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        Fe0-PRB技術(shù)在礦區(qū)廢水修復(fù)中的效果研究

        2021-05-21 09:20:54楊湘智
        中國金屬通報 2021年5期
        關(guān)鍵詞:礦區(qū)廢水重金屬

        任 貝,苗 竹,楊湘智

        (1.北京高能時代環(huán)境技術(shù)股份有限公司,北京 100095;2.浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司,浙江 杭州 310000)

        滲透性反應(yīng)墻(PRB)是一種被動的廢水修復(fù)技術(shù),PRB技術(shù)是指在地下安裝活性材料墻體以便攔截污染物羽狀體,使污染羽狀體通過反應(yīng)介質(zhì)后,其污染物能轉(zhuǎn)化為環(huán)境接受的另一種形式,從而實現(xiàn)使污染物濃度達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)[1]。常見的礦區(qū)廢水修復(fù)思路是改變鉻的形態(tài),將高毒性、高遷移性的重金屬物質(zhì)還原成毒性較低,遷移能力較差的物質(zhì),降低生物可利用性,消除環(huán)境風(fēng)險。Fe0作為一種還原材料,廉價易得,反應(yīng)活性高[4],可以有效去除礦區(qū)廢水中的重金屬物質(zhì)[5,6],因此本研究以礦區(qū)廢水為對象,研究Fe0-PRB對其修復(fù)的效果及其影響因素。

        1 試驗

        1.1 試驗裝置

        本試驗裝置由玻璃瓶、回旋振蕩器、儲液槽、蠕動泵、PRB模擬柱、取樣燒杯等構(gòu)成。PRB模擬柱柱長35cm,內(nèi)徑5cm,柱體總長=35.5cm,側(cè)面每隔10cm設(shè)置1個取樣口,頂部1個取樣口,共4個取樣口。

        1.2 試驗材料與方法

        鐵屑(2mm~4mm),柱狀活性炭(1cm~1.5cm)、石英砂(2mm~4mm)、重鉻酸鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀、硝酸鉀等相關(guān)分析試劑。鐵屑使用前采用0.1 mol/L的鹽酸進(jìn)行酸洗預(yù)處理,之后用去離子水洗去表面殘留酸,直至洗滌液為中性。為模擬礦區(qū)廢水的化學(xué)條件,在上述溶液中分別添加氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀、硝酸鉀等離子,參考礦區(qū)廢水污染現(xiàn)狀設(shè)置合理的濃度梯度開展試驗。

        1.3 分析方法

        根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版),采用二苯碳酰二肼分光光度法。

        1.4 試驗設(shè)計

        1.4.1 反應(yīng)動力學(xué)試驗設(shè)計

        試驗設(shè)計由鐵、活性炭和石英砂組成的8組不同材料配比的靜態(tài)試驗,混合成后的反應(yīng)材料50g,置于反應(yīng)瓶中,加入300ml六價鉻溶液(50mg/L),于振蕩器上以160rpm轉(zhuǎn)速振蕩,在不同時間取樣,分析水中剩余重金屬污染物的濃度,研究反應(yīng)材料對重金屬污染物的修復(fù)效果。

        1.4.2 離子強(qiáng)度試驗設(shè)計

        根據(jù)前一階段實驗,確定最佳反應(yīng)材料配比,在反應(yīng)瓶中模擬礦區(qū)廢水環(huán)境,配置含重金屬污染物溶液濃度為25mg/L,向反應(yīng)體系中引入離子強(qiáng)度為0.1mM的Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-,對比分析反應(yīng)過程中重金屬污染物的變化趨勢及規(guī)律。

        1.4.3 PRB柱試驗設(shè)計

        填充介質(zhì)根據(jù)最佳反應(yīng)材料配比,由蠕動泵注入25mg/L的廢水,模擬地下水流速0.9m/d,定期取樣檢測出水口廢水濃度。根據(jù)取樣檢測結(jié)果,定期采用鹽酸重洗模擬柱,對反應(yīng)材料進(jìn)行活化[2,3]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 反應(yīng)動力學(xué)試驗結(jié)果

        選用50mg/L的廢水作為研究對象,靜態(tài)試驗反應(yīng)材料配比如下:

        表1 填料配比

        分 別 于0、30、120、180、240、300、360、420、480、1440min取樣分析重金屬污染物的濃度變化,實驗結(jié)果如下:

        圖1 污染物隨時間變化曲線

        從上述圖中中可以看出,影響廢水去除率的因素為反應(yīng)體系中的鐵鉻比例,F(xiàn)e0/Cr越大,反應(yīng)速率越快,污染物去除率越高。

        針對反應(yīng)過程中廢水濃度變化進(jìn)行一級動力學(xué)擬合,擬合結(jié)果見圖2和表2。

        圖2 一級動力學(xué)擬合

        表2 擬合參數(shù)

        從圖2和表2中可以看出,F(xiàn)e0與礦區(qū)廢水中重金屬污染物的反應(yīng)符合一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律,在廢水初始濃度相同時,F(xiàn)e0添加量越大,反應(yīng)速率越快。添加活性炭可以一定程度上加快反應(yīng)速率,4號相對6號反應(yīng)速率增加24.6%,7號相對于6號反應(yīng)速率增加約為38.9%。

        2.2 離子強(qiáng)度試驗結(jié)果

        根據(jù)前一階段實驗,確定反應(yīng)材料配比為Fe0:活性炭:石英砂為4:1:5,在反應(yīng)瓶中模擬地下水環(huán)境,配置廢水污染濃度為20mg/L,向反應(yīng)體系中引入離子強(qiáng)度為0.1mM的Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-。將反應(yīng)瓶置于回旋振蕩器上以160rmp速率震蕩,定時取樣分析廢水濃度變化,重復(fù)三次。具體實驗參數(shù)如表3。

        表3 反應(yīng)體系參數(shù)

        反應(yīng)過程中廢水濃度隨時間變化趨勢如下圖:(圖3)

        反應(yīng)體系中添加KCl后,廢水中重金屬物質(zhì)去除速率明顯增加,可以得出Cl-對重金屬物質(zhì)還原有明顯促進(jìn)作用,其作用機(jī)理是由于Cl-對Fe有一定的腐蝕作用,在溶液中發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng),促進(jìn)反應(yīng)體系中生成Fe2+,加速了重金屬污染物的去除效率。

        反應(yīng)體系中添加MgCl2后對反應(yīng)效果有明顯的抑制作用,可以得出Mg2+的存在會抑制金屬物質(zhì)的還原,其作用原理Mg2+在水中水解,生成Mg(OH)2以膠體形式存在,在反應(yīng)過程中附著于Fe0表面阻礙反應(yīng)進(jìn)行。

        反應(yīng)體系中添加CaCl2,初期對反應(yīng)有促進(jìn)作用,但效果弱于KCl,說明反應(yīng)體系中Cl-對反應(yīng)起到了促進(jìn)作用,但受到Ca2+的抑制,后期促進(jìn)作用減弱,說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)材料活性不斷消耗,Ca2+的抑制效果逐漸占主導(dǎo)地位。

        圖3 三次反應(yīng)廢水濃度隨時間變化

        2.3 PRB柱模擬試驗結(jié)果

        采用柱長35cm,內(nèi)徑5cm的有機(jī)玻璃柱進(jìn)行PRB模擬,反應(yīng)材料配比為Fe0:活性炭:石英砂為4:1:5,反應(yīng)材料填充后,柱體體積為980mL,孔隙率為0.363,模擬礦區(qū)廢水的流速為0.9m/d。

        圖4 PRB柱模擬試驗出水Cr(VI)變化規(guī)律

        設(shè)本試驗PRB柱的空隙體積355mL=PV,則本組實驗共注入Cr(VI)污染地下水482PV,過程中經(jīng)通電、酸洗等措施。模擬柱通入24PVCr(VI)污染水后,出口開始檢出Cr(VI),隨后濃度迅速升高,反應(yīng)填料失效[7-10]。

        由圖可知,采用電流無法恢復(fù)反應(yīng)材料中Fe0的活性,第一次通電,由于進(jìn)口端為負(fù)極,可以提供電子,電極附近為還原環(huán)境,部分礦區(qū)廢水中金屬物質(zhì)被電化學(xué)還原,其余在模擬柱中被低活性的Fe0還原。

        本階段酸洗實驗取得良好的重復(fù)性,說明采用HCl重洗PRB可以有效恢復(fù)反應(yīng)填料的活性。

        3 結(jié)論及建議

        (1)通過試驗表明Cl-的存在對反應(yīng)起到明顯的促進(jìn)作用,Ca2+、Mg2+的存在對反應(yīng)有一定的抑制作用,其中Mg2+的抑制作用尤為明顯,NO3-的存在對反應(yīng)效果影響不大。在PRB運行過程中需進(jìn)行動態(tài)檢測,觀察反應(yīng)墻填料活性變化趨勢,并采取相應(yīng)的維護(hù)措施。

        (2)通過PRB柱模擬試驗發(fā)現(xiàn),PRB運行一段時間后,反應(yīng)活性會降低,其原因是在Fe0表面形成氧化膜等物質(zhì),阻礙反應(yīng)發(fā)生??梢允褂盟釠_洗,對反應(yīng)材料進(jìn)行活化,沖洗量與Fe0含量正相關(guān)。

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