液态三氯化铁代替硫酸亚铁处理含砷废水的研究

鄢红艳,贺 杨,胡 晖

(1.大冶有色金属股份有限公司 ,湖北黄石 435005;2.福州大学 ,福建福州 350108)

砷 (As)及所有含砷的化合物都是毒性物质,它们对动物和人的健康危害,主要是砷及As+,可以促进胆汁排硒(Se),消除硒的清扫人体内自由基的作用,损害人的肝、肾及神经,是致癌、致畸物质[1]。

目前国内外处理含砷废水的化学方法主要有中和沉淀法、絮凝沉淀法、铁氧体法、硫化物沉淀法等。微生物法处理含砷废水与传统物理化学方法相比具有经济、高效且无二次污染等优点,已成为公认最具有发展前途的方法[2]。

固态硫酸亚铁除砷,具有劳动强度大,现场环境差,加药不均匀等缺点;同时,产生的巨大含砷渣给后续处理带来很多困难。

液态三氯化铁是一种液态药剂,广泛应用于水处理生产中,但在高含砷污水的处理中还无文献资料可查。理论研究表明,三氯化铁相对于硫酸亚铁具有更好的活性,除砷效果更好,产生的含砷渣量小;并且加药方便,易于生产操作,能够大大降低工人劳动强度。本课题主要是研究液态三氯化铁在含砷废水中的使用情况,从而改进现有的除砷工艺。

1 实验原理

1.1 石灰中和 (一段中和)

控制条件:用 10%的石灰乳溶液中和,终点 pH值为 2。反应原理:

1.2 铁盐絮凝 (二段中和)

控制条件:将铁盐和石灰乳混合液加入一段中和后液中,并不断向溶液中曝气,终点 pH值 6～8。

反应原理:

从以上反应看出,砷在酸性污水中有两种形态:一是亚砷酸 H3As O3,另一种是固体 As2O3。铁盐除砷机理主要是 FeSO4水解成 Fe(OH)2,Fe(OH)2经曝气氧化生成 Fe(OH)3;而 Fe(OH)3具有较大的吸附表面,能将砷的沉淀物以及 As2O3吸附包裹而被除去;另一方面,铁的氢氧化物能与砷发生化学反应,生成 Fe(As O2)3共沉淀。

从上述机理可以看出,相对硫酸亚铁,用三氯化铁除砷可以从两个方面减少含砷渣量:一是用氯离子代替硫酸根离子,减少硫酸钙的生成量,直接减少渣量;二是硫酸亚铁在氧化不完全的情况下,会直接外排,造成铁离子的损失、硫酸亚铁用量加大,而硫酸根离子继续与钙离子反应生成硫酸钙,也会加大含砷渣量。

1.3 铁盐絮凝 (三段中和)

控制条件:将铁盐和石灰乳混合液加入二段中和后液中,并不断向溶液中曝气,终点 pH值为 8～10。

反应原理:同 1.2章节。

2 实验

2.1 实验仪器与药剂

烧杯、容量瓶 (1 L)、铁架台、滤纸、漏斗、玻璃棒、pH值试纸、量筒、真空抽滤机 (附带真空抽滤瓶 )、电子称 (精度在0.01g以上 )、烘箱、移液管(1 mL、5 mL)、FeCl3(38%)、FeSO4(87.5%)

2.2 实验步骤

①取一组污酸原液样品 2 000 mL,测量其中的砷含量A(g/L);②将步骤①中测量出砷含量的样品取出 1 000 mL,加入 10%石灰乳溶液,并不断用玻璃棒搅拌,待 pH值为 4～5时,停止搅拌。过滤,称量滤渣质量a(g),测量滤液中砷含量B(g/L)。计算出需加入 FeSO4·7H2O的量x(g)和液态 FeCl3的量y(mL);③将步骤②中过滤后的清液分别装入4个烧杯中,每个烧杯装入 200 mL清液。向 3#、4#烧杯中分别加入x1(g)固态 FeSO4·7H2O,1#、2#烧杯中分别加入y1(mL)液态 FeCl3,分别加入 10%石灰乳溶液搅拌,待 pH值为 8～9时,停止搅拌。将 4个烧杯中的溶液分别过滤,烘干滤渣,称量滤渣质量b(g),测量滤液中的砷含量C(g/L)。④将步骤③中过滤后的四组清液分别装入另外 4个烧杯中。向5#、6#烧杯中分别加入x2(g)固态 FeSO4·7H2O,7#、8#烧杯中分别加入y2(mL)液态 FeCl3,分别加入10%石灰乳溶液搅拌,待 pH值为 8～10时,停止搅拌。将四个烧杯中的溶液分别过滤,烘干滤渣,称量滤渣质量c(g),测量滤液中的砷含量D(g/L)。

3 结果及讨论

3.1 铁砷比对实验的影响

从图1、图2可以看出,二段铁砷质量比在 2.0左右的时候,虽然除砷效果变化较大,但是效果都很好,能保持在 97%以上,当铁砷比在 2.5以上时,除砷效果非常好,一般都在 99%左右,此时的外排水情况十分理想,基本上都能保持在 1 mg/L以下,当铁砷比在 2以下时,外排水会出现不稳定状况。因此我们认为,使用三氯化铁时二段最佳铁砷比为2.5。

三段铁砷比很难控制,主要是污酸原液含砷不稳定,导致二段除砷效果变化大。试验中三段的铁砷比一般都在 8以上,最高的达到 500以上。但无论是 8还是 500,效果都很好,效率一般都在 97%以上。我们认为只要将铁砷比控制在 10就可以了。

图1 二段 m(Fe)/m(As)对砷去除率的影响

图2 二段 m(Fe)/m(As)对外排水含 As量的影响

3.2 加药量的比较

由图3可以看出,在外排水指标相对稳定时,虽然污水原液的含砷量有较大波动,但三氯化铁的加入量为硫酸亚铁加入量的 44%左右,说明相同质量的三氯化铁相比硫酸亚铁具有更高的除砷能力。

图3 FeCl3的加入量与 FeSO4的加入量的比较

3.3 渣量比较

从图4可以看出,使用三氯化铁后的渣量明显减少,为硫酸亚铁的 55%左右,完全超过了预期的减少 20%～30%的标准。

图4 使用 FeCl3与 FeSO4产生渣量的比较

3.4 经济性比较

从实验室来看,使用三氯化铁每个月要比硫酸亚铁的费用增加:如果污酸含砷在 2 g/L左右,每年增加费用在 72万元;如果污酸含砷在 3 g/L左右,每年增加费用在 122万元;如果污酸含砷在 4 g/L左右,每年增加费用在 165万元;同时,在使用三氯化铁后,减少含砷渣也可以带来以下效益:①渣量的减少,可以减少转运费,以每天减少 20 t渣来算,可以少运送 3～4趟,每天可节约费用 500元左右,每月节约 1.5万元。②渣量的减少,可以缓解污酸渣堆场的问题,也可以间接产生经济效益。

4 结论

①二段铁砷比在 2.5左右,pH值在 8～9时,三段铁砷比在 10以上时,除砷效果可以达到 97%以上;②本次实验达到了预期效果,在污酸外排水稳定达标排放的前提下,污酸二段渣量减少了 40%左右。在实际操作过程中将会使工人的劳动强度降低,改善了现场作业环境;③相同质量的三氯化铁相比硫酸亚铁,具有更高的除砷能力;④使用三氯化铁会增加生产成本,增加的成本随污水含砷的升高而升高。

[1]赵素莲,王玲芬,梁京辉.饮用水中砷的危害及除砷措施[J].现代预防医学,2002,29(5):651.

[2]庄明龙,柴立元,闵小波,等.含砷废水处理研究进展[J].工业水处理,2004,24(7):13-15.