突发性镉污染应急水处理技术研究

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突发性镉污染应急水处理技术研究

高中方，陈卫，林涛，王旭

河海大学环境科学与工程学院，南京（210098）

E-mail：galaxy1983@sohu.com

摘 要：分析了突发性镉污染时镉在水体中的存在形式，研究了强化混凝和化学沉淀工艺对南京长江水源突发性镉污染的处理效果。结果表明：突发性污染时，镉主要以溶解态形式存在，所占比例在60%以上；通过对浊度的去除，现有工艺可以有效的去除吸附态镉，但对溶解态镉的去除效果有限，导致了在原水镉浓度＞0.022mg/L时，现有工艺无法保证出水水质；混凝剂种类对镉的去除影响不大，铁盐和铝盐对镉的去除效果相当；优选混凝剂投加量可以提高除镉效果，在投加20mg/LPAC时，镉的去除率在85%左右；化学沉淀技术对镉有良好的去除效果，但会导致出水浊度的增加，与强化混凝联用后，镉的去除效果进一步提高，在预调pH值至10，投加20 mg/LPAC时，镉的去处率可达97.7%以上，最大可处理浓度提高至0.220mg/L~0.264mg/L。

关键词：突发性水污染；镉；应急处理；强化混凝；化学沉淀 中图分类号：X703.1

1 引言

重金属镉是南京市水源地潜在的突发性污染物之一[1]。含镉的水被饮用后，会在肝、肾和骨骼中产生镉积累，严重时可导致自然骨折和动脉硬化性肾萎缩、慢性球体肾炎等慢性病。一旦发生此类污染突发事件，采取有效的应急技术至关重要。

目前常见的除镉技术有化学沉淀法、气浮法、电解上浮法、离子交换法和吸附法等，其中，氢氧化物沉淀法具有除镉范围广、药剂来源广泛、不产生二次污染等优点，是应用最广泛的除镉技术，并在广州北江镉污染事件中得以成功运用[2

，3]

。但对南京长江水源而言，在

突发性镉污染时，由于水源水质的差异，该技术的处理效果尚未得到证实，具体参数有待确定。另一方面，研究表明[4]：饮用水中的镉可以通过混凝过滤去除。强化混凝工艺通过采取一定措施，可以发挥混凝的最佳效果，而且这些药剂就在常规生产中使用，选择强化混凝作为应急处理技术，易于实现“平战结合”，具有简单易行、实用性强等特点[5]。本文重点研究了上述技术应对南京长江水源突发性镉污染的效果。

2 试验内容与方法

2.1 原水水质

采用南京市S水厂原水与重金属镉混合配水的方式模拟突发性镉污染。试验期间原水的浊度为90~110NTU，pH为8.0~8.1，水温为20~26℃；原水中未检测出镉，因此配水时不考虑镉的本底浓度。

2.2 试验方法

取一定量分析纯硫酸镉配入水厂原水中，搅拌后分别静置6h、12h和24h，同时用蒸馏水配置相同浓度的含镉水样作为对比。水样用双层滤纸过滤，然后测定镉的含量，用以研究突发性污染时镉在原水中的存在形式。

采用烧杯搅拌试验模拟混凝沉淀过程（在六联搅拌机上进行），混凝条件为先以500r/min的转速快搅1min，再依次以250r/min、150r/min和50r/min分别搅拌5min，静置30min后取上清液用双层滤纸过滤，对滤后水进行相应的指标分析，研究强化混凝技术和化学沉淀技

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术对镉的去除效果及其影响因素。

实验中，浊度和pH值分别采用HACH2100P便携式浊度仪和MP220/225 meters测定；镉的含量以原子吸收分光光度法分析。

以生活饮用水卫生标准GB5749-2006作为出水水质的评价标准。

3 试验结果与讨论

3.1 突发性污染时镉的存在形式

天然水体中的重金属主要以络合物的形式存在，并且被吸附的悬浮物胶体上，溶解态较少[2]。这种存在形式是长期吸附平衡的结果。而废水中镉的存在形式比较复杂，突发性水污染时，由于在较短的时间内含镉原水就可进入水处理工艺，镉的存在形式对出水水质有直接的影响。实验中测定了不同静置时间下镉的变化情况，结果见表1。

表1 不同静置时间下镉的滤除率

本底 静置时间（h）

原水

蒸馏水

-- 6 12 24 --

0.035 0.027 0.024 0.023 0.040 滤后Cd （mg/L）

20.5 38.6 45.5 47.7 9.1 滤除率（%）

11.4 29.5 36.4 38.6 -- 吸附态比例（%）

注：初始镉浓度为0.044 mg/L。

由于蒸馏水中不含悬浮物，镉在水中全部以溶解态的形式存在，而原水的浊度为107NTU，采用原水配水时，吸附在悬浮物胶体上的镉在过滤时可以随着浊度的去除而去除，那么，两者滤除率之间的差值即为吸附态镉所占的比例。由表1可知，初期原水中含有较多的溶解态镉，吸附态镉仅占11.4%，随静置时间增加，吸附态所占比例迅速增加，6h时即达到29.5%，当静置时间＞12h时，吸附开始趋于平衡，此时吸附态所占比例在40%左右，仍低于溶解态所占比例。这说明，在突发性镉污染时，溶解态是镉的主要存在形式，在应急处理时需特别注意。

3.2 现有工艺对镉的去除效果

目前S水厂所用工艺为传统混凝沉淀技术，所用混凝剂为聚合氯化铝（PAC），全年平均投加量为10mg/L。现有工艺对不同浓度镉的去除效果见表2。

表2 现有工艺对镉的去除效果

0.006 0.022 0.044 0.088 0.001 0.004 0.010 0.026 83.3 81.8 77.2 70.5 达标 达标 超标 超标

原水Cd（mg/L）

出水Cd（mg/L） 去除率（%）

备注

结果表明：现有工艺对镉的去除具有一定的效果，但去除率随着原水中镉浓度的增加呈下降的趋势，在较高的镉浓度下（＞0.022mg/L），现有工艺难以保证出水水质。

混凝对镉的去除主要体现在两个方面[6]：一方面，随着浊度的去除而去除水中的悬浮物胶体上吸附态镉，另一方面，絮体表面存在大量的羟基（OH-），可以吸附镉离子，并通过混晶、裹挟等作用（即共同沉淀）将其去除，最终实现水中镉的去除。由于滤后水的浊度均在0.3NTU以下，滤后水几乎不含吸附态镉，镉主要以溶解态形式存在，这说明现有工艺对吸附态镉具有良好的去除效果，但对溶解态镉的去除效果有限，因而对溶解态镉的去除成为

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影响最终出水水质的关键。

3.3 强化混凝工艺对镉的去除效果

3.3.1 混凝剂种类对除镉效果的影响

在实验中，选择氯化铁与PAC进行对比实验。氯化铁投加量为10mg/L，结果见表3。

原水Cd （mg/L） 出水Cd （mg/L） 去除率（%）

备注

表3 氯化铁对镉的去除效果

0.006 0.022 0.044 0.088

0.004 0.006 0.036 ＜0.001

84.7 81.8 86.4 59.1 达标 达标 超标 超标

由表2、表3可以看出，氯化铁和PAC除镉效果相差不大，在较低的镉浓度下对镉都有良好的去除效果，出水中镉满足生活饮用水卫生标准（GB5749-2006），但高浓度时无法保证出水水质。

3.3.2 混凝剂投加量对除镉效果的影响

实验中原水镉浓度为0.044mg/L，PAC投加量为10~50mg/L。试验结果（见图1）表明：随PAC投加量的增加，镉的去除率呈先上升后

镉（mg/L）0.01585去除率0.0180下降的趋势。混凝剂投加到水中后，一方面，混凝去除水中悬浮物胶体上吸附的镉，同时对溶解态镉具有共同沉淀作用，另一方面，混凝剂中的高价离子和水解产物会被悬浮物吸附，并置换出被悬浮物吸附的镉离子，使吸附态的镉解吸进入水中（即解吸作用），从而降低镉的去除效果[6]。当混凝剂投加量较小时，共同沉淀占优势，随着投加量的增加，镉去除率逐渐

0.005镉75070PAC投加量（mg/L）图1 PAC投加量对除镉效果的影响1020304050增加；当共同沉淀与解吸作用到达平衡时，镉去除率最高，此时的投加量即为最佳投加量，试验中PAC的最佳投加量为20mg/L，此时镉的去除率达到84.1%，较现有工艺增加了6.9%；继续增加混凝剂投加量时，镉去除率反而下降，原因在于：虽然随混凝剂投加量的增加共同沉淀作用也增强，但是高价离子的大量增加导致解吸作用大大增强，解吸作用超过共同沉淀作用。

为确定PAC投加量为20mg/L时的最大处理浓度，进行了如下实验（结果见表4）。

表4 20mg/LPAC对不同浓度镉的去除效果

原水Cd （mg/L） 出水Cd （mg/L） 去除率（%）

0.030 0.004 86.7 0.035 0.005 85.7 0.040 0.006 85.0 备注 达标 达标 超标

由表4可以看出，投加20mg/LPAC可处理的最大浓度为0.035mg/L，与现有工艺的最大处理浓度（0.022mg/L）相比，提高了59.1%。

3.4 化学沉淀法对镉的去除效果

氢氧化物沉淀法除镉的原理在于镉离子在碱性条件下可以形成难溶的氢氧化镉沉淀物。

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镉去除率（%）http://www.paper.edu.cn

氢氧化镉的溶度积为2.2×10-14，由此可计算出理论上保证镉含量＜0.005mg/L时纯水溶液的pH值，计算过程如下：

[Cd]=0.005mg/L=4.45×10

2.2×10

[OH]=4.45=4.94×10

×10

[OH]=7.03×10M/L

2+−2

−14−8

−

−4

−8

M/LM/L

−7

由计算可知，欲使出水镉达标，pH值应为10.8。但上述计算纯属理论性的水溶液计算，实际原水中含有其他共存物质会对化学沉淀效果产生干扰。

取一定浓度的含镉水样，加氢氧化钠分别调节pH值至9、10、11，混凝沉淀后用双层滤纸过滤，取滤后水测定镉和浊度。原水pH值为7.89，浊度为95.3NTU，镉浓度为0.044mg/L。结果如图2所示。

0.015PAC 0mg/LPAC 10mg/L则，pH =10.8

10.8浊度（NTU）0.60.40.2PAC 0mg/LPAC 10mg/LPAC 20mg/L镉（mg/L）0.01PAC 20mg/L0.0050pH值910图2 不同pH值下镉的去除效果011pH值91011

结果表明：通过调节pH值，可以达到良好的除镉效果；在只调节pH值、不投加混凝剂时，由于水中共存离子的存在，出水镉达标的实际pH值略低于理论值，出水镉浓度随pH值的增加快速降低，在pH值为11时，出水镉浓度为0.002mg/L，但由于溶解态镉转换成氢氧化镉沉淀，水中含有大量微细粒子，难以沉淀和过滤，导致最终出水浊度较高（在1NTU左右）；而投加PAC后，镉去除效果有明显的提高，在较低的pH值下即可达到良好的去除效果，投加10mg/LPAC且调节pH值＞9时，镉含量就在0.005mg/L以下，满足生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）的要求，但由图3可以看出，此时出水浊度仍在0.4NTU左右，高于现有工艺的滤后水浊度（0.3NTU，见文中2.2），这说明化学沉淀技术虽可以达到良好的除镉效果，但也会造成出水浊度的增加，需实施一定的强化混凝技术。在增加PAC投加量至20mg/L后，出水浊度降至0.2NTU以下，而镉的去除效果进一步提高，pH值＞9时出水镉浓度低于0.001mg/L，。

为确定化学沉淀与强化混凝联用技术所能处理的最大污染程度，在预调pH值至10，投加20mg/LPAC时，进行了如下实验（结果见表5）。

表5 联合技术对不同浓度镉的去除效果

原水Cd （mg/L） 出水Cd （mg/L） 去除率（%） 备注

0.132 99.6 ＜0.001 达标 0.176 0.001 99.4 达标 0.220 0.004 98.2 达标 0.264 0.006 97.7 超标

图3 不同pH值下浊度的去除效果- 4 -

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由表5可知，化学沉淀技术与强化混凝技术联合后可以处理的镉污染最大浓度在0.220~0.264mg/L之间，是现有工艺的最大处理浓度（0.022mg/L）的10倍。

4. 结论

通过本次实验，得出以下结论：

（1）突发性镉污染时，镉主要以溶解态形式存在，所占比例在60%以上；

（2）通过对浊度的去除，现有工艺可以有效的去除吸附态镉，但对溶解态镉的去除效果有限，导致了在原水镉浓度＞0.022mg/L时，现有工艺无法保证出水水质；

（3）混凝剂种类对镉的去除影响不大，铁盐和铝盐对镉的去除效果相当；优选混凝剂投加量可以提高除镉效果，在投加20mg/LPAC时，镉的去除率在85%左右；

（4）化学沉淀技术对镉有良好的去除效果，但会导致出水浊度的增加，与强化混凝联用后，镉的去除效果进一步提高，在预调pH值至10，投加20 mg/LPAC时，镉的去处率可达97.7%以上，最大可处理浓度提高至0.220mg/L~0.264mg/L。

参考文献

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周克梅,陈卫,单国平等.南京长江水源地污染预测及应对措施研究[J].给水排水，2007,33(8):36-39 张自杰.废水处理理论与设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2002

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):6~12 USEPA. Technical Factsheet on: CADMIUM，1995

崔福义.城市给水厂应对突发性水源水质污染技术措施的思考.给水排水[J],2006,32(7):7-9

张景成,沈志恒,李圭白.混凝法去除水中重金属的机理探讨[J].哈尔滨建筑大学学报,1996,29(5):54-58

Study on Emergency Drinking Water Treatment to

Accidental Water pollution by Cadmium

Gao Zhongfang，Chen Wei，Lin Tao，Wang Xu

College of Environmental Science and Engineering，Hohai University，Nanjing （210098） Abstract

The existing forms of Cadmium (Cd) under accidental water pollution by Cd was analyzed, and the removal effects of the enhanced coagulation and chemical precipitation process were studied. The results indicated that, the dissolved Cd which accounted for above 60% of the total Cd deserved attention under accidental water pollution by Cd; The adsorbed Cd could be removed efficiently under the existing process, while the removal efficiency of the dissolved Cd was poor; By optimizing the coagulant dosage to 20mg/L, the removal efficiency of Cd could be improved to 85%.The chemical precipitation process had a good treatment effect on Cd, which would bring the increase of the turbidity. Combined with the enhanced coagulation process, the treatment effects were further improved: the removal rates were above 97.7%, and the maximum concentration that can be treated was 220mg/L~264mg/L. It was concluded that, by adjusting the coagulant dosage and the pH value appropriately, the desirable treatment performance would be achieved.

Keywords: Accidental Water Pollution, Cadmium, Emergency Treatment, Enhanced Coagulation, Chemical Precipitation

作者简介：高中方（1983-），男，江苏徐州人，研究方向为水处理理论与技术。

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