液態(tài)三氯化鐵代替硫酸亞鐵處理含砷廢水的研究

鄢紅艷,賀 楊,胡 暉

(1.大冶有色金屬股份有限公司 ,湖北黃石 435005;2.福州大學(xué) ,福建福州 350108)

砷 (As)及所有含砷的化合物都是毒性物質(zhì),它們對動(dòng)物和人的健康危害,主要是砷及As+,可以促進(jìn)膽汁排硒(Se),消除硒的清掃人體內(nèi)自由基的作用,損害人的肝、腎及神經(jīng),是致癌、致畸物質(zhì)[1]。

目前國內(nèi)外處理含砷廢水的化學(xué)方法主要有中和沉淀法、絮凝沉淀法、鐵氧體法、硫化物沉淀法等。微生物法處理含砷廢水與傳統(tǒng)物理化學(xué)方法相比具有經(jīng)濟(jì)、高效且無二次污染等優(yōu)點(diǎn),已成為公認(rèn)最具有發(fā)展前途的方法[2]。

固態(tài)硫酸亞鐵除砷,具有勞動(dòng)強(qiáng)度大,現(xiàn)場環(huán)境差,加藥不均勻等缺點(diǎn);同時(shí),產(chǎn)生的巨大含砷渣給后續(xù)處理帶來很多困難。

液態(tài)三氯化鐵是一種液態(tài)藥劑,廣泛應(yīng)用于水處理生產(chǎn)中,但在高含砷污水的處理中還無文獻(xiàn)資料可查。理論研究表明,三氯化鐵相對于硫酸亞鐵具有更好的活性,除砷效果更好,產(chǎn)生的含砷渣量小;并且加藥方便,易于生產(chǎn)操作,能夠大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。本課題主要是研究液態(tài)三氯化鐵在含砷廢水中的使用情況,從而改進(jìn)現(xiàn)有的除砷工藝。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 石灰中和 (一段中和)

控制條件:用 10%的石灰乳溶液中和,終點(diǎn) pH值為 2。反應(yīng)原理:

1.2 鐵鹽絮凝 (二段中和)

控制條件:將鐵鹽和石灰乳混合液加入一段中和后液中,并不斷向溶液中曝氣,終點(diǎn) pH值 6～8。

反應(yīng)原理:

從以上反應(yīng)看出,砷在酸性污水中有兩種形態(tài):一是亞砷酸 H3As O3,另一種是固體 As2O3。鐵鹽除砷機(jī)理主要是 FeSO4水解成 Fe(OH)2,Fe(OH)2經(jīng)曝氣氧化生成 Fe(OH)3;而 Fe(OH)3具有較大的吸附表面,能將砷的沉淀物以及 As2O3吸附包裹而被除去;另一方面,鐵的氫氧化物能與砷發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成 Fe(As O2)3共沉淀。

從上述機(jī)理可以看出,相對硫酸亞鐵,用三氯化鐵除砷可以從兩個(gè)方面減少含砷渣量:一是用氯離子代替硫酸根離子,減少硫酸鈣的生成量,直接減少渣量;二是硫酸亞鐵在氧化不完全的情況下,會直接外排,造成鐵離子的損失、硫酸亞鐵用量加大,而硫酸根離子繼續(xù)與鈣離子反應(yīng)生成硫酸鈣,也會加大含砷渣量。

1.3 鐵鹽絮凝 (三段中和)

控制條件:將鐵鹽和石灰乳混合液加入二段中和后液中,并不斷向溶液中曝氣,終點(diǎn) pH值為 8～10。

反應(yīng)原理:同 1.2章節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥劑

燒杯、容量瓶 (1 L)、鐵架臺、濾紙、漏斗、玻璃棒、pH值試紙、量筒、真空抽濾機(jī) (附帶真空抽濾瓶 )、電子稱 (精度在0.01g以上 )、烘箱、移液管(1 mL、5 mL)、FeCl3(38%)、FeSO4(87.5%)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

①取一組污酸原液樣品 2 000 mL,測量其中的砷含量A(g/L);②將步驟①中測量出砷含量的樣品取出 1 000 mL,加入 10%石灰乳溶液,并不斷用玻璃棒攪拌,待 pH值為 4～5時(shí),停止攪拌。過濾,稱量濾渣質(zhì)量a(g),測量濾液中砷含量B(g/L)。計(jì)算出需加入 FeSO4·7H2O的量x(g)和液態(tài) FeCl3的量y(mL);③將步驟②中過濾后的清液分別裝入4個(gè)燒杯中,每個(gè)燒杯裝入 200 mL清液。向 3#、4#燒杯中分別加入x1(g)固態(tài) FeSO4·7H2O,1#、2#燒杯中分別加入y1(mL)液態(tài) FeCl3,分別加入 10%石灰乳溶液攪拌,待 pH值為 8～9時(shí),停止攪拌。將 4個(gè)燒杯中的溶液分別過濾,烘干濾渣,稱量濾渣質(zhì)量b(g),測量濾液中的砷含量C(g/L)。④將步驟③中過濾后的四組清液分別裝入另外 4個(gè)燒杯中。向5#、6#燒杯中分別加入x2(g)固態(tài) FeSO4·7H2O,7#、8#燒杯中分別加入y2(mL)液態(tài) FeCl3,分別加入10%石灰乳溶液攪拌,待 pH值為 8～10時(shí),停止攪拌。將四個(gè)燒杯中的溶液分別過濾,烘干濾渣,稱量濾渣質(zhì)量c(g),測量濾液中的砷含量D(g/L)。

3 結(jié)果及討論

3.1 鐵砷比對實(shí)驗(yàn)的影響

從圖1、圖2可以看出,二段鐵砷質(zhì)量比在 2.0左右的時(shí)候,雖然除砷效果變化較大,但是效果都很好,能保持在 97%以上,當(dāng)鐵砷比在 2.5以上時(shí),除砷效果非常好,一般都在 99%左右,此時(shí)的外排水情況十分理想,基本上都能保持在 1 mg/L以下,當(dāng)鐵砷比在 2以下時(shí),外排水會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況。因此我們認(rèn)為,使用三氯化鐵時(shí)二段最佳鐵砷比為2.5。

三段鐵砷比很難控制,主要是污酸原液含砷不穩(wěn)定,導(dǎo)致二段除砷效果變化大。試驗(yàn)中三段的鐵砷比一般都在 8以上,最高的達(dá)到 500以上。但無論是 8還是 500,效果都很好,效率一般都在 97%以上。我們認(rèn)為只要將鐵砷比控制在 10就可以了。

圖1 二段 m(Fe)/m(As)對砷去除率的影響

圖2 二段 m(Fe)/m(As)對外排水含 As量的影響

3.2 加藥量的比較

由圖3可以看出,在外排水指標(biāo)相對穩(wěn)定時(shí),雖然污水原液的含砷量有較大波動(dòng),但三氯化鐵的加入量為硫酸亞鐵加入量的 44%左右,說明相同質(zhì)量的三氯化鐵相比硫酸亞鐵具有更高的除砷能力。

圖3 FeCl3的加入量與 FeSO4的加入量的比較

3.3 渣量比較

從圖4可以看出,使用三氯化鐵后的渣量明顯減少,為硫酸亞鐵的 55%左右,完全超過了預(yù)期的減少 20%～30%的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 使用 FeCl3與 FeSO4產(chǎn)生渣量的比較

3.4 經(jīng)濟(jì)性比較

從實(shí)驗(yàn)室來看,使用三氯化鐵每個(gè)月要比硫酸亞鐵的費(fèi)用增加:如果污酸含砷在 2 g/L左右,每年增加費(fèi)用在 72萬元;如果污酸含砷在 3 g/L左右,每年增加費(fèi)用在 122萬元;如果污酸含砷在 4 g/L左右,每年增加費(fèi)用在 165萬元;同時(shí),在使用三氯化鐵后,減少含砷渣也可以帶來以下效益:①渣量的減少,可以減少轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi),以每天減少 20 t渣來算,可以少運(yùn)送 3～4趟,每天可節(jié)約費(fèi)用 500元左右,每月節(jié)約 1.5萬元。②渣量的減少,可以緩解污酸渣堆場的問題,也可以間接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

①二段鐵砷比在 2.5左右,pH值在 8～9時(shí),三段鐵砷比在 10以上時(shí),除砷效果可以達(dá)到 97%以上;②本次實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果,在污酸外排水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的前提下,污酸二段渣量減少了 40%左右。在實(shí)際操作過程中將會使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低,改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境;③相同質(zhì)量的三氯化鐵相比硫酸亞鐵,具有更高的除砷能力;④使用三氯化鐵會增加生產(chǎn)成本,增加的成本隨污水含砷的升高而升高。

[1]趙素蓮,王玲芬,梁京輝.飲用水中砷的危害及除砷措施[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué),2002,29(5):651.

[2]莊明龍,柴立元,閔小波,等.含砷廢水處理研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2004,24(7):13-15.