饮用水源突发镉污染的应急处理技术研究

刘学卿，真 诚，丁文婧

(1.镇江市环境监测中心站，江苏 镇江212000；2.江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏 扬州 225000)



饮用水源突发镉污染的应急处理技术研究

刘学卿1，真 诚1，丁文婧2

(1.镇江市环境监测中心站，江苏 镇江212000；2.江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏 扬州 225000)

模拟镇江市征润州水源地突发镉污染事故，考察了活性炭吸附、混凝沉淀工艺对不同超标倍数下镉污染的应急处理效果。实验结果表明：单纯依靠投加PAC，处理能力有限，并不能将原水处理达标，需要结合混凝沉淀工艺。混凝沉淀实验表明：针对初始浓度为25μg/L和50μg/L的镉污染，分别投加80 mg/L和160 mg/L的Ca(OH)2时，出水镉浓度即可达标；针对初始浓度为250μg/L和500μg/L镉污染，固定Ca(OH)2投加量为160 mg/L和200 mg/L，最佳聚合氯化铝投加量为15 mg/L和20 mg/L。

突发污染；镉；应急处理；粉末活性炭；氢氧化钙；聚合氯化铝

近年来，随着长江流域经济快速发展和人口的高度集聚，造成流域污染负荷不断增加[1]，使得突发水污染事故频繁发生。征润州水源地作为长江流域重要的供水水源之一，其水质状况直接关系到镇江市民的生活质量和身体健康。征润州取水口处于一个半封闭状的缓冲区，水体流动性较差，导致水域的环境承载压力不断加大，一旦突发水污染事故，后果不堪设想，因而及时构建应急响应机制意义重大。镉污染是近年来我国各大水域常见的重金属突发污染物，作为“五毒”重金属中的一种，具有相当高的稳定性、难降解性、可蓄积性和毒性，广泛分布于河流、湖泊、水库等水源地[2]。饮用含镉的水源水后，会在肝、肾和骨骼中产生镉积累，进而造成骨质软化和疏松，表现为背和四肢疼痛、行走困难，严重时可发生自发性骨折和动脉硬化性肾萎缩、慢性球体肾炎等疾病[3]。当水体突发镉污染时，其在暴发时间和作用强度上均不同于一般性的水污染事件，常规处理工艺很难保证出水水质，这就需要一种能快速启动、有效的应急处理技术[4]。结合当下水体重金属的处置方法，比较可行的应急处理技术是活性炭吸附法与混凝沉淀法[5-7]。本文以模拟受突发性镉污染的水源地为处理对象，以期为镇江自来水厂应对水源水突发镉污染改进和优化净水工艺提供指导意见和参考依据。

1 实验部分1.1 水源地水质

实验用水为镇江市征润州取水口段原水，水质主要监测指标(年均值)如表1所示。

表1 征润州水源地原水水质情况 (mg/L)

1.2 材料

竹质粉末活性炭(竹炭)(粒径0.75 mm，比表面积1000 m2/g上海活性炭厂)；硝酸镉、碘化钾、抗坏血酸、甲基异丁基甲酮均为AR；固体聚合氯化铝(有效成分含量30%)、氢氧化钙均为工业品。

1.3 仪器

SHA-C恒温振荡器，原子吸收分光光度仪。

1.4 实验方法

1.4.1 吸附实验

称取0.5 gPAC，加入1L蒸馏水，搅拌均匀配成炭浆；用原水配制所需浓度的镉溶液，取200 mL于250 mL锥形瓶中，加入一定量炭浆，振荡20 min，过滤，取200 mL滤液于分液漏斗中，采用KI-MIBK火焰原子吸收分光光度法测定残余铅浓度。测定波长为228.80 nm；光谱带宽：0.40 nm；火焰类型：AIR-C2H2，氧化型；AIR流量：0.20 Mpa；C2H2流量：1.20 L/min，0.05 Mpa；燃烧头高度：5 mm。

1.4.2 混凝沉淀实验

配制一定浓度的氢氧化钙溶液和聚合氯化铝溶液；用原水配制一定浓度的镉溶液，取250 mL于锥形瓶中，加入一定量的氢氧化钙和聚铝，振荡20 min，过滤，取250 mL滤液于分液漏斗中，检测方法同吸附试验。

2 结果与讨论

2.1 PAC投加量对处理效果的影响

根据《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》中镉的标准限值0.005 mg/L，选取标准限值的5倍、10倍、50倍及100倍作为镉突发污染的初始浓度。在不同PAC投加量下，考察对不同水平镉污染的处理效果，结果如图1所示。

由图1可见，随着PAC投加量的增大，不同超标倍数下镉的去除率也随之提高。针对初始浓度为25 μg/L的镉污染，投加10 mg/L PAC，去除率大幅提高至40%。主要原因是PAC对于水中无机离子的吸附，主要是依靠其自身在高温制备过程中形成的多种官能团的络合螯合作用，当水体中镉浓度明显低于活性炭浓度时，活性炭官能团数量较多，能显著去除镉离子。当PAC投加量增至40 mg/L时，去除率可达50%；针对初始浓度为50 μg/L的镉污染，投加50 mg/L PAC，去除率为48%，残余镉浓度为26 μg/L，超标5倍左右；针对初始浓度为250 μg/L和500 μg/L的镉突发污染，PAC投加量从40 mg/L增至50 mg/L时，去除率仅分别提升0.8%和3%，最终镉残余浓度分别为145 μg/L和321 μg/L。由此可见，针对高浓度镉突发污染，强化PAC投加量，去除效率也远不能达到预期要求，主要原因是水体中浮游生物、有机物很多，活性炭表面更易吸附有机物，且加大活性炭投加量，处理成本过高，因此需要结合其他工艺，提高处理效果。针对重金属突发污染，技术方案的选择应遵循四项原则[8]：①形成稳定性良好的产物，不易分解，溶度积小，即使在恶劣自然条件下也不易返溶，不易进入生物体或被植物吸收；②处置过程对环境的二次破坏作用小；③投资少，效率高；④方案易于实施。高中方[4]等人的研究表明：采用混凝沉淀法可有效应对220～260 μg/L的镉突发污染，去除率高达97.70%以上。由此可见，混凝沉淀法可作为应急处理镉突发污染的有效手段。

2.2 混凝沉淀工艺

2.2.1 考察Ca(OH)2投加量对处理效果的影响

由图可见，随着Ca(OH)2投加量的增大，原水pH值亦不断增大。原水pH值是影响去除效果的重要因素，通过提高原水的pH值，使溶解态的Cd(Ⅱ)转变为氢氧化镉沉淀颗粒的形式。图2表明，针对初始浓度为25 μg/L的镉污染，投加80 mg/L的Ca(OH)2时，原水pH值为8.0，此时镉的去除率高达84%，出水残余浓度仅为4 μg/L，达到标准限值；由图3可见，当原水镉浓度为50 μg/L时，投加120 mg/LCa(OH)2，去除率达到82%，残余镉浓度仅为9 μg/L，此时pH值在8.9左右，继续增大Ca(OH)2的投加量至160 mg/L，原水pH值达到9.4，去除率达100%。如图4、图5所示，针对初始浓度250 μg/L和500 μg/L的镉突发污染，Ca(OH)2投加量分别为160 mg/L和200 mg/L时，原水pH值约为9.6、10.1，此时，镉的去除率迅速提升至86%和90.8%，残余浓度分别超标7倍、9倍，继续增大Ca(OH)2投加量至200 mg/L和240 mg/L时，原水pH值分别被调至10和11.2，镉的去除率显著提高至96%和96.2%，出水残余浓度分别降至10 μg/L和19 μg/L，仅分别超标2倍和4倍。但考虑到增大Ca(OH)2投加量，必然会导致处理成本增大及水源水质遭到二次污染、pH值回调困难等问题，因此，针对初始浓度为250 μg/L和500 μg/L的镉污染，Ca(OH)2最佳投加量分别为160 mg/L和200 mg/L，此时出水残余浓度为35 μg/L和46 μg/L，需投加聚合氯化铝进一步处理。

2.2.2 考察聚合氯化铝投加量对处理效果的影响

由图6可见，针对初始浓度为250 μg/L的镉突发污染，固定Ca(OH)2的投加量为160 mg/L，投加聚铝2 mg/L时，出水残余浓度即可降至25 μg/L，去除率达88%，继续增大聚铝投加量至15 mg/L，出水残余浓度即降至4 μg/L，达到标准限值以下。针对浓度为500 μg/L的镉污染，固定Ca(OH)2的投加量为200 mg/L，聚铝投加量从2 mg/L增至20 mg/L时，去除率由92%升至99.4%，残余浓度由40 μg/L降至3 μg/L，处理效果显著。因此，针对初始浓度超标50倍和100倍的镉突发污染，最佳聚合氯化铝投加量分别为15 mg/L和20 mg/L。

3 结论

(1)水源地突发低浓度镉污染时，应急投加PAC，可显著提高镉的去除效率，针对初始浓度为25 μg/L和50 μg/L的镉污染，分别投加40 mg/L和50 mg/L的PAC，去除率分别达到50%和48%。但针对超标50倍、100倍的高浓度镉突发污染，仅依靠投加PAC，处理效果较差，需通过投加氢氧化钙及聚铝的方式进一步处理。

(2) 针对初始浓度为25 μg/L的镉污染，投加80 mg/L的Ca(OH)2时，出水残余浓度达到标准限值；针对原水镉浓度为50 μg/L的污染，投加160 mg/LCa(OH)2时，去除率达100%；针对初始浓度250 μg/L和500 μg/L的镉突发污染，考虑到增大Ca(OH)2投加量，会导致处理成本增大及水源水质遭到二次污染、pH值回调困难等问题，因此， Ca(OH)2最佳投加量分别为160 mg/L和200 mg/L。

(3) 针对初始浓度250 μg/L和500 μg/L的镉突发污染，最佳聚合氯化铝投加量分别为15 mg/L和20 mg/L，经处理后，出水残余浓度达到标准限值。

[1]高梦鸿,高乃云.常规+臭氧-生物活性炭工艺处理太湖原水试验研究[C].全国给水深度处理研究会2015年年会,2015.

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Study on Emergency Treatment for Cadmium Pollution in Drinking Water Source

LIU Xue-qing1, ZHEN Cheng1, DING Wen-jing2

(1.Zhenjiang Environmental Monitoring Center, Zhenjiang Jiangsu 212000, China)

Assuming cadmium pollution occurring suddenly in Zhengrunzhou drinking water source, the emergency treatment efficiencies of different pollution levels by powdered activated carbon (PAC) adsorption and coagulation sedimentation process were investigated. The jar test results showed that processing ability was limited through dosing PAC alone and the raw water could not meet the standard. The coagulation sedimentation process needed to be combined. Coagulation sedimentation experiments showed that for the initial concentration of cadmium pollution of 25 μg/L and 50 μg/L, adding 80 mg/L and 160 mg/L of Ca (OH)2respectively, effluent concentration of cadmium could reach the standard. For the initial concentration of 250 μg/L and 500μg/L cadmium pollution, the amount of Ca (OH)2dosage was 160 mg/L and 200 mg/L, the best dosage of poly-aluminum chloride was 15 mg/L and 20 mg/L respectively. According to the test results, the preliminary scheme was proposed above in order to provide the technical support of perfecting the Zhenjiang water source of sudden pollution accident emergency response.

pollution accident; cadmium; abrupt treatment; powdered activated carbon; calcium hydroxide; poly-aluminum chloride

2017-02-21

刘学卿(1985-)，女，助理工程师，从事环境监测工作。

X52

A

1673-9655(2017)05-0020-04