張西珠，趙彤璐

(1.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原030008;2.西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710071)

0 引言

除砷凈化技術(shù)在我國早已有所研究和應(yīng)用，主要進(jìn)行工業(yè)污水的脫砷處理;應(yīng)用新型飲水性砷中毒除砷復(fù)合材料研制一種除砷裝置，用于病區(qū)的高含砷量飲用水[1]的處理，取得了良好的效果[2-3];而新型復(fù)合除砷材料應(yīng)用于飲用水處理還未見報(bào)導(dǎo).此外，對(duì)于新型復(fù)合除砷材料的這種除砷裝置采用的過濾方式也尚未見其他學(xué)者報(bào)導(dǎo)過.目前，在高砷地區(qū)的居民飲用水方面主要是集中采用在病區(qū)尋找低砷水源，改爐、改灶、降低室內(nèi)空氣中砷濃度等有效的預(yù)防措施[4-5]，但是有些地區(qū)無低砷淺層水、深層地下水、泉水、河水可引;并且對(duì)于居民居住分散，高砷水集中處理困難，只能單獨(dú)入戶進(jìn)行飲用水處理[6-9].本文利用新型復(fù)合除砷材料的除砷特性[10]，通過實(shí)驗(yàn)研究除砷凈化裝置作為飲用水除砷的可行性，并進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用.

1 材料與方法[11-15]

1.1 試驗(yàn)裝置

除砷凈化裝置由上下兩筒連接為一體式.首先將配好的原始濃度為0.5 mg/L含砷水用真空泵打入高位槽，并以200～220 mL/min流速經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)流入除砷凈化裝置，24 h連續(xù)過濾，同時(shí)，定時(shí)取樣測(cè)試.含砷水經(jīng)第一級(jí)過濾材料(主要由鈣鹽、鐵鹽、絮凝劑等按 1.5∶0.07∶0.05的配比組成，也就是 Ca(OH)21.5 g/L，F(xiàn)eCl3·6H2O 0.07 g/L，PAM 0.05 g/L，)即新型除砷材料的化學(xué)過濾，除去60% 的砷;然后再經(jīng)二級(jí)過濾(經(jīng)過二次浸漬的活性氧化鋁)即新型復(fù)合除砷材料(直徑為3～5 mm)的浸漬錳礦石和二次浸漬的工業(yè)活性氧化鋁的物理吸附后達(dá)到良好除砷效果，二次浸漬的活性氧化鋁物理吸附的等溫吸附砷實(shí)驗(yàn)曲線見圖1.

圖1 活性氧化鋁除砷效率曲線Fig.1 Efficiency graph of arsenic-removal with activated alumina

出水量不小于25 kg/d，砷原始濃度不大于0.5 mg/L，透過濃度不大于 0.05 mg/L，流速為200～220 mL/min，壽命不低于 5 a，除砷效率能夠達(dá)到95% 以上.含砷水以180～200 mL/min流速由貯水瓶1流出，經(jīng)進(jìn)水孔板5，自下而上經(jīng)新型復(fù)合除砷材料玻璃管3(粒徑5 mm，474 g)，活性氧化鋁4，由出水口5流出，流程見圖2.采用新型復(fù)合除砷材料，進(jìn)行沉淀、絮凝、澄清、過濾等達(dá)到除砷目的.僅裝 1 kg新型除砷材料與0.5 kg二次浸漬的活性氧化鋁新型復(fù)合材料一天即可過濾40 kg含砷水，過濾500 kg含砷水后出現(xiàn)了透過濃度超標(biāo)情況.0#，5#水均為山陰縣取回的水，濃度分別為 0.44 mg/L和 0.296 mg/L;過濾 540 kg水時(shí)透過濃度為 0.046 mg/L，過濾580 kg水時(shí)透過濃度為0.058 mg/L.每人每日飲水量10 L，每戶每日飲水量50 L.

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

飲用水除砷處理工藝一般由預(yù)處理系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)以及消毒循環(huán)供水系統(tǒng)組成(圖3).本實(shí)驗(yàn)研究的新型復(fù)合除材料填裝的除砷凈化裝置是作為過濾系統(tǒng)使用的.

圖3 飲用水處理工藝流程圖Fig.3 Flow diagram of drinking water treatment procedure

山西省朔州市山陰縣存在飲用水砷含量超標(biāo)情況，針對(duì)采用集中連片改水方案，投資大、配套設(shè)施復(fù)雜并且能耗高、建設(shè)周期較長(zhǎng)等問題;研制家庭飲用地下水除砷凈化裝置，達(dá)到了良好的除砷效果.

1.2 結(jié)構(gòu)和濾料

1)殼體設(shè)計(jì)為圓柱形，靠墻放置占地面積較大且不穩(wěn)固;圓筒式凈化裝置分為上下兩大部分，直徑200 mm，高度400 mm，裝10 kg復(fù)合材料(粒徑 0.6～2 mm)，3.6 kg 活性氧化鋁(粒徑2 ～2.5 mm);

2)殼體設(shè)計(jì)為可壁掛的長(zhǎng)方形，能夠有效利用空間，外表面設(shè)計(jì)為半圓形，占地面積較小且相對(duì)穩(wěn)固;可壁掛式凈化裝置尺寸為160 mm×160 mm×450 mm(長(zhǎng)×寬×高)，長(zhǎng)方體式濾料桶共裝粒徑 2.4 mm的復(fù)合除砷材料 7 kg，粒徑2 ～2.5 mm 的活性氧化鋁 2.8 kg.

圖4 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram

兩種結(jié)構(gòu)上部均為貯水桶，約可貯水30 kg，下部均為凈化箱有濾芯和凈水桶組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示.經(jīng)綜合分析確定設(shè)計(jì)可壁掛式凈化裝置.將配好的濃度為0.5 mg/L含砷水以50 kg/d量加入貯水箱中，利用高位差通過孔板以200～220 mL/min的流速經(jīng)過過濾層，在出水處取樣監(jiān)測(cè)透過水的含砷量.針對(duì)外殼采用搪瓷殼體易碰掉瓷和生銹等問題，將外殼選為無毒且表面光滑、加工工藝較簡(jiǎn)單的聚丙烯板作為主體材料.

1.3 試驗(yàn)過程

采用GB5750－1985《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》[15]二乙氨基二硫代甲酸銀比色法.試驗(yàn)條件為原水砷濃度 0.5 mg/L，出水流量 200～220 mL/min，間歇過濾方式.

1)24 h連續(xù)過濾時(shí)除砷效果.配制平均濃度為0.53 mg/L原砷水，透過濃度以超標(biāo)為限，試驗(yàn)504 h后，過濾水量達(dá)到5 t.由圖5看出，隨著濾水量的增加，透過水的含砷量也隨之增大，濾水量到5 t時(shí)，出水砷含量仍可達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求.原砷水濃度0.5 mg/L計(jì)，如按每天每戶供飲用水25 kg，5 t水可供居民家庭近200 d飲用;原砷水濃度為0.3 mg/L，則可供300 d使用;如果按居民只是白天使用25 kg/d計(jì)，則該試驗(yàn)裝置能夠使用1 a.

圖5 連續(xù)過濾含砷水除砷效果1Fig.5 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(1)

2)砷水濃度平均為0.572 mg/L時(shí)除砷效果.試驗(yàn)288 h，過濾水3 t后停止試驗(yàn)，由圖6看出，處理3 t后，如果按25 kg/d飲用水計(jì)，可提供居民3個(gè)月使用.

圖6 連續(xù)過濾含砷水除砷效果2Fig.6 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(2)

3)連續(xù)過濾3 t水后，改為間歇過濾25 kg/d水時(shí)除砷效果.濾水量達(dá)5.38 t后，砷含量仍在0.0049 mg/L，見圖 7.

圖7 連續(xù)過濾含砷水除砷效果3Fig.7 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(3)

4)每天過濾50 kg水，運(yùn)行6個(gè)月，濾水量達(dá)到 10.61 t水后，砷含量小于 0.02 mg/L，見圖8.

圖8 連續(xù)過濾含砷水除砷效果4Fig.8 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(4)

5)繼續(xù)連續(xù)運(yùn)行45 d后，濾水量由10.61 t增到12 t時(shí)，砷含量仍小于0.02 mg/L，見圖9.

圖9 連續(xù)過濾含砷水除砷效果5Fig.9 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(5)

6)按照50 kg/d過濾水，流速由220 mL/min增至270 mL/min，濾水量達(dá)14.5 t后，透過濃度超標(biāo)，導(dǎo)致超標(biāo)的原因是先后經(jīng)過11個(gè)月試驗(yàn)后，濾料粒度有所減小，這時(shí)阻力小了，導(dǎo)致過濾水流速增大，而過濾線路一樣，水流停留時(shí)間變短，導(dǎo)致超標(biāo)，見圖10.

圖10 連續(xù)過濾含砷水除砷效果6Fig.10 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(6)

7)連續(xù)過濾3 t水后，改為間歇過濾的除砷效果.

加水25 kg/d，過濾到5 t時(shí)，透過砷含量仍保持在0.0049 mg/L，加大水量到50 kg/d，一直延續(xù)半年之久濾水量達(dá)到10 t多，透過砷含量仍然保持在不大于0.02 mg/L，結(jié)合用戶的實(shí)際使用情況，間歇過濾有利于延長(zhǎng)裝置的使用壽命;先后共運(yùn)行11個(gè)月后，濾水量達(dá)14.5 t，透過砷含量開始超標(biāo)，若按25 kg/d飲用水含砷量0.5 mg/L計(jì)，其使用壽命可達(dá)1.5 a，若按50 kg/d飲用水計(jì)，可保證使用1 a.間歇試驗(yàn)比連續(xù)試驗(yàn)效果好得多，這說明試驗(yàn)裝置適合于間歇使用，且對(duì)病區(qū)居民每天過濾一定量的水是比較適合的.

2 結(jié)果與討論

根據(jù)飲水砷含量和病情嚴(yán)重程度，將現(xiàn)場(chǎng)觀察點(diǎn)選擇在重病區(qū)，按水0.40 mg/L＜砷含量＜0.20 mg/L，0.40 mg/L ＜ 砷含量 ＜0.60mg/L，砷含量＞0.60mg/L分別設(shè)3組，每組設(shè)2臺(tái)過濾裝置.本次共安裝過濾裝置15臺(tái)，其中選6臺(tái)作連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)期為2個(gè)月，每周檢測(cè)2次;其余作動(dòng)態(tài)觀察.統(tǒng)一將過濾裝置安裝調(diào)試好，放置在合適位置，并要求安裝上過濾裝置的民戶掌握日常維護(hù)及使用方法.在山西省衛(wèi)生防疫站業(yè)務(wù)人員指導(dǎo)下，由縣防疫站的業(yè)務(wù)技術(shù)人員按規(guī)定時(shí)間統(tǒng)一采集，所有采樣機(jī)器材用完后在縣防疫站化驗(yàn)室統(tǒng)一處理，以防止二次污染引起的采樣誤差.按照GB5750－1985生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法規(guī)定的二乙氨基二硫代甲酸銀分光光度法進(jìn)行定量分析.對(duì)安裝了15臺(tái)過濾裝置的用戶，處理前的飲水作背景砷的化驗(yàn)，處理后的當(dāng)天作1次砷的化驗(yàn)，1個(gè)月后再作1次化驗(yàn)，已掌握其過濾動(dòng)態(tài).其中選6臺(tái)，按1.1要求作連續(xù)監(jiān)測(cè)，已評(píng)價(jià)其連續(xù)除砷的效果，對(duì)6個(gè)觀察點(diǎn)的過濾裝置進(jìn)行了連續(xù)2個(gè)月的檢測(cè)結(jié)果見圖11;同時(shí)對(duì)15臺(tái)過濾裝置作了1個(gè)月的動(dòng)態(tài)觀察結(jié)果見表1.

圖11 連續(xù)觀察結(jié)果Fig.11 Continuous observations

表1 動(dòng)態(tài)觀察結(jié)果Tab.1 Dynamic observations

3 結(jié)論

1)利用鋁制劑進(jìn)行除砷效果不及新型除砷材料和二次浸漬鋁制劑的新型復(fù)合材料的除砷效果好;此外，在除砷凈化裝置中除采用該復(fù)合材料，并進(jìn)行了適應(yīng)于農(nóng)村分散居住的民居家庭使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).如果按50 kg/d飲用水計(jì)算，可供使用1 a，除砷效果穩(wěn)定，連續(xù)運(yùn)行除砷率為90.89%;間歇運(yùn)行除砷為98.60%.

2)從圖5～圖8可以看出，隨著處理量的不斷增大，均出現(xiàn)了出水中砷濃度逐漸增大，然后又減小的現(xiàn)象，這種濃度震蕩是由實(shí)驗(yàn)的連續(xù)和斷續(xù)停止一定時(shí)間后后，復(fù)合過濾材料性能的暫時(shí)恢復(fù)引起的，如接著進(jìn)行連續(xù)實(shí)驗(yàn)后，又會(huì)出現(xiàn)砷濃度增大的情況.

3)采用簡(jiǎn)單插管壓把井的地區(qū)，井口封閉不好，井水渾濁度大，懸浮物多，并有藻類滋生，容易堵塞過濾裝置的進(jìn)水口，造成出水不暢，裝置中的進(jìn)水嘴容易被堵塞，可設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)過濾器，需對(duì)過濾裝置進(jìn)水口附加初濾材料，以防止懸浮物對(duì)進(jìn)水口的堵塞;裝置在試驗(yàn)時(shí)如果發(fā)現(xiàn)加水后流出變慢，是由于沒有排氣孔集氣造成的，可設(shè)計(jì)排氣裝置.

4)針對(duì)砷含量最高的地區(qū)達(dá)到4.44 mg/L，超過國家標(biāo)準(zhǔn)的88倍情況研制家庭飲用地下水的除砷凈化裝置，該裝置可將之處理至0.05 mg/L，本論文在理論和實(shí)用方面已得到很好的應(yīng)用.

5)使用方便，性能可靠，操作簡(jiǎn)單易行，便于推廣.材料成本低，除砷有效周期長(zhǎng)，除砷容量大，無需再生，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，同時(shí)不受飲水中砷離子價(jià)態(tài)的影響，而且間歇過濾要比連續(xù)過濾效果好，適合于農(nóng)村推廣使用.

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