CN101863574A

CN101863574A - 一种利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置

Info

Publication number: CN101863574A
Application number: CN200910131669A
Authority: CN
Inventors: 刘懿颉; 李泽唐
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2010-10-20

Abstract

本发明提供了一种去除水中砷的方法和装置，具体说是对高砷地下水进行预加热、预氧化、预消毒和预调节pH操作，从而提高水温，氧化As(III)和调节pH值。预处理后，高砷水经过铁矿渣填充的反应器，反应器由两组反应柱组成，两组反应柱并联，根据进水管流量选择同时运行，或单独运行，每组反应柱有2根柱体，为吸附前柱和吸附后柱，高砷水从吸附前柱下端进水，通过输水管进入吸附后柱上端，从吸附后柱下端出水，从达到除砷的目的。本发明特点：(1)铁矿渣有良好除砷效果，且廉价易得，实现废物再利用；(2)预处理为高效吸附反应创造条件；(3)预氧化水中As(III)和饮用水消毒相结合；(4)可处理浓度达2mg/L高砷水，出水浓度低于50μg/L的限值；(5)装置维护成本低，操作简单，使用周期长，可反冲洗再生。

Description

一种利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种去除水中砷的方法和装置，具体说是一种对高砷水具有预加热、预氧化、预消毒和预调节pH功能的利用廉价固体废弃物铁矿渣去除地下水中砷的方法和装置。

背景技术

长期饮用砷超标的水，引起砷中毒，可导致皮肤癌和多种内脏器官癌变。慢性砷中毒患者除有头痛、头晕等症状外，突出表现为皮肤损害，症状为皮肤色素沉着、皮肤角化过度及皮肤癌。高砷地下水已成为威胁人类用水安全和健康的全球性问题。我国地下水砷含量超标地区主要分布于内蒙古、山西、新疆、宁夏和吉林等7个省，受影响人口约230万，其中饮水型高砷暴露人口已超过50万人。地下水砷超标严重影响我国部分地区人们的身体健康。

目前，国内外主要除砷方法有沉淀法、吸附法、氧化法、离子交换法、生物除砷技术等。在众多的除砷方法中，吸附技术被认为是适合于社区、以村镇为单位的农户及分散居住的家庭使用的最为有效的技术。天然矿物、合成的铁及铝的氧化物及羟基氧化物、铁氧化物负载材料、零价铁、钛氧化物及负载材料、稀土氧化物及活性碳等被用作吸附剂来除砷。但其中一些材料的昂贵价格，使其缺少批量应用的商业价值。

吸附剂往往对于As(III)的吸附效果较差，而地下水中As(III)往往是总砷的主要组成，且As(III)的毒性高出As(V)60倍。为降低地下水毒性和提高除砷效果，有必要对地下水进行预氧化处理。通常用氧化剂将As(III)氧化为As(V)。常用的氧化剂有游离氯、次氯酸盐、臭氧、高锰酸盐、Fenton试剂等。但在饮用水中应避免使用化学性氧化剂，以免残留或在氧化过程中产生副产物，因此，氧成为饮水除砷过程中首选的氧化剂，但溶解氧的氧化动力学很慢，而臭氧的强氧化性可有效促使氧化反应的进行。

铁矿渣是冶炼钢铁产生的固体废弃物，具有以下特点：①多孔，比表面积大，是良好的吸附材料；②铁矿渣中的氧化铁可以做氧化剂，絮状铁有良好的吸附性；③具有一定的机械强度；④廉价易得，处理成本较低。然而，铁矿渣如未合理处置，随意堆放，可能引起山体滑坡，尾矿堆受雨水长期淋滤可产生次生污染，污染地下水，因此，十分有必要妥善处置铁矿渣。

综上所述，针对我国地下水砷污染分布区的实际，开发出廉价又具有良好除砷效果的方法和装置对高砷地下水广泛分布的农村地区饮用水安全问题的有效解决具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种去除高砷水中砷的方法和装置，同时实现固体废弃物的再利用。

本发明的原理是利用铁矿渣中铁氧化物对砷强的结合能力和高的吸附容量吸附水中的砷，从达到除砷的目的。温度影响吸附效果，通过静态批实验得出相对高温有利于铁矿渣对砷的吸附，因此，对高砷水进行加热预处理。地下水中砷以As(III)和As(V)形式共存，由于As(V)更易于被吸附的特点，在吸附前用臭氧将As(III)被氧化为As(V)，以利于后续吸附的进行，实现去除水中砷的目的。

在环境扫描电子显微镜和X-射线衍射仪的观察分析下，铁矿渣形貌和成份有以下特点：多孔性，有片状、立方锥四面体、似蜂窝状等多孔结构，比表面积大；主要含有赤铁矿、铁橄榄石、磁铁矿等。铁矿渣去除水中砷的批实验和土柱实验，也证明其具有良好的吸附性。

研究表明铁矿渣对高砷水中As(V)的吸附符合Langmuir吸附等温曲线，温度对吸附砷效果影响明显，较高温度有利于砷的吸附(40℃＞30℃＞20℃)，温度主要影响吸附过程中孔隙扩散阶段的吸附速率。本发明采用电加热方式，增加水温以提高吸附效果。

高砷地下水中除了含有砷的各种离子以外，还含有Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、SO₄ ^2-、Cl^-、硬度、SiO₂及腐殖酸等有机物，因此，需要对作为饮用水的地下水进行消毒处理，目前饮用水消毒的氧化物有臭氧、次氯酸钠、氯铵、高锰酸钾等。目前使用较多的是氯消毒和臭氧消毒。因此，选择臭氧或者次氯酸钠既氧化As(III)，又可对水体进行消毒。水中含有的NO₂ ^-也会被氧化，Fe³⁺、Mn²⁺会以水合羟基氧化物等形式从水中沉淀出来，它们对As(V)也有吸附作用。

吸附过程与pH和氧化还原电位明显相关，高砷水呈酸性时吸附效果优于碱性条件。天然水体中硅酸来源于岩石侵蚀、风化及一些矿物(例如硅酸盐、铝硅酸盐及钠长石等)的溶解，硅酸在天然水体中的形态主要是含氧阴离子形式存在。由于硅酸在地下水中广泛存在，硅酸对地下水Eh-pH的调节导致对As(V)的吸附作用有重要影响。因此，本发明采用钛钌网和不锈钢网，用直流电源的在电极板加载电容，通过电吸附去除硅酸根离子，同时利用两电极板间的氧化还原电势不同，通过电解水达到调节水中pH值的作用，通过检测电流变化确定电吸附水平，通过电极板气泡产生情况确定pH的调节范围。

本发明特点：1、吸附材料铁矿渣有良好的吸附除砷效果，且廉价易得；2、预加热、预氧化、预消毒和预调节pH为高效吸附反应创造有利条件；3、预氧化地下水中As(III)和饮用水消毒相结合；4、可处理砷浓度达2mg/L的高砷水，出水浓度低于《生活饮用水卫生标准》中规定的农村小型集中式供水和分散式供水砷含量50μg/L的限值；5、装置维护成本低，操作简单，使用周期长，可反冲洗再生。

附图说明

图1是除砷系统装置示意图

图2是吸附反应装置示意图

其中1-抽水水泵、2-预反应储水罐、3-加热电阻丝、4-直流电源、5-电化学反应电极、6-臭氧发生器(次氯酸钠投放器)、7-潜水泵、8-流量调节阀、9-吸附反应装置、10——洗液储备罐、11-出水调节阀、12-废液储备罐、13-进水管、14-反冲洗液进水调节阀、15-反冲洗尾液出水调节阀、16-单组吸附前柱、17——单组吸附后柱、18——固定支架

具体实施方式

铁矿渣经预处理，填充于吸附反应器柱内，遵循吸附反应器设计及操作运行的一般规律。具体实施过程包括对吸附剂性质、来水预处理、吸附操作方式及设备、再生过程的考虑，结合图示阐述具体实施步骤，包括以下几个方面：

1、铁矿渣填料制备：将铁矿渣粉碎、过筛，选择粒径为即0.0750mm-0.850mm的铁矿渣在蒸馏水中浸泡24h，再用去离子水冲洗，105℃烘干后作为反应柱填充材料，在单组吸附前柱(16)中填装铁矿渣粒径为0.150mm-0.850mm，单组吸附后柱(17)中填装铁矿渣粒径为0.0750mm-0.150mm。

2、高砷水预加热处理：抽水泵将地下水抽到预反应储水罐(2)中，通过储水罐内加热电阻丝(3)预先加热，水温可调节至20℃、30℃、40℃三档，尤其适用于我国高砷地下水分布的北方冬季使用，夏季或温度较高时可选择关闭。

3、高砷水电化学调节预处理：电化学反应电极(5)采用钛钌网和不锈钢网分别组成阳极和阴极，通过直流电源(4)对在预反应储水罐(2)中的电化学反应电极(5)通直流电源，通过电化学调节pH水化学条件。

4、高砷水预氧化处理：利用臭氧发生器(6)以1.5mg/L的臭氧浓度注入预反应储水罐(2)中，潜水泵(7)水力搅拌使氧化充分，将高砷水中砷(III)氧化为砷(V)。臭氧发生器(6)可以根据当地经济情况，选择次氯酸钠投放器代替。

5、吸附除砷反应：铁矿渣除砷反应器由两组反应柱组成，两组反应柱并联，根据流量调节阀(8)调节的进水管(13)流量选择同时运行，或单独运行，每组反应柱有2根柱体，分别为吸附前柱(16)和吸附后柱(17)，组内柱体串联，反应柱体中填充铁矿渣，处理后的高砷水从吸附前柱(16)下端进水，通过输水管进入吸附后柱(17)上端，从吸附后柱(17)下端出水，经出水调节阀(11)流出。吸附过程中总的停留时间保持在1h以上。

6、反冲洗再生操作：当柱体铁矿渣对砷吸附饱后，进行反冲洗操作。串联运行的反冲洗穿透后吸附柱的再生在控制箱配合三通电动阀门及泵的动作下完成。反冲洗液为含0.01mol/LNaOH的水溶液，其流向与高砷水经过除砷反应器流向相反，洗液储备罐(10)中反冲洗液通过水泵从反冲进水调节阀(14)进入吸附后柱(17)下端，经过反应柱，从吸附后柱(17)上端沿输水管进入吸附前柱(16)，从吸附前柱(16)下端的经反冲洗尾液出水调节阀(15)流出到废液储备罐(12)。

Claims

1.一种利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置，其特征是通过如下方法来实现的：对含砷水进行预加热、预氧化、预消毒、预调节pH操作，提高水温，将地下水中的As(III)氧化成As(V)和调节pH值，预处理后，含砷水经过铁矿渣，然后经出水口流出。吸附饱和的铁矿渣通过碱液反冲洗再生。

2.根据权利要求1所述的利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置，其铁矿渣填料制备特征包括：将铁矿渣粉碎、过筛，在蒸馏水中浸泡24h，再用去离子水冲洗，105℃烘干后作为反应柱填充材料，在单组吸附前柱(16)中填装铁矿渣粒径为0.150mm-0.850mm，单组吸附后柱(17)中填装铁矿渣粒径为0.0750mm-0.150mm。

3.根据权利要求1所述的利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置，其高砷水预加热处理特征包括：预反应储水罐中加热电阻丝(3)加热水，水温可调节至20℃、30℃、40℃三档，适用于我国高砷地下水分布的北方冬季使用，夏季或温度较高时可选择关闭。

4.根据权利要求1所述的利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置，其高砷水电化学调节预处理特征包括：电化学反应电极(5)采用钛钌网和不锈钢网分别组成阳极和阴极，通过直流电源(4)对在预反应储水罐(2)中的电化学反应电极(5)通直流电源，进而电化学调节pH等水化学条件。

5.根据权利要求1所述的利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置，其高砷水预氧化处理特征包括：利用臭氧发生器(6)将臭氧注入预反应储水罐(2)中，在潜水泵(7)中的水力搅拌混匀罐，将高砷水中砷(III)充分氧化为砷(V)。臭氧发生器(6)可以根据当地经济情况，选择次氯酸钠投放器代替。

6.根据权利要求1所述的利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置，其铁矿渣吸附除砷包括：铁矿渣除砷反应器由两组反应柱组成，两组反应柱并联，根据流量调节阀(8)调节的进水管(13)流量选择同时运行，或单独运行，每组反应柱有2根柱体，分别为吸附前柱(16)和吸附后柱(17)，组内柱体串联，反应柱体中填充铁矿渣，处理后的高砷水从吸附前柱(16)下端进水，通过输水管进入吸附后柱(17)上端，从吸附后柱(17)下端出水，经出水调节阀(11)流出。