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污水处理技术篇:废水中砷处理方法

浏览次数:84  更新时间:2018-06-07

污水处理技术篇:废水中砷处理方法

    

砷广泛存在于自然界中,常见的无机砷化合物有亚砷酸、砷酸等,有机砷化合物有甲基胂酸、烷基砷、砷脂类化合物、砷糖等。单质砷对人和生物无毒,砷化合物却都具有相当的毒性,不同形态的砷化物具有不同的毒性。

目前,国内外处理污水处理中含砷废水的方法主要有沉淀法、离子交换法、生物法、膜法、电凝聚法、吸附法等。这些方法均有其自身的特点,如:沉淀法除砷技术较为完善,应用较为广泛,但它处理后会产生大量废渣,造成二次污染,而且除砷效率低,难以满足饮用水水质要求;离子交换法适用于处理量不大、组成单一、回收价值高的废水,但其处理工艺复杂、成本高,难以实现工业化生产;生物法中微生物对周边环境的要求很严格,因砷具有毒性,用此法处理水中的砷目前尚处在起步阶段;膜分离法处理成本较高,不宜大规模应用;电凝聚法操作技术条件要求比较高;吸附法是利用吸附剂提供的大比表面积,通过砷污染物与吸附剂间较强的亲和力达到净化除砷的目的。吸附法由于简单易行、去除效果好、能回收废水中的砷、对环境不产生或很少产生二次污染,且吸附材料来源广泛、价格低廉、可重复使用等优势而备受人们关注。笔者就吸附法除砷的技术现状和进展作一综述。

1沸石吸附

沸石的晶体结构是由硅(铝)氧四面体连成的三维格架,格架中有各种大小不同的空穴和通道,具有很大的开放性,因此被广泛用作吸附剂。但实验表明,天然沸石对去除水中砷的能力不够理想,所以一些学者对沸石进行了改性,以增加其吸附量。李增新等研究了负载壳聚糖的沸石对水中砷的去除效果及吸附条件,研究表明,采用沸石-壳聚糖作吸附剂,其投加质量浓度为15g/L时,吸附时间为20min,对300mg/L的含砷废水,其去除率可达99%。最佳的吸附条件是:温度25℃、pH为7~8,壳聚糖与天然沸石的质量比为1∶20,最佳条件下粒径为1mm的沸石-壳聚糖对砷的饱和吸附量为8.1mg/g。张晖等以十六烷基三甲基溴化铵作为改性剂对斜发沸石进行改性,研究了改性沸石对水中砷的吸附率,结果表明:经过改性的斜发沸石对砷有较强的吸附能力,在pH为7~8的条件下,改性沸石的吸附量可达8.5mg/g。P.Chutia等利用自己合成的H-MFI-24和H-MFI-90两种改性剂对沸石进行改性,进行去除水体中As(Ⅴ)的实验研究,对实验结果进行Langmuir等温线拟合,改性后的沸石吸附量分别达到35.8、34.8mg/g。

2活性炭吸附

活性炭是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料,经破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工而成的表面活性物质,是一种非常优良的、常用的吸附剂。结构上由于活性炭中的微晶炭呈不规则排列,在交叉连接间存在细孔,活化时会产生炭组织的缺陷,因此其堆积密度低、比表面积大且多孔,活性炭这种特殊的空隙结构使其对水体中的砷有一定的吸附能力。研究表明,经过改性处理后的活性炭,其吸附能力有可能进一步提高。陈维芳等利用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为改性剂对活性炭进行改性处理,考察其对水中As(Ⅴ)的吸附能力。动态实验结果表明,未经改性活性炭的吸附量仅为2.49mg/g,而经改性后的活性炭,在pH=6、进水As(Ⅴ)质量浓度为100μg/L、空床接触时间为0.53min的条件下,其吸附量能达到16.7mg/g,是改性前的6.7倍。

比表面积是影响活性炭吸附能力的重要因素。方晖等采用KOH活化法,以石油焦基为原料,制备了高比表面积活性炭(HSAAC),并考察了pH、吸附时间、浓度和活性炭用量等因素对HSAAC吸附As(Ⅲ)的影响,实验结果表明,当溶液的pH=9.0、As(Ⅲ)的质量浓度为40mg/L,活性炭投加质量浓度为40g/L时,可达到较好的除砷效果,As(Ⅲ)的去除率可达71.25%。但对砷含量较高的废水,用HSAAC处理后,出水As(Ⅲ)质量浓度仍不能达到国家排放标准中≤0.5mg/L的要求,并且与处理含铬、镉、铅等重金属废水相比,HSAAC处理As(Ⅲ)的效果很不理想,还需对该方法进一步研究。


3生物及生物质吸附

生物质吸附是利用生物体及其衍生物作为吸附剂来吸附水中砷,以达到去除水体中砷的目的。就生物而言,虽然砷对生物体有很强的毒害作用,但通过驯化作用以及生物自身的适应性,可以提高生物对砷毒性的耐受性,通过氧化还原、表面络合、离子交换和无机微沉淀等作用将砷从水中去除。生物及生物质吸附材料因其环境友好受到越来越多的关注,各种生物及生物质材料(如真菌、纤维素、壳聚糖及其衍生物、玉米芯、蟹壳等)越来越多地被用于各种条件下的含砷废水的处理。

P.K.Pandey等利用苦瓜枝叶制成一种生物吸附剂,来处理饮用水中的砷。在As(Ⅲ)的质量浓度为0.5mg/L时,该吸附剂的吸附量可达0.88mg/g,As(Ⅲ)的去除率达到88%,其吸附过程符合Lang-muir及Freundlich吸附等温线。实验发现,该吸附剂的除砷效果受pH、吸附时间影响较大。pH=9,吸附45min时,达到吸附平衡,并且溶液中SO42-、Cl-、HCO3-、Ca2+及Mg2+的存在不会对该生物吸附剂的吸附性能产生影响。

XinHuang等研究了负载Zr(Ⅳ)的胶原纤维对水体中As(Ⅲ)的去除效果,在pH为9.0~12.0时,吸附剂可有效去除水中的As(Ⅲ),且最佳吸附pH=11.0,此时吸附量达到最大,为54.0mg/g。

杨金辉等研究了乙二胺改性磁性壳聚糖微球对As(Ⅲ)的去除效果,在100mL初始质量浓度为10mg/L的含As(Ⅲ)溶液中加入改性壳聚糖微球0.4g,当溶液的pH=2,吸附时间为90min时,改性壳聚糖对溶液中As(Ⅲ)的去除率达到了97%;经吸附后的吸附剂4次解吸后,对As(Ⅲ)的吸附去除率仍达95%以上,说明该吸附剂性能稳定,具有较好的可重复利用性。

利用生物质作为砷的吸附剂时,溶液的pH是关键因素:不同的生物质在不同的pH时呈现的表面活性不同,只有在其表面活性最大时,吸附剂才具有最强的吸附力。

资源的回收利用是可持续发展的需要,工业废弃物中,如铁矿渣、粉煤灰等具有比较大的比表面积,可作为吸附剂去除水体中的砷等有害成分,具有处理成本低、节约资源、以废治害的优点,是今后吸附法应用的发展方向。

刘懿颉等以铁矿渣为吸附材料,通过静态实验和动态柱吸附实验去除水体中的砷。静态实验结果显示,温度和溶液的酸碱性对吸附效果的影响较大,在20~40℃范围内,温度高有利于吸附剂对砷的吸附,这是由于在一定范围内,随温度的升高,分子运行速率加快,与吸附材料的接触机会增加,被吸附的可能性增加;铁矿渣对高砷水中As(Ⅴ)的吸附符合Langmuir吸附等温线,吸附为多层吸附且以化学吸附为主;溶液呈酸性时吸附效果要优于碱性条件。动态柱穿透实验则表明,当进水中砷的质量浓度为1829μg/L时,进水体积与吸附剂体积比为1200倍时,出水中砷的质量浓度仍低于国家标准的0.01mg/L,对砷的去除率在90%以上。

粉煤灰是燃煤发电厂排放的一种固体废弃物,其孔隙率为60%~75%,比表面积可达2500~5000m2/kg,并且含有大量的活性反应点,可以与吸附质发生化学吸附和物理吸附,所以在水处理中常作为絮凝剂和吸附剂使用。JianminWang等的研究表明,用粉煤灰作吸附剂去除水中的As(Ⅴ)时,溶液的pH对砷的去除效果影响非常显著:pH为3~7时,有利于粉煤灰对As(Ⅴ)的吸附;超出这个范围则有利于对As(Ⅴ)的解吸;当pH=12时,约有25%的砷因解吸而被重新释放到溶液中。

砷及其化合的毒害性及致癌性一直是人们关注的焦点之一。吸附法是除去废水中的砷的主要方法之一,应用前景广阔,但目前吸附法除砷仍局限于吸附剂材料的选用与改性方面;生物质吸附剂以及废弃物吸附剂因具有环境友好的特点,应是今后研究砷吸附剂的主要方向之一,应尽快形成高效、经济的除砷工艺,开发新设备,满足工程应用的需要;生物质的富集能力、对砷的的吸附机理和水中砷形态分布更需深入研究,为工业应用奠定理论基石。




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