公布日：2023.12.01
申请日：2023.09.11
分类号：C02F9/00(2023.01)I;C02F1/00(2023.01)N;C02F1/28(2023.01)N;C02F1/42(2023.01)N;C02F1/66(2023.01)N;C02F1/461(2023.01)N;C02F101/20(2006.01)N;
C02F101/22(2006.01)N;C02F103/10(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种矿山重金属废水的处理系统和处理方法，属于废水处理技术领域。本发明提供的处理系统包括经由管道依次连接的预处理单元、吸附单元、中和单元、沉淀池和离子交换单元；吸附单元包括吸附池、导电网和过滤网；导电网将吸附池的内部空间隔为导电网内部区间和导电网外部区间；过滤网将导电网内部区间隔为滤网内部区间和滤网外部区间；导电网内部区间中填充有木屑；导电网外部区间填充有活性炭；导电网和电源阴极连接；处理系统还设有自中和单元至滤网内部区间导通的中和单元回流管道；中和单元中填充有石灰石。由此提升了重金属离子的去除比例。本发明还提供了采用上述处理系统实施的处理方法。
权利要求书
1.一种矿山重金属废水的处理系统，其特征在于，所述处理系统包括经由管道依次连接的预处理单元、吸附单元、中和单元、沉淀池和离子交换单元；所述吸附单元包括吸附池、导电网和过滤网；所述导电网将所述吸附池的内部空间隔为导电网内部区间和导电网外部区间；所述过滤网将所述导电网内部区间隔为滤网内部区间和滤网外部区间；所述导电网内部区间中填充有木屑；所述导电网外部区间填充有活性炭；所述导电网和电源阴极连接；所述吸附池的池壁和电源阳极连接；所述处理系统还设有自所述中和单元至所述滤网内部区间导通的中和单元回流管道；所述中和单元中填充有石灰石。
2.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述预处理单元包括依次导通的过滤器、无烟煤滤层和石英砂滤层。
3.根据权利要求2所述的处理系统，其特征在于，所述过滤器为旋转过滤器；和/或，所述过滤器的网孔孔径为0.2~0.3mm。
4.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述沉淀池包括平流式沉淀池。
5.根据权利要求4所述的处理系统，其特征在于，所述处理系统包括自所述沉淀池底部向所述中和单元回流的沉淀池回流管道。
6.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述离子交换单元包括依次导通的沸石层和磺化煤层。
7.根据权利要求1~6任一项所述的处理系统，其特征在于，所述导电网内部区间设有吸附单元搅拌装置；和/或，所述中和单元设有中和单元搅拌装置。
8.一种采用如权利要求1~7任一项所述处理系统实施的矿山重金属废水的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括使所述矿山重金属废水依次通过所述预处理单元、吸附单元、中和单元、沉淀池和离子交换单元；过程中，所述中和单元中的部分混合物回流至所述吸附单元的滤网中。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述中和单元向所述吸附单元的回流比为5~10%。
10.根据权利要求8或9所述的处理方法，其特征在于，所述矿山重金属废水的pH为2.5~4.5；和/或，所述矿山重金属废水中，重金属离子包括Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Hg2+、Ni2+、Cr3+、Cr6+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Mn2+、Co2+、Mo2+、Mo6+、V3+、V5+和Ti4+中的至少一种。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种矿山重金属废水的处理系统，能够缩小处理系统的占地面积、提升处理效率和效果。
本发明还提供了采用所述处理系统实施的处理方法。
根据本发明第一方面的实施例，提供了一种矿山重金属废水的处理系统，所述处理系统包括经由管道依次连接的预处理单元、吸附单元、中和单元、沉淀池和离子交换单元；
所述吸附单元包括吸附池、导电网和过滤网；所述导电网将所述吸附池的内部空间隔为导电网内部区间和导电网外部区间；所述过滤网将所述导电网内部区间隔为滤网内部区间和滤网外部区间；所述导电网内部区间中填充有木屑；所述导电网外部区间填充有活性炭；所述导电网和电源阴极连接；
所述处理系统还设有自所述中和单元至所述滤网内部区间导通的中和单元回流管道；
所述中和单元中填充有石灰石。
根据本发明实施例的处理系统，至少具有如下有益效果：
矿山重金属废水通常是酸性的，酸性环境对土壤等都有负面影响，因此有技术尝试添加碱，但是碱的量难以确定。本发明在中和单元中添加石灰石，其可调节所得液体的pH至8～9，且未被反应的石灰石可在沉淀池中分离出来，不会对所得液体进行二次污染。
重金属离子在酸性环境中是以离子形式存在的，容易迁移；本发明将中和单元中的混合物部分回流至吸附单元的滤网内部区间，由此一方面可以在调整吸附单元内混合物pH的基础上，避免石灰石堵塞导电网内部区间和导电网外部区间的填料孔结构(孔结构是重金属离子吸附的重要位点)；另一方面，在电解还原重金属离子的过程中，液体的酸性会进一步增加，本申请如此调节酸碱性，还避免了被还原固定的重金属离子再次被溶解。更进一步的，导电网连接阳极，由此流出所述吸附单元的重金属废水必须经过电处理，过程中生成的单质成分，可被所述活性碳固定；未被电解还原的重金属离子还可以被木屑和活性炭吸附固定。
综上，本发明提供的处理系统中，吸附单元和中和单元协同，吸附单元的内部结构之间协同，共同降低了所述中和单元出水中重金属离子的含量，且其pH为近中性，更适合使用或者排放。
根据本发明的一些实施例，所述预处理单元包括依次导通的过滤器、无烟煤滤层和石英砂滤层。由此相当于三层过滤，可基本去除所述矿山重金属废水中的不溶物，例如泥沙等，可增强后续单元的处理效果。
根据本发明的一些实施例，所述过滤器为旋转过滤器。
所述预处理单元的侧壁上设有至少一个电动旋转轴。所述旋转过滤器通过所述电动旋转轴固定于所述预处理单元的侧壁上，并由其带动旋转；进一步的，可以是匀速旋转。由此能充分利用过滤器的网孔进行过滤，防止单向过滤堵塞带来的不便，网孔使用效率得到提升，最终提高了所述预处理单元的处理效率。
根据本发明的一些实施例，所述预处理单元还包括预处理单元进水口。
所述预处理单元进水口和所述过滤器连通。
根据本发明的一些实施例，所述过滤器的网孔孔径为0.2～0.3mm。例如具体可以是约0.25mm。
根据本发明的一些实施例，所述过滤器的材质包括不锈钢。具体型号可以是SUS304不锈钢。
根据本发明的一些实施例，所述无烟煤滤层中，无烟煤的DV50为1.1～1.6mm。例如具体可以是约1.2mm。
根据本发明的一些实施例，所述无烟煤滤层中，无烟煤的不均匀系数为1.25～1.35。例如具体可以是约1.2。
若无特殊说明，本发明中，不均匀系数的定义为DV90和DV10之差和DV50的比值。
根据本发明的一些实施例，所述石英砂滤层中，石英砂的DV50为0.5～0.7mm。例如具体可以是约0.55mm。
根据本发明的一些实施例，所述石英砂滤层中，石英砂的不均匀系数为1.15～1.25。例如具体可以是约1.2。
根据本发明的一些实施例，所述无烟煤滤层和石英砂滤层之间设有无烟煤承托板。
根据本发明的一些实施例，所述无烟煤承托板上设有孔。其中，孔的孔径为1～1.5mm。例如具体可以是约1.15mm。该孔径不小于所述无烟煤的DV50。由此可避免所述无烟煤滤层和所述石英砂滤层之间互混，且可确保水通过。所述无烟煤承托板的材质包括不锈钢。
根据本发明的一些实施例，所述预处理单元还包括预处理单元集水区。用于存放所述石英砂滤层得到的中间水相。
根据本发明的一些实施例，所述石英砂滤层下设有石英砂承托板。由此可确保所述预处理单元集水区中不含有固相，方便中间液相的转移。
根据本发明的一些实施例，所述石英砂承托板上设有孔。孔的孔径为0.4～0.6mm。例如具体可以是约0.5mm。该孔径不小于所述石英砂的DV50。所述石英砂承托板的材质包括不锈钢。
根据本发明的一些实施例，所述预处理单元还包括预处理单元出水口。所述预处理单元出水口和所述预处理单元集水区连通。由此，可将所述预处理单元中过滤后的废水，转移至所述吸附单元中。
根据本发明的一些实施例，所述预处理单元为筒式预处理单元和箱式预处理单元中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述预处理单元中各结构垂直设置(重力学方向)，即自上而下依次是所述过滤器、无烟煤滤层、无烟煤承托板、石英砂滤层、石英砂承托板和预处理单元集水区。由此可依靠重力实现预处理，减少了能量消耗，且可最大程度实现所述矿山重金属废水和各级过滤层的充分接触，提升过滤效率。
根据本发明的一些实施例，所述吸附单元为圆柱式吸附单元。
根据本发明的一些实施例，所述导电网中，网孔的孔径为0.4～0.6mm。例如具体可以是约0.5mm。
根据本发明的一些实施例，所述木屑的DV50为0.6～1.2mm。不小于所述导电网的网孔。例如具体可以是约0.8mm。
根据本发明的一些实施例，所述木屑的不均匀系数为1.0～1.2。例如具体可以是约1.1。
根据本发明的一些实施例，所述活性炭的DV50为1.5～15mm。例如具体可以是约5mm。
根据本发明的一些实施例，所述活性炭的不均匀系数为1.0～1.2。例如具体可以是约1.1。
根据本发明的一些实施例，所述导电网内部区间(滤网外部区间)设有吸附单元搅拌装置。
根据本发明的一些实施例，所述吸附单元搅拌装置包括搅拌轴和桨叶。所述搅拌轴和桨叶的材质包括不锈钢。例如具体可以是SUS304不锈钢。
根据本发明的一些实施例，所述导电网的材质包括不锈钢。
根据本发明的一些实施例，所述吸附池的池壁和阳极连通。
根据本发明的一些实施例，所述吸附单元包括吸附单元进水口。所述吸附单元进水口设于所述吸附池上。具体可以设于所述吸附池的顶部。进一步具体的，所述吸附单元的进水口与所述滤网外部区间连通。
根据本发明的一些实施例，所述吸附单元包括吸附单元出水口。所述吸附单元出水口设于所述吸附池上。具体可以设于所述吸附池接近底部的位置。
所述吸附单元进水口和吸附单元出水口的设置位置，可确保来自所述预处理单元中的废水和所述吸附单元中的所有部分均匀接触，提升对重金属离子的吸附、固定效率。
根据本发明的一些实施例，所述吸附单元出水口的个数≥2个。且均匀分布在所述吸附池的侧壁，靠近底的位置。由于所述吸附单元是圆形的，所述吸附单元出水口的设置位置在一定程度上会引导其中水流的方向；本发明设置多个吸附单元出水口，可充分利用所述导电网外部区间中填料的吸附、固定作用，提升所述矿山重金属废水中重金属的去除效率。
根据本发明的一些实施例，所述吸附单元出水口的个数为4个。4个吸附单元出水口流出的废水集合后转移至所述中和单元中。
根据本发明的一些实施例，所述石灰石的DV50为0.15～0.25mm。例如具体可以是约0.2mm。该粒径范围内的石灰石，比表面积大，大大提高石灰石与污染因子的接触反应，提高反应效率，并通过所述沉淀池回流管道，将未完全反应的石灰石粉末重新进行循环反应，降低药剂使用量，降低运行成本。
根据本发明的一些实施例，所述石灰石的不均匀系数为1.0～1.2。例如具体可以是约1.1。
根据本发明的一些实施例，所述中和单元设有中和单元搅拌装置。
根据本发明的一些实施例，所述中和单元搅拌装置包括搅拌轴和桨叶。其材质包括不锈钢。例如具体可以是SUS304不锈钢。
根据本发明的一些实施例，所述中和单元包括中和反应池。
根据本发明的一些实施例，所述中和单元包括中和单元进水口。所述中和单元进水口设于所述中和反应池上，具体设于所述中和反应池顶端。进一步具体的，所述中和单元进水口的导管伸入所述中和反应池中下部的位置。由于中和反应池中填充有石灰石，其比重大于水，因此，本发明中和单元进水口的设置位置有利于提升所述中和单元中物料的传质速度。
根据本发明的一些实施例所述中和单元包括中和单元出水口。所述中和单元出水口设于所述中和反应池上。具体设于所述中和反应池侧壁接近顶端位置。由此，所述中和单元的出水，相当于所述中和单元的溢流，其中固体石灰石的比例较低，降低了所述沉淀池的负担。
根据本发明的一些实施例，所述中和单元回流管道和所述中和单元连通位点位于所述中和单元出水口附近。
根据本发明的一些实施例，所述中和单元为圆柱式中和单元。由此方便搅拌等传质手段的实施。
根据本发明的一些实施例，所述处理系统包括自所述沉淀池底部向所述中和单元回流的沉淀池回流管道。所述沉淀池回流管道和所述中和单元的连接位点位于所述中和反应池底部。
根据本发明的一些实施例，所述沉淀池包括平流式沉淀池。
根据本发明的一些实施例，所述沉淀池包括沉淀池壁。所述沉淀池壁内部空间被分割成沉淀池集水区和沉淀区。所述沉淀池回流管道和所述沉淀区底部连通。
根据本发明的一些实施例，所述沉淀池设有沉淀池进水口。所述沉淀池进水口和所述沉淀区连通。为避免所述沉淀池进水口输入的废水对所述沉淀区的沉淀过程产生严重影响，所述沉淀池进水口设于所述沉淀池壁的侧壁接近顶端位置。
根据本发明的一些实施例，所述沉淀池设有沉淀池出水口。所述沉淀池出水口和所述沉淀池集水区连通。
根据本发明的一些实施例，所述离子交换单元包括依次导通的沸石层和磺化煤层。其中，沸石层中的钠离子以及磺化煤层中的氢离子可以和废水中的重金属离子发生离子交换，去除残留的微量的重金属离子。
根据本发明的一些实施例，所述沸石层的交换容量≥300mmol/L。
根据本发明的一些实施例，所述沸石层中，沸石的DV10≥0.5mm。
根据本发明的一些实施例，所述沸石层中，沸石的DV90≤1.2mm。
即所述0.5～1.2mm的沸石，占所有沸石的体积百分数≥80％。
根据本发明的一些实施例，所述沸石层和所述磺化煤层之间设有沸石承托板。
根据本发明的一些实施例，所述沸石承托板上设有孔，其孔径为0.45～0.55mm。例如具体可以是约0.5mm。
根据本发明的一些实施例，所述磺化煤层的交换容量≥250mmol/L。
根据本发明的一些实施例，所述磺化煤层中，磺化煤的DV10≥0.5mm。
根据本发明的一些实施例，所述磺化煤层中，磺化煤的DV90≤1.2mm。
即所述0.5～1.2mm的磺化煤，占所有磺化煤的体积百分数≥80％。
根据本发明的一些实施例，所述离子交换单元还包括离子交换单元集水区。所述磺化煤层和所述离子交换单元集水区之间设有磺化煤承托板。
根据本发明的一些实施例，所述磺化煤承托板上设有孔，其孔径为0.45～0.55mm。例如具体可以是约0.5mm。
根据本发明的一些实施例，所述离子交换单元包括离子交换单元的侧壁。
根据本发明的一些实施例，所述离子交换单元包括离子交换单元进水口。所述离子交换单元进水口设于所述离子交换单元的侧壁靠近顶部的位置。
根据本发明的一些实施例，所述离子交换单元包括离子交换单元出水口。所述离子交换单元出水口设于所述离子交换单元的侧壁靠近底部的位置；进一步具体的可以是和所述离子交换单元集水区连通。由此，来自所述沉淀池中的废水，可通过所述离子交换单元的所有层，充分去除残留的重金属离子。
根据本发明的一些实施例，所述离子交换单元包括自上而下(重力方向)设置的：沸石层、沸石承托板、磺化煤层、磺化煤承托板和离子交换单元集水区。
所述处理系统中，各单元的填料包括无烟煤、石英砂、锯屑(木屑)、沸石和磺化煤等，都是廉价易得的，降低了系统整体成本，具有较好的经济效应。
根据本发明的一些实施例，所述管道上设有水泵，以实现所述处理系统中，各单元之间的物料转移。
根据本发明第二方面的实施例，提供了一种采用所述处理系统实施的矿山重金属废水的处理方法，所述处理方法包括使所述矿山重金属废水依次通过所述预处理单元、吸附单元、中和单元、沉淀池和离子交换单元；过程中，所述中和单元中的部分混合物回流至所述吸附单元的滤网中。
根据本发明提供的处理方法，至少具有以下有益效果：
本发明提供的制备方法中，除石灰石外不需要添加其他的化学试剂，且过程中可以自动运转，几乎不需要人工参与即可实现连续工作，具有操作简单、效率高、成本低、药剂利用率高等优点。此外，本发明采用的处理系统可连续运行，与矿山产生的重金属废水连续产生需要连续处理相契合，更好的符合现场实际需要。
根据本发明的一些实施例，所述矿山重金属废水的pH为2.5～4.5。例如具体可以是约3.8。
根据本发明的一些实施例，所述矿山重金属废水中，重金属离子包括Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Hg2+、Ni2+、Cr3+、Cr6+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Mn2+、Co2+、Mo2+、Mo6+、V3+、V5+和Ti4+中的至少一种。其重金属离子的浓度之和≥300mg/L。
根据本发明的一些实施例，所述矿山重金属废水中，重金属离子包括Pb2+、Cd2+、Mn2+和Zn2+。其中，Pb2+的浓度为1～5mg/L。Cd2+的浓度为20～50mg/L。Mn2+的浓度为20～50mg/L。Zn2+的浓度为300～500mg/L。
根据本发明的一些实施例，所述处理方法中，所述吸附单元搅拌装置的搅拌转速为1000～1500rpm。
根据本发明的一些实施例，所述处理方法中，所述吸附单元搅拌装置的搅拌转速为1100～1300rpm。例如具体可以是约1200rpm。
根据本发明的一些实施例，所述处理方法中，加在所述吸附单元的电源的电压为5～15V。(阳极和阴极的压差)。该电压范围低于人体的临界安全电压，因此可确保操作的安全性。例如具体可以是8～10V。
根据本发明的一些实施例，所述处理方法中，所述中和单元搅拌装置的搅拌转速为1000～1500rpm。
根据本发明的一些实施例，所述处理方法中，所述中和单元搅拌装置的搅拌转速为1100～1300rpm。例如具体可以是约1200rpm。
根据本发明的一些实施例，所述中和单元向所述吸附单元的回流比为5～10％。例如具体可以是约8％。
若无特殊说明，本发明的“约”实际表示的含义是允许误差在±2％的范围内，例如约100实际是100±2％×100。
若无特殊说明，本发明中的“在……之间”包含本数，例如“在2～3之间”包括端点值2和3。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
（发明人：鄢昭;胡桂星;张光文;李威）
