公布日：2023.08.08
申请日：2023.04.20
分类号：C02F9/00(2023.01)I;C02F101/20(2006.01)N;C02F1/461(2023.01)N;C02F1/44(2023.01)N;C02F1/48(2023.01)N;C02F1/463(2023.01)N;C02F1/72(2023.01)N;C02F1
/00(2023.01)N;C02F3/02(2023.01)N;C02F3/00(2023.01)N
摘要
一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法，它属于水处理技术领域，涉及一种去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法。本发明的目的是要解决现有物理和化学方法去除重金属效果不理想，且具有污泥量高、能耗高、成本高、容易造成二次污染，生物方法具有对pH值和温度依赖性强、能量和维护需求高，超滤无法有效去除重金属，纳滤和反渗透去除成本较高等问题。基于磁场强化膜滤去除重金属的装置包括高位原水箱、多极产铁池、微电解-澄清耦合池、磁化超滤膜池和储水箱。本发明相较于反渗透等其它去除废水中重金属的方法，所需压力更小，成本更低，效果更好，对含重金属污染的工业废水、二级出水、水源水的净化效果尤其显著。
权利要求书
1.一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于该装置包括：高位原水箱(1)、多极产铁池(2)、微电解-澄清耦合池(3)、磁化超滤膜池(4)和储水箱(5)；所述的多极产铁池(2)内设有多个阳极铁板(25)、多个阴极板(26)和第一曝气装置(16)，阳极铁板(25)和阴极板(26)间隔设置，形成多个水流廊道，每个水流廊道内均设有第一曝气装置(16)；所述的阳极铁板(25)通过产铁池导线(24)与产铁池直流电源(23)的正极相连接，阴极板(26)通过产铁池导线(24)与产铁池直流电源(23)的负极相连接；所述的微电解-澄清耦合池(3)包括：搅拌提升装置(27)、第一反应区(28)、第二反应区(29)、小径斜管辅助型澄清区(30)、沉淀回流区(31)和第二曝气装置(19)；第二曝气装置(19)、第一反应区(28)、第二反应区(29)和小径斜管辅助型澄清区(30)自下而上设置在微电解-澄清耦合池(3)的内部，小径斜管辅助型澄清区(30)与溢流堰相邻；所述的沉淀回流区(31)设置在第二反应区(29)外，且与第一反应区(28)相连通，第一反应区(28)内分布有铁碳粉末；所述的磁化超滤膜池(4)内自下而上依次设有第三曝气装置(22)和超滤膜组件(32)；超滤膜组件(32)外表面缠绕膜池导线(34)；膜池导线(34)的两端分别接入膜池直流电源(33)的正极和负极，通电后膜池导线(34)周围产生感应磁场，磁化超滤膜组件(32)；所述的高位原水箱(1)的一端与多极产铁池(2)的一端连接，多极产铁池(2)的另一端与微电解-澄清耦合池(3)的一端连接，微电解-澄清耦合池(3)的另一端与磁化超滤膜池(4)的一端连接，磁化超滤膜池(4)的另一端与所述储水箱(5)连接；所述的第一曝气装置(16)、第二曝气装置(19)和第三曝气装置(22)分别与空气泵(13)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的高位原水箱(1)与多极产铁池(2)连通的管路上设有多极产铁池进水管阀门(6)；多极产铁池(2)与微电解-澄清耦合池(3)连通的管路上设有微电解-澄清耦合池进水管阀门(7)；微电解-澄清耦合池(3)与磁化超滤膜池(4)连通的管路上设有磁化超滤膜池进水管阀门(9)；磁化超滤膜池(4)与储水箱(5)连通的管路上设有产水管阀门(10)。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的第一曝气装置(16)与空气泵(13)连通的管路上设有第一曝气阀(15)和第一流量计(14)；第二曝气装置(19)与空气泵(13)连通的管路上设有第二曝气阀(18)和第二流量计(17)；第三曝气装置(22)与空气泵(13)连通的管路上设有第三曝气阀(21)和第三流量计C(20)。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于多极产铁池(2)与微电解-澄清耦合池(3)连通的管路之间设有超越管路，其与高位原水箱(1)相连通，高位原水箱(1)可通过超越管路超越多极产铁池(2)直接与微电解-澄清耦合池(3)相连通；所述的超越管路上设有超越阀门(8)。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的多极产铁池(2)、微电解-澄清耦合池(3)和磁化超滤膜池(4)的底部均与放空管相连通，放空管上设有放空阀(11)；所述的磁化超滤膜池(4)的底部还设有排污管，排污管上设有排污阀(12)，磁化超滤膜池(4)过滤产生的污染物通过排污管排出。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的高位原水箱(1)中水面高度与磁化超滤膜池(4)的水面高度相差20～100cm；所述的多极产铁池(2)中阴极板(26)的材质为碳材料、铜、铅、银、铂及其合金中的一种。7.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的小径斜管辅助型澄清区(30)由斜管或斜板排列组合而成；所述的磁化超滤膜池(4)内超滤膜组件(32)为中空纤维式、平板式和卷式的一种或几种组合，膜孔径尺寸为0.002～0.1μm，膜材质为聚乙烯、聚醚砜、聚酰胺或醋酸纤维素；所述的超滤膜组件(32)的装填率为200～300m2膜面积/m2膜池水平投影面积；所述膜池导线(34)通电后产生的磁场强度为200～2000GS。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的第一曝气装置(16)由电动阀或手动阀进行控制，用来氧化所述阳极铁板(25)产生的亚铁离子为活性铁氧化物，进而对重金属进行一次吸附，气液比为1:1～15:1；所述第一曝气装置(16)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种或多种组合；所述的第二曝气装置(19)由电动阀或手动阀进行控制，用来氧化上一工艺段来水中以及铁碳微电解过程中产生的亚铁离子，生成活性铁氧化物絮体及颗粒，增强对重金属的去除效果，气液比为1:1～15:1；所述第二曝气装置(19)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种和多种组合；所述的第三曝气装置(22)由电动阀或手动阀进行控制，第三曝气装置(22)所采用的曝气强度为2～30L/(m2·s)，用来维持膜池中的好氧环境，即溶解氧DO浓度在2mg/L以上，利用膜池内部设置的溶解氧检测仪来实时监测膜池内溶解氧DO，有利于膜前生物滤饼层的形成和维持其上微生物的代谢活性，每次曝气时间为15～30min；所述第三曝气装置(22)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种和多种组合。
9.应用如权利要求1～8任意一项所述一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置去除重金属的方法，其特征在于该方法是按照以下步骤实现的：一、打开多极产铁池进水管阀门(6)、微电解-澄清耦合池进水管阀门(7)、磁化超滤膜池进水管阀门(9)和产水管阀门(10)，关闭超越阀门(8)，使废水自高位原水箱(1)以重力流的形式流入多极产铁池(2)中；二、打开产铁池直流电源(23)和第一曝气阀(15)，产铁池导线(24)通电，阳极铁板(25)失去电子向多极产铁池(2)中释放亚铁离子，第一曝气装置(16)向水中扩散空气，水中的亚铁离子在活性氧作用下形成活性铁氧化物及其絮体，吸附废水中的重金属污染物，初次净化后的废水进入微电解-澄清耦合池(3)中；三、打开搅拌提升装置(27)和第二曝气阀(18)，使经过多极产铁池(2)处理后的水进入微电解-澄清耦合池(3)中，与微电解-澄清耦合池(3)中的铁碳粉末充分混合，同时搅拌提升装置(27)将水、填料与团聚体从第一反应区(28)提升至第二反应区(29)，铁碳粉末内部发生原电池反应，产生活性亚铁氧化物及其絮体，然后被第二曝气装置(19)带来的空气氧化为活性铁氧化物絮体，进一步吸附、包裹和截留水中的重金属以及源自于上一工艺段产生的絮体，水、填料和团聚体进入第二反应区(29)进行反应，再进入到小径斜管辅助型澄清区(30)中，比重较大的团聚体和填料等物质在斜管或斜板中滑落下来，进入沉淀回流区(31)中，再回流至第一反应区(28)并与来自于上一工艺段的来水一同发生前述反应，清水进入与小径斜管辅助型澄清区(30)相邻的溢流堰并随后进入出水管流入磁化超滤膜池(4)；四、打开膜池直流电源(33)和第三曝气阀(21)，由于电生磁效应，接通直流电的膜池导线(34)周围产生磁场并施加于磁化超滤膜池(4)中的超滤膜组件(32)，调控膜前生物滤饼层中微生物代谢过程，同时对截留在膜表面的磁性絮体进行磁化，诱导其在超滤膜表面空间内交叠离散分布，改善生物滤饼层的结构，提高其孔隙度和吸附作用速率，强化对重金属的拦截作用以及对其他污染物的协同去除作用；第三曝气装置(22)向超滤膜组件(32)内曝入空气，维持超滤膜组件(32)的好氧环境，从而维持膜前滤饼层中微生物的活性，经过磁化超滤膜池(4)过滤后的清水通过带有产水管阀门(10)的产水管进入储水箱(5)中。
10.根据权利要求9所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置去除重金属的方法，其特征在于步骤二中废水在多极产铁池(2)中的水力停留时间为2～100min；步骤二中所述的多极产铁池(2)中的阴极板(26)材料为碳材料、铜、铅、银、铂及其合金中的一种；步骤二中所述的第一曝气装置(16)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种；步骤三中水在微电解-澄清耦合池(3)中的水力停留时间为15～100min；步骤三中所述微电解-澄清耦合池(3)顶部的小径斜管辅助型澄清区(30)采用斜管形式或斜板形式；步骤三中所述第二曝气装置(19)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种；步骤四中所述的第三曝气装置(22)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种和多种组合；步骤四中所述的超滤膜组件(32)的形式为中空纤维式、平板式和卷式膜的一种或几种组合，膜孔径尺寸为0.002～0.1μm，膜材质为聚乙烯、聚丙烯、聚醚砜、聚酰胺和醋酸纤维素，膜组件的装填率为200～300m2膜面积/m2膜池水平投影面积；步骤四中所述的膜池导线(34)通电后产生的磁场强度为200～2000GS；步骤四中水在磁化超滤膜池(4)中的水力停留时间为1～24h。
发明内容
本发明的目的是要解决现有物理和化学方法去除重金属效果不理想，且具有污泥量高、能耗高、成本高、容易造成二次污染，生物方法具有对pH值和温度依赖性强、能量和维护需求高，超滤无法有效去除重金属，纳滤和反渗透去除成本较高等问题，而提供一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法。
一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，包括：高位原水箱1、多极产铁池2、微电解-澄清耦合池3、磁化超滤膜池4和储水箱5；
所述的多极产铁池2内设有多个阳极铁板25、多个阴极板26和第一曝气装置16，阳极铁板25和阴极板26间隔设置，形成多个水流廊道，每个水流廊道内均设有第一曝气装置16；所述的阳极铁板25通过产铁池导线24与产铁池直流电源23的正极相连接，阴极板26通过产铁池导线24与产铁池直流电源23的负极相连接；
所述的微电解-澄清耦合池3包括：搅拌提升装置27、第一反应区28、第二反应区29、小径斜管辅助型澄清区30、沉淀回流区31和第二曝气装置19；第二曝气装置19、第一反应区28、第二反应区29和小径斜管辅助型澄清区30自下而上设置在微电解-澄清耦合池3的内部，小径斜管辅助型澄清区30与溢流堰相邻；所述的沉淀回流区31设置在第二反应区29外，且与第一反应区28相连通，第一反应区28内分布有铁碳粉末；
所述的磁化超滤膜池4内自下而上依次设有第三曝气装置22和超滤膜组件32；超滤膜组件32外表面缠绕膜池导线34；膜池导线34的两端分别接入膜池直流电源33的正极和负极，通电后膜池导线34周围产生感应磁场，磁化超滤膜组件32；
所述的高位原水箱1的一端与多极产铁池2的一端连接，多极产铁池2的另一端与微电解-澄清耦合池3的一端连接，微电解-澄清耦合池3的另一端与磁化超滤膜池4的一端连接，磁化超滤膜池4的另一端与所述储水箱5连接；所述的第一曝气装置16、第二曝气装置19和第三曝气装置22分别与空气泵13连通。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明中多极产铁池利用电解池原理，多极阳极铁板失电子产生亚铁离子，亚铁离子在废水中在活性氧作用下形成活性铁氧化物并形成絮体，这种絮体可以对废水中的重金属进行一次吸附去除；
二、本发明中微电解-澄清耦合池利用原电池原理，铁碳粉末内部通过原电池效应，自身产生1.2V电位差对废水进行电解，搅拌器的搅拌作用使填料与废水充分接触，同时底部的曝气对电解过程中产生的亚铁离子进行氧化，产生活性铁氧化物，高效吸附废水中的重金属；此外，本发明中微电解-澄清耦合池采用铁碳粉末，相较于普通铁碳填料增大了反应的接触表面积，效果更好，同时还可以起到过滤的作用；顶部区域设置有小径斜管辅助型澄清区，被活性铁氧化物吸附团聚而成的大颗粒在此区域沉降，出水更加清澈，同时减轻了下一工艺段膜池的负荷；
三、本发明中多极产铁池和微电解-澄清耦合池对重金属的双重吸附作用，可以对产水的重金属去除效果起到双重保障作用。
四、本发明中磁化超滤膜池作为末端处理单元，采用滤饼层/超滤耦合技术对整个装置的产水效果起到最后的保障作用，提升了产水的安全性和稳定性；此外，由于磁场生物效应，膜组件上施加的磁场可以增强膜前生物滤饼层中微生物的活性，促进微生物的代谢过程，同时诱导含重金属的絮体颗粒物空间交叠离散分布并被超滤膜高效截留去除，实现对重金属的三次去除，以及对其他有机污染物的协同去除效果；同时，膜滤的驱动力为重力，与传统膜滤过程相比大大降低了能耗；
五、本发明相较于反渗透等其它去除废水中重金属的方法，所需压力更小，成本更低，效果更好，对含重金属污染的工业废水、二级出水、水源水的净化效果尤其显著。
本发明可获得一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，适用于强化去除废水中的重金属污染。
（发明人：吴传栋;文敬博;张会群;唐小斌;梁恒;房睿;刘路明）