CN109231719B - 一种用于去除污水厂污水中重金属的深度处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于去除污水厂污水中重金属的深度处理系统，涉及一种污水厂处理系统。为了解决市政污水厂污水处理过程中ZVI易发生滤料板结、短流和流失的问题。本发明系统由过滤池、高级氧化处理装置、生物滤池、上向流零价铁过滤反应器、静态混合器、锰砂过滤器和回用水系统构成。本发明装置可以避免滤料发生板结、短流和流失；ZVI滤料的使用寿命高；装置产生的废料和残渣能够通过毒性浸出测试，不属于危险废弃物；本发明将高级氧化和生物滤池相结合，能够同时降解生化污染物包括COD、BOD、氨氮、硝氮和重金属污染物。本发明适用于污水处理。
Description
技术领域
本发明属于水处理设备技术领域，具体涉及一种污水厂处理系统。
背景技术
市政污水厂的主要污染物主要来源于污水厂服务区域内的居民生活污水、工业合流污水以及雨水合流污水。一般的居民生活污水中重金属含量很低，甚至没有重金属污染。如果污水厂接收工业企业排放的特别是矿业和冶金行业排放的污水，或者矿区的雨水径流合流，那么污水厂中的污水常伴随有不同种类的重金属。常规的污水处理系统和工艺能够有下去除有机物、总氮和总磷，但是重金属无法得到有效的去除，特别是在低于1mg/L的痕量浓度范围内时，无法达到排放标准。
痕量浓度的污染物具有累积性和持久性等特点，在环境中不易被降解，易被生物富集。污染物污染饮用水源或进入饮用水系统将严重威胁人类健康和生态环境安全。另一方面，污染企业对排出的污水需要处理达标后才可以排放到水体中，随着国家对排放标准的要求的提高，微量和痕量浓度的污染物的去除逐渐成为污染排放者提升排放标准的技术瓶颈。例如，城镇污水处理厂污染物排放标准(标准号为GB18918-2002)中限定部分一类污染物最高允许排放浓度限值需达到小于1mg/L、甚至小于1μg/L的级别或不得检出的出水要求，例如总汞需低于1μg/L，烷基汞不得检出，总镉需低于0.01mg/L，总铬需低于0.1mg/L，六价铬需低于0.05mg/L，总砷需低于0.1mg/L，总铅需低于0.1mg/L；在选择控制项目中，三氯甲烷的排放浓度需低于0.3mg/L，四氯化碳的排放浓度需低于0.03mg/L。对于排污企业，需达到更高的排放要求，即需满足受纳水体在地表水环境质量标准(标准号为GB3838-2002)中的分类标准，其中总汞需低于0.05μg/L(I/II类水)或需低于0.1μg/L(III/IV类水)，总镉需低于0.001mg/L(I类水)或需低于0.005mg/L(II/III/IV类水)，六价铬需低于0.01mg/L(I类水)或需低于0.05mg/L(II/III/IV类水)，总砷需低于0.05mg/L(I/II/III类水)或需低于0.1mg/L(IV/V类水)，总铅需低于0.01mg/L(I/II类水)或需低于0.05mg/L(III/IV类水)。随着国家对排污企业向不同受纳水体的排放要求提高，寻找一种低成本的又能满足微量和痕量浓度的污染物的去除要求的技术已成为污水处理设施提标改造的技术瓶颈。常规的重金属污染水处理工艺对于高浓度污染物的去除更有优势，例如电絮凝工艺、混凝沉淀工艺等，已有很多成功的案例，但是电絮凝工艺、混凝沉淀工艺等在处理微量和痕量浓度时，需要通过增加能耗和增加药剂投加量的方式增加反应动力，导致污水处理成本成级数增长。在入水重金属浓度在102～103mg/L的范围内时，通过传统工艺的处理能够稳定的达到99.9％的去除率，使污染物浓度达到100～101mg/L量级，并且保持较低的运行成本。然而当污染物浓度继续从100～101mg/L降低至10-2～10-3mg/L甚至更低，如汞出水需低于0.05μg/L(5x10- 5mg/L)，则需要持续投加过量的药剂，增加电流强度，或提高水力停留时间，因此造成处理成本的大幅度提高。
使用离子交换和生物吸附技术能够有效的达到微量或痕量浓度的出水，但是在实际运行中，由于吸附树脂和生物吸附具有很强的选择性，在处理单一污染物时，往往能保证较高的去除效果，但是当水中有多种重金属污染物共存的情况时，例如阴阳离子共存时，离子交换和生物吸附技术很难保证同时处理共存的重金属离子。此外，离子交换和生物吸附技术在运行过程中，并未发生氧化还原或络合反应，所产生的废渣需要依据危险废弃物处置要求处置，提高了整体的运行成本。
零价铁(ZVI)具有低毒性、环境友好、价格便宜、易操作、绿色无二次污染等优点，已成为受污染水体修复的重要技术之一，在处理氮染料污水、氯代有机物污水、硝酸盐污水、高氯酸盐、除草剂、重金属污水等污水治理方面备具广阔的应用前景。ZVI从制作工艺来分类，主要包括普通研磨铁粉、纳米铁粉、海绵铁粉和水雾铁粉。ZVI颗粒能够还原、吸附和沉淀去除多重金属等有害物质。零价铁去除污染物的机理分为：(1)铁的还原作用：铁是活泼金属，对重金属污染物有较强的还原性，能够将多种重金属还原成零价态或低毒性的价态，达到处理目的。(2)微电解作用：零价铁具有电化学特性，电极反应中产生新生态[H]和Fe2+能与污水中的很多组分发生氧化还原作用将很多污染物降解还原。(3)混凝-共沉淀作用：铁在腐蚀过程中会产生无定型氢氧化铁、絮状的Fe(OH)2和Fe(OH)3等活性铁成分，他们具有很强的吸附、絮凝、黏结、表面络合、螯合、架桥、卷扫、界面氧化和共沉淀能力，藉此可控制重金属固液界面迀移。(4)吸附-富集-共沉淀作用：使用铁粉、纳米铁粉和海绵铁粉处理水中重金属污染物时，由于铁粉表面具有大比表面积的强吸附特性，能够将微量和痕量浓度污染物富集在铁粉的表面空隙中，再通过还原作用，形成共沉淀物。
ZVI去除水中重金属研究已经有一定基础，但是实际应用还存在诸多问题。从应用方式分类，主要分为药剂投加方式和滤料过滤方式。直接将纳米ZVI或微米级的ZVI作为药剂投加到污水中，可以有效处理水中的污染物，然而在投加过程中，ZVI易与空气中的氧气分子和水中的溶解氧发生反应，表面生成一层1～4nm致密的铁氧钝化层，导致腐蚀缓慢，反应活性降低。ZVI内核被铁氧化物包裹而隔断进一步的腐蚀及与污染物的接触，导致整体活性低，效率下降。为了克服ZVI表面钝化，学术界和工程界进行了许多尝试，包括制备纳米零价铁(nZVI)、双金属系氧化物、外加弱磁场、超声波协同作用、负载型纳米零价铁、杂化重金属离子(钯、镍)、酸溶等。上述改进一定程度上能提高ZVI活性和增强重金属去除效率，但都存在如成本过高、工程实施困难、带来二次污染等问题，如专利CN106477689A，CN203256019，CN103332823，CN104326595，CN105776491，CN102807272，CN102583689，CN103112918和CN103342410。使用ZVI作为滤料能够防止ZVI与空气的接触，阻止其被直接氧化，同时减少了加药系统和协同系统的投入。然而，通用的过滤方式为下向流过滤，由于ZVI颗粒粒径很小(粒径通常在nm～μm之间)，在下向流过滤系统实际运行时，经常发生滤料板结、短流和流失的问题，影响出水效果。无论是ZVI药剂投加式应用，或下向流ZVI过滤应用，在已知的应用案例中，仅考虑了ZVI的一次使用，使用后通过排泥和更换滤料的方式将ZVI丢弃，因此仅表面部分的ZVI被污染物氧化或形成铁的氧化物，而ZVI内部仍有大量的优质的未参与反应的零价铁没有被使用，造成资源浪费。
发明内容
本发明为了解决现有市政污水厂污水处理过程中ZVI易发生滤料板结、短流和流失的问题，提出用于去除污水厂污水中重金属的深度处理系统。
本发明用于去除污水厂污水中重金属的深度处理系统由过滤池、高级氧化处理装置、生物滤池、上向流零价铁过滤反应器、静态混合器、锰砂过滤器和回用水系统构成；
所述上向流零价铁过滤反应器由反应器主体和调节系统构成；所述调节系统由调节罐、第二pH变送器、搅拌机、搅拌浆、第二pH电极、第二加药泵、第二储药罐和第三储药罐构成；第二pH变送器、搅拌机、搅拌浆和第二pH电极设置在调节罐内部，第二储药罐和第三储药罐设置在调节罐外部，第二储药罐和第三储药罐上分别设置有药品输出支管，第二储药罐和第三储药罐上的药品输出支管上设置有阀门，第二储药罐和第三储药罐上的药品输出支管分别与药品输出总管连通，药品输出总管与调节罐连通，药品输出总管上设置有第二加药泵；调节罐上部设置有进水管，调节罐底部设置有排水管，排水管上设置有阀门；第二pH电极的信号输出端与第二pH变送器的控制信号输入端通过信号线连通，第二pH变送器的控制信号输出端与第二加药泵的控制信号输入端通过信号线连通；
所述反应器主体为密闭圆柱体罐或密闭长方体水池，反应器主体的底部设置有进水管，反应器主体的上部设置有排水管和反冲洗排水管，进水管上设置有进水泵；反应器主体内部由上至下依次设置有零价铁滤料层、第一承托层、第二承托层、第三承托层和第四承托层；所述零价铁滤料层由零价铁粉构成；零价铁滤料层中的零价铁粉的有效粒径d10为250μm，不均匀系数k80小于1.5，铁含量≥96％；零价铁滤料层的厚度为0.5～1.5m；所述第一承托层、第二承托层、第三承托层和第四承托层内填充有承托层滤料；所述第一承托层中的承托层滤料为与零价铁滤料层中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层中的零价铁粉密度相同的石英砂；第一承托层中承托层滤料的粒径为0.8～2mm，厚度40～100mm；所述第二承托层中的承托层滤料为与零价铁滤料层中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层中的零价铁粉密度相同的石英砂；第二承托层中承托层滤料的粒径为2～4mm，厚度40～100mm；所述第三承托层中的承托层滤料为与零价铁滤料层中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层中的零价铁粉密度相同的石英砂；第三承托层中承托层滤料的粒径为4～8mm，厚度40～100mm；所述第四承托层中的承托层滤料为与零价铁滤料层中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层中的零价铁粉密度相同的石英砂；第四承托层中承托层滤料的粒径为8～16mm，厚度40～100mm；第四承托层底部设置有大阻力布水组件；零价铁滤料层下部设置有小阻力布水组件；大阻力布水组件的进水端与进水管出水口连通；小阻力布水组件的进水管探出至反应器主体底部，反应器主体外部的小阻力布水组件的进水管上设置有阀门；调节系统中调节罐底部设置的排水管与反应器主体底部设置的进水管的进水口连通；所述大阻力布水组件为长柄滤头；所述小阻力布水组件为穿孔管；上向流零价铁过滤反应器运行时水力负荷为4～30m3/h/m2；空床接触时间为4～30min；
所述回用水系统由反冲洗罐、第一pH变送器、搅拌机、搅拌浆、第一pH电极、第一加药泵和第一储药罐构成；第一pH变送器、搅拌机、搅拌浆和第一pH电极设置在反冲洗罐内部，第一储药罐设置在反冲洗罐外部；反冲洗罐底部设置有排液管和反冲洗管，反冲洗管上设置有阀门和输送泵；第一储药罐与反冲洗罐通过管道连通，第一加药泵设置在第一储药罐与反冲洗罐之间的管道连上；第一pH电极的信号输出端与第一pH变送器的控制信号输入端通过信号线连通，第一pH变送器的控制信号输出端与第一加药泵的控制信号输入端通过信号线连通；
所述过滤池设置有污水进口和回收水进口，过滤池的出水口与高级氧化处理装置的进水口通过管道连通，高级氧化处理装置的出水口与生物滤池的进水口通过管道连通，生物滤池的出水口与调节罐上部设置的进水管连通，上向流零价铁过滤反应器中反应器主体的上部设置的排水管与静态混合器的进水口连通，静态混合器的出水口与锰砂过滤器的进水口通过管道连通，锰砂过滤器的出水口与回用水池的进水口通过管道连通；锰砂过滤器底部设置有反冲洗进水管，锰砂过滤器上部设置有反冲洗排水管；回用水系统中反冲洗罐底部设置的反冲洗管分别与锰砂过滤器的反冲洗进水管和上向流零价铁过滤反应器中反应器主体中的小阻力布水组件的进水管通过管道连通；锰砂过滤器上部设置的反冲洗排水管和反应器主体上部设置的反冲洗排水管分别与滤池的回收水进口通过管道连通；
所述反应器主体材质为玻璃钢、铝合金、铸铁、碳钢、不锈钢、塑料或钢筋混凝土；所述铝合金、铸铁、碳钢、不锈钢材质的反应器主体的内表面和外表面涂覆有防腐层；防腐层材质的材质为生漆、漆酚树脂、酚醛树脂漆、环氧-酚醛漆、环氧树脂涂料、过氯乙烯漆、沥青、呋喃树脂、聚氨基甲酸酯、无机富锌漆等；
所述过滤池为石英砂快速滤池或V型滤池；
所述高级氧化处理装置为臭氧高级氧化装置、紫外高级氧化装置、芬顿高级氧化装置或双氧水/臭氧高级氧化装置；
本发明中，上向流零价铁过滤反应器中反应器主体中的大阻力布水组件的进水端与进水管连通用于反应器主体进水；反应器主体中的小阻力布水组件的进水管与回用水系统底部设置的反冲洗管连通用于应器主体的反冲洗；调节系统具有硫化功能和pH值调节功能，第二储药罐和第三储药罐分别用于储存高浓度的可溶性硫化物和酸溶液；pH值为4～6为最宜反应的pH值，将第二pH变送器设定为4～6，当第二pH电极检测到调节罐中污水的pH不在4～6范围内时，第二pH变送器控制第二加药泵向调节罐输入酸溶液至节罐中污水的pH为4～6；可溶性硫化物用于调节罐中污水的S2-浓度的调节，加入可溶性硫化物至调节罐中使污水中的S2-的浓度为0.02～20mg/L；通过向调节系统中的待处理水中加入可溶性硫化物和酸溶液后，经过调节系统处理后的待处理水由调节系统底部设置的排液管进入反应器主体，利用调节系统进行硫化，使滤料发生硫化作用，可以防止滤料与氧或水作用发生氧在滤料表面化并形成氧化铁钝化层，取而代之的是形成硫化亚铁或硫化铁层，硫化亚铁或硫化铁中的S2-能够同样提供还原作用，并通过沉淀的形式去除水中的重金属；所述调节系统的停留时间为15～45min；所述可溶性硫化物为可溶性硫化物盐；可溶性硫化物盐为硫化钙或硫化钠；所述酸溶液为pH值在1～5之间的盐酸；
本发明中，过滤池用于去除污水厂二级沉淀池后的水中的悬浮物；高级氧化处理装置产生的反应为羟基自由基反应，用于提高二级出水的可生化性，进一步降低污水的COD浓度，提高生化指标的排放标准，同时能够去除色度；生物滤池设置在高级氧化装置之后，产生的反应为生物降解反应，用于降低污水的BOD浓度、氨氮和硝态氮浓度，进一步降低COD，提高生化指标的排放标准。上向流零价铁过滤反应器设置在生物滤池、过滤池和高级氧化处理装置之后的原因是：1、零价铁反应器残留的溶解铁离子会降低高级氧化装置的性能，堵塞高级氧化催化剂材料；2、水经过深度处理后，COD、BOD、氨氮等污染物浓度更低，他们对零价铁的消耗更小，因此能够使更多的零价铁用于重金属的去除，而不是与生化污染物反应。
本发明中，向静态混合器添加的试剂为高锰酸钾；产生的反应为：5Fe2++MnO4-+8H+＝5Fe3++Mn2++4H2O
本发明中，回用水系统中反冲洗罐用于存放处理完成的污水；回用水系统具有反冲洗功能和酸洗功能；第一储药罐用于储存酸溶液；当上向流零价铁过滤反应器中零价铁滤料由于氧化作用而逐渐失去处理还原能力时，第一pH变送器的控制第一加药泵将第一储药罐内的酸溶液输入至反冲洗罐内至反冲洗罐内pH为4～6；回用水系统向上向流零价铁过滤反应器内输入pH为4～6的反冲洗水进行酸洗，酸洗过程中第一pH变送器设定值为4～6；酸洗是通过化学作用溶解在零价铁滤料表面附着的三氧化二铁、四氧化三铁、氢氧化亚铁和氢氧化铁，将零价铁重新暴露出来，达到恢复和还原吸附能力的目的。反冲洗是通过水流的物理作用洗刷滤料表面，将锰砂过滤器和上向流零价铁过滤反应器中的滤料附着的铁的氢氧化物、颗粒物、酸洗脱落的氧化铁钝化层、污染物共沉淀残渣和重金属-铁络合物等沉淀物从滤料表面去除，减少上向流零价铁过滤反应器和锰砂过滤器的水头阻力；利用回用水系统酸洗的周期为1～4星期，每个酸洗周期的酸洗时间为5～30分钟；所述利用回用水系统反冲洗时的水力负荷为30～40m3/h/m2；反冲洗周期为24～72小时，每个反冲洗周期的反冲洗时间为5～30分钟。
本发明的原理及有益效果：
1、本发明装置处理过程不需要电磁或超声等其他辅助设备便可以避免滤料发生板结、短流和流失；本发明上向流零价铁过滤反应器中，零价铁粉滤料颗粒处于重力和浮力平衡的悬浮状态，污水填充在零价铁粉滤料颗粒之间使零价铁滤料层处于膨胀悬浮形态，杜绝了滤料板结和短流的现象；污水由反应器下部进入反应器内，由反应器上部排出反应器，零价铁粉滤料颗粒悬浮在污水中，因此在零价铁粉滤料颗粒不会下沉进入进水管路发生泄漏，也不会从排水管路溢出；本发明上向流零价铁过滤反应器运行过程中，过滤过程仅需通过控制进水压力实现滤料整体的膨胀率和水力停留时间两个参数，即可调控水处理过程所需要达标的处理浓度水平，因此操作十分方便；本发明上向流零价铁过滤反应器运行过程中，通过向水中添加可溶性硫化物使滤料发生硫化作用(Sulfidation)。硫化作用可以防止滤料与氧或水作用发生氧化并形成氧化铁钝化层，取而代之形成硫化亚铁或硫化铁层；同时新生态的硫化亚铁或硫化铁能够同样提供还原作用，能够通过沉淀的形式去除水中的重金属；
2.本发明长期运行中，通过反冲洗和弱酸洗的方式清洗滤料表面的污染物如铁络合物等沉淀，同时去除铁氧钝化层，复原滤料还原性能；因此滤料得到了反复酸洗重制，提高ZVI滤料的使用寿命，达到充分吸附和最大限度的使用的目的；
3、本发明中当零价铁滤料被彻底氧化或吸附饱和后，无法再通过反冲洗或酸洗重新恢复处理能力时，这些滤料成为废弃滤料；本发明装置产生的废料和残渣能够通过毒性浸出测试，不属于危险废弃物。
4、与传统处理技术相比，本发明装置将高级氧化和生物滤池相结合，能够同时降解生化污染物包括COD、BOD、氨氮、硝氮和重金属污染物等，本发明装置处理后的污水能够满足GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A排放标准和重金属排放标准。
附图说明
图1为本发明污水厂深度处理系统的结构示意图；
图2为上向流零价铁过滤反应器2的结构示意图；
图3为现有的下向流过滤过程中ZVI发生板结现象的示意图；图3中箭头方向为水流方向；
图4为上向流零价铁过滤反应器中滤料填充状态示意图；
图5为上向流零价铁过滤反应器中滤料悬浮状态示意图；
图6为上向流零价铁过滤反应器反冲洗过程中重金属-铁络合物等沉淀物去除过程示意图；
图7为上向流零价铁过滤反应器中氧化铁钝化层去除过程示意图；
图8为上向流零价铁过滤反应器中硫化亚铁层或硫化铁层的形成过程示意图；
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：结合图1～8说明本实施方式，本实施方式用于去除污水厂污水中重金属的深度处理系统由过滤池5、高级氧化处理装置6、生物滤池4、上向流零价铁过滤反应器2、静态混合器7、锰砂过滤器8和回用水系统9构成；
所述上向流零价铁过滤反应器2由反应器主体1和调节系统3构成；所述调节系统3由调节罐、第二pH变送器31、搅拌机、搅拌浆、第二pH电极32、第二加药泵33、第二储药罐34和第三储药罐35构成；第二pH变送器31、搅拌机、搅拌浆和第二pH电极32设置在调节罐内部，第二储药罐34和第三储药罐35设置在调节罐外部，第二储药罐34和第三储药罐35上分别设置有药品输出支管，第二储药罐34和第三储药罐35上的药品输出支管上设置有阀门，第二储药罐34和第三储药罐35上的药品输出支管分别与药品输出总管连通，药品输出总管与调节罐连通，药品输出总管上设置有第二加药泵33；调节罐上部设置有进水管，调节罐底部设置有排水管，排水管上设置有阀门；第二pH电极32的信号输出端与第二pH变送器31的控制信号输入端通过信号线连通，第二pH变送器31的控制信号输出端与第二加药泵33的控制信号输入端通过信号线连通；
所述反应器主体1为密闭圆柱体罐或密闭长方体水池，反应器主体1的底部设置有进水管11，反应器主体1的上部设置有排水管13和反冲洗排水管，进水管11上设置有进水泵12；反应器主体1内部由上至下依次设置有零价铁滤料层18、第一承托层14、第二承托层15、第三承托层16和第四承托层17；
所述零价铁滤料层18由零价铁粉构成；零价铁滤料层18中的零价铁粉的有效粒径d10为250μm，不均匀系数k80小于1.5，铁含量≥96％；零价铁滤料层18的厚度为0.5～1.5m；
所述第一承托层14、第二承托层15、第三承托层16和第四承托层17内填充有承托层滤料；
所述第一承托层14中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第一承托层14中承托层滤料的粒径为0.8～2mm，厚度40～100mm；
所述第二承托层15中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第二承托层15中承托层滤料的粒径为2～4mm，厚度40～100mm；
所述第三承托层16中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第三承托层16中承托层滤料的粒径为4～8mm，厚度40～100mm；
所述第四承托层17中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第四承托层17中承托层滤料的粒径为8～16mm，厚度40～100mm；第四承托层17底部设置有大阻力布水组件22；零价铁滤料层18下部设置有小阻力布水组件23；大阻力布水组件22的进水端与进水管11出水口连通；小阻力布水组件23的进水管探出至反应器主体1底部，反应器主体1外部的小阻力布水组件23的进水管上设置有阀门；调节系统3中调节罐底部设置的排水管与反应器主体1底部设置的进水管11的进水口连通；所述大阻力布水组件22为长柄滤头；所述小阻力布水组件23为穿孔管；
所述回用水系统9由反冲洗罐、第一pH变送器41、搅拌机、搅拌浆、第一pH电极42、第一加药泵43和第一储药罐44构成；第一pH变送器41、搅拌机、搅拌浆和第一pH电极42设置在反冲洗罐内部，第一储药罐44设置在反冲洗罐外部；反冲洗罐底部设置有排液管和反冲洗管，反冲洗管上设置有阀门和输送泵；第一储药罐44与反冲洗罐通过管道连通，第一加药泵43设置在第一储药罐44与反冲洗罐之间的管道连上；第一pH电极42的信号输出端与第一pH变送器41的控制信号输入端通过信号线连通，第一pH变送器41的控制信号输出端与第一加药泵43的控制信号输入端通过信号线连通；
所述过滤池5设置有污水进口和回收水进口，过滤池5的出水口与高级氧化处理装置6的进水口通过管道连通，高级氧化处理装置6的出水口与生物滤池4的进水口通过管道连通，生物滤池4的出水口与调节罐上部设置的进水管连通，上向流零价铁过滤反应器2中反应器主体1的上部设置的排水管13与静态混合器7的进水口连通，静态混合器7的出水口与锰砂过滤器8的进水口通过管道连通，锰砂过滤器8的出水口与回用水池9的进水口通过管道连通；锰砂过滤器8底部设置有反冲洗进水管，锰砂过滤器8上部设置有反冲洗排水管；回用水系统9中反冲洗罐底部设置的反冲洗管分别与锰砂过滤器8的反冲洗进水管和上向流零价铁过滤反应器2中反应器主体1中的小阻力布水组件23的进水管通过管道连通；锰砂过滤器8上部设置的反冲洗排水管和反应器主体1上部设置的反冲洗排水管分别与滤池5的回收水进口通过管道连通。
图3为现有的下向流过滤过程中ZVI发生板结现象的示意图；图3中箭头方向为水流方向；由于下向流的水力挤压作用和滤料本身的重力作用，导致滤料在过滤过程中产生聚集。聚集后的滤料层无法提供充分的过滤间隙，因此水流只能通过板结块之间的缝隙流动，产生短流，污水无法与滤料充分接触，影响过滤效果和反应效果；
现有技术中上向流过滤过程中滤料发生板结现象，原因是由于滤料的级配不合理，密度偏大，以及过滤的水力负荷偏低因素，导致滤料在过滤过程中没有形成理想的悬浮状态，由于重力的作用产生聚集。聚集后的滤料层无法提供充分的过滤间隙，因此水流只能通过板结块之间的缝隙流动，产生短流，无法与滤料充分接触，影响过滤效果和反应效果。
图4为上向流零价铁过滤反应器中滤料填充状态示意图；图4中零价铁粉的有效粒径d10为250μm，不均匀系数k80小于1.5，填充后小粒径的铁粉颗粒穿插在大粒径的铁粉颗粒之间，形成均匀的空隙。图5为上向流零价铁过滤反应器中滤料悬浮状态示意图；图5可以看出，大阻力布水系统产生的均匀的上向流，在水力负荷下滤料整体的膨胀率为5～10％之间，形成悬浮状态，水流均匀分布于大颗粒和小颗粒的零价铁滤料产生的均匀空隙之间。图6为上向流零价铁过滤反应器反冲洗过程中重金属-铁络合物等沉淀物去除过程示意图；图6可知，经过一段时间的过滤后，铁粉颗粒之间会产生大量的重金属-铁络合物等沉淀物，阻塞滤料间空隙；通过高水力负荷的反冲洗，水流能够清除这些阻塞的沉淀物，释放滤料的空隙，降低常规上向流过滤时的水头阻力；图7为上向流零价铁过滤反应器中氧化铁钝化层去除过程示意图；经过一段时间的过滤后，铁粉颗粒表面形成一层由Fe2O3、Fe4O3或Fe(OH)3等铁的氧化物形成的氧化铁钝化层。由于该钝化层的存在，滤料表面的活性零价铁无法与过滤水流充分接触，丧失了还原能力。本实施方式通过弱酸反冲洗将氧化铁钝化层去除，弱酸反冲洗采用pH＝4～6的弱酸，能够有效溶解氧化铁钝化层，同时又不会将零价铁溶解；图8为上向流零价铁过滤反应器中硫化亚铁层或硫化铁层的形成过程示意图；当水流中存在一定量的S2-离子时，Fe以及Fe在氧化还原过程中形成的Fe2+和Fe3+离子会和S2-发生硫化作用，形成FeS和Fe2S3，取代了氧化铁钝化层，这些新生态的硫化亚铁或硫化铁中由于S2-的存在能够同样提供还原作用。
本实施方式的原理及有益效果：
1、本实施方式装置处理过程不需要电磁或超声等其他辅助设备便可以避免滤料发生板结、短流和流失；本实施方式上向流零价铁过滤反应器2中，零价铁粉滤料颗粒处于重力和浮力平衡的悬浮状态，污水填充在零价铁粉滤料颗粒之间使零价铁滤料层18处于膨胀悬浮形态，杜绝了滤料板结和短流的现象；污水由反应器下部进入反应器内，由反应器上部排出反应器，零价铁粉滤料颗粒悬浮在污水中，因此在零价铁粉滤料颗粒不会下沉进入进水管路发生泄漏，也不会从排水管路溢出；本实施方式上向流零价铁过滤反应器2运行过程中，过滤过程仅需通过控制进水压力实现滤料整体的膨胀率和水力停留时间两个参数，即可调控水处理过程所需要达标的处理浓度水平，因此操作十分方便；本实施方式上向流零价铁过滤反应器运行过程中，通过向水中添加可溶性硫化物使滤料发生硫化作用(Sulfidation)。硫化作用可以防止滤料与氧或水作用发生氧化并形成氧化铁钝化层，取而代之形成硫化亚铁或硫化铁层；同时新生态的硫化亚铁或硫化铁能够同样提供还原作用，能够通过沉淀的形式去除水中的重金属；
2.本实施方式长期运行中，通过反冲洗和弱酸洗的方式清洗滤料表面的污染物如铁络合物等沉淀，同时去除铁氧钝化层，复原滤料还原性能；因此滤料得到了反复酸洗重制，提高ZVI滤料的使用寿命，达到充分吸附和最大限度的使用的目的；
3、本实施方式中当零价铁滤料被彻底氧化或吸附饱和后，无法再通过反冲洗或酸洗重新恢复处理能力时，这些滤料成为废弃滤料；本实施方式装置产生的废料和残渣能够通过毒性浸出测试，不属于危险废弃物。
4、与传统处理技术相比，本实施方式装置将高级氧化和生物滤池相结合，能够同时降解生化污染物包括COD、BOD、氨氮、硝氮和重金属污染物等，本实施方式装置处理后的污水能够满足GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A排放标准和重金属排放标准。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例用于去除污水厂污水中重金属的深度处理系统由过滤池5、高级氧化处理装置6、生物滤池4、上向流零价铁过滤反应器2、静态混合器7、锰砂过滤器8和回用水系统9构成；
所述上向流零价铁过滤反应器2由反应器主体1和调节系统3构成；所述调节系统3由调节罐、第二pH变送器31、搅拌机、搅拌浆、第二pH电极32、第二加药泵33、第二储药罐34和第三储药罐35构成；第二pH变送器31、搅拌机、搅拌浆和第二pH电极32设置在调节罐内部，第二储药罐34和第三储药罐35设置在调节罐外部，第二储药罐34和第三储药罐35上分别设置有药品输出支管，第二储药罐34和第三储药罐35上的药品输出支管上设置有阀门，第二储药罐34和第三储药罐35上的药品输出支管分别与药品输出总管连通，药品输出总管与调节罐连通，药品输出总管上设置有第二加药泵33；调节罐上部设置有进水管，调节罐底部设置有排水管，排水管上设置有阀门；第二pH电极32的信号输出端与第二pH变送器31的控制信号输入端通过信号线连通，第二pH变送器31的控制信号输出端与第二加药泵33的控制信号输入端通过信号线连通；
所述反应器主体1为密闭圆柱体罐或密闭长方体水池，反应器主体1的底部设置有进水管11，反应器主体1的上部设置有排水管13和反冲洗排水管，进水管11上设置有进水泵12；反应器主体1内部由上至下依次设置有零价铁滤料层18、第一承托层14、第二承托层15、第三承托层16和第四承托层17；
所述零价铁滤料层18由零价铁粉构成；零价铁滤料层18中的零价铁粉的有效粒径d10为250μm，不均匀系数k80为1.1，铁含量≥96％；零价铁滤料层18的厚度为1.5m；
所述第一承托层14、第二承托层15、第三承托层16和第四承托层17内填充有承托层滤料；
所述第一承托层14中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第一承托层14中承托层滤料的粒径为2mm，厚度100mm；
所述第二承托层15中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第二承托层15中承托层滤料的粒径为4mm，厚度40mm；
所述第三承托层16中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第三承托层16中承托层滤料的粒径为4mm，厚度40mm；
所述第四承托层17中的承托层滤料为与零价铁滤料层18中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层18中的零价铁粉密度相同的石英砂；第四承托层17中承托层滤料的粒径为16mm，厚度40mm；第四承托层17底部设置有大阻力布水组件22；零价铁滤料层18下部设置有小阻力布水组件23；大阻力布水组件22的进水端与进水管11出水口连通；小阻力布水组件23的进水管探出至反应器主体1底部，反应器主体1外部的小阻力布水组件23的进水管上设置有阀门；调节系统3中调节罐底部设置的排水管与反应器主体1底部设置的进水管11的进水口连通；所述大阻力布水组件22为长柄滤头；所述小阻力布水组件23为穿孔管；
所述回用水系统9由反冲洗罐、第一pH变送器41、搅拌机、搅拌浆、第一pH电极42、第一加药泵43和第一储药罐44构成；第一pH变送器41、搅拌机、搅拌浆和第一pH电极42设置在反冲洗罐内部，第一储药罐44设置在反冲洗罐外部；反冲洗罐底部设置有排液管和反冲洗管，反冲洗管上设置有阀门和输送泵；第一储药罐44与反冲洗罐通过管道连通，第一加药泵43设置在第一储药罐44与反冲洗罐之间的管道连上；第一pH电极42的信号输出端与第一pH变送器41的控制信号输入端通过信号线连通，第一pH变送器41的控制信号输出端与第一加药泵43的控制信号输入端通过信号线连通；
所述过滤池5设置有污水进口和回收水进口，过滤池5的出水口与高级氧化处理装置6的进水口通过管道连通，高级氧化处理装置6的出水口与生物滤池4的进水口通过管道连通，生物滤池4的出水口与调节罐上部设置的进水管连通，上向流零价铁过滤反应器2中反应器主体1的上部设置的排水管13与静态混合器7的进水口连通，静态混合器7的出水口与锰砂过滤器8的进水口通过管道连通，锰砂过滤器8的出水口与回用水池9的进水口通过管道连通；锰砂过滤器8底部设置有反冲洗进水管，锰砂过滤器8上部设置有反冲洗排水管；回用水系统9中反冲洗罐底部设置的反冲洗管分别与锰砂过滤器8的反冲洗进水管和上向流零价铁过滤反应器2中反应器主体1中的小阻力布水组件23的进水管通过管道连通；锰砂过滤器8上部设置的反冲洗排水管和反应器主体1上部设置的反冲洗排水管分别与滤池5的回收水进口通过管道连通。
所述上向流零价铁过滤反应器2设计流量1.2吨/小时，24小时连续运行，运行时水力负荷为15m3/h/m2；空床接触时间为15min；所述反应器主体1材质为玻璃钢；所述过滤池5为V型滤池；所述高级氧化处理装置6为臭氧高级氧化装置；
调节系统3中调节罐中污水的pH调节至5.5；pH调节采用pH值为2的盐酸；调节罐中污水中S2-的浓度为0.05mg/L，S2-浓度调节采用硫化钙；调节系统3的停留时间为30min；利用回用水系统9酸洗的周期为1个星期，每个酸洗周期的酸洗时间为10分钟，酸洗时反冲洗罐内pH为5；利用回用水系统9反冲洗时的水力负荷为30m3/h/m2；反冲洗周期为24小时，每个反冲洗周期的反冲洗时间为15分钟。
实施例1处理对象是某矿区城市的污水处理厂，经本实施例装置处理前污染物平均浓度和处理结果见表1，表1中ND代表处理后的水中污染物的检出的浓度在检测方法的检出限以下；经本实施例装置处理后排放的污水达到GB3838-2002IV类水标准和GB18918-2002一类A级标准。说明本实施例使市政污水中的生化污染物及重金属污染物得到有效去除。
表1(单位：mg/L)
Claims (1)
1.一种用于去除污水厂污水中重金属的深度处理系统，其特征在于：该系统由过滤池（5）、高级氧化处理装置（6）、生物滤池（4）、上向流零价铁过滤反应器（2）、静态混合器（7）、锰砂过滤器（8）和回用水系统（9）构成；
所述上向流零价铁过滤反应器（2）由反应器主体（1）和调节系统（3）构成；所述调节系统（3）由调节罐、第二pH变送器（31）、搅拌机、搅拌浆、第二pH电极（32）、第二加药泵（33）、第二储药罐（34）和第三储药罐（35）构成；第二pH变送器（31）、搅拌机、搅拌浆和第二pH电极（32）设置在调节罐内部，第二储药罐（34）和第三储药罐（35）设置在调节罐外部，第二储药罐（34）和第三储药罐（35）上分别设置有药品输出支管，第二储药罐（34）和第三储药罐（35）上的药品输出支管上设置有阀门，第二储药罐（34）和第三储药罐（35）上的药品输出支管分别与药品输出总管连通，药品输出总管与调节罐连通，药品输出总管上设置有第二加药泵（33）；调节罐上部设置有进水管，调节罐底部设置有排水管，排水管上设置有阀门；第二pH电极（32）的信号输出端与第二pH变送器（31）的控制信号输入端通过信号线连通，第二pH变送器（31）的控制信号输出端与第二加药泵（33）的控制信号输入端通过信号线连通；
所述反应器主体（1）为密闭圆柱体罐或密闭长方体水池，反应器主体（1）的底部设置有进水管（11），反应器主体（1）的上部设置有排水管（13）和反冲洗排水管，进水管（11）上设置有进水泵（12）；反应器主体（1）内部由上至下依次设置有零价铁滤料层（18）、第一承托层（14）、第二承托层（15）、第三承托层（16）和第四承托层（17）；
所述零价铁滤料层（18）由零价铁粉构成；零价铁滤料层（18）中的零价铁粉的有效粒径d10为250 μm，不均匀系数k80小于1.5，铁含量≥96%；零价铁滤料层（18）的厚度为0.5～1.5m；
所述第一承托层（14）、第二承托层（15）、第三承托层（16）和第四承托层（17）内填充有承托层滤料；
所述第一承托层（14）中的承托层滤料为与零价铁滤料层（18）中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层（18）中的零价铁粉密度相同的石英砂；第一承托层（14）中承托层滤料的粒径为0.8～2mm，厚度40~100mm；
所述第二承托层（15）中的承托层滤料为与零价铁滤料层（18）中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层（18）中的零价铁粉密度相同的石英砂；第二承托层（15）中承托层滤料的粒径为2～4mm，厚度40~100mm；
所述第三承托层（16）中的承托层滤料为与零价铁滤料层（18）中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层（18）中的零价铁粉密度相同的石英砂；第三承托层（16）中承托层滤料的粒径为4～8mm，厚度40~100mm；
所述第四承托层（17）中的承托层滤料为与零价铁滤料层（18）中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层（18）中的零价铁粉密度相同的石英砂；第四承托层（17）中承托层滤料的粒径为8～16mm，厚度40~100mm；第四承托层（17）底部设置有大阻力布水组件（22）；零价铁滤料层（18）下部设置有小阻力布水组件（23）；大阻力布水组件（22）的进水端与进水管（11）出水口连通；小阻力布水组件（23）的进水管探出至反应器主体（1）底部，反应器主体（1）外部的小阻力布水组件（23）的进水管上设置有阀门；调节系统（3）中调节罐底部设置的排水管与反应器主体（1）底部设置的进水管（11）的进水口连通；所述大阻力布水组件（22）为长柄滤头；所述小阻力布水组件（23）为穿孔管；
所述回用水系统（9）由反冲洗罐、第一pH变送器（41）、搅拌机、搅拌浆、第一pH电极（42）、第一加药泵（43）和第一储药罐（44）构成；第一pH变送器（41）、搅拌机、搅拌浆和第一pH电极（42）设置在反冲洗罐内部，第一储药罐（44）设置在反冲洗罐外部；反冲洗罐底部设置有排液管和反冲洗管，反冲洗管上设置有阀门和输送泵；第一储药罐（44）与反冲洗罐通过管道连通，第一加药泵（43）设置在第一储药罐（44）与反冲洗罐之间的管道连上；第一pH电极（42）的信号输出端与第一pH变送器（41）的控制信号输入端通过信号线连通，第一pH变送器（41）的控制信号输出端与第一加药泵（43）的控制信号输入端通过信号线连通；
所述过滤池（5）设置有污水进口和回收水进口，过滤池（5）的出水口与高级氧化处理装置（6）的进水口通过管道连通，高级氧化处理装置（6）的出水口与生物滤池（4）的进水口通过管道连通，生物滤池（4）的出水口与调节罐上部设置的进水管连通，上向流零价铁过滤反应器（2）中反应器主体（1）的上部设置的排水管（13）与静态混合器（7）的进水口连通，静态混合器（7）的出水口与锰砂过滤器（8）的进水口通过管道连通，锰砂过滤器（8）的出水口与回用水系统（9）的进水口通过管道连通；锰砂过滤器（8）底部设置有反冲洗进水管，锰砂过滤器（8）上部设置有反冲洗排水管；回用水系统（9）中反冲洗罐底部设置的反冲洗管分别与锰砂过滤器（8）的反冲洗进水管和上向流零价铁过滤反应器（2）中反应器主体（1）中的小阻力布水组件（23）的进水管通过管道连通；锰砂过滤器（8）上部设置的反冲洗排水管和反应器主体（1）上部设置的反冲洗排水管分别与过滤池（5）的回收水进口通过管道连通；
所述上向流零价铁过滤反应器（2）运行时水力负荷为4~30m3/h/m2；空床接触时间为4~30min；
所述过滤池（5）为石英砂快速滤池或V型滤池；
所述高级氧化处理装置（6）为臭氧高级氧化装置、紫外高级氧化装置、芬顿高级氧化装置或双氧水/臭氧高级氧化装置。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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