公布日：2023.08.08

申請(qǐng)日：2023.04.20

分類號(hào)：C02F9/00(2023.01)I;C02F101/20(2006.01)N;C02F1/461(2023.01)N;C02F1/44(2023.01)N;C02F1/48(2023.01)N;C02F1/463(2023.01)N;C02F1/72(2023.01)N;C02F1

/00(2023.01)N;C02F3/02(2023.01)N;C02F3/00(2023.01)N

摘要

一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置及使用其去除重金屬的方法，它屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種去除重金屬的裝置及使用其去除重金屬的方法。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有物理和化學(xué)方法去除重金屬效果不理想，且具有污泥量高、能耗高、成本高、容易造成二次污染，生物方法具有對(duì)pH值和溫度依賴性強(qiáng)、能量和維護(hù)需求高，超濾無法有效去除重金屬，納濾和反滲透去除成本較高等問題�；�于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置包括高位原水箱、多極產(chǎn)鐵池、微電解-澄清耦合池、磁化超濾膜池和儲(chǔ)水箱。本發(fā)明相較于反滲透等其它去除廢水中重金屬的方法，所需壓力更小，成本更低，效果更好，對(duì)含重金屬污染的工業(yè)廢水、二級(jí)出水、水源水的凈化效果尤其顯著。

權(quán)利要求書

1.一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于該裝置包括：高位原水箱(1)、多極產(chǎn)鐵池(2)、微電解-澄清耦合池(3)、磁化超濾膜池(4)和儲(chǔ)水箱(5)；所述的多極產(chǎn)鐵池(2)內(nèi)設(shè)有多個(gè)陽極鐵板(25)、多個(gè)陰極板(26)和第一曝氣裝置(16)，陽極鐵板(25)和陰極板(26)間隔設(shè)置，形成多個(gè)水流廊道，每個(gè)水流廊道內(nèi)均設(shè)有第一曝氣裝置(16)；所述的陽極鐵板(25)通過產(chǎn)鐵池導(dǎo)線(24)與產(chǎn)鐵池直流電源(23)的正極相連接，陰極板(26)通過產(chǎn)鐵池導(dǎo)線(24)與產(chǎn)鐵池直流電源(23)的負(fù)極相連接；所述的微電解-澄清耦合池(3)包括：攪拌提升裝置(27)、第一反應(yīng)區(qū)(28)、第二反應(yīng)區(qū)(29)、小徑斜管輔助型澄清區(qū)(30)、沉淀回流區(qū)(31)和第二曝氣裝置(19)；第二曝氣裝置(19)、第一反應(yīng)區(qū)(28)、第二反應(yīng)區(qū)(29)和小徑斜管輔助型澄清區(qū)(30)自下而上設(shè)置在微電解-澄清耦合池(3)的內(nèi)部，小徑斜管輔助型澄清區(qū)(30)與溢流堰相鄰；所述的沉淀回流區(qū)(31)設(shè)置在第二反應(yīng)區(qū)(29)外，且與第一反應(yīng)區(qū)(28)相連通，第一反應(yīng)區(qū)(28)內(nèi)分布有鐵碳粉末；所述的磁化超濾膜池(4)內(nèi)自下而上依次設(shè)有第三曝氣裝置(22)和超濾膜組件(32)；超濾膜組件(32)外表面纏繞膜池導(dǎo)線(34)；膜池導(dǎo)線(34)的兩端分別接入膜池直流電源(33)的正極和負(fù)極，通電后膜池導(dǎo)線(34)周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，磁化超濾膜組件(32)；所述的高位原水箱(1)的一端與多極產(chǎn)鐵池(2)的一端連接，多極產(chǎn)鐵池(2)的另一端與微電解-澄清耦合池(3)的一端連接，微電解-澄清耦合池(3)的另一端與磁化超濾膜池(4)的一端連接，磁化超濾膜池(4)的另一端與所述儲(chǔ)水箱(5)連接；所述的第一曝氣裝置(16)、第二曝氣裝置(19)和第三曝氣裝置(22)分別與空氣泵(13)連通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于所述的高位原水箱(1)與多極產(chǎn)鐵池(2)連通的管路上設(shè)有多極產(chǎn)鐵池進(jìn)水管閥門(6)；多極產(chǎn)鐵池(2)與微電解-澄清耦合池(3)連通的管路上設(shè)有微電解-澄清耦合池進(jìn)水管閥門(7)；微電解-澄清耦合池(3)與磁化超濾膜池(4)連通的管路上設(shè)有磁化超濾膜池進(jìn)水管閥門(9)；磁化超濾膜池(4)與儲(chǔ)水箱(5)連通的管路上設(shè)有產(chǎn)水管閥門(10)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于所述的第一曝氣裝置(16)與空氣泵(13)連通的管路上設(shè)有第一曝氣閥(15)和第一流量計(jì)(14)；第二曝氣裝置(19)與空氣泵(13)連通的管路上設(shè)有第二曝氣閥(18)和第二流量計(jì)(17)；第三曝氣裝置(22)與空氣泵(13)連通的管路上設(shè)有第三曝氣閥(21)和第三流量計(jì)C(20)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于多極產(chǎn)鐵池(2)與微電解-澄清耦合池(3)連通的管路之間設(shè)有超越管路，其與高位原水箱(1)相連通，高位原水箱(1)可通過超越管路超越多極產(chǎn)鐵池(2)直接與微電解-澄清耦合池(3)相連通；所述的超越管路上設(shè)有超越閥門(8)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于所述的多極產(chǎn)鐵池(2)、微電解-澄清耦合池(3)和磁化超濾膜池(4)的底部均與放空管相連通，放空管上設(shè)有放空閥(11)；所述的磁化超濾膜池(4)的底部還設(shè)有排污管，排污管上設(shè)有排污閥(12)，磁化超濾膜池(4)過濾產(chǎn)生的污染物通過排污管排出。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于所述的高位原水箱(1)中水面高度與磁化超濾膜池(4)的水面高度相差20～100cm；所述的多極產(chǎn)鐵池(2)中陰極板(26)的材質(zhì)為碳材料、銅、鉛、銀、鉑及其合金中的一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于所述的小徑斜管輔助型澄清區(qū)(30)由斜管或斜板排列組合而成；所述的磁化超濾膜池(4)內(nèi)超濾膜組件(32)為中空纖維式、平板式和卷式的一種或幾種組合，膜孔徑尺寸為0.002～0.1μm，膜材質(zhì)為聚乙烯、聚醚砜、聚酰胺或醋酸纖維素；所述的超濾膜組件(32)的裝填率為200～300m2膜面積/m2膜池水平投影面積；所述膜池導(dǎo)線(34)通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為200～2000GS。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，其特征在于所述的第一曝氣裝置(16)由電動(dòng)閥或手動(dòng)閥進(jìn)行控制，用來氧化所述陽極鐵板(25)產(chǎn)生的亞鐵離子為活性鐵氧化物，進(jìn)而對(duì)重金屬進(jìn)行一次吸附，氣液比為1:1～15:1；所述第一曝氣裝置(16)為鈦板、鈦管、擴(kuò)散管、擴(kuò)散板、穿孔曝氣管和曝氣盤中的一種或多種組合；所述的第二曝氣裝置(19)由電動(dòng)閥或手動(dòng)閥進(jìn)行控制，用來氧化上一工藝段來水中以及鐵碳微電解過程中產(chǎn)生的亞鐵離子，生成活性鐵氧化物絮體及顆粒，增強(qiáng)對(duì)重金屬的去除效果，氣液比為1:1～15:1；所述第二曝氣裝置(19)為鈦板、鈦管、擴(kuò)散管、擴(kuò)散板、穿孔曝氣管和曝氣盤中的一種和多種組合；所述的第三曝氣裝置(22)由電動(dòng)閥或手動(dòng)閥進(jìn)行控制，第三曝氣裝置(22)所采用的曝氣強(qiáng)度為2～30L/(m2·s)，用來維持膜池中的好氧環(huán)境，即溶解氧DO濃度在2mg/L以上，利用膜池內(nèi)部設(shè)置的溶解氧檢測(cè)儀來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膜池內(nèi)溶解氧DO，有利于膜前生物濾餅層的形成和維持其上微生物的代謝活性，每次曝氣時(shí)間為15～30min；所述第三曝氣裝置(22)為鈦板、鈦管、擴(kuò)散管、擴(kuò)散板、穿孔曝氣管和曝氣盤中的一種和多種組合。

9.應(yīng)用如權(quán)利要求1～8任意一項(xiàng)所述一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置去除重金屬的方法，其特征在于該方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：一、打開多極產(chǎn)鐵池進(jìn)水管閥門(6)、微電解-澄清耦合池進(jìn)水管閥門(7)、磁化超濾膜池進(jìn)水管閥門(9)和產(chǎn)水管閥門(10)，關(guān)閉超越閥門(8)，使廢水自高位原水箱(1)以重力流的形式流入多極產(chǎn)鐵池(2)中；二、打開產(chǎn)鐵池直流電源(23)和第一曝氣閥(15)，產(chǎn)鐵池導(dǎo)線(24)通電，陽極鐵板(25)失去電子向多極產(chǎn)鐵池(2)中釋放亞鐵離子，第一曝氣裝置(16)向水中擴(kuò)散空氣，水中的亞鐵離子在活性氧作用下形成活性鐵氧化物及其絮體，吸附廢水中的重金屬污染物，初次凈化后的廢水進(jìn)入微電解-澄清耦合池(3)中；三、打開攪拌提升裝置(27)和第二曝氣閥(18)，使經(jīng)過多極產(chǎn)鐵池(2)處理后的水進(jìn)入微電解-澄清耦合池(3)中，與微電解-澄清耦合池(3)中的鐵碳粉末充分混合，同時(shí)攪拌提升裝置(27)將水、填料與團(tuán)聚體從第一反應(yīng)區(qū)(28)提升至第二反應(yīng)區(qū)(29)，鐵碳粉末內(nèi)部發(fā)生原電池反應(yīng)，產(chǎn)生活性亞鐵氧化物及其絮體，然后被第二曝氣裝置(19)帶來的空氣氧化為活性鐵氧化物絮體，進(jìn)一步吸附、包裹和截留水中的重金屬以及源自于上一工藝段產(chǎn)生的絮體，水、填料和團(tuán)聚體進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)(29)進(jìn)行反應(yīng)，再進(jìn)入到小徑斜管輔助型澄清區(qū)(30)中，比重較大的團(tuán)聚體和填料等物質(zhì)在斜管或斜板中滑落下來，進(jìn)入沉淀回流區(qū)(31)中，再回流至第一反應(yīng)區(qū)(28)并與來自于上一工藝段的來水一同發(fā)生前述反應(yīng)，清水進(jìn)入與小徑斜管輔助型澄清區(qū)(30)相鄰的溢流堰并隨后進(jìn)入出水管流入磁化超濾膜池(4)；四、打開膜池直流電源(33)和第三曝氣閥(21)，由于電生磁效應(yīng)，接通直流電的膜池導(dǎo)線(34)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)并施加于磁化超濾膜池(4)中的超濾膜組件(32)，調(diào)控膜前生物濾餅層中微生物代謝過程，同時(shí)對(duì)截留在膜表面的磁性絮體進(jìn)行磁化，誘導(dǎo)其在超濾膜表面空間內(nèi)交疊離散分布，改善生物濾餅層的結(jié)構(gòu)，提高其孔隙度和吸附作用速率，強(qiáng)化對(duì)重金屬的攔截作用以及對(duì)其他污染物的協(xié)同去除作用；第三曝氣裝置(22)向超濾膜組件(32)內(nèi)曝入空氣，維持超濾膜組件(32)的好氧環(huán)境，從而維持膜前濾餅層中微生物的活性，經(jīng)過磁化超濾膜池(4)過濾后的清水通過帶有產(chǎn)水管閥門(10)的產(chǎn)水管進(jìn)入儲(chǔ)水箱(5)中。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置去除重金屬的方法，其特征在于步驟二中廢水在多極產(chǎn)鐵池(2)中的水力停留時(shí)間為2～100min；步驟二中所述的多極產(chǎn)鐵池(2)中的陰極板(26)材料為碳材料、銅、鉛、銀、鉑及其合金中的一種；步驟二中所述的第一曝氣裝置(16)為鈦板、鈦管、擴(kuò)散管、擴(kuò)散板、穿孔曝氣管和曝氣盤中的一種；步驟三中水在微電解-澄清耦合池(3)中的水力停留時(shí)間為15～100min；步驟三中所述微電解-澄清耦合池(3)頂部的小徑斜管輔助型澄清區(qū)(30)采用斜管形式或斜板形式；步驟三中所述第二曝氣裝置(19)為鈦板、鈦管、擴(kuò)散管、擴(kuò)散板、穿孔曝氣管和曝氣盤中的一種；步驟四中所述的第三曝氣裝置(22)為鈦板、鈦管、擴(kuò)散管、擴(kuò)散板、穿孔曝氣管和曝氣盤中的一種和多種組合；步驟四中所述的超濾膜組件(32)的形式為中空纖維式、平板式和卷式膜的一種或幾種組合，膜孔徑尺寸為0.002～0.1μm，膜材質(zhì)為聚乙烯、聚丙烯、聚醚砜、聚酰胺和醋酸纖維素，膜組件的裝填率為200～300m2膜面積/m2膜池水平投影面積；步驟四中所述的膜池導(dǎo)線(34)通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為200～2000GS；步驟四中水在磁化超濾膜池(4)中的水力停留時(shí)間為1～24h。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有物理和化學(xué)方法去除重金屬效果不理想，且具有污泥量高、能耗高、成本高、容易造成二次污染，生物方法具有對(duì)pH值和溫度依賴性強(qiáng)、能量和維護(hù)需求高，超濾無法有效去除重金屬，納濾和反滲透去除成本較高等問題，而提供一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置及使用其去除重金屬的方法。

一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，包括：高位原水箱1、多極產(chǎn)鐵池2、微電解-澄清耦合池3、磁化超濾膜池4和儲(chǔ)水箱5；

所述的多極產(chǎn)鐵池2內(nèi)設(shè)有多個(gè)陽極鐵板25、多個(gè)陰極板26和第一曝氣裝置16，陽極鐵板25和陰極板26間隔設(shè)置，形成多個(gè)水流廊道，每個(gè)水流廊道內(nèi)均設(shè)有第一曝氣裝置16；所述的陽極鐵板25通過產(chǎn)鐵池導(dǎo)線24與產(chǎn)鐵池直流電源23的正極相連接，陰極板26通過產(chǎn)鐵池導(dǎo)線24與產(chǎn)鐵池直流電源23的負(fù)極相連接；

所述的微電解-澄清耦合池3包括：攪拌提升裝置27、第一反應(yīng)區(qū)28、第二反應(yīng)區(qū)29、小徑斜管輔助型澄清區(qū)30、沉淀回流區(qū)31和第二曝氣裝置19；第二曝氣裝置19、第一反應(yīng)區(qū)28、第二反應(yīng)區(qū)29和小徑斜管輔助型澄清區(qū)30自下而上設(shè)置在微電解-澄清耦合池3的內(nèi)部，小徑斜管輔助型澄清區(qū)30與溢流堰相鄰；所述的沉淀回流區(qū)31設(shè)置在第二反應(yīng)區(qū)29外，且與第一反應(yīng)區(qū)28相連通，第一反應(yīng)區(qū)28內(nèi)分布有鐵碳粉末；

所述的磁化超濾膜池4內(nèi)自下而上依次設(shè)有第三曝氣裝置22和超濾膜組件32；超濾膜組件32外表面纏繞膜池導(dǎo)線34；膜池導(dǎo)線34的兩端分別接入膜池直流電源33的正極和負(fù)極，通電后膜池導(dǎo)線34周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，磁化超濾膜組件32；

所述的高位原水箱1的一端與多極產(chǎn)鐵池2的一端連接，多極產(chǎn)鐵池2的另一端與微電解-澄清耦合池3的一端連接，微電解-澄清耦合池3的另一端與磁化超濾膜池4的一端連接，磁化超濾膜池4的另一端與所述儲(chǔ)水箱5連接；所述的第一曝氣裝置16、第二曝氣裝置19和第三曝氣裝置22分別與空氣泵13連通。

本發(fā)明具有以下有益效果：

一、本發(fā)明中多極產(chǎn)鐵池利用電解池原理，多極陽極鐵板失電子產(chǎn)生亞鐵離子，亞鐵離子在廢水中在活性氧作用下形成活性鐵氧化物并形成絮體，這種絮體可以對(duì)廢水中的重金屬進(jìn)行一次吸附去除；

二、本發(fā)明中微電解-澄清耦合池利用原電池原理，鐵碳粉末內(nèi)部通過原電池效應(yīng)，自身產(chǎn)生1.2V電位差對(duì)廢水進(jìn)行電解，攪拌器的攪拌作用使填料與廢水充分接觸，同時(shí)底部的曝氣對(duì)電解過程中產(chǎn)生的亞鐵離子進(jìn)行氧化，產(chǎn)生活性鐵氧化物，高效吸附廢水中的重金屬；此外，本發(fā)明中微電解-澄清耦合池采用鐵碳粉末，相較于普通鐵碳填料增大了反應(yīng)的接觸表面積，效果更好，同時(shí)還可以起到過濾的作用；頂部區(qū)域設(shè)置有小徑斜管輔助型澄清區(qū)，被活性鐵氧化物吸附團(tuán)聚而成的大顆粒在此區(qū)域沉降，出水更加清澈，同時(shí)減輕了下一工藝段膜池的負(fù)荷；

三、本發(fā)明中多極產(chǎn)鐵池和微電解-澄清耦合池對(duì)重金屬的雙重吸附作用，可以對(duì)產(chǎn)水的重金屬去除效果起到雙重保障作用。

四、本發(fā)明中磁化超濾膜池作為末端處理單元，采用濾餅層/超濾耦合技術(shù)對(duì)整個(gè)裝置的產(chǎn)水效果起到最后的保障作用，提升了產(chǎn)水的安全性和穩(wěn)定性；此外，由于磁場(chǎng)生物效應(yīng)，膜組件上施加的磁場(chǎng)可以增強(qiáng)膜前生物濾餅層中微生物的活性，促進(jìn)微生物的代謝過程，同時(shí)誘導(dǎo)含重金屬的絮體顆粒物空間交疊離散分布并被超濾膜高效截留去除，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的三次去除，以及對(duì)其他有機(jī)污染物的協(xié)同去除效果；同時(shí)，膜濾的驅(qū)動(dòng)力為重力，與傳統(tǒng)膜濾過程相比大大降低了能耗；

五、本發(fā)明相較于反滲透等其它去除廢水中重金屬的方法，所需壓力更小，成本更低，效果更好，對(duì)含重金屬污染的工業(yè)廢水、二級(jí)出水、水源水的凈化效果尤其顯著。

本發(fā)明可獲得一種基于磁場(chǎng)強(qiáng)化膜濾去除重金屬的裝置，適用于強(qiáng)化去除廢水中的重金屬污染。

（發(fā)明人：吳傳棟;文敬博;張會(huì)群;唐小斌;梁恒;房睿;劉路明）