CN112028382A - 一种重金属酸性废水处理***及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种重金属酸性废水处理***,包括依次相连的初次过滤部、置换部、pH调节池,还原处理部和生化处理部,所述还原处理部包括相同设置的第一还原部和第二还原部,所述第一还原部侧壁上部固定安装有进水管,下部固定安装有可以打开和闭合的出水管,出水管处设置有滤网,第一还原部上部设有可以打开和闭合的气体通过口,气体通过口外接充气设备或气体收集设备,第一还原部底部设置有加热槽,第一还原部内部安装设有多块过滤板,过滤板水平放置或倾斜放置,过滤板的过滤材料为海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料。本发明通过整个***的协同作用,能够高效去除重金属污染的酸性废水中的重金属和硫酸根离子。
Description
技术领域
本发明属于环境保护中废水处理技术领域,具体涉及一种重金属酸性废水处理***及处理方法。
背景技术
重金属废水是指矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中排出的含重金属的废水。主要指砷、铅、锌、铬、钴、镉、镍、汞、铜等重金属。重金属进入水体后,在食物链上具有放大作用,可在人体某些器官积聚造成中毒,危害人体健康。废水中的重金属一般不能分解破坏,只能转移其存在位置和转变其物化形态。处理方法有化学沉淀法、吸附法、还原法、膜分离法、离子交换法和混凝法等进行处理,处理后的水中重金属低于排放标准可以排放或回用,但上述方法中膜分离法和离子交换法运行费用较高,混凝法会产生大量浮渣,其余方法单独使用时对于处理含有多种重金属的酸性废水来说,其处理效果有限。
海绵铁又名直接还原铁(DRI),其主要活性成分(≥97%)与普通还原性铁粉完全一致,为单质铁或零价铁,但其空隙率极高,比表面积较大,还原活性高,为高效率水处理除氧剂,海绵铁对水体中有机物、重金属和无机盐等污染物都具有很好的去除性能,是一类极具潜力的零价铁材料。
脱硫弧菌生物修复技术应用于某些重金属和硫酸根污染的工业废水中,即利用脱硫弧菌在厌氧条件下将硫酸根离子异化还原代谢为硫化氢,硫化氢与废水中的重金属结合生成难溶的金属硫化物沉淀而将其去除。
发明专利CN 106115932 B公开了海绵铁与微生物协同去除硫酸盐和Cr(Ⅵ)废水的方法;该方法在厌氧条件下,将海绵铁溶液A、硫酸盐还原菌的菌悬液B和铁还原菌的菌悬液C以体积比为1:1:1~1:3:4混合,陈化30~60min,反应结束后,用脱氧去离子水反复洗涤海绵铁/微生物微球,在无菌生理盐水中浸泡;得到海绵铁与硫酸盐还原菌/铁还原菌的混合物;所得海绵铁与硫酸盐还原菌/铁还原菌的混合物与硫酸盐和Cr(Ⅵ)废水混合,常温下反应24小时以上,同时净化废水中硫酸盐和Cr(Ⅵ)。本发明方法对Cr(Ⅵ)金属的去除率达到89%以上,所需设备简单、反应在常温常压下完成,产物为固相,反应体系为液相,产物容易分离,用于大规模工业生产。发明专利中利用海绵铁同时负载了硫酸盐还原菌和铁还原菌,说明海绵铁在还原硫酸根的过程中发生变化后,其还原作用会减弱,因此该发明利用海绵铁同时负载铁还原菌,且铁还原菌的用量大于硫酸盐还原菌的用量,其作用在于使海绵铁保持还原能力,对比文献中利用海绵铁负载两种菌,不能控制海绵铁对两种细菌的负载量,且铁还原菌用量多于脱硫弧菌,使得脱硫弧菌负载量更少,不能有效地去除重金属。
发明专利CN 104071975 B公开了一种矿山重金属酸性废水的处理装置及其处理方法,所述处理装置通过泵***、导水管***实现液体在沉淀池、还原装置、脱硫装置、PRB装置与pH调节池之间的流动,实现废水中硫酸盐的还原、废水脱硫处理、重金属污染去除与废水的pH调节。本发明工艺程序简单、操作简易、成本低、效率高、可以实现矿山重金属污染酸性废水治理的规模化与工程化应用,同时,整个工艺流程污染物均在相对密闭空间内,有效的避免污染治理过程中二次污染的产生,可广泛应用于不同类型矿山重金属污染酸性废水的安全处置,能有效的去除废水中的砷、铅、铜、锌、铬与镉等重金属污染。发明专利中的还原装置仅用于去除废水中的硫酸盐,而重金属是利用PRB(可渗透反应墙)装置进行去除,反应墙的大小根据需处理水量的大小确定,面价越大,造价越高。
发明内容
为了克服现有技术中的问题,本申请提供一种重金属酸性废水处理***及处理方法,本发明通过置换部和还原反应部的协同作用,能够高效去除重金属污染的酸性废水中的重金属和硫酸根离子。
为了实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种重金属酸性废水处理***,包括依次相连的初次过滤部、置换部、pH调节池,还原处理部和生化处理部,所述初次过滤部、置换部、pH调节池、还原处理部和生化处理部之间通过管道相连接,各连接管道上设有提升泵。
所述还原处理部包括相同设置的第一还原部和第二还原部,所述第一还原部侧壁上部固定安装有进水管,下部固定安装有可以打开和闭合的出水管,所述出水管处设置有滤网,滤网用于过滤第一还原部内进入溶液中的海绵铁。所述第一还原部上部设有可以打开和闭合的气体通过口,所述气体通过口外接充气设备或气体收集设备,第一还原部和第二还原部需要厌氧环境,反应时通过充气设备通入高纯氮气除氧,反应结束后产生的气体进行收集。所述第一还原部底部设置有加热槽,所述第一还原部内部安装设有多块过滤板,所述过滤板水平放置或倾斜放置,所述过滤板的过滤材料为海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料,所述第一还原部的出水管与第二还原部的进水管通过管道连接,所述管道上设有提升泵。
进一步地,所述初次过滤部侧壁上部设置有至少一个进水口,侧壁下部上有出水口,所述进水口的下方设置有滤网,多个进水口同时进水,使得进水均匀的通过滤网后,除掉废水中的大颗粒物质。
进一步地,所述滤网的下方设有活性炭吸附板,通过活性炭吸附板进行废水初步处理。
进一步地,所述置换部上部设有喷洒管,所述喷洒管底壁上设有多个均匀排列的喷头组,所述喷头组喷洒铁粉,用于除去废水中的少量重金属。
进一步地,所述置换部设有第一搅拌装置,用于加速反应。
进一步地,所述置换部底部为圆锥形,设置圆锥形有利于置换出来的重金属沉淀。
进一步地,所述置换部底部设有出口,用于沉淀从出口排出。
进一步地,所述pH调节池与药剂池相连,所述药剂池通过加药泵进行加药,所述pH调节池设有第二搅拌装置。用于加入调节药剂后搅拌均匀。
进一步地,所述第一还原部和第二还原部均设有检测装置,所述检测装置包括温度检测仪、氧气浓度检测仪、pH值检测仪中的一种或几种,用于监测还原处理部的温度,氧气浓度和废水pH值。
一种重金属酸性废水处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、废水经初步过滤后,加入铁粉进行置换反应,沉淀后得到上层液体和沉淀;
S2、将步骤S1得到的上层液体调节pH为中性后,利用海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料进行处理,反应温度为20-37℃,除掉上层液体中的重金属;
S3、将步骤S2处理后的液体再次利用海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料进行处理,反应温度为20-37℃,除掉液体中的硫酸根离子;
S4、将步骤S3处理后的液体进行生化处理,除掉液体中的有机物。
进一步地,步骤S1中置换反应的时间为6-12h,步骤S2和S3中与海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料的反应时间为12-24h。
进一步地,所述海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料中海绵铁溶液与对数生长期脱硫弧菌菌悬液的体积比为1:1-5。
工作原理如下:重金属酸性废水中含有重金属和大量的硫酸根离子以及其他物质,置换部的铁粉不仅置换出一部分重金属离子,同时还会和废水中的氢离子反应,生成氢气,降低废水的酸度,消除酸度环境更加有利于脱硫弧菌的反应,经过置换部处理的废水主需要少量的调节试剂即可调节废水的pH为中性。
海绵铁具有多孔内部结构且比表面积大,负载脱硫弧菌的数量较多,在厌氧条件下,脱硫弧菌将硫酸根还原为二价硫化物,同时海绵铁具有的还原活性将重金属还原后,再与S2-反应生成硫化物沉淀。由于海绵铁还原重金属后,其表面产生的铁氧化物如Fe2O3、FeOOH和Fe3O4等吸附在海绵铁表面,因此大量的硫酸根离子不能完全去除,因此再次利用海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料进行处理,去除残余的重金属以及硫酸根,最后利用现有的厌氧-缺氧-好氧的生化处理***处理剩余有机物质。
本发明的有益效果如下:
一、本申请中设置的第一还原部可以去除利用铁粉置换后剩余的重金属和部分硫酸根,其中将海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料进设置为过滤板的形式且倾斜放置,可以增大废水与耦合材料的接触面积,相比将废水直接加入海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料进的溶液中能够更好地去除重金属;由于海绵铁还原重金属后,其表面产生的铁氧化物如Fe2O3、FeOOH和Fe3O4等吸附在海绵铁表面,大量的硫酸根离子不能完全去除,因此利用第二还原部可以去除经过第一还原部后的残余的重金属以及剩余的大部分硫酸根,生成不溶于水的硫化物后去除,反应过程中生成的气体收集后进行处理,不会污染环境。
二、本申请中设置了利用铁粉进行反应的置换部,具有以下作用:(1)通过铁粉的置换将废水中的与铁粉优先反应的重金属置换出来(例如铜),减轻后续海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料的处理负担;(2)酸性废水中含有大量H+,加入铁粉后能消除废水中的氢离子,生成无污染的氢气,降低废水的酸度;(3)酸性废水不利于脱硫弧菌的生长,加入铁粉消除后,只需加入少量的调节药剂即可将废水调节为中性,节省了调节药剂的用量,为下一步利用海绵铁负载脱硫弧菌的耦合体系处理打下基础。
三、本申请通过置换加还原处理过程,高效去除了酸性重金属废水中的重金属和硫酸根,在经过生物处理,变成无污染物质后,可以安全排放。
附图说明
图1为本申请中的处理***结构示意图;
附图标记
1、过滤部;2、置换部;3、pH调节池;4、还原处理部;5、生化处理部;6、提升泵;
11、进水口;12、出水口;13、滤网;14、活性炭网;
21、喷洒管;22、喷头组;23、出口;24、第一搅拌装置;
31、药剂池;32、加药泵;33、第二搅拌装置;
41、第一还原部;42、第二还原部;
411、进水管;412、出水管;413、气体通过口;414、加热槽;415、过滤板;416、海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。
1、重金属酸性废水处理***
一种重金属酸性废水处理***,包括初次过滤部1、置换部2、pH调节池3、还原处理部4和生化处理部5,其中初次过滤部1、置换部2、pH调节池3、还原处理部4和生化处理部5依次通过管道相连接,各连接管道上设有提升泵6,在本实施例中,具体连接方式为初次过滤部1的下部与置换部2的上部相连,置换部2的下部与pH调节池3的上部相连,pH调节池3的下部与还原处理部4的上部相连,还原处理部4的上部与所述生化处理部5的上部相连,各装置之间通过耐腐蚀管道相连接,通过耐腐蚀提升泵6进行传送。
初次过滤部1侧壁上部设置有至少一个进水口11,侧壁下部上有出水口12,进水口11的下方设置有滤网13,用于去除废水中的大颗粒杂质,滤网13的下方设有活性炭吸附板14,通过活性炭吸附板14进行废水初步处理后,废水从初次过滤部1排出进入置换部2。
置换部2设有喷洒管21,喷洒管21底壁上设有多个均匀排列的喷头组22,其中喷洒组22用于喷洒铁粉,当废水进入置换部后,喷洒一定量铁粉,使铁粉与废水中的重金属发生置换反应,用于除去废水中的少量重金属,同时铁粉也会和废水中的H+反应,降低废水的酸度,置换部底部为圆锥形,圆锥形设置有利于置换出来的重金属沉淀,圆锥形的底部设有出口23,用于沉淀后的重金属从出口排出,优选地,置换部还设有第一搅拌装置24,用于加速置换反应的完成,静置沉淀后从置换部2排出的废水进入pH调节池3。
pH调节池3与药剂池31相连,所述药剂池31通过加药泵32进行加药,用于将废水调节为中性,具体的调节pH为6-8,pH调节池3设有第二搅拌装置33,优选地,设置pH检测装置(图上未示出)对液体进行监测,从pH调节池排出的废水进入还原处理部4。
还原处理部4包括相同设置的第一还原部41和第二还原部42,第一还原部41侧壁上部固定安装有进水管411,下部固定安装有可以打开和闭合的出水管412,其中出水管412处设置有滤网(图上未示出),防止废水中的海绵铁顺着水流排出。
第一还原部41上部设有可以打开和闭合的气体通过口413,气体通过口413外接充气设备或气体收集设备,通过气体通过口413充入氮气,除掉容器内的氧气和液体中的溶解氧,保证反应的厌氧环境,反应结束后,通过气体通入口413收集反应产生气体,进行其他处理。
第一还原部41底部设置有加热槽414,第一还原部41内部安装设有多块过滤板415,其中过滤板415水平放置或倾斜放置,在本实施例中,过滤板415倾斜放置,在其他的实施方式中,过滤板415也可以倾斜放置和水平放置组合起来,过滤板415的过滤材料为海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料416,第一还原部41的出水管412与第二还原部42的进水管通过管道连接,管道上设有提升泵用于提升废水。
第一还原部41内还设有温度检测仪、氧气浓度检测仪、pH值检测仪,用于检测废水的温度,容器内的氧气浓度,以及废水的pH值,为海绵铁负载脱硫弧菌的耦合体系提供适合的环境。
本实施例中的脱硫弧菌是从中国普通微生物菌种保藏管理中心(中国北京市朝阳区,邮编100101,编号1.3469)购买的一株脱硫弧菌,进行扩大培养后取对数生长期细菌制成菌悬液。
生化处理部5用于将废水中的有机物降解,生化处理部采用现有的厌氧-缺氧-好氧的生化处理***处理剩余有机物质,合格后排放。
2、重金属酸性废水处理方法
采集湖南某矿山重金属污染酸性废水,处理前检测废水pH值、SO4 2-和铜、锌、镉、铅各组分的浓度。
实施例1
(1)将酸性废水经初步过滤后除掉大颗粒杂质,加入铁粉搅拌反应6h,静置后得到上层液体和沉淀;
(2)将海绵铁溶液与脱硫弧菌菌悬液按体积比为1:1混合后制备海绵铁溶液负载脱硫弧菌悬液的耦合体系,将步骤1得到的上层液体调节pH为中性后,利用的耦合材料进行处理12h,反应温度为37℃,除掉上层液体中剩余的重金属离子;
(3)将步骤2处理后的液体再次利用海绵铁溶液与脱硫弧菌悬液的耦合材料进行处理12h,反应温度为37℃,除掉液体中的硫酸根离子;
(4)将步骤3处理后的液体进行生化处理,除掉液体中的有机物。
实施例2
(1)将酸性废水经初步过滤后除掉大颗粒杂质,加入铁粉搅拌反应10h,静置后得到上层液体和沉淀;
(2)将海绵铁溶液与脱硫弧菌菌悬液按体积比为1:3混合后制备海绵铁溶液负载脱硫弧菌悬液的耦合体系,将步骤1得到的上层液体调节pH为中性后,利用的耦合材料进行处理20h,反应温度为37℃,除掉上层液体中剩余的重金属离子;
(3)将步骤2处理后的液体再次利用海绵铁溶液与脱硫弧菌悬液的耦合材料进行处理20h,反应温度为37℃,除掉液体中的硫酸根离子;
(4)将步骤3处理后的液体进行生化处理,除掉液体中的有机物。
实施例3
(1)将酸性废水经初步过滤后除掉大颗粒杂质,加入铁粉搅拌反应12h,静置后得到上层液体和沉淀;
(2)将海绵铁溶液与脱硫弧菌菌悬液按体积比为1:5混合后制备海绵铁溶液负载脱硫弧菌悬液的耦合体系,将步骤1得到的上层液体调节pH为中性后,利用的耦合材料进行处理24h,反应温度为30℃,除掉上层液体中剩余的重金属离子;
(3)将步骤2处理后的液体再次利用海绵铁溶液与脱硫弧菌悬液的耦合材料进行处理24h,反应温度为30℃,除掉液体中的硫酸根离子;
(4)将步骤3处理后的液体进行生化处理,除掉液体中的有机物。
对比例1
(1)将酸性废水废水进行初步过滤除掉大颗粒杂质。
(2)将海绵铁溶液与脱硫弧菌菌悬液按体积比为1:2混合后制备海绵铁溶液负载脱硫弧菌悬液的耦合体系,将步骤1得到的液体调节pH为中性后,利用的耦合体系进行处理12h,除掉上层液体中剩余的重金属离子;
(3)将步骤2处理后的液体再次利用海绵铁溶液与脱硫弧菌悬液的耦合体系进行处理12h,除掉液体中的硫酸根离子;
(4)将步骤3处理后的液体进行生化处理,除掉液体中的有机物。
对比例2
(1)将酸性废水废水经初步过滤后除掉大颗粒杂质,加入铁粉搅拌反应6h,静置后得到上层液体和沉淀;
(2)将海绵铁溶液与脱硫弧菌菌悬液按体积比为1:2混合后制备海绵铁溶液负载脱硫弧菌悬液的耦合体系,将步骤1得到的上层液体调节pH为中性后,利用的耦合体系进行处理24h,除掉上层液体中剩余的重金属离子;
(3)将步骤3处理后的液体进行生化处理,除掉液体中的有机物。
3、去除率检测
将实施例1-3与对比例1-2处理后水pH值、SO4 2-和铜、锌、镉、铅各组分的浓度进行检测,其中pH检测利用pH计进行检测,SO4 2-利用离子色谱法检测,重金属利用原子吸收分光光度法检测,测试结果取三次结果的平均值。
参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),对处理前后进行比较,结果如表1所示。
表1
实施例1与对比例1相比,对比例1中没有利用铁粉进行置换过程,由表1可知,对比例1中去除重金属的能力较实施例1-3有所下降,大约下降20-30%。对比例2中为设置一次海绵铁负载脱硫弧菌耦合体系处理24h,与实施例1中分别处理12h相比,去除重金属能力大幅降低,尤其SO4 2-去除能力,分析是由于由于海绵铁还原重金属后,其表面产生的铁氧化物如Fe2O3和Fe3O4等吸附在海绵铁表面所致。废水pH值经处理后,酸度均已改进。
本发明原理如下:将废水经过初次过滤后去除大颗粒杂质,利用铁粉置换出溶液中的一部分重金属,同时铁粉还能消除废水中的氢离子,降低废水的酸度,降低酸度的废水经过小剂量药剂的pH调节后,调节成符合脱硫弧菌生长的中性条件,海绵铁具有多孔内部结构且比表面积大,负载脱硫弧菌的数量较多,在厌氧条件下,脱硫弧菌将硫酸根还原为二价硫化物,因此在第一还原部的海绵铁负载脱硫弧菌的耦合体系中除掉重金属离子和少部分的硫酸根离子,同时海绵铁具有的还原活性将重金属还原后,再与S2-反应生成硫化物沉淀。由于海绵铁还原重金属后,其表面产生的铁氧化物如Fe2O3和Fe3O4等吸附在海绵铁表面,因此大量的硫酸根离子不能完全去除,因此再经过第二还原部的海绵铁负载脱硫弧菌的耦合体系中进一步除掉残留的重金属离子和剩余的大部分硫酸根,最后将废水通过生化处理除掉其他的有机物质等。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种重金属酸性废水处理***,其特征在于,包括依次相连的初次过滤部、置换部、pH调节池,还原处理部和生化处理部,所述初次过滤部、置换部、pH调节池、还原处理部和生化处理部之间通过管道相连接,各连接管道上设有提升泵;
所述还原处理部包括相同设置的第一还原部和第二还原部,所述第一还原部侧壁上部固定安装有进水管,下部固定安装有可以打开和闭合的出水管,所述出水管处设置有滤网,所述第一还原部上部设有可以打开和闭合的气体通过口,所述气体通过口外接充气设备或气体收集设备,所述第一还原部底部设置有加热槽,所述第一还原部内部安装设有多块过滤板,所述过滤板水平放置或倾斜放置,所述过滤板的过滤材料为海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料,所述第一还原部的出水管与第二还原部的进水管通过管道连接,所述管道上设有提升泵。
2.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理***,其特征在于,所述初次过滤部侧壁上部设置有至少一个进水口,侧壁下部上有出水口,所述进水口的下方设置有滤网,所述滤网的下方设有活性炭吸附板,废水通过滤网去除掉中大颗粒杂质,通过活性炭吸附板进行废水初步处理。
3.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理***,其特征在于,所述置换部上部设有喷洒管,所述喷洒管底壁上设有多个均匀排列的喷头组,所述喷头组喷洒铁粉,用于除去废水中的少量重金属。
4.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理***,其特征在于,所述置换部设有第一搅拌装置,用于加速反应。
5.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理***,其特征在于,所述置换部底部为圆锥形,所述置换部的底部设有出口。
6.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理***,其特征在于,所述pH调节池与药剂池相连,所述药剂池通过加药泵进行加药,所述pH调节池设有第二搅拌装置。
7.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理***,其特征在于,所述第一还原部和第二还原部均设有检测装置,所述检测装置包括温度检测仪、氧气浓度检测仪、pH值检测仪中的一种或几种。
8.一种重金属酸性废水处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、废水经初步过滤后,加入铁粉进行置换反应,沉淀后得到上层液体和沉淀;
S2、将步骤S1得到的上层液体调节pH为中性后,利用海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料进行处理,反应温度为20-37℃,除掉上层液体中的重金属;
S3、将步骤S2处理后的液体再次利用海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料进行处理,反应温度为20-37℃,除掉液体中的硫酸根离子;
S4、将步骤S3处理后的液体进行生化处理,除掉液体中的有机物。
9.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理方法,其特征在于,步骤S1中置换反应的时间为6-12h,步骤S2和S3中与海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料的反应时间为12-24h。
10.根据权利要求1所述的一种重金属酸性废水处理方法,其特征在于,所述海绵铁负载脱硫弧菌的耦合材料中海绵铁溶液与对数生长期脱硫弧菌菌悬液的体积比为1:1-5。
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