一種電解改性石英砂濾床及其應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電解改性石英砂濾床，濾床內(nèi)從下至上鋪依次設有生物陶粒層和石英砂層；其中，生物陶粒層內(nèi)設有曝氣裝置；石英砂層內(nèi)設有陰極板和陽極板，且分別與直流穩(wěn)壓電源的負極和正極相連。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過將石英砂濾床技術與電解技術連用，在短時間的電解作用下，實現(xiàn)了石英砂表面金屬氫氧化物的負載，實現(xiàn)了石英砂濾床的改性作用，同時不產(chǎn)生二次污染，環(huán)境友好，提高了對水體中微量磷的吸附效果。電解改性石英砂濾床技術，強化了石英砂濾床去除磷的作用，實現(xiàn)了微量磷在較短的水力停留時間內(nèi)的有效去除，且出水中磷的濃度顯著低于石英砂濾床，持續(xù)高效，且不易堵塞，為有效解決城市水廠的生物穩(wěn)定性提供了新技術。
【專利說明】
一種電解改性石英砂濾床及其應用
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于水處理領域，具體涉及一種電解改性石英砂濾床及其應用。
【背景技術】
[0002]我國大部分水源受有機物污染嚴重，即便在城市水廠中經(jīng)過消毒合格的飲用水，在向市區(qū)輸送的過程中，水中的異氧細菌仍有增多的現(xiàn)象，這被認為是水的生物學不穩(wěn)定性引起的。生物學不穩(wěn)定的飲用水管網(wǎng)管壁會形成一定厚度的生物膜，腐蝕管路、降低管網(wǎng)輸水能力，引起水質的二次污染，而且對人類的健康構成威脅。發(fā)展中國家每年有1220萬五歲以下的兒童發(fā)病或死亡，超過300萬人死于腹瀉，其中多數(shù)是由于飲用了受微生物污染的水所引起的。
[0003]針對異樣菌造成的管網(wǎng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，目前常用的控制管網(wǎng)異樣菌的措施主要有:(I)沖洗管網(wǎng)，增大消毒劑的投放量或是改用其他消毒劑；(2)使用腐蝕抑制劑；(3)控制水體中的營養(yǎng)物含量，控制營養(yǎng)物的因子主要有:有機碳控制因子，磷控制因子。磷是微生物代謝過程中必需的元素之一，一般認為微生物生長所需的碳磷比為100:1，飲用水中所需碳磷比略低為100: (1.7?2.0)。針對這種情況，將磷作為控制因子，減少磷在自來水中的含量，可以有效控制水體中的微生物含量，從未達到生物穩(wěn)定。
[0004]常用的磷處理的方法有化學沉淀法(如鐵鹽、鋁鹽和鈣鹽等)、生物法和吸附法。磷的化學沉淀分為4個步驟:沉淀反應、凝聚作用、絮凝作用和固液分離?；瘜W沉淀法的除磷效率較高，出水TP含量可滿足lmg/L的要求。在給水處理中，磷的去除主要靠混凝沉淀和過濾兩個階段，混凝效果好的能去除大部分磷，另一少部分磷依賴過濾工藝去除。吸附法具有產(chǎn)泥量少、可重復使用和經(jīng)濟高效等優(yōu)點，并且對去除水中的微量污染物具有獨特的優(yōu)勢。因此，研究過濾去除微量磷的方法，選擇優(yōu)質濾料，優(yōu)化過濾條件，對于保證出水的生物穩(wěn)定性是一條重要途徑。
[0005]目前研究的吸附劑主要有:赤泥、粉煤灰、磷灰石、沸石、生物質炭等。石英砂作為一種簡單易得的材料也被廣泛應用在污水處理中，目前，常用的石英砂材料主要是對其進行改性后再進行應用，一般的改性方法是在石英砂的表面金屬氧化物和氫氧化物進行表面改性，能夠改變其表面電位和吸附官能團的數(shù)量，提高濾料對水中污染物的去除效率。石英砂改性的方法主要有鐵鹽、鎂鹽、鋁鹽等，依據(jù)其處理污染物目的而異。用于去除微量磷的石英砂改性方法主要以鐵鹽和鋁鹽為主，其中鐵鹽對石英砂改性研究較多，涂鐵改性石英砂作為一種濾料具有較強的吸附性能，已廣泛應用于水處理中去除各種污染物。王俊嶺等(2007)研究了涂鐵改性石英砂對微量磷的過濾吸附性能，研究結果證明鐵改性的石英砂對微量磷酸鹽具有良好的去除效果，改性石英砂對磷的去除率迭90 %以上，其中使用的改性材料為氯化鐵。許光眉等(2007)以Fe(NO3).9H20為改性劑，在110°C制備成改性砂濾料，并對其吸附除磷的吸附等溫線和熱動力學進行了研究。呂建波等(2008)年利用鐵改性石英砂過濾技術來處理城市污水的再生回用技術，發(fā)現(xiàn)其對磷的去除率較好，其過濾后磷的出水濃度均低于lmg/L。以上文獻所述對石英砂的改性方法，一般是利用氯化鐵、氯化鋁等進行浸泡，改性后會產(chǎn)生一定的污染廢液。因此，對其進行大規(guī)模的應用仍然需要做進一步的改進。
[0006]針對上述問題，本發(fā)明將電化學技術應用到石英砂的改性之中，經(jīng)過將電解產(chǎn)生的金屬氫氧化物對石英砂表面進行負載改性，利用改性石英砂過濾技術強化對微量磷的吸附去除，形成高效的電解改性石英砂濾床過濾技術，改性石英砂具有較大的比表面積和離子交換能力，對水體中的磷具有較大的吸附交換能力，同時其表面會形成穩(wěn)定的生物膜。使微生物的吸收去除磷與石英砂吸附交換作用聯(lián)合利用，達到穩(wěn)定高效的去除微量磷的能力。該電解改性石英砂濾床技術可以有效的去除水體中的微量磷，工藝方法簡單環(huán)境友好，有利于對現(xiàn)有水處理工藝中濾池的升級改造，因而具有很好的應用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種電解改性石英砂濾床，以解決現(xiàn)有技術存在對水體中微量磷的去除效果不佳的問題。
[0008]本發(fā)明還要解決的技術問題是提供上述電解改性石英砂濾床的應用。
[0009]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0010]—種電解改性石英砂濾床，濾床內(nèi)從下至上鋪依次設有生物陶粒層和石英砂層；
[0011]其中，生物陶粒層內(nèi)設有曝氣裝置;石英砂層內(nèi)設有陰極板和陽極板，陽極板與陰極板交叉放置，陰極板和陽極板分別與直流穩(wěn)壓電源的負極和正極相連。
[0012]其中，與生物陶粒層最接近的優(yōu)選為陽極板。
[0013]其中，生物陶粒層和石英砂層的厚度比為1:9?14。
[0014]其中所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的生物陶粒層中，生物陶粒的粒徑為3?5mm;所述的石英砂層中，石英砂的粒徑為I?1.5_。
[0015]其中所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，相鄰的陰極板和陽極板間的板間距與石英砂濾床的總厚度比為1:3?5。
[0016]其中所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，陰極板和陽極板上均設有直徑0.5?I cm的通水孔，相鄰兩通水孔之間的距離為I?2 cm。
[0017]其中所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的陽極板的材料為鐵或鎂鋁合金，所述的陰極板的材料為鐵。
[0018]其中所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，陰極板和陽極板在濾床中的總有效體積與濾床中石英砂濾層的體積比為0.00008?0.005:1。
[0019]其中所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的曝氣裝置的曝氣量為2?18L/min。
[0020]其中，在濾床底部的曝氣充氧的作用主要有:
[0021](I)利于電解中二價鐵氧化成三價鐵，從而促進水體中氫氧化鐵的生成；
[0022](2)經(jīng)過曝氣后使水體中氫氧化鐵的分布比較均勻，利于對氫氧化鐵在石英砂表面的附載；
[0023](3)維持相對好氧的環(huán)境，避免三階鐵的還原，從而抑制了磷的二次釋放。
[0024]其中所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的直流穩(wěn)壓電源的電壓為2?20V。
[0025]上述電解改性石英砂濾床在去除水體中磷和重金屬中的應用也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0026]利用上述電解改性石英砂濾床去除水體中的磷或重金屬時，將待處理污水從濾床底部注入濾床中；濾床運行時，陽極板電解出的二價鐵離子在曝氣的情況下較易生成三價鐵，三價鐵與水體中的0H—生成氫氧化物，該氫氧化鐵會負載在石英砂表面，同時電解出的二價鐵離子和三階鐵離子也會與磷酸鹽形成沉淀，同時氫氧化鐵也會對水體中的磷酸鹽進行絮凝沉淀。經(jīng)過負載鐵后的石英砂，會顯著的提高石英砂的比表面積，利于聚磷微生物的附著并形成穩(wěn)定的生物膜?？傊?jīng)過鐵負載改性后的石英砂與石英砂表面的生物膜以及水體中的氫氧化鐵等，通過沉降、過濾、吸附、微生物的吸收代謝等物理化學生物作用，使得石英砂濾床可以在較短的水力停留時間里高效去除微量磷。
[0027]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢:
[0028]1、通過將石英砂濾床技術與電解技術連用，在短時間的電解作用下，實現(xiàn)了石英砂表面金屬氫氧化物的負載，實現(xiàn)了石英砂濾床的改性作用，同時不產(chǎn)生二次污染物，環(huán)境友好，提高了其吸附水體中微量磷的效果。
[0029]2、電解改性石英砂濾床技術，強化了石英砂濾床去除磷的作用，因此實現(xiàn)了微量磷在較短的水力停留時間內(nèi)的有效去除，且出水中磷的濃度顯著低于石英砂濾床，持續(xù)高效，且不易堵塞，為有效的解決城市水廠的生物穩(wěn)定性提供了新的技術。
【附圖說明】
[0030]圖1為實施例1中電解改性石英砂濾床系統(tǒng)結構示意圖；
[0031 ]圖2為實施例1中電解改性石英砂濾床對微量磷的去除率。
【具體實施方式】
[0032]根據(jù)下述實施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發(fā)明。
[0033]下述實施例中的所用的污水參考城市水廠低濃度磷進行配置。模擬污水由分析純的磷酸二氫鉀配制，污染物主要以低濃度的磷為主，其P043—-P濃度為50yg/L，污水的流動方向為由下向上，污水在電解濾床裝置內(nèi)的水力停留時間為2h。
[0034]下述實施例中，進出水的PH、溶解氧(D0)、氧化還原電位(0RP)、溫度(°C)分別使用HachHQ30-d便攜式溶解氧儀(LD0101標準型溶解氧電極)、Hach便攜式pH計(PHC101標準型pH電極)，土壤氧化還原電位計(DMP-2數(shù)顯MV/pH/溫度計)和水溫計(JZLCWQG-17)進行測定。低濃度磷酸的測定采用孔雀綠磷鉬雜多酸分光光度法(參見《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中的標準)在620nm處測定濃度;鐵離子采用鄰菲羅啉分光光度法(參見《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中的標準)在510nm處測定濃度。各樣品在經(jīng)過標準程序處理后采用紫外分光光度法(V1800，SHIMADZU)分析測定。
[0035]實施例1
[0036]如圖1所示，實驗室構建的電解改性石英砂濾床的模擬裝置，它由濾床1、電解系統(tǒng)2-3和曝氣系統(tǒng)3組成;濾床的底部有生物陶粒層1-2作為墊層，粒徑為3?5mm，體積占濾床總體積的7% ;濾床上部為石英砂層1-1，粒徑為I?1.5mm，體積占濾床總體積的93 %。濾床的底部設有進水口，裝置上端的側壁上設置出水口。同時設置相同的無電解系統(tǒng)的裝置為對照組。
[0037]在濾床的石英砂濾料的內(nèi)部設有一塊陽極板和一塊陰極板，其材料均為鐵，且陽極板位于濾床的上部，陰極板位于濾床的下部，板間距為10cm。陰極和陽極板表面每隔Icm布滿0.5cm的通水孔。陽極通過在電解的作用下產(chǎn)生鐵離子，提供用于石英砂濾床改性使用的氫氧化鐵。陽極板在石英砂濾床中的有效體積與處理濾料的體積比為0.0036 ο陰極板和陽極板與直流穩(wěn)壓電源相連，電解反應過程中，電壓為5V，電流為0.001A。電解反應開始前先將利于導電的污水作為電解質充滿濾床，然后連接電源進行電解反應，電解反應時間為48h。在電解反應的過程中進行底部曝氣，其曝氣量為2?3L/min，通過曝氣利于電解過程中產(chǎn)生的鐵離子均勻附著在石英砂的表面。之后進行污水的脫磷處理，其處理過程中低濃度含磷污水的停留時間為2h，電解反應時間為lh/d，曝氣裝置連續(xù)工作2h。
[0038]當待處理低濃度含磷污水流入電解改性生物濾床后，陽極板電解出的二價鐵離子在曝氣的情況下較易生成三價鐵，三價鐵與水體中的0H—生成氫氧化物，該氫氧化鐵會負載在石英砂表面，同時電解出的二價鐵離子和三階鐵離子也會與磷酸鹽形成沉淀，同時氫氧化鐵也會對水體中的磷酸鹽進行絮凝沉淀作用。在濾床底部有曝氣頭，其作用主要有:(I)利于電解中二價鐵氧化成三價鐵，從而促進氫氧化鐵的生成；(2)使水體中氫氧化鐵的分布比較均勻，利于對鐵在石英砂表面的附載；(3)維持相對好氧的環(huán)境，避免三階鐵的還原，從而抑制了磷的二次釋放。經(jīng)過負載鐵后的石英砂，會顯著的提高石英砂的比表面積，利于聚磷微生物的附著并形成穩(wěn)定的生物膜。總之，經(jīng)過鐵負載改性后的石英砂與石英砂表面的生物膜以及水體中的氫氧化鐵等，通過沉降、過濾、吸附、微生物的吸收代謝等物理化學生物作用，使得石英砂濾床可以在較短的水力停留時間里高效去除微量磷，有效地解決了生物穩(wěn)定性問題。
[0039]試驗結果如圖2所示。處理組中，低濃度磷酸鹽的去除效果明顯高于對照組。P043—-P在處理組中的含量僅為0.76ug/L，去除率為98.4%，在對照組中的含量為由初期的20.9ug/L，去除率為58.2%，兩者之間相差40.2%。其在石英砂濾床中的去除率明顯低于電解改性濾床組，因此可以明顯看出，通過電解改性鐵負載后的石英砂濾床對出水中磷的去除效果明顯優(yōu)于對照組。
【主權項】
1.一種電解改性石英砂濾床，其特征在于，濾床內(nèi)從下至上鋪依次設有生物陶粒層和石英砂層；其中，生物陶粒層內(nèi)設有曝氣裝置;石英砂層內(nèi)設有交叉放置的陰極板和陽極板，陰極板和陽極板分別與直流穩(wěn)壓電源的負極和正極相連。2.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，生物陶粒層和石英砂層的厚度比為1:9?14。3.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的生物陶粒層中，生物陶粒的粒徑為3?5mm;所述的石英砂層中，石英砂的粒徑為I?1.5mm。4.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，相鄰的陰極板和陽極板間的板間距與石英砂濾床的總厚度比為1:3?5。5.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，陰極板和陽極板上均設有直徑0.5?I cm的通水孔，相鄰兩通水孔之間的距離為I?2cm。6.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的陽極板的材料為鐵或鎂鋁合金，所述的陰極板的材料為鐵。7.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，陰極板和陽極板在濾床中的總有效體積與濾床中石英砂濾層的體積比為0.00008?0.005:1。8.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的曝氣裝置的曝氣量為2?18L/min。9.根據(jù)權利要求1所述的電解改性石英砂濾床，其特征在于，所述的直流穩(wěn)壓電源的電壓為2?20V。10.權利要求1所述的電解改性石英砂濾床在去除水體中磷和重金屬中的應用。
【文檔編號】C02F3/10GK106006946SQ201610356443
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】楊柳燕, 高燕, 郭瓊, 王楚楚, 魏儒平, 張瑄文
【申請人】南京大學