一種新型地下水重金屬去除裝置設(shè)計(jì)與探討

靳斌斌

摘 要：本設(shè)計(jì)公開(kāi)了一種新型地下水重金屬去除裝置及工藝系統(tǒng)，主要有攪拌池、混合絮凝池、斜管沉淀池、離子交換反應(yīng)池和膜蒸餾反應(yīng)池，以及太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)和冷卻循環(huán)系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)解決了重金屬去除率低、成本高、選擇性不強(qiáng)等問(wèn)題，它通過(guò)采用膜蒸餾和離子交換技術(shù)，可以使重金屬濃度迅速降低到微克水平，實(shí)現(xiàn)重金屬99%的去除。其次，該系統(tǒng)通過(guò)采用改性氨基酸樹(shù)脂，增強(qiáng)了去除重金屬的選擇性，提高了目標(biāo)重金屬的回收與利用。最后，該系統(tǒng)通過(guò)利用太陽(yáng)能這一清潔能源，降低了處理成本，結(jié)合改性氨基酸樹(shù)脂重復(fù)利用性的提高，進(jìn)一步節(jié)約了成本。

關(guān)鍵詞：重金屬;離子交換;膜蒸餾;太陽(yáng)能系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）11-077-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.026

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是礦產(chǎn)資源的開(kāi)采和冶金等環(huán)節(jié)的不斷推進(jìn)，重金屬對(duì)礦區(qū)地下水的污染日益嚴(yán)重，污染程度不斷加劇，污染范圍逐年擴(kuò)大。礦區(qū)地下水重金屬污染物主要有Pb、Cr、As、Ni、Hg、Cu、Zn等，重金屬污染突發(fā)事件有一定的不可預(yù)見(jiàn)性和不可控制性，對(duì)人民健康、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外很多專題文獻(xiàn)中都討論了重金屬去除過(guò)程的工程學(xué)問(wèn)題以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)：氫氧化物沉淀方法簡(jiǎn)單，可以產(chǎn)生足夠低的重金屬濃度而被廣泛使用[2];吸附/吸收作用過(guò)程簡(jiǎn)單[3]，但并不能總是提供充分的選擇性，其尾液需進(jìn)一步處理;電化學(xué)方法[4]、膜分離技術(shù)[5]和溶劑萃取[6]總是被應(yīng)用于冶金制造等工業(yè)行業(yè)中，而不適用于相對(duì)稀釋的大量污染地下水。在突發(fā)性地下水重金屬污染事件中，根本消除其危害須使其重金屬濃度迅速降低到微克每升的水平，現(xiàn)有技術(shù)因其局限性和成本較高而難以被接受。

1 材料與優(yōu)化

1.1 裝置簡(jiǎn)介

文章介紹的這一設(shè)計(jì)即一種新型地下水重金屬去除裝置，如圖1所示。

文章介紹的這一新型地下水重金屬去除裝置包括依次連接的管式混合器（1）、攪拌池（2）、混合絮凝池（3）、斜管沉淀池（4）、離子交換反應(yīng)池（5）、膜蒸餾反應(yīng)池（6）。

管式混合器（1）出口與攪拌池（2）入口連通，攪拌池（2）出口與混合絮凝池（3）內(nèi)的混合罐（31）底部連通，混合絮凝池（3）側(cè)壁底部開(kāi)設(shè)有開(kāi)口使混合絮凝池（3）與斜管沉淀池（4）內(nèi)部空間連通，斜管沉淀池（4）側(cè)壁上部開(kāi)設(shè)有開(kāi)口使斜管沉淀池（4）與離子交換反應(yīng)池（5）內(nèi)部空間連通，離子交換反應(yīng)池（5）池體內(nèi)部設(shè)置有離子交換樹(shù)脂單元（51），離子交換反應(yīng)池（5）出口與膜蒸餾反應(yīng)池（6）底部入口連通，膜蒸餾反應(yīng)池（6）內(nèi)設(shè)置有蒸餾膜組件（61）、加熱器（62），蒸餾膜組件與膜出水循環(huán)冷卻單元（7）連接，膜出水循環(huán)冷卻單元（7）包括與蒸餾膜組件（61）出液口連接的出液管（71）和與蒸餾膜組件（61）回液口連接的回液管（72），出液管（71）與第一抽吸泵（73）連接，回液管（72）與冷卻液循環(huán)泵（74）、冷卻罐（75）依次連接，出液管（71）的出口與回液管（72）、出水管（8）入口連通。

此外，蒸餾膜組件（61）為板框式組件，蒸餾膜采用疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜，膜蒸餾反應(yīng)池（6）內(nèi)部位于蒸餾膜組件（61）下方設(shè)置有反沖洗裝置（63），膜蒸餾反應(yīng)池（6）內(nèi)部與溫度監(jiān)測(cè)儀（9）連接，加熱器（62）與太陽(yáng)能熱源吸收裝置（10）連接。離子交換樹(shù)脂單元（51）采用氨基酸樹(shù)脂，離子交換反應(yīng)池（5）內(nèi)設(shè)置有兩組離子交換樹(shù)脂單元（51），離子交換樹(shù)脂單元（51）為中空的腔體結(jié)構(gòu)，腔體外壁為6～8層離子交換樹(shù)脂層，每層厚度為0.3 m～0.5 m，每組離子交換樹(shù)脂單元（51）出口均與膜蒸餾反應(yīng)池（6）入口采用水管連通，水管上設(shè)置有第二抽吸泵（11）。斜管沉淀池（4）底部垂直于底面設(shè)置有擋板（41），擋板（41）的上表面高于混合絮凝池（3）側(cè)壁開(kāi)口的上表面，擋板（41）的靠近混合絮凝池（3）的一側(cè)設(shè)置有一斜板（42），斜板（42）與水平面的夾角為50°～60°，斜管沉淀池（4）內(nèi)部位于擋板（41）上方設(shè)置有斜管組（43），斜管組（43）由長(zhǎng)度1 m～1.2 m，傾斜角60°的多根斜管組成;斜管沉淀池（4）內(nèi)底面為圓弧面。管式混合器（1）入口與進(jìn)水泵（12）連通，反沖洗裝置（63）與氣體抽吸泵（13）連接，出水管（8）與膜出水在線監(jiān)測(cè)管道（14）連接。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)化

管式混合器出口與攪拌池入口連通，攪拌池的出口與混合絮凝池內(nèi)的混合罐底部連通，混合絮凝池側(cè)壁底部開(kāi)設(shè)有開(kāi)口使混合絮凝池與斜管沉淀池內(nèi)部空間連通，斜管沉淀池側(cè)壁上部開(kāi)設(shè)有開(kāi)口使斜管沉淀池與離子交換反應(yīng)池內(nèi)部空間連通，離子交換反應(yīng)池池體內(nèi)部設(shè)置有離子交換樹(shù)脂單元，離子交換反應(yīng)池出口與膜蒸餾反應(yīng)池底部入口采用水管連通，膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置有蒸餾膜組件、加熱器，蒸餾膜組件與膜出水循環(huán)冷卻單元連接，膜出水循環(huán)冷卻單元包括與蒸餾膜組件出液口連接的出液管和與蒸餾膜組件回液口連接的回液管，出液管與第一抽吸泵連接，回液管與冷卻液循環(huán)泵、冷卻罐依次連接，出液管的出口與回液管、出水管入口連通。

優(yōu)化的蒸餾膜組件為板框式組件，蒸餾膜采用疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜。蒸餾膜兩側(cè)溶液不能通過(guò)疏水性膜（疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜），但水蒸氣可以在該膜中通過(guò)其微孔孔隙自由傳輸，分離效率高。

優(yōu)化的膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)部位于蒸餾膜組件下方設(shè)置有反沖洗裝置，反沖洗裝置通過(guò)利用空氣沖刷膜面，間歇運(yùn)行，減緩膜污染。

優(yōu)化的膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)部與溫度監(jiān)測(cè)儀連接，加熱器與太陽(yáng)能熱源吸收裝置連接。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能這一清潔能源的利用，降低了處理成本。通過(guò)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)膜蒸餾反應(yīng)池內(nèi)部溫度，當(dāng)加熱裝置溫度和膜蒸餾生物反應(yīng)池內(nèi)溫度水溫差△t達(dá)到預(yù)定值時(shí)，循環(huán)泵將中央熱水器中的冷水輸入集熱器中，水被加熱后再回到反應(yīng)池中，使反應(yīng)池內(nèi)的水達(dá)到設(shè)定的溫度。

優(yōu)化的離子交換樹(shù)脂單元采用氨基酸樹(shù)脂。

更加優(yōu)化的離子交換反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置有兩組離子交換樹(shù)脂單元，一組運(yùn)行一組備用，離子交換樹(shù)脂單元為中空的腔體結(jié)構(gòu)，腔體外壁為6～8層離子交換樹(shù)脂層，每層厚度為0.3 m～0.5 m，每組離子交換樹(shù)脂單元出口均與膜蒸餾反應(yīng)池入口采用水管連通，水管上設(shè)置有第二抽吸泵。

2 結(jié)果與討論

2.1 討論一

重金屬污染地下水經(jīng)進(jìn)水泵（12）進(jìn)入管道，并在管式混合器（1）里被投加絮凝劑（PAC），投加的混凝劑（PAC）在攪拌池內(nèi)的機(jī)械攪拌器（2）的作用下與地下水迅速混合;迅速混合后的地下水通過(guò)連通管道從攪拌池（2）下端進(jìn)入絮凝反應(yīng)池（3），在混合罐（31）的作用下由下至上，向四周流動(dòng)，形成較大顆粒絮體后從絮凝反應(yīng)池（3）底部由推流區(qū)進(jìn)入斜管沉淀池（4）;斜管（43）上部水深為0.5 m～1.0 m，進(jìn)入沉淀池（4）的地下水通過(guò)斜管組（43）完成固液分離，地下水上清液通過(guò)矩形堰進(jìn)入離子交換反應(yīng)池（5），其內(nèi)的離子交換樹(shù)脂單元（51）分為A、B兩組，一組運(yùn)行一組備用。

離子交換樹(shù)脂單元（51）采用的改性氨基酸離子樹(shù)脂為一種改性樹(shù)脂，該樹(shù)脂具有對(duì)Pb2+等吸附量可達(dá)0.5 mol/g，且利用硝酸脫附率最高可達(dá)95%以上，可以重復(fù)使用，制備方法原料易得、成本低、反應(yīng)條件溫和、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

2.2 討論二

地下水在改性氨基酸離子樹(shù)脂單元（51）內(nèi)完成重金屬離子的吸附與交換后經(jīng)第二抽吸泵（11）進(jìn)入膜蒸餾反應(yīng)池（6），并在蒸餾膜組件（61）里利用太陽(yáng)能加熱器（62）和膜出水循環(huán)冷卻單元（7）形成的內(nèi)外溫差下實(shí)現(xiàn)膜蒸餾反應(yīng)，從而使水蒸氣從膜外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)，并通過(guò)第一抽吸泵（73）流出，流出的地下水一部分通過(guò)膜出水在線監(jiān)測(cè)管道（14）出水，一部分在冷卻循環(huán)泵（74）作用下進(jìn)入冷卻罐（75），并流入蒸餾膜組件（61）內(nèi)側(cè)，從而保證了冷卻循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其中，太陽(yáng)能加熱裝置（62）（太陽(yáng)能集熱器）熱能+由太陽(yáng)能熱源吸收裝置（10）通過(guò)吸收太陽(yáng)能后提供;蒸餾膜反應(yīng)池（6）內(nèi)的環(huán)境溫度T維持在45 ℃～55 ℃，冷卻系統(tǒng)溫度T維持在10 ℃～15 ℃。蒸餾膜組件（61）采用疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜。太陽(yáng)能加熱器（62）采用溫差控制集熱原理，當(dāng)太陽(yáng)能熱源吸收裝置（10）吸收太陽(yáng)能輻射后，加熱器溫度上升，達(dá)到加熱器（62）溫度和膜蒸餾生物反應(yīng)池（6）溫度水溫差△t設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出指令，太陽(yáng)能集熱器內(nèi)部自帶循環(huán)泵將中央熱水器中的冷水輸入集熱器中，水被加熱后再回到膜蒸餾反應(yīng)池（6）中，使膜蒸餾反應(yīng)池（6）內(nèi)的水達(dá)到設(shè)定的溫度，這些過(guò)程均采用數(shù)字電腦自動(dòng)化控制模式。

2.3 討論三

膜蒸餾系統(tǒng)，主要包括膜出水循環(huán)冷卻單元（7）、太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)和蒸餾膜組件（61）;它是一種低溫干餾過(guò)程，涉及水在汽相中的輸送;蒸餾膜兩側(cè)溶液不能通過(guò)疏水性膜（疏水性氟乙烯PVDF膜），但水蒸氣可以在該膜中通過(guò)其干微孔孔隙自由傳輸。此外，蒸餾膜兩側(cè)溶液存在較高的溫度差，這樣為膜蒸餾過(guò)程的實(shí)現(xiàn)提供了有利條件;膜蒸餾可以在常溫下進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，且膜蒸餾具有分離效率高，低結(jié)垢傾向，潛在能耗低等優(yōu)點(diǎn)。反沖洗裝置（63）通過(guò)利用空氣進(jìn)行膜面沖刷，每運(yùn)行6 min，停止2 min，間歇運(yùn)行，減緩膜污染。

2.4 結(jié)果

采用上述工藝處理湖北某重金屬污染地區(qū)地下水，地下水除重金屬外均滿足地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中進(jìn)水Pb離子濃度為0.12 mg/L，Mn離子濃度為1.60 mg/L，Cd離子濃度為0.005 mg/L，Cu離子濃度為0.025 mg/L，Zn離子濃度為0.005 mg/L，進(jìn)水溫度為16 ℃～20 ℃。

運(yùn)行中，蒸餾膜反應(yīng)池水溫度（T）為45 ℃～55 ℃，冷卻系統(tǒng)溫度T維持在10 ℃～15 ℃，pH值為6.5～7.0，反應(yīng)器持續(xù)運(yùn)行，初始膜通量為14 L/m2h～18 L/m2h。交換吸附池A和B交替使用，其采用的改性氨基酸離子樹(shù)脂有對(duì)Pb2+等吸附量可達(dá)0.5 mol/g。

2.5 出水結(jié)果

Pb離子濃度為0.001 mg/L，Mn離子濃度為0.02 mg/L，他重金屬離子均未檢出，結(jié)果顯示，污水中Pb離子的去除率達(dá)到了99.1%，Mn離子去除率達(dá)到98.7%，實(shí)現(xiàn)了Pb等離子99%去除與回收。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)采用膜蒸餾和離子交換技術(shù)，可以使重金屬濃度迅速降低到微克水平，實(shí)現(xiàn)重金屬99%的去除，通過(guò)采用改性氨基酸樹(shù)脂，增強(qiáng)了去除重金屬的選擇性，進(jìn)一步提高了目標(biāo)重金屬的回收與利用。同時(shí)，本設(shè)計(jì)通過(guò)太陽(yáng)能循環(huán)系統(tǒng)，降低了處理成本，便于重金屬去除技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 廉新穎，王鶴立，漆靜嫻，等.突發(fā)性重金屬污染地下水應(yīng)急處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)，2010，36（11）：11-14.

[2] 樓江鵬.探究化學(xué)沉淀法處理含重金屬?gòu)U水[J].冶金與材料，2019，39（5）：40，42.

[3] 郭繼香，袁存光，馮成武.原子吸收法用于蛇蚊石吸附污水中重金屬的實(shí)驗(yàn)研究[A].全國(guó)第九屆光譜儀器與分析監(jiān)測(cè)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)，1999：16-19.

[4] 劉耀興，吳曉云，廖再毅，等.電化學(xué)方法去除水溶液中重金屬離子[J].環(huán)境工程，2014，32（3）：70-74，91.

[5] 李鵬.膜分離技術(shù)處理造紙廢水的研究進(jìn)展[J].清洗世界，2021，37（5）：8-9.

[6] 陳仁坦，劉植昌，孟祥海，等.離子液體萃取重金屬離子的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013（11）：2757-2763，2786.