CN117417052B - 机械力化学废水处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机械力化学废水处理设备，包括：中间污水池，具有污水进口和污水出口；至少一个机械力化学反应器，用于通过球磨处理进行废水与纳米零价铁之间的机械力化学反应；分离器，用于对机械力化学反应器处理后的料浆进行固液分离，具有料浆进口、液体出口以及料泥出口，其中，机械力化学反应器具有：反应器壳体，内部形成有反应腔体，具有进料口和出料口；转子，设置在反应腔体内；以及驱动机构，用于驱动转子转动，污水出口与进料口相连通，液体出口与污水进口相连通，料泥出口与进料口相连通，料浆进口与出料口相连通。本发明的废水处理设备能够明显提升废水中重金属的处理效果，加快处理速度，并提高最终的去除率。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及废水处理设备，具体涉及一种机械力化学的废水处理设备。
背景技术
冶金、机械制造、化工、电子等多种行业的生产过程中所产生的废水大多含有重金属离子，如铅、铬、铜、锌、镍等。对于这类含重金属的废水，工业上常使用蒸发、离子交换、渗透法等方式对重金属进行浓缩分离，或者通过还原反应将重金属从可溶的离子形态转化为不溶的沉淀形态后进行去除。
在废水中重金属离子的处理中，零价铁可以起到吸附、还原和沉淀/共沉淀等作用，是一种较为理想处理材料。传统的零价铁与废水的反应器通常为搅拌式反应器或流化床反应器，例如，CN103043844A公开了利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法及装置，其将工业废水与纳米零价铁通过电磁搅拌桨快速搅拌、充分混合后让二者进行接触反应，从而去除工业废水中锌、铜、镍等各种重金属。
由于搅拌难以让零价铁充分与重金属离子混合、接触，因此现有技术中还出现了其他的反应器形式，例如CN116161834A公开了一种基于零价铁填充床***的重金属废水处理方法，其将预处理废水送入零价铁填充床***进行处理，该零价铁填充床***包括零价铁填充床反应器，而零价铁填充床反应器设有填料层、填料层中填充有微米级零价铁。
上述填充床反应器虽然能够让零价铁与重金属废水之间形成充分接触，但其无法对零价铁的铁粉颗粒产生影响。由于纳米零价铁颗粒表面通常包裹有氧化铁壳层，影响反应过程中的电子传递效率，且还原后的重金属都将富集在颗粒表面，遮蔽反应位点，这些都影响了零价铁与重金属之间的反应效率。
发明内容
基于上述问题，为了提高零价铁与废水中重金属的反应效率，本发明提出了采用球磨设备组成机械力化学反应器的废水处理设备。
具体地，本发明提供了一种机械力化学废水处理设备，用于对含有重金属的废水进行处理形成排水，包括：中间污水池，用于储存待处理的废水以及处理中间过程形成的污水，具有污水进口和污水出口；至少一个机械力化学反应器，用于通过球磨处理进行废水与纳米零价铁之间的机械力化学反应；分离器，用于对机械力化学反应器处理后的料浆进行固液分离，具有让料浆进入的料浆进口、让分离后的液体流出的液体出口以及让分离后的料泥流出的料泥出口，其中，机械力化学反应器具有：反应器壳体，内部形成有反应腔体，具有用于让料浆进入反应腔体的进料口和让料浆流出反应腔体的出料口；转子，设置在反应腔体内；以及驱动机构，用于驱动转子转动，污水出口与进料口相连通，液体出口与污水进口相连通，料泥出口与进料口相连通，料浆进口与出料口相连通。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以包括：投料斗，用于进行纳米零价铁和球磨珠的投料，该投料斗与进料口相连通。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以具有这样的特征，反应腔体的***还设有环绕反应腔体形成并且与反应腔体不连通的冷却水腔，用于容纳对反应腔体进行冷却的冷却水。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以具有这样的特征，分离器的内部底部设有多个倾斜板。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以具有这样的特征，转子的表面覆盖有一层聚氨酯材料。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以具有这样的特征，机械力化学反应器的整***置低于料泥出口。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以具有这样的特征，中间污水池的整***置低于液体出口。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以具有这样的特征，污水出口与进料口通过污水管道连通，该污水管道上还设有用于将污水从污水出口泵向进料口的进料泵，料浆进口与出料口通过料浆管道连通，该料浆管道上还设有用于将料浆从出料口泵向料浆进口的出料泵。
本发明提供的机械力化学废水处理设备，还可以具有这样的特征，机械力化学反应器的数量为多个，各个机械力化学反应器的进料口并联，且各个机械力化学反应器的出料口并联。
发明作用与效果
根据本发明提供的机械力化学废水处理设备，由于使用了机械力化学反应器，其相当于是一种球磨设备，能够对废水与纳米零价铁形成的料浆进行高能球磨处理，一方面保证了反应物的充分混合及紧密接触，增加反应颗粒之间的接触面积、促进整个界面的扩散，从而显著加速反应，另一方面，球磨能够激活活化零价铁，使得零价铁的反应活性显著提高，实现对污染物的高能降解。由此，本发明的废水处理设备能够明显提升废水中重金属的处理效果，加快处理速度，并提高最终的去除率。
附图说明
图1是本发明实施例的机械力化学废水处理设备结构示意图。
图2是本发明实施例的机械力化学反应器的结构图。
图3是本发明实施例的机械力化学废水处理设备进行废水处理的流程图。
图4是本发明实施例的废水处理设备的废水处理效果对比图。
附图标记：
100-机械力化学废水处理设备；1-分离器；1A-料浆进口；1B-液体出口；1C-料泥出口；2-料浆管道；3-料泥回流管道；4-投料管道；5-投料斗；6-污水管道；7-中间污水池；7A-污水进口；7B-污水出口；8-进料泵；9-机械力化学反应器；91-反应器壳体；91A-进料口；91B-出料口；911-反应腔体；912-冷却水腔；912A-冷却水进口；912B-冷却水出口；92-转子；93-端盖；931-机械密封组件；94-驱动机构；95-主轴；96-轴承座；961-轴承；97-带轮；98-中间端盖；10-出料泵；11-回流阀门；12-回流管道。
具体实施方式
图1是本发明实施例的机械力化学废水处理设备结构示意图。
如图1所示，本实施例的机械力化学废水处理设备（以下简称废水处理设备）100包括分离器1、料浆管道2、料泥回流管道3、投料管道4、投料斗5、污水管道6、中间污水池7、进料泵8、机械力化学反应器9、出料泵10、回流阀门11以及回流管道12。
中间污水池7用于储存待处理的废水以及处理中间过程形成的污水，其具有污水进口7A和污水出口7B。
机械力化学反应器9用于进行污水与纳米零价铁的机械力化学反应。
图2是本发明实施例的机械力化学反应器的结构图。
如图2所示，机械力化学反应器9是一种球磨装置，用于通过球磨处理来进行污水与纳米零价铁之间的机械力化学反应，包括反应器壳体91、转子92、端盖93以及驱动机构94。其中，驱动机构94用于驱动转子92转动，包括主轴95、轴承座96、带轮97。
反应器壳体91大致呈圆柱状，内部形成有空腔，该空腔为反应腔体911。反应器壳体91上设有与反应腔体911相连通的进料口91A和出料口91B，分别用于让料浆进入、流出反应腔体911。
反应器壳体91中，反应腔体911的***还设有环绕反应腔体911形成并且与反应腔体911不连通的冷却水腔912，用于容纳对反应腔体911进行冷却的冷却水。冷却水可通过冷却水进口912A进入冷却水腔912，并从冷却水出口912B流出冷却水腔912。
转子92设置在反应腔体911内，其呈柱状，周面上设有多个环形片层。本实施例中，转子92的表面覆盖一层聚氨酯材料，用于降低球磨珠等对转子92的本体的磨损。
端盖93设置在反应器壳体91的一端，该端盖93的远离反应器壳体91的一端上安装有中间端盖98。
轴承座96设置在中间端盖98的相对于端盖93的另一侧。
主轴95通过轴承961安装在轴承座96内，其一端依次穿过中间端盖98、端盖93后延伸至反应腔体911内，该端与转子92连接，使得主轴95能够带动转子92转动。
端盖93内还设有机械密封组件931，该机械密封组件931套设在主轴95上，且位于靠近反应腔体911的位置，用于在主轴95上形成密封，防止反应腔体911内的液体泄露至轴承座96等部位。
主轴95的另一端延伸至轴承座96外，带轮97固定在该端上。驱动电机（图中未示出）通过带传动机构驱动带轮97转动，使得主轴95转动，并带动转子92在反应腔体911内转动。当反应腔体911内存在含有球磨珠的料浆时，转子92的高速转动即可强力地搅动料浆，使料浆能够在球磨珠的作用下发生机械力化学反应；该过程中将产生大量热量，通过冷却水即可将热量带走。
污水管道6用于将污水出口7B、进料口91A连通，让中间污水池7的污水能够进入反应腔体911。
进料泵8设置在污水管道6上，用于将中间污水池7的污水从污水出口7B泵向进料口91A。
投料斗5用于进行投料，包括纳米零价铁、球磨珠的投料。
投料管道4用于将投料斗5、进料口91A连通，从而引导投料斗5投入的物料进入反应腔体911。该投料管道4上设有投料阀（图中未示出），用于在不投料时对投料管道4进行封闭，防止料浆从投料斗5返流流出。
分离器1用于对经过机械力化学反应器9处理后的料浆进行固液分离处理，其内部为空腔结构，上端设有料浆进口1A，下部侧壁上设有液体出口1B，底端设有料泥出口1C。该分离器1的内部底部设有多个倾斜板（图中未示出），料浆从料浆进口1A进入后到达倾斜板处，料浆内的纳米零价铁以及纳米零价铁和污水中的重金属离子反应形成的固体沉淀可以沉积在倾斜板上，并通过倾斜板逐渐下滑到达料泥出口1C处。由此，料浆内的液体被分离，可以通过液体出口1B流出。
料浆管道2用于将料浆进口1A、出料口91B相连通，让机械力化学反应器9处理后的料浆能够进入分离器1。
出料泵10设置在料浆管道2上，用于将料浆从出料口91B泵向料浆进口1A。
料泥回流管道3用于将料泥出口1C、进料口91A连通，让料泥能够从料泥出口1C流至进料口91A处。回流阀门11设置在料泥回流管道3上，用于连通或关断料泥回流管道3。
图1中，各个部件之间的相对高低位置关系不代表实际的高低位置关系。本实施例中，机械力化学反应器9整体的实际位置低于料泥出口1C，因此料泥可以从料泥出口1C通过重力自然流至进料口91A处并进入反应腔体911。
回流管道12用于将液体出口1B、污水进口7A连通，让液体出口1B的液体能够流至污水进口7A。本实施例中，中间污水池7的整体实际位置低于液体出口1B，液体出口1B的液体能够通过重力自然流动至污水进口7A处。另外，本实施例的中间污水池7还具有废水装入口和排水出口（图中未示出），废水装入口用于装入新的待处理的废水，排水出口用于排出经过处理后达到排放标准的排水。
以下结合附图说明本实施例的废水处理设备100的工作过程。本实施例中，球磨珠采用直径2.0 mm的氧化锆珠，纳米零价铁的规格为：平均粒径约3 μm，比表面积约0.4 m2/g。另外，球磨珠的加入比例根据反应腔体911的反应体积确定，该反应体积是反应腔体911的实际用于进行球磨处理的体积，即、反应腔体911的容积减去转子体积后的体积。本实施例中，根据反应体积计，球磨珠的加入量为2.5kg/L。
图3是本发明实施例的机械力化学废水处理设备进行废水处理的流程图。
如图3所示，采用本实施例的废水处理设备100进行废水处理包括如下步骤：
步骤S1，将待处理的废水装入中间污水池7；
步骤S2，打开投料阀，通过投料斗5投入球磨珠和纳米零价铁，然后关闭投料阀；
步骤S3，启动进料泵8、出料泵10，让中间污水池7中的待处理废水从污水管道6进入反应腔体911，与球磨珠和纳米零价铁混合形成料浆；
步骤S4，向冷却水腔912内通入冷却水，启动驱动电机，让转子92转动，转速设定为2000 rpm，此时，在转子92的作用下，料浆在反应腔体911内被强力搅动，使得其中纳米零价铁以及污水在球磨珠的作用下进行机械力化学反应。
反应腔体911中的料浆经由料浆管道2进入分离器1进行过滤分离，过滤后的液体作为污水，经回流管道12回流至中间污水池7，随后即可通过污水管道6再次进入反应腔体911进行机械力化学反应；同时，过滤后的料泥经料泥回流管道3再次进入反应腔体911。由此，即可实现污水的循环处理。当处理时间足够，即中间污水池7内的污水中的重金属含量下降至可排放程度时，即可进行排水，并装入新的待处理废水。另外，在处理过程中，当分离器1中的料泥积累较少时，可以关闭回流阀门11，以免分离后的液体过多地通过回流阀门11流入反应腔体911，待料泥积累一定量时，再开启回流阀门11即可。
以下将本实施例的废水处理设备100与传统的搅拌式处理设备进行对照比较，以说明本实施例的废水处理设备100的处理效果。
其中，传统的搅拌式处理设备的整体结构与本实施例的废水处理设备100基本相同，仅其中的机械力化学反应器9被替换为机械搅拌反应器，该机械搅拌反应器包含一个反应罐以及一个两叶桨式搅拌器，反应罐具有进口和出口，二者与外部的连接关系分别与进料口91A、出料口91B相一致，两叶桨式搅拌器的搅拌叶延伸至反应罐内，对反应罐内的料浆进行机械搅拌，搅拌的转速固定为200rpm。
处理时，以废水中的Cu为指标，比较本实施例的废水处理设备100与传统的搅拌式处理设备的效果差异。分别采用两种设备进行三批次的废水处理，该三批次中，初始Cu含量依次为30 mg/L、300 mg/L、3000 mg/L，纳米零价铁的投料量依次为1 g/L、10 g/L、20 g/L。
图4是本发明实施例的废水处理设备的废水处理效果对比图。
如图4所示，三批次的废水处理中，本实施例的废水处理设备100都在处理10 min左右后达到了90%左右的Cu去除率，且反应60 min后去除率接近100%。与之相比，搅拌式处理设备在10 min左右的Cu去除率仅为50%左右，且反应60 min后的去除率也未超过60%。
实施例的作用与效果
上述废水处理效果对比的数据结果表明，相较于传统机械处理方法，本实施例的废水处理设备100中，由于使用了机械力化学反应器9，其能够明显提升废水中重金属的处理效果，加快处理速度，且提高最终的去除率。机械力化学反应器9的处理效率高的原因是，机械力化学反应器9相当于是一种球磨设备，其通过高能球磨处理，一方面保证了反应物的充分混合及紧密接触，且反应腔体911形成高压，增加了反应颗粒之间的接触面积、促进了整个界面的扩散，从而显著加速反应；另一方面，球磨能够起到激活活化固体，即、活化零价铁的作用，当通过球磨处理对零价铁施加机械力时，应变场会通过原子从晶格节点上平衡位置的位移、键长和键角的变化，以及在某些情况下电子***的激发而具体体现出来，使得零价铁的反应活性显著提高，实现对污染物的高能降解。
此外，实施例中，由于使用中间污水池7对污水进行容纳，采用了分离器1对料浆中的固体和液体进行分离并将液体作为污水回流至中间污水池7、料泥回流至机械力化学反应器9的反应腔体，因此，可以有效地实现固液分离，并实现污水的循环处理。其中，由于机械力化学反应器9整体的位置低于料泥出口1C、中间污水池7的位置低于液体出口1B，因此分离后的料泥和污水能够通过重力自然地回流，能够节约能源。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明的废水处理设备100不限于上述实施例所描述的范围。
例如，实施例中，机械力化学反应器9的数量为1个，但在本发明中，为了提升处理量，也可以设置多个机械力化学反应器9，各个机械力化学反应器的进料口91A并联，且机械力化学反应器的出料口91B并联即可。
另外，实施例中的中间污水池7的位置整体较低，且污水进口7A的位置低于液体出口1B，因此分离器1分离处的液体通过重力自然地流入中间污水池7。作为替代方案，在其他实施例中，也可以不采用这种位置高低的设置方式，而是在回流管道12上设置回流泵以驱动液体向中间污水池7流动。
Claims (9)
1.一种机械力化学废水处理设备，用于对含有重金属的废水进行处理形成排水，其特征在于，包括：
中间污水池，用于储存待处理的废水以及处理中间过程形成的污水，具有污水进口和污水出口；
至少一个机械力化学反应器，用于通过球磨处理进行所述废水与纳米零价铁之间的机械力化学反应；
分离器，用于对所述机械力化学反应器处理后的料浆进行固液分离，具有让所述料浆进入的料浆进口、让分离后的液体流出的液体出口以及让分离后的料泥流出的料泥出口，
其中，所述机械力化学反应器为球磨装置，具有：
反应器壳体，内部形成有反应腔体，具有用于让料浆进入所述反应腔体的进料口和让所述料浆流出所述反应腔体的出料口；
转子，设置在所述反应腔体内；以及
驱动机构，用于驱动所述转子转动，
所述污水出口与所述进料口相连通，所述液体出口与所述污水进口相连通，所述料泥出口与所述进料口相连通，所述料浆进口与所述出料口相连通。
2.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于，还包括：
投料斗，用于进行纳米零价铁和球磨珠的投料，该投料斗与所述进料口相连通。
3.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于：
其中，所述反应腔体的***还设有环绕所述反应腔体形成并且与所述反应腔体不连通的冷却水腔，用于容纳对所述反应腔体进行冷却的冷却水。
4.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于：
其中，所述分离器的内部底部设有多个倾斜板。
5.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于：
其中，所述转子的表面覆盖有一层聚氨酯材料。
6.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于：
其中，所述机械力化学反应器的整***置低于所述料泥出口。
7.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于：
其中，所述中间污水池的整***置低于所述液体出口。
8.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于：
其中，所述污水出口与所述进料口通过污水管道连通，该污水管道上还设有用于将所述污水从所述污水出口泵向所述进料口的进料泵，
所述料浆进口与所述出料口通过料浆管道连通，该料浆管道上还设有用于将所述料浆从所述出料口泵向所述料浆进口的出料泵。
9.根据权利要求1所述的机械力化学废水处理设备，其特征在于：
其中，所述机械力化学反应器的数量为多个，各个所述机械力化学反应器的所述进料口并联，且各个所述机械力化学反应器的所述出料口并联。
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