本发明属于水处理技术领域，具体为一种带监测和再生功能的除砷装置及其使用方法。
背景技术：
水体的砷污染严重影响了环境安全，威胁到人们的健康。目前针对水体除砷的技术主要包括混凝沉淀法、吸附法、反渗透法等。混凝沉淀法适用于砷浓度较高的水体，对中低浓度含砷水体则难以达到处理要求，因此通常作为含砷废水的预处理工艺。反渗透法成本高、能耗大，操作较为复杂，且对进水要求较高，也不适宜用于工业废水或大规模自然水体的处理。吸附法以具有高比表面积的不溶性固体材料为吸附剂，通过物理吸附、化学吸附或离子交换作用将水体中的砷固定在吸附剂表面，从而将其从水中分离出来。吸附法简单易行，成本低廉，适合中、低浓度含砷废水和砷污染自然水体的规模化处理。
目前，吸附法中最常用的是固定床式吸附反应器，一般选用颗粒状除砷滤料作为吸附剂。颗粒状除砷滤料包括活性氧化铝球、活性炭颗粒、多孔氧化物颗粒(如铁、钛、锆的氧化物)等，其存在的共同问题是材料本身透水性不佳，且装填后颗粒之间的间隙较大，大部分水从间隙通过，只有极少部分穿过滤料内部。这种水优先从间隙通过的现象，类似一种“短路”，短路现象的发生使固定床反应器变得更加容易穿透。同时，由于颗粒状除砷滤料透水性较差，难以进行脱附再生，因此只能一次性使用，然后作为固废处理。
上述问题使得颗粒状除砷滤料的有效吸附量低、使用寿命短、固废产生量大，因此综合成本很高。不仅如此，砷的检测较为复杂，对设备的要求也较高，往往不能做到在线监控，除砷效果难以保证达标和及时反馈。正是因为监管部门或使用方难以对出水是否稳定达标做出适时判定，阻碍了吸附法除砷技术的应用和推广。
综上所述，当前的吸附法除砷技术存在成本高、固废量大、处理效果难以实时监控等问题，开发出一种更经济、安全、可控的除砷方法已迫在眉睫。
技术实现要素：
本发明提供一种带有监测和再生功能的除砷装置及其使用方法，该装置很好地解决了现有固定床砷吸附装置存在的难再生，固废量大，使用成本高的问题，而且可实现远程监控，无需专门人员进行现场操作和看护。
本发明的技术方案是：
一种带监测和再生功能的除砷装置，采用布状砷吸附纤维材料制作除砷内芯，除砷内芯由布状砷吸附纤维材料围绕中心轴卷叠而成，其形状为圆柱体，层间叠合紧密，竖直安装于外壳中，布状砷吸附纤维之间以及除砷内芯与外壳内壁无间隙。
所述的带监测和再生功能的除砷装置，用于制作内芯的布状砷吸附纤维材料，是由玻璃纤维或活性炭纤维压制或编织成布后，负载镁基、钛基、铁基、锰基、稀土基无机非金属纳米材料中的至少一种而成，布状砷吸附纤维材料中的无机非金属纳米材料占5～50wt％；布状砷吸附纤维材料孔隙率为30％～80％，大孔的平均孔径为5～100μm，微孔的平均孔径为0.005～1μm。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，除砷装置作为固定床砷处理器，含砷水经固定床处理后排出时，流经装有砷快速检测试剂的石英柱，通过与对比柱比色判断其是否达标；如达标，则正常排放；如不达标，则停止运行，进入脱附再生工序。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，当布状砷吸附纤维材料达到饱和或出水砷浓度不达标时，使用再生液进行活化后重新投入使用，整个过程无需拆装；所述的再生液为浓度在0.1～8wt％的强碱性溶液、1～10wt％的强酸溶液或0.5～20wt％的盐溶液。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，强碱性溶液为氢氧化钠、碳酸钠、次氯酸钠或氢氧化钾的水溶液，强酸溶液硫酸或盐酸的水溶液，盐溶液为氯化钠、氯化钾、磷酸钠或磷酸氢钠的水溶液。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，出水处并排安装三只相同的砷快速检测试剂柱，其中一只与除砷装置主体的出水管接通，另两只分别在不同含砷溶液中达到吸附平衡后密封，作为对比柱；出水中的砷浓度是否接近或超过对比柱中的砷浓度，通过颜色判断；所述的砷快速检测试剂为氧化铈基纳米材料，对比柱中的含砷溶液的平衡浓度为100～500ppb。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，位于除砷装置上端的出水口设有进气口，完成脱附或清洗后，打开下出口，从进气口通入压缩空气，在重力和气流双重作用下，使脱附液和清洗液与布状砷吸附纤维材料分离，减少脱附液用量和清洗所用水量。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，整个除砷过程简单可靠，无需人员操作，利用监测系统实现可视化监控和操作。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，在停留时间为0.5～10min，原水砷浓度≦20ppm的条件下，砷去除率达99％以上。
所述的带监测和再生功能的除砷装置的使用方法，脱附再生工序过程包括：a、脱水——先关闭进水阀，然后打开进气阀，从上向下注入压缩空气，利用重力和气流的双重作用使布状砷吸附纤维材料脱水；b、砷的洗脱——完成脱水后，注入脱附液并使其循环流经布状砷吸附纤维材料，达到脱附要求后进气脱水；c、用清水冲洗2～3次后，完成脱附再生工序，布状砷吸附纤维材料重新投入使用。
本发明的设计思想是：
本发明主要设计一种带有监测和再生功能的除砷装置，该装置的设计思路如下：1、将孔隙丰富而均匀、易于脱附再生、且具有丰富的除砷功能基团的布状砷吸附纤维材料卷成内芯，安装到处理器中，作为砷吸附功能主体。该除砷主体具有优良的透水性和水流均匀性，可保证材料与水充分接触，实现稳定高效除砷；2、用装填有砷快速检测试剂的石英柱和对比柱作为指示剂，通过在线监测石英柱的色度，并与对比柱的色度进行对比来测量所流经的水的砷浓度，以实现对处理后的水的砷浓度进行在线监测；3、当出水中的砷浓度已经或即将超标时，监测系统即时作出预警，可通过远程控制或自动控制系统对再生系统发出命令，对装置中的吸附材料进行原位脱附再生，再生完成后除砷装置可重新投入使用。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明所用布状砷吸附纤维材料是一种多孔材料，用其卷成的除砷内芯，具有透水性好，水流均匀，与水接触充分等优点，不存在颗粒材料之间的空隙造成的“短路”问题，因此具有更高的除砷效率。同时，由于材料与水的接触更充分，其脱附再生也更容易进行。
2、本发明可对处理后的水中的砷浓度进行在线监测，克服了目前除砷设备难以对出水进行及时检测的问题，提高了处理的可靠性和可监管度。
3、当出水砷浓度接近超标时，可利用远程控制或自动控制系统使再生系统对材料进行脱附再生，实现循环使用。因此，可以大大降低材料成本和固废产生量。
4、本发明装置为一种新型固定床反应器，以孔隙丰富而均匀的布状砷吸附纤维材料作为砷吸附剂，具有除砷效率高、易再生等优点，可利用自带的监测系统对除砷装置处理后的水中的砷浓度进行在线监控。当出水中的砷浓度已经或即将超标时，装置自带的监测系统可迅速作出预警，以便于利用自带的再生系统对装置中的吸附材料进行原位脱附再生。
5、本发明布状砷吸附纤维材料本身孔隙丰富而均匀，且具有丰富的除砷功能基团，水易通过且与材料接触充分，可实现快速高效除砷。在停留时间为0.5～10min，原水砷浓度≦20ppm的条件下，砷去除率可达99％以上。
附图说明
图1为本发明带监测和再生功能的除砷装置的结构示意图。图中，各个部分的标号和标号名称为：1、原水箱，2、原水泵，3、固定床处理器，4、除砷内芯，5、砷快速检测器，6、砷快速检测试剂柱，7、对比柱一，8、对比柱二，9、出水箱，10、排水泵/反冲洗泵，11、再生液罐，12、再生液泵，13、空气压缩机。
具体实施方式
如图1所示，本发明带有监测及再生功能的除砷装置，该除砷装置由主体、再生系统、监测系统和动力控制系统组成，主体为安装有以布状砷吸附纤维材料制成的除砷内芯4的固定床处理器3，再生系统由再生液罐、泵阀及管道组成，监测系统由装有砷快速检测试剂的石英柱和对比柱组成，具体结构如下：
固定床处理器3中设置除砷内芯4，固定床处理器3通过管路连接原水箱1，所述管路上设置原水泵2。固定床处理器3通过管路连接砷快速检测器5，砷快速检测器5中设置砷快速检测试剂柱6、对比柱一7、对比柱二8，砷快速检测器5通过管路连接出水箱9，出水箱9通过管路连接排水泵/反冲洗泵10。排水泵/反冲洗泵10通过管路连至固定床处理器3的顶部，所述管路再通过管路(该管路进一步通过管路连接空气压缩机13)连接再生液泵12。固定床处理器3的底部通过管路连接再生液罐11，再生液罐11通过管路连接再生液泵12。
该除砷装置具有透水性好、除砷效率高、易脱附再生等优点，而且可实时监测出水砷浓度，在确保出水达到排放标准的同时，为脱附再生提供指示。
本发明装置的具体实施过程如下：1)采用布状高效砷吸附纤维作为除砷材料，将其围绕中心轴卷叠成紧实的内芯，然后竖直安装于外壳中，形成固定床砷处理器；2)含砷水经固定床处理后排出时，流经装有砷快速检测试剂的石英柱，通过与对比柱比色判断其是否达标，如达标，则正常排放，如不达标，则停止运行，进入脱附再生工序；3)脱附再生过程包括：a、脱水——先关闭进水阀，然后打开进气阀，从上向下注入压缩空气，利用重力和气流的双重作用使布状砷吸附纤维材料脱水；b、砷的洗脱——完成脱水后，注入脱附液(脱附液为氢氧化钠溶液、次氯酸钠溶液、磷酸盐溶液之一种或两种以上的混合溶液)并使其循环流经材料，达到脱附要求后进气脱水；c、用清水冲洗2～3次后，完成脱附再生工序，材料重新投入使用。为了减少用水量，每次冲洗后进行脱水。
下面结合实施例对本发明进一步详细描述。
实施例1
本实施例中，用于制作内芯的布状砷吸附纤维材料为铁酸镁纳米颗粒修饰的活性炭纤维布(布状砷吸附纤维材料中的铁酸镁纳米颗粒占15wt％)，布状砷吸附纤维材料孔隙率为65％，大孔的平均孔径为5～50μm，微孔的平均孔径为0.005～0.2μm。将ф200mm×1000mm的除砷内芯装入外壳，制成固定床砷处理器，固定床处理器与待处理含砷水箱和脱附再生系统连通。砷快速检测试剂柱和100ppb、500ppb的对比柱各一支，并排安装，其中砷快速检测试剂柱与固定床砷处理器的出水口连接。
以ph值为6.5、总砷浓度为7.1ppm的含砷废水为原水，进行除砷试验，水流量控制在200l/h。运行时间在32h以内时，砷快速检测试剂柱的色度低于100ppb对比柱；当运行时间在32h～44h之间时，砷快速检测试剂柱的色度介于100ppb对比柱和500ppb对比柱之间；当运行时间为45h时，砷快速检测试剂柱的色度与500ppb对比柱相当。此时取水样后停止运行。经测试，运行45小时后出水中的砷浓度为541ppb，已经超出排放标准规定的500ppb。因此，需要脱附再生后才能重新投入使用。
选用40l质量分数为1％的氢氧化钠水溶液对除砷材料进行脱附再生，循环洗脱30min后，用清水冲洗3次，然后重新投入使用，水流量仍为200l/h。脱附再生后处理器的有效运行时间为38h，为原来的84.4％。除砷材料的脱附再生次数可达到20次以上，反复使用和脱附再生5次后，材料的除砷性能稳定在新材料的70％左右。
实施例2
本实施例中，用于制作内芯的布状砷吸附纤维材料为负载有纳米偏钛酸的玻璃纤维无纺布(布状砷吸附纤维材料中的纳米偏钛酸占11.2wt％，布状砷吸附纤维材料孔隙率为75％，大孔的平均孔径为10～100μm，微孔的平均孔径为0.01～0.5μm。将ф200mm×1000mm的除砷内芯装入外壳，制成固定床砷处理器，固定床处理器与待处理含砷水箱和脱附再生系统连通。砷快速检测试剂柱和100ppb、500ppb的对比柱各一支，并排安装，其中砷快速检测试剂柱与固定床砷处理器的出水口连接。
以ph值为7.2、总砷浓度为1.83ppm的含砷废水为原水，进行除砷试验，水流量控制在250l/h。运行时间在152h以内时，砷快速检测试剂柱的色度低于100ppb对比柱；当运行时间在152h～197h之间时，砷快速检测试剂柱的色度介于100ppb对比柱和500ppb对比柱之间；当运行时间为198h时，砷快速检测试剂柱的色度与500ppb对比柱相当。此时取水样后停止运行。经测试，运行198小时后出水中的砷浓度为503ppb，已经超出排放标准规定的500ppb。因此，需要脱附再生后才能重新投入使用。
选用40l质量分数为0.5％的磷酸钠水溶液进行脱附再生，循环60min后，用清水冲洗3次，然后重新投入使用。水流量仍为250l/h。脱附再生后处理器的有效运行时间为176h，处理能力为原来的88.9％。材料的脱附次数可达到30次以上，反复使用和脱附再生4次后，材料的处理能力稳定在新材料的75％左右。
实施例结果表明，用本发明中的方法制备的除砷装置，不仅可以对含砷的水进行快速高效的处理，而且可以对处理后的水中的砷浓度进行较为准确的在线监测，有助于提高处理可靠性和监管度。与此同时，根据在线监测的情况，可在适当的时候对除砷材料进行再生处理，有利于降低材料成本，减少含砷固废产生量。因此，本发明提供了一种更经济、安全、可控的除砷方法。