CN113307440A - 一种基于零价铁的脱硫废水处理反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于零价铁的脱硫废水处理反应器。本发明的基于零价铁的脱硫废水处理反应器包括壳体，在壳体内部设置有填料区、初级沉淀区和二级沉淀区，填料区包括至少两级上下间隔设置且用于填充零价铁的填料层，初级沉淀区具有锥形底部且设置在位于最下方的填料层下方，二级沉淀区设置在初级沉淀区的外部并与初级沉淀区的上部连通，在位于填料区上方的壳体上设有进水口，在壳体中插设有抽吸导流管，抽吸导流管的下端穿设于填料区并与初级沉淀区的锥形底部连通，在二级沉淀区的上部设有出水口。上述脱硫废水处理反应器具有空间节省、运行及维护方便、反应能耗及生产成本低、零价铁分布均匀且稳定、出水水质好等优势。

Description

一种基于零价铁的脱硫废水处理反应器

技术领域

本发明涉及重金属废水处理技术领域，尤其是涉及一种基于零价铁的脱硫废水处理反应器。

背景技术

石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术（WFGD）是我国当前燃煤电厂控制SO₂污染的主流处理工艺。在脱硫过程中，烟气中携带的多种污染物，如SO₂、HCl、重金属离子等，会随着喷淋液进入脱硫系统的浆液中；为了防止脱硫系统浆液中的氯离子、硫酸根离子、镁离子等富集对设备造成腐蚀，保证整个湿法脱硫系统及主机的安全可靠运行，电厂需要定期从脱硫系统中连续外排脱硫废水。脱硫废水含盐量极高且成分复杂，石灰石品质、系统运行工况、锅炉负荷、工艺水质等诸多因素都会对脱硫废水中的污染物成分造成影响；其中，含有多种第一类污染物，如铬、铅、镉、硒、砷等的脱硫废水一旦处理不到位进入环境，将对人们赖以生存的大气、水和土壤环境造成污染，严重危害生物体的健康。

传统的脱硫废水处理方法主要包括化学沉淀法、蒸发浓缩法、膜分离法等。化学沉淀法是目前电厂最常用的脱硫废水处理工艺，其中三联箱技术、双碱法、石灰-烟道气法都属于化学沉淀法。化学沉淀法操作方便，步骤简单，往往通过投加石灰石、氢氧化钠等碱性药剂，使金属离子形成氢氧化物沉淀达到去除目的。然而，过量的沉淀剂投加会导致工艺成本增加，同时会产生大量的污泥残渣，进而造成二次污染。

膜分离法包括正渗透（FO）、反渗透（RO）、电渗析（ED）、纳滤（NF）等，具有设备简单、适用范围广、处理效率高等优势，且可以实现重金属的回收利用。然而，膜组件容易受到污染，其维护和更换成本相对昂贵，并且膜组件对进水的要求较高，需去除废水中的悬浮物等杂质，从而增加了废水的前处理成本。

研究表明，零价铁可以通过氧化还原、沉淀絮凝、吸附等作用实现对废水中污染物的高效协同去除，零价铁以及其改进技术被越来越广泛地应用于各领域废水的处理技术中。目前，提出了一种可高效处理电厂废水的流化床铁氧微晶体处理系统，该流化床系统对电厂实际脱硫废水的处理具有重要应用价值。然而，这种流化态反应系统仍然存在以下不足：1）搅拌动力消耗大，搅拌能耗占运行成本约50%；2）装置停止运行时铁粉容易堆积在反应器底部，板结情况严重；3）铁粉比重大、易沉积，其活化形成的反应性介质分布不稳定。

因此，有待开发一种能够降低处理成本、简化运行维护流程、提高处理效果的高效重金属污染废水处理系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于零价铁的脱硫废水处理反应器，其具有空间节省、运行及维护方便、反应能耗及生产成本低、零价铁分布均匀且稳定、出水水质好等优势。

本发明提供一种基于零价铁的脱硫废水处理反应器，包括壳体，在壳体内部设置有填料区、初级沉淀区和二级沉淀区，填料区包括至少两级上下间隔设置且用于填充零价铁的填料层，初级沉淀区具有锥形底部且设置在位于最下方的填料层下方，二级沉淀区设置在初级沉淀区的外部并与初级沉淀区的上部连通，在位于填料区上方的壳体上设有进水口，在壳体中插设有抽吸导流管，抽吸导流管的下端穿设于填料区并与初级沉淀区的锥形底部连通，在二级沉淀区的上部设有出水口。

进一步地，在相邻的填料层之间设置有弧顶，在弧顶上开设有多个通孔。

进一步地，弧顶的截面形状为圆弧，圆弧的圆心角为90-120°，圆弧的弦长为壳体直径。

进一步地，通孔的孔径为0.4-0.6mm。

进一步地，填料区的高度为壳体高度的1/3至1/2。

进一步地，初级沉淀区锥形底部的锥角不大于90°。

进一步地，初级沉淀区的高度不大于二级沉淀区高度的3/4；二级沉淀区的高度为壳体高度的1/4至1/3。

进一步地，抽吸导流管的下端与初级沉淀区的锥形底部的垂直高度不低于20 cm。

进一步地，在抽吸导流管的下端设置有导流锥体。

本发明的脱硫废水处理反应器还包括曝气装置，曝气装置沿每一级填料层的顶部边沿设置。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1）本发明的脱硫废水处理反应器将填料区与沉淀区一体化设计在壳体内部，从而节省了空间，降低了生产成本；

2）本发明的脱硫废水处理反应器上下间隔设置至少两级用于填充零价铁的填料层，从而能够利用流体的重力作用实现流体的多级反应与分离，不仅有效降低了反应能耗，同时显著提高了处理效果；

3）本发明的脱硫废水处理反应器在相邻填料区之间的缓冲区中设置弧顶以收集其上方填料层流失的填料并均匀填充至下一级填料层，该方式可以实现大比重零价铁粉的均匀分布，降低了零价铁粉板结的风险，使反应性介质分布更加稳定，同时提高了填充材料的重复利用性；

4）本发明的脱硫废水处理反应器设置有初级沉淀区和二级沉淀区，从而能够高效截留铁氧化物沉淀和溶液中的其他悬浮物，进而保证了处理出水的水质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施方式的基于零价铁的脱硫废水处理反应器的主视图；

图2为一实施方式的基于零价铁的脱硫废水处理反应器的俯视图。

附图标记说明：

1；进水管；2；填料层；3：弧顶；4：初级沉淀区；5：抽吸导流管；6：二级沉淀区；7：出水管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1、图2所示，本实施例的基于零价铁的脱硫废水处理反应器包括壳体，在壳体内部设置有填料区、初级沉淀区4和二级沉淀区6，填料区包括至少两级上下间隔设置且用于填充零价铁的填料层2，初级沉淀区4具有锥形底部且设置在位于最下方的填料层2下方，二级沉淀区6设置在初级沉淀区4的外部并与初级沉淀区4的上部连通，在位于填料区上方的壳体上设有进水口，在壳体中插设有抽吸导流管5，抽吸导流管5的下端穿设于填料区并与初级沉淀区4的锥形底部连通，在二级沉淀区6的上部设有出水口。

在本实施例的脱硫废水处理反应器中，对壳体的形状和尺寸不作严格限制，可以根据实际需要合理设置，壳体例如可以设置为圆筒状，此时其截面形状为圆形。在壳体内部自上向下设置有填料区和沉淀区，通过将填料区与沉淀区一体化设计在壳体中，从而可以节省空间，降低生产成本。

填料区的填料层2主要用于容纳及填充零价铁，其可以通过表面吸附、离子交换、还原、化学沉淀等复合作用高效去除脱硫废水中各种形式的重金属污染物，并将这些污染物固定在其表面；对填料层2的材质和结构不作严格限制，其只要便于容纳填充零价铁等反应介质即可，例如可以采用海绵等多孔材料。对零价铁的加入形式不作严格限制，既可以直接加入零价铁，还可以加入铁粉、铁盐及其他辅助药剂以合成铁氧化物反应性介质（即混合零价铁）。

本实施例在壳体内部自上向下间隔设置至少两级填料层2，相邻填料层2之间的区域形成缓冲层；可以理解，每一级填料层2均水平地设置在壳体的整个横向截面上。对填料层2的设置级数不作严格限制，可根据实际需要合理设置。由于进水口设置在位于填料区上方的壳体上，在对脱硫废水进行处理时，利用流体的重力作用即可实现流体的多级反应与分离，进而能够有效地降低反应能耗，同时显著提高处理效果。

进一步地，可以在相邻填料层2之间的缓冲层设置弧顶3，在弧顶3上可以均匀开设多个通孔。弧顶3主要用于收集其上方填料层2流失的零价铁填料并均匀填充至下一级填料层2。通过设置至少两级填料层2并在相邻填料层2之间设置弧顶3，可以实现大比重零价铁粉的均匀分布，从而降低了零价铁粉板结的风险，使反应性介质分布更加稳定，同时提高了填充材料的重复利用性。

对弧顶3的形状和材质不作严格，弧顶3可以设置为光滑的弧顶。优选地，弧顶3的截面形状可以设置为圆弧，该圆弧的圆心角可以为90-120°；若圆弧的圆心角过小将导致弧顶3过高，从而增大了反应器的制作成本，若圆心角过大则会导致零价铁粉在弧顶3表面的摩擦力变大从而堆积在弧顶3表面，不利于零价铁粉的充分利用。此外，圆弧的弦长可以为壳体直径，此时弧顶3自壳体内壁一侧延伸至壳体内壁另一侧，从而有利于零价铁粉的均匀分布。

在弧顶3上设置的通孔主要用于上级填料层2流失的零价铁粉通过并均匀分布至下一级填料层2中，通孔的孔径可以为零价铁粉粒径的4-6倍，此时通孔的孔径可以设置为0.4-0.6mm。若孔径设置过小将导致通孔堵塞，不利于零价铁粉的通过及均匀分布。

对上述各级填料层2及相邻填料层2之间缓冲层的高度选择较为灵活，可以根据填料级数和比重进行设计。由各级填料层2及相邻填料层2之间的缓冲层构成的填料区能够实现大比重零价铁粉的均匀分布，降低了零价铁粉板结的风险，使反应性介质分布更加稳定；此外，可以通过控制填料的比重和面积来控制介质与污染物的有效接触面积，进而达到控制反应速率的效果。

综合考虑反应器的总高度以及沉淀区的高度，可以将填料区的高度设置为壳体高度的1/3至1/2，其中填料区的高度指的是第一级填料层2（即位于最上方的填料层2）的上表面至最后一级填料层2（即位于最下方的填料层2）的下表面的垂直距离。若填料区的高度过高，将导致二级沉淀区6的高度减小，可能导致重力作用下的沉降分离效果变差。

进一步地，还可以沿每一级填料层2的顶部边沿设置曝气装置；低强度曝气有助于保持铁氧化物介质的活性，曝气强度可以设置为每立方米反应容积供气量1m³/hr。曝气可以通过在适当的深度布置曝气装置实现，曝气装置可以采用本领域的常规装置，例如曝气盘、曝气管等。可以理解，曝气装置的设置应避免造成气泡进入初级沉淀区4中从而干扰固液分离。

在本实施例的脱硫废水处理反应器中，沉淀区包括初级沉淀区4和二级沉淀区6，其中二级沉淀区6为位于填料区下方的区域，初级沉淀区4设置在二级沉淀区6的上部。经填料区反应后的流体在水压的作用下流入初级沉淀区4，大量铁的腐蚀产物及重金属沉淀在初级沉淀区4与液体分离。经初级沉淀区4初步沉淀的溶液中仍然带有部分悬浮颗粒，此时二级沉淀区6可以提供一个稳定的静态环境，大比重的悬浮物颗粒在重力作用下在二级沉淀区6中沉降至反应器底部。初级沉淀区4和二级沉淀区6能够高效截流铁氧化物等沉淀，从而确保出水悬浮物浓度保持在较低水平。

初级沉淀区4的底部可以设置为锥形底部，该锥形底部的锥角设置为不大于90°；若锥角过大会导致零价铁粉在初级沉淀区4表面的摩擦力变大，不容易沉积到底部，进而影响系统的运行效率。

此外，初级沉淀区4的高度可以设置为不大于二级沉淀区6高度的3/4；二级沉淀区6的高度可以设置为壳体高度的1/4至1/3。沉淀区的高度由水力停留时间这一设计参数决定，水力停留时间一般考虑在20-120 min范围内，具体确定时要考虑水处理系统的实际来水流量波动导致的冲击负荷情况、系统运行的废水介质浓度和pH酸碱度、处理水质特性等。水质组分，例如含盐浓度、酸碱度、表面活性剂等都可能改变铁氧化物活性介质颗粒的表面电性，影响颗粒间的聚合，进而影响废水的沉淀性能。在通常条件下，由于磁铁矿是组成铁氧化物活性介质的主要成分之一，其具有较强的磁性，在静态条件下可以相互吸引形成较大的团聚颗粒，从而提高废水中悬浮物的沉淀性能，因此可以在较短的水力停留时间内取得良好的固液分离效果，保证出水中的颗粒物浓度保持较低水平。

抽吸导流管5主要用于抽吸失效的零价铁粉；其上端可以与抽吸装置连接，下端可以与初级沉淀区4的锥形底部连通。抽吸导流管5的下端与初级沉淀区4的锥形底部的垂直高度可以设置为不低于20 cm；抽吸导流管5的上端距正常工作液面可以为40-80cm。对抽吸导流管5的固定方式不作严格限制，抽吸导流管5例如可以通过多道竖向隔板与填料区焊接固定。此外，可以在抽吸导流管5的下端设置一个导流锥体，从而便于失效零价铁粉吸入。

在本实施例的脱硫废水处理反应器中，进水口可以设置在位于填料区上方的壳体上，其与进水管1连通，从而便于脱硫废水进入反应器；出水口可以设置在二级沉淀区6的上部，其与出水管7连通，从而便于出水流出反应器。此外，可以在进水管1、出水管7上设置阀门以对进水及出水进行控制。

上述基于零价铁的脱硫废水处理反应器涉及的反应机理如下：

通过向填料区的填料层2中加入铁粉、铁盐及其他辅助药剂合成铁氧化物反应性介质（即混合零价铁），该铁氧化物反应性介质是一种非稳定的易于转化的铁氧化物混合物，主要的有效组分包括磁铁矿、绿锈、赤铁矿等铁的腐蚀产物，具有很高的化学活性，可以通过表面吸附、离子交换、还原、化学沉淀等复合作用高效去除废水中各种形式的重金属污染物，并将这些污染物固定在其表面，以达到稳定化、减量化、无害化的处理目的。常见重金属及类金属去除过程中涉及的化学机理见表1。

表1 常见重金属及类金属的去除机理

污染物名称	反应器对各污染物的去除机理
		砷As(III)	静电吸附
硒Se(IV)	还原、静电吸附
		汞Hg(II)	还原、表面吸附、化学沉淀
铜Cu(II)	还原、表面吸附、化学沉淀
		镉Cd(II)	表面吸附、化学共沉淀
铬Cr(VI)	还原、表面吸附、化学沉淀
		锰Mn(II)	表面吸附、化学沉淀
铅Pb(II)	表面吸附、化学沉淀

本实施例的脱硫废水处理反应器通过将填料区与沉淀区一体化设计在壳体内部，从而节省了空间，降低了生产成本；通过上下间隔设置至少两级用于填充零价铁的填料层2，从而能够利用流体的重力作用实现流体的多级反应与分离，不仅有效降低了反应能耗，同时显著提高了处理效果；通过在相邻填料区之间的缓冲区中设置弧顶3以收集其上方填料层2流失的填料并均匀填充至下一级填料层2，实现了大比重零价铁粉的均匀分布，降低了零价铁粉板结的风险，使反应性介质分布更加稳定，同时提高了填充材料的重复利用性；通过设置初级沉淀区4和二级沉淀区6，从而能够高效截留铁氧化物沉淀和溶液中的其他悬浮物，进而保证了处理出水的水质。

实施例2

本实施例利用实施例1的脱硫废水处理反应器对脱硫废水进行处理。

以每小时处理1.25 L脱硫废水的小型脱硫废水处理反应器为例，其对某燃煤电厂烟气脱硫废水中各种金属及类金属污染物的处理效果见表2。

表2 脱硫废水处理效果

污染物项目	反应器进水浓度	反应器出水浓度
			铜（mg/L）	2.0-4.0	<0.1
镉（mg/L）	1.5-2.0	<0.2
			砷（ug/L）	1900-2300	<5
硒（ug/L）	3900-4300	<150
			汞（ug/L）	1400-2500	<6
锰（mg/L）	80-150	<0.2

由表2可见，脱硫废水处理反应器对脱硫废水中包括铜、锰、砷、硒、铅、镉、汞、铬在内的多种污染物均具有优异的去除效果；在正常工作状态下，初级沉淀区较浑浊，下部沉淀的介质层呈黑色，二级沉淀区上部较澄清，下部沉淀的介质层呈墨绿色。在相同条件下，流量越大，沉淀区的澄清深度越小，因此可通过观察沉淀区的介质颜色和密度大致判断沉淀区的工作情况。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于零价铁的脱硫废水处理反应器，其特征在于，包括壳体，在壳体内部设置有填料区、初级沉淀区和二级沉淀区，填料区包括至少两级上下间隔设置且用于填充零价铁的填料层，初级沉淀区具有锥形底部且设置在位于最下方的填料层下方，二级沉淀区设置在初级沉淀区的外部并与初级沉淀区的上部连通，在位于填料区上方的壳体上设有进水口，在壳体中插设有抽吸导流管，抽吸导流管的下端穿设于填料区并与初级沉淀区的锥形底部连通，在二级沉淀区的上部设有出水口。

2.根据权利要求1所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，在相邻的填料层之间设置有弧顶，在弧顶上开设有多个通孔。

3.根据权利要求2所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，弧顶的截面形状为圆弧，圆弧的圆心角为90-120°，圆弧的弦长为壳体直径。

4.根据权利要求2所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，通孔的孔径为0.4-0.6mm。

5.根据权利要求1所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，填料区的高度为壳体高度的1/3至1/2。

6.根据权利要求1所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，初级沉淀区锥形底部的锥角不大于90°。

7.根据权利要求1所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，初级沉淀区的高度不大于二级沉淀区高度的3/4；二级沉淀区的高度为壳体高度的1/4至1/3。

8.根据权利要求1所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，抽吸导流管的下端与初级沉淀区的锥形底部的垂直高度不低于20 cm。

9.根据权利要求1所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，在抽吸导流管的下端设置有导流锥体。

10.根据权利要求1所述的脱硫废水处理反应器，其特征在于，还包括曝气装置，曝气装置沿每一级填料层的顶部边沿设置。

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