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砷(As)是一种对人体危害极大的毒性物质,砷污染已成为世界性的环境问题。为解决地下水砷污染及高含砷废水污染等问题,需要开发出经济、高效、安全的新型除砷技术工艺。本文试图深入认识和重点解决铁锰复合氧化物(FMBO)除砷的工艺过程和工程技术问题。主要完成工作及研究成果包括:
1.将负载型FMBO(FMBO-硅藻土)填充在固定床反应器中进行处理实际含砷地下水的现场中试研究,考察系统的运行效果及再生效率,并研究砷、铁(Fe)、锰(Mn)的化合物在滤层中的迁移转化规律。结果表明,负载型FMBO可有效氧化地下水中的三价砷[As(Ⅲ)]并吸附五价砷[As(Ⅴ)],同时可降低水中的Fe、Mn浓度与浊度;系统经过原位再生处理后,除砷能力有一定程度的提高;吸附的As主要集中在滤层上部,且滤层中原先的Fe、Mn含量及摩尔比也发生明显变化,滤料粒径大小也有所增加;该技术显示了在小型分散式除砷工程中的良好应用前景。
2.对载铁锰砂和载铁石英砂进行表面特征及除砷性能的对比研究,同时探讨载铁锰砂的除砷机制。XRD、BET和消解实验结果显示,载铁锰砂中含有Fe2O3和Mn氧化物,其比表面积可达9.18 m2/g,Fe负载量高达48.7 mg/L,都远高(于)载铁石英砂。两种吸附材料的吸附动力学特征相接近;它们的吸附等温线都更()合朗格缪尔等温线方程,载铁锰砂对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的理论最大吸附量分2.212 mg/g和5.452 mg/g,分别为载铁石英砂的3倍和8倍;pH变化对()吸附AS(Ⅲ)和AS(Ⅴ)的影响规律存在明显区别,各共存离子对载铁(锰硫)和As(Ⅴ)的影响程度均为:磷酸根＞硅酸根＞碳酸根;XPS结果显示载铁锰砂中的Mn氧化物在As(Ⅲ)吸附过程中未发挥氧化作用,它对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附主要通过其表面的FeOOH的表面配位机制来完成。
3.在微絮凝-过滤工艺系统中通过在线投加含Fe、Mn药剂生成FMBO来强化系统除砷效能,优化各运行参数;对比系统加药前后的除污效能,阐述水处理过程中的作用机制;进行中试稳定实验和生产性试验;研究了反冲洗水的处理方法;完成技术集成并指导实际工艺改造。结果显示,最佳投药组合为FeCl3(Fe(Ⅲ)=0.5 mg/L)加KMnO4(Mn(Ⅶ)=0.05 mg/L),而最优滤料组合为熟化石英砂与新石英砂组成的双层滤料;在线生成FMBO可以明显提升系统对水中的As、Fe、Mn及颗粒物的去除效果;加药后滤层水头损失明显增加,且主要集中在顶层30cm区域,但单周期运行时间并未明显缩短;另外,在线生成FMBO可大幅提高对Mn(Ⅱ)和As(Ⅲ)的氧化效果,水中的溶解态As、Mn向颗粒态的转化过程的得到明显强化;颗粒态As、Fe、Mn被滤层截留去除,而残留的溶解态As、Mn可被截留的颗粒物通过吸附作用去除;稳定实验运行效果良好(As＜10μg/L,浊度＜0.3 NTU);生产性试验运行效果更佳(As＜6μg/L,浊度＜0.2 NTU),且1 m3水加药成本仅为0.6分钱;反冲洗水加FeCl3混凝处理后可直接回用(As＜20μg/L);该技术在大型集中式除砷工程改造中具有推广价值。
4.在线生成FMBO吸附与聚合氯化铝(PACl)混凝联合用于高含砷废水处理,研究最佳参数,探讨除砷机制,并完成工程应用。静态实验结果显示,新生态FMBO可有效氧化As(Ⅲ)并吸附As(Ⅴ):在pH＞5条件下,FMBO-As微粒难以聚集沉淀;加入PACl不仅可以通过电中和与网捕作用促进FMBO-As微粒的聚集沉淀,还可以继续吸附水中残留的溶解态As,从而明显提高总砷的去除效果;FMBO与PACl的最佳投量分别为60 mg/L和80 mg/L;pH=6-10条件下,最终出水中Fe、Mn、Al浓度均接近于0 mg/L;根据絮体的粒径分布和SEM-EDAX结果,发现加入PACl可使絮体粒径明显增大,絮体表面变得光滑、密实,Al元素主要富集在絮体表面;在实验室研究基础上,通过现场实验完成技术集成,对实际高砷废水处理进行了工程应用;最终出水的平均As浓度可由5.81 mg/L降至0.013 mg/L,且1 m3水加药成本低于1.5元;FMBO-PACl工艺发挥了高效、安全、经济的优点,可用于处理类似的重金属污染废水。