饮用水中镉污染的应急处理技术中试研究
何文杰1，2，李荣光1，韩宏大2
，吴
维2，张甜甜3，谭浩强
3（1．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；2．天津市自来水集团有限公司，天津300040；3．天津城市建设学院环境与市政工程系，天津300384）
摘
要：
以模拟遭受突发性镉污染的水体为研究对象，在水厂常规工艺的基础上，考察了化
学沉淀技术对镉污染原水的应急处理效果。结果表明，
当分别采用三氯化铁和聚合氯化铝为混凝剂时，分别将滤后水pH 值控制在8．69和8．58以上，可有效去除超标50倍的镉污染物，且对镉的去除率随着pH 值的提高而增大；在最大应急能力方面，将滤后水pH 值分别控制在9．17和8．73
以上，可分别有效去除超标500和80倍的镉污染物，使镉浓度降至国标限值以下。在混凝前pH 值变化不大的情况下，投加聚合氯化铝的滤后水pH 值的降低幅度要大于投加三氯化铁的。
关键词：饮用水；镉污染；应急处理；化学沉淀
中图分类号：TU991
文献标识码：C
文章编号：1000－4602（2011）17－0062－04
Pilot Study on Emergency Treatment Technology of Drinking Water
Polluted by Cadmium
HE Wen-jie 1，2
，LI Rong-guang 1，HAN Hong-da 2，WU Wei 2，ZHANG Tian-tian 3，
TAN Hao-qiang 3
（1．School of Environmental and Municipal Engineering ，Xi ’an University of Architecture and Technology ，Xi ’an 710055，China ；2．Tianjin Waterworks Group Co．Ltd．，Tianjin 300040，China ；3．Department of Environmental and Municipal Engineering ，Tianjin Institute of Urban
Construction ，Tianjin 300384，China ）
Abstract ：
Taking the source water polluted suddenly by cadmium as research object ，the chemical
precipitation used in emergency treatment was investigated based on conventional technologies．The result indicates that using ferric chloride and PAC as coagulant and adjusting pH of filtered water above 8．69and 8．58respectively can effectively remove cadmium pollutant whose concentration is 50times higher than the national standard limit．The removal rate of cadmium is improved with increasing the pH．In as-pect of maximum removal capability ，the cadmium concentrations being 500and 80times higher than the national standard limit can be effectively decreased by means of controlling the pH of filtered water above 9．17and 8．73respectively．The pH decreasing range of filtered water with PAC is larger than that with ferric chloride when the pH hardly changes before coagulation．
Key words ：drinking water ；cadmium pollution ；emergency treatment ；chemical precipitati-
on
基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07420－005）
第27卷第17期2011年9月
中国给水排水
CHINA WATER ＆WASTEWATER Vol．27No．17Sep．2011
镉（Cd）作为“五毒”重金属中的一种，具有相当高的稳定性、难降解性、可蓄积性和毒性，广泛分布于河流、湖泊、水库等水源地，如不经过处理，将严重威胁人体健康［1］。近几年，镉及其化合物造成的饮用水安全问题，已经引起了人们的广泛关注。比较典型的事件有2005年广东北江的镉污染事件［2］和2006年湖南湘江的镉污染事件［3］，都给当地的生产和生活带来了重大的影响。目前，对含镉水体的处理技术主要有生物修复、化学沉淀、离子交换、吸附絮凝［4 7］等。当水体发生突发性重金属污染事件时，其在暴发时间和作用强度上均不同于一般性的水污染，采用常规处理工艺很难保证出水水质［8］，这就需要一种能快速启动、有效的应急处理技术。结合国内水厂的现状，比较可行的应急处理技术是与现行处理工艺相结合的化学沉淀法。化学沉淀法是基于溶度积原理，通过投加化学试剂，使目标污染物形成难溶解的物质从水中分离的方法，因其具有成本低廉、工艺简单、沉降速度快、处理效果好等特点而被广泛应用。笔者以模拟受突发性污染的含镉水为处理对象，研究了化学沉淀法的应急处理能力。1试验材料与方法
1.1试验装置和工艺流程
工艺流程见图1。设计规模为1m3/h的中试装置放在两个标准集装箱内，其中1#集装箱的斜管沉淀池出水通过管道连接进入2#集装箱的砂滤池（将中试设备放在集装箱内，是为了在发生突发性污染事故、自来水厂无法正常供水时，其可作为应急给水处理设施使用，保障一定人员的基本用水需求）。中试装置在常规工艺前有两级预氧化工艺，滤池后有臭氧/活性炭工艺，由于试验中未用到，故在图1中未标出。在管道混合器前设有4个投药点，镉和NaOH均通过计量泵加入到原水中，经管道混合器充分混合后，进入混凝单元；混凝过程由1 min的混合加上三级絮凝组成，每级絮凝时间为6 min，混合和絮凝均为机械搅拌式，转速分别为200、50、40和30r/min，混凝剂通过计量泵在混凝池前的进药口加入；原水经混凝后，进入斜管沉淀池，其停留时间为14．5min；滤池采用均质砂滤料，粒径为1．0mm，填充高度为1000mm，滤速为8m/h
。
图1工艺流程
Fig．1Flow chart of experiment equipment
1.2试验试剂与分析方法
试验试剂：硝酸镉，分析纯；三氯化铁（FeCl
3
），
市售，FeCl
3
含量为41．86%；聚合氯化铝（PAC），市
售，Al
2
O
3
含量为9．32%；其他试剂均为分析纯。
镉采用石墨炉原子吸收法测定。
2结果与讨论
2.1pH值对处理效果的影响
采用镉浓度约为50倍的《生活饮用水卫生标准》中Cd浓度限值（0．005mg/L）的溶液作为模拟
水样，FeCl
3
与PAC的投量分别为5和10mg/L，不同pH值条件下对镉的去除效果见表1。
表1不同pH值下对镉的去除效果
Tab．1Removal effect of cadmium at different pH
项目1#2#3#4#5#6#7#
FeCl
3
混凝前pH值9．199．209．259．329．699．709．71滤后水pH值8．698．828．848．959．219．479．49原水Cd/（mg·L－1）0．27740．29410．28290．26920．28440．28700．2192滤后水Cd/（mg·L－1）0．001850．001550．001540．00149＜0．001＜0．001＜0．001
PAC
混凝前pH值9．299．269．269．599．619．239．18滤后水pH值8．588．668．738．989．018．818．75原水Cd/（mg·L－1）0．28290．26920．37740．30160．29410．20470．3305滤后水Cd/（mg·L－1）0．001260．001340．00123＜0．001＜0．001＜0．001＜0．001
由表1可知，当采用FeCl
3
为混凝剂、混凝前的pH值为9．19 9．71时，滤后水的pH值降至8．69 9．49之间，此时可有效去除镉，去除率均在99%以上，剩余镉浓度低于国标限值；当采用PAC为混凝剂、混凝前的pH值为9．18 9．61时，滤后水的pH值降至8．58 9．01之间，此时也可将镉浓度降
www．watergasheat．com何文杰，等：饮用水中镉污染的应急处理技术中试研究第27卷第17期
至国标限值以下。另外还可以看出，在试验条件下，随着pH值的增加，残余镉浓度逐渐降低；在混凝前pH值变化不大的情况下，投加铝盐的滤后水pH值的降低幅度要大于投加铁盐的。
2.2化学沉淀法对镉的应急去除能力
由上述试验结果可知，在上述所采用的pH值条件下，均能将镉浓度降至国标限值以下，以此为基础进行高浓度镉的应急处理试验，考虑到实际生产过程的可行性，需要将滤后水的pH值控制在适宜范围内，以避免pH值过高而增加回调的难度。FeCl
3
与PAC的投量分别为5和10mg/L，试验结果如表2所示。
表2对不同浓度镉的去除效果
Tab．2Removal effect of cadmium with different concentrations
项目FeCl3PAC
原水Cd/（mg·L－1）0．27740．46680．9872．5670．04760．20470．28290．3774沉后水Cd/（mg·L－1）0．07340．05530．03160．46520．00270．01500．01660．0120滤后水Cd/（mg·L－1）0．00155＜0．001＜0．001＜0．0010．00227＜0．0010．001260．00123滤后水pH值8．959．189．169．178．288．828．588．73
由表2可知，在采用FeCl
3
为混凝剂的条件下，当原水中的镉浓度分别约为国标限值的50、100、200和500倍时，只要滤后水pH值＞8．95，都可将剩余镉浓度控制在国标限值以下；在采用PAC为混凝剂的条件下，当原水镉浓度分别约为国标限值的10、50、60和80倍时，只要控制滤后水pH值＞8．28，即可有效去除镉，保证滤后水中的镉浓度达到《生活饮用水卫生标准》的要求。
比较沉后水和滤后水中的镉浓度，发现当镉的初始浓度较高时，经混凝沉淀后的镉浓度并未达标，只有经过进一步的过滤后才能达标。这是因为，增加过滤步骤一方面延长了反应时间，使反应更加充分；另一方面，在沉淀过程中没有分离出去的含镉小絮体，经过滤后得以从水中分离去除，从而进一步降低了镉浓度。
化学沉淀法作为受镉污染水体的应急处理技术，实际上是以水厂的现有设备为基础，通过简捷的操作寻找到最佳的控制条件，完成生成沉淀的化学反应，继而将沉淀从水中完全分离，达到饮用水标准的一个过程。此过程的关键是控制反应的pH值，pH值的变化能够影响镉的溶解度和胶体的表面吸附特征、控制沉积物表面的各种吸附反应等［9］，较低的pH值会促使镉从沉积物中解吸出来［10］。如果在沉淀分离时pH值控制不当，会导致镉不能被有效去除。
氢氧化镉的溶度积为2．2?10－14，由平衡理论计算得出，要保证镉浓度低于国标限值，纯水的pH 值应高于10．8，而实际原水中可能含有其他物质也会在高pH值下生成沉淀，干扰化学沉淀效果，因此，实际上可能需要更高的pH值才能有效去除镉污染物。而在试验中发现，当分别使用FeCl
3
和PAC为混凝剂时，只要滤后水pH值分别达到8．69、
8．58以上，就可以有效去除镉；在滤后水pH值达到
9．17以上时，使用FeCl
3
为混凝剂甚至可以去除超标500倍的镉。这是因为在通过调节pH值形成氢氧化镉沉淀的同时，加上常规工艺中混凝过程所形成絮体的吸附、卷扫作用以及进一步的过滤作用，才使理论上所需的pH值由10．8降到了9以下，从而避免了因对出厂水pH值进行回调而增加的制水成本。
3结论
①在分别采用FeCl3和PAC为混凝剂的条件下，分别将滤后水pH值控制在8．69和8．58以上，可有效去除镉污染物，使其残余浓度降到国标限值以下；分别将滤后水pH值控制在9．17和8．73以上，可分别将超标500和80倍的镉浓度降至国标限值以下。当混凝前pH值变化不大时，投加铝盐的滤后水pH值的降低幅度要大于投加铁盐的。
②在选择合适混凝剂的基础上，要实现镉的有效去除，必须合理控制pH值，在满足分离镉沉淀要求的同时，应尽量避免过大地增加制水成本和操作难度，这就需要在理论计算结果的基础上，进一步进行试验校正，从而得出较佳的处理效果。
参考文献：
［1］许秀琴，朱勇，杨挺，等．水体重金属的污染危害及其修复技术［J］．污染防治技术，2007，20（4）：67－69．
（下转第67页）
第27卷第17期中国给水排水www．watergasheat．com
含量均有所增加；当混合消毒剂中二氧化氯含量为0．6mg/L时，二氧化氯衰减最慢。由图2（b）还可以看出，单独投加二氧化氯时二氧化氯迅速衰减。
2.2钢管中二氧化氯与氯的静态衰减规律
试验反应温度为21?，水样pH值为7．5，每间隔一段时间提取一定量水样，测定钢管中游离氯和二氧化氯的含量。在不改变入水水质条件下分别对不同消毒剂投加量下二氧化氯和氯联合消毒的衰减规律进行研究。结果表明，在钢管中的二氧化氯和氯联合消毒过程中，混合消毒剂中二氧化氯的衰减速度低于单独投加二氧化氯时二氧化氯在钢管中的衰减速度；当反应进行到一定时间后，混合消毒剂中二氧化氯和氯的含量均有所增加。
2.3PVC管中二氧化氯与氯的静态衰减规律
试验反应温度为21?，水样pH值为7．5，每间隔一段时间提取一定量水样，测定PVC管中游离氯和二氧化氯的含量。在不改变入水水质条件下分别对不同消毒剂投加量下二氧化氯和氯联合消毒的衰减规律进行研究。结果表明，在PVC管中的二氧化氯和氯联合消毒过程中，混合消毒剂中二氧化氯的衰减速度仍低于单独投加二氧化氯时二氧化氯在PVC管中的衰减速度；当反应进行一定时间后，混合消毒剂中二氧化氯和氯的含量均有所增加。
3结论
①采用二氧化氯和氯联合消毒时二氧化氯的衰减速率低于单独采用二氧化氯作为消毒剂时的衰减速率。
②城市配水管网中二氧化氯在铸铁管、钢管和PVC管中的衰减速率排序为铸铁管＞钢管＞PVC管。
③在城市配水管网中采用二氧化氯和氯联合消毒时，二氧化氯和氯两种消毒剂存在相互作用，反应进行一定时间后消毒剂含量会出现增加趋势。
参考文献：
［1］尤作亮，张金松．二氧化氯消毒的控制标准及其发展趋势［J］．中国给水排水，2003，19（2）：29－31．
［2］Katz A，Narkis N，Orshansky F，et al．Disinfection of ef-fluent by combinations of equal doses of chlorine dioxide
and chlorine added simultaneously over varying contact
time［J］．Water Res，1994，28（10）：2133－2138．
［3］王家玲，唐非，谷康定，等．饮水中非挥发性有机污染物致突变性的防治对策［J］．中国环境科学，1999，19
（2）：114－118．
［4］唐非，谷康定，丁建东，等．二氧化氯与氯联合消毒减少消毒副产物［J］．中国给水排水，2003，19（11）：55－
58．
［5］王丽，常爱敏，唐玉兰，等．二氧化氯与氯混合消毒对水消毒效果的影响［J］．中国农村水利水电，2003，
（3）：31－32．
E－mail：19401010@163．com
收稿日期：
櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵
2011－03－12
（上接第64页）
［2］张晓健．松花江和北江水污染事件中的城市供水应急处理技术［J］．给水排水，2006，32（6）：6－14．［3］窦佩琼，候方东，包晓风，等．株洲市清水塘工业区地表水底泥重金属污染评价［J］．四川环境，2008，27
（4）：74－78．
［4］李大成．国家饮用水标准与砷、镉去除技术［J］．污染防治技术，2009，22（2）：74－76．
［5］Benguella B，Benaissa H．Cadmium removal from aque-ous solutions by chitin：kinetic and equilibrium studies
［J］．Water Res，2002，36（10）：2463－2474．
［6］Tajar A F，Kaghazchi T，Soleimani M．Adsorption of cadmium from aqueous solutions on sulfurized activated
carbon prepared from nut shells［J］．J Hazard Mater，
2009，165（1/3）：1159－1164．［7］夏德强，冷宝林，王彬，等．新型絮凝剂APAC处理含Cr（Ⅵ）废水的研究［J］．中国给水排水，2010，26
（21）：121－122．
［8］高中方，周克梅，陈志平，等．镉污染源水的应急处理技术研究［J］．中国给水排水，2009，25（11）：86－88．［9］庄云龙，石秀春，张荣亮．重金属在沉积物系统中吸附行为的研究进展［J］．四川环境，2002，21（2）：13－
16．
［10］佘海燕．河湖沉积物对重金属吸附－解吸的研究概况［J］．化学工程师，2005，19（7）：30－33．
电话：138********
E－mail：lirongguang83@163．com
收稿日期：2011－04－19
www．watergasheat．com袁一星，等：二氧化氯和氯联合消毒耦合机制试验研究第27卷第17期