共健康。

1試驗材料及設備

1.1 試驗材料

水樣取自泉州市污水處理系統不同階段；硝酸試劑（分析純），由廣州化工試劑有限公司供應；比色管，50mL規格，生產廠家為寧波索萊寶生物科技有限公司；活性炭吸附劑型號A、B、C、D，均購自市場；改性活性炭吸附劑型號G、H，由深圳市新材料研究所開發。

1.2 試驗設備

XZ-16臺式高速離心機，生產廠家為杭州泰諾實驗設備有限公司；JM-210A電子精密天平，生產廠家為蘇州市金明精密儀器有限公司；LSX-50B立式超低溫冰箱，生產廠家為成都藍田制冷設備有限公司；SP-60型微孔濾膜過濾器，生產廠家為天津市派克龍科技有限公司[2]；CEMars5000電感耦合等離子體發射光譜儀，生產廠家為德國賽默飛世爾科技公司；AGF-500型雙通道原子熒光光度計，生產廠家為上海安譜科技有限公司。

2試驗方法

2.1 泉州市某污水處理廠污水處理工藝

泉州市某污水處理廠通過應用A/O處理工藝，實現了對城市周邊生活污水的綜合處理，日平均處理污水量可達到10.9萬t，最高可達12.6萬t，服務面積涵蓋泉州市鯉城區，服務面積月52km2。泉州市某污水處理廠應用的A/O處理工藝流程如圖1所示，圖中1～5為本次試驗水樣采集點。

2.2 活性炭吸附試驗

本研究使用小型動態吸附設備進行實驗，且實驗在A/O生物處理工藝處理的水樣上進行，旨在測試一系列活性炭的吸附效果[3]，主要致力于了解不同類型的活性炭、其投加量以及吸附時間等變量對重金屬元素吸附效果的影響。活性炭吸附實驗的具體流程如圖2所示。

2.3 水樣采集及預處理

本研究的水樣采集工作基于《地表水和廢水監測技術規范》（GB/T 5750-2006），每個點采集100mL水樣，共收集了3個不同的水樣，并采用數據的平均值作為最終的檢測結果。

水樣預處理共分為5個環節，即①將采集來的水樣倒入容量為50mL的離心管；②使用型號XZ-16的臺式高速離心機，在3000轉/min的速度下離心水樣，持續時間為20min；③離心后，利用孔徑為0.45μm的微孔濾膜對水樣進行過濾，并將過濾后水樣轉移到50mL的比色管中；④通過添加硝酸溶液調節水樣的pH，確保其處于1～2的酸性范圍[4]；⑤為維持水樣的化學穩定性，將其放入冰箱中，以4℃的低溫存放。

2.4 重金屬元素檢測方法

本次實驗采用電感耦合等離子體發射光譜儀和原子熒光光度計作為主要工具，準確測定水樣中Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、Hg等多種重金屬元素的濃度[5]。

3結果與討論

3.1 不同處理單元水樣中重金屬檢測結果

基于不同時間節點（2022年的3月、7月、10月和12月），按照既定的水樣采集和預處理方法對水樣進行處理。處理后的樣本采用電感耦合等離子體發射光譜儀和原子熒光光度計進行分析，以測定水中各種重金屬元素的濃度[6]。檢測結果如表1所示，泉州市污水處理廠進水水樣中主要含有6種重金屬元素，且元素質量濃度分別為Cu0.922mg·L-1、Pb0.663mg·L-1、Cr0.652mg·L-1、Cd0.081mg·L-1、Ni0.0125、Hg0.0013mg·L-1，均已超過《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的要求，需處理達標后才可排放；經粗格柵、細格柵、曝氣沉砂池、A/O 生物曝氣池、二沉池及消毒池之后，水樣中各類重金屬的濃度顯著下降；在最后消毒池出口水樣中，檢測到Cd和Ni的濃度均減少到了0.0005 mg·L-1，而Hg未在水樣中被檢測到，表明此3種重金屬的濃度已經符合GB 18918-2002的排放要求。

從表1可以看出，雖然經過處理后，Cu、Pb、Cr的濃度顯著下降了，但在處理后的出水中，這3種元素的平均濃度依然相對較高，分別達到0.282mg·L-1 、0.171mg·L-1、0.114mg·L-1，其中Pb和Cr的濃度超過了GB 18918-2002的排放標準限值，而Cu的濃度雖符合標準，卻相對較高，說明仍需對污水進行進一步處理。

3.2 活性炭吸附試驗結果

3.2.1 活性炭類型對重金屬元素吸附效果影響

本研究選擇4種標準活性炭吸附劑（型號A、B、C、D）和2種改性活性炭吸附劑（型號G、H），每種活性炭吸附劑的使用量均為200mg·L，每種改性活性炭吸附劑的吸附時間均固定在10min，目的是為了評估不同種類活性炭吸附劑對重金屬元素吸附能力的影響，試驗結果如圖3所示。

從圖3可以看出，所有類型的活性炭吸附劑都表現出了良好的吸附能力。在相同的實驗條件下，特別是改性活性炭G在吸附效果上表現最為顯著。當使用改性活性炭 E 對水樣進行處理后，水中Cu、Pb和Cr的質量濃度分別降至0.0052mg·L-1、0.0019mg·L-1、0.0013 mg·L-1。與處理前相比，這3種重金屬的去除率分別達到了98.16%、98.89%和98.86%，均超過了98%的高效去除率，顯示出改性活性炭G在去除水中重金屬方面的優異性能。

3.2.2 活性炭加投量對重金屬元素吸附效果影響

本次實驗，基于上述研究結果，選用改性活性炭G作為吸附劑，將吸附時間定為10min，目的是研究不同加入量的活性炭對重金屬元素吸附效果的影響，試驗結果如圖4所示。隨著改性活性炭吸附劑G加入量的增加，水中重金屬元素的濃度明顯降低，特別是當改性活性炭吸附劑G的加入量達到200mg·L-1時，Cu、Pb和Cr的濃度分別降至0.0052mg·L-1、0.0019mg·L-1和0.0013mg·L-1。達到此量之后，重金屬的濃度下降趨勢開始變緩，表明進一步增加吸附劑的量對于減少重金屬的濃度效果不再顯著。因此，綜合考慮去除重金屬的效果和成本效益，確定200mg·L-1為改性活性炭吸附劑G的最佳添加量。

3.2.3 吸附時間對重金屬元素吸附效果影響

本次實驗，仍選用改性活性炭G作為吸附劑，并將其添加量設置為200mg·L-1 [7]，主要研究的焦點是吸附時間對水中重金屬元素濃度的影響，試驗結果如圖5所示。隨著吸附時間的延長，水樣中重金屬元素的濃度逐漸降低。特別是當吸附時間達到10min時，Cu、Pb和Cr的濃度分別下降到0.0052mg·L-1、0.0019mg·L-1和0.0013mg·L-1。在此時間點之后，雖然重金屬濃度繼續下降，但降幅有所減少。因此，根據試驗結果，建議將吸附時間定為10min，即可有效地降低重金屬濃度，同時也避免了處理時間的無效延長。

綜合以上研究，確定活性炭吸附試驗最佳工藝參數，活性炭吸附類型為改性活性炭G、投加量為200mg·L-1、吸附時間為10min，達到GB 18918-2002的排放要求。

結論

綜上所述，本研究針對泉州市某污水處理廠的 A/O 工藝處理流程中不同單元的水樣，通過電感耦合等離子體發射光譜儀和原子熒光光度計，對水中的重金屬元素進行了精確測量。結果顯示，進水樣本中的重金屬元素濃度普遍超過了安全標準，盡管 A/O 處理工藝在某種程度上降低了這些重金屬的濃度，但最終出水中Pb和Cr的濃度依然超出了規定的排放標準。針對此問題，研究提出了以活性炭為吸附劑降低污水中重金屬質量濃度的方法，并總結出活性炭吸附類型為改性活性炭G、投加量為200mg·L-1、吸附時間為10min，可達到最優重金屬污染治理效果。因此，本次研究結果不僅為泉州市某污水處理廠提供了一種有效的重金屬污染治理方法，也可為其他城市污水處理系統中重金屬污染治理提供重要參考。

參考文獻

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作者簡介

陳麗華（1983—），女，漢族，福建泉州人，本科，高級工程師，研究方向為環境監測。