一种新型地下水重金属去除装置设计与探讨

靳斌斌

摘 要：本设计公开了一种新型地下水重金属去除装置及工艺系统，主要有搅拌池、混合絮凝池、斜管沉淀池、离子交换反应池和膜蒸馏反应池，以及太阳能加热系统和冷却循环系统。首先，该系统解决了重金属去除率低、成本高、选择性不强等问题，它通过采用膜蒸馏和离子交换技术，可以使重金属浓度迅速降低到微克水平，实现重金属99%的去除。其次，该系统通过采用改性氨基酸树脂，增强了去除重金属的选择性，提高了目标重金属的回收与利用。最后，该系统通过利用太阳能这一清洁能源，降低了处理成本，结合改性氨基酸树脂重复利用性的提高，进一步节约了成本。

关键词：重金属;离子交换;膜蒸馏;太阳能系统

中图分类号：X523 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）11-077-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.026

进入21世纪以来，随着我国城市化进程的加快和工业的迅速发展，特别是矿产资源的开采和冶金等环节的不断推进，重金属对矿区地下水的污染日益严重，污染程度不断加剧，污染范围逐年扩大。矿区地下水重金属污染物主要有Pb、Cr、As、Ni、Hg、Cu、Zn等，重金属污染突发事件有一定的不可预见性和不可控制性，对人民健康、生态环境及社会安全构成了严重威胁[1]。

总体来说，国内外很多专题文献中都讨论了重金属去除过程的工程学问题以及它们的优缺点：氢氧化物沉淀方法简单，可以产生足够低的重金属浓度而被广泛使用[2];吸附/吸收作用过程简单[3]，但并不能总是提供充分的选择性，其尾液需进一步处理;电化学方法[4]、膜分离技术[5]和溶剂萃取[6]总是被应用于冶金制造等工业行业中，而不适用于相对稀释的大量污染地下水。在突发性地下水重金属污染事件中，根本消除其危害须使其重金属浓度迅速降低到微克每升的水平，现有技术因其局限性和成本较高而难以被接受。

1 材料与优化

1.1 装置简介

文章介绍的这一设计即一种新型地下水重金属去除装置，如图1所示。

文章介绍的这一新型地下水重金属去除装置包括依次连接的管式混合器（1）、搅拌池（2）、混合絮凝池（3）、斜管沉淀池（4）、离子交换反应池（5）、膜蒸馏反应池（6）。

管式混合器（1）出口与搅拌池（2）入口连通，搅拌池（2）出口与混合絮凝池（3）内的混合罐（31）底部连通，混合絮凝池（3）侧壁底部开设有开口使混合絮凝池（3）与斜管沉淀池（4）内部空间连通，斜管沉淀池（4）侧壁上部开设有开口使斜管沉淀池（4）与离子交换反应池（5）内部空间连通，离子交换反应池（5）池体内部设置有离子交换树脂单元（51），离子交换反应池（5）出口与膜蒸馏反应池（6）底部入口连通，膜蒸馏反应池（6）内设置有蒸馏膜组件（61）、加热器（62），蒸馏膜组件与膜出水循环冷却单元（7）连接，膜出水循环冷却单元（7）包括与蒸馏膜组件（61）出液口连接的出液管（71）和与蒸馏膜组件（61）回液口连接的回液管（72），出液管（71）与第一抽吸泵（73）连接，回液管（72）与冷却液循环泵（74）、冷却罐（75）依次连接，出液管（71）的出口与回液管（72）、出水管（8）入口连通。

此外，蒸馏膜组件（61）为板框式组件，蒸馏膜采用疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜，膜蒸馏反应池（6）内部位于蒸馏膜组件（61）下方设置有反冲洗装置（63），膜蒸馏反应池（6）内部与温度监测仪（9）连接，加热器（62）与太阳能热源吸收装置（10）连接。离子交换树脂单元（51）采用氨基酸树脂，離子交换反应池（5）内设置有两组离子交换树脂单元（51），离子交换树脂单元（51）为中空的腔体结构，腔体外壁为6～8层离子交换树脂层，每层厚度为0.3 m～0.5 m，每组离子交换树脂单元（51）出口均与膜蒸馏反应池（6）入口采用水管连通，水管上设置有第二抽吸泵（11）。斜管沉淀池（4）底部垂直于底面设置有挡板（41），挡板（41）的上表面高于混合絮凝池（3）侧壁开口的上表面，挡板（41）的靠近混合絮凝池（3）的一侧设置有一斜板（42），斜板（42）与水平面的夹角为50°～60°，斜管沉淀池（4）内部位于挡板（41）上方设置有斜管组（43），斜管组（43）由长度1 m～1.2 m，倾斜角60°的多根斜管组成;斜管沉淀池（4）内底面为圆弧面。管式混合器（1）入口与进水泵（12）连通，反冲洗装置（63）与气体抽吸泵（13）连接，出水管（8）与膜出水在线监测管道（14）连接。

1.2 系统优化

管式混合器出口与搅拌池入口连通，搅拌池的出口与混合絮凝池内的混合罐底部连通，混合絮凝池侧壁底部开设有开口使混合絮凝池与斜管沉淀池内部空间连通，斜管沉淀池侧壁上部开设有开口使斜管沉淀池与离子交换反应池内部空间连通，离子交换反应池池体内部设置有离子交换树脂单元，离子交换反应池出口与膜蒸馏反应池底部入口采用水管连通，膜蒸馏反应池内设置有蒸馏膜组件、加热器，蒸馏膜组件与膜出水循环冷却单元连接，膜出水循环冷却单元包括与蒸馏膜组件出液口连接的出液管和与蒸馏膜组件回液口连接的回液管，出液管与第一抽吸泵连接，回液管与冷却液循环泵、冷却罐依次连接，出液管的出口与回液管、出水管入口连通。

优化的蒸馏膜组件为板框式组件，蒸馏膜采用疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜。蒸馏膜两侧溶液不能通过疏水性膜（疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜），但水蒸气可以在该膜中通过其微孔孔隙自由传输，分离效率高。

优化的膜蒸馏反应池内部位于蒸馏膜组件下方设置有反冲洗装置，反冲洗装置通过利用空气冲刷膜面，间歇运行，减缓膜污染。

优化的膜蒸馏反应池内部与温度监测仪连接，加热器与太阳能热源吸收装置连接。通过对太阳能这一清洁能源的利用，降低了处理成本。通过设置温度监测仪检测膜蒸馏反应池内部温度，当加热装置温度和膜蒸馏生物反应池内温度水温差△t达到预定值时，循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到反应池中，使反应池内的水达到设定的温度。

优化的离子交换树脂单元采用氨基酸树脂。

更加优化的离子交换反应池内设置有两组离子交换树脂单元，一组运行一组备用，离子交换树脂单元为中空的腔体结构，腔体外壁为6～8层离子交换树脂层，每层厚度为0.3 m～0.5 m，每组离子交换树脂单元出口均与膜蒸馏反应池入口采用水管连通，水管上设置有第二抽吸泵。

2 结果与讨论

2.1 讨论一

重金属污染地下水经进水泵（12）进入管道，并在管式混合器（1）里被投加絮凝剂（PAC），投加的混凝剂（PAC）在搅拌池内的机械搅拌器（2）的作用下与地下水迅速混合;迅速混合后的地下水通过连通管道从搅拌池（2）下端进入絮凝反应池（3），在混合罐（31）的作用下由下至上，向四周流动，形成较大颗粒絮体后从絮凝反应池（3）底部由推流区进入斜管沉淀池（4）;斜管（43）上部水深为0.5 m～1.0 m，进入沉淀池（4）的地下水通过斜管组（43）完成固液分离，地下水上清液通过矩形堰进入离子交换反应池（5），其内的离子交换树脂单元（51）分为A、B两组，一组运行一组备用。

离子交换树脂单元（51）采用的改性氨基酸离子树脂为一种改性树脂，该树脂具有对Pb2+等吸附量可达0.5 mol/g，且利用硝酸脱附率最高可达95%以上，可以重复使用，制备方法原料易得、成本低、反应条件温和、对环境无污染。

2.2 讨论二

地下水在改性氨基酸离子树脂单元（51）内完成重金属离子的吸附与交换后经第二抽吸泵（11）进入膜蒸馏反应池（6），并在蒸馏膜组件（61）里利用太阳能加热器（62）和膜出水循环冷却单元（7）形成的内外温差下实现膜蒸馏反应，从而使水蒸气从膜外侧进入内侧，并通过第一抽吸泵（73）流出，流出的地下水一部分通过膜出水在线监测管道（14）出水，一部分在冷却循环泵（74）作用下进入冷却罐（75），并流入蒸馏膜组件（61）内侧，从而保证了冷却循环系统的正常运行。其中，太阳能加热装置（62）（太阳能集热器）热能+由太阳能热源吸收装置（10）通过吸收太阳能后提供;蒸馏膜反应池（6）内的环境温度T维持在45 ℃～55 ℃，冷却系统温度T维持在10 ℃～15 ℃。蒸馏膜组件（61）采用疏水性氟乙烯PVDF膜或聚丙烯PP膜。太阳能加热器（62）采用温差控制集热原理，当太阳能热源吸收装置（10）吸收太阳能辐射后，加热器温度上升，达到加热器（62）温度和膜蒸馏生物反应池（6）温度水温差△t设定值时，检测系统发出指令，太阳能集热器内部自帶循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到膜蒸馏反应池（6）中，使膜蒸馏反应池（6）内的水达到设定的温度，这些过程均采用数字电脑自动化控制模式。

2.3 讨论三

膜蒸馏系统，主要包括膜出水循环冷却单元（7）、太阳能加热系统和蒸馏膜组件（61）;它是一种低温干馏过程，涉及水在汽相中的输送;蒸馏膜两侧溶液不能通过疏水性膜（疏水性氟乙烯PVDF膜），但水蒸气可以在该膜中通过其干微孔孔隙自由传输。此外，蒸馏膜两侧溶液存在较高的温度差，这样为膜蒸馏过程的实现提供了有利条件;膜蒸馏可以在常温下进行，设备简单，操作方便，且膜蒸馏具有分离效率高，低结垢倾向，潜在能耗低等优点。反冲洗装置（63）通过利用空气进行膜面冲刷，每运行6 min，停止2 min，间歇运行，减缓膜污染。

2.4 结果

采用上述工艺处理湖北某重金属污染地区地下水，地下水除重金属外均满足地下水Ⅲ类标准，其中进水Pb离子浓度为0.12 mg/L，Mn离子浓度为1.60 mg/L，Cd离子浓度为0.005 mg/L，Cu离子浓度为0.025 mg/L，Zn离子浓度为0.005 mg/L，进水温度为16 ℃～20 ℃。

运行中，蒸馏膜反应池水温度（T）为45 ℃～55 ℃，冷却系统温度T维持在10 ℃～15 ℃，pH值为6.5～7.0，反应器持续运行，初始膜通量为14 L/m2h～18 L/m2h。交换吸附池A和B交替使用，其采用的改性氨基酸离子树脂有对Pb2+等吸附量可达0.5 mol/g。

2.5 出水结果

Pb离子浓度为0.001 mg/L，Mn离子浓度为0.02 mg/L，他重金属离子均未检出，结果显示，污水中Pb离子的去除率达到了99.1%，Mn离子去除率达到98.7%，实现了Pb等离子99%去除与回收。

3 结语

本设计通过采用膜蒸馏和离子交换技术，可以使重金属浓度迅速降低到微克水平，实现重金属99%的去除，通过采用改性氨基酸树脂，增强了去除重金属的选择性，进一步提高了目标重金属的回收与利用。同时，本设计通过太阳能循环系统，降低了处理成本，便于重金属去除技术的进一步推广。

参考文献

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[2] 楼江鹏.探究化学沉淀法处理含重金属废水[J].冶金与材料，2019，39（5）：40，42.

[3] 郭继香，袁存光，冯成武.原子吸收法用于蛇蚊石吸附污水中重金属的实验研究[A].全国第九届光谱仪器与分析监测学术研讨会论文集[C].北京：中国仪器仪表学会，1999：16-19.

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