申請日2017.09.28

　　公開(公告)日2018.01.12

　　IPC分類號C02F3/32; C02F101/20

　　摘要

　　公開了一種基于蘆葦潛流濕地的重金屬廢水處理方法、制備系統(tǒng)及蘆葦潛流濕地，重金屬廢水經(jīng)過在最左端和第一擋板(33)限定的植土層(29)、卵石層(28)和砂層(27)處理后進入由第二擋板(34)和第一擋板(33)限定的蘆葦生物炭層(26)和砂層(27)中處理，然后經(jīng)過在第二擋板(34)和第三擋板(35)限定的植土層(29)、卵石層(28)和砂層(27)處理后進入由第三擋板(35)和第四擋板(36)限定的蘆葦生物炭層(26)和砂層(27)中處理，所述重金屬廢水在所述潛流濕地部分中的流徑大致為S形，被處理的重金屬廢水從排水口(32)排出，其中，壓水管道(31)給潛流濕地部分中的重金屬廢水提供輔助的水流動力。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種基于蘆葦潛流濕地的重金屬廢水處理方法，其步驟包括：

　　第一步驟(S1)中，從下到上依次鋪設(shè)蘆葦生物炭層(26)、砂層(27)、卵石層(28)和植土層(29)形成潛流濕地部分，所述植土層(29)種植蘆葦，所述蘆葦生物炭層(26)中的蘆葦生物炭制備工藝包括，首先通過破碎設(shè)備(8)粉碎后過60目篩得到蘆葦顆粒，所述蘆葦顆粒在氮氣保護下于馬弗爐中以8-10 ℃/min的速度升溫至350-400 ℃且持續(xù)5-6小時得到蘆葦生物炭顆粒，所述蘆葦生物炭顆粒在含有氯化亞鐵、氯化鋅和硒粉的乙二醇溶液中通入氯氣下以150-160 ℃攪拌2-3小時后，加入酸溶液調(diào)節(jié)pH值為4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小時獲得蘆葦生物炭;

　　第二步驟(S2)中，所述潛流濕地部分的左端為重金屬廢水進入端，右端為排出端，在最左端的植土層(29)中設(shè)有用于輸入重金屬廢水的入水口(30)，在最左端的蘆葦生物炭層(26)設(shè)有用于提供水流動力的壓水管道(31)，在最右端的蘆葦生物炭層(26)設(shè)有排水口(32);

　　第三步驟(S3)中，從左端到右端依次設(shè)有垂直插入砂層(27)、卵石層(28)和植土層(26)的第一擋板(33)、垂直插入砂層(27)和蘆葦生物炭層(26)的第二擋板(34)、垂直插入砂層(27)、卵石層(28)和植土層(29)的第三擋板(35)以及垂直插入砂層(27)和蘆葦生物炭層(26)的第四擋板(36)，其中，第一擋板(33)靠近最左端，第四擋板(36)靠近最右端;

　　第四步驟(S4)中，當(dāng)重金屬廢水從入水口(30)流入植土層(29)，重金屬廢水經(jīng)過在最左端和第一擋板(33)限定的植土層(29)、卵石層(28)和砂層(27)處理后進入由第二擋板(34)和第一擋板(33)限定的蘆葦生物炭層(26)和砂層(27)中處理，然后經(jīng)過在第二擋板(34)和第三擋板(35)限定的植土層(29)、卵石層(28)和砂層(27)處理后進入由第三擋板(35)和第四擋板(36)限定的蘆葦生物炭層(26)和砂層(27)中處理，所述重金屬廢水在所述潛流濕地部分中的流徑大致為S形，被處理的重金屬廢水從排水口(32)排出，其中，壓水管道(31)給所述潛流濕地部分中的重金屬廢水提供輔助的水流動力。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于，第一步驟(S1)中，所述乙二醇溶液中的蘆葦生物炭顆粒、乙二醇、氯化亞鐵、氯化鋅和硒粉的質(zhì)量份比例處于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于，第一步驟(S1)中，蘆葦進行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段經(jīng)破碎設(shè)備(8)粉碎后過60目篩得到蘆葦顆粒，所述蘆葦顆粒加入含有氯化亞錫和三氯化鐵的水溶液中浸漬3-4小時后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小時得到混合物，所述水溶液中的蘆葦顆粒、氯化亞錫和三氯化鐵的質(zhì)量份比例處于100:(5-8):(20-40);所述混合物在馬弗爐中氮氣下以9 ℃/min的速度升溫至380 ℃且持續(xù)5小時得到蘆葦生物炭顆粒。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于，第一步驟(S1)中，加入鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值為5。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于，第二步驟(S1)中，排水口(32)設(shè)有過濾設(shè)備和/或電泵。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的處理方法，其特征在于，第二步驟(S2)中，所述入水口(30)在垂直方向上均布在植土層(29)的上半部分。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的處理方法，其特征在于，第三步驟(S3)中，所述第一、第二、第三和第四擋板(33、34、35、36)由不透水材料制成，第一和第四擋板(33、36)之間間隔布置多個分別垂直插入砂層(27)、卵石層(28)和植土層(29)以及垂直插入砂層(27)和蘆葦生物炭層(26)的擋板。

　　8.一種制備蘆葦生物炭層的制備系統(tǒng)，其包括預(yù)處理裝置(1)、混合裝置(2)、炭化裝置(3)、處理裝置(4)和控制裝置(5)，其特征在于，

　　所述預(yù)處理裝置(1)包括用于清洗蘆葦?shù)那逑丛O(shè)備(6)、烘干設(shè)備(7)和用于粉碎蘆葦?shù)钠扑樵O(shè)備(8)，所述烘干設(shè)備(7)設(shè)有第一溫度傳感器(9)，所述破碎設(shè)備(8)設(shè)有轉(zhuǎn)速傳感器(10);

　　所述混合裝置(2)設(shè)有定量注入水溶液的輸液閥(11)、第一濃度傳感器(12)和用于干燥所述水溶液的干燥模塊(13)，所述干燥模塊(13)設(shè)有第二溫度傳感器(14);

　　所述炭化裝置(3)包括馬弗爐(15)和第三溫度傳感器(16);

　　所述處理裝置(4)設(shè)有定量注入乙二醇溶液的注液閥(17)、第二濃度傳感器(18)、酸堿度傳感器(19)、用于定量加入酸溶液的注酸口(20)、用于攪拌的攪拌器(21)、加熱模塊(22)和真空干燥器(23)，其中，加熱模塊(22)和真空干燥器(23)分別設(shè)有第四溫度傳感器(24)和第五溫度傳感器(25);

　　所述控制裝置(5)連接所述第一、第二、第三、第四和第五溫度傳感器(9、14、16、24、25)、第一、第二濃度傳感器(12、18)、酸堿度傳感器(19)和轉(zhuǎn)速傳感器(10)并分別控制所述烘干設(shè)備(7)、干燥模塊(13)、加熱模塊(22)和真空干燥器(23)的溫度、破碎設(shè)備(8)的轉(zhuǎn)速以及混合裝置(2)和處理裝置(4)的濃度。

　　9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備系統(tǒng)，其中，

　　控制裝置(5)包括通用處理器、數(shù)字信號處理器、PLC控制板、專用集成電路ASIC或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，控制裝置(5)包括存儲器，所述存儲器為一個或多個只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、快閃存儲器或電子可擦除可編程只讀存儲器EEPROM。

　　10.一種實施權(quán)利要求1-7中任一項所述基于蘆葦?shù)臐摿鳚竦氐闹亟饘購U水處理方法的蘆葦潛流濕地，所述蘆葦潛流濕地包括用于輸入重金屬廢水的入水口(30)、潛流濕地部分和排水口(32)，其特征在于：所述潛流濕地部分從下到上依次鋪設(shè)蘆葦生物炭層(26)、砂層(27)、卵石層(28)和植土層(29)，其中，所述植土層(29)種植蘆葦，在最左端的植土層(29)中設(shè)有用于輸入重金屬廢水的入水口(30)，所述蘆葦生物炭層(26)由權(quán)利要求8或9所述的制備系統(tǒng)制成，在最左端的蘆葦生物炭層(26)設(shè)有用于提供水流動力的壓水管道(31)，在最右端的蘆葦生物炭層(26)設(shè)有排水口(32)，從左端到右端依次設(shè)有垂直插入砂層(27)、卵石層(28)和植土層(29)的第一擋板(33)、垂直插入砂層(27)和蘆葦生物炭層(26)的第二擋板(34)、垂直插入砂層(27)、卵石層(28)和植土層(29)的第三擋板(35)以及垂直插入砂層(27)和蘆葦生物炭層(26)的第四擋板(36)，其中，第一擋板(33)靠近最左端，第四擋板(36)靠近最右端，所述重金屬廢水在所述潛流濕地部分中的流徑大致為S形。

　　說明書

　　基于蘆葦潛流濕地的重金屬廢水處理方法、制備系統(tǒng)及蘆葦潛流濕地

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及重金屬廢水處理領(lǐng)域，特別是一種基于蘆葦潛流濕地的重金屬廢水處理方法、制備系統(tǒng)及蘆葦潛流濕地。

　　背景技術(shù)

　　重金屬污染一直是環(huán)境研究熱點，其來源廣泛，并以土壤、大氣為載體，重金屬廣泛分布于環(huán)境中。其中大氣中的重金屬來源多為燃煤、冶金、采礦等工業(yè)活動，至于土壤中的重金屬則多以汽車尾氣等人類活動為主要來源。重金屬極難降解，并且危害極大，一能通過地表徑流污染水體，二能破壞土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，三能通過污水灌溉污染作物，導(dǎo)致作物絕收，更有甚者能通過食物鏈進入人體，引發(fā)各種病癥，嚴(yán)重危害人類身體健康。在重金屬的諸多危害中，對人體的危害是我們最為關(guān)心的。汞及其化合物都是很危險的有毒物質(zhì)。汞是重金屬“五毒”之一，是全球性的高毒性環(huán)境污染物，汞及其衍生物有機汞因具有持久性、易遷移性、高生物富集性等特性，可在環(huán)境和食物鏈中長期存在，并可遠距離遷移并通過食物鏈進入人體而造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。因此，研究怎樣從環(huán)境去除汞及其衍生物具有重要意義。

　　目前處理廢水中汞污染的方法主要有化學(xué)沉淀法、微電解-混凝沉淀法、吸附法等。其中吸附法利用范圍廣，活性炭、沸石及礦物材料等都是高效的吸附材料，近年來相關(guān)研究成果顯示天然的生物質(zhì)材料也有較高的吸附率。由于生物質(zhì)材料價格低廉、來源廣泛且處理效率高，因此越來越受到人們的青睞。生物炭(Biological carbon，簡稱BC)是一種利用生物有機物質(zhì)如木材、焦炭、石油焦、煤和各種堅果殼等制造出來的的具有非常發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和大比表面積的多孔炭材料，是一種非常優(yōu)質(zhì)的吸附劑。隨著目前工業(yè)的發(fā)展，生物炭的應(yīng)用越來越廣泛。生物炭是一種優(yōu)良的脫汞吸附劑，許多學(xué)者利用生物炭作為吸附劑，并對其改性，進行汞吸附研究，會發(fā)現(xiàn)活性炭對汞的吸附量非常可觀。最近幾年來，對活性炭研究的熱點之一是利用廉價的農(nóng)林廢棄物為原料和簡單清潔的工藝來制各經(jīng)濟效益高吸附性能好的生物質(zhì)活性炭。若將農(nóng)林廢棄物有效地加以利用，變廢為寶，不但能夠創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益，還可以減小其對環(huán)境的污染，達到以廢治廢的目的。蘆葦是一種來源十分廣泛的的農(nóng)業(yè)廢棄物，蘆葦多生長在淺水區(qū)以及灌溉溝渠旁、河堤沼澤地等，在我國分布廣泛，蘆葦常用來美化環(huán)境，常備種植在公園、池塘、河道等周圍。但是枯萎后，蘆葦遺體成為了巨大的廢棄物，處置不當(dāng)會嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，蘆葦廢棄物的量很大。故此蘆葦制成生物炭可以減緩環(huán)境壓力，保護環(huán)境的同時，達到以廢治廢的效果。

　　專利文獻1公開的一種人工潛流濕地污水處理的高效模塊包細濾料層，設(shè)置在底部;粗濾料層，設(shè)置在所述細濾料層上;多孔布水管，設(shè)置在所述粗濾料層的一側(cè);帶孔集水管，設(shè)置在所述細濾料層中間位置;出水管，設(shè)置在所述粗濾料層的另一側(cè);進水槽，與所述多孔布水管相連接;進水鋼筋混泥土蓋板，蓋設(shè)在所述進水槽上;以及檢修口，設(shè)置在所述混泥土蓋板上。該專利采用多孔管道布水，從上進下出收集，去污能力強，但該專利不適合重金屬廢水的處理，不能有效降低重金屬含量，治理重金屬廢水效果差且使用壽命短。

　　專利文獻2公開的一種穩(wěn)定高效的人工濕地污水處理系統(tǒng)包括常規(guī)污水預(yù)處理系統(tǒng)和人工濕地，濕地類型為潛流型人工濕地，常規(guī)污水預(yù)處理系統(tǒng)包括格柵井、調(diào)節(jié)池和沉淀池，人工濕地包括布水裝置、集水裝置、池體、裝填在池體內(nèi)的濕地基質(zhì)和種植于基質(zhì)上的植物，污水預(yù)處理系統(tǒng)和人工濕地由管道連通，濕地基質(zhì)分為三層結(jié)構(gòu)，自下而上依次為底層、中間層和表層，底層包括卵石，中間層主要由礫石、碎石或陶粒中的一種或一種以上與生物炭材料混合組成，表層包括粗砂和生物炭材料，底層為卵石層，厚度為20-40cm，中間層厚度為60-100cm，表層厚度為10-30cm，種植于基質(zhì)上的植物為灌木型柳樹無性系，生物炭材料以柳樹生物質(zhì)為原料在250-800℃和缺氧條件下炭化1-6小時后粉碎制成。該專利使用的生物炭材料比表面積大、吸附能力強、多微孔，但該專利中的生物炭材料用于吸附廢水中的重金屬的吸附能力仍需要加強，該濕地的吸附路徑小且受限于濕地的面積，為了達到更好的重金屬處理能力，需要對濕地和生物炭進行改進。

　　現(xiàn)有技術(shù)文獻

　　專利文獻

　　專利文獻1：中國專利公開CN205275306U號

　　專利文獻2：中國專利公開CN102531179 A號

　　發(fā)明內(nèi)容

　　發(fā)明要解決的問題

　　如上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的生物炭比表面積和孔容積有待提高，吸附量和吸附速度也需要提升從而整體上提高生物炭吸附重金屬的吸附能力，另外，潛流濕地的吸收流徑受限于濕地面積，潛流濕地的處理能力及使用壽命有待提高。

　　解決問題的方案

　　本發(fā)明人等為了達成上述目的而進行了深入研究，具體而言，在本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種基于蘆葦潛流濕地的重金屬廢水處理方法，其步驟包括：

　　第一步驟中，從下到上依次鋪設(shè)蘆葦生物炭層、砂層、卵石層和植土層形成潛流濕地部分，所述植土層種植蘆葦，所述蘆葦生物炭層中的蘆葦生物炭制備工藝包括，首先通過破碎設(shè)備粉碎后過60目篩得到蘆葦顆粒，所述蘆葦顆粒在氮氣保護下于馬弗爐中以8-10 ℃/min的速度升溫至350-400 ℃且持續(xù)5-6小時得到蘆葦生物炭顆粒，所述蘆葦生物炭顆粒在含有氯化亞鐵、氯化鋅和硒粉的乙二醇溶液中通入氯氣下以150-160 ℃攪拌2-3小時后，加入酸溶液調(diào)節(jié)pH值為4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小時獲得蘆葦生物炭。

　　第二步驟中，所述潛流濕地部分的左端為重金屬廢水進入端，右端為排出端，在最左端的植土層中設(shè)有用于輸入重金屬廢水的入水口，在最左端的蘆葦生物炭層設(shè)有用于提供水流動力的壓水管道，在最右端的蘆葦生物炭層設(shè)有排水口。

　　第三步驟中，從左端到右端依次設(shè)有垂直插入砂層、卵石層和植土層的第一擋板、垂直插入砂層和蘆葦生物炭層的第二擋板、垂直插入砂層、卵石層和植土層的第三擋板以及垂直插入砂層和蘆葦生物炭層的第四擋板，其中，第一擋板靠近最左端，第四擋板靠近最右端。

　　第四步驟中，當(dāng)重金屬廢水從入水口流入植土層，重金屬廢水經(jīng)過在最左端和第一擋板限定的植土層、卵石層和砂層處理后進入由第二擋板和第一擋板限定的蘆葦生物炭層和砂層中處理，然后經(jīng)過在第二擋板和第三擋板限定的植土層、卵石層和砂層處理后進入由第三擋板和第四擋板限定的蘆葦生物炭層和砂層中處理，所述重金屬廢水在所述潛流濕地部分中的流徑大致為S形，然后被處理的重金屬廢水從排水口排出，其中，壓水管道給所述潛流濕地部分中的重金屬廢水提供輔助的水流動力。

　　在所述的處理方法中，第一步驟中，所述乙二醇溶液中的蘆葦生物炭顆粒、乙二醇、氯化亞鐵、氯化鋅和硒粉的質(zhì)量份比例處于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。

　　在所述的處理方法中，第一步驟中，蘆葦進行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段經(jīng)破碎設(shè)備粉碎后過60目篩得到蘆葦顆粒，所述蘆葦顆粒加入含有氯化亞錫和三氯化鐵的水溶液中浸漬3-4小時后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小時得到混合物，所述水溶液中的蘆葦顆粒、氯化亞錫和三氯化鐵的質(zhì)量份比例處于100:(5-8):(20-40);所述混合物在馬弗爐中氮氣下以9 ℃/min的速度升溫至380 ℃且持續(xù)5小時得到蘆葦生物炭顆粒。

　　在所述的處理方法中，第一步驟中，加入鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值為5。

　　在所述的處理方法中，第二步驟中，排水口設(shè)有過濾設(shè)備和/或電泵。

　　在所述的處理方法中，第二步驟中，所述入水口在垂直方向上均布在植土層的上半部分。

　　在所述的處理方法中，第三步驟中，所述第一、第二、第三和第四擋板由不透水材料制成，第一和第四擋板之間間隔布置多個分別垂直插入砂層、卵石層和植土層以及垂直插入砂層和蘆葦生物炭層的擋板。

　　根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種制備蘆葦生物炭層的制備系統(tǒng)包括預(yù)處理裝置、混合裝置、炭化裝置、處理裝置和控制裝置。

　　所述預(yù)處理裝置包括用于清洗蘆葦?shù)那逑丛O(shè)備、烘干設(shè)備和用于粉碎蘆葦?shù)钠扑樵O(shè)備，所述烘干設(shè)備設(shè)有第一溫度傳感器，所述破碎設(shè)備設(shè)有轉(zhuǎn)速傳感器。

　　所述混合裝置設(shè)有定量注入水溶液的輸液閥、第一濃度傳感器和用于干燥所述水溶液的干燥模塊，所述干燥模塊設(shè)有第二溫度傳感器。

　　所述炭化裝置包括馬弗爐和第三溫度傳感器。

　　所述處理裝置設(shè)有定量注入乙二醇溶液的注液閥、第二濃度傳感器、酸堿度傳感器、用于定量加入酸溶液的注酸口、用于攪拌的攪拌器、加熱模塊和真空干燥器，其中，加熱模塊和真空干燥器分別設(shè)有第四溫度傳感器和第五溫度傳感器。

　　所述控制裝置連接所述第一、第二、第三、第四和第五溫度傳感器、第一、第二濃度傳感器、酸堿度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器并分別控制所述烘干設(shè)備、干燥模塊、加熱模塊和真空干燥器的溫度、破碎設(shè)備的轉(zhuǎn)速、混合裝置和處理裝置的濃度。

　　在所述的制備系統(tǒng)中，控制裝置包括通用處理器、數(shù)字信號處理器、PLC控制板、專用集成電路ASIC或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，控制裝置包括存儲器，所述存儲器為一個或多個只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、快閃存儲器或電子可擦除可編程只讀存儲器EEPROM。

　　根據(jù)本發(fā)明的第三方面，一種實施所述基于蘆葦?shù)臐摿鳚竦氐闹亟饘購U水處理方法的蘆葦潛流濕地包括用于輸入重金屬廢水的入水口、潛流濕地部分和排水口，所述潛流濕地部分從下到上依次鋪設(shè)蘆葦生物炭層、砂層、卵石層和植土層，其中，所述植土層種植蘆葦，在最左端的植土層中設(shè)有用于輸入重金屬廢水的入水口，所述蘆葦生物炭層由權(quán)利要求8或9所述的制備系統(tǒng)制成，在最左端的蘆葦生物炭層設(shè)有用于提供水流動力的壓水管道，在最右端的蘆葦生物炭層設(shè)有排水口，從左端到右端依次設(shè)有垂直插入砂層、卵石層和植土層的第一擋板、垂直插入砂層和蘆葦生物炭層的第二擋板、垂直插入砂層、卵石層和植土層的第三擋板以及垂直插入砂層和蘆葦生物炭層的第四擋板，其中，第一擋板靠近最左端，第四擋板靠近最右端，所述重金屬廢水在所述潛流濕地部分中的流徑大致為S形。

　　發(fā)明的效果

　　根據(jù)本發(fā)明的基于蘆葦潛流濕地的重金屬廢水處理方法、制備系統(tǒng)及蘆葦潛流濕地，本發(fā)明通過鐵粒子等能夠分布在蘆葦生物炭的微孔中，使得微孔脹大，進一步提高蘆葦生物炭的比表面積和孔容積，本發(fā)明的蘆葦生物炭吸附量大，吸附能力顯著提高，蘆葦生物炭上吸附有錫粒子、鐵粒子和鋅粒子等增強生物炭的親水性，提高生物炭的比表面積和孔容積，顯著提高了生物炭的吸附容量，本發(fā)明的蘆葦潛流濕地設(shè)計的S形流徑以及壓水管道提高了蘆葦潛流濕地的處理重金屬廢水的能力和延長了使用壽命，因此，本發(fā)明的技術(shù)方案克服了現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)缺陷，取得了顯著的技術(shù)效果。