CN113401969A - 一种含氟矿井水深度除氟的u型吸附滤池及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池及应用，U型吸附滤池包括U型吸附滤池，吸附滤池的进水侧和出水侧分别均匀设置有布水墙，布水墙之间设置有U型槽体，进水侧的布水墙和U型槽体之间、U型槽体底部和承托柱之间、U型槽体和出水侧的布水墙之间均填充有吸附滤料；吸附滤池进水侧设置有高位水箱，高位水箱通过进水管与吸附滤池连接，吸附滤池出水侧与集水池连接，集水池下部通过反冲洗管和反冲洗泵与吸附滤池连接。本发明还包括上述吸附滤池在含氟矿井水混凝沉淀处理后的深度除氟处理中的应用。本发明实现并提高了氟离子的去除效能，保证含氟矿井水达标排放与回用水质，降低除氟成本。
Description
技术领域
本发明属于废水深度处理技术领域，具体涉及到一种含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池及应用。
背景技术
我国的能源结构失衡，煤炭资源在一次性资源生产中的占比超过70%，而我国煤矿储存区域主要分布于西北和华北地区，煤矿开采岩层多含有氟矿物，经过长期的物理风化淋溶、雨水冲刷等作用影响下，岩层内的诸多含氟矿物溶解到土壤层中，随后迁移、富集至地下水层中，从而导致开采过程中喷涌出的矿井水氟含量超标。氟是一种持久性和不可降解的毒物。过量的氟离子即是饮用水处理的前驱干扰物，又是水体污染的重要指标之一，对人体健康和神态环境和谐发展构成严重威胁。我国已在《饮用水卫生标准》（GB5749-2006）和《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）中明确规定氟的浓度不得超过1mg/L。然而，与煤炭开采伴生的大量含氟矿井水难以通过常规混凝-沉淀工艺实现处理后水质达标排放，更难以实现高效高质回用于工业生产和日常生活。故而，高效、绿色矿井水除氟工艺的开发迫在眉睫。
目前，应用较为广泛的除氟技术包括离子交换、电渗析，沉淀法，纳滤，反渗透和吸附等。其中，吸附法凭借低廉的成本、便捷的操作条件及高效的去除效能备受关注，被认为是一种有前景广阔的除氟技术。从高效、节能、环保以及经济效益等角度考虑，在高效的氟吸附剂材料的开发的同时，结合多材料搭配、工艺设计及参数优化等研究思路，一种更加绿色环保、高效低耗、经济适用的新型含氟矿井水深度除氟工艺应运而生。
通过研究发现，氟对几种金属元素如钙（Ca）、镁（Mg）、锰（Mn）、铁（Fe）、钛（Ti）、铝（Al）以及一些稀土金属（如铈（Ce）、镧（La））具有很强的亲和力。故而，基于这些金属元素负载改性的吸附材料成为广大学者研究的热点。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池及应用，实现并提高了氟离子的去除效能，保证含氟矿井水达标排放与回用水质，降低除氟成本。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，包括U型吸附滤池，吸附滤池的进水侧和出水侧分别均匀设置有布水墙，且进水侧和出水侧的布水墙存在高低落差，布水墙中上部设置有若干渗水孔，布水墙之间设置有U型槽体，U型槽体通过若干承托柱设置在吸附滤池上，U型槽体上设置有若干检查口，进水侧的布水墙和U型槽体之间、U型槽体底部和承托柱之间、U型槽体和出水侧的布水墙之间均填充有吸附滤料；吸附滤池进水侧设置有高位水箱，高位水箱通过进水管与吸附滤池连接，吸附滤池出水侧与集水池连接，集水池下部通过反冲洗管和反冲洗泵与吸附滤池连接。
进一步，进水侧的布水墙和U型槽体之间填充的吸附滤料为粒径0.6-3cm的砾石，U型槽体底部和承托柱之间填充的吸附滤料为纳米锰钛改性沸石，U型槽体和出水侧的布水墙之间填充的吸附滤料为石英砂、活性炭和锰砂中的至少一种。
进一步，锰钛改性沸石的制备：室温下将1:3比例的C16H36O4Ti和C2H5OH在磁力搅拌的作用下混合均匀，同时并缓慢加入一定量的C2H4O2抑制剂，搅拌40min后，得到黄色澄清溶液；将H2O和C2H5OH按1:2的混合后，调节pH至4左右，再将其以3 mL/min的滴速滴入上述黄色溶液中；然后，将一定质量比的沸石和二氧化锰粉末加入上述溶液；搅拌1小时后，将其移出并静置后获得白色凝胶，将凝胶在105℃的烘箱中干燥、研磨为粉体，粉体煅烧2h，得锰钛改性沸石。
锰钛改性沸石特征：锰钛改性沸石的孔隙率和比较面积较天然沸石有所增加，这是由于纳米二氧化钛的负载在沸石内部形成柱撑，疏通了沸石的孔道及孔径，且表面均匀覆盖的绒状物（纳米TiO2、MnO2）彼此堆叠增大沸石的比表面积，从而提高了沸石吸附性能。改性沸石表层形成的MnxOy·H2O结晶化合物成为除氟的关键，其与溶液中的氟离子水合催化形成稳定的MnxOy·（x-1）H2O·H+F-沉淀物和MnxOy·（x-1）H2O·H+ Ti3+F- 3，同时沸石表层的阳离子吸附位点所产生的静电作用及内扩散作用也称为氟离子吸附去除的关键，进而在多重作用下猛钛改性沸石可实现较好的除氟效果。
进一步，吸附滤池的进水侧高于出水侧，高度比为1.5-2。
进一步，U型槽体底部宽度和出水侧的布水墙高度的比值为0.5-0.7。
进一步，反冲洗泵出水端与并联设置在U型槽体底部的布水管连接，反冲洗泵与集水池之间设置有电磁阀。
进一步，高位水箱水平高度高于进水侧的布水墙。
进一步，集水池和吸附滤池容积比为1/4-1/3。
进一步，高位水箱和吸附滤池的容积比为1/2-1/3。
进一步，检查口为方形，且检查口上设置有密封胶圈。
上述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池在含氟矿井水混凝沉淀处理后的深度除氟处理中的应用。
经过上述含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池处理后，出水水质可达到《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）中限定的氟离子含量指标；还可以用于其他氟离子含量超标水体的处理。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明实现并提高了氟离子的去除效能，保证含氟矿井水达标排放与回用水质，降低除氟成本。将含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池用于深度除氟处理，锰钛改性沸石滤料的物理吸附与化学键结合实现除氟功能。
2、本发明通过纳米锰钛改性沸石及活性炭、锰砂等吸附材料，有效实现并提高了氟离子的去除效能，保证含氟矿井水达标排放与回用水质；其次，由于其采用U型落差设计，故而运行管理方便且耗能较少，占地面积小，弥补了常规滤池占地面大、运行能耗高的缺点；另外，U型槽上部检查口与底部反冲洗装置的设计，保证了U型滤池长时间内处理效果良好及吸附滤料的更换与再生，以维持高效的除氟效果。十分适用于含氟矿井水深度除氟处理，也适合其他氟含量超标水体的处理。
3、选用自主研发的纳米锰钛改性沸石作为吸附滤料，实现氟离子高效吸附去除；通过进、出水端U型高度差设计和滤料分层布置，实现系统低耗、经济、长效稳定运行效果；结构简单，占地较少，运行管理方便。
附图说明
图1为含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池的示意图；
图2为含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池的俯视图；
图3为含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池俯视图中A处的剖视图；
图4为纳米锰钛改性沸石的电子扫描图；
图5为纳米锰钛改性沸石的电子能谱图；
图6为纳米锰钛改性沸石的吸附除氟前后X射线光子能谱图；
图7为纳米锰钛改性沸石吸附除氟机理图；
其中，1、布水墙；2、渗水孔；3、U型槽体；4、承托柱；5、检查口；6、吸附滤料；7、高位水箱；8、进水管；9、集水池；10、反冲洗泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的一个实施例中，如图1-3所示，提供了一种含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，包括U型吸附滤池，吸附滤池的进水侧和出水侧分别均匀设置有布水墙1，且进水侧和出水侧的布水墙1存在高低落差，布水墙1中上部设置有若干渗水孔2，具体见图3，布水墙1之间设置有U型槽体3，U型槽体3通过若干承托柱4设置在吸附滤池上，U型槽体3上设置有若干检查口5，进水侧的布水墙1和U型槽体3之间、U型槽体3底部和承托柱4之间、U型槽体3和出水侧的布水墙1之间均填充有吸附滤料6；吸附滤池进水侧设置有高位水箱7，高位水箱7通过进水管8与吸附滤池连接，吸附滤池出水侧与集水池9连接，集水池9下部通过反冲洗管和反冲洗泵10与吸附滤池连接。
进水侧的布水墙1和U型槽体3之间填充的吸附滤料6为粒径2cm的砾石，U型槽体3底部和承托柱4之间填充的吸附滤料6为纳米锰钛改性沸石，U型槽体3和出水侧的布水墙1之间填充的吸附滤料6为石英砂、活性炭和锰砂中的至少一种。吸附滤池的进水侧高于出水侧，高度比为1.6。U型槽体3底部宽度和出水侧的布水墙1高度的比值为0.6。反冲洗泵10出水端与并联设置在U型槽体3底部的布水管连接，反冲洗泵10与集水池9之间设置有电磁阀。高位水箱7水平高度高于进水侧的布水墙1。集水池9和吸附滤池容积比为1/3。高位水箱7和吸附滤池的容积比为1/2。如图2所示，检查口5为方形，且检查口5上设置有密封胶圈。。
经过混凝沉淀预处理的含氟矿井水，进入高位水箱7，通过阀门和布水墙1控制，以15~18m/h的滤速通过U型槽体3过水通道，经过纳米锰钛改性沸石等滤料的拦截吸附作用，氟离子与滤料表层负载的金属以化学键结合或在物理吸附的静电作用固定于填料的孔隙通道内，从而实现氟污染物的高效去除；待出水端流速显著降低，进水出水头增大时，启动清水反冲洗，以50~60/m2·s的冲洗强度进行反冲洗作业，并利用隔板堵塞两侧布水墙1孔道，使反冲洗水废水通过U型槽体3上部的水渠收集排放至沉淀池；待出水水质超出标准限值，停止系统运行，通过U型槽体3上部的密封检查口5对沸石滤料进行更换，以保证系统的除氟效果。
本发明在U型槽体3底部和承托柱4之间填充的吸附滤料6为纳米锰钛改性沸石，该纳米锰钛改性沸石的电子扫描图、电子能谱图和吸附除氟前后X射线光子能谱图分别见图4-6；纳米锰钛改性沸石吸附除氟机理图如图7所示。
由图4-6可知，纳米锰钛金属氧化物均匀负载于沸石表层与内部，形成一种多孔均匀的支撑层结构，其不仅使得非是比表面积有所增大，还为氟离子吸附提供了更多的阳离子金属位点，从而多层次提升沸石对氟离子的吸附脱除性能；且通过改性沸石吸附前后的X射线电子能谱图对比，可知氟离子以失去一个电子的负价态稳定吸附于沸石之上，进而可充分表明锰钛改性沸石在此发明设备中的应用是有效的，可实现较好的除氟效果。
在一个具体的应用案例中，以榆林市某煤矿区经混凝沉淀与处理后的含氟矿井水为原水，原水中氟离子含量5.6mg/L，浊度10.5，硫酸根4.9mg/L，进本发明实验装置处理，滤速为16m/h，出水氟离子含量为0.6±0.2mg/L，是硫酸根含量为1.2±0.4mg/L，浊度为2.3±0.5，经过48h连续运行，出水水质稳定。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，包括U型的吸附滤池，所述吸附滤池的进水侧和出水侧分别均匀设置有布水墙（1），且进水侧和出水侧的所述布水墙（1）存在高低落差，所述布水墙（1）中上部设置有若干渗水孔（2），所述布水墙（1）之间设置有U型槽体（3），所述U型槽体（3）通过若干承托柱（4）设置在所述吸附滤池上，所述U型槽体（3）上设置有若干检查口（5），进水侧的所述布水墙（1）和所述U型槽体（3）之间、所述U型槽体（3）底部和所述承托柱（4）之间、所述U型槽体（3）和出水侧的所述布水墙（1）之间均填充有吸附滤料（6）；所述吸附滤池进水侧设置有高位水箱（7），所述高位水箱（7）通过进水管（8）与所述吸附滤池连接，所述吸附滤池出水侧与集水池（9）连接，所述集水池（9）下部通过反冲洗管和反冲洗泵（10）与所述吸附滤池连接。
2.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，进水侧的所述布水墙（1）和所述U型槽体（3）之间填充的所述吸附滤料为粒径0.6-3cm的砾石，所述U型槽体（3）底部和所述承托柱（4）之间填充的所述吸附滤料为纳米锰钛改性沸石，所述U型槽体（3）和出水侧的所述布水墙（1）之间填充的所述吸附滤料为石英砂、活性炭和锰砂中的至少一种。
3.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，所述吸附滤池的进水侧高于出水侧，高度比为1.5-2。
4.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，所述U型槽体（3）底部宽度和出水侧的所述布水墙（1）高度的比值为0.5-0.7。
5.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，所述反冲洗泵（10）出水端与并联设置在所述U型槽体（3）底部的布水管连接，所述反冲洗泵（10）与所述集水池（9）之间设置有电磁阀。
6.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，所述高位水箱（7）水平高度高于进水侧的所述布水墙（1）。
7.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，所述集水池（9）和所述吸附滤池容积比为1/4-1/3。
8.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，所述高位水箱（7）和所述吸附滤池的容积比为1/2-1/3。
9.如权利要求1所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池，其特征在于，所述检查口（5）为方形，且所述检查口（5）上设置有密封胶圈。
10.权利要求1-9任一项所述的含氟矿井水深度除氟的U型吸附滤池在含氟矿井水混凝沉淀处理后的深度除氟处理中的应用。
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