对混凝沉淀法分散式饮水除砷的研究
摘要：采用混凝沉淀法进行分散式饮水除砷试验。结果表明，当水样中五价砷［As(Ⅴ)］含量为1.0mg/L时，不调节pH值(pH7.82)，直接投加50mg/L硫酸 铁，室温下沉淀静置12h，可使倾析液残留砷含量低于0.05mg/L。如沉淀反应后静置30～40 min即过滤，则只需投加30mg/L的硫酸铁或40mg/L的硫酸铝即可达到同样的除砷效果。随着投加量的增加，2种混凝剂对砷的去除率均升高，当水样As(Ⅴ)≤1.0mg/L和≤0.5mg/L时，分别 投加30mg/L 硫酸铁和硫酸铝，过滤后可使残留砷含量达到现行饮水卫生标准(＜0.05mg/L)。在水样处于不同pH值、水温、浊度、硬度等条件下硫酸铁的除砷性能较硫酸铝稳定。一般情况下，沉渣中的砷不会再次进入水中。
关键词：分散式供水；饮水除砷；混凝沉淀法；硫酸铁；硫酸铝
目前饮水除砷采用较多的方法有混凝沉淀、石灰软化、活性氧化铝、离子交换和电渗析法等，且每一种方法的应用条件及优缺点不同［1］。考虑到饮水型地砷病多在偏远、贫穷和缺乏低砷水 源的地区，以及经济、技术条件有限等因素，混凝沉淀法对家庭分散式供水的饮水除砷具有一定的实用价值。本文通过人工搅拌模拟家庭饮水除砷，选取有代表性的铁盐和铝盐混凝剂，探讨影响除砷效果的一些因素。
1 材料和方法
1.1 主要试剂
除砷混凝剂三氯化铁、硫酸铁、氯化铝、硫酸铝、硫酸亚铁、硫酸铝钾等均为分析纯，聚铁和聚铝由武汉东湖环保工程公司提供。砷酸钠使用北京双环化学试剂厂产的分析纯试剂。
1.2 水样
用自来水和砷酸钠配制。浊度以纯化的高岭土调配，pH值用0.1 mol/L盐酸或氢氧化钠溶液调节，硬度用氯化钙和硫酸镁控制。
1.3 试验方法
1.3.1 初筛试验 取含As(Ⅴ)(1.01±0.03)mg/L的水样200ml置于烧杯中，水温14.1～15.2℃，不调节pH值(pH7.82)的条件下，投加除砷剂50mg/L，用玻璃棒快速搅拌3min(转速约100r/min)，再缓慢搅拌3～5min(转速约50 r/min)，沉淀静置8h。缓慢倾析上清液，测其砷残留量。每种药剂做5份平行样，结果取均值，并记录试验现象。
1.3.2 影响因素试验 选取适宜的铁盐和铝盐，分别研究沉淀静置时间、投加量和过滤对除砷效果的影响。然后固定投加量，改变水样的pH值、温度、硬度、浊度以及砷初始浓度，沉淀静置30～40min，用中速滤纸过滤，研究不同条件下的除砷效果。所有结果取自3份平行样的均值。
1.3.3 沉渣稳定性试验 收集混凝沉淀后的残渣，将其浸入蒸馏水中，调至pH5.0，按不同间隔时间取样测定砷含量［2］。
1.4 分析方法
砷含量、pH值、浊度、硬度等的测定均采用国家标准《生活饮用水标准检验法》规定的方法进行。
2 结果与讨论
2.1 初筛试验
初筛结果见附表。三氯化铁是公认的高效除砷剂［3］，本试验采用人工搅拌的方法，亦发现其除砷效果是最佳的。另外，硫酸铁、氯化铝、硫酸铝的除砷性能也较好。考虑到三氯化铁和氯化铝易潮解，不利于保存和在病区推广应用，故选取硫酸铁和硫酸铝作进一步研究。
附表 不同除砷剂的除砷效果和试验现象（1）
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注：(1)试验条件：投加量50mg/L,As(Ⅴ)(1.01±0.03)mg/L，不调pH值(pH 7.8 2)，室温下沉淀静置8h
2.2 沉淀静置时间、投加量和过滤对除砷效果的影响
随着沉淀静置时间的延长，水中残留砷含量降低。硫酸铁的混凝沉降速度普遍高于硫酸铝。在静置12h后，投加50mg/L硫酸铁可使水中1.0mg/L As(Ⅴ) 降至0.05 mg/L以下，而硫酸铝在反应后，静置24h的残留砷含量仍不能满足卫生标准(＜0.05mg/L)。
当沉淀静置4h时，随着药剂投加量的增加，砷残留量降低。预试验已证实单纯用滤纸过滤几乎没有除砷作用，但倾析液过滤后，残留砷含量明显降低。说明倾析液中一些沉淀速度相当慢的细小胶体颗粒吸附有砷，其中硫酸铝的表现更为明显，这在很大程度上影响了除砷效果。本试验进一步证实了在混凝除砷过程中，将固体颗粒与水有效分离对除砷效果有重要影响［4］。
另外，过滤可大大降低药剂用量，投加30mg/L硫酸铁的水样经过滤后，其除砷效果还略优于投加量为75mg/L未过滤时的效果；同样，如过滤倾析液，则投加40mg/L的硫酸铝即可使水样中的砷降至0.037mg/L。本试验还发现，反应30～40min后过滤倾析液，其残留砷含量即达到稳定水平，说明过滤还可节省沉淀静置时间。因此，在现场应用混凝沉淀法除砷时，采用 适宜的过滤措施比单纯的混凝沉淀更加经济、有效。以下影响因素的研究均进行了过滤处理。
2.3 pH值和水温对除砷效果的影响
当pH值6.4～8.0时，投加30mg/L硫酸铁或40mg/L硫酸铝均能有效去除水中1.0mg/L的As(Ⅴ)。pH值在8.1～8.4时，两者去除效率均有所下降，其中硫酸铝表现较为明显 ，但去除率均在90%以上，增加混凝剂投加量(36mg/L硫酸铁或50mg/L硫酸铝)亦可达到去除砷的目的。
一般来说，当水温升高时，混凝剂水解速度加快，水解产物吸附沉淀作用增强，而且形成的絮凝体比较密实［5］。但本试验发现，随着水温升高，两种混凝剂的砷去除率均有下降趋势，硫酸铁的去除率相对稳定，在25℃时仍保持95%以上。结果表明，在混凝沉 淀除砷过程中，砷酸铁或砷酸铝的形成对除砷的贡献要比水解产物Fe(OH)3或Al(OH)3吸附沉淀所起的作用大。
2.4 硬度和浊度对除砷效果的影响
人工配制不同硬度水样，按CaCO3换算后，极软水、软水、稍硬水、硬水、极硬水的硬度分别为35.2、83.4、152.3、438.6和553.8mg/L。从图1可见，硫酸铁对软水中 砷去除效果最好，对极硬水中的砷去除效果较差。硫酸铝对极软水除砷效果最好，随着水硬度的加大，其去除率亦降低，且变化幅度较硫酸铁大。
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图1 硬度对除砷效果的影响
国外有学者研究发现，硫酸铁对高浊度河水和低浊度井水中砷的去除效果不同。本试验发现，30mg/L硫酸铁在浊度为15度左右时，除砷效果最好(图2)。在浊度升高时，硫酸铝的砷去除率呈下降趋势，浊度为20度左右时效果最差。从图2还可看出，当浊度变化时，硫酸铁的砷去除率较硫酸铝稳定。这有可能是由于铝盐有较强的吸附卷扫能力，对除浊的作用较大，相对影响了其除砷效能。
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图2 浊度对除砷效果的影响
2.5 砷初始浓度对除砷效果的影响
两种混凝剂除砷率均随砷初始浓度升高而降低。当水中初始As(Ⅴ)≤1.0mg/L时，投加30mg/L硫酸铁，除砷率≥97.05%；硫酸铝在砷初浓度0.5mg/L以下时除砷率可高于97.99%。
2.6 沉渣稳定性试验结果
将铁盐和铝盐沉渣浸泡30天，均未检出砷，说明沉渣中的砷比较稳定，一般情况下不会出现溶出或解吸现象。但将沉渣弃置时仍应注意选择地点，以免造成人为砷污染。
3 小结
硫酸铁和硫酸铝为比较实用的对分散式供水的除砷剂。在不同pH值、水温、浊度、硬度等条件下硫酸铁对水样的除砷性能较硫酸铝稳定。直接投加50mg/L硫酸铁于含As(Ⅴ) 1 .0mg/L的水样中，在室温下混凝沉淀静置12h后，可使倾析液的残留砷含量降至0.05mg/L 以 下。投加30mg/L硫酸铁或40mg/L硫酸铝并加以过滤，也可使As(Ⅴ) 降至0.05mg/L 以下。
现场应用时，应根据水质条件，同时考虑到有降低饮水中砷最大允许残留量的趋势，有必要调整适宜投加量。饮水中三价砷的去除一般难于五价砷［1］，因此还需要进一步研究可行的氧化三价砷的方法。
4 参考文献
[1]杨姣兰，何公理.饮水除砷技术研究动态.中国地方病学杂志，1998，17(5)：338-340
[2]Merrill DT, Manzione MA, Parker DS, et al. Field evaluation of arsenic and selenium removal by iron coprecipitation. Environ Prog,1987,6(2):82-90
[3]李树猷，何淑敏，郑宇.混凝沉淀法饮水除砷研究.卫生研究，1987，18(4)：17-20
[4]Hering J G, Chen PY, Wilkie J, et al. Arsenic removal from drinking water during coagulation. J Environ Eng, 1997,123(8)：800-807
[5]范瑾初.混凝技术.北京：中国环境科学出版社，1992，54-57
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