一种利用好氧颗粒污泥去除和回收有机酸废水中阳离子重金属的装置的制作方法

本实用新型属于水处理设备领域，具体涉及一种利用好氧颗粒污泥去除和回收有机酸废水中阳离子重金属的装置。

背景技术：

含重金属的废水主要来源于矿冶、机械制造、化工、电子等工业生产过程，是对水体污染最严重和对人类危害最大的废水之一。研究废水中重金属的去除和回收对环境和人类自身有着重要作用。

传统的废水处理工艺，通过吸附、沉淀等方法将废水中的重金属转移至固体物质中，消耗大量化学试剂，产生大量含有重金属的固体废弃物，然而这些固体废弃物中重金属含量往往比较低，并不具有回收利用的价值，填埋处理又可能出现再次释放、污染环境的情况。此外，传统处理方法中，一个反应器单元往往只能处理一类污染；针对复合污染物污染的废水，需要串联一系列的反应器单元，才能将污染物逐一去除，这不仅增加了工艺的复杂性，也增加了反应器制造和运行成本。

因此设计一种能同时去除废水中的有机物和重金属，并且能有效回收重金属的装置和方法很有必要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决同时去除废水中有机物和重金属，并且在不排泥的条件下高效回收废水重金属的难题。

本实用新型装置的核心基础在于：通过实验发现阳离子重金属能在好氧颗粒污泥的表面形成沉淀微球(重金属主要以碳酸盐、氢氧化物、氧化物等形式存在)，这些沉淀微球在大的水力扰动下，可以从好氧颗粒污泥表面脱落，利用两者尺寸不同的特征，可以用筛网将两者分开，实现重金属与污泥的有效分离，沉淀微球可用于重金属的回收，污泥可用于再次处理废水。好氧颗粒污泥与重金属沉淀微球示意图如图1所示。

本实用新型具体采用的技术方案如下：

一种利用好氧颗粒污泥去除和回收有机酸废水中阳离子重金属的装置，包括调节罐和反应罐；

所述调节罐主体为调节罐罐体，调节罐罐体上端设有搅拌电机、调节罐ph电极、碱液进液管、调节罐进水管，搅拌电机通过搅拌杆连接搅拌桨，碱液进液管上设有碱液进液泵，调节罐进水管上设有调节罐进水泵，所述的搅拌桨、调节罐ph电极、碱液进液管、调节罐进水管均伸入调节罐罐体内部；调节罐罐体侧面底部设有调节罐出水管；调节罐罐体下端设有调节罐泥斗，调节罐泥斗底部设有调节罐泥斗阀门；

所述反应罐主体为反应罐罐体，反应罐罐体内部上端设有反应罐ph电极；反应罐罐体侧面中部设有反应罐出水管，反应罐出水管上安装有电磁阀；反应罐罐体下部设有沿横截面方向分隔罐体内腔的分离筛，分离筛上方设有第一曝气头，第一曝气头通过第一气管连接第一气泵，分离筛下方设有第二曝气头，第二曝气头通过第二气管连接第二气泵；反应罐罐体下端设有反应罐泥斗，反应罐泥斗内部在第二曝气头下方设置有沉淀防扰器，沉淀防扰器为与反应罐罐体同轴设置的圆锥形，且沉淀防扰器的底面与反应罐泥斗内部之间留有环形的缝隙；反应罐泥斗底部连接反应罐进水管，反应罐进水管通过反应罐进水泵与调节罐出水管连接。

作为优选，所述的调节罐罐体为圆筒形，高径比为1.5～2.5：1，材质为不锈钢。

作为优选，所述的调节罐泥斗为漏斗形，上部为倒置圆锥形，下部为圆柱形，材质为不锈钢；上部圆锥侧边母线与圆锥轴线的夹角为30～50°，圆锥底部直径等于调节罐罐体直径，并通过焊接连接。

作为优选，所述的反应罐罐体为圆筒形，高径比为3～5：1，材质为不锈钢。

作为优选，所述的反应罐泥斗为漏斗形，上部为倒置圆锥形，下部为圆柱形，材质为不锈钢；上部圆锥侧边母线与圆锥轴线的夹角为30～50°，圆锥底部直径等于反应罐罐体直径，并通过焊接连接。

作为优选，所述的分离筛为圆形，周向固定于反应罐罐体内壁上，筛网目数为30～50目，材质为不锈钢；分离筛与反应罐罐体底端距离为20～200mm。

作为优选，所述的沉淀防扰器的圆锥侧边母线与圆锥轴线的夹角为40～50°，材质为不锈钢；沉淀防扰器底部边缘与反应罐泥斗内壁间隔距离为10～100mm。

作为优选，所述的反应罐出水管内径为10～50mm，与分离筛的距离和反应罐罐体高度之比为0.3～0.5：1。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果如下：

1)利用好氧颗粒污泥在一个反应器内同时去除废水中的有机物和阳离子重金属两类不同的污染物，有机酸(比如醋酸、柠檬酸等)的生物降解，大幅提高溶液ph值和碱度(碳酸根和碳酸氢根)，促进溶液中阳离子重金属的沉淀析出；另一方面，重金属的沉淀析出，降低重金属的生物有效性，解除重金属对生物过程的抑制，有利于有机物的进一步降解。

2)含有有机酸的废水往往ph值较低，本实用新型利用有机酸生物降解的自产碱作用，进水只需将ph调至4.0以上，便可高效、稳定地去除污染物，大幅减少酸性废水处理中碱的用量。

3)利用阳离子重金属在好氧颗粒污泥表面形成微球沉淀的特征，增大扰动可以使重金属沉淀微球脱落，及时将重金属沉淀排出反应器，减少重金属再次释放风险，并且微球沉淀中重金属含量较高，具有回收价值，解决重金属吸附污泥的处置问题(传统生物方法通过吸附方式去除废水重金属，只能通过排泥将重金属排出反应器，未及时排出的吸附有重金属的污泥具有二次释放风险，并且吸附有重金属的污泥处置成本较高)。

4)第二曝气头设置于分离筛的下方，一方面可以使曝气更加均匀，另一方面可以防止分离筛筛孔被颗粒污泥或生物膜堵塞。

5)本实用新型可以结合自控设备实现自动运行，降低运行成本，减少药剂浪费，增加反应器的运行效率以及不同部件之间的协调性，比如曝气泵的脉冲式开启可以促进重金属沉淀微球的脱落，并节省电力消耗。

附图说明

图1为好氧颗粒污泥与金属沉淀微球示意图；

图2.为一种利用好氧颗粒污泥去除和回收有机酸废水中阳离子重金属装置的结构示意图；

图3为调节罐的结构示意图；

图4为反应罐的结构示意图；

图5为调节罐和反应罐运行周期示意图；

图6为另一实施例中装置整体与控制柜的连接示意图。

图中：1、调节罐；2、反应罐；3、控制柜；4、控制线缆；1.1、调节罐罐体；1.2、搅拌电机；1.3、搅拌杆；1.4、搅拌桨；1.5、调节罐ph电极；1.6、碱液进液管；1.7、调节罐进水管；1.8、碱液进液泵；1.9、调节罐进水泵；1.10、调节罐出水管；1.11、调节罐泥斗；1.12、调节罐泥斗阀门；2.1、反应罐罐体；2.2、反应罐ph电极；2.3、反应罐出水管；2.4、电磁阀；2.5、分离筛；2.6、第一曝气头；2.7、第一气管；2.8、第一气泵；2.9、第二曝气头；2.10、第二气管；2.11、第二气泵；2.12、反应罐泥斗；2.13、沉淀防扰器；2.14、反应罐泥斗阀门；2.15、反应罐进水管；2.16、反应罐进水泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图2所示，本实施例中的一种利用好氧颗粒污泥去除和回收有机酸废水中阳离子重金属的装置，主要包括调节罐1和反应罐2两大部分。

如图3所示，其中调节罐1主体为调节罐罐体1.1，调节罐罐体1.1上端设有搅拌电机1.2、调节罐ph电极1.5、碱液进液管1.6、调节罐进水管1.7。搅拌电机1.2的输出轴通过搅拌杆1.3连接搅拌桨1.4，通过搅拌电机的旋转带动搅拌桨1.4旋转，用于对罐内的液体进行搅拌混合。碱液进液管1.6上设有碱液进液泵1.8，调节罐进水管1.7上设有调节罐进水泵1.9，碱液进液泵1.8和调节罐进水泵1.9的进口分别连接碱液存储罐和待处理的废水存储罐/池体，用于根据工艺需要向调节罐罐体1.1内添加碱液或者泵入废水。搅拌桨1.4、调节罐ph电极1.5、碱液进液管1.6、调节罐进水管1.7均伸入调节罐罐体1.1内部，且搅拌桨1.4、调节罐ph电极1.5的检测端需要位于罐体内液面以下。调节罐罐体1.1侧面底部设有调节罐出水管1.10，用于将反应沉淀后的上清液排出罐体进入后续工艺。调节罐出水管1.10上应当设置泵或者电磁阀，控制其管路通断。调节罐罐体1.1下端设有调节罐泥斗1.11，调节罐泥斗1.11底部设有调节罐泥斗阀门1.12。调节罐罐体1.1中的沉淀物在重力作用下滑落至调节罐泥斗1.11中存储，当需要排泥时可以打开调节罐泥斗阀门1.12使沉淀排出。

如图4所示，其中反应罐2主体为反应罐罐体2.1，反应罐罐体2.1内部上端设有反应罐ph电极2.2，反应罐ph电极2.2的检测端需要位于罐体内液面以下，以监控内部废水的ph。反应罐罐体2.1侧面中部设有反应罐出水管2.3，反应罐出水管2.3上安装有电磁阀2.4，通过电磁阀2.4控制出水管2.3的通断。根据图1所示的原理，由于通过实验发现阳离子重金属能在好氧颗粒污泥的表面形成沉淀微球(重金属主要以碳酸盐、氢氧化物、氧化物等形式存在)，这些沉淀微球在大的水力扰动下，可以从好氧颗粒污泥表面脱落，利用两者尺寸不同的特征，可以用筛网将两者分开，实现重金属与污泥的有效分离。因此本装置中，反应罐罐体2.1下部水平设有沿横截面方向分隔罐体内腔的分离筛2.5，分离筛2.5上具有筛孔，筛孔的孔径需要满足能够使重金属沉淀微球通过但好氧颗粒污泥无法通过。其具体的筛孔孔径需要结合所采用的好氧颗粒污泥以及污泥上的沉淀微球直径而定。分离筛2.5上方设有第一曝气头2.6，第一曝气头2.6连接有第一气管2.7，第一气管2.7上设有第一气泵2.8，第一气泵2.8鼓入的空气通过第一气管2.7和第一曝气头2.6进入分离筛2.5上方的反应罐罐体2.1内腔中。分离筛2.5下方设有第二曝气头2.9，第二曝气头2.9连接有第二气管2.10，第二气管2.10上设有第二气泵2.11，第二气泵2.11鼓入的空气通过第二气管2.10和第二曝气头2.9进入分离筛2.5下方的反应罐罐体2.1内腔中。由于要使沉淀微球从好氧颗粒污泥表面脱落需要足够大的水力扰动，因此第一曝气头2.6选型时应当选用大流量曝气头，同时第一气管2.7和第一气泵2.8也需要适用性考虑采用支持大流量曝气的设备。而且第一曝气头2.6优选采用脉冲式的曝气方式，这种瞬时大流量的曝气方式能够更有效地促使沉淀微球从好氧颗粒污泥表面脱落分离。反应罐正常运行时，利用第二曝气泵进行曝气；由于第二曝气头2.9上方还有一层分离筛2.5，因此能够对曝气进行分散化、均匀化，同时气体扰动也可以防止分离筛筛孔被颗粒污泥或生物膜堵塞。反应结束后，再脉冲式开启第一曝气泵进行曝气，使形成于好氧颗粒污泥表面的重金属沉淀微球脱落。

另外，考虑到沉淀收集的需要，反应罐罐体2.1下端设有反应罐泥斗2.12，反应罐泥斗2.12内部在第二曝气头2.9下方设置有沉淀防扰器2.13。沉淀防扰器2.13的作用是防止上方的曝气扰动到反应罐泥斗2.12中的沉淀，导致沉淀重新上浮。在本装置中，沉淀防扰器2.13为与反应罐罐体2.1同轴设置的圆锥形，锥尖朝上，锥底朝下。且沉淀防扰器2.13的锥底面与反应罐泥斗2.12内部之间保持一定的间隔，形成一条环形的缝隙，该缝隙能够保证沉淀顺利通过被存储于沉淀防扰器2.13下方的反应罐泥斗2.12中。即使上方进行脉冲式曝气，其水力扰动在环形缝隙处被大大削减，不会造成下方沉淀重新上浮。反应罐泥斗2.12底部连接反应罐进水管2.15，反应罐进水管2.15通过反应罐进水泵2.16与调节罐出水管1.10连接，接收调节罐1中输入的ph调节后的废水。

在本实施例中，调节罐1和反应罐2中的每个部件具体选型、参数优选如下：调节罐罐体1.1为圆筒形，高径比为1.5～2.5：1，材质为不锈钢。调节罐泥斗1.11为漏斗形，上部为倒置圆锥形，下部为圆柱形，材质为不锈钢；上部圆锥侧边母线与圆锥轴线的夹角为30～50°，圆锥底部直径等于调节罐罐体1.1直径，并通过焊接连接。反应罐罐体2.1为圆筒形，高径比为3～5：1，材质为不锈钢。反应罐泥斗2.12为漏斗形，上部为倒置圆锥形，下部为圆柱形，材质为不锈钢；上部圆锥侧边母线与圆锥轴线的夹角为30～50°，圆锥底部直径等于反应罐罐体2.1直径，并通过焊接连接。分离筛2.5为圆形，周向固定于反应罐罐体2.1内壁上，筛网目数为30～50目，但具体目数需要根据预先试验获得的好氧颗粒污泥、污泥上的沉淀微球直径大小进行调整，分离筛2.5材质为不锈钢；分离筛2.5与反应罐罐体2.1底端距离为20～200mm，该空间用于放置第二曝气头2.9。沉淀防扰器2.13的圆锥侧边母线与圆锥轴线的夹角为40～50°，材质为不锈钢；沉淀防扰器2.13底部边缘与反应罐泥斗2.12内壁间隔距离为10～100mm。反应罐出水管2.3内径为10～50mm，与分离筛2.5的距离和反应罐罐体2.1高度之比为0.3～0.5：1。当然各部件的具体参数尺寸需要结合试验效果进行调整。

基于上述装置，可以实现一种利用好氧颗粒污泥去除和回收有机酸废水中阳离子重金属的方法，其具体通过调节罐1和反应罐2联合运行实现，且两者的运行周期总时长相同，形成如图5所示的周期性工艺。

其中，调节罐1每个运行周期包括进水、搅拌、沉淀和出水四个顺序循环阶段。在进水阶段，开启调节罐进水泵1.9，将含有阳离子重金属的有机酸废水泵入调节罐1内，达到指定时间(具体时间根据调节罐1的有效容积和调节罐进水泵1.9的流量计算确定，以达到设定体积为准)后，关闭调节罐进水泵1.9；在搅拌阶段，开启搅拌电机1.2，通过调节罐ph电极1.5获取调节罐1内部废水的ph值，如果初始ph值低于4.0，则开启碱液进液泵1.8，将用于调节ph的碱液泵入调节罐1内，开启的搅拌电机1.2通过搅拌桨1.4将废水和碱液混合，直至废水ph值大于4.0后，立即关闭碱液进液泵1.8，继续搅拌一定时间后关闭搅拌电机1.2，如果初始ph值大于4.0，则直接开启搅拌电机1.2搅拌一定时间后，关闭搅拌电机1.2；在沉淀阶段，关闭搅拌电机1.2后废水静置1～24小时(具体沉淀时间根据反应罐运行时间确定，需要时能够适当调整匹配两个罐体的同步周期)，沉淀完毕后废水中的沉淀被收集于调节罐泥斗1.11中；在出水阶段，废水沉淀后的上清液依次通过调节罐出水管1.10、反应罐进水泵2.16、反应罐进水管2.15进入反应罐2内，调节罐泥斗1.11内的沉淀通过调节罐泥斗阀门1.12排出调节罐1；

其中反应罐2每个运行周期包括进水、曝气、沉淀和出水四个顺序循环阶段，且反应罐2的进水阶段与调节罐1的出水阶段同步，即调节罐1出水对应反应罐2进水。在进水阶段，反应罐2接收从调节罐1中泵入的上清液，指定时间后(具体时间根据反应罐2的预定进水体积和反应罐进水泵2.16的流量计算确定)，关闭反应罐进水泵2.16；在曝气阶段，进水完成后，开启第二气泵2.11，依次通过第二气管2.10和第二曝气头2.9将空气通入反应罐2底部，空气经过第二曝气头2.9和分离筛2.5后，形成均匀的小气泡，随着有机酸的降解，反应液ph和碱度增加，废水中的阳离子重金属会在好氧颗粒污泥的表面形成重金属沉淀微球(主要为重金属的氢氧化物、氧化物和碳酸盐)；反应结束后，脉冲式开启第一气泵2.83～5次，气体通过第一气管2.7和第一曝气头2.6进入反应罐2，气体以脉冲形式剧烈搅拌反应液，使好氧颗粒污泥表面的重金属沉淀微球脱落；在沉淀阶段，关闭第二气泵2.11和第一气泵2.11，反应液沉淀1～10分钟(具体时间以能够完全沉降为准)，利用好氧颗粒污泥与重金属沉淀微球的尺寸差异实现筛分，沉淀后的好氧颗粒污泥被拦截于分离筛2.5的上方，脱落的重金属沉淀微球穿过分离筛2.5的筛孔，收集于分离筛2.5下方的反应罐泥斗2.12中；在出水阶段，沉淀5～10分钟后，开启电磁阀2.4，沉淀后的上清液通过反应罐出水管2.3排出反应罐2，反应罐泥斗2.12中收集的重金属沉淀微球通过反应罐泥斗阀门2.14排出并收集，实现重金属的回收。

另外，上述装置可以通过人工手动控制实现整体工艺的运行，调节罐ph电极1.5、反应罐ph电极2.2均可采用数显直读式设备，搅拌电机1.2、碱液进液泵1.8、调节罐进水泵1.9、电磁阀2.4、第一气泵2.8、第二气泵2.11和反应罐进水泵2.16也可采用可手动控制型号。

但是在其他优选实施例中，整个装置也可以进行自动化控制。因此，如图6所示，还需要设置一个用于自动控制的控制柜3，控制柜3通过控制线缆4分别与搅拌电机1.2、调节罐ph电极1.5、碱液进液泵1.8、调节罐进水泵1.9、反应罐ph电极2.2、电磁阀2.4、第一气泵2.8、第二气泵2.11和反应罐进水泵2.16相连，构成闭环控制。控制柜3可以采用任何自控设备，其与各电器元件的接线方式也可直接采用现有技术，不做限定。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。