CN103043844A

CN103043844A - 一种利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法及装置

Info

Publication number: CN103043844A
Application number: CN2012105593930A
Authority: CN
Inventors: 张亚雷; 张伟贤; 代朝猛; 梁文
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明涉及一种利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法及装置，具体步骤为：将预处理过后的工业废水和纳米零价铁充分混合，工业废水中重金属部分被nZVI还原、部分被吸附到nZVI的表面，反应后干净的水与nZVI通过电磁搅拌桨装置进行分离，电磁搅拌桨通过通电后发出的磁场作用力吸附含有重金属的nZVI，使nZVI能够被固定在电磁搅拌桨上，进行有效分离。通过物理分离，减少了去除过程或去除后对工业废水理化性质的改变。本发明操作简单、效果显著，可对废水中存在的锌、铜、镍、镉、铅等一次性去除，然后吸附在nZVI上的重金属通过电磁搅拌桨回收分离。利用nZVI技术修复被重金属污染废水具有成本低，修复效率高等特点；利用电磁搅拌桨装置资源回收利用，不会造成二次污染。

Description

一种利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法及装置

技术领域

本发明属于环保技术领域，涉及工业废水中重金属的净化技术，具体为一种利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法及装置。

背景技术

工业废水是一类对环境污染和人类危害极大的废水，主要污染因子为锌、铜、镍、镉或铅等。重金属难以被降解，只能转移其存在位置或转变其物理化学形态。工业废水主要产生于机械加工、电镀、矿山开采等，其重金属的种类、含量及存在形态随着不同的生产行业而存在差异。例如，印刷厂在铅版镀铁、镀锌过程中产生酸性含铅、含锌废水。电镀工业是使用镉较为广泛的工业部门。皮毛厂用砷作脱毛剂，用氧化砷作防腐剂，玻璃厂用砷作脱色剂，木材厂用砷作防腐剂，以及颜料、涂料和含砷农药的生产都排出形态各异的含砷废水。有机合成工业用铜作催化剂，农药、颜料行业用铜作原料，铜、锌、铅等有色金属冶炼厂、玻璃厂、发电厂、电机厂、汽车厂等废水中均含铜。工业废水具有高毒性、持久性和累积性等特点，排放到环境中不易被代谢，易被生物富集，不仅污染水环境、威胁水体安全，也严重威胁着人类和水生生物的生存。震惊世界的日本水俣病和骨痛病就是分别由含汞废水和含镉废水污染环境所造成的。由此可见，建立一种高效去除重金属的方法具有重大意义。

目前，国内外采用处理工业废水的方法主要有三类：第一类是化学法，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体共沉淀法、电化学还原法等；第二类是物理法，即在不改变重金属化学形态的条件下进行吸附、浓缩、分离等方法，包括离子交换、吸附和膜分离等；第三类是生化法，即借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属的方法，包括生物絮凝法、生物化学法和植物生态修复等。化学法会产生大量污泥，从而对环境造成二次污染；物理法，例如离子交换法，成本和能耗高、设备复杂、操作时间长且选择性低；生化法投资和运行成本低，处理效果好，但污泥量大，且处理效果受温度等影响，不稳定。

纳米零价铁（nanoscale zero-valent iron, nZVI）的产生为工业废水的净化提供了新的手段和方法。零价铁独特的还原能力及表面化学特性使其能高效去除废水中的重金属。早在1999年，Moller等针对酸性岩排水中的重金属离子采用微米级零价铁出去，研究结果显示，微米级零价铁对水中砷酸盐、镉离子、铜离子等均有良好去除效果。由于nZVI具有更大的比表面积，故去除重金属的反应速率远高于普通零价铁材料。2000年Mallouk等研究了直径10-30 nm的nZVI对水中Cr(VI)和Pb(II)的去除作用，发现nZVI对Cr(VI)和Pb(II)的去除主要通过还原作用实现，并且，nZVI反应速率是普通铁材料的30倍，两个月以后去除能力仍然是普通铁粉的21倍。Weixian Zhang从2005年开始研究nZVI对不同重金属离子去除，发现nZVI与水中金属离子反应速率远高于普通零价铁材料，nZVI与水中金属离子反应快，且吸附、处理容量是普通材料的10到1000倍。Weile Yan等研究表明，nZVI对Hg(II)、Zn(II)均有高效的去除作用，2 g/L nZVI对40 mg/L Hg(II)的去除效果高达98%，nZVI对Hg(II)的去除主要通过还原作用实现；pH值对nZVI去除Zn(II)有显著的影响，nZVI对Z(II)的去除主要通过吸附及共沉淀作用实现。

目前用nZVI处理工业废水还是一种新的方法，因其操作简单、处理周期短、处理效果好而具有较大的应用前景，但由于nZVI粒径小，在水中仅靠自身重力沉降缓慢，不易与水实现固液分离，影响出水的浊度及nZVI的回收，同时nZVI的反应装置多为间歇型反应器，无法实现装置的连续运行。

发明内容

本发明的目的就是针对工业废水中重金属现有的处理技术和手段存在的不足，提供一种利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法及装置，将重金属从工业废水中分离出来，同时防止对受纳水体的二次污染。

本发明提出的一种利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法，具体步骤如下：

(1) 将含重金属的工业废水进行预处理，通过过滤、沉淀等工艺去除工业废水中悬浮杂质，使工业废水澄清，降低干扰物质对后续nZVI活性的影响；

(2) 步骤(1)得到的工业废水进入导流区，通过导流口分流进入反应区；

(3) 工业废水与nZVI在反应区通过电磁搅拌桨的快速搅拌充分混合、接触反应0.5-2.0 h，nZVI通过还原、吸附或共沉淀作用一次性去除工业废水中锌、铜、镍、镉、铅等各种重金属，去除的重金属则聚集在nZVI颗粒上；其中，nZVI固含量为20-80 g/L，工业废水中加入的nZVI净含量为1-10 g/L；

(4)电磁搅拌桨接通电源后产生磁场作用力，步骤(3)的工业废水与nZVI充分接触反应后，通过电磁搅拌桨慢速搅拌使nZVI吸附在电磁搅拌桨上，待水澄清后开启反应区与沉淀区的出水口，使处理过后的水进入沉淀区通过溢流方式排出装置；当电磁搅拌桨上吸附一定量的nZVI后，利用行车将其运送至回收区，切断电源，使被吸附在电磁搅拌桨上的nZVI全部进入回收区内，结束后，电磁搅拌桨被运送回反应区内，重新进行工作；

(5) 装置的连续运行通过两个反应区的交替运行实现，当一个反应区内的电磁搅拌桨需要进行nZVI的回收时，工业废水通过导流口进入另一个反应区进行重金属的去除反应，两个反应区独立运行，导流口和出水口均通过挡板控制进出水。

本发明中，所述nZVI平均粒径约为30-70 nm，比表面积达20-40 m²/g，独特的核壳结构具有还原和吸附的双重功能。

本发明中，所述多种金属是指锌、铜、镍、镉、铅中至少一种。

本发明中，所述工业废水是指含锌废水、含铜废水、含镍废水、含镉废水、含铅废水或含多种金属的混合重金属废水中一种以上。

本发明中提出的利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的装置，包括导流区1、反应区2、沉淀区3和回收区4，反应区2有两个，两个反应区2独立运行，导流区1一侧底部进水口连接进水管5，工业废水由进水管5进入导流区1，导流区1另一侧设有反应区2，导流区1通过位于其上部的导流口6与反应区2连通，反应区2一侧中下部设有出水口7，反应区2通过出水口7与沉淀区3连通；反应区2和沉淀区3底部均设有排水口12，沉淀区3一侧通过锯齿形堰9连接集水槽10，集水槽10底部设有出水管11；反应区2位于回收区4一侧；反应区2和回收区4上方设有行车13，电磁搅拌浆8一端固定位于行车13上，电磁搅拌浆8能在行车13上来回移动，电磁搅拌浆8上设有电磁铁15。

本发明中，所述电磁铁15连接电源。

本发明中，加入的nZVI在反应器中通过搅拌和重金属充分混合。对E⁰(M)≤E⁰(Fe)的情况（M表示Zn²⁺、Cd²⁺等），nZVI通过吸附的方式对重金属进行聚集；对E⁰(M)接近或稍大于E⁰(Fe)的情况（M表示Ni²⁺、Pb²⁺等），nZVI通过吸附或还原的方式对重金属进行分离；对E⁰(Fe)≤E⁰(M)的情况（M表示Cu²⁺、Hg²⁺等），nZVI主要是通过还原反应对重金属进行去除。以Zn²⁺为例，nZVI壳结构的FeOOH被氧化成铁的氧化物后，通过吸附或共沉淀的方式对Zn²⁺进行去除，FeOOH被氧化成铁的氧化物的反应式描述如下：

2FeOOH + O₂ → Fe₂O₃ + H₂O

通过吸附和共沉淀的方式最终将Zn²⁺去除。

本发明的研究可以推及到受重金属污染的其它对象如污泥等，通过本发明除去的重金属包括锌、铜、镍、镉或铅等。

本发明的有益效果：

本发明利用nZVI技术，采用nZVI吸附和还原等特性，将重金属从工业废水中去除，并利用电磁铁的磁性使nZVI与水效固液分离，实现nZVI颗粒的回收。整个系统连续运行，结构简单、实用，并且能耗低、成本低。

附图说明

图1为本发明的装置平面示意图。

图2为本发明的装置立面1示意图。

图3为本发明的装置立面2示意图。

图4为锯齿形堰8示意图。

图5为导流口6/出水口7示意图。

图6为电磁搅拌桨8示意图。

图7为nZVI结构示意图。

图8为实施例1不同nZVI投加量的Zn²⁺去除率图。

图9为实施例1不同pH值影响nZVI对Zn²⁺的去除率图。

图中标号：1为导流区，2为反应区，3为沉淀区，4为回收区，5为进水管，6为导流口，7为出水口，8为电磁搅拌桨，9为锯齿形堰，10为集水槽，11为出水管，12为排水口，13为行车，14为挡板，15为电磁铁，16为nZVI。

具体实施方式

以下通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

如图1-图7所示，所述装置包括导流区1、反应区2、沉淀区3和回收区4，工业废水由进水管5进入导流区1，导流区1通过导流口6与反应区2连通，反应区2通过出水口7与沉淀区3连通。nZVI对重金属的去除过程及固液分离过程主要发生在反应区2中，其中：电磁搅拌桨8是反应区2的主要组成部分，沉淀区3出水通过锯齿形堰9流入溢流式集水槽10后通过出水管11排出装置，当装置需要排水检修或回收nZVI时，水或nZVI通过排水口12排出装置，利用行车13将电磁搅拌桨8移至回收区4进行nZVI的回收，电磁搅拌桨8上均匀分布有电磁铁14，所述电磁铁连接电源。

取某电镀厂电镀车间出口处电镀废水原液，首先对电镀废水原液进行预处理，通过投加絮凝剂使电镀废水原液中的悬浮杂质凝结成絮，静置沉淀，待沉淀完成后得到澄清的电镀废水。预处理的电镀废水含Zn²⁺ 300-500 mg/L，pH值在3-5之间。本研究设计对预处理的电镀废水分批次加入一定量的nZVI，电镀废水经导流区进入反应区后通过挡板将反应区密闭，在搅拌桨快速搅拌作用下与nZVI充分接触反应0.5-2.0 h，随后接通电磁搅拌桨电源并慢速搅拌，使nZVI在磁力的作用下吸附到电磁搅拌桨表面，电镀废水变澄清后，开启反应区与沉淀区连通的出水口将处理后水排出，并利用行车将电磁搅拌桨移至回收区，此时切断电源，使被吸附在电磁搅拌桨上的nZVI全部进入回收区内，从而实现nZVI与水的固液分离。如图8所示，当nZVI投加量在0.4 g/L时Zn²⁺的去除率已经达到95%以上，反应后pH值会有所上升。如图9所示，电镀废水的pH值影响nZVI对Zn²⁺的去除效果，pH值越高去除效果越明显。

实施例2：

取某电镀厂电镀车间出口处电镀废水原液，首先通过投加絮凝剂对电镀废水原液进行预处理，使电镀废水原液中的悬浮杂质随着絮凝剂形成沉淀而去除，从而得到澄清的电镀废水。预处理后的电镀废水含Cu²⁺ 300-800 mg/L，pH值在7-8.5之间。本研究设计对预处理的电镀废水分批次加入一定量的nZVI，预处理后澄清的电镀废水在导流区通过导流口进入反应区后，导流口与出水口同时通过挡板将反应区密闭，在搅拌桨快速搅拌作用下与nZVI充分接触反应0.5-2.0 h，实现nZVI对电镀废水中重金属的去除。随后接通电磁搅拌桨电源并慢速搅拌，使nZVI在磁力的作用下吸附到电磁搅拌桨表面，待电镀废水变澄清后，开启出水口使反应区澄清液进入沉淀区，并通过锯齿形堰排出装置。两个反应区交替运行，一个反应区进行电镀废水与nZVI的接触反应，另一个反应区利用行车将电磁搅拌桨移至回收区实现nZVI的有效回收。其中Cu²⁺的去除率为90%以上。

Claims

1.一种利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法，其特征在于具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法，其特征在于所述nZVI平均粒径约为30-70 nm，比表面积达20-40 m²/g。

3.根据权利要求1所述的利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法，其特征在于所述多种金属是指锌、铜、镍、镉、铅中至少一种。

4.根据权利要求1所述的利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法，其特征在于所述工业废水是指含锌废水、含铜废水、含镍废水、含镉废水、含铅废水或含多种金属的混合重金属废水中一种以上。

5.一种如权利要求1所述的利用电磁搅拌桨去除工业废水中重金属的方法使用的装置，其特征在于所述装置包括导流区(1)、反应区(2)、沉淀区(3)和回收区(4)，反应区(2)有两个，两个反应区(2)独立运行，导流区(1)一侧底部进水口连接进水管(5)，工业废水由进水管(5)进入导流区(1)，导流区(1)另一侧设有反应区(2)，导流区(1)通过位于其上部的导流口(6)与反应区(2)连通，反应区(2)一侧中下部设有出水口(7)，反应区(2)通过出水口(7)与沉淀区(3)连通；反应区(2)和沉淀区(3)底部均设有排水口(12)，沉淀区(3)一侧通过锯齿形堰(9)连接集水槽(10)，集水槽(10)底部设有出水管(11)；反应区(2)位于回收区(4)一侧；反应区(2)和回收区(4)上方设有行车(13)，电磁搅拌浆(8)一端固定位于行车(13)上，电磁搅拌浆(8)能在行车(13)上来回移动，电磁搅拌浆(8)上设有电磁铁(15)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述电磁铁(15)连接电源。