化学沉淀法强化常规工艺应急去除水中的镉

Posted 2023-01-12 浓度

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在常规工艺基础上，通过投加氢氧化钠，实验进行了应急去除重金属镉的研究。实验结果表明，该方法能有效去除饮用水水源的镉，效果稳定，可进行应急处理。对pH、镉初始浓度和混凝剂投加量3个影响因素的灰色关联分析表明，3个因素对镉去除效果影响的大小排序为：滤后水pH>混凝剂投加量>镉初始浓度。在水源镉突发污染时，在原有常规水处理工艺基础上，通过控制滤后水pH可实现对重金属镉的去除，pH的控制值与水源水质有关。
我国水体的重金属污染问题十分突出，而且突发性水污染事件频繁，其中2005年12月的广东省北江发生镉污染事件和2006年1月的湖南湘江发生镉污染事件曾引起社会的广泛关注。
镉是3种被禁止的重金属类环境激素(镉、铅和汞)之一[1，2]，镉进入人体会造成“骨痛病"，还会对人体的肺造成伤害，出现呼吸困难、头晕、乏力等症状，严重时会出现支气管炎、肺气肿，甚至会引发肺癌；此外，镉对人体的肾脏、心脑血管、肝脏、免疫系统、生殖系统、遗传都有毒害作用[3，4]。镉在我国现行的毒性分级方法归为“中毒"物质，是USEPA水环境中129种重点控制的污染物之一，我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)对镉的限值规定为0.005mg/L。
国内外研究去除重金属镉的方法主要有化学沉淀法、反渗透法、离子交换法、电化学法、吸附法和生物吸附法等[4-11]，多数为实验室小试实验研究。但是，突发性水污染事件具有突然性，不可完全预见性，净水厂需要及时、迅速、有效地去除水中的污染物来保证正常供水。结合镉的化学性质及应急处理技术必须与水厂现有工艺和设备相结合、便于紧急实施、反应速度快的要求[12-15]，作者通过投加氢氧化钠，进行了去除镉的效果研究，并对影响镉去除效果的因素进行了灰色关联分析。
1.实验部分
1.1实验装置
实验装置如图1所示。实验装置的设计流量为1.0m3/L，配置一定浓度的重金属原液，由计量泵投加入原水中，在混凝前端通过计量泵投加氢氧化钠，达到预设定的pH值，经管道混合器后，由计量泵投加混凝剂(聚合氯化铝或三氯化铁)，进入混合池进行机械搅拌(转速为200r/min，停留时间为57s)，保证金属沉淀和混凝剂等充分混合，之后进入三级机械搅拌絮凝池(一级转速为50r/min，二级转速为40r/min，三级转速为30r/min，每级停留时间为6min)，混凝出水进入斜管沉淀池(沉淀时间为7.97min)，进行沉淀，沉淀出水经提升泵进入砂滤柱(滤速为7.96m/h，过滤时间为8.29min)。

1.2实验水质
实验用水为天津某净水厂水源水，其浊度和碱度如表1所示。

1.3镉的检测方法
方法依据为《生活饮用水标准检测方法金属指标》(GB/T5750.6-2006)，样品经适当处理后，采用石墨炉原子吸收法测定水中镉的浓度。
2.结果与讨论
2.1pH对镉去除效果的影响
图2为镉浓度为5倍国标限值(0.025mg/L)的条件下，三氯化铁投加量(以铁计)和聚合氯化铝投加量(以铝计)分别为10mg/L时，不同pH值对镉去除效果的影响。由图2可知，通过改变pH值，镉去除效果随着pH值的升高而下降。

根据溶度积原理可知，溶液中镉浓度与OH-成反比，OH-浓度增加，镉浓度会降低，以氢氧化镉沉淀析出；同时，水中还存在碳酸根和重碳酸根，通过提高pH，重碳酸根转化为碳酸根，进而形成碳酸镉沉淀。因此，为确保对镉的沉淀去除效果，pH的理论控制点为滤后水pH，而不是在投加混凝剂之前。由表1可知，在实验期间原水的碱度在一定范围内波动，图3说明，在实验运行期间的原水水质条件下，滤后水的pH值对出水镉浓度的影响，pH值在8.5以上基本可满足滤后水镉达到国家水质标准的要求，镉的出水浓度均低于0.005mg/L。

2.2镉初始浓度对镉去除效果的影响
混凝前pH控制在9.25±0.05，三氯化铁投加量为5.0mg/L，镉初始浓度分别为0.025、0.250、0.625、1.250和2.500mg/L时，镉的去除效果如图4所示。

由图4可知，随着镉初始浓度的增加，沉淀出水的镉浓度呈现增加趋势，经过过滤后，滤后水出水基本互相接近，低于国家水质标准限值，满足出水要求，同时，可以发现，图中滤后水pH连线拐点处，pH值下降，这是由原水水质初始pH值较低造成的，与此低pH值对应的镉浓度比其他相对高pH值的滤后水中镉浓度要高。
2.3混凝剂投加量对镉去除效果的影响
图5为镉初始浓度为0.690mg/L，调节混凝前pH值为9.70时，采用三氯化铁投加量(以铁计)为2.5、5和10mg/L，镉的去除效果；图6为镉初始浓度为0.314mg/L，调节混凝前pH值为9.25时，采用聚合氯化铝投加量(以铝计)为5.0、10和20mg/L，镉的去除效果。

由图5可知，随着三氯化铁投加量的增加，沉淀出水和过滤出水的pH值下降幅度增加剧烈，在投加三氯化铁浓度为10mg/L(以铁计)，滤后水的pH值由初始的9.7降至8.7；随着三氯化铁投加量的增加，沉淀出水浊度会逐渐降低，降低幅度明显，滤后水中浊度接近相同，均低于0.03NTU；三氯化铁投加量的增加，有助于提高镉在沉淀单元中的去除，可以降低后续工艺滤池的负荷。对于整体的混凝沉淀+过滤工艺来说，3个混凝剂投加浓度下，沉淀出水中的镉均在0.08mg/L以下，投加三氯化铁浓度为10mg/L时，滤后水中的镉浓度要高于三氯化铁浓度为2.5mg/L和5.0mg/L的滤后水镉浓度，原因是pH值降低幅度较大，pH值相对较低，由溶度积可知，镉浓度变大，但是，镉的出水浓度均低于0.005mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)对镉的出厂水要求。
由图6可知，随着聚合氯化铝投加量的增加，沉淀出水和过滤出水的pH值下降幅度增加剧烈，尤其在投加聚合氯化铝为20mg/L(以铝计)时，沉淀出水的pH值由初始的9.25降至8.4，但是，滤后出水的pH值上升到8.5，原因是滤池对pH值有一定的缓冲能力，且缓冲能力能维持一定的时间；随着聚合氯化铝投加量的增加，沉淀出水浊度会逐渐降低，降低幅度明显，滤后水浊度接近相同，均低于0.03NTU；聚合氯化铝投加量的增加，有助于提高镉在沉淀单元中的去除，可以降低滤池的负荷。对于整体的混凝沉淀+过滤工艺来说，3个混凝剂投加浓度下，沉淀出水中镉浓度均在0.05mg/L以下；随着聚合氯化铝投加量的增加，滤后水中的镉浓度却反而升高，原因与前面三氯化铁所述情况相同，但是，镉的滤池出水浓度均低于0.005mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)对镉的出厂水要求。

3.影响因素的灰色关联分析
灰色关联分析是通过灰色关联度来分析和确定系统因素间的影响程度或因素对系统主行为的贡献测度的一种方法[16，17]。该方法弥补了采用数理统计方法做系统分析所导致的缺憾，对样本量的多少和样本量的有无规律都同样适用，计算量小、方便，不会出现量化结果与定性分析结果不符的情况。基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密，曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小。
本文采用灰色相对关联度来确定滤后水pH(取值范围为8.20～8.95)、镉初始浓度(取值范围为0.05～0.50mg/L)和混凝剂投加量(以聚合氯化铝为例，取值范围为水厂净水生产投加量，5.0～20mg/L)对镉去除效果影响程度的大小。
设X为系统因素集，xi∈X为系统因素，镉的去除率、滤后水pH、镉初始浓度和混凝剂投加量的序列分别为x0、x1、x2和x3。序列x1、x2和x3代表影响因素，通常被称为子序列，重金属的去除率序列x0称为母序列。
3.1求各序列初值像
为保证建立模型的质量和系统分析的正确性，对采集来的原始数据需进行预处理，使其消除量纲和具有可比性，原始数据变换采用均值化方法，即：

3.2求序列的始点零化像

计算得出：r01=0.962；r02=0.571；r03=0.864。计算得出的灰色相对关联度表明，3个因素影响镉去除效果的大小排序为：滤后水pH>混凝剂投加量>镉初始浓度。
4.结论
在水厂常规工艺上，进行实验研究与运行，结果表明，通过投加氢氧化钠，调节pH，能有效去除饮用水水源中的镉，效果稳定。pH取值范围为8.20～8.95，镉初始浓度取值范围为0.05～0.50mg/L和聚合氯化铝取值范围为5.0～20mg/L，通过灰色关联分析得出，影响该方法去除镉效果的因素大小排序为：滤后水pH>混凝剂投加量>镉初始浓度。实验数据分析表明，在水源镉突发污染时，在原有常规水处理工艺基础上，通过控制滤后水pH可实现对重金属镉的去除，pH的控制点与水源水质有关。