一种去除水中重金属的纳米量子点吸附及膜分离系统

摘要

本发明涉及一种去除水中重金属的纳米量子点吸附及膜分离系统，包括废水储槽(3)，废水储槽(3)连接吸附反应槽(5)，吸附反应槽(5)中设有精细曝气系统(6)和搅拌装置(7)，吸附反应槽(5)中投加磁性生物炭载体(8)，吸附反应槽(5)通过循环泵(9)连接气擦式错流膜系统(10)，气擦式错流膜系统(10)连接至吸附反应槽(5)，吸附反应槽(5)底部连接斜管沉淀槽(16)，斜管沉淀槽(16)的出口通过污泥泵(17)连接压滤机(18)，压滤机(18)连接至斜管沉淀槽(16)；本发明可实现连续化操作、吸附容量大、系统占地小、无需添加化学药剂、无污泥产生，且膜系统错流速率小、膜分离精度高、系统运行能耗低。

说明书

[技术领域]

本发明涉及重金属废水处理技术领域，具体地说是一种去除水中重金属的 纳米量子点吸附及膜分离系统。

[背景技术]

水体重金属污染是一个全球性问题。基于人类正常的生产、社会活动和突 发性水体污染事故，据统计我国受重金属污染人口约占全世界的30％。鉴于重金 属，特别是Cd²⁺、Cr³⁺、Cr⁶⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Ni⁺等，对人体健康的巨大 危害，许多国家及世界卫生组织都对排放废水及饮用水中重金属的含量制定了 日益严格的标准。

我国随着环保要求的日益严格，污水排放标准也愈发严格，涉重废水的排 放标准更加严格，其排放标准从GB8978-1996提高到GB21900-2008，传统的混 凝沉淀法已经不能满足新的排放标准。因此，需要开发一种新的重金属深度处 理技术，使处理后的水中重金属含量满足最严格的排放标准。

在含重金属废水中，往往存在络合离子，从而导致络合态重金属的存在， 影响了重金属通过沉淀法被去除，目前的技术一种是采用破络的手段，剥离络 合离子后，再进行pH值的调节，使重金属沉淀去除，但工艺路线较为繁琐，需 要精确控制各阶段pH值，对自控要求较高。另一种是投加以氧化铁、氧化锰等 为代表的重金属吸附剂，但大颗粒吸附剂需要固定床吸附装置，投资较大、不 灵活；而小颗粒的吸附剂沉降性能不理想，固液分离效果差，有时吸附剂会漏 入管道，造成二次污染。

膜分离技术是近40年来发展最迅速、应用最广泛的分离技术。膜分离是 一个物理过程，其基本原理是在浓度差、压力差、电位差等驱动力下，利用具 有选择透过性功能的薄膜把料液中的溶质、杂质、溶剂等进行分离或浓缩的过 程。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、 环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用 于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生 等诸多领域，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

中国专利号：200910105943.X，公开日：2010-09-15，公开了一种重金属 工业废水的处理方法，该专利包括如下步骤：a将待处理废水注入调节池，使所 述废水停留6-8小时；b将步骤a所得上清液注入反应池，添加药剂对重金属离 子进行化学处理；c将步骤b所得上清液注入pH调整池，调整pH值为9.0-10.0； d将步骤c所得废水注入絮凝池，按照5-10mg/L的标准添加聚合氯化铝，反应 时间为15-20分钟，进行絮凝反应；所得上清液引入微滤浓缩池后，使用离心 泵以流速为3-5m/s将池中的废水注入孔径为0.05-20微米的管式过滤膜，对废 水进行过滤，所得出水进入反渗透膜过滤系统进行深度处理，所得浓水则引回 微滤浓缩池循环过滤。

中国专利号201410323815.3，公开日2014-09-24，公开了一种深度处理低 浓度络合重金属废水的工艺方法，包括如下内容：首先把络合重金属废水调整 到弱碱性；然后通臭氧O₃微孔(10-20μm)曝气氧化90min-120min，O₃与OH-反 应生成的·OH具有很强的氧化能力，臭氧与羟基自由基共同氧化络合配位体进 行破络；接着加入400mg/L的FeSO₄把pH调到10.5-14之间，进行还原凝集反 应，使金属氢氧化物凝集形成颗粒；反应后用孔径<0.1微米的可反洗耐氧化的 PVDF材质TMF膜过滤；最后膜过滤浓缩体用压滤机压滤，污泥做固体废弃物处 理，压滤液混入呈弱碱性的水中。

以上专利所述的处理工艺都较为复杂，水力停留时间长，都需要投加化学 药剂进行pH值调节，且需要多个反应池进行反应，占地面积大，设备投资大。 同时，由于投加了聚合氯化铝，会产生大量的污泥，额外加大了污泥处置压力， 且管式膜系统的流速高达5m/s，反渗透膜的运行压力超过1.5MPa，系统运行能 耗较高，不利于大规模推广。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种去除水中重金属的纳米量 子点吸附及膜分离系统，可实现连续化操作、吸附容量大、系统占地小、无需 添加化学药剂、无污泥产生、膜系统错流速率小、膜分离精度高、系统运行能 耗低等优点，克服了现有传统重金属吸附剂的吸附容量小、吸附能力差、吸附 沉淀后不易与废水分离的缺陷。

为实现上述目的设计一种去除水中重金属的纳米量子点吸附及膜分离系 统，包括废水储槽3、吸附反应槽5、气擦式错流膜系统10和斜管沉淀槽16， 所述废水储槽3中设有潜污泵4，所述潜污泵4通过管道连接吸附反应槽5，所 述吸附反应槽5中设有精细曝气系统6和搅拌装置7，所述吸附反应槽5中投加 有磁性生物炭载体8，所述磁性生物炭载体8上负载有纳米型吸附剂，所述吸附 反应槽5上设有废水混合液出口，所述废水混合液出口通过循环泵9连接气擦 式错流膜系统10，所述气擦式错流膜系统10上设有膜系统浓缩液出口和达标排 放水出口，所述膜系统浓缩液出口通过管道连接至吸附反应槽5，所述吸附反应 槽5的底部设有吸附剂混合污泥出口，所述吸附剂混合污泥出口通过管道连接 斜管沉淀槽16，所述斜管沉淀槽16的出口通过管道连接污泥泵17，所述污泥 泵17的另一端通过管道连接压滤机18，所述压滤机18的压滤机滤液19通过管 道返回至斜管沉淀槽16，所述压滤机18的固体产物形成富含重金属的吸附剂 20。

还包括鼓风机21，所述鼓风机21通过管道分别连接精细曝气系统6和精细 空气擦洗系统11。

所述磁性生物炭载体8上负载有纳米型量子点吸附剂。

所述气擦式错流膜系统10的进口处设有精细空气擦洗系统11，所述气擦式 错流膜系统10上部设置有电磁场一12a。

所述斜管沉淀槽16的底部设置有电磁场二12b。

所述气擦式错流膜系统10的膜组件采用管式膜，所述管式膜的膜材质为有 机材质，所述有机材质包括PVDF、PVC、PTFE、PE、PP。

所述气擦式错流膜系统10的膜组件采用管式膜，所述管式膜的膜材质为无 机材质，所述无机材质包括陶瓷、不锈钢。

所述气擦式错流膜系统10的膜分离孔径为0.01-2μm。

所述气擦式错流膜系统10的膜内部错流流速为0.5-2m/s。

所述纳米型量子点吸附剂为硫基、铝基的量子点吸附剂。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)无需投加化学药剂、避免二次污染；

(2)水力停留时间短、工艺流程短、系统占地面积小；

(3)不投加絮凝剂等，无化学污泥产生；

(4)采用膜技术对吸附剂进行固液分离，分离精度高，产水水质好；

(5)膜组件进口设有精细空气擦洗，显著减缓膜的污染；

(6)膜系统设有电磁场，提高磁性载体的分离效果；

(7)采用低流速管式膜，运行能耗低；

(8)产水水质满足国家最严格排放标准，且吸附剂可以回收；

综上：本发明克服了现有传统重金属吸附剂的吸附容量小、吸附能力差、 吸附沉淀后不易与废水分离的缺陷，可实现连续化操作、吸附容量大、系统占 地小、无需添加化学药剂、无污泥产生、膜系统错流速率小、膜分离精度高、 系统运行能耗低等优点。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图中：1、生产车间2、重金属废水3、废水储槽4、潜污泵5、吸附 反应槽6、精细曝气系统7、搅拌装置8、磁性生物炭载体9、循环泵10、 气擦式错流膜系统11、精细空气擦洗系统12a、电磁场一12b、电磁场二 13、膜系统浓缩液14、达标排放水15、反应后的吸附剂混合污泥16、斜 管沉淀槽17、污泥泵18、压滤机19、压滤机滤液20、富含重金属的吸 附剂21、鼓风机。

[具体实施方式]

如附图1所示，本发明包括：废水储槽3、吸附反应槽5、气擦式错流膜系 统10和斜管沉淀槽16，废水储槽3中设有潜污泵4，潜污泵4通过管道连接吸 附反应槽5，吸附反应槽5中设有精细曝气系统6和搅拌装置7，吸附反应槽5 中投加有磁性生物炭载体8，磁性生物炭载体8上负载有纳米型吸附剂，吸附反 应槽5上设有废水混合液出口，废水混合液出口通过循环泵9连接气擦式错流 膜系统10，气擦式错流膜系统10上设有膜系统浓缩液出口和达标排放水出口， 膜系统浓缩液出口通过管道连接至吸附反应槽5，吸附反应槽5的底部设有吸附 剂混合污泥出口，吸附剂混合污泥出口通过管道连接斜管沉淀槽16，斜管沉淀 槽16的出口通过管道连接污泥泵17，污泥泵17的另一端通过管道连接压滤机 18，压滤机18的压滤机滤液19通过管道返回至斜管沉淀槽16，压滤机18的固 体产物形成富含重金属的吸附剂20。还包括鼓风机21，鼓风机21通过管道分 别连接精细曝气系统6和精细空气擦洗系统11。

其中，磁性生物炭载体8上负载有纳米型量子点吸附剂，该纳米型量子点 吸附剂为硫基、铝基的量子点吸附剂。气擦式错流膜系统10的进口处设有精细 空气擦洗系统11，气擦式错流膜系统10上部设置有电磁场一12a，斜管沉淀槽 16的底部设置有电磁场二12b。气擦式错流膜系统10的膜组件可以采用管式膜， 管式膜的膜材质为有机材质，有机材质包括PVDF、PVC、PTFE、PE、PP；该气擦 式错流膜系统10的膜组件也可以采用管式膜，管式膜的膜材质为无机材质，无 机材质包括陶瓷、不锈钢。气擦式错流膜系统10的膜分离孔径为0.01-2μm，气 擦式错流膜系统10的膜内部错流流速为0.5-2m/s。

本发明属于重金属深度处理领域，特别涉及一种纳米型量子点重金属吸附 及膜过滤系统，通过将纳米型量子点负载于磁性生物炭载体上，制备吸附容量 大的纳米型吸附剂，结合高精度的膜分离技术，并配合电磁场以及精细空气擦 洗系统，将吸附重金属后的吸附剂与废水进行高效固液分离，获得达到国家排 放标准的优质产水。

本发明中，采用吸附容量巨大的纳米型材料作为吸附剂；作为优选，本发 明采用的重金属吸附剂是纳米型量子点，优选硫基、铝基的量子点。将纳米型 量子点负载于磁性生物炭载体上，既增加了吸附剂的有效吸附空间，又有利于 吸附后的固液分离。其吸附反应迅速，所需的水力停留时间仅为5-30min，且吸 附反应时不需投加化学药剂，可避免二次化学污染，且不会产生化学污泥。

本发明采用膜分离技术对吸附剂进行固液分离，分离精度高，产水水质优 异。其膜组件采用管式膜，膜材质可以是有机材质，诸如PVDF、PVC、PTFE、PE、 PP等，也可以是无机材质，诸如陶瓷、不锈钢等；作为优选，本发明专利采用 陶瓷管式膜进行固液分离。其膜分离孔径在0.01-2μm，优选0.2μm。膜组件进 口处设有精细空气擦洗系统，混合液与精细空气一起进入膜组件内部，并与膜 系统浓缩液一起回流至前端反应槽，在空气擦洗的作用下，膜组件内部不易堵 塞，运行维护方便。膜系统上部设置电磁场一，磁性载体在膜组件内部受到电 磁场一的作用，不易沉积于膜表面，不易对膜造成污染，有利于膜系统长期稳 定运行。在精细空气擦洗及电磁场一的双重作用下，可以采用更小的膜组件内 部错流流速、运行能耗更低；作为优选，此专利采用的膜内部错流流速仅为 0.5-2m/s。经膜系统浓缩后的磁性载体采用斜管沉淀槽进行进一步固液分离， 且斜管沉淀槽底部设有电磁场二，可以加速磁性生物炭载体在沉淀槽内部的沉 淀，固液分离效果明显。整体工艺流程短、无需投加化学药剂、占地小、连续 化操作。

如附图1所示，生产车间1所产生的重金属废水2自流入地下式的废水储 槽3中，重金属废水2在废水储槽3中进行水量、水质的缓冲与调节后，在潜 污泵4的抽吸作用下进入吸附反应槽5，吸附反应槽5中设有精细曝气系统6和 搅拌装置7，负载了纳米型量子点吸附剂的磁性生物炭载体8投加到吸附反应槽 5中，与重金属废水2进行吸附反应，废水中的重金属被吸附到负载了纳米型量 子点吸附剂的磁性生物炭载体8上，在精细曝气系统6和搅拌装置7的双重作 用下，吸附反应进行迅速，提高吸附效率。吸附反应完成后的废水混合液在循 环泵9的作用下进入气擦式错流膜系统10，气擦式错流膜系统10的进口处设有 精细空气擦洗系统11，上部设有电磁场一12a，负载了纳米型量子点吸附剂的 磁性生物炭载体8在气擦式错流膜系统10内部进行高效固液分离，并随膜系统 浓缩液13回流至吸附反应槽5中，气擦式错流膜系统10的透过液成为达标排 放水14。吸附反应槽5中的反应后的吸附剂混合污泥15进入斜管沉淀槽16， 斜管沉淀槽16底部设有电磁场二12b，提高固液分离效果，在污泥泵17的作用 下，反应后的吸附剂混合污泥15进入压滤机18进行深度压滤，压滤机滤液19 返回斜管沉淀槽16，压滤机18的固体产物形成富含重金属的吸附剂20，可以 进一步作为资源加以提取、回收。鼓风机21用于给精细曝气系统6和精细空气 擦洗系统11提供充足的空气。

下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明：

实施例1

取自上海某电镀厂的含重金属废水，Cr³⁺、Cu²⁺、Ni⁺的浓度分别为0.84ppm、 211ppm、3.1ppm，经过吸附反应10min，精细曝气风量为50L/min/m²池底面积， 搅拌转速为100rpm，混合液进入膜系统进行分离，膜过滤系统采用分离孔径为 0.05μm的管式超滤膜，膜材质为PVDF，管内流速为1.5m/s，精细空气擦洗量为 2L/min/m²膜面积，产水中的Cr³⁺、Cu²⁺、Ni⁺的浓度分别为0.0184ppm、0.0464ppm、 0.0367ppm。

实施例2

取自安徽某金属表面处理公司的含重金属废水，Zn²⁺、Mn²⁺、Ni⁺浓度分别为 68.6ppm、54.3ppm、53.9ppm，经过吸附反应30min，精细曝气风量为100L/min/m²池底面积，搅拌转速为50rpm，混合液进入膜系统进行分离，膜过滤系统采用分 离孔径为0.1μm的管式微滤膜，膜材质为陶瓷，管内流速为2m/s，精细空气擦 洗量为1L/min/m²膜面积，产水中的Zn²⁺、Mn²⁺、Ni⁺浓度分别为0.0052ppm、 0.00312ppm、0.0153ppm。

实施例3

取自河南某金铅股份有限公司的含重金属废水，As³⁺、Pb²⁺、Cd²⁺浓度分别为 130.01ppm、15.25ppm、35.13ppm，经过吸附反应30min，精细曝气风量为 200L/min/m²池底面积，搅拌转速为0rpm，混合液进入膜系统进行分离，膜过滤 系统采用分离孔径为0.2μm的管式微滤膜，膜材质为PTFE，管内流速为2m/s， 精细空气擦洗量为1L/min/m²膜面积，产水中的As³⁺、Pb²⁺、Cd²⁺浓度分别为 0.028ppm、0.056ppm、0.004ppm。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质 与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都 包含在本发明的保护范围之内。