纳米零价铁处理重金属污水的试验研究

张宏伟，杨洪才，岳 智

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

某公司拟1 座投资新建的污水处理厂。 该厂接纳的污水为经企业处理后满足《铜、钴、镍工业污染物排放标准》(GB25467-2010)、《铅、锌工业污染物排放标准》(GB 25466—2010)、《锡、锑、汞工业污染物排放标准》(GB 30770—2014)3 个标准中最高排放限值要求的出水。该污水中含有汞、烷基汞、镉、砷、铅、铬等多种重金属。为使该厂出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A 标准的重金属污染物排放限值要求，需寻求一种稳定、经济、先进的污水处理工艺。本文提出采用纳米零价铁工艺处理重金属污水的方法，并通过试验对其效果进行验证。

1 技术原理及优点

纳米零价铁因具有独特的还原能力及表面化学活性而逐步应用于重金属污水的处理中。 其对重金属及砷的去除主要利用高活性的纳米零价铁对重金属及砷的氧化、还原反应以及吸附作用来实现，对水中砷、镉、铜、铅、镍、锌、汞等均有良好的去除效果。

纳米零价铁工艺处理重金属污水的优势在于：1）纳米零价铁比表面积大，吸附、处理容量是普通材料的10~1 000 倍。2）反应速率高，时间短。其反应速率远高于普通药剂。 3）沉淀的污泥量较传统工艺降低80%以上，污泥中杂质少。

本文拟通过对该厂所接纳的污水进行实验室小试，验证纳米零价铁工艺处理该污水的技术可行性。

2 实验室小试

2.1 试验水质

取模拟水样A6#、B5#、C1#、D2#、E7# 等，按照1∶1 比例混合后作为试验进水，详见表1。

表1 小试进水水质 mg/L

2.2 试验数据

经过纳米零价铁工艺对该污水的处理，小试出水水质与《城镇污水处理厂污染物排放标准》要求的对照见表2。

表2 小试出水水质 mg/L

2.3 试验结论

表2 数据表明，纳米零价铁工艺对污水中的汞、镉、砷、铅、总铬、六价铬等重金属具有良好的去除效果，出水可完全达到并优于国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002） 一级A 标准的重金属污染物限值要求，技术可行。为进一步验证处理效果，拟继续进行中试，同时优化试验条件为污水处理工程设计提供设计参数。

3 中试试验

3.1 试验工艺流程

试验工艺流程见图1。

图1 中试工艺流程

污水进入纳米零价铁处理系统， 加入纳米零价铁在设备内进行还原、吸附、共沉淀等作用，有效地去除污水中的汞、镉、砷、铅、总铬、六价铬等污染物。清液后续进入COF 处理系统， 加入PFS、PAM 等药剂进行催化耦合絮凝反应，并沉淀分离，沉淀出水进入滤池，去除微量的悬浮物，最后出水重金属指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A 标准限值。

3.2 试验条件

1）水样。 试验采用两种水样：1# 水样为企业重金属污水，按照1∶1 比例混合后作为中试进水；2# 水样为企业重金属污水经处理后的出水， 按照1∶1 比例混合后作为中试进水。

2）试验地点为类似工业园区污水处理管理站。

3）试验水量为30~40 L/h，运行时间为8~10 h/d。

3.3 试验数据

3.3.1 1#水样试验数据

1#水样中试进出水重金属数据见表3。

表3 1# 水样中试进出水重金属数据

由表3 知， 以企业车间生产污水水混合液作为中试进水，处理后出水重金属可完全达到且优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A 标准的重金属污染物限值。

3.3.2 2#水样试验数据

2#水样中试进出水重金属数据见表4。

表4 2# 水样中试进出水重金属数据

如表4 中数据所示， 企业外排水中重金属含量较低。经纳米零价铁工艺处理后，出水中重金属含量进一步下降80%以上， 出水水质满足并优于排放标准限值要求。

3.4 污泥量分析

为掌握工艺产泥量及污泥的沉降性能， 使用容器称取每日沉淀池污泥量，并用100 mL 量筒测算泥渣的30 min 沉降指数SVI30，数据记录如表5 所示。

表5 每日水样处理后产泥量及污泥性能

如表5 所示，在污泥量低时，污泥的沉降性能良好，SVI30在0.9%~2.5%之间， 表明经工艺处理后产生的泥渣容易脱水，这也是该工艺产泥量小的原因。试验每日运行5 h（处理量0.5 m3），每吨污水产泥量在0.2~1.0 kg。

3.5 纳米零价铁药剂消耗

（1）pH 控制。 根据类似工程经验，混合污水pH在1.9 左右， 需要对原水进行pH 调节， 将原水pH从1.9 调至8~9。通过反应，铜、锌等重金属部分会以氢氧化物的形式沉淀到泥渣中。

（2）曝气量的控制。 由于底泥中含铁量较大，考虑铁盐氢氧化物的脱水性，需将铁盐全部转化为三价氢氧化物。根据类似工程经验，考虑氧化气量和搅拌效果，气水比按10∶1 控制。

（3）纳米零价铁试剂投加量。 1）1#水样，其纳米零价铁加药量与重金属去除率的关系见图2。

图2 试剂投加量对未处理原水中重金属去除率的影响

从图2 中可以看出，对于铅来说，投加量1 g/L（稀释后）左右时，铅的去除率接近100%，而对于砷来说，投加量在1.5 g/L（稀释后）时，其去除率才接近100%。 结果表明，对于不同种重金属，所需加药量也是不同的。为了更好地去除重金属，所选加药量控制在1.5~2 g/L（稀释后）。

2）对于2#水样，纳米零价铁加药量与重金属去除率的关系见图3。

图3 纳米零价铁药剂投加量对已经处理的原水中重金属去除率的影响

2# 水样所含重金属含量很低，因而药剂投加量也相对较低。 在投加量为1 g/L（稀释后）时，砷、铅的去除率均接近100%，选用投加量1 g/L（稀释后）是最佳的。

4 结论

小试及中试实验的数据结果说明， 控制pH 值8~9、曝气量10:1、反应时间不低于0.5 h、投加药剂1~2 g/L 的条件下，试验水样通过纳米零价铁工艺处理后出水重金属均可100%达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002） 一级A 标准的重金属污染物限值要求。