用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，包括：池体，其内部提供一厌氧环境；进水管，其与池体的下部液体连通，且在连通处形成进水口，进水口设置在所述池体侧壁的一侧；出水管，其与池体的上部液体连通，且在连通处形成出水口，进水口、出水口与池体内部形成水流路径，出水口与进水口设置在池体侧壁的不同侧；和过滤层，其包括纳米零价铁和结合于纳米零价铁之上的硫酸盐还原菌，过滤层设置在池体中，且位于水流路径上，以除去流经其的酸性含铀废水中的铀，且在沿水流路径的方向上，过滤层的厚度不少于2米。本发明利用纳米零价铁结合硫酸盐还原菌较强的吸附、还原性能，将六价铀吸附固定或还原成四价铀，形成沉淀，达到去除铀的效果。
【专利说明】
用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池
技术领域
[0001]本发明涉及废水的处理技术领域，涉及一种用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池。【背景技术】
[0002]铀是具有天然放射性的元素，它进入动植物体内后，仍然能发生蜕变放出射线刺激影响动植物体的生长，铀进入人体则危害身体健康，导致感染其他各种疾病。低浓度酸性含铀废水包括含铀的矿山水和后处理工艺工厂的外排废水，其中除放射性元素外还包括重金属。这种废水含铀的质量浓度约为1?5mg/L，远远高于国家排放标准(0.05mg/L)。酸性废水中的pH约2?4,铀一般以六价形式(U022+)存在，所以对于酸性废水，铀比较容易弥散、迀移。由于排放源的不同，水体中铀的浓度也不尽相同，四价铀容易与无机碳形成稳定的络合物，最终形成沉淀，而六价铀可溶性较好，不容易去除，水体除铀主要指的是去除六价铀及其化合物。
【发明内容】
[0003]本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0004]本发明还有一个目的是提供一种用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池， 本发明中通过设置过滤层，过滤层包含纳米零价铁和硫酸盐还原菌，利用纳米零价铁结合硫酸盐还原菌(SRB)较强的吸附、还原性能，将六价铀吸附固定或还原成四价铀，形成沉淀， 达到去除铀的效果。
[0005]为此，本发明提供的技术方案为:
[0006]—种用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，包括:
[0007]池体，其内部提供一厌氧环境；
[0008]进水管，其与所述池体的下部液体连通，且在连通处形成进水口，所述进水口设置在所述池体侧壁的一侧；
[0009]出水管，其与所述池体的上部液体连通，且在连通处形成出水口，所述进水口、所述出水口与所述池体内部形成水流路径，所述出水口与所述进水口设置在所述池体侧壁的不同侧;和
[0010]过滤层，其包括纳米零价铁和结合于所述纳米零价铁之上的硫酸盐还原菌，所述过滤层设置在所述池体中，且位于所述水流路径上，以除去流经其的酸性含铀废水中的铀， 且在沿所述水流路径的方向上，所述过滤层的厚度不少于2米。[〇〇11]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池中，所述硫酸盐还原菌以硫酸盐还原菌污泥的形式与所述纳米零价铁混合，以使所述硫酸盐还原菌结合于所述纳米零价铁上，且所述纳米零价铁与所述硫酸盐还原菌污泥的体积比为5:1。
[0012]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池中，在沿所述水流路径的方向上，所述过滤层的厚度为2.3?2.5米。[〇〇13]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池中，所述池体呈圆柱形，所述池体的高径比为3?5:1。[〇〇14]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，还包括:
[0015]承托层，其也设置在所述池体内，且也位于所述水流路径上，并位于所述过滤层的下方；
[0016]稳定水层，其也设置在所述池体内，且也位于所述水流路径上，并位于所述过滤层的上方；[〇〇17]出水渠，其设置在所述池体内，位于所述稳定水层的上方，且也位于所述水流路径上，并与所述出水管液体连通；以及
[0018]检测装置，其设置在所述池体内，且位于所述稳定水层上方。
[0019]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池中，所述承托层包括从下到上依次设置的第一、第二和第三卵石层，第一、第二和第三卵石层的卵石的粒径各自分别为60?70mm、50?60mm和40?50mm。
[0020]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池中，在沿所述水流路径的方向上，所述承托层的厚度为0.3米。
[0021]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，还包括:
[0022]冲洗管，其与所述进水管液体连通，以供含有还原剂的水从进水口流入所述水流路径。在冲洗时，在冲洗水溶液中加入硼氢化钠，将滤料中的铁离子还原成纳米零价铁，实现对纳米零价铁的再生利用。[〇〇23]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，还包括:
[0024]至少一个取样管，所述至少一个取样管与所述池体的侧壁液体连通。[〇〇25]优选的是，所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，还包括:[〇〇26]所述至少一个取样管包括三个取样管，所述三个取样管与所述池体的侧壁的连通处均位于不同的高度上。[〇〇27]本发明至少包括以下有益效果:[〇〇28]利用纳米零价铁结合硫酸盐还原菌(SRB)较强的吸附、还原性能，将六价铀吸附固定或还原成四价铀，形成沉淀，达到去除铀的效果，吸附率高，处理效果好，有助于保护环境。
[0029]本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。【附图说明】
[0030]图1为本发明其中一个实施例中用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池的结构示意图。
[0031]图2为图1沿A-A的剖视图。
[0032]图3为本发明其中一个实施例中用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池在进行水处理时的结构示意图。
[0033]图4为本发明其中一个实施例中的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池在冲洗时的结构示意图。【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。[〇〇35]应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。[〇〇36]如图1?4所示，本发明提供一种用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池， 包括:[〇〇37]池体1，其内部提供一厌氧环境；
[0038]进水管4，其与所述池体1的下部液体连通，且在连通处形成进水口，所述进水口设置在所述池体侧壁的一侧；
[0039]出水管6，其与所述池体1的上部液体连通，且在连通处形成出水口，所述进水口、 所述出水口与所述池体1内部形成水流路径，所述出水口与所述进水口设置在所述池体侧壁的不同侧，从进水管4流入的水流在动力机构的带动下从所述进水口流入池体1中，最后从出水口流出；和
[0040]过滤层2,其包括纳米零价铁和结合于所述纳米零价铁之上的硫酸盐还原菌，所述过滤层2设置在所述池体1中，且位于所述水流路径上，以除去流经其的酸性含铀废水中的铀，且在沿所述水流路径的方向上，所述过滤层2的厚度不少于2米。
[0041]本发明利用纳米零价铁结合硫酸盐还原菌(SRB)较强的吸附、还原性能，将六价铀吸附固定或还原成四价铀，形成沉淀，达到去除铀的效果，吸附率高，处理效果好，有助于保护环境。
[0042]在上述方案中，作为优选，所述硫酸盐还原菌以硫酸盐还原菌污泥的形式与所述纳米零价铁混合，以使所述硫酸盐还原菌结合于所述纳米零价铁上，且所述纳米零价铁与所述硫酸盐还原菌污泥的体积比为5:1。
[0043]在本发明的其中一个实施例中，作为优选，在沿所述水流路径的方向上，所述过滤层2的厚度为2.3?2.5米。
[0044]在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述池体1呈圆柱形，所述池体1的高径比为3?5:1。
[0045]在本发明的其中一个实施例中，作为优选，该用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池还包括:
[0046]承托层3，其也设置在所述池体1内，且也位于所述水流路径上，并位于所述过滤层 2的下方；
[0047]稳定水层8,其也设置在所述池体1内，且也位于所述水流路径上，并位于所述过滤层2的上方；
[0048]出水渠10,其设置在所述池体1内，位于所述稳定水层8的上方，且也位于所述水流路径上，并与所述出水管6液体连通；以及
[0049]检测装置9,其设置在所述池体1内，且位于所述稳定水层8上方。
[0050]在上述方案中，作为优选，所述承托层3包括从下到上依次设置的第一、第二和第三卵石层，第一、第二和第三卵石层的卵石的粒径各自分别为60?70mm、50?60mm和40? 50mm 〇
[0051]在上述方案中，作为优选，在沿所述水流路径的方向上，所述承托层3的厚度为0.3 米。[〇〇52]在本发明的其中一个实施例中，作为优选，还包括:[〇〇53]冲洗管11，其与所述进水管4液体连通，以供含有还原剂的水从进水口流入所述水流路径。[〇〇54]在本发明的其中一个实施例中，作为优选，还包括:[〇〇55] 至少一个取样管12,所述至少一个取样管12与所述池体1的侧壁液体连通。
[0056]在本发明的其中一个实施例中，作为优选，还包括:[〇〇57]所述至少一个取样管12包括三个取样管12,所述三个取样管12与所述池体1的侧壁的连通处均位于不同的高度上。
[0058]在本发明的其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，包括:池体1、过滤层2、承托层3、进水管4、进水阀5、出水管6、出水阀7、稳定水层8、检测装置9、出水渠10、冲洗管11和取样管12,利用纳米零价铁结合硫酸盐还原菌(SRB)较强的吸附、还原性能，将六价铀吸附固定或还原成四价铀，形成沉淀，达到去除铀的效果，吸附率高，处理效果好，有助于保护环境。在冲洗时，在冲洗水溶液中加入甲酸，将滤料中的铁离子还原成纳米零价铁，实现对纳米零价铁的再生利用。而且甲酸可以作为硫酸盐还原菌生物还原工艺的首选碳源，代谢产物无毒(二氧化碳与水)，硫酸盐去除率可高达97%，有利于SRB(硫酸盐还原菌)的繁殖。
[0059]所述的过滤层2设置在池体1的内部，承托层3设置在池体1的内部，承托层3将过滤层2进行支撑，并且承托层3位于过滤层2的下方。进水管4与池体1之间连通，并且进水管4位于池体1的底端，进水阀5设置在进水管4上；出水管6与池体1之间连通，并且出水管6位于池体1的上端，出水阀7设置在出水管6上;稳定水层8设置在池体1的内部，并且稳定水层8位于过滤层2的上方;检测装置9设置在池体1的顶端，并且检测装置9位于稳定水层8的上方；出水渠10设置在池体1的内部，并且出水渠10位于稳定水层8的上方。冲洗管11连接在进水管4 上，取样管12连接在池体1的外壁上，在反应一端时间后，铀的沉淀累计过多，堵塞过滤层2 的空隙，冲洗管11将工作把铀的沉淀物冲洗出来。由于冲洗时，出水溶液中的铀含量较高。 因此，冲进行时，在装置的末端出水处收集冲洗溶液，对铀进行处理以及回收利用。
[0060]过滤层2的材料为纳米零价铁结合SRB(硫酸盐还原菌)，过滤层2是厌氧生物滤池的主体，其作用是提供微生物附着生长的表面和悬浮生长的空间。纳米零价铁作为主要填料和生物滤池或接触氧化池填料基本相同，即比表面积较大且表面粗糙、形状和孔隙度合适、机械强度高和生物惰性好、质量较轻使得厌氧生物滤池的结构荷载小。SRB(硫酸盐还原菌)是包含多种硫酸盐还原细菌的复合菌群，可以直接还原六价铀，也可以通过对硫酸根离子还原成S2'与铀生成硫化物沉淀。零价铁还原六价铀过程中，本身被氧化产生高级铁离子，在SRB(硫酸盐还原菌)存在下，能够生成FeS复合材料，对六价铀具有较强吸附、还原性能。纳米零价铁与SRB(硫酸盐还原菌)的比例为5:1，填料的主要部分为纳米零价铁，并接种硫酸盐还原菌，形成生物膜。因此，依靠纳米零价铁和硫酸盐还原菌共同作用去除铀。常用的过滤层2按形状分有块状、管状、纤维状等三大类。该装置采用有固定支架的安装形式，过滤层2在水中位置固定。过多增加填料高度只不过是增大了反应器的体积，在废水流量和浓度固定的条件下，反应器容积的增加并不能明显提高对铀的去除率。但过滤层2高度低于2m 时，污泥就有被冲出反应器的可能，进而导致出水悬浮物的增多使出水水质下降。因此，设置过滤层2厚度为2.5m。纳米零价铁的比表面积和孔隙率都较大，当废水流过时，可以使得生物I吴与污水接触情况良好，进而提尚水中有机质的传质效率。另外，水流在纳米零价铁表面形成剪切力，剪切作用能使填料上生物膜增长的不致过厚，可以保持生物膜较高的活性和良好的传质条件。[〇〇61] 废水通过进水管4进入到池体1的内部，从下到上进行流动将进入到过滤层2中，过滤层2的材料为纳米零价铁结合硫酸盐还原菌，纳米零价铁结合硫酸盐还原菌将对废水进行处理，在稳定水层8中，既可以使得水体平稳过渡流出池体，同时水体经过滤层2到稳定水层8中还可以进一步地反应。出水渠10末端设置监测装置9,监测处理后的水质是否达标。由于铀是一种放射性元素，考虑到安全因素，在池体的周围砌上一层钢筋混凝土墙体，墙体厚度设置为240mm，以此隔离辐射。水体中的溶解氧超过一定的浓度，会使得四价铀被氧化到六价铀，达不到去除效果。因此，要严格控制反应器为厌氧状态。处理原理为:
[0062]1、纳米零价铁(nZVI)结合硫酸盐还原菌具有粒径小，比表面积大，反应活性高等优点，大量研究表明纳米零价铁不但可以还原去除水体中的多种重金属等污染物。纳米零价铁在表面化学还原、络合、沉淀共沉淀、吸附、絮凝等多种机理的共同或组合作用下可实现水溶液中多种污染物的同步去除与修复，被认为是最有应用前景的污染物治理材料之〇
[0063]2、紫花苜宿、向日葵、茶的提取液中所富含的羟基、羰基、氨基等功能团及铀络合蛋白等植物生物质作为还原剂、包裹剂和铀结合剂，将铁离子原位还原成纳米零价铁，制备得到该装置填料层中的纳米零价铁材料，使其能对铀矿冶废水进行有效治理。[〇〇64]3、絮凝作用零价铁处理铀(VI)时会产生大量的Fe2+和Fe3+，二者都可发生水解反应(Fe2++2H20——Fe(0H)2|+2H+；Fe3++3H20——Fe(0H)3i+3H+)，分别形成絮状的Fe(0H)2和Fe (0H) 3沉淀。[〇〇65]随溶液pH的增高，反应不断向右进行。两种沉淀在析出的过程中，对水中的U022+有良好的吸附能力，还可改善1]〇2的沉降性能。而且Fe(0H)3还有可能继续水解，形成Fe(0H)2+、 Fe(0H)+等络离子，这些离子也有很强的凝聚性能。Fe2+和Fe3+水解过程形成的羟基水合离子和铀的配合离子发生吸附作用的强弱与通过架桥形成混合的二聚体乃至多聚体絮凝沉淀有关。Fe(0H)2+、Fe(0H)+胶粒带正电荷，可以对碳酸铀酰络阴离子产生吸附作用而使电性中和，碳酸铀酰络阴离子电荷量降低，排斥能减少，这也利于絮凝沉淀。[〇〇66]4、还原机理
[0067]如在厌氧的条件下，硫酸盐还原菌可以将甲酸等有机物作为电子供体，将六价的铀离子作为电子受体而形成一条电子传递链(细胞色素等物质组成)并从中获得生长代谢所需要的能量。具体反应方程式如下所示:
[0068]CH3COOH+4U6++4H2〇—4U4++2HC〇3—+9H+(1)
[0069]U(VI)+2e+^U(VI)|(2)
[0070]5、沉淀机理[〇〇71] SRB(硫酸盐还原菌)在还原条件下可利用S0A为电子受体，有机碳源作为电子供体，将S〇A还原为H2S，产生的H2S可以与金属离子结合生成极难溶的金属硫化物沉淀，可以有效的去除废水中的重金属。具体的反应方程式如下所示:
[0072]HCOOH+SO42——H2S+2C〇3—(1)
[0073]H2S+M^MS+2H+ (2)[〇〇74] 式中M代表重金属 [〇〇75]6、吸附机理[〇〇76] SRB(硫酸盐还原菌)胞外聚合物是SRB细胞分泌的粘性物质，可以保护细胞不受外界恶劣环境的影响，并在底物短缺时能作为碳源和能源。胞外聚合物中存在着大量阴离子基团(羧基、羟基及氨基等)，对不同类型金属离子表现出强烈的亲和性，可以和金属离子发生吸附或螯合，从而有效的去除废水中含有的金属或重金属离子等等。[〇〇77]【具体实施方式】二:[〇〇78]下面结合图1、2、3、4说明本实施方式，所述的池体1的材料为耐辐射混凝土。[〇〇79]【具体实施方式】三:[〇〇8〇]下面结合图1、2、3、4说明本实施方式，所述的池体1为圆柱筒形，高径比为3?5。圆柱筒形1涉及到高径比，如果高径比过大，则会造成池体1材料的浪费，并且由于水力停留时间的过长，影响出水水质。如果高径比过小，废水还没来得及与生物膜接触反应已经排除池体，达不到去铀的效果。最合适的高径比为3?5,本装置的高径比采用5,即设置圆柱的直径约为0.69m，圆柱的高度约为3.45m。过滤层厚为2.3m，过滤层2的底部距离进水管0.25m，承托层3厚为0.3m，承托层3自下而上分别是粒径为60-70mm、50-60mm和40-50mm的卵石。过滤层2最上层是稳定水层8，稳定水层8厚度为0.4m。距过滤层底部0.6m和1.2m处分别设置取样口取样管12。并且在距稳定水层下部0.2m处安装取样管12。
[0081]【具体实施方式】四:[〇〇82]下面结合图1、2、3、4说明本实施方式，所述的过滤层2的材料为纳米零价铁与SRB (硫酸盐还原菌)形成的复合材料，其纳米零价铁与SRB(硫酸盐还原菌)的比例为5:1。[〇〇83] 【具体实施方式】五:[〇〇84]下面结合图1、2、3、4说明本实施方式，所述的取样管12有三个，三个取样管12从下到上依次设置在不同高度的池体1的外壁上，取样管12与池体1的内部连通，取样管12上设置有阀门，取样管12用于不同测定水中铀的含量。[〇〇85]【具体实施方式】六:[〇〇86]下面结合图1、2、3、4说明本实施方式，所述的承托层3包括第一卵石层310、第二卵石层320和第三卵石层330,第一卵石层310、第二卵石层320和第三卵石层330从下至上依次设置在池体1的内部，第一卵石层310、第二卵石层320和第三卵石层330的粒径分别为60? 70mm、50?60mm和40?50mm，所述的承托层3的厚度为0.3m。承托层是在滤池滤料层下面铺设的级配砾石层，可以在水过滤时防止滤料从集水系统中流失，防止堵塞和提高通风能力。 在冲洗时可起在一定的均匀布水铺助作用。卵石层中，同一层滤料均匀布置，提高了孔隙率。卵石层从下而上粒径越来越小，比表面积越大，水流自下而上，处理能力相应提高。
[0087]这里说明的模块数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的过滤层、进水和出水位置的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0088]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【主权项】
1.一种用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，包括:池体，其内部提供一厌氧环境；进水管，其与所述池体的下部液体连通，且在连通处形成进水口，所述进水口设置在所 述池体侧壁的一侧；出水管，其与所述池体的上部液体连通，且在连通处形成出水口，所述进水口、所述出 水口与所述池体内部形成水流路径，所述出水口与所述进水口设置在所述池体侧壁的不同 侧;和过滤层，其包括纳米零价铁和结合于所述纳米零价铁之上的硫酸盐还原菌，所述过滤 层设置在所述池体中，且位于所述水流路径上，以除去流经其的酸性含铀废水中的铀，且在 沿所述水流路径的方向上，所述过滤层的厚度不少于2米。2.如权利要求1所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，所 述硫酸盐还原菌以硫酸盐还原菌污泥的形式与所述纳米零价铁混合，以使所述硫酸盐还原 菌结合于所述纳米零价铁上，且所述纳米零价铁与所述硫酸盐还原菌污泥的体积比为5:1。3.如权利要求1所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，在 沿所述水流路径的方向上，所述过滤层的厚度为2.3?2.5米。4.如权利要求1所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，所 述池体呈圆柱形，所述池体的高径比为3?5:1。5.如权利要求1所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，还 包括:承托层，其也设置在所述池体内，且也位于所述水流路径上，并位于所述过滤层的下 方；稳定水层，其也设置在所述池体内，且也位于所述水流路径上，并位于所述过滤层的上 方；出水渠，其设置在所述池体内，位于所述稳定水层的上方，且也位于所述水流路径上， 并与所述出水管液体连通；以及检测装置，其设置在所述池体内，且位于所述稳定水层上方。6.如权利要求5所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，所 述承托层包括从下到上依次设置的第一、第二和第三卵石层，第一、第二和第三卵石层的卵 石的粒径各自分别为60?70mm、50?60mm和40?50mm。7.如权利要求5所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，在 沿所述水流路径的方向上，所述承托层的厚度为〇.3米。8.如权利要求1所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，还 包括:冲洗管，其与所述进水管液体连通，以供含有还原剂的水从进水口流入所述水流路径。9.如权利要求1所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于，还 包括:至少一个取样管，所述至少一个取样管与所述池体的侧壁液体连通。10.如权利要求9所述的用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池，其特征在于， 还包括:所述至少一个取样管包括三个取样管，所述三个取样管与所述池体的侧壁的连通处均 位于不同的高度上。
【文档编号】G21F9/18GK106024086SQ201610325364
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】曾涛涛, 周玉林, 陈胜兵, 陈琴, 朱明飞, 李仕友, 廖伟
【申请人】南华大学