专利名称：一种生物去除地下水中金属镉的装置及方法
技术领域：
一种生物去除地下水中金属镉的装置及方法，适用于地下水中金属镉的去除，属于地下水净化技术领域。
背景技术：
镉是一种剧毒污染物，它对人体的肾脏、呼吸系统、生殖系统、骨骼具有很强的毒害作用。近几年，我国已经发生了多起镉污染事件，严重影响群众健康:2006年湘江湖南株洲段镉污染、2009年湖南省浏阳市镉污染、2012年广西龙江镉污染等，其中广西龙江的镉污染事件波及下游约300公里河段，镉含量超《地表水环境质量标准》III类标准约80倍，在国内历次镉污染事件中是罕见的。据环保部公布的2010年《环境统计年报》数据显示，2010年全国镉的排放量为30.1吨，对我国的地下水环境造成严重的污染，因此对于地下水中金属镉的治理刻不容缓。现阶段国内外针对地下水中镉污染的处理方法主要有化学沉淀法、吸附法和离子交换法等。化学沉淀法需要将PH值提高到11时才会有明显的除镉效果，需要再加酸回调PH值，这样消耗大量的化学药剂，处理成本高。吸附法是利用多孔的固体材质，使水中的镉吸附在固体吸附剂的表面而去除，但是吸附剂对镉离子选择性差，吸收率不高。交换法虽然处理工艺简单、除镉效果好，但是受材料的限制，且处理成本高。到目前为止，针对地下水中金属镉的去除，除上述技术之外，尚无更好的技术和方法。利用微生物处理镉的技术是目前除镉等重金属的新兴技术和科研前沿。在处理含镉等重金属的地下水时，微生物及其代谢产物可以对其进行吸附分离，具有投资小、能耗低、处理效率高、无二次环境污染等优点，对于良好生态环境的维持，尤其是对地下水环境的修复是很重要的。水中镉污染可分为两种类型,第一类为工矿企业综合废水,该类废水中镉污染浓度范围一般在lmg/L至20mg/L ;第二类为受镉污染的地下水，该类水体中镉浓度一般在0.005-0.lmg/L范围内。本发明针对第二类镉污染问题，处理目标为饮用水卫生标准，含镉的地下水经过生物滤池，出水镉浓度低于0.005mg/L，满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中对水中金属镉含量的要求。本方法可以有效的治理地下水中镉污染的问题，对水环境的改善具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有传统地下水除镉工艺的缺陷，提供一种利用微生物技术来去除地下水中的金属镉。该方法过程简单、高效、能耗低。在本发明的实验条件下，使用含有铁、锰氧化细菌的生物滤池处理含镉的地下水可以满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中对金属镉的含量要求。锰氧化细菌将Mn2+和Fe2+分别氧化为新生态二氧化锰和铁的氧化物，二者对大多数重金属均具有吸附作用，金属镉被生成的新生态二氧化锰及铁的氧化物吸附，从而将镉从地下水中去除。在Mn2+、Fe2+不足时补加一定量的锰盐和铁盐(一般保证原水中Mn2+的浓度不低于0.5mg/L, Fe2+浓度不低于0.2mg/L)，无需再投加其他化学药剂。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:一种生物去除地下水中金属镉的装置，其特征在于，原水跌水曝气池②连接有含镉的地下水进水管①，从跌水曝气池②连接的生物滤池进水管③通过锰盐铁盐投加装置④(在锰、铁离子不够用时，才采用此进行外加)与除铁除锰生物滤池⑤相连，除铁除锰生物滤池⑤连接有出水管⑧、反冲洗进水管⑨和溢流管⑩，其特征在于具体步骤如下:首先将含镉的地下水通过进水管①加入跌水曝气池②，通过②对地下水进行跌水曝气，来提高水中的溶解氧，保证水中溶解氧DO在4 5mg/L，通过生物滤池进水管③进入除铁除锰生物滤池⑤，在锰盐、铁盐不足时通过④进行补加，经过生物滤池⑤通过生物反应由出水管⑧排出，即完成对含镉地下水的处理过程。达到水质过滤周期后，实施反冲洗过程。反冲洗利用处理后水通过反冲洗进水管⑨对除铁除锰生物滤池⑤进行反冲，经过溢流管⑩排出，即完成生物滤池的反冲洗过程。除铁除锰生物滤池⑤内上方为活性填料滤层载体⑥，下部为砾石承托层⑦。一种生物去除地下水中金属镉的方法，包括以下步骤:(I)生物滤池的建立生物滤池，滤层载体填料采用富含有铁、锰氧化细菌的滤料或通过细菌包埋制作的含铁、锰氧化细菌的活性生物填料，优选滤料或填料中铁、锰氧化细菌不低于IO6个/Cm3 ；(2)生物滤池的曝气连续通入原水 并对原水进行曝气充氧，一般可以采用喷淋曝气、跌水曝气等，溶解氧控制在4 5mg/L。(3)铁锰氧化细菌活性填料的驯化活性填料的驯化:采用连续通入原水即含有镉、锰、铁的原水，原水水质pH:6.0
8.0 ’温度11 33°C，锰的浓度不低于为0.5mg/L，铁浓度不低于0.2mg/L，起始流量为设计流量的50%，通过取样来检测出水镉、锰、铁的含量，随着出水中镉、锰、铁含量的不断降低，逐步提高原水的进水流量直至设计流量，当连续7天内出水中镉的含量不高于0.005mg/L,锰的含量不高于0.05mg/L，铁的含量不高于0.lmg/L时，即认为活性填料驯化完成；此为常规的驯化操作方法，如刚开始情况下出水镉、锰、铁的含量降低比较快，一般每降低20-30%，则增加10-15%的原水流量，随着镉、锰、铁的含量降低则原水的增加量也逐渐减少，最终使得出水的镉离子的含量不大于0.005mg/L，锰的含量不高于0.05mg/L，铁的含量不高于0.lmg/L时，且保证出水中各金属的含量7天不变，则驯化成功。(4)镉的去除含镉的原水经曝气后流经生物滤池时，通过生物滤池中的铁、锰氧化细菌的作用，将Mn2+和Fe2+氧化为新生态二氧化锰及铁的氧化物，镉被生成的新生态的二氧化锰及铁的氧化物吸附，截留在生物滤料层中，从而将金属镉去除；滤池截留下来的镉、二氧化锰及铁的氧化物，通过滤池的反冲洗过程实现清除。优选滤池过滤的滤速为5-10m/h。生物滤池的反冲洗:当生物滤池运行达到水质周期时，对生物滤池进行反冲洗。利用滤池的反冲洗过程实现细菌残体及截留物的清除，维持好氧生物滤池生物量的平衡及系统的正常运行。本发明的优点:1、生物滤池只需在原水中锰、铁离子不足时补加锰盐和铁盐，无需再投加其它药剂(一般情况下保证进入生物滤池中的Mn2+的含量不低于0.5mg/L, Fe2+的含量不低于0.2mg/L) ;2、利用生物滤池对难溶物的截留性能直接将滤层中的镉去除，工艺过程简单，只需要一级生物过滤过程，处理成本低，不需要其他附属设备；3、本发明出水镉低于0.005mg/L，满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中对金属镉含量的要求。
图1为一种生物去除地下水中镉的方法的工艺流程图。图1中①地下水进水管；②跌水曝气池；③生物滤池进水管；@锰盐铁盐投加； 除铁除锰生物滤池；⑥活性锰砂填料滤层载体；⑦砾石承托层出水管；⑨反冲洗进水
管；⑩溢流管。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述:一种生物去除地下水中镉的方法，采用的装置如图1所示，与跌水曝 气池②连接的含镉的地下水进水管①、从跌水曝气池②连接的生物滤池进水管③通过锰盐铁盐投加装置④(在锰、铁离子不够用时，才采用此进行外力口)与除铁除锰生物滤池⑤相连，除铁除锰生物滤池⑤连接有出水管⑧、反冲洗进水管⑨和溢流管⑩，其特征在于具体步骤如下:首先将含镉的地下水通过进水管①加入跌水曝气池
②，通过②对地下水进行跌水曝气，来提高水中的溶解氧，保证水中溶解氧DO在4 5mg/L,通过生物滤池进水管③进入除铁除锰生物滤池⑤，在锰盐、铁盐不足时通过④进行补加，经过生物滤池⑤通过生物反应由出水管⑧排出，即完成对含镉地下水的处理过程。达到水质过滤周期后，实施反冲洗过程。反冲洗利用处理后水通过反冲洗进水管
⑨对除铁除锰生物滤池⑤进行反冲，经过溢流管⑩排出，即完成生物滤池的反冲洗过程。除铁除锰生物滤池⑤内上方为活性锰砂填料⑥，下部为砾石承托层⑦。下面结合实施案例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1原水Cd2+ 浓度为 0.5mg/L,Mn2+ 浓度为 0.5mg/L,Fe2+ 浓度为 0.2mg/L,pH 为 7 8,温度为11 14°C，生物滤池载体为富含有大量铁锰氧化细菌的锰砂，粒径为0.8 1.5mm,滤层厚度为1.2m,承托层为鹅卵石，粒径为5 15mm,厚度为0.3m。滤池过滤的滤速为7m/h,反冲洗强度为10L/m2 s,反冲洗历时为3 4min,反冲洗周期为3天。出水镉浓度(0.005mg/L，去除率为99%以上。并且金属镉、锰、铁的含量均满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。
权利要求
1.一种生物去除地下水中金属镉的装置，其特征在于，跌水曝气池②连接有含镉的地下水进水管①，从跌水曝气池②连接的生物滤池进水管③通过锰盐铁盐投加装置④与除铁除锰生物滤池⑤相连，除铁除锰生物滤池⑤连接有出水管⑧、反冲洗进水管⑨和溢流管⑩，除铁除锰生物滤池⑤内上方为活性锰砂填料滤层载体⑥，下部为砾石承托层⑦。
2.利用权利要求1的装置去除地下水中金属镉的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)生物滤池的建立 生物滤池，滤层载体填料采用富含有铁、锰氧化细菌的滤料或通过细菌包埋制作的含铁、锰氧化细菌的活性生物填料，优选滤料或填料中铁、锰氧化细菌不低于IO6个/cm3 ； (2)生物滤池的曝气 连续通入原水对生物滤池进行曝气充氧，一般可以采用喷淋曝气、跌水曝气等，溶解氧控制在4 5mg/L ； (3)铁锰氧化细菌活性填料的驯化 活性填料的驯化:采用连续通入原水即含有镉、锰、铁的原水，原水水质pH:6.0 8.0 ;温度11 33°C，锰的浓度不低于为0.5mg/L，铁浓度不低于0.2mg/L，起始流量为设计流量的50%，通过取样来检测出水镉、锰、铁的含量，随着出水中镉、锰、铁含量的不断降低，逐步提高原水的进水流量直至设计流量，当连续7天内出水中镉的含量不高于0.005mg/L，锰的含量不高于0.05mg/L，铁的含量不高于0.lmg/L时，即认为活性填料驯化完成； (4)镉的去除 含镉的原水流经生物滤池时，通过生物滤池中的铁、锰氧化细菌的作用，将Mn2+和Fe2+氧化为新生态二氧化锰及铁的氧化物，镉被生成的新生态的二氧化锰及铁的氧化物吸附，截留在生物滤料层中，从而将金属镉去除；滤池截留下来的镉、二氧化锰及铁的氧化物，通过滤池的反冲洗过程实现清除。
3.按照权利要求2的方法，其特征在 于，滤池过滤的滤速为5-10m/h。
全文摘要
一种生物去除地下水中金属镉的装置及方法，属于地下水净化技术领域。主要包括跌水曝气池和除铁除锰生物滤池，生物滤池中滤层载体含有铁、锰氧化细菌，连续通入原水对生物滤池进行曝气充氧，并对铁锰氧化细菌活性填料进行驯化，含镉曝气后的原水流经生物滤池时，通过生物滤池中的铁、锰氧化细菌的作用，将Mn2+和Fe2+氧化为新生态二氧化锰及铁的氧化物，镉被生成的新生态的二氧化锰及铁的氧化物吸附，截留在生物滤料层中，从而将金属镉去除。本发明无需再投加其它药剂，本发明工艺过程简单，只需要一级生物过滤过程，处理成本低。
文档编号C02F3/00GK103193312SQ201310128680
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者杨宏, 吴宣, 谭科艳, 顾运, 杜强强, 胡希佳, 尚海源, 陶慕翔, 赵月兰, 王玉洁, 姚仁达 申请人:北京工业大学