《含高浓度重金属有机废水处理的关键技术与应用研究》

该项目属于环境保护领域。

含高浓度重金属的有机废水广泛产生于采矿、电镀、金属冶炼、火力发电、石油提炼、电池制造、印染、皮革等行业。针对此类废水处理效率低、处理不彻底、成本高、引入了新的有机药剂以及处理后的剩余污泥易产生二次污染等问题,通过十多年的系统研究,该项目以2个国家自然科学基金为依托,通过基础理论研究、材料改性和新型工艺组合,对传统处理方法进行了理论创新、材料创新和工艺创新。同时,还对处理过程中产生的剩余污泥中的重金属进行了稳定化处理和资源化利用。主要创新点有:

(1)对基于纳米零价铁改性生物炭进行了理论创新,提出将纳米零价铁负载到污泥基生物炭上,能有效防止其团聚,增强了纳米零价铁的稳定性,激活了生物炭表面官能团,解决了对重金属(如Cr)吸附能力不足和处理过程中铁易泄露等问题,深入阐明了其对重金属和有机物的去除机理为吸附和微电解的双重作用。在理论创新基础上,该项目研发了纳米零价铁改性生物炭材料,其对重金属(如Cr、Cu、Cd等)的饱和吸附量为13.57mg/g左右,对有机物的去除率为80%左右,表明该材料对重金属和有机物有很好的去除效果。

(2)对基于β-环糊精高聚物的改性纳米海绵进行了理论创新,提出以环氧氯丙烷作为交联剂制备改性纳米海绵,形成了良好疏水性的环形空腔,产生了较多的结合位点,提高了对废水中有机物和重金属的同步吸附量。在此理论创新的基础上,该项目研发了基于β-环糊精高聚物的改性纳米海绵一体化装置,填补了重金属有机废水精细化吸附过滤处理的技术空白。该项目研发的改性纳米海绵一体化装置对重金属(如Cu、Ni等)和有机物的同步去除率分别达到80%和87%左右,相比于传统工艺有了大幅提高(对Cu和COD的同步去除率分别为40-60%和50-70%)。

(3)创新性地将上述材料和处理工艺相结合,形成了Fe-C微电解破除重金属与有机物形成的络合物-调节pH值沉淀-纳米零价铁改性生物炭还原吸附-改性纳米海绵一体化装置吸附过滤的组合处理工艺。该项目先通过电化学氧化还原作用、微电场作用等将络合物的配位键打断,破除重金属与有机物形成的络合物,再依次通过絮凝沉淀,纳米零价铁改性生物炭的还原吸附以及改性纳米海绵一体化装置的精细吸附过滤,实现了对废水中有机物和重金属的逐级同步处理,处理后废水中COD含量为10-20mg/L,Cu、Ni、Cr等重金属含量不超过0.02mg/L,完全满足《电镀污染物排放标准》中的要求。该工艺操作形式灵活,吸附材料可以直接填充在过滤池或者接触氧化池中,便于新建或对原处理工艺直接进行改建,同时节约了处理成本。

(4)创新性地通过硫酸盐还原和热水解等手段将剩余污泥中的重金属有效浸出,在无需额外投药的情况下,通过微生物的硫化反应将剩余污泥中重金属固化,并对其进行了资源化利用。该项目可将剩余污泥中重金属的残渣态比例从7%-15%提高至50%-80%,便于后续直接资源化利用,具有极大的经济和应用价值。

该项目已经在多个企业得以应用。例如,在湖北中碧工业园投入运行的三年中,实现了废水中重金属和有机物稳定达标处理和污泥固化的目的,共节约费用8471.1万元;在湖北当阳市德远环境工程有限公司投入运行的三年中,实现了对废水中重金属和有机物的稳定达标排放,共节约处理费用717.24万元,产生了较大的效益。

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