CN102603100A - 一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***与方法 - Google Patents
一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***与方法，属于水处理领域。***包括树脂清洗罐、树脂再生罐和反渗透***，还包括分体式水力循环反应器；其中分体式水力循环反应器具有独立的沉降区和吸附区，沉降区与树脂再生罐连接，树脂再生罐分别与树脂清洗罐和反渗透***连接，树脂清洗罐与分体式水力循环反应器吸附区连接。方法步骤为：进水-主吸附区吸附-副吸附区吸附-沉降区树脂沉降-脱附-再生-脱附液回用和处置。本发明避免搅拌浆打碎树脂或者曝气气泡对树脂吸附产生的影响，快速去除重金属离子分段的吸附区、沉降区为树脂吸附提供足够的吸附、分离时间，保证磁性树脂吸附效果以及出水中磁性树脂的有效分离。
Description
技术领域
本发明涉及一种水中重金属离子快速去除设备及方法，更具体涉及到一种基于丙烯酸系磁性阳离子树脂与分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***及方法。
背景技术
目前水中重金属离子的去除方法主要有活性炭吸附法、化学沉淀法和电化学法，这些方法在应用过程中存在以下问题：1）混凝法对高浓度的重金属离子有较好的去除效果，但对于水中低浓度的重金属离子的去除率较低，且会产生大量泥渣，不易处置[Lertchai Charerntanyarak，Heavy metals removal by chemical coagulation and precipitation，Water Science and Technology，1999, 39(10): 135-138.]；2）活性碳作为突发水污染事故中常用的吸附材料，其对有机物和重金属离子都有一定的吸附性能，然而活性碳在应急处置重金属污染过程中存在着饱和吸附量低、吸附速率慢、不易再生的缺陷，不适宜大水量应急处置工程中应用[R. Baccar，J. Bouzid，M. Feki，A. Montiel，Preparation of activated carbon from Tunisian olive-waste cakes and its application for adsorption of heavy metal ions，J. Hazard. Mate. 2009，162(2–3): 1522-1529.]。
磁性树脂技术作为尾水/饮用水深度处理的主流技术目前正在国内进行积极的推广，但在应急处置过程中存在以下问题：
1）实际突发水污染事件中，铜离子、锰离子、镉离子、铅等重金属阳离子导致的水污染事件占50%以上，但目前所用的磁性树脂多为磁性阴离子交换树脂，其吸附去除的目标物多为溶解性有机质和阴离子[Jutamas Kaewsuk，Gyu Tae Seo，Verification of NOM removal in MIEX-NF system for advanced water treatment，Separation and Purification Technology，2011，80(1): 11-19]；
2）现有的磁性树脂吸附装置（内置阴离子交换树脂）多为一体式水力循环反应器、分体式机械搅拌反应器、分体式曝气搅拌反应器[陈卫， 韩志刚，刘成，谢成塔，周华，MIEX技术控制饮用水消毒副产物的研究进展，中国给水排水，2009，25(6):14-18.]，如中国专利申请号： 200820237941，磁性树脂吸附反应器，专利文件所公开的反应器，这些反应器在实际应用过程中存在以下不足：
一体式水力循环反应器无法调控磁性树脂的吸附-分离-沉降时间，不仅难以适应水量、水质变化，且反应器的反应区和沉降区最大容积受到限制，单个反应器处理量最大不能超过2万立方/天，很难适用在大型水厂；
分体式机械搅拌吸附-分离反应器不仅容易造成磁性树脂破碎，导致树脂流失率增加，且机械搅拌装置和电器设备需要维护；
分体式曝气搅拌吸附-分离反应器在曝气过程中产生的气泡包裹在磁性树脂颗粒上，会阻碍树脂和吸附质之间的传质过程，影响吸附效果。
目前重金属离子的快速吸附去除方法常用的阳离子交换树脂法主要是在吸附柱内进行，这一方法不仅操作设备复杂、运行费用高，且处理速度较慢。如果将现有非磁性阳离子交换树脂投入到传统的一体式水力循环反应器中应用需要解决以下技术问题：1）传统非磁性阳离子交换树脂颗粒大，因此不利于在水力循环反应器中的混合接触过程中，重金属离子在树脂上的传质过程，因此吸附速率和吸附效率较低；2）传统非磁性阳离子交换树脂没有磁性、密度小，因此在吸附后随水流运动不易沉降，造成树脂流失严重。
而将磁性阳离交换树脂简单投入到“一体式水力循环反应器” ，如中国专利申请号：201110123992.3，一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理***与方法，文件公开了装置利用水力循环实现树脂和水的充分混合，但是该专利中的“一体式水力循环反应器”无法调控磁性树脂的吸附-分离-沉降时间，很难适应水量、水质变化，主要体现在：1）该反应器的反应区和沉降区最大容积受到限制，单个反应器处理量最大不能超过2万立方/天，因此不太适用在大型水厂；2）该反应器的沉降区和吸附区未做分隔，因此树脂吸附-沉降时间无法调控，一旦水质、水量发生变化，就会出现树脂吸附时间不足、沉降不充分的情况。而实际重金属水污染事件中，重金属离子浓度会随着污染带迁移以及水质化学条件的变化发生明显的变化，如果不能对反应器的吸附-分离-沉降时间进行调控，会直接影响实际处理效果。
发明内容
发明要解决的技术问题
针对在应急处置过程中水质、水量波动较大的特点，需要开发出区别一体式水力循环反应器、分体式机械搅拌反应器以及分体式曝气搅拌反应器的新型反应器和处理***，利用水力循环实现磁性树脂与水混合，又能够根据实际需求增大反应器的吸附区和沉降区容积，合理控制树脂吸附时间和沉降分离时间，能够应用到大型水厂等问题，本发明提供了一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***及方法，在利用水力循环实现磁性树脂与水充分混合的同时，能够将磁性树脂吸附-分离-沉降分隔在反应器的不同区域进行，有效的去除水中重金属阳离子。
技术方案
一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***，包括树脂清洗罐、树脂再生罐和反渗透***，还包括分体式水力循环反应器；其中分体式水力循环反应器具有独立的沉降区和吸附区，沉降区与树脂再生罐相连接，树脂再生罐分别与树脂清洗罐和反渗透***相连接，树脂清洗罐与分体式水力循环反应器吸附区相连接。
底部为锥形的分体式水力循环反应器运行模式是连续出水/连续进水模式，包括水力循环池和沉降池连接组成，所述水力循环池包括进水管、布水喷嘴、进水桶和阻隔板，进水管连接布水喷嘴，水力循环池中间布置进水桶，进水桶的上方设置阻隔板；所述沉降池包括磁性树脂排出口、斜管、溢流围堰口和磁板，其中沉降池底部设置磁性树脂排出口，磁性树脂排出口上方安装斜管，沉降池上部安装有溢流围堰口，溢流围堰口装有磁板。布水喷嘴沿进水桶切线方向的三向布水。
所述分体式水力循环反应器的吸附区，吸附区底部为锥形，吸附区底部夹角为10-45度，且吸附区内的进水桶将吸附区分隔为主吸附区和副吸附区。
所述分体式水力循环反应器的沉降区，通过沉降池内的斜管将沉降池分隔为沉降区和清水区，沉降区底部夹角为15-50度。
一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除方法，其步骤为：
步骤1、进水：需要处理的水经布水喷嘴沿着进水桶（高度：直径=1.5-2：1）壁的切线方向进水，进水方式为三向进水，形成进水水流；
步骤2、主吸附区吸附：步骤1中进水产生的水流挟带磁性树脂进入分体式水力循环反应器的主吸附区，水流与磁性树脂充分混合、吸附，其中主吸附区与磁性树脂的体积V主吸附区：V磁性树脂=200-400：1；
步骤3. 副吸附区吸附：受阻隔板的作用，上行旋流改变方向，成为下行水流，受下行水流作用，树脂回流到吸附区底部，其中体积百分比80%-95%的磁性树脂随着水流进入进水桶，与进水混合反应吸附，实现树脂在反应器中的循环，剩余体积百分比5%-20%的树脂进入沉降区；
步骤4. 斜管沉降：部分回流水流挟带少量磁性树脂进入沉降区，经斜管沉降进入反应器的沉降池底部，清水从清水区的溢流堰流出；
步骤5. 磁性树脂再生：室温下，水力循环反应器的沉降池底部的磁性树脂经蠕动泵输送至树脂再生罐（高径比为1:1）中，用脱附液（，V磁性树脂：V脱附液=1：1-1.5）脱附，树脂再生罐内置搅拌器（120r/min），间歇式搅拌（搅拌10-20分钟，静止5-10分钟），沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至清洗罐；
步骤6. 磁性树脂清洗：用清水对清洗罐中的磁性树脂进行清洗，清洗罐内置搅拌器（120r/min），间歇式搅拌（搅拌15分钟，静止5分钟），沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至分体式水力循环反应器的吸附区布水喷管中；
步骤7. 脱附液回用：树脂再生罐中磁性树脂脱附液进入反渗透***，反渗透滤出液回流到再生液配制槽，用于脱附液的配制，反渗透浓缩液经过排污管道送至市政污水处理厂处置。
所述步骤1中布水喷嘴为三向布水喷嘴，进水方式为沿着进水桶壁的切线方向三向进水。
所述步骤2-6中的磁性树脂是丙烯酸系磁性阳离子交换树脂。
所述步骤5和7中的脱附液为质量百分比为2-8%的盐酸、硝酸、硫酸溶液，脱附液用反渗透膜浓缩，反渗透膜孔径0.5-10nm，压力0.6-2 MPa。
有益效果
1）充分利用水力旋流实现树脂与水的混合，避免搅拌浆打碎树脂或者曝气气泡对树脂吸附产生的不利影响。
2）可快速去除水中铜、镍、铅、隔等重金属离子，出水水质稳定。
3）可以适应水质、水量的波动，分段的吸附区、沉降区为树脂吸附提供足够的吸附、分离时间，保证磁性树脂吸附效果以及出水中磁性树脂的有效分离。
4）相对中国专利申请号：201110123992.3，一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理***与方法，本发明中水力循环反应器具有独立的吸附区和沉降区，树脂与水混合、树脂的回流以及树脂进入沉降区沉降均依靠水力，不需要额外的动力装置和管道输送。
附图说明
图1基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***结构示意图；
图2分体式水力循环反应器结构示意图；
图3基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***流程图。
图中标注为：1水力循环池；2沉降池；3树脂再生罐；4树脂清洗罐；5反渗透***；6布水喷嘴；7进水桶；8主吸附区；9、9’副吸附区；10阻隔板；11磁板；12溢流围堰口；13斜管；14沉降池底部；15沉降区；16清水区；17上行旋流；18、18，下行水流；19磁性树脂排出口；20进水管；A沉降区底部夹角；B吸附区底部夹角。
具体实施方式
实施例中进水水质指标如表1：
表1 进水水质
| 铜离子（mg/L） | 铅离子（mg/L） | 隔离子（mg/L） | 锰离子（mg/L） | |
| 饮用水卫生安全标准 | 1.0 | 0.01 | 0.005 | 0.1 |
| 进水水质 | 15 | 2.4 | 1.5 | 12.6 |
实施例1：
如图1和2所示，基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***，包括树脂清洗罐4、树脂再生罐3和反渗透***5，还包括分体式水力循环反应器；其中分体式水力循环反应器具有独立的沉降区15和吸附区，沉降区15与树脂再生罐3相连接，树脂再生罐3分别与树脂清洗罐4和反渗透***5相连接，树脂清洗罐4与分体式水力循环反应器吸附区相连接。底部为锥形的分体式水力循环反应器运行模式是连续出水/连续进水模式，包括水力循环池1和沉降池2连接组成，所述水力循环池1包括进水管20、布水喷嘴6、进水桶7和阻隔板10，进水管20连接布水喷嘴6，水力循环池1中间布置进水桶7，进水桶7的上方设置阻隔板10；所述沉降池2包括磁性树脂排出口19、斜管13、溢流围堰口12和磁板11，其中沉降池2底部设置磁性树脂排出口19，磁性树脂排出口19上方安装斜管13，沉降池1上部安装有溢流围堰口12，溢流围堰口12装有磁板11。布水喷嘴6沿进水桶7切线方向的三向布水。进水桶7（高度：直径=1.5：1）。分体式水力循环反应器直径0.4米，高0.3米；沉降区15长0.6米，宽0.4米，高0.5米；斜管长0.05米，截面为边长0.015米的正方形，倾斜角为30度。
所述分体式水力循环反应器的吸附区，吸附区底部为锥形，吸附区底部夹角B为10度，且吸附区内的进水桶7将吸附区分隔为主吸附区8和副吸附区9、9’。
所述分体式水力循环反应器的沉降区15，通过沉降池2内的斜管13将沉降池2分隔为沉降区15和清水区16，沉降池底部14夹角A为15度，清水区16上部有磁板11和溢流围堰口12。
如图3所示，基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除方法，其步骤为：
步骤1：将80mL磁性丙烯酸系阳离子树脂装入分体式水力循环反应器中，需处理的水经布水喷嘴6沿着进水桶7壁的切线方向进水，进水方式为三向进水，形成进水水流，进水流量50L/h，进水方式为连续进水/出水。
步骤2：步骤1中进水产生的水流挟带磁性树脂进入分体式水力循环反应器的主吸附区，水流与磁性树脂充分混合、吸附，其中主吸附区与磁性树脂的体积V主吸附区：V磁性树脂=200-400：1。
步骤3：受阻隔板10的作用，如图2所示上行旋流17改变方向，成为下行水流18、18，，受下行水流作用，树脂回流到吸附区底部，其中体积百分比80%-95%的磁性树脂随着水流进入进水桶7，与进水混合反应吸附，实现树脂在反应器中的循环，剩余体积百分比5%-20%的树脂进入沉降区15。
步骤4：部分回流水流挟带少量磁性树脂进入沉降区，经斜管沉降进入反应器底部，清水从清水区16的溢流堰流出。
步骤5：室温下，水力循环反应器底部的磁性树脂经蠕动泵以10 mL/h 的流量输送至树脂再生罐（高径比为1:1，直径0.15米，高0.15米）中，用脱附液为质量百分比为6%盐酸溶液（V磁性树脂：V脱附液=1：1）脱附，树脂再生罐3内置搅拌器（120r/min），间歇式搅拌（搅拌20分钟，静止10分钟），沉降在罐底的磁性阴离子交换树脂经蠕动泵输送至树脂清洗罐4。
出水水质如表2：
表2出水水质
| 铜离子（mg/L） | 铅离子（mg/L） | 隔离子（mg/L） | 锰离子（mg/L） | |
| 饮用水卫生安全标准 | 1.0 | 0.01 | 0.005 | 0.1 |
| 进水水质 | 15 | 2.4 | 1.5 | 12.6 |
| 出水水质 | 0.22 | 0.003 | 0.002 | 0.05 |
出水水质符合饮用水卫生安全标准。
步骤6：磁性树脂清洗：用清水对树脂清洗罐4中的磁性树脂进行清洗，树脂清洗罐4内置搅拌器（120r/min），间歇式搅拌（搅拌15分钟，静止5分钟），清洗后的树脂恢复吸附能力，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至反应器的布水喷管6中，清洗液回用至脱附罐；
步骤7：树脂再生罐3中磁性树脂脱附液进入反渗透***5，反渗透滤出液回流到再生液配制槽，用于脱附液的配制，反渗透浓缩液经过排污管道送至市政污水处理厂处置。
步骤2-6中的磁性树脂是丙烯酸系磁性阳离子交换树脂，选择中国专利申请号 201010500161.9，申请人为南京大学，发明名称为磁性丙烯酸系弱酸阳离子交换微球树脂及其合成方法，生产的磁性丙烯酸系弱酸阳离子交换微球树脂。
步骤7中脱附液用反渗透膜浓缩，反渗透膜孔径0.5-10nm，压力0.6-2 MPa。
实施例2：
同实施例1***结构和操作方法不变，但将进水桶（高度：直径=2：1），吸附区底部夹角B为30度，沉降区15底部14夹角A为30度步骤1的进水流量调至30L/h，步骤2中V主吸附区：V磁性树脂=200：1，步骤5中用脱附液为质量百分比为2%硝酸溶液（V磁性树脂：V脱附液=1：1.2）脱附，树脂再生罐3内置搅拌器（120r/min），间歇式搅拌（搅拌10分钟，静止5分钟），出水水质见表3：
表3出水水质
| 铜离子（mg/L） | 铅离子（mg/L） | 隔离子（mg/L） | 锰离子（mg/L） | |
| 饮用水卫生安全标准 | 1.0 | 0.01 | 0.005 | 0.1 |
| 进水水质 | 15 | 2.4 | 1.5 | 12.6 |
| 出水水质 | 0.18 | 0.002 | 0.002 | 0.03 |
出水水质符合饮用水卫生安全标准。
实施例3：
同实施例1***结构和操作方法不变，但将进水桶（高度：直径=1.8：1），吸附区底部夹角B为45度，沉降区底部14夹角A为50度，步骤1的磁性树脂投加量增至100mL，步骤2中V主吸附区：V磁性树脂=400：1，步骤5中用酸溶液为质量百分比为8%硫酸溶液（V磁性树脂：V脱附液=1：1.2）脱附，树脂再生罐3内置搅拌器（120r/min），间歇式搅拌（搅拌20分钟，静止10分钟），出水水质见表3：
出水水质见表4：
表4出水水质
| 铜离子（mg/L） | 铅离子（mg/L） | 隔离子（mg/L） | 锰离子（mg/L） | |
| 饮用水卫生安全标准 | 1.0 | 0.01 | 0.005 | 0.1 |
| 进水水质 | 15 | 2.4 | 1.5 | 12.6 |
| 出水水质 | 0.19 | 0.002 | 0.002 | 0.04 |
出水水质符合饮用水卫生安全标准。
实施例4：
同实施例1***结构和操作方法不变，步骤2中V主吸附区：V磁性树脂=300：1，步骤5中用脱附液为质量百分比为2%硝酸溶液（V磁性树脂：V脱附液=1：1）脱附，树脂再生罐3内置搅拌器（120r/min），间歇式搅拌（搅拌15分钟，静止7分钟）其它操作条件不变，其实施结果与实施例1基本相同。
Claims (8)
1.在一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除方法，其步骤为：
步骤1、进水：需要处理的水经布水喷嘴沿着进水桶壁的切线方向进水，进水方式为三向进水，形成上行水流；
步骤2、主吸附区吸附：步骤1中进水产生的水流挟带磁性树脂进入分体式水力循环反应器的主吸附区，水流与磁性树脂充分混合、吸附；
步骤3、副吸附区吸附、回流：受阻隔板的作用，上行水流改变方向，成为下行水流，受下行水流作用，磁性树脂回流到吸附区底部，其中体积百分比80%-95%的磁性树脂随着水流进入进水桶，与进水混合反应吸附，剩余体积百分比5%-20%的树脂进入沉降区；
步骤4、沉降：磁性树脂在沉降区经斜管沉降进入沉降池底部，清水从清水区的溢流堰流出；
步骤5、磁性树脂再生：室温下，沉降池底部的磁性树脂经蠕动泵输送至树脂再生罐中，用1.0-1.5倍于再生磁性树脂体积的脱附液再生，树脂再生罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至清洗罐；
步骤6、清洗：用清水对清洗罐中的磁性树脂进行清洗，清洗罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至分体式水力循环反应器的吸附区布水喷管中；
步骤7、脱附液回用：树脂再生罐中磁性树脂脱附液进入反渗透***，反渗透膜滤出液回流到再生液配制槽，反渗透浓缩液送至污水处理厂处置。
2.根据权利要求1所述的基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除方法，其特征是：所述步骤1中布水喷嘴为三向布水喷嘴。
3.根据权利要求2所述的基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除方法，其特征是：所述步骤2-6中的磁性树脂是丙烯酸系磁性阳离子交换树脂。
4.根据权利要求3所述的基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除方法，其特征是：所述步骤2中主吸附区与磁性树脂的体积比V主吸附区：V磁性树脂=200-400：1，步骤5中的脱附液为质量百分比为2-8%的盐酸、硝酸或硫酸溶液；步骤7中脱附液用反渗透膜浓缩，反渗透膜孔径0.5-10nm，压力0.6-2 MPa。
5.一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***，包括树脂清洗罐、树脂再生罐和反渗透***，其特征在于还包括分体式水力循环反应器；其中分体式水力循环反应器具有独立的沉降区和吸附区，沉降区与树脂再生罐相连接，树脂再生罐分别与树脂清洗罐和反渗透***相连接，树脂清洗罐与分体式水力循环反应器吸附区相连接。
6.根据权利要求5所述的基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***，其特征是：所述分体式水力循环反应器包括水力循环池和沉降池连接组成，所述水力循环池包括进水管、布水喷嘴、进水桶和阻隔板，进水管连接布水喷嘴，水力循环池中间布置进水桶，进水桶的上方设置阻隔板；所述沉降池包括磁性树脂排出口、斜管、溢流围堰口和磁板，其中沉降池底部设置磁性树脂排出口，磁性树脂排出口上方安装斜管，沉降池上部安装有溢流围堰口，溢流围堰口装有磁板。
7.根据权利要求5或6所述的基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***，其特征是：所述分体式水力循环反应器的吸附区底部为锥形，吸附区底部夹角为10-45度，且吸附区内的进水桶将吸附区分隔为主吸附区和副吸附区。
8.根据权利要求7所述的基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除***，其特征是：所述分体式水力循环反应器的沉降区，通过沉降池内的斜管将沉降池分隔为沉降区和清水区，沉降区底部夹角为15-50度。
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