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聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁對飲用水中亞硒酸鹽的去除效果對比

發布時間:2016年6月13日    來源:www.rxy7.com 點擊數:1993

硒作為一種微量營養元素對人類和動物起著重要作用,但其營養學劑量和潛在毒性濃度相差范圍很窄,且具有較高的遷移性,積累后的毒性引起生物胚胎畸形以至于死亡。自然界中的硒通常以4種氧化態(Se2-、Se0、Se4+和Se6+)和含硒有機物的形式存在,表面水體中多以六價硒酸鹽和四價亞硒酸鹽為主。亞硒酸鹽毒性要遠高于硒酸鹽。一般超標含硒原水中硒的濃度在20~40μg/L,我國規定生活飲用水源水中硒的含量<10μg/L。

目前硒的處理方法可分為物理化學法和生物法。物理化學法包括利用天然鐵氧化物、針鐵礦、活性炭、鎂鋁水滑石、γ-Al2O3、FeCl3和AlCl3的吸附共沉淀、納濾、反滲透、離子交換等。金屬氧化物、礦物和金屬鹽除硒的機理是金屬鹽與可溶性硒生成不溶性的硒化合物,通過沉淀或過濾去除,而活性炭除硒的機理是特性吸附;生物法主要利用還原細菌將硒酸鹽和亞硒酸鹽還原為不溶于水的單質去除,如厭氧細菌和藻類生物塘、微生物恒化器[15]、填充器和產甲烷UASB生物反應器等處理含硒廢水。這些處理方法工藝復雜且由于原水水質的波動處理效果不夠穩定。混凝是水處理過程中的傳統處理工藝,具有操作簡單等優點。當硒以亞硒酸根離子的形式存在時,絮凝劑與亞硒酸根離子反應生成不溶、難溶性硒化合物,而當硒以硒酸根離子存在時,它可以被其他陰離子競爭替換,傳統化學沉淀法除硒效果小于10%。除硒的藥劑可采用硫酸鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵和氫氧化亞鐵,本研究利用常見的絮凝劑聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵,對含有亞硒酸鹽的水溶液進行混凝攪拌實驗,考察了2種絮凝劑對水中亞硒酸鹽的去除效果以及影響因素,達到對水中亞硒酸鹽快速去除的目的。

1實驗材料與方法

1.1實驗水樣

實驗所用水樣采自密云水庫,水樣pH為7.76,濁度2.6NTU,溶解氧11.7mg/L,總磷和總氮分別為0.08mg/L和1.24mg/L。將0.0188g的亞硒酸(H2SeO3)溶解于500mL去離子水得到23mg/L亞硒酸鹽儲備液,使用前將儲備液用密云水庫水稀釋至相應濃度(184、345和1840μg/L)即可,以此模擬飲用水源水受污染的狀態。pH調節采用Mettler-ToledoFE20型pH計;硒的檢測采用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS測量;實驗藥劑有亞硒酸(H2SeO3)、工業聚合氯化鋁,產自天津大港,氧化鋁含量10%,鹽基度40%)、工業聚合硫酸鐵,產自天津大港,全鐵含量11%,鹽基度12%)、1mol/LNaOH、1mol/LHCl等。

1.2實驗方法

采用北京岱遠JTY-6型混凝攪拌器進行混凝實驗。首先取200mL一定濃度的亞硒酸鹽水樣于燒杯中,加入絮凝劑后調節pH到8,聚合氯化鋁的投加量以Al計算,聚合硫酸鐵的投加量以Fe計算。實驗先于200r/min下快速攪拌3min,然后在70r/min下慢速攪拌15min,靜置沉降30min后取上層清液進行測定。

pH對去除效果的影響實驗方法與前述基本相同,配制200mL一定濃度的亞硒酸鹽水樣于燒杯中,投加絮凝劑后分別用1mol/LNaOH和1mol/LHCl調節溶液pH分別為2、5、8和11,再用混凝攪拌器進行混凝實驗。

中試實驗在北京市第九水廠進行,中試進水量為11t/h,配制亞硒酸鹽濃度分別為71.8、158.5和601μg/L的原水,調整相應加藥泵和加堿泵,使聚合硫酸鐵的投加量約為50mg/L,用工業氫氧化鈉所配制一定濃度堿液調節水質pH,待pH穩定于8左右后分別取原水、沉淀池出水和煤濾柱出水水樣。

2結果和討論

2.1不同投加量聚合氯化鋁(PACl)對硒的去除

由圖1可知,向亞硒酸鹽水樣中投加聚合氯化鋁后調節溶液pH至8,隨著聚合氯化鋁投加量的增加,硒濃度的降低呈現出逐步遞減的趨勢。當聚合氯化鋁的最大投加量達到60mg/L時,對應不同初始硒濃度的出水含硒濃度分別為55、130和622.6μg/L。
圖1 聚合氯化鋁對不同初始濃度的亞硒酸鹽溶液的去除

2.2不同投加量聚合硫酸鐵(PFS)對硒的去除

由圖2可知,投加聚合硫酸鐵后調節溶液pH至8,隨著聚合硫酸鐵投加量的增加,硒濃度減少的趨勢變化明顯,在投加量為40mg/L時,硒的去除率基本已達到90%左右,最終聚合硫酸鐵對于不同初始硒濃度原水的去除率均>95%,2種較低初始硒濃度的原水經處理后均滿足飲用水水質標準。絮凝劑水解時形成帶有較高正電荷的羥基多核絡合物,吸附締合帶負電的的亞硒酸根離子,反應生成不溶、難溶性硒離子物。此外,聚合硫酸鐵水解的氫氧化物絮體具有較強的吸附能力,難溶性硒化合物和還原的單質硒可以被吸附在羥基絮體上,通過網補卷掃去除。聚合硫酸鐵除硒效果明顯好于聚合氯化鋁的原因可能是聚合硫酸鐵形成的礬花密度大,沉降性能和吸附卷掃效果更好;另外,亞硒酸可以取代Fe3+結合的部分羥基,形成堿式亞硒酸鐵絡合物,這種由Fe3+、OH-和SeO3-之間強作用力形成的難溶性絡合物表面同時亦有很強的吸附作用,可以進一步去除更多的硒。這是聚合硫酸鐵更為高效的原因之一。
圖2 聚合硫酸鐵( 以鐵計) 對不同初 始濃度的亞硒酸溶液的去除

2.3pH對聚合硫酸鐵混凝處理硒的影響

pH對絮凝劑在水中的混凝有重要作用,一方面pH會影響水中鹽溶液的存在形態,另一方面pH影響絮凝劑在水中的水解形態。pH值較低時,絮凝劑主要以高電荷低聚合度的配合離子存在,無法起到吸附架橋去除水中雜質的作用,而在中性和弱堿性時,其水解產物以帶高電荷的高聚絡合物為主,具有吸附締合的作用。當初始硒濃度為2300μg/L時,投加聚合硫酸鐵后用1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH調節原水pH分別為2、5、8和11。結果如圖3所示。
圖3 聚合硫酸鐵( 以鐵計) 對不同pH 的含硒溶液的去除

在pH=2時聚合硫酸鐵的混凝除硒效果呈現波動狀態,沒有明顯效果,隨著pH升高,聚合硫酸鐵帶較高電荷的水解產物首先與OH結合,形成聚合態的羥基鐵,與亞硒酸鹽發生共沉淀反應和吸附作用,最佳除硒效果出現在pH=8,當pH繼續增加到11時,生成Fe(OH)3沉淀,所以除硒效果有一定下降。各pH條件下,當聚合硫酸鐵投加量為160mg/L時均出現硒濃度的增加,考慮在較高亞硒酸鹽濃度時投加過量絮凝劑會出現反混,可能導致去除效果下降,溶液硒濃度增加。在80mg/L投加量時出水亞硒酸鹽濃度最低,對應pH5、8和11分別為55.9、52.4和64.2μg/L。

2.4亞硒酸鹽的中試去除實驗

亞硒酸鹽的中試去除實驗在北京市第九水廠進行,處理工藝流程如圖4所示。主要由混凝池、沉淀池和煤濾柱構成。中試實驗結果如表1所示。3種濃度的亞硒酸鹽原水經過混凝沉淀后均有70%以上的去除效果,煤濾柱過濾后可達到90%左右。對于前2種濃度的亞硒酸鹽原水在投加絮凝劑和經過煤濾柱過濾后,可以滿足飲用水水質標準要求,出水濃度分別為9.78μg/L和3.33μg/L。
圖4 亞硒酸鹽的中試去除實驗處理工藝流程圖
表1 亞硒酸鹽的中試去除實驗結果

3結論

(1)混凝工藝可以快速去除水中的亞硒酸鹽,操作比較簡便。常見絮凝劑如聚合氯化鋁和聚合硫酸鐵對于不同初始濃度的亞硒酸鹽均有一定去除效果。

(2)聚合硫酸鐵混凝除硒效果明顯好于聚合氯化鋁,對于不同初始濃度的亞硒酸鹽(184、345和1840μg/L),在pH=8時,聚合硫酸鐵對亞硒酸鹽的去除率>95%,而聚合氯化鋁對亞硒酸鹽的去除率僅有70%。

(3)聚合硫酸鐵在40mg/L(以Fe計)的投加量時,對于初始濃度為2300μg/L的3種pH含硒原水的去除即可達到90%,除硒最佳pH為8,并且pH在5~11的范圍內保持良好的去除效果。

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