本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种地下水重金属去除装置及工艺。
背景技术：
21世纪以来，随着我国城市化进程的加快和工业的迅速发展，特别是矿产资源的开采和冶金等环节的不断推进，重金属对矿区地下水的污染日益严重，污染程度不断加剧，污染范围逐年扩大。矿区地下水重金属污染物主要有pb、cr、as、ni、hg、cu、zn等，重金属污染突发事件有一定的不可预见性和不可控制性，并对人民健康、生态环境及社会安全构成了严重威胁。国内外很多专题文献中都讨论了重金属去除过程的工程学问题以及他们的优缺点：氢氧化物沉淀方法简单，可以产生足够低的重金属浓度而被广泛使用；吸附/吸收作用过程简单，但并不能总是提供充分的选择性，其尾液需进一步处理；电化学方法、膜分离技术和溶剂萃取总是被应用于冶金制造等工业行业中，而不适用于相对稀释的大量污染地下水。在突发性地下水重金属污染事件中，根本消除其危害须使其重金属浓度迅速降低到微克每升的水平，现有技术由于其局限性和成本较高而难以被接受。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种地下水重金属去除装置及工艺，可使重金属浓度迅速降低到微克水平，实现重金属达到99％的去除；增强重金属的选择性，提高了目标重金属的回收与利用效率，特别是pb等有毒有害物质；进一步降低处理成本，便于重金属去除技术的进一步推广。
本发明第一方面提供了一种地下水重金属去除装置包括：依次连接的管式混合器、搅拌池、混合絮凝池、斜管沉淀池、离子交换反应池、膜蒸馏反应池；
所述管式混合器出口与搅拌池入口连通，所述搅拌池的出口与混合絮凝池内的混合罐底部连通，所述混合絮凝池侧壁底部开设有开口使混合絮凝池与斜管沉淀池内部空间连通，所述斜管沉淀池侧壁上部开设有开口使斜管沉淀池与离子交换反应池内部空间连通，所述离子交换反应池池体内部设置有离子交换树脂单元，所述离子交换反应池出口与膜蒸馏反应池底部入口采用水管连通，所述膜蒸馏反应池内设置有蒸馏膜组件、加热器，所述蒸馏膜组件与膜出水循环冷却单元连接，所述膜出水循环冷却单元包括与蒸馏膜组件出液口连接的出液管和与蒸馏膜组件回液口连接的回液管，所述出液管与第一抽吸泵连接，所述回液管与冷却液循环泵、冷却罐依次连接，所述出液管的出口与回液管、出水管入口连通。
本发明第二方面提供采用上述装置的地下水重金属去除工艺，步骤包括：将污水抽至管式混合器中被投加絮凝剂，再到搅拌池里混合均匀，然后在混合絮凝池中进行絮凝反应，形成较大颗粒絮体后进入斜管沉淀池完成固液分离，上清液在离子交换反应池中与离子交换树脂单元进行重金属离子的吸附与交换后，出水进入膜蒸馏反应池，并在蒸馏膜组件里利用加热装置和膜出水循环冷却单元形成的内外温差进行膜蒸馏反应，使水蒸气从蒸馏膜组件外侧进入内侧后经出液管流出，流出的水一部分经出水管流出，剩余部分的水流入冷却罐后经回液管进入蒸馏膜组件内侧，控制膜蒸馏反应池内温度45-55℃，冷却罐内温度10-15℃。
本发明的有益效果是：本发明通过(1)采用膜蒸馏和离子交换技术，利用蒸馏膜只允许水分子透过的特性和离子交换树脂对重金属的吸附性能，可以使重金属浓度迅速降低到微克水平，实现重金属99％的去除；通过絮凝将大颗粒絮体沉淀分离对污水进行初步净化，有利于后续离子交换中氨基酸树脂对pb2+等重金属离子的吸附效果及选择性，提高吸附效率，延长对氨基酸树脂进行脱附处理的处理周期，进行离子交换处理后的污水进行膜蒸馏的效率显著提高，膜污染减缓明显，各装置之间相互配合，紧密联系，污水处理效率相比于常规处理方式明显提高，并实现重金属99％的去除；(2)通过采用氨基酸树脂，增强了离子交换树脂去除重金属的选择性，进一步提高了目标重金属的回收与利用；(3)通过对清洁能源的利用，并提高改性氨基酸树脂重复利用率，进一步降低和节约了成本。
附图说明
图1为本发明提供的地下水重金属去除装置示意图；
其中，1为管式混合器、2为搅拌池、3为混合絮凝池、4为斜管沉淀池、41为挡板、42为斜板、43为斜管组、5为离子交换反应池、51为离子交换树脂单元、6为膜蒸馏反应池、61为蒸馏膜组件、62为加热器、63为反冲洗装置、7为膜出水循环冷却单元、71为出液管、72为回液管、73为第一抽吸泵、74为冷却液循环泵、75为冷却罐、8为出水管、9为温度监测仪、10为太阳能热源吸收装置、11为第二抽吸泵、12为进水泵、13为气体抽吸泵，14为膜出水在线监测管道。
具体实施方式
本发明第一方面提供了一种地下水重金属去除装置包括：依次连接的管式混合器、搅拌池、混合絮凝池、斜管沉淀池、离子交换反应池、膜蒸馏反应池；
所述管式混合器出口与搅拌池入口连通，所述搅拌池的出口与混合絮凝池内的混合罐底部连通，所述混合絮凝池侧壁底部开设有开口使混合絮凝池与斜管沉淀池内部空间连通，所述斜管沉淀池侧壁上部开设有开口使斜管沉淀池与离子交换反应池内部空间连通，所述离子交换反应池池体内部设置有离子交换树脂单元，所述离子交换反应池出口与膜蒸馏反应池底部入口采用水管连通，所述膜蒸馏反应池内设置有蒸馏膜组件、加热器，所述蒸馏膜组件与膜出水循环冷却单元连接，所述膜出水循环冷却单元包括与蒸馏膜组件出液口连接的出液管和与蒸馏膜组件回液口连接的回液管，所述出液管与第一抽吸泵连接，所述回液管与冷却液循环泵、冷却罐依次连接，所述出液管的出口与回液管、出水管入口连通。
优选的，所述蒸馏膜组件为板框式组件，蒸馏膜采用疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜。蒸馏膜两侧溶液不能通过疏水性膜(疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜)，但水蒸气可以在该膜中通过其微孔孔隙进行自由传输，分离效率高。
优选的，所述膜蒸馏反应池内部位于蒸馏膜组件下方设置有反冲洗装置。具体的，在本发明的一个实施例中，反冲洗装置通过利用空气来进行膜面冲刷，间歇运行，减缓膜污染。
优选的，所述膜蒸馏反应池内部与温度监测仪连接，所述加热器与太阳能热源吸收装置连接。通过对太阳能这一清洁能源的利用，降低了处理成本。通过设置温度监测仪对膜蒸馏反应池内部温度进行检测，当加热装置温度和膜蒸馏生物反应池内温度水温差△t达到预定值时，循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到反应池中，使反应池内的水达到设定的温度。
优选的，所述离子交换树脂单元采用氨基酸树脂。
更加优选的，所述离子交换反应池内设置有两组离子交换树脂单元，一组运行一组备用，所述离子交换树脂单元为中空的腔体结构，腔体外壁为6～8层离子交换树脂层，每层厚度为0.3～0.5米，每组离子交换树脂单元出口均与膜蒸馏反应池入口采用水管连通，所述水管上设置有第二抽吸泵。
所述斜管沉淀池底部垂直于底面设置有挡板，所述挡板的上表面高于混合絮凝池侧壁开口的上表面，挡板的靠近混合絮凝池的一侧设置有一斜板，所述斜板与水平面的夹角为50-60°。
所述斜管沉淀池内部位于挡板上方设置有斜管组，所述斜管组由长度1-1.2m，倾斜角60°的多根斜管组成；所述斜管沉淀池内底面为圆弧面。
优选的，所述管式混合器入口与进水泵连通，所述反冲洗装置与气体抽吸泵连接，所述出水管与膜出水在线监测管道连接。
本发明第二方面提供了采用上述装置的地下水重金属去除工艺，步骤包括：将污水抽至管式混合器中被投加絮凝剂，再到搅拌池里混合均匀，然后在混合絮凝池中进行絮凝反应，形成较大颗粒絮体后进入斜管沉淀池完成固液分离，上清液在离子交换反应池中与离子交换树脂单元进行重金属离子的吸附与交换后，出水进入膜蒸馏反应池，并在蒸馏膜组件里利用加热装置和膜出水循环冷却单元形成的内外温差进行膜蒸馏反应，使水蒸气从蒸馏膜组件外侧进入内侧后经出液管流出，流出的水一部分经出水管流出，剩余部分的水流入冷却罐后经回液管进入蒸馏膜组件内侧，控制膜蒸馏反应池内温度45-55℃，冷却罐内温度10-15℃。
下面将结合具体实施例对本发明提供的一种地下水重金属去除装置及工艺予以进一步说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的实验材料如无特殊说明，均为市场购买得到。
一种地下水重金属去除装置，包括：依次连接的管式混合器1、搅拌池2、混合絮凝池3、斜管沉淀池4、离子交换反应池5、膜蒸馏反应池6。
所述管式混合器1的入口与进水管连接，所述进水管与进水泵12相连，所述管式混合器1出口与搅拌池2入口通过水管连通。所述搅拌池2内顶部设置有机械搅拌器，所述搅拌池2底部的出口与混合絮凝池3内的混合罐31底部通过水管连通。
所述混合絮凝池3侧壁底部开设有开口使混合絮凝池3与斜管沉淀池4内部空间连通。所述斜管沉淀池4底部垂直于底面设置有挡板41，所述挡板41的上表面高于混合絮凝池3侧壁开口的上表面，挡板41的靠近混合絮凝池3的一侧设置有一斜板42，所述斜板42与水平面的夹角为50-60°。所述挡板41、斜板42形成一推流区，使经过的水流推至斜管沉淀池4内上部与斜管组43接触，所述斜管组43设置于斜管沉淀池4内部且位于挡板41上方，所述斜管组43由长度1-1.2m，倾斜角60°的多根斜管组成；所述斜管沉淀池4内底面为圆弧面。所述斜管沉淀池4侧壁上部开设有开口使斜管沉淀池4与离子交换反应池5内部空间连通。
所述离子交换反应池5池体内部设置有离子交换树脂单元51，所述离子交换反应池5内设置有两组离子交换树脂单元a、b，一组运行一组备用，所述离子交换树脂单元51均为中空的腔体结构，腔体外壁为6～8层离子交换树脂层，所述离子交换树脂51采用氨基酸树脂，每层厚度为0.3～0.5米，每组离子交换树脂单元51出口均与膜蒸馏反应池6底部入口采用水管连通，所述水管上设置有第二抽吸泵11。
所述膜蒸馏反应池6内设置有蒸馏膜组件61、加热器62、反冲洗装置63。所述蒸馏膜组件6为板框式组件，蒸馏膜采用疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜，本实施例中采用疏水性氟乙烯pvdf膜。所述蒸馏膜组件61与膜出水循环冷却单元7连接，所述膜出水循环冷却单元7包括与蒸馏膜组件61出液口连接的出液管71和与蒸馏膜组件61回液口连接的回液管72，所述出液管71与第一抽吸泵73连接，所述回液管72与冷却液循环泵74、冷却罐75依次连接，所述出液管71的出口与回液管72、出水管8的入口连通，所述出水管8与膜出水在线监测管道14连接。所述膜蒸馏反应池6内部位于蒸馏膜组件61下方设置有反冲洗装置63，蒸馏膜组件61和反冲洗装置63分别通过膜蒸馏反应池6底部钢架支撑来固定。具体的，反冲洗装置63通过管线上的曝气孔来对膜面进行气体冲洗，所述反冲洗装置63与气体抽吸泵13连接，间歇运行，减缓膜污染。所述加热器62与太阳能热源吸收装置10连接，所述膜蒸馏反应池6内部与温度监测仪9连接。
基于上述装置进地下水重金属去除，工艺步骤包括：
所述重金属污染地下水经进水泵12进入管道，并在管式混合器1里被投加絮凝剂(pac)，投加的混凝剂(pac)在搅拌池内的机械搅拌器2的作用下与地下水迅速混合；迅速混合后的地下水通过连通管道从搅拌池2下端进入絮凝反应池3，在混合罐31的作用下由下至上，向四周流动，形成较大颗粒絮体后从絮凝反应池3底部由推流区进入斜管沉淀池4；所述斜管43上部水深为0.5-1.0m，进入沉淀池4的地下水通过斜管组43完成固液分离，地下水上清液通过矩形堰进入离子交换反应池5，其内的离子交换树脂单元51分为a、b两组，一组运行一组备用。所述离子交换树脂单元51采用的改性氨基酸离子树脂为一种改性树脂，该树脂具有对pb2+等吸附量可达0.5mol/g，且利用硝酸脱附率最高可达95％以上，可以重复使用，制备方法原料易得、成本低、反应条件温和、对环境无污染。地下水在改性氨基酸离子树脂单元51内完成重金属离子的吸附与交换后经第二抽吸泵11进入膜蒸馏反应池6，并在蒸馏膜组件61里利用太阳能加热器62和膜出水循环冷却单元7形成的内外温差下实现膜蒸馏反应，从而使水蒸气从膜外侧进入内侧，并通过第一抽吸泵73流出，流出的地下水一部分通过膜出水在线监测管道14出水，一部分在冷却循环泵74作用下进入冷却罐75，并流入蒸馏膜组件61内侧，从而保证了冷却循环系统的正常运行。其中，太阳能加热装置62(太阳能集热器)热能+由太阳能热源吸收装置10通过吸收太阳能后提供；所述蒸馏膜反应池6内的环境温度t维持在45-55℃，冷却系统温度t维持在10-15℃。蒸馏膜组件61采用疏水性氟乙烯pvdf膜或聚丙烯pp膜。所述太阳能加热器62采用温差控制集热原理，当太阳能热源吸收装置10吸收太阳能辐射后，加热器温度上升，达到加热器62温度和膜蒸馏生物反应池6温度水温差△t设定值时，检测系统发出指令，太阳能集热器内部自带循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到膜蒸馏反应池6中，使膜蒸馏反应池6内的水达到设定的温度，所有这些过程均采用数字电脑自动化控制模式。所述膜蒸馏系统，主要包括膜出水循环冷却单元7、太阳能加热系统和蒸馏膜组件61；它是一种低温干馏过程，涉及水在汽相中的输送；蒸馏膜两侧溶液不能通过疏水性膜(疏水性氟乙烯pvdf膜)，但水蒸气可以在该膜中通过其干微孔孔隙进行自由传输；此外，蒸馏膜两侧溶液存在较高的温度差，这样为膜蒸馏过程的实现提供了有利条件；膜蒸馏可以在常温下进行，设备简单，操作方便，且膜蒸馏具有分离效率高，低结垢倾向，潜在能耗低等优点。所述反冲洗装置63通过利用空气来进行膜面冲刷，每运行6分钟，停止2分钟，间歇运行，减缓膜污染。
采用上述工艺对湖北某重金属污染地区地下水进行处理，地下水除重金属外均满足地下水ⅲ类标准，其中进水pb离子浓度为0.12mg/l,mn离子浓度为1.60mg/l,cd离子浓度为0.005mg/l，cu离子浓度为0.025mg/l,zn离子浓度为0.005mg/l，进水温度为16-20℃。
试验运行中，蒸馏膜反应池水温度(t)为45-55℃，冷却系统温度t维持在10-15℃，ph为6.5-7.0，反应器持续运行，初始膜通量为14-18l/m2h。交换吸附池a和b交替使用，其采用的改性氨基酸离子树脂有对pb2+等吸附量可达0.5mol/g。
试验出水结果为：pb离子浓度为0.001mg/l,mn离子浓度为0.02mg/l,，其他重金属离子均未检出，结果显示，污水中pb离子的去除率达到了99.1％，mn离子去除率达到98.7％，实现了pb等离子99％去除与回收。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。