徐宇峰， 郭鳴， 唐鋒兵， 林佳琪

（河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院， 河北 邯鄲 056038）

重金屬Pb 和As 主要來源于電鍍、 冶煉、 燃料、 電池、 印刷等行業(yè)， 多以溶解態(tài)或膠體態(tài)隨著工業(yè)廢水排放進入水環(huán)境。 Pb 及As 對人體危害巨大［1-2］， 其中Pb 在水中多以Pb2+形態(tài)存在， As 在水中的形態(tài)有2 種， 即As3+或As5+， 其中As3+毒性最強。 如何有效處理工業(yè)廢水中Pb2+及As3+污染已成為當前水環(huán)境治理研究中的重要方面［3］。

混凝沉淀法是處理含重金屬廢水的常用方法，常用的混凝劑主要有聚合氯化鋁和聚合氯化鐵［4－5］。Baskan 等［6］發(fā)現(xiàn)將聚合氯化鋁作為混凝劑時， pH值對其去除效果的影響較大， 當pH 值為6~8 時，無定型Al（OH）3產(chǎn)生， 此時對重金屬的去除效果較 好。 彭 艷 等［7］發(fā) 現(xiàn) 聚 合 氯 化 鐵 在pH 值 為7.5、投加量為50 mg／L 時混凝去除重金屬的效果較好。但是， 鋁鹽可能影響人體健康， 鐵鹽處理后出水色度深、 殘余鐵離子無法完全去除， 這些成為阻礙其應用的重要原因。 李優(yōu)平等［2］發(fā)現(xiàn)當pH 值為5~8時， 硫酸鈦作為混凝劑對于As3+具有良好的去除效果， 去除率隨著硫酸鈦投加量的增加而增大， 且鈦鹽不會對人體產(chǎn)生危害。 本研究以某鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢水為試驗水樣， 探究硫酸鈦混凝去除工業(yè)廢水中Pb2+、 As3+的效果， 以及pH 值、 助凝劑對去除效果的影響， 并對中和－混凝沉淀工藝條件進行優(yōu)化， 為工程應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器： ZR4－6 混凝試驗攪拌機、 AFS－230E 雙光束原子熒光光度計、 FA2004 電子天平。

試劑： 硫酸鈦（優(yōu)級純）、 陰離子聚丙烯酰胺、氫氧化鈉顆粒（分析純）、 鹽酸（分析純）。

1.2 試驗用水

試驗用水為自配模擬Pb、 As 冶煉工業(yè)廢水，水質指標見表1。

表1 試驗用水水質指標Tab. 1 Experimental water quality indicators

1.3 試驗方法

通過批式試驗方法進行研究， 每組設2 個平行試驗。 試驗水樣1 000 mL， 設定不同的pH 值、 硫酸鈦和PAM 投加量， 考察各因素對混凝去除Pb2+、As3+的影響。 藥劑投加順序為先投加混凝劑， 然后投加助凝劑， 最后用NaOH 或HCl 調節(jié)pH 值。 攪拌方式均為快速攪拌20 min， 中速攪拌10 min， 慢速攪拌10 min， 靜置30 min。 利用原子熒光光度計測定Pb2+、 As3+濃度， 并計算其去除率。

2 結果與討論

2.1 pH 值對Pb2+、 As3+去除效果的影響

調節(jié)水樣pH 值分別為2、 4、 6、 8、 10、 12，硫酸鈦投加量為30 mg／L， 不投加PAM， 考察pH值對Pb2+、 As3+去除效果的影響， 結果如圖1 所示。

由圖1 可知， 隨著pH 值增大， 硫酸鈦對Pb2+的去除效果逐漸提高。 當pH 值為4~6 時， 硫酸鈦對As3+去除效果較好， 硫酸鈦對As3+的去除存在一個最佳pH 值范圍， pH 值高于此范圍后處理效果降低。 這是因為隨著pH 值升高， 大量OH－與Pb2+反應生成沉淀， 去除了一部分Pb2+； 生成的Pb（OH）2沉淀也能吸附一部分溶解性Pb2+［8］； 而帶負電荷的H2AsO3－與帶負電荷的硫酸鈦水解沉淀物之間產(chǎn)生排斥［1］。 因此， 硫酸鈦對Pb2+與As3+的去除效果隨pH 值的升高而出現(xiàn)差異。

2.2 硫酸鈦投加量對Pb2+、 As3+去除效果的影響

在pH 值為3.5， 不投加PAM 的條件下， 硫酸鈦投加量依次為10、 20、 30、 40、 50、 60 mg／L，考察其對Pb2+、 As3+去除效果的影響， 結果見圖2。

圖1 pH 值對Pb2+、 As3+ 去除效果的影響Fig. 1 Effect of pH value on Pb2+and As3+removal

圖2 硫酸鈦投加量對Pb2+、 As3+ 去除效果的影響Fig. 2 Effect of titanium sulfate dosage on Pb2+and As3+removal

由圖2 可知， 隨著硫酸鈦投加量逐步增大， 硫酸鈦對Pb2+與As3+的去除均有成效， 且對As3+的去除效果十分顯著。 這可能是因為隨著混凝劑投加量的增加， 絮體體積增大且吸附點位增多， 減弱了水解沉淀物表面性能對去除As3+的影響［2］。 擴展X 射線精細結構譜（EXAFS）的研究表明， As3+主要是通過與硫酸鈦的水解產(chǎn)物生成雙齒雙核的絡合物而得到去除［9］； As 的原子半徑小于Pb， 絡合鍵長較短， 絡合物穩(wěn)定； 而硫酸鈦水解沉淀物只與微量Pb2+發(fā)生反應且絡合物結構不穩(wěn)定［10］。

2.3 PAM 投加量對Pb2+、 As3+去除效果的影響

在硫酸鈦投加量為30 mg／L， pH 值為3.5 的條件下， PAM 投加量分別為1、 2、 3、 4、 5、 6 mg／L，考察其對Pb2+、 As3+去除效果的影響， 結果見圖3。

圖3 PAM 投加量對Pb2+、 As3+ 去除效果的影響Fig. 3 Effect of PAM dosage on Pb2+and As3+removal

由圖3 可知， 當PAM 投加量低于4 mg／L 時，Pb2+與As3+的濃度隨著PAM 投加量的增加而逐漸減小， Pb2+濃度變化幅度較小。 當PAM 投加量超過4 mg／L 時， 去除效果變差， 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是當PAM 過量后， 顆粒表面已飽和覆蓋高分子PAM， 顆粒表面無吸附空位， 橋聯(lián)作用無法實現(xiàn)，顆粒因位阻效應較大而分散， 絮體粒徑和強度反而減?。?1］。 因此， 過量的PAM 可能會抑制反應。

3 結論

（1） 在硫酸鈦的投加量為30 mg／L， 不投加PAM 的條件下， 當pH 值為10 時， 硫酸鈦對于Pb2＋的去除率達到最大值86%； 當pH 值為6 時，硫酸鈦對As3＋的去除率達到最大值88%。

（2） 在pH 值為3.5， 不投加PAM 的條件下，隨著硫酸鈦投加量的增加， 對As3+的去除效果逐步進入平臺期， 當其投加量為40 mg／L 時， 對As3+的去除率已經(jīng)達到最大值95%； 當硫酸鈦投加量為60 mg／L 時， 對Pb2+去除率達到最大值57%。

（3） 當PAM 投加量為1~4 mg／L， 硫酸鈦投加量為30 mg／L 時， 硫酸鈦對Pb2+與As3+的去除率均逐漸升高， 最高分別為72%與97%； 當PAM 投加量超過4 mg／L 時， PAM 投加過量會對混凝效果產(chǎn)生抑制作用。