CN107954549A - 一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺及其专用装置 - Google Patents

一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺及其专用装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于含砷水处理的吸附‑曝气‑纳滤组合工艺及其专用装置。该工艺包括水质调节；吸附反应；曝气氧化与搅拌；纳滤分离。该装置包括原水贮存池、进水泵、吸附反应池、曝气***、纳滤分离***、压力表以及出水泵。与现有技术相比，本发明采用曝气搅拌方式可以加速As(III)氧化成As(V)，提高总砷的去除效率，曝气搅拌也会明显减缓膜污染的进程。本装置处理后出水砷浓度低于国家《GB5749‑2006生活饮用水卫生标准》中所规定的砷浓度限值(0.01mg/L)。

Description

一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺及其专用 装置
技术领域
本发明属于水处理技术领域，尤其是一种去除饮用水、地下水或工业废水中砷污染物的吸附-曝气-纳滤组合净化方法。
背景技术
无机砷是一种高毒性物质，三氧化二砷俗称“砒霜”，无机砷主要有三价砷(As(III))和五价砷(As(V))两种存在形态。水中过量砷会对人体健康和生态环境构成严重威胁。由于地质构造和含砷矿物的开采等原因，地下水、饮用水和工业废水中经常可以检测到过量的砷。人体摄入过量的砷会导致严重的神经***疾病和皮肤病，比如“黑脚病”等。如何去除水中过量的砷一直是水处理领域关注的热点。目前自来水厂主要通过强化的铁盐混凝工艺、钙盐沉淀工艺去除原水中过量的砷，但对于农村地区和偏远山区的居民，其饮用水往往直接来源于地下水或地表水，而这些水中经常存在砷含量超标的问题。因此，简单、高效的水中除砷工艺成为广大农村地区和欠发达地区的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，将平板纳滤膜和曝气***应用于吸附-膜过滤组合工艺中，提供一种简单、高效去除水中无机砷污染物的吸附-曝气-纳滤组合工艺装置。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺，其特征在于：包括以下步骤：
⑴.水质调节：若原水水质的pH过于偏酸或偏碱，则需要向原水贮存池中加入石灰或稀硫酸，把原水贮存池中的pH调节到5～7之间；
⑵.吸附反应：向吸附反应器中按照一定比例投加吸附剂，与含砷水相互混合；
⑶.曝气氧化与搅拌：开启曝气***，调节曝气强度，使吸附剂在吸附反应器中充分混合，水中的As(III)在溶解氧的作用下部分被氧化成As(V)；
⑷.纳滤分离：吸附-曝气反应一段时间后，启动纳滤膜组件，净化后的水排出吸附反应器。
而且，步骤⑵所述的吸附剂包括：针铁矿、四方纤铁矿、水铁矿、赤铁矿、磁铁矿，上述吸附剂的形态为颗粒态，粒径大小为微米级或纳米级；所述的吸附剂可以单独使用，也可以两种或两种以上混合使用。
而且，步骤⑵所述的吸附剂投加量(g/L)与砷浓度(mg/L)之间的质量比为10:1～0.1:1。
而且，步骤⑶所述的曝气***的曝气强度为0.2～1L/min，曝气反应时间为30～60min。
而且，步骤⑷所述的纳滤膜组件的操作压力为0.1～0.3MPa。
一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺的专用装置，其特征在于：包括原水贮存池、进水泵、吸附反应器、曝气***、纳滤膜组件、压力表和出水泵，所述的原水贮存池的出口连接进水泵的进口，该进水泵的出口连接吸附反应器上部的进水口；曝气***由曝气泵5、接气管和曝气头6组成，在吸附反应器的内部设置曝气头，该曝气头固定在吸附反应器的底部，该曝气头通过接气管连接位于吸附反应器外部的曝气泵；吸附反应器内还设置一个纳滤膜组件，该纳滤膜组件的出水口通过管路连接出水泵，该管路上设置压力表。
而且，所述的吸附反应器，其设计结构为上宽下窄的斗形，上部分内径与底部内径的比值为1.2～2；所述的吸附反应器，其底部设置出水口，出水口孔径大小为50～80mm，出水口上设置球形阀门。
而且，所述的曝气头为致密穿孔板，曝气孔孔径大小为0.1～1mm。
而且，所述的纳滤膜组件为负压式平板式纳滤膜组件，纳滤膜的孔径大小为0.01～0.05μm。
而且，所述的纳滤膜组件竖直设置在曝气头的上方，且远离吸附反应器进水口的一侧；纳滤膜组件的位置固定在吸附反应器中水位的下方，出水口连接压力表。
本发明的优点和积极效果是：
1、吸附法是去除水中过量砷的最常用方法之一，传统的吸附材料对总砷的去除率普遍不高，尤其对As(III)的去除率较低，因此往往需要添加各种强氧化剂，将As(III)氧化成As(V)，以利于总砷的去除。但是加入强氧化剂又会引入其它的污染物，存在很大的二次污染风险，本发明采用吸附-曝气的工艺可以明显促进As(III)氧化成As(V)，从而提高总砷的去除效率。
2、膜处理技术由于不需要向水中额外投加药剂，因此被誉为最具发展潜力的绿色处理技术。本发明中的吸附-曝气-纳滤组合工艺装置集成了吸附技术和膜技术的优点，利用纳滤膜将吸附剂截留在吸附反应器内，也可以调节吸附剂的浓度；另一方面，纳滤膜本身对无机砷污染物也有较高的截留效率，因此可以保证出水中砷浓度能够达到饮用水砷含量标准。
3、与传统的机械搅拌工艺相比，曝气搅拌还会明显减缓膜污染的进程。曝气装置安装在反应器的底部，曝气过程会产生大量的微小气泡，这些气泡会不停的冲刷纳滤膜的表面，并带走一些导致膜污染的微小悬浮颗粒物，因此膜污染的进程大大减缓。
4、本发明结合了吸附剂对砷污染物的高去除率，曝气搅拌对砷污染物形态的转化，以及纳滤膜截留吸附剂和水中颗粒物的优点。
与现有技术相比，本发明吸附-曝气-纳滤组合工艺装置用于含砷水处理的方法，可以实现饮用水、地下水中微量和痕量砷的有效去除，以及工业废水中高浓度砷的有效去除和达标排放。曝气***可以有效增加水中溶解氧的含量，从而加速As(III)氧化成As(V)，从而大幅度提高砷去除效率；曝气过程会产生大量的微小气泡，这些气泡会不断地冲刷纳滤膜表面，从而明显减缓膜污染的进程。纳滤膜组件不仅可以100％截留吸附剂，纳滤膜本身对砷也有一定的去除效果，吸附剂和纳滤膜的耦合作用共同促成了水中总砷的去除。吸附饱和后的吸附剂可以经过再生过程继续回用，大大减少了该组合装置的潜在使用成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是实施例3的排出液中砷含量随过滤体积的变化曲线图；
图3是实施例4的排出液中砷含量随过滤体积的变化曲线图。
图中标号为：1-原水贮存池，2-进水泵，3-吸附反应器，4-吸附剂，5-曝气泵，6-曝气头，7-纳滤膜组件，8-压力表，9-出水泵。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺，包括以下步骤：
⑴.水质调节：若原水水质的pH过于偏酸或偏碱，则需要向原水贮存池中加入石灰或稀硫酸，把原水贮存池中的pH调节到5～7之间。
⑵.吸附反应：向吸附反应器中按照一定比例投加吸附剂，与含砷水相互混合；所述的吸附剂包括：针铁矿(α-FeOOH)、四方纤铁矿(β-FeOOH)、水铁矿(Fe5HO8·4H2O)、赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)，上述吸附剂的形态为颗粒态，粒径大小为微米级或纳米级。所述的吸附剂可以单独使用，也可以两种或两种以上混合使用。所述的含砷废水包括：含砷地下水、含砷地表水、含砷工业废水等。所述的吸附剂投加量(g/L)与砷浓度(mg/L)之间的质量比为10:1～0.1:1。
⑶.曝气氧化与搅拌：开启曝气***，调节曝气强度，曝气强度为0.2～1L/min，曝气反应时间为30～60min，使吸附剂在吸附反应器中充分混合，水中的As(III)在溶解氧的作用下部分被氧化成As(V)。
⑷.纳滤分离：吸附-曝气反应一段时间后，启动纳滤膜组件，纳滤膜组件的操作压力为0.1～0.3MPa，净化后的水排出吸附反应器。
一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺的专用装置，包括原水贮存池1、进水泵2、吸附反应器3、曝气***、纳滤膜组件7、压力表8和出水泵9。所述的原水贮存池的出口连接进水泵的进口，该进水泵的出口连接吸附反应器上部的进水口。
所述的吸附反应器，其设计结构为上宽下窄的斗形，上部分内径与底部内径的比值为1.2～2；所述的吸附反应器，其底部设置大口径出水口，出水口孔径大小为50～80mm，出水口上设置球形阀门；所述的吸附反应器，其材质为钢化玻璃或不锈钢或PVDF材料。所述的吸附反应器内投放吸附剂，该吸附反应器内的液面高度要高于进水口及纳滤膜组件。
所述的曝气***由曝气泵5、接气管和曝气头6组成，所述的曝气头为致密穿孔板，曝气孔孔径大小为0.1～1mm。曝气头设置在吸附反应器的内部，且该曝气头固定在吸附反应器的底部，曝气头通过接气管连接位于吸附反应器外部的曝气泵，以新型的曝气搅拌代替传统的机械搅拌。
所述的纳滤膜组件为负压式平板式纳滤膜组件，纳滤膜的孔径大小为0.01～0.05μm纳滤膜的进水方式为外压型，净化后的出水经纳滤膜组件内部收集后排出吸附反应器。纳滤膜组件设置在吸附反应器内，如图所示，纳滤膜组件竖直设置在曝气头的上方，且远离吸附反应器进水口的一侧，纳滤膜组件的位置固定在吸附反应器中水位的下方(纳滤膜组件浸没在吸附反应器中)，纳滤膜组件的出水口连接压力表的进水口，压力表用于监控纳滤膜出水流量的变化，压力表的出水口连接出水泵，出水泵提供的操作压力为0.1～0.3MPa。
此外，本装置还包括用于投加石灰或稀硫酸的第一加药箱，以及用于投加吸附剂的第二加药箱。
所述的原水贮存池1与进水泵2相连接，含砷水在进水泵2的作用下进入吸附反应器3，将吸附剂4按照一定的比例投加到吸附反应器3中，同时启动曝气泵5，空气经过曝气头6进入吸附反应器3中充分混合，吸附剂4与含砷原水在气泡的作用下充分接触反应。吸附-曝气反应30～60min后，启动纳滤膜组件7，净化后的水排出吸附反应器3，在出水泵9的作用下排出***，在连续运行过程中，根据压力表8的压力指示，判断膜污染的进程，当压力表的指针超过0.5MPa时，需要对纳滤膜组件实施反冲洗。
实施例1
配制含砷废水500L(其pH为6.1，总砷含量为1mg/L，其中As(III)含量为0.5mg/L，As(V)含量为0.5mg/L)，在进水泵的作用下排入吸附反应池，向吸附反应池中投加针铁矿1g/L，开启曝气泵，调节曝气强度为0.2L/min，曝气搅拌30min。开启出水泵，其操作压力为0.1MPa，净化后的水经过膜组件排除吸附反应器。收集排出液，采用氢化物发生-原子荧光(HG-AFS)的方法检测排出液中砷的含量，低于0.001mg/L。低于国家《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》中所规定的砷浓度限值(0.01mg/L)。连续操作运行过程中，压力表的读数没有发生变化。
实施例2
配制含砷废水500L(其pH为6.1，总砷含量为1mg/L,其中As(III)含量为0.5mg/L，As(V)含量为0.5mg/L)，松花江水中砷含量的本底值低于0.01mg/L，CODCr为346mg/L，悬浮颗粒物浓度为10.5mg/L。在进水泵的作用下排入吸附反应池，向吸附反应池中投加针铁矿1g/L，开启曝气泵，调节曝气强度为0.3L/min，曝气搅拌30min。开启出水泵，其操作压力为0.1MPa，净化后的水经过膜组件排除吸附反应器。收集排出液，采用氢化物发生-原子荧光(HG-AFS)的方法检测排出液中砷的含量，低于0.001mg/L，低于国家《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》中所规定的砷浓度限值(0.01mg/L)。连续操作运行过程中，压力表的读数没有发生变化。
实施例3
配制含砷废水20L(其pH为6.9，总砷含量为0.1mg/L，其中As(III)含量为0.05mg/L，As(V)含量为0.05mg/L)，在进水泵的作用下排入吸附反应池，向吸附反应池中投加赤铁矿0.5g/L，开启曝气泵，调节曝气强度为0.8L/min，曝气搅拌50min。开启出水泵，其操作压力为0.3MPa，净化后的水经过膜组件排除吸附反应器。收集排出液，采用氢化物发生-原子荧光(HG-AFS)的方法检测排出液中的砷含量，排出液中砷含量随过滤体积的变化曲线如图2所示，过滤体积不超过10L时，排出液中砷浓度低于0.001mg/L，低于国家《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》中所规定的砷浓度限值(0.01mg/L)。连续操作运行过程中，压力表的读数没有明显下降。
实施例4
配制含砷废水30L(其pH为5.1，总砷含量为1mg/L，其中As(III)含量为0.5mg/L，As(V)含量为0.5mg/L)，在进水泵的作用下排入吸附反应池，向吸附反应池中投加四方纤铁矿和磁铁矿混合吸附剂1g/L，开启曝气泵，调节曝气强度为1L/min，曝气搅拌60min。开启出水泵，其操作压力为0.2MPa，净化后的水经过膜组件排除吸附反应器。收集排出液，采用氢化物发生-原子荧光(HG-AFS)的方法检测排出液中砷的含量，排出液中砷含量随过滤体积的变化曲线如图3所示，过滤体积不超过10L时，排出液中砷浓度低于0.001mg/L，低于国家《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》中所规定的砷浓度限值(0.01mg/L)。连续操作运行过程中，压力表的读数没有发生变化。

Claims (10)

1.一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺，其特征在于：包括以下步骤：
⑴.水质调节：若原水水质的pH过于偏酸或偏碱，则需要向原水贮存池中加入石灰或稀硫酸，把原水贮存池中的pH调节到5～7之间；
⑵.吸附反应：向吸附反应器中按照一定比例投加吸附剂，与含砷水相互混合；
⑶.曝气氧化与搅拌：开启曝气***，调节曝气强度，使吸附剂在吸附反应器中充分混合，水中的As(III)在溶解氧的作用下部分被氧化成As(V)；
⑷.纳滤分离：吸附-曝气反应一段时间后，启动纳滤膜组件，净化后的水排出吸附反应器。
2.根据权利要求1所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺，其特征在于：步骤⑵所述的吸附剂包括：针铁矿、四方纤铁矿、水铁矿、赤铁矿、磁铁矿，上述吸附剂的形态为颗粒态，粒径大小为微米级或纳米级；所述的吸附剂可以单独使用，也可以两种或两种以上混合使用。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺，其特征在于：步骤⑵所述的吸附剂投加量(g/L)与砷浓度(mg/L)之间的质量比为10:1～0.1:1。
4.根据权利要求1所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺，其特征在于：步骤⑶所述的曝气***的曝气强度为0.2～1L/min，曝气反应时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺，其特征在于：步骤⑷所述的纳滤膜组件的操作压力为0.1～0.3MPa。
6.一种如权利要求1所述的用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺的专用装置，其特征在于：包括原水贮存池、进水泵、吸附反应器、曝气***、纳滤膜组件、压力表和出水泵，所述的原水贮存池的出口连接进水泵的进口，该进水泵的出口连接吸附反应器上部的进水口；曝气***由曝气泵5、接气管和曝气头6组成，在吸附反应器的内部设置曝气头，该曝气头固定在吸附反应器的底部，该曝气头通过接气管连接位于吸附反应器外部的曝气泵；吸附反应器内还设置一个纳滤膜组件，该纳滤膜组件的出水口通过管路连接出水泵，该管路上设置压力表。
7.根据权利要求6所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺的专用装置，其特征在于：所述的吸附反应器，其设计结构为上宽下窄的斗形，上部分内径与底部内径的比值为1.2～2；所述的吸附反应器，其底部设置出水口，出水口孔径大小为50～80mm，出水口上设置球形阀门。
8.根据权利要求6所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺的专用装置，其特征在于：所述的曝气头为致密穿孔板，曝气孔孔径大小为0.1～1mm。
9.根据权利要求6所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺的专用装置，其特征在于：所述的纳滤膜组件为负压式平板式纳滤膜组件，纳滤膜的孔径大小为0.01～0.05μm。
10.根据权利要求6所述的一种用于含砷水处理的吸附-曝气-纳滤组合工艺的专用装置，其特征在于：所述的纳滤膜组件竖直设置在曝气头的上方，且远离吸附反应器进水口的一侧；纳滤膜组件的位置固定在吸附反应器中水位的下方，出水口连接压力表。
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CN112635091A (zh) * 2019-10-08 2021-04-09 天津科技大学 一种放射性含锶废水的处理装置

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