專利名稱：一種同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及環境保護，具體的說是一種同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法 及其裝置。
背景技術：
由于地質成因或礦業生產活動，中國一些地區的飲用水，特別是地下飲用水中的 砷、鎘等重金屬常常超標。這些地區也會因為農業生產過量施氮、畜禽養殖廢水和城鎮生活 污水處理不足等導致地下飲用水硝酸鹽超標嚴重。其結果是飲用水中的重金屬和硝酸鹽均 超標，嚴重危害人們的身體健康。活性炭對重金屬有一定的物理吸附能力。含鐵氧化物和錳氧化物的鐵錳砂石也 可通過物理化學作用吸附沉淀鐵、錳、砷等重金屬。但鐵氧化物或錳氧化物的物理化學吸 附能力受其微觀形態與結構影響，新生鐵氧化物和新生錳氧化物吸附重金屬的能力較高。 KDF(銅鋅)合金和活性炭的組合已被用于去除飲用水中的重金屬。飲用水中的重金屬通過 銅鋅的氧化還原作用轉化為易被活性炭吸附的形態而被去除。不過，這一過程會釋放銅和 鋅，如果這些重金屬超標較為嚴重，又可能導致出水銅和鋅超標。去除飲用水中硝酸鹽的方法有離子交換法、反滲透法、化學法、生物反硝化法等。 其中離子交換，反滲透法，成本昂貴，處理后產生的廢水可造成二次污染。化學法，比如鐵粉 還原法，反應速率不易控制，副產物(如氨)多。生物反硝化法去除飲用水硝酸鹽一般需添加適量還原性物質作為電子供體。依據 所用電子供體的不同，生物反硝化分為異養反硝化和自養反硝化。異養反硝化的電子供體 既可是有機小分子，也可是生物可降解大分子(如棉花和碎木屑)。不過，依靠異養反硝化 作用完全去除硝酸鹽并確保出水亞硝酸根不超標，以有機小分子為碳源的添加量一般要達 到理論上完全去除硝酸鹽所需碳源量的120%以上，容易導致微生物過度生長和出水有機 碳較高。同時，異養反硝化過程中產生堿度而需要添加無機酸來調控pH。生物可降解大分 子一般做成通透性反硝化反應墻，用于地下水硝酸鹽的原位去除。自養反硝化法主要采用單質硫或氫氣作為電子供體。當硝酸鹽的濃度較高(比 如45mgN/L以上)時，單純依靠硫自養反硝化會導致出水pH下降，硫酸鹽含量增加明顯而 超標。只要出水PH低于8. 3，若用碳酸鈣去硫酸根除又可能導致鈣離子釋放而增加出水硬 度。用氫氣作為自養源時，外源供氫安全管理要求高，一般采用電解方法供氫。不過，氫氣 在水中溶解度小，氫氣利用率低。為了克服這一問題，通過調節外源電壓，把電子傳遞到電 極上，讓生長在電極上的電化活性反硝化菌直接利用電子和水中的氫離子還原硝酸鹽(如 專利公開號CN 101381128A)。為了彌補單一方法的不足，也可用復合處理方法，比如自養反 硝化與電化反硝化的復合處理方法(如授權公告號CN 1162356C)，異養反硝化與電化反硝 化的復合處理方法(如授權公告號CN 1170780C)。
發明內容
本發明目的在于提供一種同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法及其處理裝置。為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法待處理原水中添加以甲酸為主 的、以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳，添加量為異養反硝化作用完全去除原水中平均含 量硝酸鹽所需碳源的80-90% ；以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳的添加使 原水PH達到5-3. 9 ；酸化后的原水在有氧條件下通過金屬去除柱，利用其中的填料去除重 金屬；去除重金屬的原水進入反硝化反應柱，利用添加量不過剩的小分子有機碳作為碳源， 通過異養反硝化作用去除原水中的大部分硝酸鹽，利用反硝化反應柱中的填料為電子供體 源，通過自養反硝化作用去除原水中的殘余硝酸鹽；而后通過有氧循環過濾去除原水中其 它殘留物質，即得到去除重金屬和硝酸鹽的飲用水。所述金屬去除柱的填料層按石英砂與氧化鐵層、石英砂層、活性炭與硫化亞鐵層 和石英砂層的順序重復多次鋪設而成；其中石英砂與氧化鐵層、石英砂層、活性炭與硫化 亞鐵層和石英砂層的體積比為20-2 1 20-2 1 ；所述石英砂與氧化鐵層，石英砂與 氧化鐵的體積比為20-2 1 ；所述活性炭與硫化亞鐵層，活性炭與硫化亞鐵的體積比為 50-5 1。所述反硝化反應柱中的填料，上半部填料層為活性炭和硫化亞鐵，按體積比為 50-5 1 ；下半部填料層為活性炭和氧化鐵顆粒，按體積比為100-10 1。所述待處理原水中加入以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳使其pH 達到5-3. 9，酸化后的原水通過金屬去除柱，利用其內填充材料氧化鐵顆粒、活性炭和硫化 亞鐵顆粒吸附沉淀待處理原水中的重金屬；填料中的硫化亞鐵與原水中的溶解氧反應形成 的新生鐵氧化物也吸附沉淀待處理原水中的重金屬；所述以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為 輔的小分子有機碳為以甲酸為主的以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳的添加量為異養反 硝化作用完全去除進水中平均含量硝酸鹽所需碳源的80-90%。待處理原水中進入混合池后pH在5-3. 9之間，酸化后的原水通過金屬去除柱，利 用其內填充材料氧化鐵顆粒、活性炭和硫化亞鐵顆粒吸附沉淀待處理原水中的重金屬。填 料中的硫化亞鐵與原水中的溶解氧反應形成的新生鐵氧化物也吸附沉淀待處理原水中的
重金屬。在所述反硝化反應柱內，以酸化待處理原水時所添加的添加量不過剩的小分子有 機碳作為碳源，通過異養反硝化作用去除原水中的大部分硝酸鹽，以填料硫化亞鐵為電子 供體源，通過亞鐵自養反硝化和硫化自養反硝化作用去除原水中的剩余硝酸鹽。所述通過反硝化反應柱處理后的原水通過滴濾柱的有氧循環過濾作用去除原水 中殘余的亞硝酸鹽和有機碳，而后再通過臭氧處理和活性炭過濾，即得到去除重金屬和硝 酸鹽的飲用水。所述滴濾柱由石英砂層和活性炭層構成，其中石英砂層和活性炭層的體積比為 1 5-25。處理裝置處理含重金屬和硝酸鹽的原水之前，反硝化反應柱和滴濾柱要經過一個 為期五周的聯合啟動運行階段。室溫20-28°C條件下，用好氧活性污泥的100-200倍稀釋 懸浮液對反硝化反應柱和滴濾柱 種。第一周內，在含硝酸鹽60-120mgN/L的原水中添加以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的碳源，使原水PH在5-3. 9之間，然后原水以向上流形式 通過重金屬去除柱和反硝化反應柱，與來自滴濾池的向上循環水流匯合，向下流形式經過 滴濾柱，進入所述滴濾池。足量以甲酸為主的碳源是指完全去除水中硝酸鹽所需碳源量的 120-140%。后四周期間運行期間，降低碳源添加量至完全去除硝酸鹽所需量的50-70%，其 它條件不變。當反硝化反應柱和滴濾柱完成啟動階段的培養后，處理裝置可對重金屬和硝 酸鹽復合污染飲用水進行處理。被處理原水首先在原水池內曝氣，然后經過原水池底部鋪設的細石英砂層過濾進 入配水池與配水池。只在配水池內添加以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的碳源。配水池 和配水池的水按它們的體積比流入混合池。混合池內的水上流式依次通過重金屬去除柱和 反硝化反應柱。從反硝化反應柱流出的水與來自滴濾池的向上循環水流匯合，向下流形式 經過滴濾柱，進入滴濾池。當滴濾池內水量超過一定體積后，自動溢出流入臭氧處理池。臭 氧處理池儲水滿后，在臭氧發生器作用下，從臭氧處理池底部進行臭氧消毒，再經過活性炭 柱過濾，進入儲水池。同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽方法的裝置包括原水池、配水池、混合池、重 金屬去除柱、反硝化反應柱、滴濾柱、滴濾池、臭氧處理池、臭氧發生器、活性炭柱及儲水池； 其中原水池、配水池、混合池、重金屬去除柱、反硝化反應柱通過管路依次相連，反硝化反應 柱的出水口通過管路與滴濾柱的進水口相連，滴濾柱的下方設有滴濾池，滴濾池通過管路 與滴濾柱的出水口相連，滴濾池的出水口通過管路與臭氧處理池的進水口相連，臭氧處理 池底部設有通過管路與其連接的臭氧發生器，臭氧處理池出水口依次連接活性炭柱、儲水 池。所述原水池底部鋪設石英砂層。所述原水池設有兩個出水口，兩個出水口分別通 過管路連接第一配水池和第二配水池，第一配水池和第二配水池的出水口匯合后與混合池 相連。本發明所具有的優點1.本發明所處理的原水無需除氧，原水中的溶解氧和添加的有機酸強化重金屬去 除柱內氧化鐵和硫化亞鐵填料吸附沉淀去除原水中的重金屬的能力。2.本發明以甲酸為主要碳源并酸化原水，反硝化過程中無需調節水的pH。3.本發明處理水時控制碳源添加量不過剩，一般為完全去除進水中平均含量硝酸 鹽所需碳源的80-90%，以異養反硝化為主，自養反硝化為輔，充分利用亞鐵自養反硝化與 硫自養反硝化的協同作用有效去除硝酸鹽。當進水中的硝酸鹽濃度提高或降低幅度小于 10mgN/L時，本發明處理方法可自動調節異養反硝化和自養反硝化的相對作用強度而無需 改變碳源供給和處理條件，有效去除原水中的硝酸鹽。4.本發明反硝化處理后的水進行有氧循環過濾處理，使得出水中亞硝酸鹽、氨氮 和有機碳含量低，利于臭氧快速消毒。5.本發明處理后的水為弱堿性，硫酸根濃度沒有明顯升高，重金屬、亞硝酸鹽、氨 氮和有機碳含量不超標。
圖1為本發明去除飲用水重金屬和硝酸鹽的處理裝置圖。
具體實施例方式實施例1金屬去除柱5的直徑10cm，高100cm，其填料層按石英砂與氧化鐵層、石英砂層、 活性炭與硫化亞鐵層和石英砂層的順序重復五次鋪設而成；石英砂與氧化鐵層、石英砂層、 活性炭與硫化亞鐵層和石英砂層的體積比為4 1 4 1 ；所述石英砂與氧化鐵層中，石 英砂與氧化鐵的體積為5 1 ；所述活性炭與硫化亞鐵層中，活性炭與硫化亞鐵的體積比為 10 I0石英砂和氧化鐵的粒度為< 1mm，硫化亞鐵和活性碳的粒度為l-4mm。反硝化反應柱6的直徑15cm，高lm，其上半部的填料為活性炭和硫化亞鐵，體積比 為10 1 ；反硝化反應柱下半部的填料為活性炭和氧化鐵，體積比為20 1。石英砂和氧 化鐵的粒度為< 1mm，硫化亞鐵和活性碳的粒度為l-4mm。滴濾柱7的直徑10cm，高lm，由石英砂層和活性炭層構成。石英砂層高10cm，粒度 < 1mm，活性炭層高90cm，粒度l_4mm。處理裝置方處理含重金屬和硝酸鹽的原水之前，反硝化反應柱6和滴濾柱7進行 了為期五周的聯合啟動運行。室溫(20-28°C )條件下，用好氧活性污泥的200倍稀釋懸浮 液對反硝化反應柱6和滴濾柱7接種。第一周運行期間，配水池2與配水池3按1 1體 積進水，在配水池2與配水池3中均添加硝酸鹽98mgN/L，但只在配水池2中添加IOmM甲 酸、1. 5mM乙酸和6mM乙醇。配水池2和配水池3的出水以0. 9L/h的相同流速進入混合池 4混合，混合的水的pH為4. 0。混合池4的出水以1. 8L/h的流速依次上流式經過重金屬去 除柱5和反硝化反應柱6。反硝化反應柱6的出水與來自滴濾池8的向上循環水流(36L/ h)匯合，向下流形式經過滴濾柱7，進入滴濾池8。后四周運行期間，配水池2中水的乙酸含 量降低至0. 5mM，其它條件不變，啟動運轉后反硝化反應柱6和滴濾柱7待用。反硝化反應柱6和滴濾柱7完成五周的聯合啟動運行后，處理裝置對重金屬和硝 酸鹽復合污染飲用水進行如下處理處理過程在室溫條件下，將50L含重金屬和硝酸鹽的待處理原水飲用水(pH 7. 1，硝酸鹽56mg N/L，砷0. 10mg/L，鎘0. 10mg/L)在50L原水池1曝氣15分鐘后經過石英 砂層過濾進入25L配水池2和25L配水池3。配水池2與配水池3形狀相同，各裝水25L。 配水池2內添加濃度為IOmM甲酸和濃度為ImM乙醇，碳源添加量為理論上完全去除配水池 2和配水池3水中硝酸鹽所需碳源量的80%。配水池2的水面90%被泡沫板覆蓋，且泡沫 板可隨水位變化而上下浮動。配水池2與配水池3的出水以相同的流速進入2L容積的混 合池4后pH變為4. 3。混合池4內的水以1. 8L/h的流速上流式依次通過重金屬去除柱5 和反硝化反應柱6。金屬去除柱5內的填充材料氧化鐵顆粒、活性炭和硫化亞鐵顆粒直接 吸附沉淀待處理原水中的重金屬。硫化亞鐵與原水中的溶解氧反應形成的新生鐵氧化物也 可吸附沉淀去除原水中的重金屬。少量溶解但未被氧氣氧化的硫化亞鐵，以HS—和Fe2+形 式流出重金屬去除柱5進入反硝化反應柱6，與反硝化反應柱6內的硫化亞鐵填料共同成為 自養反硝化的電子供體源。以反硝化反應柱的下半部為主，甲酸和乙醇作為碳源支持異養 反硝化去除原水中的大部分硝酸鹽；當甲酸等碳源被消耗殆盡后，以反硝化反應柱6的上 半部為主，硫化亞鐵作為電子供體源支持亞鐵自養反硝化和硫化自養反硝化去除原水中的 剩余硝酸鹽。反硝化反應柱6的出水與來自滴濾池8的向上循環水流匯合，向下流形式經過滴濾柱7，進入滴濾池。其中滴濾池8的向上循環水流流速為36L/h。當滴濾池內水量超 過25L后，自動溢出流入臭氧處理池9。50L原水用28個小時左右處理完畢。在臭氧發生 器10作用下，從臭氧處理池9的底部對處理后的水進行臭氧消毒0. 5小時，經過活性炭柱 11過濾，進入儲水池12，處理后水水質參見表1。提高或降低原水中硝酸鹽濃度IOmg N/L，其他運行條件不變，運行28個小時。處 理結果如表1所示，當原水中硝酸鹽含量在46-66mgN/L范圍之內變化時，不改變碳源供給 和處理條件，該處理過程可有效去除NO”砷和鎘，并且出水中的N02_與TOC達標。表1、重金屬和硝酸鹽污染的飲用水處理前后水質變化
權利要求
一種同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法，其特征在于待處理原水中添加以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳進行酸化，使其pH達到5 3.9，酸化后的原水在有氧條件下通過金屬去除柱，利用其中的填料去除重金屬；去除重金屬的原水進入反硝化反應柱，以酸化時所添加的添加量不過剩的小分子有機碳為碳源，以反硝化反應柱中的填料為電子供體源，通過異養和自養反硝化的協同作用去除原水中的硝酸鹽，而后通過有氧循環過濾去除原水中殘留物質，即得到去除重金屬和硝酸鹽的飲用水。
2.按權利要求1所述的同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法，其特征在于所述 金屬去除柱的填料層按石英砂與氧化鐵層、石英砂層、活性炭與硫化亞鐵層和石英砂層的 順序重復多次鋪設而成；其中石英砂與氧化鐵層、石英砂層、活性炭與硫化亞鐵層和石英砂 層的體積比為20-2 1 20-2 1 ；所述石英砂與氧化鐵層，石英砂與氧化鐵的體積比為 20-2 1;所述活性炭與硫化亞鐵層，活性炭與硫化亞鐵的體積比為50-5 1。
3.按權利要求1所述的同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法，其特征在于所述 反硝化反應柱中的填料，上半部填料層為活性炭和硫化亞鐵，按體積比為50-5 1;下半部 填料層為活性炭和氧化鐵顆粒，按體積比為100-10 1。
4.按權利要求1、2或3所述同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法，其特征在于 所述待處理原水中加入以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳使其PH達到 5-3. 9，酸化后的原水通過金屬去除柱，利用其內填充材料氧化鐵顆粒、活性炭和硫化亞鐵 顆粒吸附沉淀待處理原水中的重金屬；填料中的硫化亞鐵與原水中的溶解氧反應形成的 新生鐵氧化物也吸附沉淀待處理原水中的重金屬；所述以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔 的小分子有機碳的添加量為異養反硝化作用完全去除進水中平均含量硝酸鹽所需碳源的 80-90% ；以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳中，甲酸的添加量占70-100%， 其余為乙酸或乙醇。
5.按權利要求1所述同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法，其特征在于在所述 反硝化反應柱內，以酸化待處理原水時所添加的添加量不過剩的小分子有機碳作為碳源， 通過異養反硝化作用去除原水中的大部分硝酸鹽，以填料硫化亞鐵為電子供體源，通過亞 鐵自養反硝化和硫化自養反硝化作用去除原水中的剩余硝酸鹽。
6.按權利要求1或5所述同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法，其特征在于所 述通過反硝化反應柱處理后的原水通過滴濾柱的有氧循環過濾作用去除原水中殘余的亞 硝酸鹽和有機碳，而后再通過臭氧處理和活性炭過濾，即得到去除重金屬和硝酸鹽的飲用 水。
7.按權利要求6所述同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法，其特征在于所述滴 濾柱由石英砂層和活性炭層構成，其中石英砂層和活性炭層的體積比為1 5-25。
8.一種按權利要求1所述同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽方法的裝置，其特征在 于包括原水池(1)、配水池、混合池(4)、重金屬去除柱(5)、反硝化反應柱(6)、滴濾柱 (7)、滴濾池(8)、臭氧處理池(9)、臭氧發生器(10)、活性炭柱(11)及儲水池(12)；其中原 水池(1)、配水池、混合池(4)、重金屬去除柱(5)、反硝化反應柱(6)通過管路依次相連，反 硝化反應柱(6)的出水口通過管路與滴濾柱(7)的進水口相連，滴濾柱(7)的下方設有滴 濾池(8)，滴濾池(8)通過管路與滴濾柱(7)的出水口相連，滴濾池(8)的出水口通過管路 與臭氧處理池(9)的進水口相連，臭氧處理池(9)底部設有通過管路與其連接的臭氧發生器(10)，臭氧處理池(9)出水口依次連接活性炭柱(11)、儲水池(12)。
9.按權利要求8所述的同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的裝置，其特征在于所述 原水池(1)底部鋪設石英砂層。
10.按權利要求8所述的同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的裝置，其特征在于所述 原水池(1)設有兩個出水口，兩個出水口分別通過管路連接第一配水池(2)和第二配水池 (3)，第一配水池(2)和第二配水池(3)的出水口匯合后與混合池(4)相連。
全文摘要
本發明涉及環境保護，具體是一種同步去除飲用水中重金屬和硝酸鹽的方法及其裝置。待處理原水中添加以甲酸為主的、以乙酸或乙醇為輔的小分子有機碳進行酸化，使其pH達到5-3.9，酸化后的原水在有氧條件下通過金屬去除柱，利用其中的填料去除重金屬；去除重金屬的原水進入反硝化反應柱，以酸化時所添加的添加量不過剩的小分子有機碳為碳源，以反硝化反應柱中的填料為電子供體源，通過異養和自養反硝化的協同作用去除原水中的硝酸鹽，而后通過有氧循環過濾去除原水中殘留物質，得到去除重金屬和硝酸鹽的飲用水。本發明處理可自動調節異養反硝化和自養反硝化的相對作用強度，有效去除原水中的硝酸鹽，同時出水弱堿性，硫酸根濃度沒有明顯升高，重金屬、亞硝酸鹽、氨氮和有機碳含量也不超標。
文檔編號C02F9/14GK101973666SQ20101029611
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者史奕, 陳欣, 黃斌 申請人:中國科學院沈陽應用生態研究所