铁盐絮凝法治理阳宗海砷污染的效果及含砷沉积物的稳定性研究

发布时间：2020-06-13 07:32

【摘要】：近年来,天然水体砷污染已成为一个严重的全球性环境污染问题,引起了世界各国科学家的广泛关注。砷(As)和含砷化合物具有高毒性、致病性、致癌性与致畸性,会对人类身心健康和环境生态安全造成极大的危害。2008年6月,云南阳宗海湖水中的砷浓度出现异常上升,9月16日,已高达0.128 mg L-1,水质从连续6年一直保持的Ⅱ类下降为劣V类,清澈的湖水被大量高砷污染物在短时间内快速污染。若砷污染物得不到有效控制与去除,不仅破坏阳宗海生态系统整体性功能,而且影响周边人民群众的正常生产与生活,阻碍阳宗海流域的社会经济快速发展。基于此,本论文在文献查阅和实验探索的基础上,使用FeCl3絮凝法对阳宗海湖水和泉涌水中的As进行了去除研究,采用单级或逐级提取法对Fe-As共沉淀物进行了稳定性研究,通过现代仪器分析手段对Fe-As共沉淀物的形貌、组成及物相转化进行了研究。同时,还对湖水中As(Ⅲ)形态转化规律进行了探究。论文的主要内容如下:1.阳宗海属大型天然高原湖泊。湖水中总As浓度不高,但As(Ⅱ)与As(Ⅴ)共存。现有除砷技术中需先对As(Ⅲ)进行预氧化,不仅使工艺复杂化、成本大幅提高,而且对湖体生态安全也增加了新的风险。针对此实际情况,本文在不加任何背景电解质的条件下,考察了 FeCl3对弱碱性(pH 8.5)去离子水体系中低浓度As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、混合As(Ⅲ)/As(Ⅴ)的去除效果及共存离子的影响。结果表明,FeCl3絮凝法除As属快速反应,5 min内即可使体系中的大部分As污染物去除,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、混合As的去除率分别可达89.2%、99.3%、93.4%。若提高FeCl3用量,As(Ⅲ)的去除率亦可升高至99.4%。反应动力学研究表明无定型Fe(OH)3对体系中As的吸附均遵循准二级动力学方程,吸附过程属于化学吸附。HC03-、Ca2+、S042-等主要干扰离子对低浓度As的去除率影响甚微,而且HC03-对体系的pH变化还起着稳定化作用。2.阳宗海蓄水量为6.04亿m3,除砷技术的难点之一是不可能对如此大容量水体的pH进行预调节。本文突破现有除砷技术中需预调节pH的观点,使用FeCl3直接对阳宗海湖水及岸边3#泉涌水中的As进行了去除研究,并通过BET、TEM、SEM、XPS等分析手段,对Fe-As共沉淀物进行了性质、形貌、组成及价态等方面的研究。结果表明,FeCl3絮凝法对湖水和3#泉涌水的除砷率分别可达95.0%、98.0%以上,残余As浓度均低于0.050 mg L-1,满足地表Ⅰ～Ⅲ类水质标准对As的要求。同时研究还发现,FeCl3用量与初始As浓度对Fe-As共沉淀物中每克Fe固持As量呈负相关。逐级吸附研究表明Fe(OH)3对湖水中As的吸附能力随级数的增加而逐渐下降,对As的吸附能很好地用Langmuir模型拟合,相关系数R20.99,说明Fe(OH)3吸附As过程遵循单分子层吸附模式。Fe(OH)3胶粒通过胶体化学作用使湖水中的As与胶粒表面的活性基团(-OH)发生络合作用生成稳定的Fe-As共沉淀物。3.本文将FeCl3絮凝法除砷技术在阳宗海湖体中进行了扩大化试验研究,并对湖水pH、铁浓度、氯浓度、浮游植物的物种变化以及砷浓度的空间分布等相关问题进行了讨论。结果表明,FeCl3絮凝法具有除砷率高、操作简单、成本低廉、生态安全等优点。FeCl3絮凝法使全湖砷浓度从2009年11月的0.117 mg L-1下降至2010年9月的0.021 mg L-1,达到地表Ⅰ～Ⅲ类水质的标准要求。除砷过程中形成的大量Fe(OH)3沉降至湖底后对湖水中的As仍具有吸附效果。此外,FeCl3絮凝法并没有引起湖水pH的变化,残余铁浓度和氯浓度均低于生活饮用水的国标允许值,对浮游植物的生态没有造成影响。阳宗海内强烈的风生环流动力促使全湖砷浓度在垂向和平面上基本呈均匀分布状态。4.阳宗海湖水中的As通过FeCl3絮凝法进入底泥沉积物后,若遇湖水的介质性质,如Eh、pH等发生大幅改变,沉积物中的As可能会重新释放进入水体,引起“二次污染”。因此,Fe-As共沉淀物能否在湖底稳定存在是一个非常重要的问题。本文通过浸泡法、单级或逐级提取法对Fe-As共沉淀物的稳定性、As的形态及分布进行了研究,并利用地累积指数(Igeo)法对底泥中的As污染情况进行了评价。结果表明,Fe-As共沉淀物不仅可以在湖水中长期稳定存在,而且在底泥中也相当稳定,0～2 cm层中易迁移的水溶态和离子交换态之和仅占0.3%,难迁移的残渣态占68.5%,对湖底的生态影响甚微。底泥沉积物中的As随深度增加而降低,大部分区域的Igeo达到2级,属中等污染,基本不会对湖体构成威胁。5.采用TEM和XRD分析手段,对Fe-As共沉淀物中Fe、As的形态转化进行了研究。结果表明,Fe(OH)3胶团凝聚时把许多含As离子或分子通过网捕效应包裹在凝聚体内,形成絮状沉淀物,且As的存在阻止了无定型Fe(OH)3向针铁矿相和赤铁矿相的转化。在湖水水质相对稳定的情况下,含有Fe-O-As键的内轨型配合物可以长期稳定地存在于底泥沉积物中。6.在扩大化试验研究中发现,水体中的As(Ⅲ)有向As(V)转化的趋势。为此,本文通过现场调查取样分析,开展了湖水中As(Ⅲ)的形态转化规律的相关研究。结果表明,随着时间的推移,湖水中As(Ⅲ)所占的比例逐年减少,As(V)比例逐年增加,2014年4月时As(Ⅲ)仅占2%,2015年5月时几乎全部转化为As(Ⅴ)。阳宗海湖水具有氧化性和弱碱性,As(Ⅲ)在高原强紫外线的照射下被O2缓慢氧化为As(V),既降低了 As(Ⅲ)对水生生物的毒性,又为FeCl3絮凝法除As创造了有利的自然条件。
【图文】：

关系图,常温,关系图,交界面

Ｆｉｇ．邋１．１．邋Ｔｈｅ邋Ｅｈ－ｐＨ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ａｒｓｅｎｉｃ邋ａｔ邋２５°Ｃ逡逑云南阳宗海位于云贵高原喀斯特地貌区域，地下水的溶蚀作用使得水体中逡逑ＨＣ０３？含量很高，ｐＨ呈弱碱性。根据Ａｓ的Ｅｈ－ｐＨ关系图Ｍ邋（图１．１）所知，湖水逡逑中的Ａｓ主要以Ａｓ（ＩＩＩ）和Ａｓ（Ｖ）两种形态存在，所占质量分数依次为２１．７％、逡逑７８．３％１２６】。逡逑因此，在河湖天然水体中，受表层的水、气交界面和底层的固、液交界面逡逑Ｅｈ值的影响，砷的存在形式及各自所占比例会随着水体的混合、扩散及生物活动逡逑程度不同而处于不断变化中。逡逑５逡逑

絮凝法,不同价态,总砷,阳宗海

对阳宗海砷污染进行絮凝法治理。逡逑３．２邋ＦｅＣｂ絮凝法除Ａｓ的反应动力学模型逡逑在２５°Ｃ下，不同价态Ａｓ平衡吸附量随时间变化的结果见图２．２。逡逑４１逡逑
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X524

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