本發(fā)明涉及污水處理領(lǐng)域，具體涉及一種地下水重金屬去除裝置及工藝。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)以來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是礦產(chǎn)資源的開采和冶金等環(huán)節(jié)的不斷推進(jìn)，重金屬對(duì)礦區(qū)地下水的污染日益嚴(yán)重，污染程度不斷加劇，污染范圍逐年擴(kuò)大。礦區(qū)地下水重金屬污染物主要有pb、cr、as、ni、hg、cu、zn等，重金屬污染突發(fā)事件有一定的不可預(yù)見性和不可控制性，并對(duì)人民健康、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。國(guó)內(nèi)外很多專題文獻(xiàn)中都討論了重金屬去除過程的工程學(xué)問題以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)：氫氧化物沉淀方法簡(jiǎn)單，可以產(chǎn)生足夠低的重金屬濃度而被廣泛使用；吸附/吸收作用過程簡(jiǎn)單，但并不能總是提供充分的選擇性，其尾液需進(jìn)一步處理；電化學(xué)方法、膜分離技術(shù)和溶劑萃取總是被應(yīng)用于冶金制造等工業(yè)行業(yè)中，而不適用于相對(duì)稀釋的大量污染地下水。在突發(fā)性地下水重金屬污染事件中，根本消除其危害須使其重金屬濃度迅速降低到微克每升的水平，現(xiàn)有技術(shù)由于其局限性和成本較高而難以被接受。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種地下水重金屬去除裝置及工藝，可使重金屬濃度迅速降低到微克水平，實(shí)現(xiàn)重金屬達(dá)到99％的去除；增強(qiáng)重金屬的選擇性，提高了目標(biāo)重金屬的回收與利用效率，特別是pb等有毒有害物質(zhì)；進(jìn)一步降低處理成本，便于重金屬去除技術(shù)的進(jìn)一步推廣。
本發(fā)明第一方面提供了一種地下水重金屬去除裝置包括：依次連接的管式混合器、攪拌池、混合絮凝池、斜管沉淀池、離子交換反應(yīng)池、膜蒸餾反應(yīng)池；
所述管式混合器出口與攪拌池入口連通，所述攪拌池的出口與混合絮凝池內(nèi)的混合罐底部連通，所述混合絮凝池側(cè)壁底部開設(shè)有開口使混合絮凝池與斜管沉淀池內(nèi)部空間連通，所述斜管沉淀池側(cè)壁上部開設(shè)有開口使斜管沉淀池與離子交換反應(yīng)池內(nèi)部空間連通，所述離子交換反應(yīng)池池體內(nèi)部設(shè)置有離子交換樹脂單元，所述離子交換反應(yīng)池出口與膜蒸餾反應(yīng)池底部入口采用水管連通，所述膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置有蒸餾膜組件、加熱器，所述蒸餾膜組件與膜出水循環(huán)冷卻單元連接，所述膜出水循環(huán)冷卻單元包括與蒸餾膜組件出液口連接的出液管和與蒸餾膜組件回液口連接的回液管，所述出液管與第一抽吸泵連接，所述回液管與冷卻液循環(huán)泵、冷卻罐依次連接，所述出液管的出口與回液管、出水管入口連通。
本發(fā)明第二方面提供采用上述裝置的地下水重金屬去除工藝，步驟包括：將污水抽至管式混合器中被投加絮凝劑，再到攪拌池里混合均勻，然后在混合絮凝池中進(jìn)行絮凝反應(yīng)，形成較大顆粒絮體后進(jìn)入斜管沉淀池完成固液分離，上清液在離子交換反應(yīng)池中與離子交換樹脂單元進(jìn)行重金屬離子的吸附與交換后，出水進(jìn)入膜蒸餾反應(yīng)池，并在蒸餾膜組件里利用加熱裝置和膜出水循環(huán)冷卻單元形成的內(nèi)外溫差進(jìn)行膜蒸餾反應(yīng)，使水蒸氣從蒸餾膜組件外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)后經(jīng)出液管流出，流出的水一部分經(jīng)出水管流出，剩余部分的水流入冷卻罐后經(jīng)回液管進(jìn)入蒸餾膜組件內(nèi)側(cè)，控制膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)溫度45-55℃，冷卻罐內(nèi)溫度10-15℃。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(1)采用膜蒸餾和離子交換技術(shù)，利用蒸餾膜只允許水分子透過的特性和離子交換樹脂對(duì)重金屬的吸附性能，可以使重金屬濃度迅速降低到微克水平，實(shí)現(xiàn)重金屬99％的去除；通過絮凝將大顆粒絮體沉淀分離對(duì)污水進(jìn)行初步凈化，有利于后續(xù)離子交換中氨基酸樹脂對(duì)pb2+等重金屬離子的吸附效果及選擇性，提高吸附效率，延長(zhǎng)對(duì)氨基酸樹脂進(jìn)行脫附處理的處理周期，進(jìn)行離子交換處理后的污水進(jìn)行膜蒸餾的效率顯著提高，膜污染減緩明顯，各裝置之間相互配合，緊密聯(lián)系，污水處理效率相比于常規(guī)處理方式明顯提高，并實(shí)現(xiàn)重金屬99％的去除；(2)通過采用氨基酸樹脂，增強(qiáng)了離子交換樹脂去除重金屬的選擇性，進(jìn)一步提高了目標(biāo)重金屬的回收與利用；(3)通過對(duì)清潔能源的利用，并提高改性氨基酸樹脂重復(fù)利用率，進(jìn)一步降低和節(jié)約了成本。
附圖說明
圖1為本發(fā)明提供的地下水重金屬去除裝置示意圖；
其中，1為管式混合器、2為攪拌池、3為混合絮凝池、4為斜管沉淀池、41為擋板、42為斜板、43為斜管組、5為離子交換反應(yīng)池、51為離子交換樹脂單元、6為膜蒸餾反應(yīng)池、61為蒸餾膜組件、62為加熱器、63為反沖洗裝置、7為膜出水循環(huán)冷卻單元、71為出液管、72為回液管、73為第一抽吸泵、74為冷卻液循環(huán)泵、75為冷卻罐、8為出水管、9為溫度監(jiān)測(cè)儀、10為太陽(yáng)能熱源吸收裝置、11為第二抽吸泵、12為進(jìn)水泵、13為氣體抽吸泵，14為膜出水在線監(jiān)測(cè)管道。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明第一方面提供了一種地下水重金屬去除裝置包括：依次連接的管式混合器、攪拌池、混合絮凝池、斜管沉淀池、離子交換反應(yīng)池、膜蒸餾反應(yīng)池；
所述管式混合器出口與攪拌池入口連通，所述攪拌池的出口與混合絮凝池內(nèi)的混合罐底部連通，所述混合絮凝池側(cè)壁底部開設(shè)有開口使混合絮凝池與斜管沉淀池內(nèi)部空間連通，所述斜管沉淀池側(cè)壁上部開設(shè)有開口使斜管沉淀池與離子交換反應(yīng)池內(nèi)部空間連通，所述離子交換反應(yīng)池池體內(nèi)部設(shè)置有離子交換樹脂單元，所述離子交換反應(yīng)池出口與膜蒸餾反應(yīng)池底部入口采用水管連通，所述膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置有蒸餾膜組件、加熱器，所述蒸餾膜組件與膜出水循環(huán)冷卻單元連接，所述膜出水循環(huán)冷卻單元包括與蒸餾膜組件出液口連接的出液管和與蒸餾膜組件回液口連接的回液管，所述出液管與第一抽吸泵連接，所述回液管與冷卻液循環(huán)泵、冷卻罐依次連接，所述出液管的出口與回液管、出水管入口連通。
優(yōu)選的，所述蒸餾膜組件為板框式組件，蒸餾膜采用疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜。蒸餾膜兩側(cè)溶液不能通過疏水性膜(疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜)，但水蒸氣可以在該膜中通過其微孔孔隙進(jìn)行自由傳輸，分離效率高。
優(yōu)選的，所述膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)部位于蒸餾膜組件下方設(shè)置有反沖洗裝置。具體的，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，反沖洗裝置通過利用空氣來進(jìn)行膜面沖刷，間歇運(yùn)行，減緩膜污染。
優(yōu)選的，所述膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)部與溫度監(jiān)測(cè)儀連接，所述加熱器與太陽(yáng)能熱源吸收裝置連接。通過對(duì)太陽(yáng)能這一清潔能源的利用，降低了處理成本。通過設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)儀對(duì)膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)部溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)加熱裝置溫度和膜蒸餾生物反應(yīng)池內(nèi)溫度水溫差△t達(dá)到預(yù)定值時(shí)，循環(huán)泵將中央熱水器中的冷水輸入集熱器中，水被加熱后再回到反應(yīng)池中，使反應(yīng)池內(nèi)的水達(dá)到設(shè)定的溫度。
優(yōu)選的，所述離子交換樹脂單元采用氨基酸樹脂。
更加優(yōu)選的，所述離子交換反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置有兩組離子交換樹脂單元，一組運(yùn)行一組備用，所述離子交換樹脂單元為中空的腔體結(jié)構(gòu)，腔體外壁為6～8層離子交換樹脂層，每層厚度為0.3～0.5米，每組離子交換樹脂單元出口均與膜蒸餾反應(yīng)池入口采用水管連通，所述水管上設(shè)置有第二抽吸泵。
所述斜管沉淀池底部垂直于底面設(shè)置有擋板，所述擋板的上表面高于混合絮凝池側(cè)壁開口的上表面，擋板的靠近混合絮凝池的一側(cè)設(shè)置有一斜板，所述斜板與水平面的夾角為50-60°。
所述斜管沉淀池內(nèi)部位于擋板上方設(shè)置有斜管組，所述斜管組由長(zhǎng)度1-1.2m，傾斜角60°的多根斜管組成；所述斜管沉淀池內(nèi)底面為圓弧面。
優(yōu)選的，所述管式混合器入口與進(jìn)水泵連通，所述反沖洗裝置與氣體抽吸泵連接，所述出水管與膜出水在線監(jiān)測(cè)管道連接。
本發(fā)明第二方面提供了采用上述裝置的地下水重金屬去除工藝，步驟包括：將污水抽至管式混合器中被投加絮凝劑，再到攪拌池里混合均勻，然后在混合絮凝池中進(jìn)行絮凝反應(yīng)，形成較大顆粒絮體后進(jìn)入斜管沉淀池完成固液分離，上清液在離子交換反應(yīng)池中與離子交換樹脂單元進(jìn)行重金屬離子的吸附與交換后，出水進(jìn)入膜蒸餾反應(yīng)池，并在蒸餾膜組件里利用加熱裝置和膜出水循環(huán)冷卻單元形成的內(nèi)外溫差進(jìn)行膜蒸餾反應(yīng)，使水蒸氣從蒸餾膜組件外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)后經(jīng)出液管流出，流出的水一部分經(jīng)出水管流出，剩余部分的水流入冷卻罐后經(jīng)回液管進(jìn)入蒸餾膜組件內(nèi)側(cè)，控制膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)溫度45-55℃，冷卻罐內(nèi)溫度10-15℃。
下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種地下水重金屬去除裝置及工藝予以進(jìn)一步說明。下面描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
下述實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的實(shí)驗(yàn)材料如無特殊說明，均為市場(chǎng)購(gòu)買得到。
一種地下水重金屬去除裝置，包括：依次連接的管式混合器1、攪拌池2、混合絮凝池3、斜管沉淀池4、離子交換反應(yīng)池5、膜蒸餾反應(yīng)池6。
所述管式混合器1的入口與進(jìn)水管連接，所述進(jìn)水管與進(jìn)水泵12相連，所述管式混合器1出口與攪拌池2入口通過水管連通。所述攪拌池2內(nèi)頂部設(shè)置有機(jī)械攪拌器，所述攪拌池2底部的出口與混合絮凝池3內(nèi)的混合罐31底部通過水管連通。
所述混合絮凝池3側(cè)壁底部開設(shè)有開口使混合絮凝池3與斜管沉淀池4內(nèi)部空間連通。所述斜管沉淀池4底部垂直于底面設(shè)置有擋板41，所述擋板41的上表面高于混合絮凝池3側(cè)壁開口的上表面，擋板41的靠近混合絮凝池3的一側(cè)設(shè)置有一斜板42，所述斜板42與水平面的夾角為50-60°。所述擋板41、斜板42形成一推流區(qū)，使經(jīng)過的水流推至斜管沉淀池4內(nèi)上部與斜管組43接觸，所述斜管組43設(shè)置于斜管沉淀池4內(nèi)部且位于擋板41上方，所述斜管組43由長(zhǎng)度1-1.2m，傾斜角60°的多根斜管組成；所述斜管沉淀池4內(nèi)底面為圓弧面。所述斜管沉淀池4側(cè)壁上部開設(shè)有開口使斜管沉淀池4與離子交換反應(yīng)池5內(nèi)部空間連通。
所述離子交換反應(yīng)池5池體內(nèi)部設(shè)置有離子交換樹脂單元51，所述離子交換反應(yīng)池5內(nèi)設(shè)置有兩組離子交換樹脂單元a、b，一組運(yùn)行一組備用，所述離子交換樹脂單元51均為中空的腔體結(jié)構(gòu)，腔體外壁為6～8層離子交換樹脂層，所述離子交換樹脂51采用氨基酸樹脂，每層厚度為0.3～0.5米，每組離子交換樹脂單元51出口均與膜蒸餾反應(yīng)池6底部入口采用水管連通，所述水管上設(shè)置有第二抽吸泵11。
所述膜蒸餾反應(yīng)池6內(nèi)設(shè)置有蒸餾膜組件61、加熱器62、反沖洗裝置63。所述蒸餾膜組件6為板框式組件，蒸餾膜采用疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜，本實(shí)施例中采用疏水性氟乙烯pvdf膜。所述蒸餾膜組件61與膜出水循環(huán)冷卻單元7連接，所述膜出水循環(huán)冷卻單元7包括與蒸餾膜組件61出液口連接的出液管71和與蒸餾膜組件61回液口連接的回液管72，所述出液管71與第一抽吸泵73連接，所述回液管72與冷卻液循環(huán)泵74、冷卻罐75依次連接，所述出液管71的出口與回液管72、出水管8的入口連通，所述出水管8與膜出水在線監(jiān)測(cè)管道14連接。所述膜蒸餾反應(yīng)池6內(nèi)部位于蒸餾膜組件61下方設(shè)置有反沖洗裝置63，蒸餾膜組件61和反沖洗裝置63分別通過膜蒸餾反應(yīng)池6底部鋼架支撐來固定。具體的，反沖洗裝置63通過管線上的曝氣孔來對(duì)膜面進(jìn)行氣體沖洗，所述反沖洗裝置63與氣體抽吸泵13連接，間歇運(yùn)行，減緩膜污染。所述加熱器62與太陽(yáng)能熱源吸收裝置10連接，所述膜蒸餾反應(yīng)池6內(nèi)部與溫度監(jiān)測(cè)儀9連接。
基于上述裝置進(jìn)地下水重金屬去除，工藝步驟包括：
所述重金屬污染地下水經(jīng)進(jìn)水泵12進(jìn)入管道，并在管式混合器1里被投加絮凝劑(pac)，投加的混凝劑(pac)在攪拌池內(nèi)的機(jī)械攪拌器2的作用下與地下水迅速混合；迅速混合后的地下水通過連通管道從攪拌池2下端進(jìn)入絮凝反應(yīng)池3，在混合罐31的作用下由下至上，向四周流動(dòng)，形成較大顆粒絮體后從絮凝反應(yīng)池3底部由推流區(qū)進(jìn)入斜管沉淀池4；所述斜管43上部水深為0.5-1.0m，進(jìn)入沉淀池4的地下水通過斜管組43完成固液分離，地下水上清液通過矩形堰進(jìn)入離子交換反應(yīng)池5，其內(nèi)的離子交換樹脂單元51分為a、b兩組，一組運(yùn)行一組備用。所述離子交換樹脂單元51采用的改性氨基酸離子樹脂為一種改性樹脂，該樹脂具有對(duì)pb2+等吸附量可達(dá)0.5mol/g，且利用硝酸脫附率最高可達(dá)95％以上，可以重復(fù)使用，制備方法原料易得、成本低、反應(yīng)條件溫和、對(duì)環(huán)境無污染。地下水在改性氨基酸離子樹脂單元51內(nèi)完成重金屬離子的吸附與交換后經(jīng)第二抽吸泵11進(jìn)入膜蒸餾反應(yīng)池6，并在蒸餾膜組件61里利用太陽(yáng)能加熱器62和膜出水循環(huán)冷卻單元7形成的內(nèi)外溫差下實(shí)現(xiàn)膜蒸餾反應(yīng)，從而使水蒸氣從膜外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)，并通過第一抽吸泵73流出，流出的地下水一部分通過膜出水在線監(jiān)測(cè)管道14出水，一部分在冷卻循環(huán)泵74作用下進(jìn)入冷卻罐75，并流入蒸餾膜組件61內(nèi)側(cè)，從而保證了冷卻循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其中，太陽(yáng)能加熱裝置62(太陽(yáng)能集熱器)熱能+由太陽(yáng)能熱源吸收裝置10通過吸收太陽(yáng)能后提供；所述蒸餾膜反應(yīng)池6內(nèi)的環(huán)境溫度t維持在45-55℃，冷卻系統(tǒng)溫度t維持在10-15℃。蒸餾膜組件61采用疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜。所述太陽(yáng)能加熱器62采用溫差控制集熱原理，當(dāng)太陽(yáng)能熱源吸收裝置10吸收太陽(yáng)能輻射后，加熱器溫度上升，達(dá)到加熱器62溫度和膜蒸餾生物反應(yīng)池6溫度水溫差△t設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出指令，太陽(yáng)能集熱器內(nèi)部自帶循環(huán)泵將中央熱水器中的冷水輸入集熱器中，水被加熱后再回到膜蒸餾反應(yīng)池6中，使膜蒸餾反應(yīng)池6內(nèi)的水達(dá)到設(shè)定的溫度，所有這些過程均采用數(shù)字電腦自動(dòng)化控制模式。所述膜蒸餾系統(tǒng)，主要包括膜出水循環(huán)冷卻單元7、太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)和蒸餾膜組件61；它是一種低溫干餾過程，涉及水在汽相中的輸送；蒸餾膜兩側(cè)溶液不能通過疏水性膜(疏水性氟乙烯pvdf膜)，但水蒸氣可以在該膜中通過其干微孔孔隙進(jìn)行自由傳輸；此外，蒸餾膜兩側(cè)溶液存在較高的溫度差，這樣為膜蒸餾過程的實(shí)現(xiàn)提供了有利條件；膜蒸餾可以在常溫下進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，且膜蒸餾具有分離效率高，低結(jié)垢傾向，潛在能耗低等優(yōu)點(diǎn)。所述反沖洗裝置63通過利用空氣來進(jìn)行膜面沖刷，每運(yùn)行6分鐘，停止2分鐘，間歇運(yùn)行，減緩膜污染。
采用上述工藝對(duì)湖北某重金屬污染地區(qū)地下水進(jìn)行處理，地下水除重金屬外均滿足地下水ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中進(jìn)水pb離子濃度為0.12mg/l,mn離子濃度為1.60mg/l,cd離子濃度為0.005mg/l，cu離子濃度為0.025mg/l,zn離子濃度為0.005mg/l，進(jìn)水溫度為16-20℃。
試驗(yàn)運(yùn)行中，蒸餾膜反應(yīng)池水溫度(t)為45-55℃，冷卻系統(tǒng)溫度t維持在10-15℃，ph為6.5-7.0，反應(yīng)器持續(xù)運(yùn)行，初始膜通量為14-18l/m2h。交換吸附池a和b交替使用，其采用的改性氨基酸離子樹脂有對(duì)pb2+等吸附量可達(dá)0.5mol/g。
試驗(yàn)出水結(jié)果為：pb離子濃度為0.001mg/l,mn離子濃度為0.02mg/l,，其他重金屬離子均未檢出，結(jié)果顯示，污水中pb離子的去除率達(dá)到了99.1％，mn離子去除率達(dá)到98.7％，實(shí)現(xiàn)了pb等離子99％去除與回收。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。