一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法

本发明属于水处理，涉及一种去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法。

背景技术：

1、近年来，随着金属冶炼、电池制造、金属电镀等工业的发展，水环境遭受到了严重的重金属污染。铅、汞、镉、铬、铜等大多数重金属都对人体具有毒害和致癌风险。重金属不能被生物降解，在人体内能和蛋白质和酶等发生反应，使之失活，也可能在人体的器官中累积，造成慢性中毒，且具有生物富集效应。例如，铅会危害脑组织和神经系统及人体其他器官，会影响儿童的智力和身体发育；汞进入人体内会损伤人的神经系统，使人神经衰弱、记忆力减退，甚至出现语言和记忆障碍；镉在人体内大量累积后会对肝脏和肾脏造成损伤，还会影响人体中枢神经，且极难排出体外，镉中毒还会导致骨骼损伤、影响骨骼发育，造成人骨质疏松、骨软化等；铬会损害人体的抗氧化系统，使人易患糖尿病、高血压、肿瘤异常增生等疾病，严重者还会导致肾功能衰竭甚至癌症；铜与生物体新陈代谢的质量密切相关，当人体过量富集铜时会引起腹泻、筋肉痉挛等症状，甚至发生昏迷。这些有害重金属伴随工业废水的排放，进入并污染水环境，如不加以处理，将对我们的身体造成无法逆转的破坏。

2、常规的物理和化学方法去除重金属效果不理想，且具有污泥量高、能耗高、成本高、容易造成二次污染等缺点；常规的生物方法具有对ph值和温度依赖性强、能量和维护需求高等缺点；膜滤是提高重金属去除效率的一种有效途径，但常规超滤无法有效去除重金属，而纳滤和反渗透去除成本较高。如何实现低成本条件下重金属的高效去除，是未来的发展方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决现有物理和化学方法去除重金属效果不理想，且具有污泥量高、能耗高、成本高、容易造成二次污染，生物方法具有对ph值和温度依赖性强、能量和维护需求高，超滤无法有效去除重金属，纳滤和反渗透去除成本较高等问题，而提供一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法。

2、一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，包括：高位原水箱1、多极产铁池2、微电解-澄清耦合池3、磁化超滤膜池4和储水箱5；

3、所述的多极产铁池2内设有多个阳极铁板25、多个阴极板26和第一曝气装置16，阳极铁板25和阴极板26间隔设置，形成多个水流廊道，每个水流廊道内均设有第一曝气装置16；所述的阳极铁板25通过产铁池导线24与产铁池直流电源23的正极相连接，阴极板26通过产铁池导线24与产铁池直流电源23的负极相连接；

4、所述的微电解-澄清耦合池3包括：搅拌提升装置27、第一反应区28、第二反应区29、小径斜管辅助型澄清区30、沉淀回流区31和第二曝气装置19；第二曝气装置19、第一反应区28、第二反应区29和小径斜管辅助型澄清区30自下而上设置在微电解-澄清耦合池3的内部，小径斜管辅助型澄清区30与溢流堰相邻；所述的沉淀回流区31设置在第二反应区29外，且与第一反应区28相连通，第一反应区28内分布有铁碳粉末；

5、所述的磁化超滤膜池4内自下而上依次设有第三曝气装置22和超滤膜组件32；超滤膜组件32外表面缠绕膜池导线34；膜池导线34的两端分别接入膜池直流电源33的正极和负极，通电后膜池导线34周围产生感应磁场，磁化超滤膜组件32；

6、所述的高位原水箱1的一端与多极产铁池2的一端连接，多极产铁池2的另一端与微电解-澄清耦合池3的一端连接，微电解-澄清耦合池3的另一端与磁化超滤膜池4的一端连接，磁化超滤膜池4的另一端与所述储水箱5连接；所述的第一曝气装置16、第二曝气装置19和第三曝气装置22分别与空气泵13连通。

7、本发明具有以下有益效果：

8、一、本发明中多极产铁池利用电解池原理，多极阳极铁板失电子产生亚铁离子，亚铁离子在废水中在活性氧作用下形成活性铁氧化物并形成絮体，这种絮体可以对废水中的重金属进行一次吸附去除；

9、二、本发明中微电解-澄清耦合池利用原电池原理，铁碳粉末内部通过原电池效应，自身产生1.2v电位差对废水进行电解，搅拌器的搅拌作用使填料与废水充分接触，同时底部的曝气对电解过程中产生的亚铁离子进行氧化，产生活性铁氧化物，高效吸附废水中的重金属；此外，本发明中微电解-澄清耦合池采用铁碳粉末，相较于普通铁碳填料增大了反应的接触表面积，效果更好，同时还可以起到过滤的作用；顶部区域设置有小径斜管辅助型澄清区，被活性铁氧化物吸附团聚而成的大颗粒在此区域沉降，出水更加清澈，同时减轻了下一工艺段膜池的负荷；

10、三、本发明中多极产铁池和微电解-澄清耦合池对重金属的双重吸附作用，可以对产水的重金属去除效果起到双重保障作用。

11、四、本发明中磁化超滤膜池作为末端处理单元，采用滤饼层/超滤耦合技术对整个装置的产水效果起到最后的保障作用，提升了产水的安全性和稳定性；此外，由于磁场生物效应，膜组件上施加的磁场可以增强膜前生物滤饼层中微生物的活性，促进微生物的代谢过程，同时诱导含重金属的絮体颗粒物空间交叠离散分布并被超滤膜高效截留去除，实现对重金属的三次去除，以及对其他有机污染物的协同去除效果；同时，膜滤的驱动力为重力，与传统膜滤过程相比大大降低了能耗；

12、五、本发明相较于反渗透等其它去除废水中重金属的方法，所需压力更小，成本更低，效果更好，对含重金属污染的工业废水、二级出水、水源水的净化效果尤其显著。

13、本发明可获得一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，适用于强化去除废水中的重金属污染。

技术特征：

1.一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于该装置包括：高位原水箱(1)、多极产铁池(2)、微电解-澄清耦合池(3)、磁化超滤膜池(4)和储水箱(5)；

2.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的高位原水箱(1)与多极产铁池(2)连通的管路上设有多极产铁池进水管阀门(6)；多极产铁池(2)与微电解-澄清耦合池(3)连通的管路上设有微电解-澄清耦合池进水管阀门(7)；微电解-澄清耦合池(3)与磁化超滤膜池(4)连通的管路上设有磁化超滤膜池进水管阀门(9)；磁化超滤膜池(4)与储水箱(5)连通的管路上设有产水管阀门(10)。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的第一曝气装置(16)与空气泵(13)连通的管路上设有第一曝气阀(15)和第一流量计(14)；第二曝气装置(19)与空气泵(13)连通的管路上设有第二曝气阀(18)和第二流量计(17)；第三曝气装置(22)与空气泵(13)连通的管路上设有第三曝气阀(21)和第三流量计c(20)。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于多极产铁池(2)与微电解-澄清耦合池(3)连通的管路之间设有超越管路，其与高位原水箱(1)相连通，高位原水箱(1)可通过超越管路超越多极产铁池(2)直接与微电解-澄清耦合池(3)相连通；所述的超越管路上设有超越阀门(8)。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的多极产铁池(2)、微电解-澄清耦合池(3)和磁化超滤膜池(4)的底部均与放空管相连通，放空管上设有放空阀(11)；所述的磁化超滤膜池(4)的底部还设有排污管，排污管上设有排污阀(12)，磁化超滤膜池(4)过滤产生的污染物通过排污管排出。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的高位原水箱(1)中水面高度与磁化超滤膜池(4)的水面高度相差20～100cm；所述的多极产铁池(2)中阴极板(26)的材质为碳材料、铜、铅、银、铂及其合金中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的小径斜管辅助型澄清区(30)由斜管或斜板排列组合而成；所述的磁化超滤膜池(4)内超滤膜组件(32)为中空纤维式、平板式和卷式的一种或几种组合，膜孔径尺寸为0.002～0.1μm，膜材质为聚乙烯、聚醚砜、聚酰胺或醋酸纤维素；所述的超滤膜组件(32)的装填率为200～300m2膜面积/m2膜池水平投影面积；所述膜池导线(34)通电后产生的磁场强度为200～2000gs。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置，其特征在于所述的第一曝气装置(16)由电动阀或手动阀进行控制，用来氧化所述阳极铁板(25)产生的亚铁离子为活性铁氧化物，进而对重金属进行一次吸附，气液比为1:1～15:1；所述第一曝气装置(16)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种或多种组合；所述的第二曝气装置(19)由电动阀或手动阀进行控制，用来氧化上一工艺段来水中以及铁碳微电解过程中产生的亚铁离子，生成活性铁氧化物絮体及颗粒，增强对重金属的去除效果，气液比为1:1～15:1；所述第二曝气装置(19)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种和多种组合；所述的第三曝气装置(22)由电动阀或手动阀进行控制，第三曝气装置(22)所采用的曝气强度为2～30l/(m2·s)，用来维持膜池中的好氧环境，即溶解氧do浓度在2mg/l以上，利用膜池内部设置的溶解氧检测仪来实时监测膜池内溶解氧do，有利于膜前生物滤饼层的形成和维持其上微生物的代谢活性，每次曝气时间为15～30min；所述第三曝气装置(22)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种和多种组合。

9.应用如权利要求1～8任意一项所述一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置去除重金属的方法，其特征在于该方法是按照以下步骤实现的：

10.根据权利要求9所述的一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置去除重金属的方法，其特征在于步骤二中废水在多极产铁池(2)中的水力停留时间为2～100min；步骤二中所述的多极产铁池(2)中的阴极板(26)材料为碳材料、铜、铅、银、铂及其合金中的一种；步骤二中所述的第一曝气装置(16)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种；步骤三中水在微电解-澄清耦合池(3)中的水力停留时间为15～100min；步骤三中所述微电解-澄清耦合池(3)顶部的小径斜管辅助型澄清区(30)采用斜管形式或斜板形式；步骤三中所述第二曝气装置(19)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种；步骤四中所述的第三曝气装置(22)为钛板、钛管、扩散管、扩散板、穿孔曝气管和曝气盘中的一种和多种组合；步骤四中所述的超滤膜组件(32)的形式为中空纤维式、平板式和卷式膜的一种或几种组合，膜孔径尺寸为0.002～0.1μm，膜材质为聚乙烯、聚丙烯、聚醚砜、聚酰胺和醋酸纤维素，膜组件的装填率为200～300m2膜面积/m2膜池水平投影面积；步骤四中所述的膜池导线(34)通电后产生的磁场强度为200～2000gs；步骤四中水在磁化超滤膜池(4)中的水力停留时间为1～24h。

技术总结
一种基于磁场强化膜滤去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法，它属于水处理技术领域，涉及一种去除重金属的装置及使用其去除重金属的方法。本发明的目的是要解决现有物理和化学方法去除重金属效果不理想，且具有污泥量高、能耗高、成本高、容易造成二次污染，生物方法具有对pH值和温度依赖性强、能量和维护需求高，超滤无法有效去除重金属，纳滤和反渗透去除成本较高等问题。基于磁场强化膜滤去除重金属的装置包括高位原水箱、多极产铁池、微电解‑澄清耦合池、磁化超滤膜池和储水箱。本发明相较于反渗透等其它去除废水中重金属的方法，所需压力更小，成本更低，效果更好，对含重金属污染的工业废水、二级出水、水源水的净化效果尤其显著。

技术研发人员：吴传栋,文敬博,张会群,唐小斌,梁恒,房睿,刘路明
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14