CN110877956A - 处理芬顿铁泥的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，涉及处理芬顿铁泥的装置和方法。该方法包括以下步骤：S1.将芬顿反应器中的泥水混合物通入沉淀池，进行静置沉淀，在沉淀池的底部形成芬顿铁泥；S2.将芬顿铁泥通入生物反应器内，生物反应器内含有铁还原菌的微生物将芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁，反应结束后，将反应后产生的含有二价铁的混合液通入酸溶池；S3.向酸溶池加入酸液，之后静置沉淀，产生的含有二价铁离子的上清液返回至芬顿反应器。该方法大幅度降低处理芬顿铁泥的量，相应地降低处理芬顿铁泥的成本，上清液返回至芬顿反应器循环利用，在酸性条件下，二价铁离子不易被氧化为三价铁，有利于启动芬顿反应。

Description

处理芬顿铁泥的装置和方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，更具体地，涉及一种处理芬顿铁泥的装置和方法。

背景技术

目前，污水处理常用的高级氧化技术有芬顿氧化、电化学氧化和臭氧氧化等。芬顿氧化技术是在酸性条件下Fe²⁺催化H₂O₂产生强氧化性的羟基自由基(·OH)将废水中的难降解的污染物成分氧化成小分子有机物或无机物，其反应在常温常压下即可进行，工艺流程简单，具有巨大的工业化推广潜力。虽然芬顿反应对水体中有毒有害难降解的污染物具有较强的去除效果，但是同时产生大量的芬顿铁泥，芬顿铁泥中的重金属和有机质若处置不当会对环境造成严重的二次污染。据调查，利用芬顿氧化技术每处理1吨废水大约会产生5kg含水率为60％的芬顿铁泥，此芬顿铁泥为危险固体废物。目前市场上危险固体废物的处置费约6000元/吨。因此，如何处理处理芬顿铁泥将决定芬顿氧化工艺在未来工程化推广的经济性和可行性。

常用的处理芬顿铁泥处理方法有：煅烧生产水泥、干燥炼铁、生产Fe₂O₃颜料、酸溶法制硫酸铁、制备铁基催化剂等，这些方法可资源化利用芬顿铁妮，但消耗的能量高，成本较高，不便于大规模生产推广。

专利文献CN105836987A公开一种芬顿铁泥资源化利用的方法。该方法先在Fenton铁泥加入硫酸，使Fe(OH)₃全部转化为Fe₂(SO₄)₃，然后加水稀释后加入到隔膜电解槽的阳极室，先对Fenton铁泥中的有机物进行氧化处理，再泵入隔膜电解槽的阴极室进行电还原处理，得到的Fe²⁺还原液在惰性气体保护下浓缩结晶制得工业品硫酸亚铁产品。可见，该方法是通过电还原芬顿铁泥生产工业硫酸亚铁。但是芬顿铁泥中重金属种类较多，制得的硫酸亚铁质量得不到保证，且电还原法耗能较大。

专利文献CN105254067A公开一种污水深度处理芬顿法污泥的资源化利用方法。该方法将所得沉淀物铁泥使用常规脱水工艺，控制其含水率为65～85％，通过二次沉淀制得γ-FeOOH和α-FeOOH作为铁基催化剂，但是其制备条件严格，不好控制。

专利文献CN107140804A公开一种铁盐循环利用的芬顿污泥处理方法及装置。该处理方法是通过对芬顿污泥进行生物厌氧处理，再向经生物厌氧处理后的芬顿污泥中注入还原剂，并搅拌，将污泥中的氢氧化铁还原成硫化亚铁或氢氧化亚铁，再向其中投加酸溶液，将硫化亚铁或氢氧化亚铁溶解到溶液中，并对得到的污泥进行淘洗；还原后的含二价铁离子的溶液回用到芬顿反应中；对减量后的污泥进行中和、脱水处理，脱水后的泥饼外运。

专利文献CN106830467A公开一种基于铁泥回用的Fenton法污水处理一体化装置及方法。该方法通过调酸、反应、调碱、沉淀并利用浸没式膜组件和紫外双氧水二次氧化，最后通过电解将Fe³⁺还原为Fe²⁺，获得再生的Fe²⁺催化剂，实现了Fenton铁泥的在线回用，减少Fenton铁泥排放70％以上。但是专利文献CN107140804A和专利文献CN106830467A都是采用化学方法将三价铁还原为二价铁并回用，需要投加大量的化学药剂，处理成本较高且步骤繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种处理芬顿铁泥的装置和方法，实现芬顿铁泥的处理和循环利用。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种处理芬顿铁泥的方法，该方法包括以下步骤：

S1.在芬顿反应器中进行芬顿反应，生成的泥水混合物通入沉淀池，进行静置沉淀，在所述沉淀池的底部形成芬顿铁泥；

S2.将所述芬顿铁泥通入生物反应器内，所述生物反应器内含有铁还原菌的微生物将所述芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁，反应结束后，将反应后产生的含有二价铁的混合液通入酸溶池；

S3.向所述酸溶池加入酸液，之后静置沉淀，产生的含有二价铁离子的上清液返回至所述芬顿反应器。

在本发明的一种优选实施方式中，所述生物反应器内的温度为20-35℃，pH值为6.5-7.2。

在本发明的一种更优选实施方式中，所述生物反应器内的温度为30℃，pH值为6.8。

在本发明的一种优选实施方式中，所述含有铁还原菌的微生物的生长载体为填料，所述填料在所述生物反应器内的填充比为15％-30％。所述填料的直径25mm。

在本发明的一种优选实施方式中，所述生物反应器内芬顿铁泥的污泥浓度为3000-5000mg/L。

在本发明中，所述芬顿铁泥的含水率为94％-98％。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S2中，所述芬顿铁泥在所述生物反应器的反应时间为12小时以上，优选为15小时。

在本发明的一种优选实施方式中，所述酸液包括硫酸、硝酸、盐酸和乙酸中的至少一种，优选为盐酸。

在本发明的一种优选实施方式中，加入所述酸液后，所述酸溶池中的所述含有二价铁的混合液的pH值小于或等于3。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S1中，所述芬顿反应在搅拌的条件下进行。搅拌的速率为250r/min。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S2中，所述生物反应器内的反应在搅拌的条件下进行。搅拌的速率为100r/min。

本发明第二方面提供一种处理芬顿铁泥的装置，该装置包括：芬顿反应器、沉淀池、生物反应器、以及酸溶池；

所述芬顿反应器与所述沉淀池连通；

所述沉淀池的底部与所述生物反应器连通；

所述生物反应器与所述酸溶池连通；

所述酸溶池的上部出口与所述芬顿反应器连通。

在本发明的一种优选实施方式中，所述芬顿反应器具有第一搅拌器。

在本发明的一种优选实施方式中，所述生物反应器具有第二搅拌器，并且所述生物反应器内设置有富集生长含有铁还原菌的微生物的填料。

在本发明的一种优选实施方式中，所述装置还包括：储泥池、排泥泵、进泥泵、以及回流泵；

所述沉淀池的底部与所述储泥池连通，继而与所述生物反应器连通；

所述排泥泵设置在连通所述沉淀池的底部与所述储泥池的管路上；

所述进泥泵设置在连通所述储泥池与所述生物反应器的管路上；

所述回流泵设置在连通所述酸溶池的上部出口与所述芬顿反应器的管路上。

在本发明的一种优选实施方式中，在连通所述酸溶池的上部出口与所述芬顿反应器的管路上设置有电磁阀。

本发明提供的处理芬顿铁泥的方法通过生物反应器中含有铁还原菌的微生物将芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁，将含有二价铁的混合液通入酸溶池，加入酸液，静置沉淀，芬顿铁泥可减少80％-90％，大幅度降低处理芬顿铁泥的量，相应地降低处理芬顿铁泥的成本，含有二价铁离子的上清液返回至芬顿反应器，循环利用，在酸性条件下，二价铁离子不易被氧化为三价铁，并且有利于启动芬顿反应。

本发明提供的处理芬顿铁泥的方法通过优化生物反应器的反应条件，温度为20-35℃，pH值为6.5-7.2，提高了三价铁还原为二价铁的反应速率。

本发明提供的处理芬顿铁泥的装置和方法不仅可以低成本解决芬顿铁泥处理处置问题，减少后续的处理成本，还可以减少芬顿反应中二价铁药剂的投加量，实现循环利用。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明提供的一种处理芬顿铁泥的装置的示意图。

图2示出了本发明提供的另一种处理芬顿铁泥的装置的示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

本发明提供一种处理芬顿铁泥的方法，请参见图1，该方法包括以下步骤：

S1.在芬顿反应器1中进行芬顿反应，生成的泥水混合物通入沉淀池2，进行静置沉淀，在所述沉淀池2的底部形成芬顿铁泥。

S2.将所述芬顿铁泥通入生物反应器3内，所述生物反应器3内含有铁还原菌的微生物将所述芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁，反应结束后，将反应后产生的含有二价铁的混合液通入酸溶池4。

S3.向所述酸溶池4加入酸液，之后静置沉淀，产生的含有二价铁离子的上清液返回至所述芬顿反应器1。

本发明提供的处理芬顿铁泥的方法通过生物反应器3中含有铁还原菌的微生物将芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁，将含有二价铁的混合液通入酸溶池4，加入酸液，静置沉淀，芬顿铁泥可减少80％-90％，大幅度降低处理芬顿铁泥的量，相应地降低处理芬顿铁泥的成本，含有二价铁离子的上清液返回至芬顿反应器1，循环利用，在酸性条件下，二价铁离子不易被氧化为三价铁，并且有利于启动芬顿反应。

在步骤S1中，酸性条件下Fe²⁺催化H₂O₂产生强氧化性的羟基自由基(·OH)，反应时间可以为1.5～2.0小时，绝大部分二价铁被氧化成三价铁，生成以Fe(OH)₃为主的泥水混合物，即芬顿铁泥。将泥水混合物通入沉淀池，静置沉淀，静置沉淀的时间可以为0.5小时以上，例如0.5-2.0小时，使得泥水混合物中的固态物质，例如Fe(OH)₃沉入沉淀池底部，便于收集芬顿铁泥，沉淀池的上部出水可以进行后续处理利用。沉淀池的底部可以为倒锥体，便于收集芬顿铁泥。

为了使难降解有机物与药剂充分接触，提高芬顿反应效率，在步骤S1中，所述芬顿反应器1中的芬顿反应在搅拌的条件下进行。本领域技术人员可以根据实际经验确定该搅拌的速率，例如搅拌的速率可以为250r/min。

本发明所使用含有铁还原菌的微生物在处理芬顿铁泥之前需要进行驯化培养，取自市政污泥。经过培养，铁还原菌大量繁殖，之后利用浓度从低到高的芬顿污泥对含有铁还原菌的微生物进行逐级驯化，使得含有铁还原菌的微生物适应生物反应器3中的芬顿铁泥环境，高效地将芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁。

在生物反应器中，含有铁还原菌的微生物以芬顿铁泥中的三价铁作为电子受体，芬顿铁泥中的有机物，或者芬顿铁泥中的有机物和部分外加碳源作为电子供体，将三价铁还原为二价铁，不需要附加额外的能量。外加碳源可以为甲醇、乙酸钠、丙酮酸钠或淀粉等。

在步骤S2中，生物反应器3采用序批式的方式对芬顿铁泥进行处理。

本发明通过对步骤S2的反应条件进行优化，得出生物反应器3内的温度为20-35℃，pH值为6.5-7.2，有利于三价铁还原为二价铁。更优选地，所述生物反应器内的温度为30℃，pH值为6.8。

本领域技术人员可以根据实际需要选择含有铁还原菌的微生物与芬顿铁泥的量，为了加大对芬顿铁泥的处理力度，兼顾处理芬顿铁泥的成本，在本发明中，所述含有铁还原菌的微生物的生长载体为直径25mm的填料，填充比为15％-30％；生物反应器3内芬顿铁泥的污泥浓度为3000-5000mg/L，所述芬顿铁泥的含水率为94％-98％。芬顿铁泥在生物反应器3内的停留时间12小时以上，优选为15小时，即可使芬顿铁泥的量减少80％-90％。

本领域技术人员可以驯化培养使含有铁还原菌的微生物富集生长在填料上，在搅拌条件下反应和出水时，含有铁还原菌的微生物不会流失。填料的材质可以为聚乙烯、海绵、陶粒或无纺布等。

为了提高芬顿铁泥与微生物的接触效率，促进含有铁还原菌的微生物将芬顿铁泥中的三价铁转化为二价铁，在步骤S2中，所述生物反应器3内的反应在搅拌的条件下进行。本领域技术人员可以根据经验确定该搅拌的速率，例如搅拌的速率可以为100r/min。

在本发明中，向酸溶池4中含有二价铁的混合液中加入酸液后，静置沉淀，沉淀时间可以为0.5～2小时，沉淀后含有二价铁离子的上清液返回芬顿反应器1。

向酸溶池4中的含有二价铁的混合液中加入酸液的目的，一是在酸性条件下，使二价铁尽可能都转化为二价铁离子；二是防止混合液中的二价铁离子被氧化成三价铁；三是有利于后续上清液返回至芬顿反应器循环利用，启动芬顿反应。对于酸液可以使用本领域常用的酸液，例如硫酸、硝酸、盐酸和乙酸等，为了避免在酸化过程中引入其他杂离子，所述酸液优选为盐酸。

本领域技术人员可以根据酸化效果确定酸液的添加量。为了使后续的含有二价铁离子的上清液回用后利于实现芬顿反应，优选地，加入所述酸液后，所述酸溶池4中的所述含有二价铁的混合液的pH值小于或等于3。

本发明还提供一种处理芬顿铁泥的装置。请参见图1，该装置包括：芬顿反应器1、沉淀池2、生物反应器3、以及酸溶池4；所述芬顿反应器1与所述沉淀池2连通；所述沉淀池2的底部与所述生物反应器3连通；所述生物反应器3与所述酸溶池4连通；所述酸溶池4的上部出口与所述芬顿反应器1连通。

请继续参见图1，为了提高芬顿反应效率，所述芬顿反应器1具有第一搅拌器101；所述生物反应器3具有第二搅拌器301，并且所述生物反应器3内设置有用于富集生长含有铁还原菌的微生物的填料。本发明中的生物反应器内部仅设置有用于含有铁还原菌的微生物富集生长的填料和第二搅拌器，不需要复杂结构即可处理芬顿铁泥。

请参见图2，图2示出了本发明提供的另一种处理芬顿铁泥的装置的示意图。如图2所示，本发明提供的处理芬顿铁泥的装置还包括：储泥池5、排泥泵6、进泥泵7、以及回流泵8；所述沉淀池2的底部与所述储泥池5连通，继而与所述生物反应器3连通；所述排泥泵6设置在连通所述沉淀池2的底部与所述储泥池5的管路上；所述进泥泵7设置在连通所述储泥池5与所述生物反应器3的管路上；所述回流泵8设置在连通所述酸溶池4的上部出口与所述芬顿反应器1的管路上。排泥泵6使得沉淀池2底部的芬顿铁泥顺利进入储泥池5。当储泥池5中的芬顿铁泥达到一定量后，进泥泵7将这些芬顿铁泥输送至生物反应器3内进行反应，利用含有铁还原菌的微生物将其中的三价铁还原为二价铁。回流泵8能够使酸溶池4中的含有二价铁离子的上清液顺利流入芬顿反应器1。

本发明的处理芬顿铁泥的装置在连通所述酸溶池4的上部出口与所述芬顿反应器1的管路上设置有电磁阀F。当酸溶池4的液位达到预设高度时，电磁阀F打开，含有二价铁离子的上清液在回流泵8的作用下流入芬顿反应器1。

实施例1

本实施例提供一种处理芬顿铁泥的装置。请参见图2，该装置包括：芬顿反应器1、沉淀池2、生物反应器3、酸溶池4、储泥池5、排泥泵6、进泥泵7、回流泵8、以及电磁阀F；所述芬顿反应器1与所述沉淀池2连通；所述沉淀池2的底部与所述储泥池5连通，在该连通管路上设置排泥泵6；所述储泥池5与所述生物反应器3连通，在该连通管路上设置有进泥泵7；所述生物反应器3与所述酸溶池4连通；所述酸溶池4的上部出口与所述芬顿反应器1连通，在该连通管路上设置有回流泵8和电磁阀F；芬顿反应器1具有第一搅拌器101；所述生物反应器3具有第二搅拌器301。

实施例2

本实施例提供一种处理芬顿铁泥的方法。请参见图2，该方法包括以下步骤：

S1.将芬顿反应器1中的泥水混合物通入沉淀池2，进行静置沉淀，在所述沉淀池2的底部形成芬顿铁泥。

S2.通过排泥泵6将沉淀池2底部的芬顿铁泥通入储泥池5中储存。

S3.通过进泥泵7将芬顿铁泥通入生物反应器3内，在温度为30℃，pH值为6.8条件下，所述生物反应器3内含有铁还原菌的微生物将所述芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁，反应15.0小时后，将反应后产生的含有二价铁的混合液通入酸溶池4。

S4.向所述酸溶池4加入酸液，使得含有二价铁的混合液的pH值小于或等于3，之后静置沉淀0.5小时，产生的含有二价铁离子上清液返回至所述芬顿反应器1。

实施例3

某污水处理厂经部分处理后的污泥厌氧消化液，原水COD为800～1000mg/L，通入芬顿反应器1中，进行芬顿反应，经芬顿反应1.5小时后泥水混合物通入沉淀池2，静置沉淀1小时，上清液出水COD降至200～300mg/L，且每处理1吨水产生20kg含水率为96％的芬顿铁泥。

将芬顿铁泥通入生物反应器3中，富集生长含有铁还原菌的微生物的填料在生物反应器3内的填充比为30％，生物反应器3内的温度为30℃，pH值为6.8，控制反应器污泥浓度在3000～5000mg/L，第二搅拌器301对芬顿铁泥进行搅拌，反应15.0小时，将反应后产生的含有二价铁的混合液通入酸溶池4。

向所述酸溶池4加入盐酸，使得含有二价铁的混合液的pH值小于等于3，静置沉淀0.5小时，上清液中二价铁离子的浓度为1000～1500mg/L，上清液返回至芬顿反应器1中，作为芬顿反应所用的Fe²⁺药剂，通过含有铁还原菌的微生物还原反应含水率为96％的芬顿铁泥的量可减少80％～90％。

实施例4

某垃圾填埋场经生化后的垃圾渗滤液，原水COD为1500～2000mg/L，通入芬顿反应器1中，进行芬顿反应，经芬顿反应2.0小时泥水混合物通入沉淀池2，静置沉淀1小时，上清液出水COD降至500～600mg/L，且每处理1吨水产生30kg含水率为96％的铁泥。

将芬顿铁泥通入生物反应器3中，富集生长含有铁还原菌的微生物的填料在生物反应器3内的填充比为25％，生物反应器3内的温度为25℃，pH值为7.0，控制反应器污泥浓度在3000～5000mg/L，第二搅拌器301对芬顿铁泥进行搅拌，反应13.0小时，将反应后产生的含有二价铁的混合液通入酸溶池4。

向所述酸溶池4加入盐酸，使得含有二价铁的混合液的pH值小于等于3，静置沉淀0.5小时，上清液中二价铁离子的浓度为1000～1500mg/L，上清液返回至芬顿反应器1中，作为芬顿反应所用的Fe²⁺药剂，通过含有铁还原菌的微生物还原反应含水率为96％的芬顿铁泥的量可减少80％～90％。

由实施例1和2可知，经过本发明的处理芬顿铁泥的方法处理后，芬顿铁泥(含水率为96％)减少80％-90％，三价铁转化率为90％以上，大幅度降低处理芬顿铁泥的量，相应地降低处理芬顿铁泥的成本，上清液返回至芬顿反应器，循环利用，在酸性条件下，二价铁离子不易被氧化为三价铁，并且有利于启动芬顿反应。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种处理芬顿铁泥的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1.在芬顿反应器(1)中进行芬顿反应，生成的泥水混合物通入沉淀池(2)，进行静置沉淀，在所述沉淀池(2)的底部形成芬顿铁泥；

S2.将所述芬顿铁泥通入生物反应器(3)内，所述生物反应器(3)内的含有铁还原菌的微生物将所述芬顿铁泥中的三价铁还原为二价铁，反应结束后，将反应后产生的含有二价铁的混合液通入酸溶池(4)；

S3.向所述酸溶池(4)加入酸液，之后静置沉淀，产生的含有二价铁离子的上清液返回至所述芬顿反应器(1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物反应器(3)内的温度为20-35℃，pH值为6.5-7.2。

3.根据权利要求1或2任一项所述的方法，其特征在于，所述含有铁还原菌的微生物的生长载体为填料，所述填料在所述生物反应器(3)内的填充比为15％-30％；

优选地，所述生物反应器(3)内芬顿铁泥的污泥浓度为3000-5000mg/L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸液包括硫酸、硝酸、盐酸和乙酸中的至少一种。

5.根据权利要求1、2或4所述的方法，其特征在于，加入所述酸液后，所述酸溶池(4)中的所述含有二价铁的混合液的pH值小于或等于3。

6.根据权利要求1、2或4所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述芬顿反应在搅拌的条件下进行；

在步骤S2中，所述生物反应器(3)内的反应在搅拌的条件下进行。

7.一种处理芬顿铁泥的装置，其特征在于，所述装置包括：芬顿反应器(1)、沉淀池(2)、生物反应器(3)、以及酸溶池(4)；

所述芬顿反应器(1)与所述沉淀池(2)连通；

所述沉淀池(2)的底部与所述生物反应器(3)连通；

所述生物反应器(3)与所述酸溶池(4)连通；

所述酸溶池(4)的上部出口与所述芬顿反应器(1)连通。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述芬顿反应器(1)具有第一搅拌器(101)；

所述生物反应器(3)具有第二搅拌器(301)，并且所述生物反应器(3)内设置有富集生长含有铁还原菌的微生物的填料。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：储泥池(5)、排泥泵(6)、进泥泵(7)、以及回流泵(8)；

所述沉淀池(2)的底部与所述储泥池(5)连通，继而与所述生物反应器(3)连通；

所述排泥泵(6)设置在连通所述沉淀池(2)的底部与所述储泥池(5)的管路上；

所述进泥泵(7)设置在连通所述储泥池(5)与所述生物反应器(3)的管路上；

所述回流泵(8)设置在连通所述酸溶池(4)的上部出口与所述芬顿反应器(1)的管路上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在连通所述酸溶池(4)的上部出口与所述芬顿反应器(1)的管路上设置有电磁阀(F)。

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