含重金屬偏酸性廢水的處理方法及其處理系統的製作方法
2023-05-04 14:38:46 2
專利名稱：含重金屬偏酸性廢水的處理方法及其處理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種廢水的多級處理方法及其處理系統，尤其涉及一種含有電化學處理步驟的廢水多級處理方法及其處理系統。
背景技術：
重金屬一股是指比重大於4或5的金屬，約有45種，通常的重金屬汙染，主要是指汞、鉛、鎘、鉻以及砷等生物毒性顯著的重金屬的環境汙染，還包括具有一定毒性的重金屬(如鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等)的汙染。重金屬汙染物比較難治理，它們主要是通過採礦、冶煉、汙灌、汙泥、施肥、大氣沉降等流失到環境中，在水體中積累到一定的限度就會對水體——水生植物——水生動物系統產生嚴重危害，並可能通過食物鏈最終影響到人類的自身健康。水體的重金屬汙染已經成為當今世界上最嚴重的環境問題之一。
有色金屬冶煉行業的重金屬汙染環境問題是近年來國際國內關注的環境熱點問題。金屬冶煉不僅產生廢渣，而且廢水與煙塵的危害性更直接、更迅猛。同時，有色金屬冶煉還是土壤重金屬汙染的重要來源之一，因為大氣沉降對土壤中重金屬積累的貢獻率在各種外源輸入因子中排在首位。
電鍍加工給產品帶來裝飾性與功能性，對金屬而言是節約型工藝，隨著高科技發展的需要，電鍍加工越來越重要。加之世界製造業向我國轉移，我國周邊地區電鍍加工開始向沿海轉移。電鍍行業已成為我國國民經濟一個不可缺少、不可替代並有上升發展趨勢的行業，但同時又是一個嚴重汙染、耗水、耗能、耗金屬材料與化工材料的行業。電鍍行業廢水複雜多樣，廢水中既含有較高濃度的重金屬鉻、鎳、錫、鋅、銅，還含有氰化物等劇毒性物質。目前電鍍廢水處理工藝複雜，處理成本較高，廢水回用率比較低，這都嚴重影響了水資源的利用。
隨著國家對環境保護的重視，重金屬行業排汙執行標準越來越嚴，工業廢水回用也是節約水資源的一項重大措施，但是目前重金屬廢水一股採用普通化學法處理，其工藝流程如圖1所示，處理後出水很難達到國家《汙染物綜合排放標準》的一級標準。由於廢水中含有不同種類的重金屬離子，一股的化學法不能夠處理全部的重金屬離子。使用化學法處理的出水pH值偏高，尤其當廢水中有Zn、Al、Pb、Sn等兩性金屬存在時，其生成的沉澱物可能會在較高的pH值下再溶解，因此要嚴格控制pH值，實行分段沉澱。對於有可能和重金屬形成絡合物，影響處理效果的陰離子(例如滷素、氰根、腐殖質等)，則需預先進行去除。化學法處理後出水如果用於工業回用水，則由於出水中含鈣量過高，硬度過大，容易使輸水管道堵塞，損壞處理設備，嚴重的將導致工藝事故。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種適用範圍廣、運行穩定、處理效果好、處理成本小、環保無汙染的含重金屬偏酸性廢水的處理方法，還提供一種設備緊湊、佔地面積小、設備自動化程度高、可控性好、投資成本小的含重金屬偏酸性廢水的處理系統。
為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種含重金屬偏酸性廢水的處理方法，包括以下步驟 (1)內電解處理將炭粉、鐵屑按1∶(1～10)的質量比混合(所述鐵屑還可以是鐵粉或者鐵片、鐵球和其他鐵構件的邊角廢料；所述炭粉可以是活性炭或焦炭等等)，再添加炭粉和鐵屑總重量0％～15％的經陽離子表面活性劑改性的沸石，充分混合後置於內電解池中，將經過預處理後的廢水輸送到該內電解池中，曝氣條件下進行反應，反應時間控制在10～30min； (2)電化學處理使內電解處理後的出水直接進入電化學反應池，電化學反應池中設置的極板的間距為0.6～1.4cm(電化學系統一股是以鐵、鋁等作為陽極板，以石墨等作為陰極板)，反應時間控制在5s～5min； (3)沉澱使電化學處理後的出水進入沉澱池進行沉澱； (4)過濾沉澱後的澄清液通過表面膜過濾器進行固液分離，完成處理過程，處理完成後的出水可用於工業回用水，也可以直接排放。
上述的含重金屬偏酸性廢水的處理方法中，所述沉澱步驟後得到的汙泥可進入一汙泥濃縮池中進行濃縮處理以回收利用廢棄資源。
作為上述技術方案的進一步改進，所述汙泥濃縮池濃縮處理後的汙泥和所述過濾步驟後的濾渣均進入一壓濾裝置進行壓濾處理，壓濾處理後的濾液進行循環處理以回收利用。
本發明的上述技術方案是根據含重金屬酸性廢水的特殊性質提出來的，特別適合於有色冶煉及電鍍廢水的處理。本發明的含重金屬偏酸性廢水可以是pH在0.1～8.5之間和/或重金屬汙染物最大濃度在200mg/L以上(不超過1000mg/L)的廢水。
本發明上述技術方案的基本思路是將內電解技術和電化學處理技術進行優化結合，起到協同增效的處理效果。
具體來說，內電解是利用鐵屑和炭粉分別作為微小原電池的正極和負極，以充入的廢水為電解質溶液，形成原電池後發生氧化-還原反應，其電解反應的原理如下 陽極(Fe)Fe→Fe2++2e E0＝-0.44V 陰極(C)a)酸性條件下2H++2e→2[H]→H2E0(H+/H2)＝0V b)酸性充氧條件下O2+4H++4e→2H2O E0(O2)＝1.23V c)中性條件下O2+2H2O+4e→4OH-E0(O2/OH-)＝0.40V 由陰極反應可見，在酸性充氧條件下，兩者的電位差最大，腐蝕反應進行最快，這說明鐵在還原曝氣條件下處理化工有機廢水的效果優於不曝氣條件下的處理效果，因此本發明的內電解處理是在曝氣的條件下進行。另外，由於陰極反應消耗了大量的H+，因此會提高處理液的pH值。此外，在微電解的過程中還會發生下列反應 Fe2++O2+H+→Fe3++H2O Fe2++H2O2→Fe3++OH+OH- Fe2++OH→Fe3++OH- 由上述反應式可見，在反應過程中所生成的羥自由基OH氧化性極強，可以使有機物氧化。另外，由於內電解形成電池的電極周圍存在電場效應，這使得溶液中帶電粒子在電場作用下定向移動並進行富集，最後沉積在電極上而被除去。內電解反應生成的新生態的Fe2+及它們的水合物還具有較強的吸附-絮凝活性，特別是在加鹼調pH值後生成Fe(OH)2和Fe(OH)3膠體絮凝劑，具有很大的吸附絮凝能力。
由上可見，內電解處理步驟去除汙染物的主要機理包括(1)鐵、鋁等低電位金屬溶解產生具有新生態活性的Fe和Al，從而起到吸附-凝聚作用，通過電凝聚而去除汙染物；(2)Fe的還原作用，例如六價鉻與Fe2+作用還原為三價鉻，以及對其他部分有機物的還原等；(3)陰極上H+還原產生新生態H，能與廢水中許多組分發生氧化還原反應，使汙染物降解或破壞發色物質的發色結構而脫色；(4)陰極的氧去極化過程出現有強氧化能力的中間產物，可去除水中有機汙染物；(5)陰極直接還原作用，將高價金屬離子還原為低價金屬離子或金屬。一股而言，這些作用並非互相排斥，而是在不同條件下有不同的表現，而且往往是幾種作用協同增效、互為補充。
當待處理廢水進入內電解池後，由於內電解法處理廢水過程中會產生大量的Fe2+和Fe3+離子，水解生成的氫氧化合物膠體是很好的絮凝劑，能夠和廢水中的其他重金屬離子產生混凝作用，降低電化學處理時重金屬離子的濃度；同時原子池反應使得部分重金屬離子由低價態氧化成高價態，並且能使廢水的pH值上升，避免另加入氫氧化鈣或氫氧化鈉調節pH值，這些均有利於後續電化學處理步驟的實施，因此本發明上述技術方案在內電解處理後增加一電化學處理步驟，內電解池出水不需沉澱，便可直接進入後續的電化學處理步驟。
電化學法是利用鋁或鐵陽極在電流作用下溶解生成鋁或鐵的氫氧化物的凝聚性來凝聚水中的膠體物質從而使水獲得淨化的一種電化學方法。電化學是一個複雜的過程，在電場的作用下，金屬電極產生的陽離子在進入水體時包括許多物理化學現象，從陽離子的產生到形成絮體大致分為以下三個連續的階段 (1)在電場的作用下，陽極產生的離子形成「微絮凝劑」——鐵或鋁的氫氧化物； (2)水中懸浮的顆粒、膠體汙染物在「微絮凝劑」的作用下失去穩定性； (3)脫穩後的汙染物顆粒和「微絮凝劑」之間相互碰撞，結合成肉眼可見的大絮體。
電化學法中常用的電極材料為鋁或鐵，在陽極和陰極之間通以直流電，發生的電極反應如下 (1)鋁陽極條件下a)Al-3e→Al3+ ——在鹼性條件下Al3++3OH-→Al(OH)3 ——在酸性條件下Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+ (2)鐵陽極條件下b)Fe-2e→Fe2+ ——在鹼性條件下Fe2++2OH-→Fe(OH)2 ——在酸性條件下4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH 另外，水的電解還有氧氣放出，2H2O-4e→O2+4H+； 在陰極2H2O+2e→H2+2OH-。
針對上述兩種處理技術各自的特點和反應原理，本發明採用內電解結合電化學法來處理工業重金屬廢水，內電解能夠有效去除廢水中的有機物，降低重金屬濃度，並且提高廢水的pH值，為電化學進一步深度處理重金屬提供有利條件；而電化學技術產生的微絮凝劑對水中的無機物、有機物都具有非常好的絮凝效果，能深度處理廢水中的重金屬汙染物，而且電化學法具有電氣浮作用，能產生均勻穩定的微小氣泡，能夠去除最小的膠體顆粒，電化學反應產生的微絮凝劑在吸附重金屬後通過氣浮作用能更高效快速地去除。
作為一個總的技術構思，本發明還提供一種用於上述處理方法中的處理系統，所述處理系統包括依次相連接的調節池、內電解池、電化學反應池、沉澱池和過濾池；所述內電解池中設有反應床，所述反應床中充填有由炭粉、鐵屑和陽離子表面活性劑改性的沸石組成的濾料；所述電化學反應池中裝設有電化學反應器，所述電化學反應器是以金屬鐵或金屬鋁為陽極；所述過濾池中裝設有表面膜過濾器。
為了進一步回收利用資源，優選的，上述的處理系統中，所述沉澱池還設有排泥口，該排泥口連通至一汙泥濃縮池，所述汙泥濃縮池和過濾池均另設有排汙口，各排汙口均連通至一壓濾機，所述壓濾機的濾液排出口連通至所述的調節池。通過增設回收裝置以進一步利用汙泥、濾渣中的廢棄資源。
與現有技術相比，本發明處理方法的優點在於 (1)適用範圍廣，工藝運行過程穩定； (2)經過本發明處理方法處理後的出水pH值穩定，有機汙染物、重金屬汙染物都能達標排放，經過沉澱後的出水可以達到國家《汙染物綜合排放標準》的一級排放標準；用表面膜過濾器過濾後能夠達到國家《城市汙水再生利用工業用水水質》標準，可用作工業回用水，以解決出水硬度過高導致的管道堵塞等問題； (3)省去了重金屬廢水在處理過程中投加化學藥劑和購置投藥設備的費用，減小了處理成本； (4)本發明處理方法產生的汙泥量比傳統的加藥處理工藝產生的汙泥量少40％，大大降低了汙泥的處置費用； (5)本發明的處理方法不會使水中的8O42-、Cl-、NO3-、PO43-及C源等細菌和藻類生長必須的成分產生富集而使水體富營養化，不會產生二次汙染，是環保的水處理技術； (6)本發明電化學處理陽極上產生的氧和氯可使有機物發生氧化而成為無害成分，並起到殺菌作用；陰極上發生的還原作用使氧化型色素還原而成為無色物質。
此外，與現有技術相比，本發明處理系統的優點在於，本發明處理系統的設備緊湊，佔地面積小，設備自動化程度高，可控性好，管理簡單，投資成本小。
圖1為現有化學法處理工藝的工藝流程圖。
圖2為本發明實施例1的處理系統的結構示意圖。
圖3為本發明實施例1的處理方法的工藝流程圖。
具體實施例方式 實施例1 處理某有色冶煉廢水 某待處理的銅冶煉廢水pH值為2.45，其中As、Cd、Cu、Zn的含量分別為5463mg/L、808.20mg/L、373.30mg/L和3198.0mg/L。
一種如圖2所示的用於本實施例廢水處理的處理系統，該處理系統包括依次相連接的調節池、內電解池、電化學反應池、沉澱池和過濾池，各處理池中均設有進水口和出水口，各處理池之間是通過管道(或者溝渠之類相連通)；其中，內電解池中設有反應床，反應床中充填有由陽離子表面活性劑改性的沸石、炭粉和鐵屑組成的濾料，炭粉與鐵屑的質量比為1∶10，改性的沸石含量為炭粉和鐵屑總重量的1％；電化學反應池中裝設有電化學反應器，電化學反應器是以金屬鐵為陽極；過濾池中裝設有表面膜過濾器；沉澱池還另設有一排泥口，該排泥口連通至一汙泥濃縮池，汙泥濃縮池和過濾池均另設有一排汙口，各排汙口均連通至一壓濾機，壓濾機的濾液排出口連通至調節池。
一種用如圖2所示的處理系統處理待處理的銅冶煉廢水的方法，該方法的工藝流程如圖3所示，具體包括以下步驟 (1)預處理將所述的銅冶煉廢水輸送到一水質調節池中，經過格柵預處理，去除廢水中的大顆粒物及雜質； (2)內電解處理將經過預處理後的出水輸入到內電解池中，使出水流經內電解池中設置的反應床，曝氣條件下，內電解池中的反應時間控制為30min，反應後的部分處理水可經泵回流至調節池，回流比為20％，經內電解處理後的大部分出水進入後續的電化學反應池中； (3)電化學處理經內電解處理後進入到電化學反應池中的出水開始進行電化學反應，電化學反應系統採用的極板為鐵極板，電流電壓控制在80～160VA，極板間的間距為0.6～1.4cm，反應時間為1min； (4)沉澱經上述電化學處理後的出水進入沉澱池進行沉澱；沉澱後的汙泥通過排泥口輸送至汙泥濃縮池中；濃縮後的汙泥通過排汙口輸送到壓濾機進行壓濾處理； (5)過濾沉澱後的澄清液輸送到過濾池中，經過濾池中設置的膜表面過濾器過濾後外排或作為工業回用水；過濾後的濾渣經過排汙口輸送到壓濾機中進行壓濾處理，壓濾後的濾液回收到調節池中進行循環處理，壓濾後的濾渣進行回收處理。
經本實施例方法處理後，出水水質及重金屬去除率如下表1所示。由表1可見，經本發明方法處理後出水的各項指標優於國家汙染物綜合排放一級標準(GB8978-1996)，達到城市汙水再生利用工業用水水質標準(GB/T19923-2005)。
表1實施例1中廢水處理前後的指標參數 實施例2 處理某電鍍廢水 某待處理的電鍍廢水pH值為3.43，其中Cr6+、Zn、Ni、Cu的含量分別為26.0mg/L、56.4mg/L、90.8mg/L、和8.28mg/L。
採用實施例1中的處理系統處理上述待處理的電鍍廢水的方法，具體包括以下步驟 (1)預處理將所述的電鍍廢水輸送到一水質調節池中，經過格柵預處理，去除廢水中的大顆粒物及雜質； (2)內電解處理將經過預處理後的出水輸入到內電解池中，使出水流經內電解池中設置的反應床，曝氣條件下，內電解池中的反應時間控制為15min，經內電解處理後的出水進入後續的電化學反應池中； (3)電化學處理經內電解處理後進入到電化學反應池中的出水開始進行電化學反應，電化學反應系統採用的極板為鐵極板，電流電壓控制在80～160VA，極板間的間距為0.6～1.4cm，反應時間為2min； (4)沉澱經上述電化學處理後的出水進入沉澱池進行沉澱；沉澱後的汙泥通過排泥口輸送至汙泥濃縮池中；濃縮後的汙泥通過排汙口輸送到壓濾機進行壓濾處理； (5)過濾沉澱後的澄清液輸送到過濾池中，經過濾池中設置的膜表面過濾器過濾後外排或作為工業回用水；過濾後的濾渣經過排汙口輸送到壓濾機中進行壓濾處理，壓濾後的濾液回收到調節池中進行循環處理，壓濾後的濾渣進行回收處理。
經本實施例方法處理後，出水水質及重金屬去除率如下表2所示。由表2可見，經本發明方法處理後出水的各項指標優於國家汙染物綜合排放一級標準(GB8978-1996)，達到城市汙水再生利用工業用水水質標準(GB/T19923-2005)。
表2實施例2中廢水處理前後的指標參數 實施例3 處理某強酸性重金屬廢水 某待處理的強酸性重金屬廢水pH值為0.3，其中As、Cd、Zn、Cu的含量分別為66.6mg/L、111.7mg/L、32.1mg/L和757.1mg/L。
採用實施例1中的處理系統處理上述待處理的強酸性重金屬廢水的方法，具體包括以下步驟 (1)預處理將所述的強酸性重金屬廢水輸送到一水質調節池中，經過格柵預處理，去除廢水中的大顆粒物及雜質； (2)內電解處理將經過預處理後的出水輸入到內電解池中，使出水流經內電解池中設置的反應床，曝氣條件下，內電解池中的反應時間控制為30min，反應後的部分處理水可經泵回流至調節池，回流比為30％，經內電解處理後的大部分出水進入後續的電化學反應池中； (3)電化學處理經內電解處理後進入到電化學反應池中的出水開始進行電化學反應，電化學反應系統採用的極板為鐵極板，電流電壓控制在120VA，極板間的間距為0.6～1.4cm，反應時間為1.5min； (4)沉澱經上述電化學處理後的出水進入沉澱池進行沉澱；沉澱後的汙泥通過排泥口輸送至汙泥濃縮池中；濃縮後的汙泥通過排汙口輸送到壓濾機進行壓濾處理； (5)過濾沉澱後的澄清液輸送到過濾池中，經過濾池中設置的膜表面過濾器過濾後外排或作為工業回用水；過濾後的濾渣經過排汙口輸送到壓濾機中進行壓濾處理，壓濾後的濾液回收到調節池中進行循環處理，壓濾後的濾渣進行回收處理。
經本實施例方法處理後，出水水質及重金屬去除率如下表3所示。由表3可見，經本發明方法處理後出水的各項指標優於國家汙染物綜合排放一級標準(GB8978-1996)。
表3實施例3中廢水處理前後的指標參數
權利要求
1.一種含重金屬偏酸性廢水的處理方法，包括以下步驟
(1)內電解處理將炭粉、鐵屑按1∶(1～10)的質量比混合，再添加炭粉和鐵屑總重量0％～15％的經陽離子表面活性劑改性的沸石，充分混合後置於內電解池中，將經過預處理後的廢水輸送到該內電解池中，曝氣條件下進行反應，反應時間控制在10～30min；
(2)電化學處理使內電解處理後的出水直接進入電化學反應池，電化學反應池中設置的極板的間距為0.6～1.4cm，反應時間控制在5s～5min；
(3)沉澱使電化學處理後的出水進入沉澱池進行沉澱；
(4)過濾沉澱後的澄清液通過表面膜過濾器進行固液分離，完成處理過程。
2.根據權利要求1所述的含重金屬偏酸性廢水的處理方法，其特徵在於所述沉澱步驟後得到的汙泥進入一汙泥濃縮池中進行濃縮處理。
3.根據權利要求2所述的含重金屬偏酸性廢水的處理方法，其特徵在於所述濃縮處理後的汙泥和所述過濾步驟後的濾渣均進入一壓濾裝置進行壓濾處理，壓濾處理後的濾液進行循環處理。
4.一種用於權利要求1～3中任一項所述處理方法中的處理系統，其特徵在於所述處理系統包括依次相連接的調節池、內電解池、電化學反應池、沉澱池和過濾池；所述內電解池中設有反應床，所述反應床中充填有由陽離子表面活性劑改性的沸石、炭粉和鐵屑組成的濾料；所述電化學反應池中裝設有電化學反應器，所述電化學反應器是以金屬鐵或金屬鋁為陽極；所述過濾池中裝設有表面膜過濾器。
5.根據權利要求4所述的處理系統，其特徵在於所述沉澱池設有排泥口，該排泥口連通至一汙泥濃縮池，所述汙泥濃縮池和過濾池均另設有排汙口，各排汙口均連通至一壓濾機，所述壓濾機的濾液排出口連通至所述的調節池。
全文摘要
本發明屬於廢水的多級處理方法及其處理系統，具體公開了一種含重金屬偏酸性廢水的處理方法及其處理系統，包括以下步驟先將炭粉、鐵屑混合，再添加經改性的沸石，置於內電解池中，將經過預處理後廢水輸送到該內電解池中，曝氣條件下反應10～30min；使出水直接進入電化學反應池，池中極板的間距為0.6～1.4cm，反應5s～5min；出水進行沉澱、固液分離即可。該處理系統包括依次相連接的調節池、內電解池、電化學反應池、沉澱池和過濾池；內電解池中設有反應床，反應床中充填沸石、炭粉和鐵屑組成的濾料；電化學反應池中裝設有電化學反應器，過濾池中裝設有表面膜過濾器。本發明處理方法具有適用範圍廣、運行穩定、處理效果好、處理成本小、環保無汙染等優點。
文檔編號C02F1/461GK101811795SQ20101015369
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月22日 優先權日2010年4月22日
發明者譚自強, 付中和, 蔣曉雲, 姚健, 王強 申請人:長沙華時捷環保科技發展有限公司