硫酸钛混凝去除工业废水中Pb2+、As3+的研究

徐宇峰， 郭鸣， 唐锋兵， 林佳琪

（河北工程大学 能源与环境工程学院， 河北 邯郸 056038）

重金属Pb 和As 主要来源于电镀、 冶炼、 燃料、 电池、 印刷等行业， 多以溶解态或胶体态随着工业废水排放进入水环境。 Pb 及As 对人体危害巨大［1-2］， 其中Pb 在水中多以Pb2+形态存在， As 在水中的形态有2 种， 即As3+或As5+， 其中As3+毒性最强。 如何有效处理工业废水中Pb2+及As3+污染已成为当前水环境治理研究中的重要方面［3］。

混凝沉淀法是处理含重金属废水的常用方法，常用的混凝剂主要有聚合氯化铝和聚合氯化铁［4－5］。Baskan 等［6］发现将聚合氯化铝作为混凝剂时， pH值对其去除效果的影响较大， 当pH 值为6~8 时，无定型Al（OH）3产生， 此时对重金属的去除效果较 好。 彭 艳 等［7］发 现 聚 合 氯 化 铁 在pH 值 为7.5、投加量为50 mg／L 时混凝去除重金属的效果较好。但是， 铝盐可能影响人体健康， 铁盐处理后出水色度深、 残余铁离子无法完全去除， 这些成为阻碍其应用的重要原因。 李优平等［2］发现当pH 值为5~8时， 硫酸钛作为混凝剂对于As3+具有良好的去除效果， 去除率随着硫酸钛投加量的增加而增大， 且钛盐不会对人体产生危害。 本研究以某钢铁企业产生的工业废水为试验水样， 探究硫酸钛混凝去除工业废水中Pb2+、 As3+的效果， 以及pH 值、 助凝剂对去除效果的影响， 并对中和－混凝沉淀工艺条件进行优化， 为工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

仪器： ZR4－6 混凝试验搅拌机、 AFS－230E 双光束原子荧光光度计、 FA2004 电子天平。

试剂： 硫酸钛（优级纯）、 阴离子聚丙烯酰胺、氢氧化钠颗粒（分析纯）、 盐酸（分析纯）。

1.2 试验用水

试验用水为自配模拟Pb、 As 冶炼工业废水，水质指标见表1。

表1 试验用水水质指标Tab. 1 Experimental water quality indicators

1.3 试验方法

通过批式试验方法进行研究， 每组设2 个平行试验。 试验水样1 000 mL， 设定不同的pH 值、 硫酸钛和PAM 投加量， 考察各因素对混凝去除Pb2+、As3+的影响。 药剂投加顺序为先投加混凝剂， 然后投加助凝剂， 最后用NaOH 或HCl 调节pH 值。 搅拌方式均为快速搅拌20 min， 中速搅拌10 min， 慢速搅拌10 min， 静置30 min。 利用原子荧光光度计测定Pb2+、 As3+浓度， 并计算其去除率。

2 结果与讨论

2.1 pH 值对Pb2+、 As3+去除效果的影响

调节水样pH 值分别为2、 4、 6、 8、 10、 12，硫酸钛投加量为30 mg／L， 不投加PAM， 考察pH值对Pb2+、 As3+去除效果的影响， 结果如图1 所示。

由图1 可知， 随着pH 值增大， 硫酸钛对Pb2+的去除效果逐渐提高。 当pH 值为4~6 时， 硫酸钛对As3+去除效果较好， 硫酸钛对As3+的去除存在一个最佳pH 值范围， pH 值高于此范围后处理效果降低。 这是因为随着pH 值升高， 大量OH－与Pb2+反应生成沉淀， 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］； 而带负电荷的H2AsO3－与带负电荷的硫酸钛水解沉淀物之间产生排斥［1］。 因此， 硫酸钛对Pb2+与As3+的去除效果随pH 值的升高而出现差异。

2.2 硫酸钛投加量对Pb2+、 As3+去除效果的影响

在pH 值为3.5， 不投加PAM 的条件下， 硫酸钛投加量依次为10、 20、 30、 40、 50、 60 mg／L，考察其对Pb2+、 As3+去除效果的影响， 结果见图2。

图1 pH 值对Pb2+、 As3+ 去除效果的影响Fig. 1 Effect of pH value on Pb2+and As3+removal

图2 硫酸钛投加量对Pb2+、 As3+ 去除效果的影响Fig. 2 Effect of titanium sulfate dosage on Pb2+and As3+removal

由图2 可知， 随着硫酸钛投加量逐步增大， 硫酸钛对Pb2+与As3+的去除均有成效， 且对As3+的去除效果十分显著。 这可能是因为随着混凝剂投加量的增加， 絮体体积增大且吸附点位增多， 减弱了水解沉淀物表面性能对去除As3+的影响［2］。 扩展X 射线精细结构谱（EXAFS）的研究表明， As3+主要是通过与硫酸钛的水解产物生成双齿双核的络合物而得到去除［9］； As 的原子半径小于Pb， 络合键长较短， 络合物稳定； 而硫酸钛水解沉淀物只与微量Pb2+发生反应且络合物结构不稳定［10］。

2.3 PAM 投加量对Pb2+、 As3+去除效果的影响

在硫酸钛投加量为30 mg／L， pH 值为3.5 的条件下， PAM 投加量分别为1、 2、 3、 4、 5、 6 mg／L，考察其对Pb2+、 As3+去除效果的影响， 结果见图3。

图3 PAM 投加量对Pb2+、 As3+ 去除效果的影响Fig. 3 Effect of PAM dosage on Pb2+and As3+removal

由图3 可知， 当PAM 投加量低于4 mg／L 时，Pb2+与As3+的浓度随着PAM 投加量的增加而逐渐减小， Pb2+浓度变化幅度较小。 当PAM 投加量超过4 mg／L 时， 去除效果变差， 产生这种现象的原因可能是当PAM 过量后， 颗粒表面已饱和覆盖高分子PAM， 颗粒表面无吸附空位， 桥联作用无法实现，颗粒因位阻效应较大而分散， 絮体粒径和强度反而减小［11］。 因此， 过量的PAM 可能会抑制反应。

3 结论

（1） 在硫酸钛的投加量为30 mg／L， 不投加PAM 的条件下， 当pH 值为10 时， 硫酸钛对于Pb2＋的去除率达到最大值86%； 当pH 值为6 时，硫酸钛对As3＋的去除率达到最大值88%。

（2） 在pH 值为3.5， 不投加PAM 的条件下，随着硫酸钛投加量的增加， 对As3+的去除效果逐步进入平台期， 当其投加量为40 mg／L 时， 对As3+的去除率已经达到最大值95%； 当硫酸钛投加量为60 mg／L 时， 对Pb2+去除率达到最大值57%。

（3） 当PAM 投加量为1~4 mg／L， 硫酸钛投加量为30 mg／L 时， 硫酸钛对Pb2+与As3+的去除率均逐渐升高， 最高分别为72%与97%； 当PAM 投加量超过4 mg／L 时， PAM 投加过量会对混凝效果产生抑制作用。