CN107697987A

CN107697987A - 一体式纳米零价铁反应装置

Info

Publication number: CN107697987A
Application number: CN201711018198.6A
Authority: CN
Inventors: 张伟贤; 王伟; 李若繁; 顾天航
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-02-16

Abstract

本发明公开一种一体式纳米零价铁反应装置，包括反应器、搅拌器、电磁铁组和刮泥装置。其中反应器由反应区、缓冲区和磁场分离区组成，永久磁铁或电磁铁组设在磁场分离区底部外侧，刮泥装置设在磁场分离区上部。纳米零价铁在反应区与废水充分混合反应，在磁场分离区经磁力分离后由刮泥装置刮入缓冲区，经缓冲区底部通道流入反应区达到循环回用目的。废水经处理后由三角堰流出反应器。本发明充分发挥纳米零价铁高效反应优势，配合磁场分离和刮泥回用，能快速同步去除包括重金属（如铜、镍、锌、铅、镉等）、含氧阴离子（如砷、硒、铬、氮、磷等）在内的多种污染物。本发明装置结构简单、占地小，可用于各种水处理及污染应急处置。

Description

一体式纳米零价铁反应装置

技术领域

本发明属于废水处理领域，具体涉及一种一体式纳米零价铁反应装置。

背景技术

纳米零价铁（nZVI）是指三维尺度中至少有一维处于纳米尺度范围且以零价铁（Fe⁰）为主要成分的材料。因其具有比表面积高、还原活性强等特点，纳米零价铁能快速去除水中多种有机/无机污染物，如十多种重金属离子（Cu、Pb、Ni、Co、Cd、Zn、Cr等）、非金属含氧阴离子（N、P、As、Se等）、卤代有机物（三氯乙烯、四氯化碳、多氯联苯等）、偶氮染料、硝基芳香族化合物等含氮类有机物等。纳米零价铁作为一种新型的环境功能纳米材料备受各国政府、学者、工程师关注，已成功应用于土壤及地下水污染修复工程，但其在废水处理领域的实际应用则报道较少。

Li等人率先报道了纳米零价铁分别处理含铜电路板废水及冶炼废水的中试研究（Li et al., Environ. Sci.: Processes Impacts, 2014, 16, 524; Li et al., Chem. Eng. J., 2014, 254, 115），结果显示纳米零价铁能连续稳定地去除废水中的Cu、As、Zn、Ni等多种污染物。Li等人采用重力沉降方式对反应后的纳米零价铁进行分离。为了提高纳米零价铁利用率，降低药剂成本，Li等人又将分离后的纳米零价铁回流至反应器内进行回用。现有发明专利中有关利用纳米零价铁处理废水的技术，也多采用重力沉降的方式分离纳米零价铁。如CN102897889A介绍了一种“纳米零价铁净化废水中镉的方法及其装置”，其中的分离过程即采用重力沉降方式。然而，由于纳米零价铁颗粒粒径小，采用重力沉降方式进行分离易产生沉降不完全、高水力负荷下流失严重（导致出水水质变差）、设备占地面积大（工程化需要较大沉降池）等工程问题。此外，针对复杂工业废水处理，CN103253757B介绍了一种利用纳米零价铁多级处理此类废水的方法，在实际工程应用中，若采用3级以上纳米零价铁反应体系，则需3个以上纳米零价铁分离装置，此时若采用沉降池分离就显得过于占地。因此，如何充分发挥纳米零价铁去除污染物的高效反应优势，并在反应后实现纳米零价铁与废水的高效分离与回用，成为目前纳米零价铁应用于废水处理的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效利用纳米零价铁的一体式水处理反应装置。

本发明提出的一体式纳米零价铁反应装置，包括反应器、搅拌器、电磁铁组和刮泥装置；其中：

所述反应器由依次连通的反应区、缓冲区和磁场分离区组成；反应区底侧设有进水管，顶部设有纳米零价铁进药管；反应区与缓冲区之间设有主挡板，主挡板上下两端均设有流体通道，使反应区和缓冲区相通；缓冲区底侧设有排泥管；缓冲区与磁场分离区之间设有子挡板，子挡板下端开口，磁场分离区底侧与缓冲区通过子挡板下端开口部位相通；磁场分离区一侧设有三角堰、出水槽和出水管，出水槽与出水管相连；

所述搅拌器由电动机和搅拌桨组成，电动机设在反应器的反应区顶端中央，电动机与搅拌浆相连，所述搅拌浆竖直插入反应区内；

所述电磁铁组包括若干个永久磁铁或电磁铁，电磁铁组均匀固定在反应器的磁场分离区底部外侧；

所述刮泥装置由刮泥机和刮泥板组成；刮泥机设在反应器的磁场分离区顶端，刮泥机与刮泥板通过连接杆相连；刮泥板贴近反应器的磁场分离区底部内侧；正常运行时，刮泥板从反应器的磁场分离区近三角堰一侧向缓冲区一侧做来回往复移动。

本发明中，所述反应器反应区和磁场分离区均为长方体，缓冲区为锥形体，其中反应区、缓冲区和磁场分离区的体积比为1：（0.1~0.4）：（0.1~0.4）。

本发明中，所述反应器可在反应区四个侧面设置不超过四个缓冲区和四个磁场分离区，可根据待处理废水的水质、水量进行选择。

本发明中，所述反应器的磁场分离区的磁感应强度通过永久磁铁或电磁铁组控制，且不低于0.01特斯拉。

本发明中，所述刮泥板与磁场分离区底部呈30° ~ 90°倾角，并且刮泥板顶端至磁场分离区底部的距离不超过三角堰最低点至磁场分离区底部距离的1/2。

本发明中，所述反应器的磁场分离区底部及刮泥板均为非磁性材质。

本发明提出的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含重金属废水，所述重金属包括铜、镍、锌、铅、镉或银等污染物中一种或多种。

本发明提出的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含有含氧阴离子的废水，所述含氧阴离子包括砷、硒、铬、氮或磷等污染物中一种或多种。

本发明提出的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含卤代有机物废水，所述含卤代有机物废水包括三氯乙烯、四氯甲烷或多氯联苯等污染物中一种或多种。

本发明提出的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含氮类有机物废水，所述含氮类有机物包括偶氮染料或硝基芳香族化合物等污染物中一种或多种。

本发明提出的一体式纳米零价铁反应装置应用于同步处理含多种污染物的废水，且这些污染物均可被纳米零价铁去除。

本发明装置进行工作时，纳米零价铁由反应器反应区顶部的进药管进入反应区，废水由反应器反应区底侧的进水管进入反应区，纳米零价铁与废水在搅拌器搅拌下充分混合并发生吸附、还原或沉淀等反应，废水中的污染物在此过程中得到有效去除，经处理的废水与纳米零价铁混合液经主挡板上部流体通道流入缓冲区，并经缓冲区与子挡板形成的通道流入磁场分离区，纳米零价铁在磁力作用下沉积至磁场分离区底部，同时处理后的废水经三角堰流出反应器，当纳米零价铁沉积到一定程度后开启刮泥装置，纳米零价铁经刮泥板作用进入缓冲区并经缓冲区底部流体通道返回反应区，实现纳米零价铁的循环利用。

本发明的有益效果在于：

1）可同时处理多种污染物。废水中包括铜、镍、锌、铅、镉等重金属以及砷、硒、铬、氮、磷等含氧阴离子在内的多种污染物均可通过本发明装置得到有效去除；

2）停留时间短。本发明装置采用的磁场分离能快速分离反应后废水中的纳米零价铁，极大缩短了废水在反应器内的停留时间，总体停留时间可缩短至30 ~ 90分钟；

3）占地面积小。本发明装置采用磁场分离区，相对传统沉降池的较大表面积而言，其占地大大减小，适合进行针对复杂废水的多级纳米零价铁处理；

4）纳米零价铁利用率高。在较强磁场（>0.04特斯拉）作用下未反应或反应后表面吸附有污染物的纳米零价铁均可从废水中快速分离，配合刮泥机循环刮泥将分离后的纳米零价铁回用至反应区，实现纳米零价铁的循环利用。

附图说明

图1为本发明实施例1中的一个总体装置示意图（含两个磁场分离区）；

图2为本发明实施例1中不同磁感应强度及重力沉降条件下纳米零价铁沉降效率曲线；

图3为本发明实施例1中装置正常运行时反应区及出水纳米零价铁浓度变化；

图4为本发明实施例2中的一个总体装置示意图（含一个磁场分离区）；

图5为本发明实施例2中的所述一体式纳米零价铁反应装置中纳米零价铁的三种状态：（a）均匀混合态，（b）浓缩混合态，（c）聚集成团；

图6为本发明实施例2中采用本发明装置处理某含铜含磷废水的处理效果；

图7为本发明实施例3和实施例4中采用本发明装置处理某废水的工艺流程；

图中标号：1进水管，2反应区，3排泥管，4主挡板，5缓冲区，6子挡板，7电磁铁组，8磁场分离区，9搅拌桨，10电动机，11纳米零价铁进药管，12刮泥机，13连接杆，14刮泥板，15三角堰，16出水管，17出水槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

图1为本实施例的一体式纳米零价铁反应装置，包括反应器、搅拌器、电磁铁组和刮泥装置；其中：所述反应器由依次连通的反应区2、缓冲区5和磁场分离区8组成；反应区底侧设有进水管1，顶部设有纳米零价铁进药管11；反应区与缓冲区之间设有主挡板4，主挡板上下两端均设流体通道；缓冲区底侧设有排泥管3；缓冲区与磁场分离区之间设有子挡板6；磁场分离区一侧设有三角堰15、出水槽17和出水管16；所述搅拌器包括电动机10和搅拌桨9，电动机设在反应器反应区顶端中央；所述电磁铁组包括八个电磁铁7，均匀固定在反应器两个磁场分离区的底部外侧；所述刮泥装置包括刮泥机12和刮泥板14；刮泥机设在反应器磁场分离区顶端，与刮泥板通过连接杆13相连；刮泥板靠近反应器磁场分离区底部内侧；正常运行时，刮泥板从反应器磁场分离区近三角堰一侧向缓冲区一侧做来回往复运动。

该实施例中，在反应区２两侧分别设置了一个缓冲区５和一个磁场分离区８，反应区２和磁场分离区８均为长方体，缓冲区５为锥形体，反应区２、缓冲区５和磁场分离区８的体积比为1：0.2：0.2。相应地，有两套刮泥装置和电磁铁组。反应器磁场分离区８的磁感应强度通过电磁铁组７控制，且离底部越近磁感应强度越高。图2示出了在不同水面磁感应强度下纳米零价铁的沉降效率曲线，可知在0.01 T以上磁场分离区表层的纳米零价铁可在5 min内得到99%分离。刮泥板与磁场分离区底部呈45°倾角，且刮泥板顶端到磁场分离区底部的距离为三角堰最低点到磁场分离区底部距离的1/2。此外，反应器磁场分离区底部采用PVC材料制作，刮泥板采用硅胶和不锈钢材料制作。

采用该纳米零价铁反应装置考察正常运行时反应区及出水中纳米零价铁浓度的变化情况。在装置运行时向反应区加入1 g/L的纳米零价铁，同时通入流量为100 L/h的蒸馏水，蒸馏水在反应器内的总体停留时间为45 min。装置开始运行后，电磁铁组持续为反应器磁场分离区提供强度不低于0.01 T的磁场，刮泥板在磁场分离区来回往复运动。结果如图3所示，通过磁场分离和刮泥回用，可使反应器反应区内的纳米零价铁浓度保持在0.76g/L以上，出水中纳米零价铁浓度低于0.01 g/L。

实施例2

图4为本实施例的一体式纳米零价铁反应装置，与实施例1中所示装置不同之处在于：仅有一个缓冲区和磁场分离区，且反应区、缓冲区和磁场分离区的体积比为1：0.1：0.1；相应地设有一套刮泥装置和由四个电磁铁构成的电磁铁组。以该反应器为例，图5示出了纳米零价铁在本发明装置反应器不同位置的状态，其中在反应区由于搅拌作用纳米零价铁与废水混合均匀，故呈均匀混合态（a），在缓冲区纳米零价铁主要因重力沉降而呈浓缩混合态（b），在磁场分离区，由于磁场作用纳米零价铁聚集在底部成团状（c），并随刮泥板作用被不断刮入缓冲区。

采用该纳米零价铁反应装置对某线路板园区含铜含磷废水进行连续处理，反应器停留时间为1 h，处理水量为1.8 m³/d，纳米零价铁投加量为1.5 Kg/d，其中进水pH值预先调至5.5~6.0之间，共进行了7天试验。试验结果如图6所示。结果显示，虽然进水中的铜离子和总磷出现明显波动，但出水均可稳定在0.5 mg/L以下。

实施例3

采用实施例2中所述反应装置对某复杂废水进行了连续处理，该复杂废水为主要含多种重金属离子的混合废水，其种类和含量见表1。本实施例采用了如图7所示的工艺流程：废水首先经过pH调节后进入第一个纳米零价铁反应装置，得到初步处理后流入第二个纳米零价铁反应装置，从第二个反应装置流出的上清液经混凝/絮凝/沉淀后最终达标排放。其中废水pH值通过NaOH或H₂SO₄调节至6.0~7.0之间，废水在每一级纳米零价铁反应器的停留时间为1.5 h，纳米零价铁平均投量为0.48 Kg每吨水，采用聚合硫酸铁（PFS）和聚丙烯酰胺（PAM）进行混凝和絮凝，进行了10天连续处理试验。试验结果见表1，结果显示，采用本发明所述纳米零价铁反应装置及配套工艺可有效处理复杂废水中的多种污染物，且出水达到相关排放标准。

表1某复杂废水污染物含量

实施例4

采用实施例2中所述反应装置对某含砷含硒废水进行了连续处理，其中砷为正五价，浓度为83 mg/L，硒为正四价，浓度为12 mg/L，两者均以含氧阴离子形态存在。本实施例采用了如图6所示的工艺流程：废水首先经过pH调节后进入第一个纳米零价铁反应装置，得到初步处理后流入第二个纳米零价铁反应装置，从第二个反应装置流出的上清液经混凝/絮凝/沉淀后最终达标排放。其中废水pH值通过NaOH或H₂SO₄调节至5.5，废水在每一级纳米零价铁反应器的停留时间为1h，纳米零价铁每隔5小时投加一次，平均投量为0.25 Kg每吨水，采用聚合硫酸铁（PFS）和聚丙烯酰胺（PAM）进行混凝和絮凝，进行了7天连续处理试验。通过对出水取样并经ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱）含量分析，发现出水中砷和硒含量均降至0.3 mg/L以下。因此，采用本发明所述纳米零价铁反应装置及配套工艺可有效处理该含砷含硒废水，且出水达到相关排放标准。

以上所述的4个实施例，仅为本发明针对几种特定废水的典型具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一体式纳米零价铁反应装置，其特征在于：包括反应器、搅拌器、电磁铁组和刮泥装置；其中：

2.根据权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置，其特征在于：所述反应器反应区和磁场分离区均为长方体，缓冲区为锥形体，其中反应区、缓冲区和磁场分离区的体积比为1：（0.1~0.4）：（0.1~0.4）。

3.根据权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置，其特征在于：所述反应器可在反应区四个侧面设置不超过四个缓冲区和四个磁场分离区，可根据待处理废水的水质、水量进行选择。

4.根据权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置，其特征在于：所述反应器的磁场分离区的磁感应强度通过永久磁铁或电磁铁组控制，使其不低于0.01特斯拉。

5.根据权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置，其特征在于：所述刮泥板与磁场分离区底部呈30° ~ 90°倾角，并且刮泥板顶端至磁场分离区底部的距离不超过三角堰最低点至磁场分离区底部距离的1/2。

6.根据权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置，其特征在于：所述反应器的磁场分离区底部及刮泥板均为非磁性材质。

7.一种如权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含重金属废水，所述重金属包括铜、镍、锌、铅、镉或银污染物中一种或多种。

8.一种如权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含有含氧阴离子的废水，所述含氧阴离子包括砷、硒、铬、氮或磷污染物中一种或多种。

9.一种如权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含卤代有机物废水，所述含卤代有机物废水包括三氯乙烯、四氯甲烷或多氯联苯污染物中一种或多种。

10.一种如权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置应用于处理含氮类有机物废水，所述含氮类有机物包括偶氮染料或硝基芳香族化合物等污染物中一种或多种。

11.一种如权利要求1所述的一体式纳米零价铁反应装置应用于同步处理含多种污染物的废水，且这些污染物均可被纳米零价铁去除。