一種活性焦改性方法及其用于去除再生水中重金屬的應(yīng)用方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于再生水處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種活性焦改性方法及其用于去除再生水中重金屬的應(yīng)用方法。本發(fā)明針對(duì)采用膜處理工藝的再生水廠，膜出水中重金屬含量較高的問題，提出一種活性焦改性及其應(yīng)用方法。其中，活性焦經(jīng)預(yù)處理后，經(jīng)氯預(yù)氧化和熱處理后，與強(qiáng)氧化性酸按照比例混合攪拌足夠時(shí)間再經(jīng)加熱處理后即實(shí)現(xiàn)了活性焦的改性。之后，將改性后的活性焦投加至膜池中，利用改性活性焦表面增加的酸性含氧官能團(tuán)(羧基、酚羥基、酯基等)的含量，增加活性焦表面的親水性即極性，改善其對(duì)水中重金屬離子的吸附去除效果。本發(fā)明可應(yīng)用于城市污水廠二級(jí)出水深度凈化，也可應(yīng)用于以城市污水廠出水或雨水為水源的再生水處理工程。
【專利說明】一種活性焦改性方法及其用于去除再生水中重金屬的應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種針對(duì)再生水中重金屬去除的活性焦改性方法和改性活性焦的應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]城市污水的再生利用是解決當(dāng)前水資源日益短缺的有效途徑之一。我國(guó)很多城市已經(jīng)將城市污水再生利用率作為城市發(fā)展規(guī)劃的一項(xiàng)重要指標(biāo)，但由于城市污水水質(zhì)的復(fù)雜性及再生水回用的多途徑，以城市污水處理廠二級(jí)出水作為再生水水源的再生水系統(tǒng)的水質(zhì)安全性必須引起人們的足夠關(guān)注。再生水中的污染物種類較多，其中的的重金屬(如汞、鎘、鉛、鉻與金屬砷等)對(duì)地下水回灌、農(nóng)田灌溉等再生水回用途徑影響較大。
[0003]目前，膜生物反應(yīng)器以其出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)量少等特點(diǎn)在再生水深度處理中得到廣泛應(yīng)用。在膜生物反應(yīng)器中引入粉末活性炭，不僅可以通過粉末活性炭吸附提高對(duì)水中有機(jī)污染物的去除，而且可以通過吸附作用完成對(duì)水中重金屬的去除。但是前期應(yīng)用結(jié)果表明，粉末活性炭等吸附劑對(duì)水中重金屬離子的吸附效果有限。為了提高去除效果，可以對(duì)活性炭表面官能團(tuán)進(jìn)行氧化改性，增加活性炭表面酸性含氧官能團(tuán)(如羧基、酚羥基、酯基等)的含量，增強(qiáng)表面的親水性即極性，從而提高活性炭對(duì)極性物質(zhì)，包括水中重金屬離子的吸附性能。但是，粉末活性炭因其成本較高而限制其在工程中長(zhǎng)期使用?；钚越故且院置簽橹饕涎兄瞥龅囊环N外觀為暗黑色的多孔的含碳物質(zhì)，是沒有得到充分干餾或活化的活性炭吸附劑?；钚越钩杀据^粉末活性炭低得多，且對(duì)水中重金屬離子具有一定的吸附去除效果，但往往投量需要很高才能達(dá)到理想的去除效果。采用經(jīng)濟(jì)可行的方法對(duì)活性焦進(jìn)行改性，可以大幅提高重金屬吸附容量，從而降低投量和處理成本。
[0004]本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出一種對(duì)活性焦表面進(jìn)行改性方法，并針對(duì)再生水中重金屬去除難題，提出改性活性焦的在再生水處理中的應(yīng)用方法。本發(fā)明可應(yīng)用于城市污水廠二級(jí)出水深度凈化，也可應(yīng)用于以城市污水廠出水或雨水為水源的再生水處理工程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一是，提供一種提高活性焦對(duì)重金屬吸附效果的活性焦改性方法;
[0006]本發(fā)明的目的之二是，針對(duì)再生水中重金屬去除難題，提供一種利用改性活性焦吸附重金屬、之后利用浸沒式超濾膜過濾去除吸附重金屬的改性活性焦的應(yīng)用方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)原理在于，利用自由氯和強(qiáng)氧化性酸將活性焦表面烴基、醛、酮等官能團(tuán)氧化為酚羥基、羧基等，增加活性焦表面含氧酸性官能團(tuán)的含量，從而提高對(duì)重金屬離子的吸附容量；將改性活性焦投加到待處理水中，利用改性活性焦表面含氧酸性官能團(tuán)對(duì)重金屬的吸附、表面絡(luò)合、螯合等作用將水中溶解性重金屬吸持在表面，之后利用超濾膜的過濾截留作用將吸附了重金屬的改性活性焦截留去除，從而實(shí)現(xiàn)水中重金屬的去除。[0008]本發(fā)明涉及的活性焦改性方法是通過以下步驟完成的:
[0009]I)將活性焦進(jìn)行研磨、篩分，獲得顆粒尺寸在100目以上的活性焦；
[0010]2)利用去離子水或自來水配制自由氯濃度為2~20g/L的含氯溶液；在攪拌速度為40~80r/min的機(jī)械攪拌條件下，將活性焦置于含氯溶液中浸泡30~60min，撇除上清液；
[0011]3)在攪拌速度為60~100r/min的機(jī)械攪拌條件下，將氯氧化后的活性焦置于自來水中浸泡清洗15~60min，撇除上清液，如此重復(fù)3~5次；
[0012]4)將清洗后的活性焦在150~400°C條件下進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為2~24h ;
[0013]5)在攪拌速度為80~120r/min的機(jī)械攪拌條件下，將熱處理后的活性焦置于強(qiáng)氧化性酸溶液中浸泡4~24h，撇除上清液；
[0014]6)將強(qiáng)酸浸泡后的活性焦在200~300°C條件下加熱處理2~4h。[0015]本發(fā)明所述的強(qiáng)氧化性酸溶液是硝酸、硫酸、氯酸中的一種或一種以上的混合溶液。活性焦與強(qiáng)氧化性酸溶液的混合比例按照如下原則確定:當(dāng)強(qiáng)氧化性酸溶液中氫離子的摩爾濃度為大于等于Smol.L-1且小于10mol.h-1時(shí)，活性焦與強(qiáng)氧化性酸溶液的質(zhì)量比為大于等于1: 6且小于1: 10 ;當(dāng)強(qiáng)氧化性酸溶液中氫離子的摩爾濃度大于等于IOmol噸―1且小于Umol.!/1時(shí)，活性焦與強(qiáng)氧化性酸溶液的質(zhì)量比為大于等于1: 3且小于1: 6;當(dāng)強(qiáng)氧化性酸溶液中氫離子的摩爾濃度為大于等于Umol.!/1且小于14mol
時(shí)，活性焦與強(qiáng)氧化性酸溶液的質(zhì)量比為大于等于1:1且小于1: 3。
[0016]本發(fā)明涉及的利用上述改性活性焦吸附與浸沒式超濾膜過濾結(jié)合進(jìn)行再生水中重金屬處理的應(yīng)用方法，通過以下步驟完成:待處理水進(jìn)入浸沒式超濾膜池，向膜池中投加改性活性焦，待處理水中的重金屬吸附在改性活性焦表面；膜過濾區(qū)中的改性活性焦在抽吸泵形成的負(fù)壓的作用下在膜表面形成濾餅層，膜池水中的顆粒物和吸附了重金屬的改性活性焦在膜表面形成的濾餅層的截留過濾作用下得以去除；膜池中的水在抽吸泵的作用下穿過膜表面的濾餅層進(jìn)入出水管，并最終通過出水總管進(jìn)入清水池中；在膜池運(yùn)行過程中，空氣壓縮機(jī)可以持續(xù)或間歇地泵入壓縮空氣以提供溶解氧，并提供水力作用進(jìn)行混合攪拌和剪切擦洗動(dòng)態(tài)膜表面的附著物。
[0017]本發(fā)明所述的改性活性焦的投加量按照如下方法進(jìn)行確定，使得活性焦在所述的浸沒式超濾膜池中的停留時(shí)間為1d~12d，且改性活性焦的投加量范圍為10~100mg/L。
[0018]在膜組件運(yùn)行過程中需要定期進(jìn)行反沖洗。在膜組件進(jìn)行反沖洗時(shí)，膜反沖洗泵將膜組件過濾后的出水泵入膜組件內(nèi)側(cè)并向外側(cè)流出，附著在膜表面的污染物得以從膜表面脫離；膜組件反沖洗的周期為20~60min。
[0019]本發(fā)明可應(yīng)用于城市污水廠二級(jí)出水深度凈化中重金屬的去除，也可應(yīng)用于以城市污水廠出水或雨水為水源的再生水處理工程中重金屬的去除。
[0020]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)效果如下:
[0021]1.改性活性焦表面官能團(tuán)的親水性增強(qiáng)，使其對(duì)水中的極性物質(zhì)包括重金屬離子的吸附性能得以提高；所采用的改性方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)易行，相對(duì)于粉末活性炭可大幅降低處理成本；
[0022]2.無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模工程改造即可有效強(qiáng)化提高再生水廠膜處理工藝對(duì)水中重金屬離子的處理效果，方法簡(jiǎn)單，工程投資成本低，易于在工程中實(shí)現(xiàn)；[0023]3.使用操作過程簡(jiǎn)便，在再生水廠日常運(yùn)行管理基礎(chǔ)上無(wú)需增加復(fù)雜的額外操作；
[0024]4.采用藥劑為水處理中常用的凈水藥劑或凈水材料,成本低廉。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1
[0026]某再生水廠以城市污水廠二級(jí)出水為水源，采用的處理工藝為粉末活性炭吸附一外壓式超濾膜過濾。原水中鉛離子(Pb2+)含量為0.15mg/L，粉末活性炭投加量為30mg/L，但處理效果不理想，表現(xiàn)為膜出水中Pb2+含量較高，去除率僅為15%。
[0027]采用本發(fā)明的方法進(jìn)行活性焦改性:(I)將活性焦篩分得到尺寸為200~300目顆粒，然后將其置于2500mg/L的含氯溶液中攪拌浸泡60min，再用自來水反復(fù)浸泡清洗共60min，將清洗后的活性焦在300?！鉉條件下加熱IOh ; (2)硝酸溶液的氫離子濃度為Smol.Ι^，將活性焦與硝酸按照質(zhì)量比為1: 10的比例進(jìn)行攪拌混合15h，然后將浸泡后的活性焦在200°C條件下加熱2h，得到改性后的活性焦。
[0028]將改性后的活性焦按照30mg/L的投加量投入膜池，按照停留時(shí)間為7d，膜反沖洗周期為30min的參數(shù)運(yùn)行，此時(shí)測(cè)得膜出水中對(duì)鉛離子的去除率達(dá)到45%。
[0029]實(shí)施例2
[0030]某再生水廠以城市污水廠二級(jí)出水為水源，采用的處理工藝為膜生物反應(yīng)器，反應(yīng)器中投加粉末活性炭。原水中鉻離子(Cr3+)為0.25mg/L，粉末活性炭投加量為40mg/L，但處理效果不理想，表現(xiàn)為膜出水中Cr3+含量較高，去除率為20%。
[0031]采用本發(fā)明的方法進(jìn)行活性焦改性:(1)將活性焦篩分得到尺寸為200~300目顆粒，然后將其置于2000mg/L的含氯溶液中攪拌浸泡30min，再用自來水反復(fù)浸泡清洗共60min，將清洗后的活性焦在250?！鉉條件下加熱8h ; (2)硫酸溶液的氫離子濃度為12mol.L_\將活性焦與硫酸按照質(zhì)量比為1: 3的比例進(jìn)行攪拌混合12h，然后將浸泡后的活性焦在250。°C條件下加熱4h，得到改性后的活性焦。
[0032]將改性后的活性焦按照40mg/L的投加量投入膜池，按照停留時(shí)間為7d，膜反沖洗周期為30min的參數(shù)運(yùn)行，此時(shí)測(cè)得膜出水中對(duì)鉻離子的去除率達(dá)到52%。
[0033]實(shí)施例3
[0034]某再生水廠以城市污水廠二級(jí)出水為水源，采用的處理工藝為粉末活性炭吸附-外壓式超濾膜過濾。原水中鎘離子(Cd2+)為0.04mg/L，粉末活性炭投加量為40mg/L，但處理效果不理想，表現(xiàn)為膜出水中Cd2+含量較高，去除率為18%。
[0035]采用本發(fā)明的方法進(jìn)行活性焦改性:(I)將活性焦篩分得到尺寸為200~300目顆粒，然后將其置于5000mg/L的含氯溶液中攪拌浸泡30min，再用自來水反復(fù)浸泡清洗共60min，將清洗后的活性焦在300?！鉉條件下加熱12h ; (2)硫酸溶液的氫離子濃度為13mol.Ι^，將活性焦與硫酸按照質(zhì)量比為1: 2的比例進(jìn)行攪拌混合8h，然后將浸泡后的活性焦在200?！鉉條件下加熱4h，得到改性后的活性焦。
[0036]將改性 后的活性焦按照40mg/L的投加量投入膜池，按照停留時(shí)間為7d，膜反沖洗周期為30min的參數(shù)運(yùn)行，此時(shí)測(cè)得膜出水中對(duì)鎘離子的去除率達(dá)到47%。
[0037]實(shí)施例4[0038]某再生水廠以城市污水廠二級(jí)出水為水源，采用的處理工藝為粉末活性炭吸附一外壓式超濾膜過濾。原水中鉛離子(Pb2+)含量為0.26mg/L，粉末活性炭投加量為20mg/L，但處理效果不理想，表現(xiàn)為膜出水中Pb2+含量較高，去除率為10%。
[0039]采用本發(fā)明的方法進(jìn)行活性焦改性:(I)將活性焦篩分得到尺寸為200~300目顆粒，然后將其置于3000mg/L的含氯溶液中攪拌浸泡45min，再用自來水反復(fù)浸泡清洗共60min，將清洗后的活性焦在300?！鉉條件下加熱12h ; (2)硝酸溶液的氫離子濃度為Ilmol.Ι^，將活性焦與硝酸按照質(zhì)量比為1: 5的比例進(jìn)行攪拌混合12h，然后將浸泡后的活性焦在200。°C條件下加熱4h，得到改性后的活性焦。
[0040]將改性后的活性焦按照20mg/L的投加量投入膜池，按照停留時(shí)間為7d，膜反沖洗周期為30min的參數(shù)運(yùn)行 ，此時(shí)測(cè)得膜出水中對(duì)鎘離子的去除率達(dá)到38%。
【權(quán)利要求】
1.一種針對(duì)再生水中重金屬去除的活性焦改性方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將活性焦進(jìn)行研磨、篩分，獲得顆粒尺寸在100目以上的活性焦； 2)利用去離子水或自來水配制自由氯濃度為2~20g/L的含氯溶液；在攪拌速度為40~80r/min的機(jī)械攪拌條件下，將活性焦置于含氯溶液中浸泡30~60min，撇除上清液； 3)在攪拌速度為60~lOOr/rnin的機(jī)械攪拌條件下，將氯氧化后的活性焦置于自來水中浸泡清洗15~60min，撇除上清液，如此重復(fù)3~5次； 4)將清洗后的活性焦在150~400°C條件下進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為2~24h; 5)在攪拌速度為80~120r/min的機(jī)械攪拌條件下，將熱處理后的活性焦置于強(qiáng)氧化性酸溶液中浸泡4~24h，撇除上清液； 6)將強(qiáng)酸浸泡后的活性焦在200~300°C條件下加熱處理2~4h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性焦改性方法，其特征在于所述的強(qiáng)氧化性酸溶液是硝酸、硫酸或氯酸的一種或一種以上的混合溶液；活性焦與強(qiáng)氧化性酸溶液的混合比例按照如下原則確定: 當(dāng)強(qiáng)氧化性酸溶液中氫離子的摩爾濃度為大于等于8mol -T1且小于IOmol -T1時(shí)，活性焦與強(qiáng)氧化性酸溶液的質(zhì)量比為大于等于1: 6且小于1: 10; 當(dāng)強(qiáng)氧化性酸溶液中氫離子的摩爾濃度大于等于IOmol.L-1且小于12mol.L-1時(shí)，活性焦與強(qiáng)氧化性酸 溶液的質(zhì)量比為大于等于1:3且小于1:6; 當(dāng)強(qiáng)氧化性酸溶液中氫離子的摩爾濃度為大于等于12mol.L-1且小于14mol.L-1時(shí)，活性焦與強(qiáng)氧化性酸溶液的質(zhì)量比為大于等于1:1且小于1: 3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性焦改性方法獲得的改性活性焦的應(yīng)用方法，其特征在于通過以下步驟完成:1)待處理水進(jìn)入浸沒式超濾膜池，向膜池中投加改性活性焦，待處理水中的重金屬吸附在改性活性焦表面；2)膜過濾區(qū)中的改性活性焦在抽吸泵形成的負(fù)壓的作用下在膜表面形成濾餅層，膜池水中的顆粒物和吸附了重金屬的改性活性焦在膜表面形成的濾餅層的截留過濾作用下得以去除；3)膜池中的水在抽吸泵的作用下穿過膜表面的濾餅層進(jìn)入出水管，并最終通過出水總管進(jìn)入清水池中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改性活性焦的應(yīng)用方法，其特征在于改性活性焦的投加量按照如下方法進(jìn)行確定，使得活性焦在所述的浸沒式超濾膜池中的停留時(shí)間為Id~12d，且投加量范圍為10~100mg/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改性活性焦的應(yīng)用方法，其特征在于，所述的浸沒式超濾膜池的運(yùn)行過程中，空氣壓縮機(jī)可以持續(xù)或間歇地泵入壓縮空氣以提供溶解氧，并提供水力作用進(jìn)行混合攪拌和剪切擦洗動(dòng)態(tài)膜表面的附著物；浸沒式超濾膜運(yùn)行過程中需要定期進(jìn)行反沖洗；在進(jìn)行反沖洗時(shí)，反沖洗泵將膜過濾后的出水泵入膜內(nèi)側(cè)并向外側(cè)流出，附著在膜表面的污染物得以從膜表面脫離；膜的反沖洗周期為20~60min。
【文檔編號(hào)】B01J20/20GK103894151SQ201410151623
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】孫麗華, 張雅君, 馮萃敏, 許萍, 俞天敏 申請(qǐng)人:北京建筑大學(xué)