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'器环境保护工程EnvironmentalProtectionEngineering两种典型污水处理工艺中痕量重金属迁移规律研究陈丽茹‘，范功端1一，康得军(1．福州大学土木T程学院，福建福州350108：2．福州城建设计研究院有限公司，福建福州350001)摘要：为揭示城市污水中痕量重金属在污水生物处理过程巾的迁移和去除规律．笔者以福州市两个典型的污水处理厂为研究对象．研究了，污水处理过程巾Ni、Cu、cd、Hg、Pb5种痕量重金属的含量、分布、迁移和去除规律。结果表明：①两污水处理厂进水中各重金属指标含量均较低，出水均能达到GB18918—2002一级B标准：②污水处理厂I所采用的CASST艺对Ni、cd、Hg、Pb的去除率分别为49．00％、3．13％、59．46％、9．69％，总去除率大小顺序为Hg>Ni>Pb>Cd；(9污水处理厂Ⅱ所采用的刖O工艺对Ni、Cu、Cd、Pb的去除率分别为53．02％、38．24％、82．96％、75．63％，总去除率大小顺序为Cd>Pb>Ni>Cu，相比CASST艺，去除效果较好；④CASSTI艺每日可处理Ni、cd、Hg、Pb的质量分别为0．1605、0．0010、0．0220、0．0125kg；A／O工艺每日可处理Ni、Cu、Cd、Pb的质量分别为0．1725、0．0788、0．0750、0．5835kg，日处理能力较高。关键词：痕量重金属；CASST岂：A／O3-．艺；迁移规律；去除率中图分类号：X703．1文献标志码：A文章编号：1009—7767(2016)01—0104—05InvestigationoftheMigrationLawofTraceHeavyMetalinTwoTypicalSewageTreatmentProcessesChenLirul，FanGongduanl一，KangDejunl(1．CollegeofCivilEngineering，FuzhouUniversity，Fuzhou350108，China；2．FuzhouUrbanConstructionDesignandResearchInstituteCo．Ltd．，Fuzhou350001，China)Abstract：TwotypicalsewagetreatmentplantsinFuzhouwereselectedastheresearchobjectforrevealthemigrationandremovallawofthetraceheavymetalsinbiologicalsewagetreatmentprocess，inwhichthecontent，distribution，mi．grationandremovallawoffivekindsoftraceheavymetalsincludeNi，Cu，Cd，HgandPbwereinvestigated．Theresultsshowedthat：1)Theheavymetalsindexvalueoftheinfluentwateroftwoplantswererelativelysmall．andtheeffluentwerereachedthegradeBoftheChinanationalwaterqualitystandard(GBl8918—2002)；2)TheheavymetalsremovalefficiencyofNi，Cd，HgandPbwereasfollows：49．00％，3．13％，59．46％，9．69％byusedofCASSprocessinplantI，andtheOI‘deroftherenlovalrateiSHg>Ni>Pb>Cd．TheCASSprocesswasinvalidforremovalofCu：3)TheA／OprocessusedinplantⅡgotanotherresult，IheheavymetalsremovalefcieneyofNi，Cu，CdandPbwereasfollows：53．02％，38．24％，82．96％，75．63％，antItheorderoftheremovalrateiSCd>Pb>Ni>Cu．whichwasmoreeffectivethantheCASSprocess，butwasinvalidforremovalofHg；4)ThedailytreatmentcapacitiesofNi，Cd，HgandPbbyCASSprocesswere0．1605，0．00l0，0．0220and0．0125kg，respectively；forA／Oprocess，theycouldachieve0．1725，0．0788，0．0750an(10．5835kg，respectively，whichwashigherthantheCASSprocess．Keywords：traceheavymetal；CASSprocess；A／Oprocess；migrationlaw；removalefficiency随着我围经济的高速发展及生产工业化进程的加快，化工、造纸、纺织、电镀、印染和化纤等行业产生大量含重金属的废水，造成水体重金属污染严重。极大地影响着社会及人类的健康和发展【lI。在人们生活和生产过程巾．会排放大量的生活污水和工业废水，其中104啼荭投木2016No．1(Jan．)V01．34包括各种有毒有害污染物【2】，尤其是含量低、毒性高的痕量重金属。不同于有机污染物，重金属是不可生物降解的，往往可以在生物体内富集，且许多重金属离子具有高度的危害性、顽固性、累积性、隐蔽性、持久性和不可逆转性等特点【3I，对水生生态及人体健康构成 极大的威胁141。污水中的重金属能否被有效去除，以免水体受污染成为人们高度关注的问题。城市污水大部分集中到污水处理厂处理。不同的处理工艺对重金属的去除效果不同，去除机理也不同【5I。因此，典型污水处理工艺中重金属迁移规律的研究成为当前的热点。笔者选择福州市采用CASS处理工艺的污水处理厂I和采用刖O处理工艺的污水处理厂Ⅱ为研究对象，通过对水样中痕量重金属Hg、Pb、Ni、Cu、Cd含量的检测分析．得出痕量重金属在两典型污水处理工艺各工艺单元的去除效果和迁移转化规律．以期为污水处理工艺提高痕量重金属去除效果的升级改造提供技术支撑。1试验装置与方法1．1试剂与仪器该试验所用到的主要试剂为硝酸(分析纯和优级纯，西陇化工股份有限公司)，用于调节水样的pH值。所用到的主要仪器有7700x型电感耦合等离子体质谱仪(ICP—MS，安捷伦科技有限公司)，电子天平(FA2004N，上海精密仪器有限公司)，离心机(TDL一5，上海安亭科学仪器厂)，超纯水机(ABY一1001一M，艾科浦公司)。1．2水样采集污水处理厂I目前处理能力可达5万m3／d．占地面积5．82hm2：采用集脱氮除磷功能于一体的CASS工艺，出水经紫外线消毒后排入高岐河，经过约4km后流入闽江，具体工艺流程见图1二综合考虑设置如下取样点：I)闸门井；2)细格栅出水；3)沉砂池出水；4)CASS进水；5)CASS曝气池；6)消毒池出水。图1污水处理厂I工艺流程罔污水处理厂Ⅱ目前总处理规模达7．5万mVd，最高可达8．5万mVd。该厂采用单级前置反消化A／O工艺，同时，该工艺具有脱氮除磷功能，具体工艺流程见图2。综合考虑设置如下取样点：1)细格栅出水；2)沉砂池出水；3)回流污泥；4)A／O池出水；5)二沉池出水；6)消毒池出水。环境保护工程器EnvironmentalProtectionEngineering图2污水处理厂Ⅱ丁艺流程罔1．3试验方法水样取回后在5000r／min下离心30min．取上清液用0．45斗m微孔滤膜过滤，然后用硝酸酸化至pH值为l～2，于4℃下保存并用7700x型电感耦合等离子体质谱仪进行检测。2结果与讨论7700x型电感耦合等离子体质谱仪采用内标法进行标准溶液和样品的检测，测得的各元素标准溶液的相关系数均可达到0．9999以上。2．1污水处理厂I检测结果与分析试验期间，该厂进水中BOD，、CODmSS质量浓度均较低，分别为40．7～56、10l～174、72～127mg／L，属于较典型的低浓度城市污水。此外，进水中NH4+-N、TN、TP等营养元素的质量浓度分别为18．5～36．9、23．1～39．4、1．83～4．95mg／L．含量相对较高，说明该厂收集的污水以生活污水为主．生产废水相对很少。进水中SS质量浓度变化相对较大．其主要原因可能是春季雨量较大，进水中地表径流所占比例增大而造成的。经CASS工艺处理后出水中BOD5、COD。j、SS、NH4+-N、TN、TP的质量浓度分别为3．95～5．48、20～34、7～9、0．5864．96、11．4～17．3、O．533～O．894mg／L，所有指标均低于GB18918--2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准规定的相应最高允许排放质量浓度。2．1．1重金属去除情况陔厂进、出水中重金属的质量浓度及其去除情况，见表1。污水中重金属离子的含量主要取决于污水的来源，由于该厂收集的污水主要为生活污水，因此污水中Ni、Cu、Cd、Hg、Pb5种重金属的含量普遍较低。处理后出水中各重金属离子的质量浓度均低于GB18918—2002{城镇污水处理厂污染物排放标准》中相应的最高允许排放质量浓度。由试验测得的数据显示．CASS_丁艺对Cu非但没有去除作用．反而导致Cu溶解析出，致使Cu的质量20164t1期(1一)第34卷辛荭故木105 器环境保护工程EnvironmentalProtectionEngineering表l污水处理厂I进、出水中重金属的质量浓度及其去除率浓度有所上升。这可能与污泥浓度、污泥泥龄、生物浓度、污水pH值以及有机负荷等影响因素有关[61。此外，陔厂收集的污水中重金属离子的质量浓度普遍很低也是影响污水处理工艺对各重金属离子去除效果的冈素之一：Chipasal7l研究发现，当城市污水处理厂进水中Pb的质量浓度低于0．05mg／L时，Pb的去除率会大大降低；而在该试验中，Pb的质量浓度远远低于O．05mg／L．因此导致该厂对Pb的去除率仅为9．69％，2．1．2各工段重金属的分布规律为了直观地看出重金属在各处理构筑物中的存在情况以及变化趋势，将各重金属的平均质量浓度用冈3和图4表示。从图中可以看出不同构筑物中Ni、Cu、Cd、Hg、Pb的含量各不相同，继而推测出不同处理构筑物中各重金属离子的分布情况不同。且各处理单元对Ni、Cu、Cd、Hg、Pb的去除率也不同。12j10耋s商6盏。瞧20舭L山．一燃cAss进．}洌门口细格栅出水盖38赛：卷：CuCdHg重金属h瑚．h．L．∽I』．闸门井细格栅沉砂池CASS消毒池出水进水曝气池出水取样点图4同一取样点中不同重金属的分布情况图3显示了同一重金属在不同取样点的分布情况．106啼荭投求2016No．1(Jan．)V01．34从图中可以清晰地看出，Ni在各处理构筑物中的质量浓度较高，其次是Cu和Pb，Cd和Hg的质量浓度相对较低，说明整个处理过程以Ni的去除为主。图4显示了同一取样点中不同重金属的分布情况。细格栅出水中．Pb含量几乎不变，而Cu有所去除；沉砂池出水中，Hg大量析出，致使Hg的质量浓度大幅度升高；在CASS进水中，Hg得到较好的去除，而Cu却有所析出；在CASS曝气池内，5种重金属的质量浓度均有增大的趋势。2．1．3各工段重金属的去除情况在该污水处理工艺中，粗格栅、细格栅、沉砂池均属于一级处理单元，其主要作用是通过截留、吸附、沉淀等去除污水中粗大的悬浮物及颗粒，同时通过吸附作用去除污水中的部分重金属离子。CASS曝气池属于二级处理单元，其主要作用是通过活性污泥的表面吸附和胞内吸附等作用与重金属离子结合从而去除重金属离子。对试验检测所得的数据进行分析．得出表2～4结果。表2细格栅中重金属去除率表4CASS曝气池中重金属去除率从表2"--4可以看出，对于Ni，去除效果主要体现在沉砂池和CASS曝气池，其中以CASS曝气池的生物吸附效果为主；对于Cu和Cd，只在细格栅内得到一定的去除，说明细格栅的物理吸附能够对Cu和Cd起到作用；对于Hg，细格栅和CASS曝气池去除效果均较明显，且是5种重金属中去除效果最好的；对于Pb．只 在细格栅和沉砂池中得到少量去除，．2．2污水处理厂Ⅱ检测结果与分析该厂历年进水中BOD5、CODh、SS、NH4+-N、TP的质量浓度范围分别为40～90、110～210、100～170、10～30、2．2～3．0mg／L；其中某日瞬时进水中BOD，、CODcr、SS、NH4"-N、TN、TP的质量浓度分别为73．40、194．0、1l1、14．30、22．30、2．3601119／L，均在低浓度城市污水各项水质指标范同内．因此也属于典型的低浓度城市污水该厂自1997年运行以来，进厂污水以生活污水为主，也有小部分啤酒厂和味精厂所排f{{的T业废水，后因啤酒厂和味精厂的搬迁，致使该厂所处理的污水几乎为生活污水，冈此各水质指标质量浓度均较低；同时，该厂取消了初沉池，以满足后期生物处理过程对有机物的需求．2．2．1重金属去除情况不同处理工段重金属去除率，见表5一从表5|1r以看出，该污水处理工艺对Cd和Pb去除效果较好：其次是Ni和Cu；对于Hg，该处理工艺不但没有起到去除效果，反而溶解析出了Hg离子，致使污水中Hg离子含量增加。整体上，A／O工艺对重金属的去除效果较为理想一表5不同处理工段重金属去除率％从表5还可以看出。各构筑物对重金属均有一定的去除作用：沉砂池的物理沉淀作用对Cd和Pb的去除效果非常明显，说明大部分的Cd和Pb都能够在沉砂池中得到去除．即沉砂池的物理沉淀作用是Cd和Pb的主要去除机理．在A／O池中，污泥回流比R=66％，计算所得各重金属去除效果最好的是Cu，其次是Ph、Cd和Ni，说明活性污泥颗粒的吸附、沉淀作用对这4种重金属都有一定的去除效果，仅对Hg没有去除效果：二沉池仅对Ni和Cd的去除有贡献。消毒池对Ni、Cu、Cd和Hg都有较明显的去除效果，其中效果最好的是Cu。2．2．2各工段重金属的分布规律通过试验测得各工段重金属质量浓度．见表6。从表6可以看出．在整个污水处理过程中，5种重金属质环境保护工程器EnvironmentalProtectionEngineering量浓度的变化范围均为l～lltxg／L，含量普遍较低．说明该污水处理厂所收集的污水中重金属污染不严重．表6各工段重金属质量浓度“g／图5显示了同一重金属在不同取样点的分布情况。J1J‘以很直观、明了地看出重金属在污水处理过程巾的质量浓度大小及其变化趋势。其中，Ni、Cu、Hg和Pb的质量浓度相对较高．而Cd的质量浓度相对较低。羲◆寨CuCdHg藿金属罔5旧一重金属在不同取样点的分布情况3两污水处理厂对重金属去除情况对比分析3．1对重金属去除率分析对比两污水处理厂对Ni、Cu、Cd、Hg、P1)的总去除率，结果如图6所示。从图6可以看出，两污水处理厂对Ni、Cd、Pb都有一定的去除率，两污水处理厂对Ni的去除率差不多，都在50％左右；对于Cd和Pb，A／O工艺去除效果很好，而CASS工艺则稍逊一点。此外，对于Cu，只有A／O工艺有去除贡献；对于Hg，只有CASS1二艺有去除贡献。整体来看，对这5种重金属的去除，A／O工艺的效果稍好一些。fr．门-|j，-．IIf们冰处卵厂“NI(：uCdHgPb重金属图6两污水处理厂对重金属去除率对比2016卑第1期(1一)第34蹇啼荭投木107帅阳加∞∞∞如加mo 器环境保护工程EnvironmentalProtectionEngineering3．2对重金属日处理能力的预测分别计算出两污水处理厂对Ni、Cu、Cd、Hg、Pb的13处理能力．结果见表7。表7两污水处理厂对各种重金属的日处理能力kg／从表7可以看出，相比CASS工艺，除了Hg，A／O工艺对其他4种重金属的日处理能力都较高。且去除率较高。研究还发现，污水处理厂对重金属的13处理能力直接与污水处理工艺对重金属的去除率有关。4结论1)两污水处理厂所收集的污水均以生活污水为主．各重金属的质量浓度均较低。CASS工艺进水中重金属的质量浓度在O～12txg／L之间，由高到低为Ni>Cu>PB>Hg>Cd．以Ni为主要重金属污染元素：A／O工艺进水巾重金属的质量浓度在l～llILLg／L之间，南高到低为Pb>Ni>Hg>Cu>Cd，除了Cd，其余4种重金属的质量浓度均较高。两厂均属于典型的低浓度城市污水．且出水均能达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。2)CASS工艺对Ni、Cd、Hg、Pb的去除率分别为49．00％、3．13％、59．46％、9．69％，总去除率大4,Jl瞑序为Hg>Ni>Pb>Cd，对Cu无去除。A／O工艺对Ni、Cu、Cd、Pb的去除率分别为53．02％、38．24％、82．96％、75．63％，总去除率大小顺序为Cd>Pb>Ni>Cu，对Hg无去除．相比CASS工艺，总体去除效果较好。3)通过计算预测分析，CASS工艺每13可处理Ni、Cd、Hg、Pb的质量分别为0．1605、0．00l0、0．0220、0．0125kg：A／O工艺每13可处理Ni、Cu、Cd、Pb的质量分别为0．1725、0．0788、0．0750、0．5835kg。相比CASS工艺，除了Hg，A／O工艺对各重金属的13处理能力均较高。圈参考文献：[1】HUANGZ，PANX，WUP，eta1．HeavymetalsinvegetablesandthehealthrisktopopulationinZhejiang，China[J]．Foodcontrol，2014，36(1)：248-252．[2】LIZ，MAZ，KUIJPTJ，eta1．Areviewofsoilheavymetalpoilu—lionfromminesinChina：Pollutionandhealthriskassessment[J]．ScienceoftheIotalenvironment，2014(468／469)：843—853．[3】FUF，WANGQ．Removalofheavymetalionsfromwastewaters：Areview【J】．Journalofenvironmentalmanagement，2011，92(3)：407-418．[4]AL-QODAHZ．Biosorptionofheavymetalionsfromaqueoussolutionsbyactivatedsludge[J]．Desalination，2006，196(1／2／3)：164-176．【5】WANGJ，HUANGCP，ALLENHE．Predictingmetalspatti—tioninginwastewatertreatmentplantinfluents[J]．Waterre—search，2006，40(7)：1333-1340．【6】6MODAKJM，NATARAJANKA．Biosorptionofmetalsusingnonlivingbiomass：Areview[J】．Mineralsandmetallurgicalprocessing，1995(12)：189—196．[7]CHIPASAKB．Accumulationandfateofselectedheavymetalsinabiologicalwastewatertreatmentsystem[J1．Wastemanage—ment．2003，23(2)：135一143．收稿日期：2015—09—10作者简介：陈丽茹，女，在读硕士研究生，主要从事水处理理论与技术研究。(上接第72页)因此．对于大跨度连续梁和连续刚构桥建议采用竖向预应力加直线布束组合的方式，通过调整竖向预应力的大小．来控制腹板主拉应力。但是，考虑到实际操作中要保证足值的竖向永存预应力很困难，常常导致竖向预应力的失效，最终难以发挥理论上的控制效果，故在设计中采用增设顶板下弯束来保证箱梁腹板斜截面的安全储备是可取的。对于跨度较小、梁高较低，竖向预应力很难保证的桥梁设计，可不设竖向预应力。纵向预应力采用直线束108．事荭投木2016No．1(Jan．)V01．34加腹板下弯束结合的方式，来控制腹板主拉应力。溺虱参考文献：[1】徐志成，姜风连．预应力混凝土连续梁式桥腹板开裂影响因素分析[J】．山东交通科技．2003(4)：43^45．『21巾交公路规划设计院．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：盯GD62—2004[SJ．北京：人民交通出版社，2004．[3】董毓利，混凝土非线性力学基础【M]．北京：中国建筑工业m版社。1997：89．收稿日期：2015—08—31作者简介：詹俊华，男．工程师，硕士，主要从事市政：【程桥梁设计工作．'