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聚合硫酸铁和聚合氯化铝对饮用水中亚硒酸盐的去除效果对比

发布时间:2016年6月13日     点击数:2880

硒作为一种微量营养元素对人类和动物起着重要作用,但其营养学剂量和潜在毒性浓度相差范围很窄,且具有较高的迁移性,积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种氧化态(Se2-、Se0、Se4+和Se6+)和含硒有机物的形式存在,表面水体中多以六价硒酸盐和四价亚硒酸盐为主。亚硒酸盐毒性要远高于硒酸盐。一般超标含硒原水中硒的浓度在20~40μg/L,我国规定生活饮用水源水中硒的含量<10μg/L。

目前硒的处理方法可分为物理化学法和生物法。物理化学法包括利用天然铁氧化物、针铁矿、活性炭、镁铝水滑石、γ-Al2O3、FeCl3和AlCl3的吸附共沉淀、纳滤、反渗透、离子交换等。金属氧化物、矿物和金属盐除硒的机理是金属盐与可溶性硒生成不溶性的硒化合物,通过沉淀或过滤去除,而活性炭除硒的机理是特性吸附;生物法主要利用还原细菌将硒酸盐和亚硒酸盐还原为不溶于水的单质去除,如厌氧细菌和藻类生物塘、微生物恒化器[15]、填充器和产甲烷UASB生物反应器等处理含硒废水。这些处理方法工艺复杂且由于原水水质的波动处理效果不够稳定。混凝是水处理过程中的传统处理工艺,具有操作简单等优点。当硒以亚硒酸根离子的形式存在时,絮凝剂与亚硒酸根离子反应生成不溶、难溶性硒化合物,而当硒以硒酸根离子存在时,它可以被其他阴离子竞争替换,传统化学沉淀法除硒效果小于10%。除硒的药剂可采用硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁和氢氧化亚铁,本研究利用常见的絮凝剂聚合氯化铝、聚合硫酸铁,对含有亚硒酸盐的水溶液进行混凝搅拌实验,考察了2种絮凝剂对水中亚硒酸盐的去除效果以及影响因素,达到对水中亚硒酸盐快速去除的目的。

1实验材料与方法

1.1实验水样

实验所用水样采自密云水库,水样pH为7.76,浊度2.6NTU,溶解氧11.7mg/L,总磷和总氮分别为0.08mg/L和1.24mg/L。将0.0188g的亚硒酸(H2SeO3)溶解于500mL去离子水得到23mg/L亚硒酸盐储备液,使用前将储备液用密云水库水稀释至相应浓度(184、345和1840μg/L)即可,以此模拟饮用水源水受污染的状态。pH调节采用Mettler-ToledoFE20型pH计;硒的检测采用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测量;实验药剂有亚硒酸(H2SeO3)、工业聚合氯化铝,产自天津大港,氧化铝含量10%,盐基度40%)、工业聚合硫酸铁,产自天津大港,全铁含量11%,盐基度12%)、1mol/LNaOH、1mol/LHCl等。

1.2实验方法

采用北京岱远JTY-6型混凝搅拌器进行混凝实验。首先取200mL一定浓度的亚硒酸盐水样于烧杯中,加入絮凝剂后调节pH到8,聚合氯化铝的投加量以Al计算,聚合硫酸铁的投加量以Fe计算。实验先于200r/min下快速搅拌3min,然后在70r/min下慢速搅拌15min,静置沉降30min后取上层清液进行测定。

pH对去除效果的影响实验方法与前述基本相同,配制200mL一定浓度的亚硒酸盐水样于烧杯中,投加絮凝剂后分别用1mol/LNaOH和1mol/LHCl调节溶液pH分别为2、5、8和11,再用混凝搅拌器进行混凝实验。

中试实验在北京市第九水厂进行,中试进水量为11t/h,配制亚硒酸盐浓度分别为71.8、158.5和601μg/L的原水,调整相应加药泵和加碱泵,使聚合硫酸铁的投加量约为50mg/L,用工业氢氧化钠所配制一定浓度碱液调节水质pH,待pH稳定于8左右后分别取原水、沉淀池出水和煤滤柱出水水样。

2结果和讨论

2.1不同投加量聚合氯化铝(PACl)对硒的去除

由图1可知,向亚硒酸盐水样中投加聚合氯化铝后调节溶液pH至8,随着聚合氯化铝投加量的增加,硒浓度的降低呈现出逐步递减的趋势。当聚合氯化铝的最大投加量达到60mg/L时,对应不同初始硒浓度的出水含硒浓度分别为55、130和622.6μg/L。
图1 聚合氯化铝对不同初始浓度的亚硒酸盐溶液的去除

2.2不同投加量聚合硫酸铁(PFS)对硒的去除

由图2可知,投加聚合硫酸铁后调节溶液pH至8,随着聚合硫酸铁投加量的增加,硒浓度减少的趋势变化明显,在投加量为40mg/L时,硒的去除率基本已达到90%左右,最终聚合硫酸铁对于不同初始硒浓度原水的去除率均>95%,2种较低初始硒浓度的原水经处理后均满足饮用水水质标准。絮凝剂水解时形成带有较高正电荷的羟基多核络合物,吸附缔合带负电的的亚硒酸根离子,反应生成不溶、难溶性硒离子物。此外,聚合硫酸铁水解的氢氧化物絮体具有较强的吸附能力,难溶性硒化合物和还原的单质硒可以被吸附在羟基絮体上,通过网补卷扫去除。聚合硫酸铁除硒效果明显好于聚合氯化铝的原因可能是聚合硫酸铁形成的矾花密度大,沉降性能和吸附卷扫效果更好;另外,亚硒酸可以取代Fe3+结合的部分羟基,形成碱式亚硒酸铁络合物,这种由Fe3+、OH-和SeO3-之间强作用力形成的难溶性络合物表面同时亦有很强的吸附作用,可以进一步去除更多的硒。这是聚合硫酸铁更为高效的原因之一。
图2 聚合硫酸铁( 以铁计) 对不同初 始浓度的亚硒酸溶液的去除

2.3pH对聚合硫酸铁混凝处理硒的影响

pH对絮凝剂在水中的混凝有重要作用,一方面pH会影响水中盐溶液的存在形态,另一方面pH影响絮凝剂在水中的水解形态。pH值较低时,絮凝剂主要以高电荷低聚合度的配合离子存在,无法起到吸附架桥去除水中杂质的作用,而在中性和弱碱性时,其水解产物以带高电荷的高聚络合物为主,具有吸附缔合的作用。当初始硒浓度为2300μg/L时,投加聚合硫酸铁后用1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH调节原水pH分别为2、5、8和11。结果如图3所示。
图3 聚合硫酸铁( 以铁计) 对不同pH 的含硒溶液的去除

在pH=2时聚合硫酸铁的混凝除硒效果呈现波动状态,没有明显效果,随着pH升高,聚合硫酸铁带较高电荷的水解产物首先与OH结合,形成聚合态的羟基铁,与亚硒酸盐发生共沉淀反应和吸附作用,最佳除硒效果出现在pH=8,当pH继续增加到11时,生成Fe(OH)3沉淀,所以除硒效果有一定下降。各pH条件下,当聚合硫酸铁投加量为160mg/L时均出现硒浓度的增加,考虑在较高亚硒酸盐浓度时投加过量絮凝剂会出现反混,可能导致去除效果下降,溶液硒浓度增加。在80mg/L投加量时出水亚硒酸盐浓度最低,对应pH5、8和11分别为55.9、52.4和64.2μg/L。

2.4亚硒酸盐的中试去除实验

亚硒酸盐的中试去除实验在北京市第九水厂进行,处理工艺流程如图4所示。主要由混凝池、沉淀池和煤滤柱构成。中试实验结果如表1所示。3种浓度的亚硒酸盐原水经过混凝沉淀后均有70%以上的去除效果,煤滤柱过滤后可达到90%左右。对于前2种浓度的亚硒酸盐原水在投加絮凝剂和经过煤滤柱过滤后,可以满足饮用水水质标准要求,出水浓度分别为9.78μg/L和3.33μg/L。
图4 亚硒酸盐的中试去除实验处理工艺流程图
表1 亚硒酸盐的中试去除实验结果

3结论

(1)混凝工艺可以快速去除水中的亚硒酸盐,操作比较简便。常见絮凝剂如聚合氯化铝和聚合硫酸铁对于不同初始浓度的亚硒酸盐均有一定去除效果。

(2)聚合硫酸铁混凝除硒效果明显好于聚合氯化铝,对于不同初始浓度的亚硒酸盐(184、345和1840μg/L),在pH=8时,聚合硫酸铁对亚硒酸盐的去除率>95%,而聚合氯化铝对亚硒酸盐的去除率仅有70%。

(3)聚合硫酸铁在40mg/L(以Fe计)的投加量时,对于初始浓度为2300μg/L的3种pH含硒原水的去除即可达到90%,除硒最佳pH为8,并且pH在5~11的范围内保持良好的去除效果。

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