申请日2013.03.16
公开(公告)日2013.06.26
IPC分类号C02F103/16; C02F1/52
摘要
本发明涉及一种提高纳米零价铁利用率处理废水的装置及方法。通过下挡板(24)和上挡板(20)将装置依次分隔又相互连通形成反应区(4)、缓冲区(21)和沉淀区(15)，反应区(4)内设搅拌器(1)，底部设排泥管(10)，侧壁设进水管(7)和加药管(5)，上部设进气管(2)和排气管(22);沉淀区(15)内设斜板(16)，斜板(16)上方设三角堰(19)、出水管(18)，底部设循环管(13)，用污泥循环泵(12)将反应区(4)和沉淀区(15)连通。本发明用纳米零价铁还原、吸附及加速铁离子共沉淀及污泥回用连续处理废水;用氮气维持厌氧反应，减少纳米零价铁非必要氧化，处理成本低，污染物去除率达95%，纳米零价铁利用率高于30%。
权利要求书
1.一种提高纳米零价铁利用率处理废水的装置，其特征是：通过下挡板(24) 和上挡板(20)将装置依次分隔又相互连通形成反应区(4)、缓冲区(21)和 沉淀区(15)，反应区(4)：缓冲区(21)：沉淀区(15)=15:1:8～10体积比; 反应区(4)底部设反应泥斗，反应泥斗底部设排泥管(10);反应区(4)内设 搅拌器(1);反应区(4)左侧的侧壁上设有进水管(7)和加药管(5)，加药 管(5)与纳米零价铁加药泵(6)相连;进水管(7)与进水泵(8)相连，位 于反应区(4)内部的进水管(7)处设有进水口挡板(9);反应区(4)上部设 进气管(2)和排气管(22);进气管(2)与氮气钢瓶连接;沉淀区(15)底部 设回流泥斗，回流泥斗底部设有循环管(13)，循环管(13)和污泥循环泵(12) 连接，污泥循环泵(12)还与反应泥斗底部相连;回流泥斗上方设有与水平方 向成50°～75°的斜板(16)，斜板(16)上方设三角堰(19);沉淀区(15)右侧 的侧壁上设有出水管(18)。
2.根据权利要求1所述的一种提高纳米零价铁利用率处理废水的装置，其 特征是：下挡板(24)高度：装置反应区(4)高度=3/4～6/7。
3.根据权利要求1所述的一种提高纳米零价铁利用率处理废水的装置，其 特征是：上挡板(20)高度：装置沉淀区(15)高度=3/4～6/7。
4.一种用权利要求1所述的的装置处理废水的方法，其特征是：
第一步，常温常压下用硼氢化钠(NaBH4)还原六水合氯化铁 (FeCl3·6H2O)，制备得到粒径为40～100nm，比表面积为20～40m2/g的纳米零 价铁，保存在乙醇中备用;或直接将纳米零价铁配制成50g/L～200g/L的悬浊液;
第二步，通过进水泵(8)将去除悬浮物的废水泵入并装满反应区(4)，关 闭进水泵(8)，打开氮气进气阀(4)，通入氮气，待废水中溶解氧降至0.5mg/L 时，向反应区(4)泵入第一步配制的50g/L～200g/L的悬浊液，同时启动搅 拌器(1)搅拌，通过控制搅拌器转速控制反应区速度梯度G为150s-1～70s-1， 等到反应区(4)的纳米零价铁浓度为1g/L～25g/L废水时，打开进水泵(8)连 续泵入废水，控制废水在反应区(4)停留时间为1～3.5小时;
第三步，打开污泥循环泵(12)，控制污泥回流流量为废水进水流量的0.2～3 倍，回流泥斗底部浓缩污泥至反应区(4)搅拌后循环利用;出水水质未达设计 指标时，打开排泥阀(11)，将附着了污染物质的污泥，由排泥管(10)排出;
第四步，反应区(4)的废水和废水中固体悬浮物经缓冲区(21)流入沉 淀区(15)，利用重力沉降作用沉淀区(15)内废水中固体悬浮物被分离后，清 水经斜板(16)、三角堰(19)、出水管(18)排出。
5.一种权利要求4所述的处理废水的方法，其特征是：第二步向反应区(4) 泵入第一步的50g/L～200g/L的悬浊液是根据废水中污染物浓度不同，控制反 应区(4)纳米零价铁浓度：当废水中污染物浓度为1mg/L～100mg/L时，控制 反应区(4)纳米零价铁浓度为1g/L～10g/L;当废水中污染物浓度为100mg/L ～2000mg/L时，控制反应区(4)纳米零价铁浓度为5g/L～25g/L。
说明书
提高纳米零价铁利用率处理废水的装置及方法
技术领域
本发明提供一种提高纳米零价铁利用率处理废水的装置及方法，属于废水 处理领域。
背景技术
随着矿业、冶金、化工、染料、医药等行业发展，大量工业废水排入水体， 严重污染环境，威胁人类生命健康。相关统计显示，我国大部分水域和土壤都 已受到不同程度污染，2004年太湖底泥中总铜、总铅、总镉含量均处于轻度污 染水平;大连湾60%监测站沉积物含镉量超标，渤海锦州湾部分监测站排污口 临近海域沉积物锌、铅、镉和汞含量超过第三类海洋沉积物质量标准;近年来， 印染废水等工业废水对太湖、淮海等流域造成严重污染。因此，工业废水污染 治理迫在眉睫。目前处理方法有物理法、化学法和生物法。物理法如吸附、离 子交换等，投资大，处理费用高,适合处理污染物浓度低的工业废水废水;化 学法由于需过量添加化学药剂,产生大量废渣,该废渣处理不当易导致二次污 染;生物法由于大部分工业废水可生化性差，难以达到良好处理效果。
金属铁(零价铁)一直被用于处理工业废水，但普通零价铁还原速度慢、 效率低。纳米零价铁是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的零价铁， 由于亚胶体尺寸及独特原子结构，纳米零价铁具有明显的表面效应、小尺寸效 应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而具有特殊磁性、催化和化学性质。 与普通尺寸零价铁相比，纳米零价铁不仅有较强的还原性，还具有尺寸小、比 表面积大、表面能高等特点，使其处理污染物时具有处理效率高、产泥量少、 二次污染小等优点。
作为废水污染修复材料，纳米零价铁发展前景良好，但其遇到下述工程技 术问题：(1)目前纳米零价铁多用于实验室小试研究和地下水污染修复，如何 实现其在工业废水中应用;(2)现有纳米零价铁反应器仅适用于间歇式废水处 理，如何实现废水连续处理;(3)如何有效分离处理后废水和废水中固体悬浮 物，保证出水水质;(4)纳米零价铁处理工业废水成本高，如何提高反应效率， 降低处理成本。中国发明专利(CN102583689A)介绍了一种“纳米零价铁-电 磁系统去除电镀废水中重金属的方法及其装置”，其主要特征是将纳米零价铁 和电镀废水置于反应装置内混合反应，反应装置底部设电磁铁，反应完成后接 通电源即产生磁场作用力，实现处理后废水和废水中固体悬浮物分离。但该方 法仍有下述缺点：(1)处理后废水中固体悬浮物除纳米零价铁外，还含有 Fex(OH)y絮体等非磁性物质，电磁系统不能将其与处理后废水完全分离，且电 磁分离耗电量大，设备管理复杂;(2)该方法仅适于间歇式废水处理，无法实 现废水连续处理，工程化应用可行性不高;(3)纳米零价铁化学性质相对稳定， 与水反应缓慢，使用寿命较长，处理后废水中固体悬浮物仍含纳米零价铁有效 成分，该方法没有将其循环利用，纳米零价铁利用率低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一提高纳米零价铁利用率处理废水的方法及 装置。该方法将纳米零价铁置于本发明提供的一体式装置中，利用该装置的反 应、加速沉淀及污泥回用功能处理废水，可实现：(1)利用纳米零价铁连续处 理废水;(2)高效分离处理后废水和废水中固体悬浮物，保证出水水质;(3) 循环利用纳米零价铁，降低成本;(4)减少纳米零价铁非必要氧化。
为达上述目的，本发明所采用技术方案为：一种纳米零价铁反应、沉淀、 回用一体式装置，其主体为一个一体式反应器，从左至右依次为连通的反应区、 缓冲区和沉淀区，反应区底部设反应泥斗，反应泥斗底部设排泥管;反应区内 设搅拌器;反应区左侧的侧壁上设有进水管和加药管，加药管与纳米零价铁加 药泵相连;进水管与进水泵相连，位于反应区内部的进水管处设有进水口挡板; 反应区上部设进气管和排气管;进气管与氮气钢瓶连接;沉淀区底部设回流泥 斗，回流泥斗底部设有循环管，循环管和污泥循环泵连接，污泥循环泵还与反 应泥斗底部相连;回流泥斗上方设有与水平方向成50°～75°的斜板，斜板上方设 三角堰;沉淀区右侧的侧壁上设有出水管;
本发明中，反应区、缓冲区和沉淀区由两块挡板隔开，反应区：缓冲区： 沉淀区=15:1:8～10体积比，反应区和缓冲区之间挡板为下挡板，由底部延伸至 装置上部，下挡板高度：装置总高度=3/4～6/7，缓冲区和沉淀区之间挡板为上挡 板，由顶部延伸至距沉淀区底部1/4～1/7处，即上挡板高度：装置沉淀区高度 =3/4～6/7。
使用上述纳米零价铁装置处理废水法步骤如下：
第一步，常温常压下用硼氢化钠(NaBH4)还原六水合氯化铁 (FeCl3·6H2O)，制备得到粒径为40～100nm，比表面积为20～40m2/g的纳米 零价铁，保存在乙醇中备用;或直接将纳米零价铁配制成50g/L～200g/L的悬浊 液;
第二步，通过进水泵将去除悬浮物的废水泵入并装满反应区，关闭进水泵， 打开氮气进气阀，通入氮气，待废水中溶解氧降至0.5mg/L时，向反应区泵入 第一步配制的50g/L～200g/L的悬浊液，同时打开搅拌器，通过控制搅拌器转 速控制反应区速度梯度G为150s-1～70s-1，使纳米零价铁和废水充分混合反应; 等到反应区的纳米零价铁浓度为1g/L～25g/L废水时，打开进水泵连续泵入废水， 控制废水在反应区停留时间为1～3.5小时;
第三步，打开污泥循环泵，控制污泥回流流量为废水进水流量的0.2～3倍， 回流泥斗底部浓缩污泥至反应区搅拌后循环利用;出水水质未达设计指标时， 打开排泥阀，将附着了污染物质的污泥，由排泥管排出;
第四步，反应区的废水和废水中固体悬浮物经缓冲区流入沉淀区，利用重 力沉降作用沉淀区内废水中固体悬浮物被分离后，清水经斜板、三角堰、出水 管排出。
上述第二步向反应区泵入第一步的50g/L～200g/L的悬浊液是根据废水中 污染物浓度不同，控制反应区纳米零价铁浓度：当废水中污染物浓度为1mg/L ～100mg/L时，控制反应区纳米零价铁浓度为1g/L～10g/L;当废水中污染物浓 度为100mg/L～2000mg/L时，控制反应区纳米零价铁浓度为5g/L～25g/L。
本发明有益效果：
(1)本发明克服现有纳米零价铁反应器仅适用于间歇式废水处理的缺点， 利用其反应、加速沉淀及污泥回用功能实现废水连续处理，且处理效果好，污 染物去除率可达95%;
(2)本发明沉淀区设斜板和泥斗，固体悬浮物能通过斜板沉降，并沿泥斗 的斜板下滑，沉淀在泥斗底部，实现处理后废水和废水中固体悬浮物分离，提 高出水水质。与单纯的自然静沉相比，本发明沉淀效率大大提高;与电磁分离 系统相比，本发明沉淀效果好，无电耗，成本低。
(3)纳米零价铁化学性质相对稳定，沉淀区泥斗底部浓缩污泥仍含纳米零 价铁有效成分，本发明采用污泥循环泵回流沉淀区泥斗浓缩污泥至反应区搅拌 后循环利用，提高了纳米零价铁利用率。
(4)本发明利用向反应区通入氮气维持厌氧反应条件，有效减少纳米零价 铁非必要氧化。
(5)本发明由于进水挡板、下挡板、上挡板简单、合理、巧妙的设计，使 反应器反应区、缓冲区、沉淀区既相互独立又成为一体。不仅保证各个区域相 互独立不受影响，又能保证整个装置连续稳定运行。