CN110272167A

CN110272167A - 一种基于碳纤维的矿山废水处理系统及地下水去污工艺

Info

Publication number: CN110272167A
Application number: CN201910571457.0A
Authority: CN
Inventors: 王力; 李兰
Original assignee: WUHAN HUANTIANYU BIOLOGICAL ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN HUANTIANYU BIOLOGICAL ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2019-09-24
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: CN110272167B

Abstract

本发明公开了一种基于碳纤维的矿山废水处理系统及地下水去污工艺，矿山废水处理系统包括依次相连的跌水曝气池、加药池、初沉池和串联的多级碳纤维接触氧化池，加药池用于添加PH值调节剂，其中第一级碳纤维接触氧化池的进水口与初沉池出水口相连并设置有滗水器，最后一级碳纤维接触氧化池的出水口连接到河道或者沟渠，碳纤维接触氧化池还设有排污泥管和闸门，每一级碳纤维接触氧化池中均设有碳纤维净水系统，通碳纤维净水系统形成生物膜和藻场具有截留、吸附、附着、架桥、絮凝、生物氧化和生物酶催化氧化污水处理功能。本发明利用碳纤维净水和处理产物铁锰氧化物作为催化剂，运行成本低廉，除污效果好，适用于大规模的矿山废水和地下水污水处理。

Description

一种基于碳纤维的矿山废水处理系统及地下水去污工艺

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种地下水或矿业废污水处理技术，具体涉及一种基于碳纤维净水产品的矿山废水处理系统及污水处理工艺，是一种利用曝气氧化、PH调节剂、碳纤维、微生物膜、光催化氧化、生物酶催化氧化技术联合处理受各种污染的矿山废水、地下水的装置。

背景技术

地下水作为人类宝贵的淡水资源是河流水库的重要补给源，也是北方地区的重要水源。随着现代社会发展、人口增加、工业化进程，地下水出现了不同程度的污染问题，一方面是自然污染，另一方面是来自人为污染源。从上个世纪60年代开始，地下水污染逐渐加剧，于是地下水的处理技术也随之发展起来。对地下水的污染：在人为影响下，生活污水和垃圾渗漏液中的有机物、NH₄ ⁺-N及NO³-N、总磷等导致地下水的污染。生活污水排放及生活污水用于污灌引起的地下水中NO³-N升高现象更为普遍。农用氮肥的使用面积非常之广，施用大量氮肥而出现了NO³-N的污染。各类工业废水中COD、氨氮、有毒化合物排放常常是地下水中COD、NH₄ ⁺-N及NO³-N、有毒化合物污染的主要污染源。COD、氨氮、有毒化合物对人体和水生生物有一定的毒害作用，COD、氨氮都是高耗氧性物质，例如氧化1mg氨氮成硝态氮需消耗4.57mg的DO，所以较高浓度的氨氮会直接导致水质的恶化。我国60％地区存在高铁高锰高硫酸的地下水问题，主要来自矿山开采或工业废水人为排放渗漏地下。特别是在煤矿的开采过程中和地下水抽提过程中，破坏了地下、煤层及围岩中的硫化矿物(主要是硫铁矿)原来的还原环境，使之与氧气与水接触，在微生物作用下发生一系列复杂的地球化学环境，产生了大量的酸。强酸性水溶液进一步将煤层及围岩中重金属溶出，形成了酸性地下废水，其中以铁锰浓度最高，危害最大。很多矿山长期开采导致煤矿资源已经枯竭，随着生态环境保护的制约，大量煤矿已经停产，但是矿山废水渗漏后注入河流，与氧气和河水接触变成红水河直接影响饮水安全。酸性废水对桥梁以及堤坝等均会产生一定的腐蚀作用。我国煤炭产量位居世界第一，煤矿矿井水的产生量和排放量也是位居全国工业废水的第一，据统计和测算，目前全国煤炭矿井水的产生量每年45～50亿m³，每年排放量达25亿m³。随着环境保护和开采煤炭资源枯竭，越来越多的煤矿被关闭，开挖后的煤矿里边形成巨大的地下水库，在大气降水的作用下，开采后的矿石受到淋溶，为水体的酸化提供了反应温床，雨季大量渗入地下雨水变成高铁高锰高盐废水溢出，排放量和溢出量会大幅度增加，而且反复产生污染源。废水排入河流的过程中会导致水体中有机物含量增加，从而水体中好氧微生物降解有机物时的消耗氧增多，造成水体处于贫氧状态，水体中的鱼类以及其他水生生物生存受到危害。当水中溶解氧消耗殆尽的时候，有机物又通过水中厌氧微生物的分解，引起腐败现象，产生CH₄，H₂S，等难闻的气体，使水质恶化，威胁饮水安全。煤矿酸性废水含高铁高锰高盐，色度大，不同于正在生产的煤矿废水。国内外高铁高锰高盐地下水处理研究主要报道是曝气氧化、化学中和、锰砂过滤及微生物处理综合技术，但是运行成本很高。目前针对煤矿含高铁高锰高盐酸性废水、工业废水污染、石油开采污染、地下水富含重金属、无机盐和放射性元素等物质的去除技术还存在着一些局限。锰砂过滤法中因为容易赌塞需要定期反冲洗，破坏了生物膜，存在处理效率低等问题。

现有地下水污染处理技术主要包括将受污染的地下水抽出至地表进行处理的水厂技术或对矿区废水溢流进行治理的污水处理站技术。铁锰是人体不可缺少的微量元素，人体内所需要的铁锰主要来源于食物和饮水。水中含铁锰量过多，也会造成危害。当水中含铁锰的浓度超过一定限度，就会产生红褐色的沉淀物，流入河流中会形成铁锈红水体颜色，造成视角污染，同时还容易使铁细菌繁殖堵塞管道。据美国，芬兰科学家研究证明，人体中铁过多对心脏有影响，甚至比胆固醇更危险。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-85)规定，铁含量≤0.3㎎/L，锰含量≤0.1㎎/L，超标地下水须经除铁除锰达标后才能饮用或排放。铁、锰等重金属的去除并不是单一的途径或机理，往往需要多种方法与技术的综合工艺。目前水厂主要采用曝气充氧、中和法、过滤法、生物法等综合技术；而矿山废水的治理主要采用封堵法、化学法(中和法、氧化法、还原法、絮凝法、离子交换法)、物理法(沉淀法)。其中封堵法主要是对地下水的溢出口进行人为封堵，但是地下水总会找到出路进入河湖，因此不能彻底解决问题。此外，上述各种处理方法均利用了铁锰化合物的转换，最终通过沉淀去除。Fe生锈是转化为Fe₂O₃(缓慢氧化)过程，4Fe+3O₂＝2Fe₂O₃，是化合反应，氧化要充分，不然就生成亚铁了。Fe²⁺具有还原性，当遇到强氧化剂时，均可生成+3价铁。氧化法一方面是增加水中的溶解氧，二是驱除CO₂，以提高水的PH值，使二价铁氧化成三价铁沉淀。二价铁在PH值大于6.7时，在水中溶解氧的作用下，氧化成三价铁；Mn²⁺则需要PH值大于9.5时，溶解氧作用下氧化成四价锰、MnO₂；中和法是最常用的处理技术，该方法是向废水中投入中和剂，使废水中金属离子生成氢氧化物沉淀与水分离，使废水达到排放标准。常见的中和剂有石灰、石灰石、苏打、苛性碱，过氧化钙、氨水等。中和法目的就是调节PH值改善氧化条件，因其溶解度小以便在后续的沉淀、过滤等固液分离净化工序中被去除,从而达到除铁锰及其它重金属的目的。生物法除铁除锰作为一种新的工艺技术目前也开始在世界很多国家研究推广,均取得良好效果,我国北方水厂主要采用两级曝气、两级过滤工艺。另外日本虽对生物除铁除锰技术也进行了研究和应用,但也只是应用于慢滤池中。国外对地下水除铁除锰的研究始于100多年前。1868年在荷兰建成第一座大型除铁装置,1874年第一座除锰水厂在德国建成。国外传统的除铁除锰工艺一般是曝气后加入中和试剂,然后过滤,后来又有传统工艺加生石灰软化除铁除锰,硅酸钠、磷酸盐、多重磷酸盐做分离剂除铁除锰。1946年Edwards和Mc Call提出滤料表面锰质滤膜对饮用水中锰离子去除起催化作用。20世纪6 0年代底层地下水除铁除锰技术在欧洲得到推广应用,近年来被许多国家所重视。Fe²⁺氧化去除的实质是在铁质活性滤膜表面发生的自催化过程。在铁的生物膜处理过程中，Fe²⁺首先会以离子交换的形式被吸附到铁质活性滤膜的表面。地下水中往往会有溶解氧的存在，且Fe²⁺的氧化还原电位较氧为低，为此，被吸附到铁质活性滤膜表面的Fe²⁺往往会进一步被催化氧化，并于水中发生水解。在pH偏碱性条件下生物接触滤层中Mn²⁺的氧化是生物氧化,滤层中以除锰菌为核心的生物群系的平衡与稳定是除锰活性的基础。在锰的去处过程中，Mn²⁺随后，吸附在细菌表面的Mn²⁺会在胞外酶催化作用下，氧化形成Mn⁴⁺，该价态离子在中性及弱碱环境下，能迅速地转化为MnO₂，继而从处理水中析出，达到除锰的目的。生物滤层不但可以同时氧化去除Fe²⁺、Mn²⁺,而且对进入滤层前已氧化成Fe³⁺的微细颗粒也有良好的截留作用。以此生物固锰除锰机制为基础开发了二级曝气、二过滤的生物除铁除锰工艺在我国北方水厂被广泛使用。中和法与过滤法结合治理高效，治理量大，但存在污泥量大，药剂使用量大，运行费高，二次污染严重等问题。过滤法介质主要是锰沙和活性炭组合介质，均容易赌塞需要反冲洗减少了过滤柱中的生物膜量，降低了生物除铁锰的效率。

经济高效的碳纤维净水技术：现有铁锰过滤方法是将水中Fe²⁺和Mn²⁺氧化成不溶于水的Fe³⁺和MnO₂，再结合天然锰砂或活性炭的催化、吸附、过滤将水中铁锰离子去除。MnO₂和Fe³⁺的微细颗粒去除条件极差，天然锰砂或活性炭易堵塞，生物膜难于形成，因而影响了滤池的出水水质，设置碳纤维净水产品后，碳纤维、生物膜和着生藻场的高吸附、网捕、截留、絮凝、催化氧化作用很好的解决了这个问题。

铁的氧化条件PH值为7.5以上比锰PH值为9.5条件低，因此铁容易去除，而锰的去除是一大难题，锰不能依赖曝气氧化法和中和法，因为处理成本太高。为减少铁锰去除成本和其它难降解转化物质能够有效去除，本发明增加了藻场、生物膜、光催化氧化技术，这些技术的实现只需要更换滤料锰砂或活性炭为碳纤维净水产品即可。本发明利用了碳纤维生物亲和性使生物膜易生成、容易形成着生藻场、利用地下水处理产物高价氧化铁锰催化剂等低成本和处理污染物种类多优势。

地下水中污染物的种类日益增多，除渗漏液有机物、氮磷营养物污染外，还包括工业废水、石油类、重金属、无机盐和放射性元素等污染，于是地下水污染处理技术便以其处理彻底、处理污染物的种类多、时间相对较短、出水效果好、成本相对低廉等优势综合治理技术最受欢迎。地下水生物法除锰新技术的理论及应用研究，并通过大量的微生物学试验，证明了滤池中铁细菌的高效生物除锰作用。由于铁的氧化还原电位比锰低，因此在滤层中，Mn²⁺氧化为MnO₂的速度较慢，锰质活性滤膜的成熟期较长。接触氧化法采用一级曝气过滤除铁,二级曝气过滤除锰的分级方法。工艺流程仍然比较复杂，运行费用也偏高；另一方面,二价锰难以在滤层中快速氧化为MnO₂而附着于滤料上形成锰质活性滤膜，系统生物除锰能力形成周期比较长，启动一般需要近3个月以上的时间，实际应用中因经常反冲洗，生物膜刚刚长出就被破坏掉了，所以锰砂滤床上的微生物膜氧化处理效率十分有限，除锰效果更是呈现很不稳定的状态。受污染地下水能够被微生物处理的关键是保持相应微生物的高活性，才能使得地下水的污染物能够被高效持久的去除。碳纤维新材料应用于地下水处理中则能够在10天～半月形成稳定生物膜，碳纤维高亲和性和生物附着比表面积巨大，生物活性滤膜发育充分，生物接触氧化滤池中，当碳纤维生物滤料经过适应期、活性增长期而达到稳定期后，会在滤层表面寄生着大量的细菌群，形成生物挂膜现象，可在不同污染物废水环境下分别生长氧化亚硫铁杆菌、硝化菌、反硝化菌、兼性菌等不同菌种或多菌种，因此对有机物、氮磷、重金属、苯酚类、石油类等多种污染物均有处理效果。碳纤维生物膜适应期一般只需半天～1天时间，10天～20天生物膜就达到成熟和稳定，无需特殊培育。这些细菌会与污染物或以化学反应中形成的含铁锰氧化物胶体共同形成菌泥，这种物质类似于污水处理过程中形成的菌胶团。碳纤维生物膜生物量是锰砂滤料的上100～1000倍，碳纤维材料轻柔飘逸，不会赌塞生物池，不需要反冲洗，因此，碳纤维生物膜活性高而且能够自我更新具有长效性，因而本发明使用的技术去除铁猛等重金属效率高。

碳纤维促进光催化氧化的以废治废技术。1967年藤岛昭教授在一次试验中发现光催化反应，光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术，在光的照射下可将有机污物彻底降解为二氧化碳与水，同时光催化材料自身无损耗，被环保界认为是21世纪环境净化领域的革命性突破，被誉为“当今世界最理想的环境净化技术”。Ollis于1985年发表了第一篇关于半导体光催化在污水治理方面应用的综述文章，近二十年来，半导体多相光催化作为一项新的污染治理技术受到人员的高度重视。当催化剂半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后,电子从价带跃迁到导带,产生了电子-空穴对,电子具有还原性,空穴具有氧化性,光生电子、空穴在内部电场作用下分离并迁移到材料表面，进而在表面处发生氧化还原反应，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的-OH反应生成氧化性很高的OH自由基,活泼的OH自由基可以把许多难降解的有机物、重金属氧化，有机物光催化后变成CO₂和H₂O等无机物，重金属从低价氧化成高价，从溶解态变成固态再沉淀被去除。碳纤维生态草拦截吸附地下水中的铁锰氧化物作为光催化剂，碳纤维高导光导电特性促进铁锰氧化物利用太阳自然光形成光催化氧化。Fe₂O₃、Fe(OH)₃、MnO₂等半导体光催化技术因其可以直接利用太阳光能而被许多研究者看好。有人发现铁锰氧化物利用太阳自然光比二氧化钛的光催化活性高，因为TiO₂的禁带宽度为3.2eV，需要波长小于387.5nm的光才能够激发，所有只能吸收紫外光；而(羟基)氧化铁的禁带宽度在2.1eV附近，波长563.6nm的光就能工作，不仅可以吸收紫外光，还可以吸收可见光，因此，窄禁带半导体氧化铁的，能吸收利用占太阳辐射能量45％左右的紫外-可见光。加上具有环境友好、廉价、在碱性环境中化学稳定性好等优点，是一种有广泛应用前景的光催化剂材料。碳纤维黑色具有高吸光性，高传热和导电性，促进氧化铁锰等催化剂利用太阳自然光放大铁质的自催化作用，因此，强化了铁的催化氧化去除效率。本发明中还可以增加黑磷烯、石墨烯、二氧化钛等光催化剂加强光催化氧化作用。因而本发明还利用碳纤维分离地下水中的铁锰氧化物产物继续光催化氧化分离地下水溶液中溶解的铁锰化合物和其它难降解物质，以废治废，运行成本显著降低。

发明内容

本发明提供一种调节PH值、氧化重金属、利用碳纤维生态草修复微生物膜和利用碳纤维与污水处理产物铁锰氧化物已废治废实现光催化氧化的技术处理受污染地下水的工艺和装置，以避免传统锰砂过滤法因堵塞需要反冲洗使得生物膜难于形成、处理效率低、运行成本高的受污染地下水处理难的问题。本发明不仅能够降解地下水中的有机污染物、去氮除磷，还能够充分利用氧化产物Fe(OH)₃实现微电池氧化和光催化氧化，吸附拦截Fe(OH)₃和不溶于水的黑色MnO₂达到高效除铁除锰。利用光催化氧化技术将一些矿山雨水淋浴产生的高铁高锰高硫酸重金属地下水、石油开采污染地下水的石油类、挥发酚、氨氮、COD等还原电位较低的Pb²⁺、Ni²⁺、氯代烃及五价铀等污染物和工业废水污染物进行有效去除转化，而且极大节约运行成本。

为解决上述问题，本发明采用技术方案如下：

一种基于碳纤维的矿山废水处理系统，其特征在于：包括依次相连的跌水曝气池、加药池、初沉池和多级碳纤维接触氧化池，所述加药池用于添加PH值调节剂，所述初沉池用于对污水进行初步沉淀；所述多级碳纤维接触氧化池串联，其中第一级碳纤维接触氧化池的进水口与初沉池出水口相连，最后一级碳纤维接触氧化池的出水口连接到河道或者沟渠；最后一级碳纤维接触氧化池还设有通往污泥池的排污泥管，每一级碳纤维接触氧化池中均设有碳纤维净水系统，通过碳纤维生态带、碳纤维生态网、碳纤维生态草、碳纤维生态球和碳纤维毯等与悬浮设备、连接设备、垂吊设备、固定设备组装而成。碳纤维净水系统在碳纤维接触氧化池内形成生物膜和藻场具有截留、吸附、附着、架桥、絮凝、生物氧化一级生物酶催化氧化污水处理功能。

作为改进，所述加药池前设有低能耗的污水预处理装置，所述污水预处理装置包括设于河道或者沟渠上游用于抬高水位的雍水建筑和设于雍水建筑下游的跌水曝气池，所述跌水曝气池为多级跌水，跌水曝气池具有曝气充氧和蓄水抬高水头的作用；通过多级跌水对污水进行无能耗的预氧化处理。

作为改进，所述初沉池或加药池内设有曝气充氧设备，用于对污水进行充分的曝气充氧。

作为改进，所述碳纤维净水系统均匀间隔排列在碳纤维接触氧化池内，对于同一碳纤维接触氧化池的进水口和出水口分布在碳纤维净水系统的两端，以增加污水停留时间，相邻的碳纤维接触氧化池内碳纤维净水系统呈相互垂直方向排列。

作为改进，所述碳纤维生态网上设有光催化剂，所述光催化剂为污水中自带被氧化的铁、锰离子或者石墨烯、黑磷烯和二氧化钛种的任意一种或者几种组合。

作为改进，所述加药池、初沉池和多级碳纤维接触氧化池相互连接处均设有本发明的简易滗水器，滗水器由不锈钢加锯齿组成。

作为改进，最后一级碳纤维接触氧化池的出水口处设有出水井，所述出水井为半圆柱体形出水井，出水井中部设有出水管，碳纤维接触氧化池中水流通过滗水器溢流进入出水井内，出水井内的水通过出水管流出到污水处理厂外。

作为改进，所述碳纤维净水系统由碳纤维生态带、碳纤维生态网、碳纤维生态草、碳纤维生态球、碳纤维毡和碳纤维毯任意一种或者几种混编组装而成。

作为改进，所述碳纤维净水系统由碳纤维生态草、球、网、毯、毡等通过与悬浮设备、连接设备、垂吊设备组装而成。相连形成列状碳纤维生态网状、带状的净水系统，然后将碳纤维净水系统两端通过支架固定或安装在固定架中形成的碳纤维接触氧化装置。

作为改进，所述碳纤维生态草、碳纤维生态带、碳纤维生态网、碳纤维生态球和碳纤维毯由碳纤维丝与高分子材料混编织成或由碳纤维丝与防水布热压制造而成或与浮岛、吊环、pvc管连接而成，所述碳纤维丝由聚丙烯晴基、沥青基或者黏胶基制成。

一种基于碳纤维的地下水去污工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立雍水建筑和多级跌水，对污水进行初步充氧预处理；

步骤2、经过初步处理后的污水进入加药池，调节PH值至微碱性，使得污水中金属离子沉淀析出；

步骤3、污水调节PH值后经过初沉池进行沉淀，然后通过滗水器进入碳纤维接触氧化池；

步骤4、利用碳纤维接触氧化池内的碳纤维表面产生的生物膜、藻场对污水进行截留、吸附、附着、架桥、絮凝、生物氧化以及生物酶催化氧化进一步除污处理；充分利用处理产物-高价铁、高价锰以废治废，截留在碳纤维上的铁锰氧化物利用太阳自然光形成光催化氧化作用，进一步加强铁锰从废水中转化去除；

步骤5、经过碳纤维接触氧化池处理后的干净水通过排水口排出，污泥通过排污泥管道排到污泥处理装置，完成整个污水处理过程。

本发明有益效果是：

本发明在两级碳纤维接触氧化池中设置了碳纤维生态草，只需半个月长成稳定的多种微生物菌群的生物膜，利用碳纤维形成以铁锰氧化物为催化剂只需太阳光的高效光催化氧化技术，以废治废，运行成本大大降低，提出了成套的地下水处理工艺、设计方案和地下水处理站的设备建设。中和法处理效果虽然较好，但是为了除二价和色度，需要将PH值中和至碱性(PH＝9.5)，铁只需要PH大于等于7.5可使Fe²⁺短时间氧化沉淀，并且去除色度。并在PH大于7.5时，水解形成Fe(OH)₃↓，沉淀从水中析出，经沉淀和排泥去除铁。锰离子需要PH大于等于9.5后在溶解氧作用下氧化成四价锰、MnO2才能够沉淀去除。这势必增加中和剂的投入量和充氧曝气耗电量巨大才能同时除铁除锰，造成大量以硫酸钙为主的胶状混合物堆积，引起严重的二次污染，污泥量巨大，处置困难，运行费用高。利用生活在碳纤维上的微生物氧化亚硫铁杆菌催化酶氧化，微生物菌种提高Fe²⁺、Mn²⁺的氧化速率，使Fe²⁺、Mn²⁺离子氧化成Fe³⁺、四价锰、MnO2，碳纤维上拦截的铁锰氧化物利用太阳自然光的光催化氧化促进水中的Fe²⁺氧化成Fe³⁺、Mn²⁺离子氧化成Fe³⁺、四价锰、MnO2；同时碳铁微电池效应产生大量OH^-，铁与OH-反应生成Fe(OH)₃、四价锰、MnO2。因而在较低PH值情况下，达到除锰目的，去除铁、锰、H₂CO₃、降色度和其它重金属的目的。本发明技术只需加入少量中和剂除去SO₄ ^2-等酸性离子，Fe²⁺、Mn²⁺离子氧化成Fe³⁺、四价锰、MnO2，使废水得到净化。碳纤维净水系统集沉淀、过滤、吸附、氧化、微生物合成与分解代谢、植物的代谢与吸收、生物酶催化氧化、光催化氧化、碳铁微电池氧化作用于一体，可达到良好的出水水质，观测表明，浊度、COD、氨氮、总磷、氢离子、铁离子、锰离子、石油类、挥发酚和悬浮物的去除率可达90％以上。

所述碳纤维净水材料包括聚丙烯晴基、沥青基、黏胶基等制成的碳纤维丝、碳纤维布、石墨毡、网状玻璃碳、石墨或碳纤维刷等材料及其织造的碳纤维生态草、碳纤维生态带、碳纤维生态球、碳纤维毯等实现铁锰氧化物从水中分离技术产品。

所述光催化剂包括废水自带的铁、锰及其它所有催化剂，也包括增加黑磷烯、石墨烯、二氧化钛等新型光催化剂材料。

所述的微生物膜是由碳纤维修复的废水中或底泥中自带的多菌群种类的复合生物膜。碳纤维创造了一个自养硫氧化/反硝化菌、异养反硝化菌、氧化亚硫铁杆菌、自养脱硫菌群种群共存的混养生态系统，通过二者协同作用实现对硫酸盐和TOC同时去除以及单质硫的获得。

本发明在两级碳纤维接触氧化池中设置碳纤维生态带或碳纤维生态草或碳纤维生态球或碳纤维，具有利用地下水中富含的铁锰作为催化剂，碳纤维是强导光导电材料，能够利用太阳自然光和碳纤维拦截废水中的氧化铁锰形成微电池效应和光催化氧化效应。碳纤维表面附着产电微生物、厌氧微生物、好氧微生物、兼性微生物，可以对地下水中的有机物、氮磷营养物、苯酚化合物、重金属等进行生物降解、氧化分解及氧化转化。本发明专利可以去除地下水污水中的有机物、氧化还原重金属等，对垃圾渗透液、地下水中的原生矿重金属、工业废水污染地下水的情况均有效。此外，还可以去除一些还原电位较低的Pb²⁺、Ni²⁺、氯代烃及五价铀等污染物。

本发明利用碳纤维生态网在接触氧化池内同时具备过滤、拦截、形成生物膜、絮凝、氧化和形成微电池系统实现了对污水多机理高效处理，本发明选材成本低廉易得，可以大大降低污水处理成本，适合于大规模的矿山或者工业废水处理。

附图说明

图1为本发明实施例中地下水处理站的矿山废水处理系统平面设计图；

图2为本发明实施例中地下水处理站矿山废水处理系统的立面设计图；

图3为两级跌水曝气平面图；

图4为两级跌水曝气剖面图；

图5加药池和初沉池平面设计图；

图6为加药池和初沉池立面设计图；

图7为级碳纤维接触氧化池内碳纤维生态网布局设置平面图；

图8为一级生态池碳纤维生态带基区设置平面图；

图9为二级生态池碳纤维生态带基区设置平面图；

图10为碳纤维生态带基区设置立面图；

图11为出水井三维示意图。

1-雍水建筑，2-一级跌水，3-二级跌水，4-加药池，5-初沉池，6-一级碳纤维接触氧化池，7-二级碳纤维接触氧化池，8-排污泥管，9-出水管，10-河流，11-道路，12-进水口，13-三角堰，14-PH值调节设备，15-碳纤维生态网，16-碳纤维生态草，17-固定绳，18-固定铁架，19-碳纤维生态带，20-出水井，21-加药池进水口，22-初沉池出水口，23-滗水器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行举例说明。

如图1至图11所示，一种基于碳纤维的矿山废水处理系统，包括污水预处理装置和依次相连的跌水曝气池、加药池4、初沉池5和多级碳纤维接触氧化池，所述加药池4用于添加PH值调节剂，所述初沉池5用于对污水进行初步沉淀，所述多级碳纤维接触氧化池串联，其中第一级碳纤维接触氧化池6的进水口12与初沉池出水口22相连，最后一级碳纤维接触氧化池6的出水口连接到河道或者沟渠，最后一级碳纤维接触氧化池6还设有通往污泥池的排污泥管8，每一级碳纤维接触氧化池6中均设有碳纤维生态网15，通过碳纤维生态网15在碳纤维接触氧化池内形成生物膜和藻场具有截留、吸附、附着、架桥、絮凝、生物氧化一级生物酶催化氧化污水处理功能。

所述污水预处理装置包括设于河道或者沟渠上游用于抬高水位的雍水建筑1和设于雍水建筑1下游的多级跌水，本实施例中为一级跌水2和二级跌水3，通过多级跌水对污水进行预氧化处理。

本发明实施例在受污染地下水水源的水厂或矿山废水处理站中设置跌水曝气作为污水的预处理装置，或在初沉池5中加曝气充氧设备进行曝气充氧氧化金属离子，在加药池4中构建加药系统调节ph值、建造含有碳纤维生态网15的碳纤维接触氧化池等，并在最后一级碳纤维接触氧化池6设置出水井20、排泥闸和剩余污泥处置装置，在初沉池5通往,一级碳纤维接触氧化池6之间设置滗水器23拦截悬浮物，可对受各种污染源影响的地下水实现经济高效的水处理效果。碳纤维净水产品可实现生物膜菌群自我生长更新和形成藻场参与水质净化；碳纤维净水产品、生物膜、藻场联合具有截留、吸附、附着、架桥、絮凝、生物氧化、生物酶催化氧化等综合治理效果；因碳纤维是高吸光材料，碳纤维导光性导电性等功能强，可充分利用污染地下水处理产物高价铁锰氧化物作为催化剂，利用太阳自然光实现光催化氧化达到地下废水净化处理之目的；还可将碳纤维与石墨烯、黑磷烯、二氧化钛等结合强化碳铁微电池效应和光催化氧化效果，可去除地下水中有机物、氮磷营养物、硫化物、重金属、石油类、苯酚类等各种污染物和难降解物质。

本发明利用曝气充氧氧化作用；碱中和调节PH值；碳纤维、生物膜、藻场、产物高价铁锰氧化物联合的截留、吸附、附着、絮凝、沉淀、架桥、生物载体、生物膜、光催化氧化、生物酶催化氧化等作用，或与石墨烯、黑磷烯、铁锰氧化物等光催化剂结合技术，用于处理受污染地下水的整套工艺、设计方案、装置建造方法和水厂、污水处理站等硬件软件的建造方法、使用方法、设计图纸等均在保护范围内。

本发明采用如下技术方案：(1)曝气充氧技术，(2)酸碱中和技术(中和剂包含有石灰、石灰石、苏打、苛性碱，过氧化钙、氨水等)；(3)沉淀分离技术(初沉池5加滗水器23)；(4)碳纤维净水技术：本发明专利利用碳纤维净水系列产品等实现有机物、氮、苯酚类、石油类的降解、磷和重金属氧化物从水中的分离技术。(5)生物膜接触氧化技术，碳纤维修复适应环境的微生物膜菌群和着生绿藻藻场，无需特殊培育。碳纤维表面形成A2O环境降解水体中的有机物、去氮除磷、降解苯类化合物、以及可生物降解的其它污染物质，对锰实现酶催化氧化而去除；(6)光催化氧化技术：铁锰氧化物被拦截、吸附、附着在碳纤维生态网15上，碳纤维导光导电，促进铁锰氧化物利用太阳自然光形成光催化氧化环境，或结合石墨烯、黑磷烯、二氧化钛等多种新型光催化剂加强光催化氧化、生物酶催化氧化转化废水中的铁锰硫化物或其它重金属，被碳纤维截留沉淀或藻场吸附截留分离，达到地下水出水达标和减少淤泥沉积物之目的；(7)淤泥处置技术：定期排除剩余淤泥浓缩干化后外运。

本发明使用了接触氧化法和生物降解转化技术。生物膜是由碳纤维(碳纤维生态网15)修复的地下水废水中或底泥中自带的多菌群种类的复合生物膜。碳纤维高亲和性和生物附着比表面积巨大，应用于地下水处理中则能够在10天～半月形成稳定生物膜，生物活性滤膜发育充分，生物量大，可自我更新。生物接触氧化滤池中，当碳纤维生物滤料经过适应期、活性增长期而达到稳定期后，会在滤层表面寄生着大量的细菌群，形成生物挂膜现象。这些细菌会与污染物或以化学反应中形成的含铁锰氧化物胶体共同形成菌泥，这种物质类似于污水处理过程中形成的菌胶团。因在碳纤维接触氧化池中设置了碳纤维净水产品，碳纤维生物膜适应期一般只需半天～1天时间，10天～20天生物膜就达到成熟和稳定，无需特殊培育，克服了生物膜水土不服难题，对地下水中可生化降解和转化的污染物可长效的实现去除或降解。碳纤维生物膜生物量是锰砂滤料上的100～1000倍，碳纤维材料轻柔飘逸，不会赌塞生物池，不需要反冲洗，因此，碳纤维生物膜活性高而且具有长效性，可在不同污染废水环境下分别生长氧化亚硫铁杆菌、硝化菌、反硝化菌、兼性菌等不同菌种或多菌种集合菌团，因此，对有机物、氮磷、重金属、苯酚类、石油类等多种污染物均有处理效果，特别是可将低价氧化锰转化为高价化合物沉淀去除，解决了现有技术对锰金属去除时需要较高费用的难题。

本发明还具备碳铁微电池效应与光催化作用，具体原理如下：

(1)本发明碳纤维生态网15根据碳铁1.2v电位差，因而会形成无数的微电池系统，在其作用空间构成一个电场，投入含碳元素的净水产品与水处理产物铁结合存在微电场效应产生氧化还原功能，与OH^-反应生成Fe(OH)₃或将溶解态二价锰氧化形成Mn4⁺和转化为MnO₂，将高价铁锰通过沉淀去除。(2)碳纤维利用太阳自然光和催化剂形成光催化氧化作用进一步氧化分解难降解污染物。利用碳纤维拦截吸附的铁锰氧化物为催化剂，碳纤维导入太阳光利用水处理产物铁锰氧化物实现高效的光催化氧化技术，以废治废，运行成本大大降低。

本发明碳纤维生态网15的碳纤维上附着藻场作用，设置碳纤维水域易生产大量着生绿藻藻场，绿藻会吸附大量氧化铁、氧化锰、硫酸盐、硫酸钙，清除绿藻可将金属和硫酸盐、硫酸钙及其它悬浮物去除。

碳纤维净水材料包括聚丙烯晴基、沥青基、黏胶基等制成的碳纤维丝、石墨烯、网状玻璃碳、石墨或碳纤维刷等碳元素材料及其织造的碳纤维生态草16、碳纤维生态带19、碳纤维生态网15、碳纤维生态球、碳纤维毯、碳纤维布、碳纤维毡、碳纤维袋、碳纤维刷等，更优的还可以制成碳纤维生态网，实现污染物从水中分离。

本发明所述光催化剂包括铁、锰及其它所有半导体重金属催化剂，也包括黑磷烯、石墨烯、二氧化钛等新型光催化剂材料。

本发明处理所述地下水处理机理为：

本发明利用氧化曝气、酸碱中和、碳纤维净水产品、催化剂、水处理产物铁锰氧化物、生物膜、藻场等实现地下水中各类污染物的降解和去除。在碳纤维接触氧化池中，铁、锰、有机物、氨氮、石油类、其它重金属等物质的去除并不是单一的途径或机理，除以上说明外，是一种主要源于碳纤维特殊碳元素特性的综合工艺。包括碳纤维生态网15上碳纤维的吸附、截留、氧化还原、光催化氧化还原、碳铁微电池氧化还原、沉淀、絮凝、生物降解转化等。通过科学设计方案防止水流剪切作用下生物膜破坏的可能，在碳纤维生态网15表面形成滤膜，进而保证了出水中铁锰或其它污染物的含量达出水标准。例如在铁的生物膜处理过程中，Fe²⁺首先会以离子交换的形式被吸附到铁质活性滤膜的表面，溶解氧的存在，且Fe² ⁺的氧化还原电位较氧为低，为此，被吸附到含铁活性滤膜表面的Fe²⁺往往会进一步被光催化氧化，并于水中发生水解，而通过沉淀和藻场去除达到降低水中铁浓度的目的。在锰的去处过程中，吸附在细菌表面的Mn²⁺会在胞外酶催化作用下，氧化形成Mn⁴⁺,该价态离子在中性及弱碱环境下，能迅速地转化为MnO₂，继而从处理水中析出，达到除锰的目的。碳纤维利用太阳自然光和碳铁1.2v电位差，因而会形成无数的微电池系统,在其作用空间构成一个电场。使部分难降解环状和长链有机物分解成易生物降解的小分子有机物而提高可生化性。此外，二价和三价铁离子是良好的絮凝剂，特别是新生的二价铁离子具有更高的吸附-絮凝活性，调节废水的pH可使铁离子变成氢氧化物的絮状沉淀，吸附污水中的悬浮或胶体态的微小颗粒及有机高分子，可进一步降低废水的色度，同时去除部分有机污染物质使废水得到净化。在太阳自然光、半导体催化剂和碳纤维氧化还原、生物膜降解的综合作用下，水中悬浮物、胶体等通过电荷的中和，同时在一定的水力学条件下，碳纤维比表面积大，由微生物、铁锰泥混合菌胶团组成污泥悬浮层，通过截留、吸附被团聚固定在碳纤维上形成滤膜，锰被生物酶催化氧化、二价铁被三价铁催化剂氧化后沉淀；氨氮、有机物被转化降解，由于碳纤维减缓流速，阻滞水流扩散，截留悬浮物等，还有部分污泥通过拥挤沉降得以沉淀随泥渣一起排除，这就是为本发明的碳纤维处理地下废水的特殊机理。

图1和图2为本发明专利的地下水取水水厂或矿山废水或石油污染地下水的矿山废水处理系统的结构平面设计图和立面设计图。上述各图所有尺寸是对应处理规模为500吨/日～2000吨/日的水厂或污水处理厂的设计尺寸，如果是水厂还可以根据需要增加消毒杀菌设备。可用于去除有机物COD、氮磷、苯酚类、石油类、重金属铁锰、放射性等多种污染物。

图3和图4为本发明专利的两级跌水曝气平面图和剖面图的结构示意图根据地形设计，可为预处理系统前置的多级跌水曝气池，目的是实现一定的曝气充氧。也可以采用直接在加药池4增加曝气设备或搅拌机的方法曝气充氧。

图5为本发明加药池4和初沉池5结构的平面设计图和立面设计图。该加药池4上外加加药系统装置(具体为PH值调节设备14)和进水水泵装置，还设置有一个自动搅拌机，以便所加药物与水体充分混合，进水水泵的出口与加药池进水口21相连。加药池4和初沉池5由水泥管衔接，初沉池5的出水口安装有一个滗水器23，初沉池5底部安装有排泥闸用于定期排泥。

如图7所示，为本发明的两级碳纤维接触氧化池，给出了设计平面图，如果不受地形影响可以设计多级碳纤维接触氧化池出水达标更有保障，碳纤维接触氧化池内设置碳纤维生态网15，其中一级碳纤维接触氧化池6的进水口12与初沉池5的出水口对应，位于其右侧下方，一级碳纤维接触氧化池6内的碳纤维生态网15横向布置呈单列多行，一级碳纤维接触氧化池6的出水口设置在左上方，该出水口处也设有滗水器23，二级碳纤维接触氧化池7的进水口设于右侧上方，与一级出水口对应，二级碳纤维接触氧化池7内碳纤维生态网15纵向布置，呈单行多列，二级碳纤维接触氧化池7内左下角设置半圆柱体形的出水井20，二级碳纤维接触氧化池7内的水通过溢流的方式漫过出水井20的井口，流入井内，出水井20内通过出水管9连接到河道或沟渠，排出已经处理干净的水。碳纤维接触氧化池内设置有一定数量的碳纤维生态网15，用于形成生物膜、藻场和光催化氧化系统。

图8为本发明一级碳纤维接触氧化池6内单个碳纤维生态网15安装平面图，反应了一个基区设置多少碳纤维净水系统以及如何设置，如图所示，将碳纤维生态草16通过固定绳17相连形成列状生态带，然后将列状生态带两端通过固定铁架18固定形成面状的碳纤维生态网15。各级碳纤维接触氧化池的出水口均安装有一个滗水器23，底部安装有排泥闸用于定期排泥。

图9为本发明二级碳纤维接触氧化池7内单个碳纤维生态网15安装平面图，碳纤维生态网15设置方向与一级碳纤维接触氧化池6内碳纤维生态网15安装方向成直角，以便从一级碳纤维接触氧化池6出水能够与二级碳纤维接触氧化池7内碳纤维生态网15充分接触进一步高效降解转化污染物。二级碳纤维接触氧化池7底部安装有排泥闸用于定期排泥。

图10为本发明碳纤维生态带基区设置立面图，用于说明碳纤维净水系统垂向布设方式和形态。

图11为本发明专利出水井20立面设计图结构。出水井20为半圆形，上方进水面安装有一个滗水器23，用于清水进池，出水口为一个圆形水泥管通向外面排水渠。

实施例1：利用上述以跌水曝气、PH调节系统、碳纤维生态带19或碳纤维生态草16和反应池为主要构筑物的水处理装置，可以实现地下水曝气充氧、加药、搅拌、沉淀、微生物降解、光催化氧化等综合水治理效果，进出水口采用橡胶管、水泥管连通，一级碳纤维接触氧化池6、二级碳纤维接触氧化池7、清水井的进出水口均采用1m宽、0.015m高的滗水器23排水，可在低投入情况下有效解决清水与污染物的分离。处理规模为1000吨/日地下水需要设置碳纤维生态带19数量为100条～200条，增加规模时可以按比例增加碳纤维生态带19数量。实施例1可实现对垃圾渗漏液、生活污水等造成地下水的有机污染和氮磷污染的降解和去除。

实施例2：利用上述以曝气充氧系统、PH调节系统、碳纤维生态带19和反应池为主要构筑物的实验装置，可以实现曝气充氧、加药、搅拌、沉淀、微生物降解、光催化氧化、藻场吸收等综合水治理效果，在一级、二级碳纤维接触氧化池7中还可以悬挂碳纤维袋加黑磷或二氧化钛等光催化剂。目的是提高对地下水中重金属的矿山废水进行有效治理。

实施例3：利用上述装置以曝气充氧系统、PH调节系统、碳纤维生态草16和反应池为主要构筑物的实验装置，可以实现曝气充氧、加药、搅拌、沉淀、微生物降解、光催化氧化等综合水治理效果，能够有效去除石油化工开采加工废水对地下水的污染治理，对挥发酚、石油类、COD和氨氮、苯酚类均有很好的去除转化效果。

Claims

1.一种基于碳纤维的矿山废水处理系统，其特征在于：包括依次相连的加药池、初沉池和多级碳纤维接触氧化池，所述加药池用于添加PH值调节剂，所述初沉池用于对污水进行初步沉淀，所述多级碳纤维接触氧化池串联，其中第一级碳纤维接触氧化池的进水口与初沉池出水口相连并设置有滗水器，最后一级碳纤维接触氧化池的出水口连接到河道或者沟渠，最后一级碳纤维接触氧化池还设有通往污泥池的排污泥管，每一级碳纤维接触氧化池中均设有碳纤维净水系统，通过碳纤维净水系统在碳纤维接触氧化池内形成生物膜和藻场具有截留、吸附、附着、架桥、絮凝、生物氧化一级生物酶催化氧化污水处理功能，所述碳纤维净水系统包括碳纤维生态带、碳纤维生态草以及碳纤维生态网中的任意一种或几种组合。

2.如权利要求1所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述加药池前设有低能耗的污水预处理装置，所述污水预处理装置包括设于河道或者沟渠上游用于抬高水位的雍水建筑和设于雍水建筑下游的跌水曝气池，所述跌水曝气池为多级跌水，通过多级跌水对污水进行预氧化处理。

3.如权利要求2所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述初沉池或加药池内设有搅拌机和曝气充氧设备，用于对药剂和污水进行充分的混合并对污水实现曝气充氧氧化。

4.如权利要求2所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述碳纤维净水系统均匀间隔排列在碳纤维接触氧化池内，对于同一碳纤维接触氧化池的进水口和出水口分布在碳纤维净水系统的两端，以延长污水停留时间，相邻的碳纤维接触氧化池内碳纤维净水系统呈相互垂直方向排列。

5.如权利要求2所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述碳纤维生态网上设有光催化剂，所述光催化剂为污水中自带被氧化的铁、锰离子或者石墨烯、黑磷烯和二氧化钛种的任意一种或者几种组合。

6.如权利要求2所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述加药池、初沉池和多级碳纤维接触氧化池相互连接处均设有滗水器，最后一级碳纤维接触氧化池的出水口处设有出水井，所述出水井为半圆柱体形出水井，出水井中部设有出水管，碳纤维接触氧化池中水流通过滗水器溢流进入出水井内，出水井内的水通过出水管流到整个矿山废水处理系统之外。

7.如权利要求2所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述碳纤维净水系统由碳纤维生态带、碳纤维生态网、碳纤维生态草、碳纤维生态球和碳纤维毯任意一种或者几种混编组装而成。

8.如权利要求7所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述碳纤维净水系统由碳纤维生态带、碳纤维生态网、碳纤维生态草通过固定绳或者扎带相连形成列状生态带，然后将列状生态带两端通过支架固定形成面状的碳纤维净水系统。

9.如权利要求8所述的矿山废水处理系统，其特征在于：所述碳纤维生态草、碳纤维生态带、碳纤维生态网、碳纤维生态球和碳纤维毯由碳纤维丝与高分子材料混编织成或由碳纤维丝与防水布热压制造而成或与浮岛、吊环、pvc管连接而成，所述碳纤维丝由聚丙烯晴基、沥青基或者黏胶基制成。

10.一种基于碳纤维的地下水去污工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立雍水建筑和多级跌水，形成自流和初步充氧，对污水进行预处理；

步骤2、经过预处理后的污水进入加药池，调节PH值至微碱性，使得污水中金属离子沉淀析出；

步骤3、污水调节PH值后经过初沉池进行初沉淀，然后通过滗水器进入碳纤维接触氧化池；

步骤4、利用碳纤维接触氧化池内的碳纤维表面形成的生物膜、藻场对污水进行截留、吸附、附着、架桥、絮凝、生物氧化、光催化氧化以及生物酶催化氧化进一步除污处理；充分利用处理产物-高价铁、高价锰以废治废，截留在碳纤维上的铁锰氧化物利用太阳自然光形成光催化氧化作用，进一步加强铁锰从废水中转化去除；

步骤5、经过碳纤维接触氧化池处理后的干净水通过排水口排出，污泥通过排污泥管道排到污泥处理装置，经污泥干化后外运，完成整个污水处理过程。