申请日2017.06.07
公开(公告)日2017.09.29
IPC分类号C02F1/62
摘要
本发明涉及一种多级布置均匀活化零价铁去除重金属的水处理系统及其方法，所述方法为：污水流入过滤床体，同时在过滤床体内多级均匀布置氧化剂，使氧化剂活化过滤床体内的零价铁，污水经过过滤床体排出即得净化水。本发明还公开了实施该方法的水处理系统，包括氧化剂储存容器以及含有零价铁的过滤床体;所述过滤床体设置有污水进口;所述氧化剂储存容器通过氧化剂多级布置装置与所述过滤床体连接。本发明对重金属污染物具有更高效和稳定的处理能力，操作简单，在工业上的实现是经济可行的。
权利要求书
1.一种多级布置均匀活化零价铁去除重金属的水处理方法，其特征在于，污水进入过滤床体，同时在过滤床体内多级均匀布置氧化剂，使氧化剂活化过滤床体内的零价铁，污水经过过滤床体排出即得净化水。
2.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于，所述方法具体为：预检测污水，调节pH值，通过管道流入过滤床体内，同时氧化剂从氧化剂储存容器中通过氧化剂多级布置装置进入过滤床体内，氧化剂均匀活化零价铁，所述污水通过活化后的零价铁，从过滤床体的出口流出，进行沉淀处理，即得净化水;
所述预检测包括检测污水中重金属的含量、检测污水的pH值;
所述污水调节后的pH值为5.0～9.0，优选为6.0～8.0，进一步优选为7.5;
所述沉淀处理具体为：水从过滤床体的出口流入沉淀区，沉淀区内的水流逐渐升高，从溢流区流出，即得净化水。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧化剂选自过氧化钠、过氧化钾、臭氧、氯气、二氧化氯、次氯酸、高锰酸钾、次氯酸钠、次氯酸钙、高氯酸盐、氯酸盐、高铁酸盐、双氧水中的一种或多种;
优选地，所述活化剂选自高锰酸钾、次氯酸钠、氯酸盐、双氧水中的一种或多种;
进一步优选地，所述氧化剂为次氯酸钠;
所述污水中的重金属选自砷、汞、镉、铅、铬、硒、锑、铜、锌、金、银中的一种或多种;
所述重金属的浓度为0～100mg/L，其中砷和锑的总浓度为0～50mg/L;
所述氧化剂与所述重金属的总摩尔的比为8～20：1，优选为10:1。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述污水流入的速率为每小时3～20倍床体积流量，优选为每小时10倍床体积流量。
5.实施权利要求1-4任一所述方法的水处理系统，其特征在于，包括氧化剂储存容器以及含有零价铁的过滤床体;所述过滤床体设置有污水进口;所述氧化剂储存容器通过氧化剂多级布置装置与所述过滤床体连接。
6.根据权利要求5所述的水处理系统，其特征在于，所述氧化剂多级布置装置包括主管及多个支管;所述氧化剂储存容器与主管连接，所述主管连接于均匀分布在过滤床体内的支管;
所述支管的数量为每立方米过滤床体至少包含2根支管，优选为8根支管;
所述零价铁选自钢珠、铁粒中的一种或两种;零价铁的粒径为8～100目，优选为15～80目;
所述过滤床体内设有均匀分布的多层筛网，所述筛网的层数不少于2层，优选为8层;每层筛网至少对应一个支管。
7.根据权利要求6所述的水处理系统，其特征在于，所述氧化剂储存容器与所述过滤床体中设有水流控制泵;所述氧化剂储存容器内设有搅拌装置;
所述过滤床体的出口连有沉淀区，优选所述沉淀区呈漏斗状;
所述沉淀区连有溢流区，所述沉淀区与所述溢流区间设有隔板，隔板上设有多个孔隙。
8.根据权利要求6或7所述的水处理系统，其特征在于，所述系统还包括气水反冲洗装置，所述气水反冲洗装置及所述氧化剂储存容器与所述过滤床体并联连接;
所述气水反冲洗装置及所述氧化剂储存容器与所述过滤床体间分别设有阀门;所述气水反冲洗装置包含风机;
所述过滤床体的顶部设有液位触发器;所述过滤床体的上部设有污泥流出管道，所述管道连有污泥池。
9.根据权利要求6-8任一所述的水处理系统，其特征在于，污水流入过滤床体内，所述滤床堵塞时，关闭污水及氧化剂流入阀门，打开所述气水反冲洗装置中的风机，通过管道曝气，冲洗滤料，杂质通过过滤床体上部的管道流出，流入污泥池内;
优选地，污水泵入过滤床体内，水位升高，所述污水接触到液位触发器时，关闭污水及氧化剂流入阀门，打开所述气水反冲洗装置中的风机，通过管道曝气，冲洗滤料，关闭风机，冲洗水通过管道流入，进行为膨胀冲洗1～10分钟，膨胀率为3～6%，冲洗水和杂质通过过滤床体上部的管道流出，流入污泥池内。
10.根据权利要求5所述的水处理系统，其特征在于，所述氧化剂多级布置装置为多孔隔板和格栅;
所述过滤床体内还包含其他过滤材料，所述其他过滤材料选自石英砂、沸石、陶粒或火山岩中的一种过多种，优选为石英砂;所述零价铁与所述其他过滤材料的比例为1:0～10;零价铁的粒径为8～100目，优选为15～80目;按照进水流动的方向，所述过滤床体进水侧顺次布置格栅和竖直的多孔隔板;所述隔板的孔径为5～20mm。
11.根据权利要求10所述的水处理系统，其特征在于，所述水处理系统用于处理污水的具体方法为：在河床内开挖沟槽，沟槽内放置所述过滤床体;按照进水流动的方向，所述过滤床体进水侧顺次布置格栅、多孔隔板、透水性尼龙网，出水侧也设置有隔板，过滤床体的底部设置排水阀门，格栅高出河流最高水位0.3～0.8m;所述多孔隔板优选为不锈钢板。
说明书
多级布置均匀活化零价铁去除重金属的水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种利用零价铁进行水处理的系统及方法，具体为多 级布置均匀活化零价铁去除重金属的水处理系统及方法。
背景技术
零价铁(ZVI)具有低毒性、环境友好、价格便宜、易操作、绿 色无二次污染等优点，已成为受污染水体修复的重要技术之一，在 偶氮染料污水、氯代有机物污水、硝酸盐污水、高氯酸盐、除草剂、 重金属污水等污水治理方面备具广阔的应用前景。零价铁(ZVI)材 料应用主要包括铁屑、铁粉、纳米铁粉和海绵铁。零价铁(ZVI)颗 粒能够还原、吸附、沉淀去除多重重金属等有害物质。零价铁去除 污染物的机理分为：(1)铁的还原作用：铁是活泼金属，具有独特 的双层结构和阴离子层，电子高效传递给重金属离子，对重金属污 染物较强的还原性。(2)微电解作用：零价铁(ZVI)具有电化学 特性，电极反应中产生新生态[H]和Fe2+能与污水中的很多组分发生 氧化还原作用将很多污染物降解还原。(3)混凝、吸附或者共沉淀 作用：铁在腐蚀过程中会产生针铁矿、无定型氢氧化铁、HFO、絮 状的Fe(OH)2和Fe(OH)3等活性铁成分，他们具有很强的吸附、絮 凝、黏结、表面络合、螯合、架桥、卷扫、界面氧化、共沉淀能力， 藉此可控制重金属固液界面迁移。
零价铁去除水中重金属研究已经有一定基础，但是实际应用还 存在诸多问题。零价铁易与空气中的氧气分子和水中的溶解氧发生 反应，表面生成一层1～4nm致密的铁氧钝化层，导致腐蚀缓慢，反 应活性降低。零价铁(ZVI)内核被铁氧化物包裹而隔断进一步的腐 蚀及与污染物的接触，导致整体活性低，效率下降。为了克服零价 铁(ZVI)表面钝化，学界进行了许多尝试，包括制备纳米零价铁 (nZVI)、双金属系氧化物、外加弱磁场、超声波协同作用、负载型 纳米零价铁、杂化重金属离子(钯、镍)、酸溶等。上述改进一定程 度上能提高零价铁(ZVI)活性和增强重金属去除效率，但都存在诸 如成本过高、工程实施困难、带来二次污染等问题。
发明内容
基于上述背景技术，本发明的目的在于提供一种多级布置氧化 剂，可均匀活化零价铁去除重金属的水处理方法;通过布置网络状管 路，在床体空间内实现均匀的布置的氧化剂，使滤床内的零价铁得到 均匀的活化，使其更高效和稳定的去除水体中的重金属。
所述水处理方法具体为，污水进入过滤床体，同时在过滤床体内 多级均匀布置氧化剂，使氧化剂活化过滤床体内的零价铁，污水经过 过滤床体排出即得净化水。
本发明进一步提出的，所述水处理方法为：预检测污水中重金属 的含量以及污水的pH值，调节pH值，配置氧化剂的。污水通过管 道流入过滤床体内，同时氧化剂从氧化剂储存容器中通过氧化剂多级 布置装置进入过滤床体内，活化零价铁，所述污水通过活化后的零价 铁，从过滤床体的出口流出，再进行沉淀处理，即得净化水。
所述氧化剂多级布置装置可为网络状管路，可垂直方向，也可水 平方向布置。
所述沉淀处理具体为：从过来床体处理处理沉淀区，水中固体沉 淀会逐渐沉积在沉淀区的下部，沉淀区内的水流逐渐升高，水从溢流 区流出，即得净化水;
所述污水调节后的pH值为5.0～9.0，优选为6.0～8.0，进一步优 选为7.5。
本发明进一步提出，所述氧化剂选自过氧化钠、过氧化钾、臭氧、 氯气、二氧化氯、次氯酸、次氯酸钠、次氯酸钙、高氯酸盐、高锰酸 钾、氯酸盐、高铁酸盐、双氧水中的一种或多种;
优选地，所述活化剂选自高锰酸钾、次氯酸钠、氯酸盐、双氧水 中的一种或多种;
进一步优选地，所述氧化剂为次氯酸钠;
所述污水中重金属选自砷、汞、镉、铅、铬、硒、锑、铜、锌、 金、银中的一种或多种;
所述氧化剂与所述重金属的总摩尔的比为8～20：1，优选为10:1;
所述污水调节后的pH值为5.0～9.0，优选为6.0～8.0，进一步优 选为7.5;
所述重金属的浓度为0～100mg/L。
所述污水中重金属包括砷和/或锑，其中所述砷和锑的总浓度为 0～50mg/L。
所述污水流入的速率为每小时3～20倍床体积流量，优选为每小 时10倍床体积流量。
本发明可以处理水体包括污水、矿山污水、工农业污水、饮用水、 地表水应急处理、地下污染河流等，可以有效的去除上述水体中的重 金属，尤其是对砷、锑的去除效果显著。
本发明进一步提出的，所述水处理方法具体为：污水泵入过滤床 体内，由于污水中的固体污染物会逐渐堵塞过滤床体，污水在过滤床 体内的水位逐渐升高，所述滤床堵塞时，将气水启动反冲洗装置。
具体操作为：关闭污水及氧化剂流入阀门，打开所述气水反冲洗 装置中的风机，通过管道曝气，冲洗滤料，杂质通过过滤床体上部的 管道流出，流入污泥池内;
优选地，污水泵入过滤床体内，所述污水接触到液位触发器时， 关闭污水及氧化剂流入阀门，打开所述气水反冲洗装置中的风机，通 过管道曝气，冲洗滤料，关闭风机，冲洗水通过管道流入，进行为膨 胀冲洗1～10分钟，膨胀率为3～6%，冲洗水和杂质通过过滤床体上部 的管道流出，流入污泥池内。
本发明进一步提出所述水处理的方法在实际河流上的应用，具体 为：在河床内开挖沟槽，沟槽内放置所述过滤床体;按照进水流动的 方向，所述过滤床体进水侧顺次布置格栅、多孔隔板、透水性尼龙网， 出水侧也设置隔板，过滤床体的底部设置排水阀门，格栅高出河流最 高水位0.3～0.8m。
所述多孔隔板优选为不锈钢板。
过滤床体的进水侧设置多孔隔板，紧贴钢板布置透水性尼龙网阻 止零价铁和石英砂填料的泄露。
水平方向上通过潜流多级配置均匀布置氧化剂，竖直方向上通 过多级渗流对零价铁进行均匀活化，从而在空间上实现氧化剂的网 络状多级配置，达到对整个滤床中的零价铁均匀活化，且活化的同 时依然能净化污染水体。采用模块式清淤，对滤料进行快速换填， 能保证滤料清洗和置换过程中不影响水体净化。清淤过程中产生的 浓缩污泥做无害化处理。
本发明另一目的在于，提供一种实现上述方法的水处理系统，所 述水处理系统包括氧化剂储存容器以及含有零价铁的过滤床体;所述 过滤床体设置有污水进口;所述氧化剂储存容器通过氧化剂多级布置 装置与所述过滤床体连接。
所述氧化剂多级布置装置包括主管及多个支管;所述氧化剂储存 容器与主管连接，所述主管连接于均匀分布在过滤床体内的支管;
所述氧化剂多级布置装置用于将氧化剂在过滤床体的网络状分 层分布氧化剂。
本发明的一种优选技术方案为，所述氧化剂多级布置装置包括主 管及多个支管;所述氧化剂储存容器与主管连接，所述主管连接于均 匀分布在过滤床体内的支管;
所述支管的数量为每立方米过滤床体至少包含2根支管，优选为 每立方米过滤床体包含8根支管;所述零价铁选自钢珠、铁粒中的一 种或两种;零价铁的粒径为8～100目，优选为15～80目;根据零价铁 的性质可以很容易想到其他类型的零价铁，比如生铁颗粒、熟铁颗粒 具有同等的活化潜力，因此适用本发明的零价铁种类不限上述几种。
所述过滤床体内设有均匀分布的多层筛网，所述筛网的层数不少 于2个;
每层筛网至少对应一个支管;所述过滤床体内还包括脱脂棉层， 所述脱脂棉层置于其他过滤材料的下部。
本发明内所述的“顶部”、“下部”是相对位置，顶部为过滤床体 的进水端，下部为过滤床体的出水端。
所述水处理系统包括污水储存容器，用于储存污水;
所述污水储存容器所述、氧化剂储存容器与所述过滤床体中设有 水流控制泵;所述污水储存容器、所述氧化剂储存容器内设有搅拌装 置;
所述过滤床体的出口连有沉淀区，优选所述沉淀区呈漏斗状;沉 淀区可以进一步净化，过滤床体排出的处理水进行沉淀区的沉淀可将 固体状等杂质沉淀在底部，底部连有排污管道，管道设有阀门，净化 过程中阀门关闭。处理水进入沉淀区内，清水慢慢的升高，通过隔板 中的孔隙，进入溢流区，溢流区排出的清水即为净化水;
所述隔板的材质优选不锈钢。
所述过滤床体内设有均匀分布的多层筛网，所述筛网的层数不少 于2个;每层筛网至少对应一个支管，每层筛网上均匀的分布着零价 铁，氧化剂通过支管通入过滤床体内，以最短时间活化零价铁，并且 活化的效果明显。
所述污水储存容器的搅拌装置主要用于污水pH值得调整;所述 氧化剂储存容器内的搅拌装置主要用于氧化剂添加时充分、均匀的溶 解;
所述过滤床体的出口连有沉淀区，优选所述沉淀区呈漏斗状;
本发明进一步提出，所述的水处理系统还包括气水反冲洗装置， 所述气水反冲洗装置及所述氧化剂储存容器与所述过滤床体并联连 接;
所述气水反冲洗装置及所述氧化剂储存容器与所述过滤床体间 分别设有阀门;所述气水反冲洗装置包含风机;
所述过滤床体的顶部设有液位触发器;所述过滤床体的上部设有 污泥流出管道，所述管道连有污泥池。
当过滤床体内的杂质较多，会阻碍污水的过滤，污水的在过滤床 体内的水位会越来越高，当水位接触的过滤床体的顶部时，会接触到 液位触发器，并发出警报，此时将启动反冲洗装置，关闭污水及氧化 剂的进水阀门，打开反冲洗装置与过滤床体之间的阀门，此时，氧化 剂储存容器与所述过滤床体连接的管道包括外部连接的主管及支管 转变为反冲洗装置是气体和冲洗水的流入管道，进行反冲，使其装置 内的杂质排除。
反冲洗时能够利用高压气射流摩搓冲洗滤料层，使滤料处于悬 浮流化疏松状态，能很好的解决滤床堵塞问题。
所述反冲洗是一种气水微膨胀反冲洗方法，利用较大气(水) 流压力/速度摩搓冲洗滤料层，使滤料处于悬浮流化疏松状态，具有 一定的膨胀度，水利牵引悬浮物向上，使截留在滤料表面、滤层缝 隙间的杂质、污泥、小颗粒等在水力剪切和滤料颗粒的双重碰撞作用下，从滤料表面脱落，随水流冲出滤床，恢复滤料的纳污能力， 保证滤床的高效运行。
本发明的另一优选技术方案为，所述氧化剂多级布置装置为多孔 隔板和格栅;氧化剂通过潜流从入口到出口的水平方向和渗流从上至 下的垂直方向同时渗透滤床，实现氧化剂三维网络状多级配置模式， 达到滤床内零价铁的均匀活化。
所述过滤床体内还包含其他过滤材料，所述其他过滤材料选自石 英砂、沸石、陶粒或火山岩中的一种过多种，优选为石英砂;所述零 价铁与所述其他过滤材料的比例为1:0～10;零价铁的粒径为8～100 目，优选为15～80目;所述过滤床体进水侧竖直布置多孔隔板，按照 进水流动的方向，。所述过滤床体进水侧顺次布置格栅和竖直的多孔 隔板。
所述隔板的孔径为5～20mm，优选为8～15mm。
可选地，所述格栅的垂直方向开孔宽度为4-8mm。
本发明的有益效果至少包括以下几点：
(1)采用多级布置氧化剂，均匀活化床体内零价铁，零价铁颗 粒表面腐蚀更加迅速、充分、均匀，较短的时间内表面腐蚀生成均 匀稳定的活性氧化铁组分，且产生的铁氧化合物活性组分均匀分配 于床体，克服了现有技术需要预活化的问题，能更加高效和稳定的去除水体中重金属;
(2)本发明实现了多级活化和反冲洗一体化;能同时活化和过 滤，具有均匀活化零价铁滤床的功能，反冲洗时能够利用高压气射 流摩搓冲洗滤料层，使滤料处于悬浮流化疏松状态，很好的解决滤 床堵塞问题;
(3)本发明所述的水处理方法在治理重金属污染河流的效果显 著;对重金属污染物具有更高效和稳定的处理能力;该方法操作简 单;在工业上的实现是经济可行的。
