pH对三氯化铁处理重金属污染水源的效能影响研究

刘志滨， 陈玉琢， 马 越

(天津市自来水集团有限公司，天津300040)



pH对三氯化铁处理重金属污染水源的效能影响研究

刘志滨， 陈玉琢， 马 越

(天津市自来水集团有限公司，天津300040)

研究了采用三氯化铁去除水源水中14种金属元素时，影响去除效果的重要因素以及初始和处理后的pH值。结果表明，水中13种金属元素在合理pH条件下均能达到很好的去除效果。综合考虑，本文制定了适用于天津水源水的pH调节及出水控制方案。

沉淀； 金属元素； 三氯化铁； pH

水体是人类赖以生存的主要自然资源之一，又是人类生态环境的重要组成部分。由于人类活动的影响，进入水体环境中的污染物质越来越多，其中水体金属污染已经成为当今世界上最严重的环境问题之一，科学有效地解决金属对水体的污染已经成为世界各国关注的热点之一[1]。

三氯化铁是一种广泛应用于供水行业的混凝剂，通常在投加之前将其配制成低浓度的稀释液，然后以重力或压力的方式向原水中投注。三氯化铁之所以可以用作混凝剂，是因为它在中性或弱碱性条件下，能强烈水解并生成胶状Fe(OH)3沉淀[2]。

本次试验目的是通过研究达到，当遇到水源水金属污染时，根据试验成果能够快速有效地去除污染，使产出的自来水达到合格饮用的标准。

1 试验原理

碱性化学沉淀法需要与混凝沉淀过滤工艺结合运行，最常用的方法是通过预先调整pH值降低所要去除污染物的溶解性，形成沉淀析出物，再投加混凝剂形成矾花进行共沉淀。使化学沉淀法产生的沉淀物有效沉淀分离，在去除水中胶体颗粒、悬浮颗粒的同时，去除这些金属和非金属离子污染物。

2 试验部分

2.1 材料

2.1.1 标准溶液

铍、镉、钴、铜、锌、镍、锰、钛、钼、钒、硒、银、铊、铅单元素标准溶液。用于配制模拟污染水源。

2.1.2 药剂

混凝剂：三氯化铁；调节pH药剂：氢氧化钠；盐酸(优级纯)。

2.1.3 试验用水

采用天津某水厂配水井水源水。

2.2 设备

六联混凝搅拌器：采用ZR4-6混凝试验搅拌机。过滤装置：采用漏斗和滤纸进行过滤，以模拟实际生产中的过滤工艺。

2.3 混凝试验

每组试验量取若干水源水于烧杯内，加入金属元素标准，配成含有一定浓度的模拟污水水源。每1 L分为1份，倒入洁净的混凝杯中，进行pH值调节。然后向其中加入一定量的三氯化铁，立刻进行混凝搅拌，模拟水厂工艺。统一设定搅拌程序，静置沉淀后取上清液过滤，废弃100 mL初滤液，取样测定残余金属浓度，计算去除率。

2.4 检测方法

采用电感耦合等离子体质谱仪进行检测。每组试验都进行质控，检测误差控制在±10%。

3 结果与讨论

3.1 污染水体初始pH去除效果的规律性分类

为了消除各个金属元素之间的相互干扰，此次试验每种金属元素均单独配制模拟污染水样，共14种元素，分别为铍、镉、钴、铜、锌、镍、锰、钛、钼、钒、硒、银、铊、铅。用氢氧化钠和盐酸调节水样的pH值。钼和硒元素模拟水样初始pH值为6.0，7.0，8.0和9.0，其它元素均为7.0，8.0，9.0和10.0，误差控制在±0.1。分别加入15 mg/L三氯化铁，然后开始混凝实验。根据取样测定的残余金属浓度，计算去除率，见表1和表2。然后以pH为横坐标，以去除率为纵坐标作初始pH与去除率的关系曲线图。

表1 初始pH与去除率a

表2 初始pH与去除率b

由表1、表2可以看出：①锰、镍、钴、镉、锌、铍、铜7种金属元素随pH值的增高，去除率逐渐升高；②钼、钒、硒3种金属元素随pH值的增高，去除率逐渐降低；③钛、铅、银3种元素，去除率随pH值的增高，去除率较稳定，且去除率高；④铊随pH值的增高，去除率逐渐升高，但最高去除率为11.1%，难以达到饮用水标准。

试验效果分类：第一类，铍、镉、钴、铜、锌、镍、锰7种金属元素，产生氢氧化物沉淀受pH影响较大，且只能在高pH值(9或10)时，达到最佳去除效果，因此在进行处理时，在调到合适pH时，应控制三氯化铁的用量；第二类，钼、硒两种金属元素在较低pH值(6)时，达到最佳去除效果，因此在进行处理时，适当增加三氯化铁的用量，有利于增加去除率；第三类，钛，铅，银3种元素，可以在天津水源水常规pH条件下即可达到最佳去除效果；第四类，三氯化铁对铊的去除效果不佳，需继续研究其他解决方案。

3.2 处理前后pH与去除率的关系

三氯化铁在处理金属污染的过程中，发生水解，处理后水的pH会明显降低，从而影响后续处理效果。因此在实际的水处理中不但要考虑污染水源水的初始pH，同时还要通过在线仪表实时监测处理后水的pH。本次试验在获得初始pH与去除率关系的同时，研究了处理后水的pH与去除率的关系。表3至表6提供了铍、镉、钴、铜、锌、镍、锰、钛、钼、钒、硒、银、铅13种金属元素，处理前后pH与去除率的关系。

表3 处理前后pH与去除率a

表4 处理前后pH与去除率b

表5 处理前后pH与去除率c

表6 处理前后pH与去除率d

表3中，初始pH值为7，8，9时，处理后水的pH为6.6～7.6，处理效果均不理想，而当初始pH值调到10时，处理后水的pH为8.9～9.6，去除率均达到90%以上，因此在处理这5种金属污染时，在将初始pH值调到10的同时，要监测处理后水的pH值，及时调整碱的用量。表4中铍和铜，处理效果较好的两个初始pH值为9和10，处理后的pH值分别约为7.5和9.3，自来水在管道中输送一般pH为7～8，因此选择初始pH=9进行处理，可以省略后续的pH回调。同理，表6中的钛、铅、银、钒4种元素，最佳初始pH范围应在8～9。表5中钼和硒，只有在低pH值(6)时，达到理想的效果，处理后的pH降到5.4～5.7，试验投入三氯化铁为15 mg/L。试验还证明，在此基础上增加投量，有利于去除率的进一步提高，同时pH值进一步降低，因此处理钼和硒时，为达到理想的去除效果，处理后pH应控制在5左右。

3.3 处理前后pH的控制

综合3.1和3.2的试验结果，铍、镉、钴、铜、锌、镍、锰、钛、钼、钒、硒、银、铅13种金属元素，要达到理想的应急处理效果，首先要保证初始pH能够让元素形成沉淀物并与混凝剂共沉淀，其次要控制处理后的pH稳定在一定的范围内，使混凝剂三氯化铁持续发挥最佳处理效果。根据试验结果，总结了这13种元素理想的处理前后的pH，见表7。当出现某种金属污染时，可参照此表进行应对。

表7 处理前后理想pH

注：试验中所有结果的浊度均达标。

3.4 后续研究

采用氢氧化物沉淀法处理含金属离子废水时，沉淀方式对重金属离子去除效果的影响主要体现在沉降效果方面，有时重金属离子浓度低或介质等原因，颗粒微细而难以沉淀，则需添加絮凝剂让其凝聚沉淀[3]。

本次试验结果适用于天津水源水，因不同地域水源水特性，试验结果可能会有不同，后续应深入研究不同水体在处理上的共性和个性，以更好地应对水源水突发金属污染状况。

4 结论

① 采用混凝剂三氯化铁进行处理时，锰、镍、钴、镉、锌、铍、铜7种金属可以通过调高pH达到最佳去除效果；钼、硒2种金属可以通过调低pH达到最佳去除效果；对于常规pH的污染原水，钛、铅、银、钒可以不进行pH调节即可达到最佳去除效果；铊难以去除。

② 理想的处理效果不仅与初始pH相关，处理后水的pH同样影响去除效率；

③ 铍、镉、钴、铜、锌、镍、锰、钛、钼、钒、硒、银、铅13种金属元素处理前后的pH值控制可参照表7。

[1] 杨正亮, 冯贵颖, 呼世斌, 等. 水体重金属污染研究现状及治理技术[J]. 干旱地区农业研究, 2005, 23(1): 219-221.

[2] 周锦云, 唐满生. 混凝剂三氯化铁稀溶液的水解及防治[J]. 湖南科技学院学报, 2007, 28(4): 103-104.

[3] 郭燕妮, 方增坤, 胡杰华, 等. 化学沉淀法处理含重金属废水的研究进展[J]. 工业水处理, 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

刘志滨(1981- )， 男， 本科， 工程师，主要从事水质检测工作。E-mail：liuzhibin3638@163.com

2016-05-12