pH對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

(天津市自來水集團有限公司，天津300040)

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pH對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

(天津市自來水集團有限公司，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，影響去除效果的重要因素以及初始和處理后的pH值。結果表明，水中13種金屬元素在合理pH條件下均能達到很好的去除效果。綜合考慮，本文制定了適用于天津水源水的pH調節及出水控制方案。

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，又是人類生態環境的重要組成部分。由于人類活動的影響，進入水體環境中的污染物質越來越多，其中水體金屬污染已經成為當今世界上最嚴重的環境問題之一，科學有效地解決金屬對水體的污染已經成為世界各國關注的熱點之一[1]。

三氯化鐵是一種廣泛應用于供水行業的混凝劑，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，是因為它在中性或弱堿性條件下，能強烈水解并生成膠狀Fe(OH)3沉淀[2]。

本次試驗目的是通過研究達到，當遇到水源水金屬污染時，根據試驗成果能夠快速有效地去除污染，使產出的自來水達到合格飲用的標準。

1 試驗原理

堿性化學沉淀法需要與混凝沉淀過濾工藝結合運行，最常用的方法是通過預先調整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行共沉淀。使化學沉淀法產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，去除這些金屬和非金屬離子污染物。

2 試驗部分

2.1 材料

2.1.1 標準溶液

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

2.1.2 藥劑

混凝劑：三氯化鐵；調節pH藥劑：氫氧化鈉；鹽酸(優級純)。

2.1.3 試驗用水

采用天津某水廠配水井水源水。

2.2 設備

六聯混凝攪拌器：采用ZR4-6混凝試驗攪拌機。過濾裝置：采用漏斗和濾紙進行過濾，以模擬實際生產中的過濾工藝。

2.3 混凝試驗

每組試驗量取若干水源水于燒杯內，加入金屬元素標準，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，進行pH值調節。然后向其中加入一定量的三氯化鐵，立刻進行混凝攪拌，模擬水廠工藝。統一設定攪拌程序，靜置沉淀后取上清液過濾，廢棄100 mL初濾液，取樣測定殘余金屬濃度，計算去除率。

2.4 檢測方法

采用電感耦合等離子體質譜儀進行檢測。每組試驗都進行質控，檢測誤差控制在±10%。

3 結果與討論

3.1 污染水體初始pH去除效果的規律性分類

為了消除各個金屬元素之間的相互干擾，此次試驗每種金屬元素均單獨配制模擬污染水樣，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節水樣的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，然后開始混凝實驗。根據取樣測定的殘余金屬濃度，計算去除率，見表1和表2。然后以pH為橫坐標，以去除率為縱坐標作初始pH與去除率的關系曲線圖。

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%，難以達到飲用水標準。

試驗效果分類：第一類，鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳7種金屬元素，產生氫氧化物沉淀受pH影響較大，且只能在高pH值(9或10)時，達到最佳去除效果，因此在進行處理時，在調到合適pH時，應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，達到最佳去除效果，因此在進行處理時，適當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pH條件下即可達到最佳去除效果；第四類，三氯化鐵對鉈的去除效果不佳，需繼續研究其他解決方案。

3.2 處理前后pH與去除率的關系

三氯化鐵在處理金屬污染的過程中，發生水解，處理后水的pH會明顯降低，從而影響后續處理效果。因此在實際的水處理中不但要考慮污染水源水的初始pH，同時還要通過在線儀表實時監測處理后水的pH。本次試驗在獲得初始pH與去除率關系的同時，研究了處理后水的pH與去除率的關系。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，處理后水的pH為6.6～7.6，處理效果均不理想，而當初始pH值調到10時，處理后水的pH為8.9～9.6，去除率均達到90%以上，因此在處理這5種金屬污染時，在將初始pH值調到10的同時，要監測處理后水的pH值，及時調整堿的用量。表4中鈹和銅，處理效果較好的兩個初始pH值為9和10，處理后的pH值分別約為7.5和9.3，自來水在管道中輸送一般pH為7～8，因此選擇初始pH=9進行處理，可以省略后續的pH回調。同理，表6中的鈦、鉛、銀、釩4種元素，最佳初始pH范圍應在8～9。表5中鉬和硒，只有在低pH值(6)時，達到理想的效果，處理后的pH降到5.4～5.7，試驗投入三氯化鐵為15 mg/L。試驗還證明，在此基礎上增加投量，有利于去除率的進一步提高，同時pH值進一步降低，因此處理鉬和硒時，為達到理想的去除效果，處理后pH應控制在5左右。

3.3 處理前后pH的控制

綜合3.1和3.2的試驗結果，鈹、鎘、鈷、銅、鋅、鎳、錳、鈦、鉬、釩、硒、銀、鉛13種金屬元素，要達到理想的應急處理效果，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穩定在一定的范圍內，使混凝劑三氯化鐵持續發揮最佳處理效果。根據試驗結果，總結了這13種元素理想的處理前后的pH，見表7。當出現某種金屬污染時，可參照此表進行應對。

表7 處理前后理想pH

注：試驗中所有結果的濁度均達標。

3.4 后續研究

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

本次試驗結果適用于天津水源水，因不同地域水源水特性，試驗結果可能會有不同，后續應深入研究不同水體在處理上的共性和個性，以更好地應對水源水突發金屬污染狀況。

4 結論

① 采用混凝劑三氯化鐵進行處理時，錳、鎳、鈷、鎘、鋅、鈹、銅7種金屬可以通過調高pH達到最佳去除效果；鉬、硒2種金屬可以通過調低pH達到最佳去除效果；對于常規pH的污染原水，鈦、鉛、銀、釩可以不進行pH調節即可達到最佳去除效果；鉈難以去除。

② 理想的處理效果不僅與初始pH相關，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狀及治理技術[J]. 干旱地區農業研究, 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]. 湖南科技學院學報, 2007, 28(4): 103-104.

[3] 郭燕妮, 方增坤, 胡杰華, 等. 化學沉淀法處理含重金屬廢水的研究進展[J]. 工業水處理, 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，主要從事水質檢測工作。E-mail：liuzhibin3638@163.com

2016-05-12