CN103435122A - 一种重金属废水生物质反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环保污水处理设备技术领域，尤其是一种重金属废水生物质反应器，本发明提供了一种利用改性玉米芯作为填料吸附废水中重金属粒子的设备和方法，重金属废水进出吸附柱的流量均由阀门、转子流量计控制，经厚度不同的填料层吸附过滤后的水体分别取样监测，实时把握废水处理效果。本发明所述的设备，采用动态连续吸附法对含重金属离子的废水进行处理，基于重力式自上而下导流法和固定床吸附系统，整体结构稳定可靠，水处理效率可控，净化效果好，吸附剂利用率高，具有极佳的推广应用价值。

Description

一种重金属废水生物质反应器

技术领域

本发明涉及环保污水处理设备技术领域，尤其是一种重金属废水生物质反应器。

背景技术

在工业生产过程中，富含重金属离子的废水在进入排污管道之前必须进行离子吸附处理，以避免对环境造成严重污染。废水吸附处理法是常用的废水物理化学处理法的一种，尤其适用于处理重金属废水，根据吸附过程一般可以物理吸附和化学吸附两种方式，吸附过程是溶剂、溶质和固体吸附剂综合体系中的界面现象。吸附现象的第一种推动力是溶剂对溶质的排斥作用，决定这种作用强度的重要因素是溶质的溶解度，溶质同溶剂的化学特性越相近，溶解度就越大，被多孔性固体吸附的趋势就越小；反之，溶质同溶剂的化学特性相差越大，溶解度越小，被吸附的趋势就越大。在水溶液中，溶剂水具有强极性，一些非极性的有机物就容易受到水的排斥，而被吸附在非极性的吸附剂表面上。吸附现象的第二种推动力是多孔性固体对溶质的亲和吸引作用，包括范德瓦耳斯力、静电引力以及化学键或氢键作用力。在范德瓦耳斯力或静电吸引力作用下进行的吸附称为物理吸附。这两种力是没有选择性的，因而物理吸附可以发生在固体吸附剂与任何溶质之间，但吸附强度则因吸附对象的不同而有很大差别。范德瓦耳斯力的作用强度较小，作用范围也小，因而吸附不牢固，具有可逆性，并可以形成多分子层的吸附。物理吸附过程是放热过程，温度降低有利于吸附，温度升高有利于解吸。在化学键力或氢键力作用下进行的吸附称为化学吸附。化学键力只存在于特定的各原子之间，所以化学吸附是有选择性的。化学键力的强度较大，其作用力范围不超过分子大小，因而化学吸附可逆性较差，只形成单分子层吸附。化学吸附是吸热过程，温度升高有利于吸附。物理吸附和化学吸附往往并存在吸附过程中。

吸附操作可分为静态间歇吸附法和动态连续吸附法两种。吸附法单元操作通常包括三个步骤。首先是使废水和固体吸附剂接触，废水中的污染物被吸附剂吸附；第二步将吸附有污染物的吸附剂与废水分离；最后进行吸附剂的再生或更新。按接触、分离的方式，吸附操作可分为静态间歇吸附法和动态连续吸附法两种。

动态连续吸附法是在流动条件下进行吸附，相当于连续进行多次吸附，即在废水连续通过吸附剂填料层时，吸附去除其中的污染物，其吸附装置有固定床、膨胀床和移动床等型式。各种吸附装置可单独、并联或串联运行，按水流方向可分为上向流式和下向流式两种，按承受的压力可分为重力式和压力式两种。得到广泛使用的是固定床吸附系统。

动态连续吸附法可以利用吸附柱试验绘制穿透曲线来确定最佳的操作参数。穿透曲线是出水中残留污染物浓度C与吸附柱过水量V之间的关系曲线，在通水初期，出水中污染物含量C1低于允许数值，水质良好，随着处理水量的增加，出水中污染物的浓度逐渐增高，当出水中污染物浓度达到允许数值C2的那一点C称为穿透点，越过穿透点后继续通水，出水中污染物的浓度急剧增加，直至接近于废水浓度C0。曲线ABCD为吸附柱在特定接触时间下的穿透曲线，曲线CD越陡，表明吸附作用越好，吸附剂的利用率越高。

生物质对废水中的重金属的去除是典型的生物质吸附现象，它不同于简单的吸附、沉积或者离子交换，是典型的物化过程与生化过程的复合体，因生物质的细胞壁化学组分不同及表面结构不同而具有明显的区别。生物质属于多孔性吸附剂，对重金属的吸附过程一般分为三个阶段：

1、颗粒外部扩散阶段：即吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面。主要决定因素是重金属离子的外部扩散速度，一般与重金属离子浓度和生物质吸附剂的比表面积成正比，增加溶液与颗粒间的相对运动速度，也可以在一定程度上提高外部扩散速度，因此选用较小的粒径、采用搅拌混合方法在理论上具有提高吸附速度的作用。

2、孔隙扩散阶段：即重金属离子在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散阶段，这一阶段的主要决定因素是孔隙扩散速度，孔隙扩散速度与吸附质颗粒的大小和结构等因素有关，一般，吸附剂颗粒越小，孔隙扩散速度越快。外部扩散速度与孔隙扩散速度一起决定吸附速度。

3、吸附反应阶段：在该阶段重金属离子被吸附在吸附剂孔隙内的吸附点表面，形成吸附固定。

生物质对废水中重金属离子的吸附主要包含表面络合、氧化还原、还原吸附和离子交换。一方面，生物质的具有高孔隙度的物理结构和高比表面积的形态，可以与重金属离子直接发生物理吸附，另一方面，生物质所具有的活性基团是提高生物质吸附性能的关键，一般通过化学改性的方法增加其活性基团的种类和数量，从而提高其吸附性能。重金属离子通过多种途径进入生物质的细胞壁表面，并在细胞壁中进行积累，与细胞壁中的多糖官能团进行配位吸附。重金属离子在生物质中的吸附多为物理吸附、化学吸附和离子交换的综合过程，哪一过程为主导主要由生物质不同的木质素、纤维、半纤维蛋白质结构和由于改性方法不同而引入的低分子组分决定，同时受到反应条件的影响，从而使生物质对重金属的吸附呈现出复杂性和多样性。另一方面，重金属离子的存在形式是生物质处理重金属废水时反应条件的决定性因素。目前对其动力学的研究认为，生物质对重金属离子的吸附同时存在物理吸附和静电吸附。

本发明所述的重金属废水生物质反应器及净水处理方法，是基于重力式的下向流动态连续吸附法，生物质采用改性玉米芯作为填料，玉米芯根据待处理重金属废水所含的重金属离子，分别采用KOH、磷酸、柠檬酸、丁二酸酐进行改性处理，为提高处理效率，可将分别采用KOH、磷酸、柠檬酸、丁二酸酐进行改性处理过的玉米芯填料按一定比例混合后作为填料。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术缺点提供一种重金属废水生物质反应器。

本发明解决技术问题采用的技术方案为：一种重金属废水生物质反应器，包括高位水箱、吸附柱和集水箱，所述高位水箱经进水管连通吸附柱的入水口，集水箱经出水管连通吸附柱的排水口，进水管上安装有阀门A、流量计A，排水管上安装有阀门B、流量计B，吸附柱侧壁从上到下依次安装有四个取样口A、B、C、D，吸附柱内部上端设有布水板，下端设有均匀布孔的塑料托板，布水板与塑料托板之间为改性玉米芯填充的填料层；所述流量计A、流量计B均为转子流量计，流量计A位于进水管靠近高位水箱的一端，流量计B位于排水管上靠近吸附柱的一端。

所述吸附柱直径为12CM，吸附柱内部从布水板至取样口A之间的填料厚度为0.5m，取样口A至取样口B之间的填料厚度为1.0m，取样口B至取样口C之间的填料厚度为1.5m，取样口C至取样口D之间的填料厚度为2.0m。

所述改性玉米芯为分别经KOH、磷酸、柠檬酸、丁二酸酐改性法处理过的改性玉米芯的混合填充料。

本发明所述反应器的重金属废水生物质反应方法，其特征在于：

1)含有重金属离子的废水由高位水箱持续供应，流量由阀门A、流量计A控制；

2)含有重金属离子的废水经布水板均匀布入吸附柱；

3)吸附柱内填充的改性玉米芯填料对流经的废水中的重金属离子进行吸附；

4)取样口A、B、C、D分别对流经不同厚度玉米芯填料的水质取样检测；

5)经吸附过滤后的水体经排水管持续排出，流量由阀门B、流量计B控制；

6)经排水管排出的净化后的水体由集水箱收集。

本发明所具有的有益效果是：本发明所述的设备，采用动态连续吸附法对含重金属离子的废水进行处理，基于重力式自上而下导流法和固定床吸附系统，整体结构稳定可靠，水处理效率可控，净化效果好，吸附剂利用率高，具有极佳的推广应用价值。

附图说明

附图1为本发明所述的重金属废水生物质反应器结构示意图。

附图2为本发明所述的反应器处理流程框图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2对本发明做以下详细说明。

如图1、图2所示，本发明包括高位水箱1、吸附柱2和集水箱3，所述高位水箱1经进水管10连通吸附柱2的入水口，集水箱3经出水管11连通吸附柱2的排水口，进水管10上安装有阀门A41、流量计A51，排水管11上安装有阀门B42、流量计B52，吸附柱2侧壁从上到下依次安装有四个取样口A、B、C、D，吸附柱2内部上端设有布水板8，下端设有均匀布孔的塑料托板9，布水板8与塑料托板9之间为改性玉米芯填充的填料层7；所述流量计A51、流量计B52均为转子流量计，流量计A51位于进水管10靠近高位水箱1的一端，流量计B52位于排水管11上靠近吸附柱2的一端；吸附柱2直径为12CM，吸附柱2内部从布水板8至取样口A61之间的填料厚度为0.5m，取样口A61至取样口B62之间的填料厚度为1.0m，取样口B62至取样口C63之间的填料厚度为1.5m，取样口C63至取样口D64之间的填料厚度为2.0m；所述改性玉米芯为分别经KOH、磷酸、柠檬酸、丁二酸酐改性法处理过的改性玉米芯的混合填充料。

本发明所述反应器的重金属废水生物质反应方法，其特征在于：

1)含有重金属离子的废水由高位水箱持续供应，流量由阀门A、流量计A控制；

2)含有重金属离子的废水经布水板均匀布入吸附柱；

3)吸附柱内填充的改性玉米芯填料对流经的废水中的重金属离子进行吸附；

4)取样口A、B、C、D分别对流经不同厚度玉米芯填料的水质取样检测；

5)经吸附过滤后的水体经排水管持续排出，流量由阀门B、流量计B控制；

6)经排水管排出的净化后的水体由集水箱收集。

实施例一

采用KOH改性法对玉米芯进行化学改性，处理含Cr6+废水时，吸附柱有效吸附高度≥1m，进水流量≤3L/min，适宜于强酸性条件，适合Cr6+浓度在150mg/L以下的废水，加大吸附柱的有效吸附高度可以有效提高含Cr6+废水的处理效果，废水中的COD和Zn2+对总铬和Cr6+的去除有抑制作用。改性玉米芯吸附柱处理含Cr6+废水的处理效果良好，在pH＝1、吸附柱有效吸附高度≥1.5m，进水流量为≤2.5L/min时，初始浓度为100mg/L的含Cr6+模拟废水，Cr6+去除率均在99％以上。对所研究的某机械加工车间废水时，进水流量≤2.5L/min，有效吸附高度为2m时，废水COD去除率在75％左右，Cr6+去除率在86％以上，总铬去除率在88％以上，Zn2+去除率在98％以上

经KOH改性法处理的改性玉米芯作为填料，填充到吸附柱内，吸附柱直径为12CM，吸附柱内部从布水板至取样口A之间的填料厚度为0.5m，取样口A至取样口B之间的填料厚度为1.0m，取样口B至取样口C之间的填料厚度为1.5m，取样口C至取样口D之间的填料厚度为2.0m。

实施例二

分别对玉米芯采用MC-1(KOH处理)、MC-2(KOH处理)、MC-3(磷酸处理)、MC-4(柠檬酸处理)进行改性，经实验证实，将5.00mg/mL的吸附剂MC-2投加到含Cd²⁺的废水中，调节PH值为6，反应2.0h后，Cd²⁺的吸附率高达98.64％。

分别经MC-1(KOH)、MC-2(KOH处理)、MC-3(磷酸处理)、MC-4(柠檬酸处理)改性法处理的玉米芯按2∶4∶3∶1的比例混合作为填料，填充到吸附柱内，吸附柱直径为12CM，吸附柱内部从布水板至取样口A之间的填料厚度为0.5m，取样口A至取样口B之间的填料厚度为1.0m，取样口B至取样口C之间的填料厚度为1.5m，取样口C至取样口D之间的填料厚度为2.0m。

实施例结果表明，改性玉米芯经过不同改性法处理后，对废水中常见的多种重金属离子均有非常强大的吸附作用，远远超出普通的物理吸附和化学吸附法，优选地，可以将不同改性法处理过的玉米芯混合后作为吸附柱的填充料，其混合比例根据废水中重金属离子的比例而定，也可以根据废水处理过程中取样口A、B、C、D实时测得的结果对不同改性玉米芯填料的比例进行调整。

Claims (5)

1.一种重金属废水生物质反应器，包括高位水箱、吸附柱和集水箱，其特征在于：所述高位水箱经进水管连通吸附柱的入水口，集水箱经出水管连通吸附柱的排水口，进水管上安装有阀门A、流量计A，排水管上安装有阀门B、流量计B，吸附柱侧壁从上到下依次安装有四个取样口A、B、C、D，吸附柱内部上端设有布水板，下端设有均匀布孔的塑料托板，布水板与塑料托板之间为改性玉米芯填充的填料层。

2.根据权利要求1所述的一种重金属废水生物质反应器，其特征在于：所述流量计A、流量计B均为转子流量计，流量计A位于进水管靠近高位水箱的一端，流量计B位于排水管上靠近吸附柱的一端。

3.根据权利要求1所述的一种重金属废水生物质反应器，其特征在于：所述吸附柱直径为12CM，吸附柱内部从布水板至取样口A之间的填料厚度为0.5m，取样口A至取样口B之间的填料厚度为1.0m，取样口B至取样口C之间的填料厚度为1.5m，取样口C至取样口D之间的填料厚度为2.0m。

4.根据权利要求1所述的一种重金属废水生物质反应器，其特征在于：所述改性玉米芯为分别经KOH、磷酸、柠檬酸、丁二酸酐改性法处理过的改性玉米芯的混合填充料。

5.根据权利要求1所述的反应器的重金属废水生物质反应方法，其特征在于：

1)含有重金属离子的废水由高位水箱持续供应，流量由阀门A、流量计A控制；

2)含有重金属离子的废水经布水板均匀布入吸附柱；

3)吸附柱内填充的改性玉米芯填料对流经的废水中的重金属离子进行吸附；

4)取样口A、B、C、D分别对流经不同厚度玉米芯填料的水质取样检测；

5)经吸附过滤后的水体经排水管持续排出，流量由阀门B、流量计B控制；

6)经排水管排出的净化后的水体由集水箱收集。

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