申请日2017.09.28
公开(公告)日2018.01.12
IPC分类号C02F3/32; C02F101/20
摘要
公开了一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地，重金属废水经过在最左端和第一挡板(33)限定的植土层(29)、卵石层(28)和砂层(27)处理后进入由第二挡板(34)和第一挡板(33)限定的芦苇生物炭层(26)和砂层(27)中处理，然后经过在第二挡板(34)和第三挡板(35)限定的植土层(29)、卵石层(28)和砂层(27)处理后进入由第三挡板(35)和第四挡板(36)限定的芦苇生物炭层(26)和砂层(27)中处理，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形，被处理的重金属废水从排水口(32)排出，其中，压水管道(31)给潜流湿地部分中的重金属废水提供辅助的水流动力。
权利要求书
1.一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法，其步骤包括：
第一步骤(S1)中，从下到上依次铺设芦苇生物炭层(26)、砂层(27)、卵石层(28)和植土层(29)形成潜流湿地部分，所述植土层(29)种植芦苇，所述芦苇生物炭层(26)中的芦苇生物炭制备工艺包括，首先通过破碎设备(8)粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒在氮气保护下于马弗炉中以8-10 ℃/min的速度升温至350-400 ℃且持续5-6小时得到芦苇生物炭颗粒，所述芦苇生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小时获得芦苇生物炭;
第二步骤(S2)中，所述潜流湿地部分的左端为重金属废水进入端，右端为排出端，在最左端的植土层(29)中设有用于输入重金属废水的入水口(30)，在最左端的芦苇生物炭层(26)设有用于提供水流动力的压水管道(31)，在最右端的芦苇生物炭层(26)设有排水口(32);
第三步骤(S3)中，从左端到右端依次设有垂直插入砂层(27)、卵石层(28)和植土层(26)的第一挡板(33)、垂直插入砂层(27)和芦苇生物炭层(26)的第二挡板(34)、垂直插入砂层(27)、卵石层(28)和植土层(29)的第三挡板(35)以及垂直插入砂层(27)和芦苇生物炭层(26)的第四挡板(36)，其中，第一挡板(33)靠近最左端，第四挡板(36)靠近最右端;
第四步骤(S4)中，当重金属废水从入水口(30)流入植土层(29)，重金属废水经过在最左端和第一挡板(33)限定的植土层(29)、卵石层(28)和砂层(27)处理后进入由第二挡板(34)和第一挡板(33)限定的芦苇生物炭层(26)和砂层(27)中处理，然后经过在第二挡板(34)和第三挡板(35)限定的植土层(29)、卵石层(28)和砂层(27)处理后进入由第三挡板(35)和第四挡板(36)限定的芦苇生物炭层(26)和砂层(27)中处理，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形，被处理的重金属废水从排水口(32)排出，其中，压水管道(31)给所述潜流湿地部分中的重金属废水提供辅助的水流动力。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第一步骤(S1)中，所述乙二醇溶液中的芦苇生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第一步骤(S1)中，芦苇进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备(8)粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的芦苇颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40);所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5小时得到芦苇生物炭颗粒。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第一步骤(S1)中，加入盐酸溶液调节pH值为5。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第二步骤(S1)中，排水口(32)设有过滤设备和/或电泵。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的处理方法，其特征在于，第二步骤(S2)中，所述入水口(30)在垂直方向上均布在植土层(29)的上半部分。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的处理方法，其特征在于，第三步骤(S3)中，所述第一、第二、第三和第四挡板(33、34、35、36)由不透水材料制成，第一和第四挡板(33、36)之间间隔布置多个分别垂直插入砂层(27)、卵石层(28)和植土层(29)以及垂直插入砂层(27)和芦苇生物炭层(26)的挡板。
8.一种制备芦苇生物炭层的制备系统，其包括预处理装置(1)、混合装置(2)、炭化装置(3)、处理装置(4)和控制装置(5)，其特征在于，
所述预处理装置(1)包括用于清洗芦苇的清洗设备(6)、烘干设备(7)和用于粉碎芦苇的破碎设备(8)，所述烘干设备(7)设有第一温度传感器(9)，所述破碎设备(8)设有转速传感器(10);
所述混合装置(2)设有定量注入水溶液的输液阀(11)、第一浓度传感器(12)和用于干燥所述水溶液的干燥模块(13)，所述干燥模块(13)设有第二温度传感器(14);
所述炭化装置(3)包括马弗炉(15)和第三温度传感器(16);
所述处理装置(4)设有定量注入乙二醇溶液的注液阀(17)、第二浓度传感器(18)、酸碱度传感器(19)、用于定量加入酸溶液的注酸口(20)、用于搅拌的搅拌器(21)、加热模块(22)和真空干燥器(23)，其中，加热模块(22)和真空干燥器(23)分别设有第四温度传感器(24)和第五温度传感器(25);
所述控制装置(5)连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器(9、14、16、24、25)、第一、第二浓度传感器(12、18)、酸碱度传感器(19)和转速传感器(10)并分别控制所述烘干设备(7)、干燥模块(13)、加热模块(22)和真空干燥器(23)的温度、破碎设备(8)的转速以及混合装置(2)和处理装置(4)的浓度。
9.根据权利要求8所述的制备系统，其中，
控制装置(5)包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制装置(5)包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
10.一种实施权利要求1-7中任一项所述基于芦苇的潜流湿地的重金属废水处理方法的芦苇潜流湿地，所述芦苇潜流湿地包括用于输入重金属废水的入水口(30)、潜流湿地部分和排水口(32)，其特征在于：所述潜流湿地部分从下到上依次铺设芦苇生物炭层(26)、砂层(27)、卵石层(28)和植土层(29)，其中，所述植土层(29)种植芦苇，在最左端的植土层(29)中设有用于输入重金属废水的入水口(30)，所述芦苇生物炭层(26)由权利要求8或9所述的制备系统制成，在最左端的芦苇生物炭层(26)设有用于提供水流动力的压水管道(31)，在最右端的芦苇生物炭层(26)设有排水口(32)，从左端到右端依次设有垂直插入砂层(27)、卵石层(28)和植土层(29)的第一挡板(33)、垂直插入砂层(27)和芦苇生物炭层(26)的第二挡板(34)、垂直插入砂层(27)、卵石层(28)和植土层(29)的第三挡板(35)以及垂直插入砂层(27)和芦苇生物炭层(26)的第四挡板(36)，其中，第一挡板(33)靠近最左端，第四挡板(36)靠近最右端，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形。
说明书
基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地
技术领域
本发明涉及重金属废水处理领域，特别是一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地。
背景技术
重金属污染一直是环境研究热点，其来源广泛，并以土壤、大气为载体，重金属广泛分布于环境中。其中大气中的重金属来源多为燃煤、冶金、采矿等工业活动，至于土壤中的重金属则多以汽车尾气等人类活动为主要来源。重金属极难降解，并且危害极大，一能通过地表径流污染水体，二能破坏土壤的物理、化学性质，三能通过污水灌溉污染作物，导致作物绝收，更有甚者能通过食物链进入人体，引发各种病症，严重危害人类身体健康。在重金属的诸多危害中，对人体的危害是我们最为关心的。汞及其化合物都是很危险的有毒物质。汞是重金属“五毒”之一，是全球性的高毒性环境污染物，汞及其衍生物有机汞因具有持久性、易迁移性、高生物富集性等特性，可在环境和食物链中长期存在，并可远距离迁移并通过食物链进入人体而造成不可逆转的危害。因此，研究怎样从环境去除汞及其衍生物具有重要意义。
目前处理废水中汞污染的方法主要有化学沉淀法、微电解-混凝沉淀法、吸附法等。其中吸附法利用范围广，活性炭、沸石及矿物材料等都是高效的吸附材料，近年来相关研究成果显示天然的生物质材料也有较高的吸附率。由于生物质材料价格低廉、来源广泛且处理效率高，因此越来越受到人们的青睐。生物炭(Biological carbon，简称BC)是一种利用生物有机物质如木材、焦炭、石油焦、煤和各种坚果壳等制造出来的的具有非常发达的孔隙结构和大比表面积的多孔炭材料，是一种非常优质的吸附剂。随着目前工业的发展，生物炭的应用越来越广泛。生物炭是一种优良的脱汞吸附剂，许多学者利用生物炭作为吸附剂，并对其改性，进行汞吸附研究，会发现活性炭对汞的吸附量非常可观。最近几年来，对活性炭研究的热点之一是利用廉价的农林废弃物为原料和简单清洁的工艺来制各经济效益高吸附性能好的生物质活性炭。若将农林废弃物有效地加以利用，变废为宝，不但能够创造一定的经济效益，还可以减小其对环境的污染，达到以废治废的目的。芦苇是一种来源十分广泛的的农业废弃物，芦苇多生长在浅水区以及灌溉沟渠旁、河堤沼泽地等，在我国分布广泛，芦苇常用来美化环境，常备种植在公园、池塘、河道等周围。但是枯萎后，芦苇遗体成为了巨大的废弃物，处置不当会严重污染环境。因此，芦苇废弃物的量很大。故此芦苇制成生物炭可以减缓环境压力，保护环境的同时，达到以废治废的效果。
专利文献1公开的一种人工潜流湿地污水处理的高效模块包细滤料层，设置在底部;粗滤料层，设置在所述细滤料层上;多孔布水管，设置在所述粗滤料层的一侧;带孔集水管，设置在所述细滤料层中间位置;出水管，设置在所述粗滤料层的另一侧;进水槽，与所述多孔布水管相连接;进水钢筋混泥土盖板，盖设在所述进水槽上;以及检修口，设置在所述混泥土盖板上。该专利采用多孔管道布水，从上进下出收集，去污能力强，但该专利不适合重金属废水的处理，不能有效降低重金属含量，治理重金属废水效果差且使用寿命短。
专利文献2公开的一种稳定高效的人工湿地污水处理系统包括常规污水预处理系统和人工湿地，湿地类型为潜流型人工湿地，常规污水预处理系统包括格栅井、调节池和沉淀池，人工湿地包括布水装置、集水装置、池体、装填在池体内的湿地基质和种植于基质上的植物，污水预处理系统和人工湿地由管道连通，湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层、中间层和表层，底层包括卵石，中间层主要由砾石、碎石或陶粒中的一种或一种以上与生物炭材料混合组成，表层包括粗砂和生物炭材料，底层为卵石层，厚度为20-40cm，中间层厚度为60-100cm，表层厚度为10-30cm，种植于基质上的植物为灌木型柳树无性系，生物炭材料以柳树生物质为原料在250-800℃和缺氧条件下炭化1-6小时后粉碎制成。该专利使用的生物炭材料比表面积大、吸附能力强、多微孔，但该专利中的生物炭材料用于吸附废水中的重金属的吸附能力仍需要加强，该湿地的吸附路径小且受限于湿地的面积，为了达到更好的重金属处理能力，需要对湿地和生物炭进行改进。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：中国专利公开CN205275306U号
专利文献2：中国专利公开CN102531179 A号
发明内容
发明要解决的问题
如上所述，现有技术中的生物炭比表面积和孔容积有待提高，吸附量和吸附速度也需要提升从而整体上提高生物炭吸附重金属的吸附能力，另外，潜流湿地的吸收流径受限于湿地面积，潜流湿地的处理能力及使用寿命有待提高。
解决问题的方案
本发明人等为了达成上述目的而进行了深入研究，具体而言，在本发明的第一方面，本发明提供了一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法，其步骤包括：
第一步骤中，从下到上依次铺设芦苇生物炭层、砂层、卵石层和植土层形成潜流湿地部分，所述植土层种植芦苇，所述芦苇生物炭层中的芦苇生物炭制备工艺包括，首先通过破碎设备粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒在氮气保护下于马弗炉中以8-10 ℃/min的速度升温至350-400 ℃且持续5-6小时得到芦苇生物炭颗粒，所述芦苇生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小时获得芦苇生物炭。
第二步骤中，所述潜流湿地部分的左端为重金属废水进入端，右端为排出端，在最左端的植土层中设有用于输入重金属废水的入水口，在最左端的芦苇生物炭层设有用于提供水流动力的压水管道，在最右端的芦苇生物炭层设有排水口。
第三步骤中，从左端到右端依次设有垂直插入砂层、卵石层和植土层的第一挡板、垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第二挡板、垂直插入砂层、卵石层和植土层的第三挡板以及垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第四挡板，其中，第一挡板靠近最左端，第四挡板靠近最右端。
第四步骤中，当重金属废水从入水口流入植土层，重金属废水经过在最左端和第一挡板限定的植土层、卵石层和砂层处理后进入由第二挡板和第一挡板限定的芦苇生物炭层和砂层中处理，然后经过在第二挡板和第三挡板限定的植土层、卵石层和砂层处理后进入由第三挡板和第四挡板限定的芦苇生物炭层和砂层中处理，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形，然后被处理的重金属废水从排水口排出，其中，压水管道给所述潜流湿地部分中的重金属废水提供辅助的水流动力。
在所述的处理方法中，第一步骤中，所述乙二醇溶液中的芦苇生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。
在所述的处理方法中，第一步骤中，芦苇进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的芦苇颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40);所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5小时得到芦苇生物炭颗粒。
在所述的处理方法中，第一步骤中，加入盐酸溶液调节pH值为5。
在所述的处理方法中，第二步骤中，排水口设有过滤设备和/或电泵。
在所述的处理方法中，第二步骤中，所述入水口在垂直方向上均布在植土层的上半部分。
在所述的处理方法中，第三步骤中，所述第一、第二、第三和第四挡板由不透水材料制成，第一和第四挡板之间间隔布置多个分别垂直插入砂层、卵石层和植土层以及垂直插入砂层和芦苇生物炭层的挡板。
根据本发明的第二方面，一种制备芦苇生物炭层的制备系统包括预处理装置、混合装置、炭化装置、处理装置和控制装置。
所述预处理装置包括用于清洗芦苇的清洗设备、烘干设备和用于粉碎芦苇的破碎设备，所述烘干设备设有第一温度传感器，所述破碎设备设有转速传感器。
所述混合装置设有定量注入水溶液的输液阀、第一浓度传感器和用于干燥所述水溶液的干燥模块，所述干燥模块设有第二温度传感器。
所述炭化装置包括马弗炉和第三温度传感器。
所述处理装置设有定量注入乙二醇溶液的注液阀、第二浓度传感器、酸碱度传感器、用于定量加入酸溶液的注酸口、用于搅拌的搅拌器、加热模块和真空干燥器，其中，加热模块和真空干燥器分别设有第四温度传感器和第五温度传感器。
所述控制装置连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器、第一、第二浓度传感器、酸碱度传感器和转速传感器并分别控制所述烘干设备、干燥模块、加热模块和真空干燥器的温度、破碎设备的转速、混合装置和处理装置的浓度。
在所述的制备系统中，控制装置包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制装置包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
根据本发明的第三方面，一种实施所述基于芦苇的潜流湿地的重金属废水处理方法的芦苇潜流湿地包括用于输入重金属废水的入水口、潜流湿地部分和排水口，所述潜流湿地部分从下到上依次铺设芦苇生物炭层、砂层、卵石层和植土层，其中，所述植土层种植芦苇，在最左端的植土层中设有用于输入重金属废水的入水口，所述芦苇生物炭层由权利要求8或9所述的制备系统制成，在最左端的芦苇生物炭层设有用于提供水流动力的压水管道，在最右端的芦苇生物炭层设有排水口，从左端到右端依次设有垂直插入砂层、卵石层和植土层的第一挡板、垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第二挡板、垂直插入砂层、卵石层和植土层的第三挡板以及垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第四挡板，其中，第一挡板靠近最左端，第四挡板靠近最右端，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形。
发明的效果
根据本发明的基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地，本发明通过铁粒子等能够分布在芦苇生物炭的微孔中，使得微孔胀大，进一步提高芦苇生物炭的比表面积和孔容积，本发明的芦苇生物炭吸附量大，吸附能力显著提高，芦苇生物炭上吸附有锡粒子、铁粒子和锌粒子等增强生物炭的亲水性，提高生物炭的比表面积和孔容积，显著提高了生物炭的吸附容量，本发明的芦苇潜流湿地设计的S形流径以及压水管道提高了芦苇潜流湿地的处理重金属废水的能力和延长了使用寿命，因此，本发明的技术方案克服了现有技术的技术缺陷，取得了显著的技术效果。