CN109205923A - 一种去除水体中砷的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种去除水体中砷的方法及装置，属于环境技术废水处理领域。本发明中的去除水体中砷的方法，包括：1)挂膜：在待挂膜填料表面形成三价砷氧化菌微生物膜，完成填料挂膜；(2)三价砷氧化菌的富集：调节水中三价砷的浓度至1～15mg/L，向水中添加微生物培养成分，所得水流经步骤(1)中已挂膜填料，检测流经已挂膜填料后的水中的三价砷含量＜1％，完成已挂膜填料表面三价砷氧化菌的富集；(3)砷的去除：待处理水体流经步骤(2)中的三价砷氧化菌富集后的填料后，再流经填料为聚苯硫醚离子纤维的柱子，实现砷的去除。本发明中的方法实现了三价砷的氧化和五价砷的吸附功能分离，使得对砷的去除更加高效，适用于大规模应用。

Description

一种去除水体中砷的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种去除水体中砷的方法及装置，属于环境废水处理领域。
背景技术
某些工业废水中会有大量三价砷，而且砷污染地区地下水中也往往含有三价砷，国家标准要求废水总砷含量不得超过100μg/L，地下水总砷含量不得超过50μg/L，我国的水体中三价砷的治理现状不容乐观。
由于三价砷在中性水体中不带电荷，直接采用吸附等物化处理方法效果不佳。目前采用化学氧化法将三价砷氧化成五价砷，然后使用化学沉淀方法去除水体中三价砷，不仅去除成本高而且会产生氧化副产物和含砷污泥等二次污染物。而且采用吸附等物化方法去除水体中低浓度三价砷效果不稳定，很难达到国家要求。
近年来研究采用微生物氧化水中三价砷，但是实际应用过程中对砷的处理依旧存在效率低下，排放不达标的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除水体中砷的方法，该方法能够高效去除水中的三价砷，并且能够实现排放达标。
本发明的另一个目的在于提供一种上述去除水体中砷的装置，该装置结构简单，能够高效去除水中的三价砷。
为了实现上述目的，本发明的去除水体中砷的方法，包括：
(1)挂膜：在待挂膜填料表面形成三价砷氧化菌微生物膜，完成填料挂膜；
(2)三价砷氧化菌的富集：调节水中三价砷的浓度至1～15mg/L，向水中添加微生物培养成分，所得水流经步骤(1)中已挂膜填料，检测流经已挂膜填料后的水中的三价砷含量＜1％，完成已挂膜填料表面三价砷氧化菌的富集；
(3)砷的去除：待处理水体流经步骤(2)中的三价砷氧化菌富集后的填料后，再流经填料为聚苯硫醚离子纤维的柱子，实现砷的去除。
上述步骤(1)中挂膜的方法为：将含有三价砷氧化菌的悬浮液以10～15mL/min的流速在待挂膜填料中循环流动3～5天。
所述含有三价砷氧化菌的悬浮液的制备方法包括如下步骤：将活性污泥采用序批式活性污泥法在砷浓度为5mg/L的含砷环境中培养使污泥具有砷氧化能力后，取上清液与浓度为10mg/L的三价砷溶液混合，室温下振荡培养3-5天，即得；上清液与三价砷溶液的体积比为1:10-20。
所述序批式活性污泥法培养是将活性污泥在含砷的序批式活性污泥反应器中连续培养三年。
所述含砷环境是指含砷的序批式活性污泥反应器。具体的是指设置有含砷水溶液的序批式活性污泥反应器。含砷水溶液中砷浓度为5mg/L。
在接种前后对反应器中填料提取DNA，发现微生物优势菌群由厌氧、固氮和利用硝酸根的细菌变为无机化能自养菌群，且都发现有携带砷氧化酶基因的微生物大量存在，如α-Proteobacteria、β-Proteobacteria。
上述步骤(2)中所述的微生物培养成分包括K、Na、N、P、Ca、Mg、Fe、Zn、Co、Mn、Cu、Na、Ni元素及EDTA。
上述微生物培养成分为：KNO3、NaHCO3、NaH2PO4、CaCl2、MgCl2·6H2O、EDTA、FeSO4·7H2O、ZnCl2、CoCl2·6H2O、MnSO4·H2O、CuSO4·5H2O、NaMoO4·2H2O、NiCl2·6H2O。
具体的，上述微生物培养成分添加量分别为：KNO3为30.3mg/L、NaHCO3为16.8mg/L、NaH2PO4为6.2mg/L、CaCl2为5.5mg/L、MgCl2·6H2O为10.15mg/L、EDTA为2.5mg/L、FeSO4·7H2O为4.6mg/L、ZnCl2为0.2mg/L、CoCl2·6H2O为0.2mg/L、MnSO4·H2O为1.6mg/L、CuSO4·5H2O为0.2mg/L、NaMoO4·2H2O为0.2mg/L、NiCl2·6H2O为0.4mg/L。
上述步骤(2)中所述检测流经填料后的进水中的三价砷含量＜1％，检测结果持续稳定时间为3～4天后，完成填料表面三价砷氧化菌的富集。
上述步骤(2)通过蠕动泵将水流经已挂膜填料，每天监测水三价砷残余量，待砷氧化微生物富集到一定程度，柱子达到砷的完全氧化(>99％)，即实现砷氧化菌的富集。砷氧化能力维持该氧化能力3-4天后，即表明柱子氧化能力稳定。
上述水的流速为1～4mL/min。
上述填料为聚苯硫醚离子纤维的柱子中聚苯硫醚离子纤维的填充量为300～500g/L。
一种上述去除水体中砷的装置，装置包括生物氧化柱以及与生物氧化柱串联的聚苯硫醚离子纤维柱。
上述生物氧化柱的填料为火山石、石英砂中的一种；该填料为待挂膜填料。填料表面形成三价砷氧化菌微生物膜。
上述生物氧化柱和离子纤维树脂交换柱串联，待处理液从生物氧化柱进入。
上述装置中，生物氧化柱内部的进水端设有水流分布板，出水端设有残渣过滤棉。
上述生物氧化柱与离子纤维树脂交换柱之间通过管道实现串联，管道一端连接生物氧化柱的出水端，一端连接离子纤维树脂交换柱的进水端。
生物氧化柱的出水端的管道上设有用于检测出水中三价砷以及五价砷的监测端1。
聚苯硫醚离子纤维柱的出水端的管道上设有用于检测出水中五价砷的监测端2。
本发明的有益效果：
本发明中采用了三价砷氧化菌对三价砷实现了充分氧化，氧化后的五价砷在离子纤维树脂中被充分吸附。本发明实现了水中三价砷(1～15mg/L)的完全去除(去除率高于99.5％)，出水砷浓度低于50μg/L，低于国家废水排放标准100μg/L和地下水砷污染标准50μg/L；处理废水量超过700个床体积，日处理水量达7个柱体积。
本发明中的去除水体中砷的装置实现了三价砷的氧化和五价砷的吸附功能分离，使得对砷的去除更加高效，对装置的维护也更加便捷，适用于大规模应用。
附图说明
图1为实施例1去除水体中砷的方法的流程示意图；
图2为实施例中的去除水体中砷的装置结构示意图，其中1.生物氧化柱，2.离子纤维树脂交换柱，3.生物氧化柱进水端，4.水流分布板，5.残渣过滤棉，6.生物氧化柱出水端，7.监测端1，8.离子纤维树脂交换柱出水端，9.监测端2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例中去除水体中砷的装置结构示意图如图2所示，其中1为生物氧化柱，2为离子纤维树脂交换柱。
本实施例中的生物氧化柱的填料为火山石；填料表面形成有三价砷氧化菌微生物膜。本实施例中离子纤维树脂交换柱中的填料为离子纤维树脂；离子纤维树脂为聚苯硫醚离子纤维。
本实施例中去除水体中砷的方法，包括如下步骤：
(1)挂膜：将含有三价砷氧化菌的悬浮液以13mL/min的流速在生物氧化柱中循环流动4天，在待挂膜填料表面形成三价砷氧化菌微生物膜，完成填料挂膜；
(2)三价砷氧化菌的富集：调节水中三价砷的浓度至10mg/L，向水中添加微生物培养成分，微生物培养成分的组成及添加量为：KNO3为30.3mg/L、NaHCO3为16.8mg/L、NaH2PO4为6.2mg/L、CaCl2为5.5mg/L、MgCl2·6H2O为10.15mg/L、EDTA为2.5mg/L、FeSO4·7H2O为4.6mg/L、ZnCl2为0.2mg/L、CoCl2·6H2O为0.2mg/L、MnSO4·H2O为1.6mg/L、CuSO4·5H2O为0.2mg/L、NaMoO4·2H2O为0.2mg/L、NiCl2·6H2O为0.4mg/L；此处的添加量均是以水的总体积为基准进行添加；然后通过蠕动泵将水打进步骤(1)中已挂膜填料的生物氧化柱，进水流速为1mL/min，每天监测出水三价砷残余量，待砷氧化微生物富集到一定程度，柱子达到砷的完全氧化(检测流经已挂膜填料后的进水中的三价砷含量＜1％)，即实现砷氧化菌的富集；连续3天监测流经已挂膜填料水中的三价砷含量＜1％，即表明柱子氧化能力稳定；
(3)待处理水体流经步骤(2)中的三价砷氧化菌富集后的填料后，再以1mL/min流速流经填料离子树脂填充量为350g/L的离子纤维树脂交换柱，实现砷的去除。
上述三价砷氧化菌悬浮液的制备方法为：将污水处理厂的活性污泥在含砷环境(砷浓度为5mg/L)的序批式活性污泥反应器(SBR)中连续培养三年，进行序批式活性污泥法处理，取上清液加入浓度为10mg/L的三价砷溶液中，室温下振荡培养4天，即得；上清液与三价砷溶液的体积比为1:15。
实施例2
本实施例中去除水体中砷的装置包括生物氧化柱和离子纤维树脂交换柱。
本实施例中的生物氧化柱的填料为火山石；填料表面形成有三价砷氧化菌微生物膜。本实施例中离子纤维树脂交换柱中的填料为离子纤维树脂；离子纤维树脂为聚苯硫醚离子纤维(PPS)。
本实施例中去除水体中砷的方法，包括如下步骤：
(1)挂膜：将含有三价砷氧化菌的悬浮液以10mL/min的流速在生物氧化柱中循环流动3天，在待挂膜填料表面形成三价砷氧化菌微生物膜，完成填料挂膜；
(2)三价砷氧化菌的富集：调节水中三价砷的浓度至1mg/L，向水中添加微生物培养成分，微生物培养成分的组成及添加量为：KNO3为30.3mg/L、NaHCO3为16.8mg/L、NaH2PO4为6.2mg/L、CaCl2为5.5mg/L、MgCl2·6H2O为10.15mg/L、EDTA为2.5mg/L、FeSO4·7H2O为4.6mg/L、ZnCl2为0.2mg/L、CoCl2·6H2O为0.2mg/L、MnSO4·H2O为1.6mg/L、CuSO4·5H2O为0.2mg/L、NaMoO4·2H2O为0.2mg/L、NiCl2·6H2O为0.4mg/L；此处的添加量均是以水的总体积为基准进行添加；然后通过蠕动泵将水打进步骤(1)中已挂膜填料的生物氧化柱，进水流速为4mL/min，每天监测出水三价砷残余量，待砷氧化微生物富集到一定程度，柱子达到砷的完全氧化(检测流经已挂膜填料后的进水中的三价砷含量＜1％)，即实现砷氧化菌的富集；连续3天监测流经已挂膜填料水中的三价砷含量＜1％，即表明柱子氧化能力稳定；
(3)待处理水体流经步骤(2)中的三价砷氧化菌富集后的填料后，再以4mL/min流速流经填料离子树脂填充量为400g/L的离子纤维树脂交换柱，实现砷的去除。
上述三价砷氧化菌悬浮液的制备方法为：将污水处理厂的活性污泥在含砷环境(砷浓度为5mg/L)的序批式活性污泥反应器(SBR)中连续培养三年，进行序批式活性污泥法处理，取上清液加入浓度为10mg/L的三价砷溶液中，室温下振荡培养3天，即得；上清液与三价砷溶液的体积比为1:10。
实施例3
本实施例中去除水体中砷的装置包括生物氧化柱和离子纤维树脂交换柱。
本实施例中的生物氧化柱的填料为火山石；填料表面形成有三价砷氧化菌微生物膜。本实施例中离子纤维树脂交换柱中的填料为离子纤维树脂；离子纤维树脂为聚苯硫醚离子纤维(PPS)。
本实施例中去除水体中砷的方法，包括如下步骤：
(1)挂膜：将含有三价砷氧化菌的悬浮液以15mL/min的流速在生物氧化柱中循环流动5天，在待挂膜填料表面形成三价砷氧化菌微生物膜，完成填料挂膜；
(2)三价砷氧化菌的富集：调节水中三价砷的浓度至15mg/L，向水中添加微生物培养成分微生物培养成分的组成及添加量为：KNO3为30.3mg/L、NaHCO3为16.8mg/L、NaH2PO4为6.2mg/L、CaCl2为5.5mg/L、MgCl2·6H2O为10.15mg/L、EDTA为2.5mg/L、FeSO4·7H2O为4.6mg/L、ZnCl2为0.2mg/L、CoCl2·6H2O为0.2mg/L、MnSO4·H2O为1.6mg/L、CuSO4·5H2O为0.2mg/L、NaMoO4·2H2O为0.2mg/L、NiCl2·6H2O为0.4mg/L；此处的添加量均是以水的总体积为基准进行添加；然后通过蠕动泵将水打进步骤(1)中已挂膜填料的生物氧化柱，进水流速为1mL/min，每天监测出水三价砷残余量，待砷氧化微生物富集到一定程度，柱子达到砷的完全氧化(检测流经已挂膜填料后的进水中的三价砷含量＜1％)，即实现砷氧化菌的富集；连续4天监测流经已挂膜填料水中的三价砷含量＜1％，即表明柱子氧化能力稳定；
(3)待处理水体流经步骤(2)中的三价砷氧化菌富集后的填料后，再以1mL/min流速流经填料离子树脂填充量为500g/L的离子纤维树脂交换柱，实现砷的去除。
上述三价砷氧化菌悬浮液的制备方法为：将污水处理厂的活性污泥在含砷环境(砷浓度为5mg/L)的序批式活性污泥反应器(SBR)中连续培养三年，进行序批式活性污泥法处理，取上清液加入浓度为10mg/L的三价砷溶液中，室温下振荡培养5天，即得；上清液与三价砷溶液的体积比为1:10。
试验例
对实施例1去除水体中砷的方法进行监测，对第一个监测端1以及第二监测端2监测，监测端1监测三价砷的含量以及五价砷的含量，监测端2监测五价砷的含量。每天监测一次，监测第83天出水浓度超标，监测数据列于表1。
表1监测端1和监测端2的检测结果
注：监测口1的出水中的三价砷和五价砷含量差距大，由于测试仪器的限制，无法监测到三价砷，但根据监测口2的出水判断，氧化后出水仍有部分砷未被氧化，但其含量小于1％。

Claims (9)

1.一种去除水体中砷的方法，其特征在于，包括：
(1)挂膜：在待挂膜填料表面形成三价砷氧化菌微生物膜，完成填料挂膜；
(2)三价砷氧化菌的富集：调节水中三价砷的浓度至1～15mg/L，向水中添加微生物培养成分，所得水流经步骤(1)中已挂膜填料，检测流经已挂膜填料后的水中的三价砷含量＜1％，完成已挂膜填料表面三价砷氧化菌的富集；
(3)砷的去除：待处理水体流经步骤(2)中的三价砷氧化菌富集后的填料后，再流经填料为聚苯硫醚离子纤维的柱子，实现砷的去除。
2.如权利要求1所述的去除水体中砷的方法，其特征在于，步骤(1)中挂膜的方法为：将含有三价砷氧化菌的悬浮液以10～15mL/min的流速在待挂膜填料中循环流动3～5天。
3.如权利要求2所述的去除水体中砷的方法，其特征在于，所述含有三价砷氧化菌的悬浮液的制备方法包括如下步骤：将活性污泥采用序批式活性污泥法在砷浓度为5mg/L的含砷环境中培养使污泥具有砷氧化能力后，取上清液与浓度为10mg/L的三价砷溶液混合，室温下振荡培养3-5天，即得；上清液与三价砷溶液的体积比为1:10-20。
4.如权利要求3所述的去除水体中砷的方法，其特征在于，所述序批式活性污泥法是将活性污泥在含砷的序批式活性污泥反应器中连续培养三年。
5.如权利要求1所述的去除水体中砷的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的微生物培养成分包括K、Na、N、P、Ca、Mg、Fe、Zn、Co、Mn、Cu、Na、Ni元素及EDTA。
6.如权利要求1所述的去除水体中砷的方法，其特征在于，步骤(2)中所述检测流经已挂膜填料后的水中的三价砷含量＜1％，检测结果持续稳定3～4天后，完成已挂膜填料表面三价砷氧化菌的富集。
7.如权利要求6所述的去除水体中砷的方法，其特征在于，所述填料为聚苯硫醚离子纤维的柱子中聚苯硫醚离子纤维的填充量为300～500g/L。
8.一种用来实施如权利要求1所述方法的去除水体中砷的装置，其特征在于，包括生物氧化柱以及与生物氧化柱串联的聚苯硫醚离子纤维柱。
9.如权利要求8所述的去除水体中砷的装置，其特征在于，所述生物氧化柱的填料为火山石、石英砂中的一种；该填料表面形成有三价砷氧化菌微生物膜。
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