CN203922894U

CN203922894U - 一种氧化与吸附同步去除水中砷的装置

Info

Publication number: CN203922894U
Application number: CN201420283192.7U
Authority: CN
Inventors: 刘桂芳; 闫红梅; 高远
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2024-05-30

Abstract

本实用新型提供的是一种氧化与吸附同步去除水中砷的装置。包括含砷原水池(1)、溶药池(2)、计量泵(3)、活性炭吸附柱(5)以及清水收集池(8)，其特征是：含砷原水池(1)与溶药池(2)同时连接在计量泵(3)上，计量泵通过管道与活性炭柱(5)上部相连，清水收集池(8)连接在活性炭柱(5)的底端，溶药池(2)内溶有氧化复合药剂。本实用新型不需要昂贵的氧化剂和催化剂、不产生二次污染，不仅能快速、有效、方便、安全地去除饮用水、地下水、地表水中的砷，达到饮用水卫生标准确保水质安全，并能有效地降低含砷废水和污水二沉池出水中的砷浓度，达到国家排放标准，同时对受砷污染的湖泊及内陆海水也可达到很好的修复效果。

Description

一种氧化与吸附同步去除水中砷的装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种水处理装置，具体地说是一种去除水中砷的装置。

背景技术

砷是一种广泛存在于自然界中的有毒元素。根据流行病调查显示，砷化合物可能致人体皮肤癌、肺癌以及膀胱癌等，并已被WHO和美国EPA等权威机构确认为致癌物，研究结果也表明砷与某些疾病有很大的相关性。随着自然界分化过程的加剧以及越来越多的人类活动所引起的含砷矿的开采、冶炼、以及含砷材料的大规模应用，使得水中的砷污染成为了世界性的问题。东南亚一些国家以及我国很多地区的水体，尤其是地下水受到了砷的严重污染，造成了很多地方性的砷中毒现象。水中的砷污染成为了世界饮用水安全的一大问题，亦是我国部分地区饮用水安全的重大难题。因此，WHO、欧洲、美国及日本等规定饮用水中的砷含量低于10μg/L；我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)也规定水中的砷浓度不超过10μg/L。我国高砷地下水区主要分布在内蒙、新疆、山西、台湾等省(自治区)区的40个县(旗、市)，地下水中最高检出浓度约为2mg/L，并且饮水中砷含量大于50μg/L的高砷暴露人口已超过近百万人。这些高砷污染造成了很多地方性的砷中毒事件，成为世界饮用水安全的一大问题。水体的砷污染主要途径是高浓度含砷废水的排放，世界上每年约有11万吨砷通过各种途径进入水系中，1996年中国工业废水排放量为205.9亿吨，其中砷含量达到1132吨，工业废水中砷严重超标的含砷废水达到亿吨以上。国家“十二五”地方病防治规划明确提出对地方性砷污染要进行降砷工程建设，确保生活饮用水符合国家卫生标准。由此可见，我国水体中砷污染十分严重，随着饮用水中砷标准的提高，对饮用水中砷的去除刻不容缓。

自然水体中的砷多为无机砷，以三价和五价的砷酸根形式存在，随着水中氧化还原电位和pH值的不同，水中的砷呈现不同的存在形态。其中，三价砷As(III)在自然界中流动性强，因此广泛存在于地下水、地表水中，且毒性远高于五价砷As(V)，故对水中的三价砷As(III)进行有效去除，是控制砷危害的关键。

目前，国内外已有大量文献报道，采用物理化学、生物降解及高级氧化方法去除水中的砷，主要处理方法包括混凝、吸附、离子交换、膜分离、生物降解、高级氧化等。目前关于水中砷的吸附研究，多数集中在金属氧化物吸附上，并且此类吸附剂具有很好的除砷效能，然而，金属氧化物吸附存在价格昂贵、再生困难、运行维护成本高等问题，很难应用于现有水厂中，特别是对于一些落后高砷地区，无饮用水处理厂，更难被直接使用。相比而言，活性炭是一种很好的吸附材料，已被广泛用于水中有机物和无机物的去除，采用活性炭吸附被认为是控制水中污染物的一种简单、经济和便于实际应用的有效技术。但是采用活性炭吸附去除水中的砷的报道极少。虽然各种方法对水中砷都能进行一定程度的去除，但是各种方法都有一定的弊端，有些方法成本过高而无法大规模应用。

混凝法去除机理是：氢氧化铁与As(V)发生共价键作用，利用混凝过程中形成的絮体，在絮体表面形成内层络合物而实现共沉，对As(V)的去除能力在90％以上，然而，处理过程会产生大量的污泥，造成二次污染，并且利用铁盐絮凝处理砷，会造成水体的毒性增加，最主要的是该法只能实现As(V)的有效去除，而对As(III)的效果不明显。离子交换法主要使用树脂实现水中砷的去除，但是成本高，受水质干扰大，不适用于饮用水中砷的去除。膜分离处理主要是利用其具有较小的孔径和带正电荷截留水中的砷，实现砷的高效分离去除，但运行维护费用较高。微滤(MF)很难实现对水中溶解态或者胶体态砷的有效去除，一般需要和絮凝剂联用，达到截留絮体的目的，并且对As(Ⅲ)的去除效果远低于As(V)，运行处理费用相对较高。化学氧化，是利用氧化剂将As(III)氧化为As(V)，之后通过沉淀、吸附等过程实现去除。氧化剂可以是H₂O₂、KMnO₄、NaClO、NH₂Cl、K₂FeO₄等，也可使通过光催化、超声、电化学等高级氧化方式进行，但过程只能实现砷价态的转化，不能达到彻底除砷的目的。

相比而言，吸附法简单、可以规模应用，因此更具优势，吸附除砷已经引起了国内外学者的广泛关注。考虑铁、锰、铝等絮体对砷有很好的吸附性能，近年来，一个新兴的方向是在吸附剂表面负载金属或多金属改性用于提高对砷的吸附，如铁氧化物镀层的聚合物、铁氧化物负载砂、铁氧化物浸渍活性氧化铝等。活性炭具有复杂的孔隙结构和巨大的比表面积，广泛应用于吸附处理水中的污染物，是一种很好的吸附材料，其对无机物的吸附主要基于目标物与活性炭表面的含氧官能团之间的络合作用或静电作用。虽然商品活性炭已被证实除As(Ⅲ)能力极低，但对As(Ⅴ)具有一定的吸附能力，目前少有研究报道采用活性炭直接吸附除砷。

催化氧化As(Ⅲ)为As(Ⅴ)，是提高活性炭的吸附能力也是一种有效的途径。活性炭表面具有丰富的表面官能团和反应活性位点，是优良的表面催化反应场所，可以实现对很多化学反应的催化反应，利用这一催化特性，鉴于活性炭对As(Ⅴ)的吸附能力优于As(Ⅲ)，依靠水中溶解的氧气或外加氧化剂，实现As(Ⅲ)到As(Ⅴ)的有效转化，可大大提高活性炭的除砷能力。

综上所述，非常有必要研发一种可以有效、经济、方便和安全地去除水中砷的水处理装置，这种装置不仅可以用在城市给水处理厂和污水处理厂中，还可以用在大环境的地下水、地表江河水和湖水的修复，甚至可以用在海水处理和修复中。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种处理效果好、成本低的氧化与吸附同步去除水中砷的装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

包括含砷原水池1、溶药池2、计量泵3、活性炭吸附柱5以及清水收集池8，含砷原水池1与溶药池2同时连接在计量泵3上，计量泵通过管道与活性炭柱5上部相连，清水收集池8连接在活性炭柱5的底端，溶药池2内溶有氧化复合药剂。

所述活性炭吸附柱5包括装填在下部的粒状活性炭6，设置在上端的进水布水管4、位于底部的网丝7。

所述氧化复合药剂是过氧化钠与硫酸亚铁的混合物。

所述进水布水管上开有等间距分布的布水孔。

为了有效、经济、方便和安全地去除水中砷，本实用新型提供了一种氧化与吸附同步去除水中砷的装置，其核心装置是活性炭柱装置。包括含砷原水池1，溶药池2，计量泵3，活性炭吸附柱5以及清水收集池8。含砷原水池1与溶药池2同时连接在计量泵3上，计量泵通过管道与活性炭吸附柱5上部相连，以及清水收集池8连接在活性炭吸附柱5的底端。溶药池2内溶有氧化复合药剂。所述的溶药池2中的氧化复合药剂，由过氧化钠，硫酸亚铁复合而成。氧化复合药剂的投加量是按着氧化复合药剂与水中砷的摩尔当量比1～100﹕1投加。计量泵3的流速为2～8米/小时。活性炭吸附柱5是由粒状活性炭6填充而成，炭在其中以固定床的形式存在，控制水在活性炭床内的停留时间为10～20分钟，水流速度为2～8米/小时。最佳控制水在活性炭床内的停留时间为15分钟，水流速度为8米/小时。活性炭吸附柱5上部设有进水布水管4，下部设有网丝7。含砷水的pH范围为3～10，溶解氧范围3～40mg/L，温度0～40℃。

本实用新型的原理：利用氧化复合药剂氧化水中高毒性的三价砷和有机砷，使其转变为低毒性的五价砷，之后通过活性炭柱将五价砷吸附去除，最终达到高效安全除砷的目的。当氧化复合药剂投加到含砷的水中，在溶解氧或外加催化手段的作用下，会产生一系列的中间自由基，如HO·、O₂·^-、HO₂·等。这些自由基可以和水中的三价砷或有机砷发生氧化反应，特别是氧化能力很强的HO·，能够快速彻底地实现三价砷的快速氧化与有机砷的矿化。

研究表明，氧化复合药剂对As(Ⅲ)的氧化反应速率较传统的氧化剂氧化可提高10⁹～10¹²倍；并且在酸性条件下，As(Ⅳ)与O₂的反应速率常数可达到10¹⁰M^-1s^-1，即使在碱性条件下，As(Ⅳ)与O₂的反应速率常数可达到10⁴M^-1s^-1，因此，采用氧化复合药剂氧化，具有明显的速率和效率上的优势。

此外，活性炭表面存在着大量丰富的含氧官能团和一定量的金属灰分，当含砷水中添加氧化复合药剂后再与活性炭表面接触时，通过色散力或化学键力的作用，使氧化药剂迅速吸附于活性炭表面，并与炭表面存在的含氧基团、金属灰分及其他活性位点发生反应，快速产生上述的中间自由基，氧化水中的As(Ⅲ)和有机砷，从而完成在活性炭表面对氧化产物及As(Ⅴ)的高效吸附去除。

本实用新型的中氧化与吸附同步去除水中砷的装置，不需要昂贵的氧化剂和催化剂，不产生二次污染，所提供的除砷装置，只需通过简单的混合接触氧化或活性炭表面催化氧化、活性炭吸附，即可达到快速去除水中砷的目的。该装置可用于对作为饮用水源的地下水、地表水中的砷的去除，确保饮用水水质安全；也可用于降低含砷废水和污水二沉池出水中的砷浓度，达到国家排放标准；同时也可对受砷污染的湖泊及内陆海水进行修复。本实用新型对无机砷和有机砷化物具有很好的去除效果，满足各种不同水体的需要，尽快投入使用；运营经济，管理方便。

附图说明

图1为实用新型的结构示意图。

图2和图3为活性炭吸附柱进水布水管的布置形式。

具体实施方式

本实用新型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组合。

具体实施方式一：含砷原水通过计量泵与氧化复合药剂混合并快速搅拌，之后进入活性炭柱进行吸附。控制水在活性炭床内的停留时间为15分钟，水流速度为8米/小时。其中氧化复合药剂由过氧化钠，硫酸亚铁复合而成，其投加量是按着氧化复合药剂与水中砷的摩尔当量比50﹕1投加。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同在于本实施方式中向含砷的水中进行曝空气或氧气，保证水中溶解氧量为3～40mg/L，并控制水体pH为中性。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同在于溶药池内的氧化复合药剂通过计量泵输入到含砷原水池内，进行混合并搅拌，搅拌反应氧化3～30分钟，之后再进入活性炭柱进行吸附，实现砷的去除。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式三的不同再与氧化复合药剂由过氧化钠，硫酸亚铁复合而成，其投加量是按着氧化复合药剂与水中砷的摩尔当量比3﹕1投加。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同在于本实施方式中向含砷废水中进行曝空气或氧气，保证水中溶解氧量为3～30mg/L，并控制温度10～50℃。

Claims

1.一种氧化与吸附同步去除水中砷的装置，包括含砷原水池(1)、溶药池(2)、计量泵(3)、活性炭吸附柱(5)以及清水收集池(8)，其特征是：含砷原水池(1)与溶药池(2)同时连接在计量泵(3)上，计量泵通过管道与活性炭柱(5)上部相连，清水收集池(8)连接在活性炭柱(5)的底端，溶药池(2)内溶有氧化复合药剂。

2.根据权利要求1所述的氧化与吸附同步去除水中砷的装置，其特征是：所述活性炭吸附柱(5)包括装填在下部的粒状活性炭(6)，设置在上端的进水布水管(4)、位于底部的网丝(7)。

3.根据权利要求2所述的氧化与吸附同步去除水中砷的装置，其特征是：所述进水布水管上开有等间距分布的布水孔。