重金屬廢水處理

廢水中的重金屬是各種常用方法不能分解破壞的，而只能轉(zhuǎn)移它們的存在位置和轉(zhuǎn)變它們的物理和化學(xué)形態(tài)。例如，經(jīng)化學(xué)沉淀處理后，廢水中的重金屬從溶解的離子狀態(tài)轉(zhuǎn)變成難溶性化合物而沉淀下來，從水中轉(zhuǎn)移到污泥中；經(jīng)離子交換處理后，廢水中的金屬離子轉(zhuǎn)移到離子交換樹脂上；經(jīng)再生后又從離子交換樹脂上轉(zhuǎn)移到再生廢液中?？傊?，重金屬廢水經(jīng)處理后形成兩種產(chǎn)物，一是基本上脫除了重金屬的處理水，一是重金屬的濃縮產(chǎn)物。重金屬濃度低于排放標(biāo)準(zhǔn)的處理水可以排放；如果符合生產(chǎn)工藝用水要求，最好回用。濃縮產(chǎn)物中的重金屬大都有使用價值，應(yīng)盡量回收利用；沒有回收價值的，要加以無害化處理。

重金屬廢水的治理，必須采用綜合措施。首先,最根本的是改革生產(chǎn)工藝，不用或少用毒性大的重金屬；其次是在使用重金屬的生產(chǎn)過程中采用合理的工藝流程和完善的生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)行科學(xué)的生產(chǎn)管理和運(yùn)行操作，減少重金屬的耗用量和隨廢水的流失量；在此基礎(chǔ)上對數(shù)量少、濃度低的廢水進(jìn)行有效的處理。重金屬廢水應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)生地點(diǎn)就地處理，不同其他廢水混合，以免使處理復(fù)雜化。更不應(yīng)當(dāng)不經(jīng)處理直接排入城市下水道，同城市污水混合進(jìn)入污水處理廠。如果用含有重金屬的污泥和廢水作為肥料和灌溉農(nóng)田，會使土壤受污染，造成重金屬在農(nóng)作物中積蓄。在農(nóng)作物中富集系數(shù)最高的重金屬是鎘、鎳和鋅，而在水生生物中富集系數(shù)最高的重金屬是汞、鋅等 。

可分為兩類：一是使廢水中呈溶解狀態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)變成不溶的重金屬化合物或元素，經(jīng)沉淀和上浮從廢水中去除，可應(yīng)用中和沉淀法、硫化物沉淀法、上浮分離法、離子浮選法、電解沉淀或電解上浮法、隔膜電解法等；二是將廢水中的重金屬在不改變其化學(xué)形態(tài)的條件下進(jìn)行濃縮和分離，可應(yīng)用反滲透法、電滲析法、蒸發(fā)法、離子交換法等。第一類方法特別是中和沉淀法、硫化物沉淀法和電解沉淀法應(yīng)用最廣。從重金屬廢水回用的角度看，第二類方法比第一類優(yōu)越，因?yàn)橛玫诙惙椒ㄌ幚?，重金屬是以原狀濃縮，不添加任何化學(xué)藥劑，可直接回用于生產(chǎn)過程。而用第一類方法，重金屬要借助于多次使用的化學(xué)藥劑，經(jīng)過多次的化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化才能回收利用。一些重金屬廢水如電鍍漂洗水用第二類方法回收，也容易實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)。但是第二類方法受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的一些限制，還不適于處理大流量的工業(yè)廢水如礦冶廢水。這類廢水仍以化學(xué)沉淀為主要處理方法，并沿著有利于回收重金屬的方向改進(jìn) 。

重金屬廢水是對環(huán)境污染最嚴(yán)重和對人類危害最大的工業(yè)廢水之一。20世紀(jì)60年代震驚世界的日本公害病──水俁病和痛痛病，就是分別由含汞廢水和含鎘廢水污染環(huán)境造成的。因此，各國對重金屬廢水的治理都十分重視。

重金屬廢水處理是指將重金屬廢水中的重金屬去除并予以回收利用或無害化處理的過程。在礦冶、機(jī)械制造、化工、電子、儀表等工業(yè)中的許多生產(chǎn)過程中都產(chǎn)生重金屬廢水。例如，金屬表面加工，特別是電鍍過程中排出含有鉻、鎘、銅、鋅、鎳等重金屬和氰化物的漂洗廢水和鍍槽廢液，在使用汞的生產(chǎn)過程中，如使用汞陰極電解法的氯堿制造工業(yè)，使用氯化汞或硫酸汞作催化劑的乙烯生產(chǎn)過程，使用汞作原料的電子和儀器儀表工業(yè)等 。

比較廣泛地用于處理含氰的重金屬廢水。以電解氧化使氰分解和使重金屬形成氫氧化物沉淀的方式去除廢水中的氰和重金屬。硫化汞廢渣用電解法處理能高效地回收純汞或汞化物。

廢水中的重金屬如果以陽離子形式存在,用陽離子交換樹脂或其他陽離子交換劑處理;如果以陰離子形式存在，如氯堿工業(yè)的含汞廢水中的氯化汞絡(luò)合陰離子【HgCl₄】-2，氰化電鍍廢水中的重金屬氰化絡(luò)合陰離子Zn(CN)厈、Cd(CN)娸 、Cu(CN)厈，含鉻廢水中的鉻酸根陰離子CrO厈，則用陰離子交換樹脂處理。

活性炭能在酸性(pH值2～3)條件下從低濃度含鉻廢水中有效地去除鉻。含硫活性炭能有效地去除廢水中的汞?；钚蕴窟€可用于處理含鋅和銅的電鍍廢水。活性炭能吸附CN-，并在有Cu² 和O₂存在的條件下使CN-氧化，從而使吸附CN-的部位得到再生。

廢水中的重金屬氫氧化物和硫化物還可用鼓氣上浮法去除，其中以加壓溶氣上浮法最為有效。電解上浮法能有效地處理多種重金屬廢水，特別是含有重金屬絡(luò)合物的廢水。這是因?yàn)樵陔娊膺^程中能將重金屬絡(luò)合物氧化分解生成重金屬氫氧化物，它們能被鋁或鐵陽極溶解形成的活性氫氧化鋁或氫氧化鐵吸附，在共沉作用下完全沉淀。廢水中的油類和有機(jī)雜質(zhì)也能被吸附，并借助陰極上產(chǎn)生的細(xì)小氫氣泡浮上水面。此法處理效率高，在電鍍廢水處理中往往作為中和沉淀處理后的進(jìn)一步凈化處理措施。

主要有電滲析和反滲透法。電滲析的特點(diǎn)是濃縮倍數(shù)有限,須經(jīng)多級電滲析處理,才能把廢水中有用物質(zhì)濃縮到可回用的程度。反滲透法用于處理鍍鎳、鍍銅、鍍鋅、鍍鎘等電鍍漂洗廢水。對鎳、銅、鋅、鎘等離子的去除率大都大于99%。因此重金屬廢水通過反滲透處理就能濃縮和回用重金屬，反滲透水（產(chǎn)水）質(zhì)量好時也可回用。

往重金屬廢水中投加陰離子表面活性劑，如黃原酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、明膠等，與其中的重金屬離子形成具有表面活性的絡(luò)合物或螯合物。不同的表面活性劑對不同的金屬離子或同一種表面活性劑在不同的pH值等條件下對不同的重金屬離子具有選擇絡(luò)合性，從而可對廢水中的重金屬進(jìn)行浮選分離。此法可用于處理礦冶廢水。

重金屬廢水經(jīng)處理形成的濃縮產(chǎn)物，如因技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等原因不能回收利用，或者經(jīng)回收處理后仍有較高濃度的金屬物未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時，不能任意棄置，而應(yīng)進(jìn)行無害化處理。常用方法是不溶化和固化處理，就是將污泥等容易溶出重金屬的廢物同一些重金屬的不溶化劑、固定劑等混合，使其中的重金屬轉(zhuǎn)變成難溶解的化合物，并且加入如水泥、瀝青等膠結(jié)劑，將廢物制成形狀有規(guī)則、有一定強(qiáng)度、重金屬浸出率很低的固體；還可用燒結(jié)法將重金屬污泥制成不溶性固體 。

目前，重金屬廢水處理的方法大致可以分為三大類：(1)化學(xué)法；(2)物理處理法；(3)生物處理法。

圖1是《用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置》實(shí)施例一提供的用于電化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法的流程圖；

圖2是《用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置》實(shí)施例二提供的用于電化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置專利目的

《用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置》提供一種用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置，能夠穩(wěn)定出口廢水重金屬離子濃度進(jìn)而節(jié)約電能。

用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置技術(shù)方案

《用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置》提供了一種用于電化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

S1：采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立公式一所示的基于電解槽廢水出口重金屬離子濃度和廢水電導(dǎo)率、pH值以及電解電流密度之間關(guān)系的電化學(xué)處理過程模型；

其中，f_BP為電化學(xué)處理過程模型；C_out為出口廢水中重金屬離子濃度；D_k為電解槽的電解電流密度；pH為待處理廢水的pH值大??；K為待處理廢水的電導(dǎo)率；C₀為廢水入口重金屬離子濃度；

S2：建立公式二所示的廢水處理過程的電能消耗模型；

其中，J_w為電能消耗量；N為電解槽數(shù)；B為陰極板數(shù)；S為每塊陰極板的截面積；V_i（i＝1，2...n）為不同重金屬離子產(chǎn)生的槽電壓，為關(guān)于電流密度D_k、重金屬離子濃度C和電解溫度T的非線性函數(shù)；t為電解時間；

S3：建立公式三所示的廢水處理過程的電耗優(yōu)化模型，使得在出口重金屬離子濃度滿足預(yù)設(shè)閾值的情況下電能消耗最??；

其中，C_max為出口廢水中重金屬離子濃度應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)值；D_k.max為電解極板能承受的電流密度上限；

S4：獲取電解槽池待處理廢水的入口重金屬離子濃度的檢測數(shù)據(jù)，采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法對S3中的電耗優(yōu)化模型求解，獲取使得在出口重金屬離子濃度滿足預(yù)設(shè)閾值的情況下電能消耗最小的電流密度值、pH值和電導(dǎo)率值。

優(yōu)選地，所述S1中建立的電化學(xué)處理過程模型為多輸入多輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立的具體步驟為：

S11：采集電流密度值、pH值、電導(dǎo)率值、入口重金屬離子濃度和出口重金屬離子濃度數(shù)據(jù)，并將電流密度值、pH值、電導(dǎo)率值、入口重金屬離子濃度作為輸入層神經(jīng)元，將出口重金屬離子濃度作為輸出層神經(jīng)元；

S12：對采集的數(shù)據(jù)采用3σ準(zhǔn)則和零均值標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以剔除異常數(shù)據(jù)和消除由于不同特征因子量綱不同和數(shù)量級不同所帶來的差異化影響；

S13：利用處理后的樣本數(shù)據(jù)對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到所述電化學(xué)處理過程模型。

優(yōu)選地，所述S2中廢水處理過程的電能消耗模型中的槽電壓V與電流密度D_k、重金屬離子濃度C和電解溫度T之間的關(guān)系如公式四所示：

其中，是重金屬離子析出的平衡電位常數(shù)；R是熱力學(xué)常數(shù)；F是法拉第常數(shù)；r是電解液中重金屬離子的活度系數(shù)；M是重金屬的相對原子量；L為陰陽極間距；β1～β5為待辨識參數(shù)。

第二方面，《用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置》還提供了一種用于電化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化裝置，包括：

第一模型建立單元，用于建立公式一所示的基于電解槽廢水出口重金屬離子濃度和廢水電導(dǎo)率、pH值以及電解電流密度之間關(guān)系的電化學(xué)處理過程模型；

其中，f_BP為電化學(xué)處理過程模型；C_out為出口廢水中重金屬離子濃度；D_k為電解槽的電解電流密度；pH為待處理廢水的pH值大?。籏為待處理廢水的電導(dǎo)率；C₀為廢水入口重金屬離子濃度；

第二模型建立單元，用于建立公式二所示的廢水處理過程電能消耗模型，并采集工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行辨識；

其中，J_w為電能消耗量；N為電解槽數(shù)；B為陰極板數(shù)；S為每塊陰極板的截面積；V_i（i＝1，2...n）為不同重金屬離子產(chǎn)生的槽電壓，為關(guān)于電流密度D_k、重金屬離子濃度C和電解溫度T的非線性函數(shù)；t為電解時間；

優(yōu)化模型建立單元，用于建立公式三所示的廢水處理過程的電耗優(yōu)化模型，使得在出口重金屬離子濃度滿足預(yù)設(shè)閾值的情況下電能消耗最?。?

其中，C_max為出口廢水中重金屬離子濃度應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)值；D_k.max為電解極板能承受的電流密度上限；

優(yōu)化模型求解單元，用于獲取電解槽池待處理廢水的入口重金屬離子濃度的檢測數(shù)據(jù)，采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法對所述電耗優(yōu)化模型求解，獲取使得在出口重金屬離子濃度滿足預(yù)設(shè)閾值的情況下電能消耗最小的電流密度值、pH值和電導(dǎo)率值。

優(yōu)選地，所述第一模型建立單元，具體用于：

采集電流密度值、pH值、電導(dǎo)率值、入口重金屬離子濃度和出口重金屬離子濃度數(shù)據(jù)，并將電流密度值、pH值、電導(dǎo)率值、入口重金屬離子濃度作為輸入層神經(jīng)元，將出口重金屬離子濃度作為輸出層神經(jīng)元；

對采集的數(shù)據(jù)采用3σ準(zhǔn)則和零均值標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以剔除異常數(shù)據(jù)和消除由于不同特征因子量綱不同和數(shù)量級不同所帶來的差異化影響；

利用處理后的樣本數(shù)據(jù)對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到所述電化學(xué)處理過程模型。

優(yōu)選地，所述槽電壓V與電流密度D_k、重金屬離子濃度C和電解溫度T之間的關(guān)系如公式四所示：

其中，

用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置改善效果

由上述技術(shù)方案可知，針對2016年6月之前技術(shù)中存在的出口廢水所含重金屬離子濃度波動較大，整流器運(yùn)行功率浪費(fèi)，電能消耗較大的問題，《用于化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法及裝置》提供的用于電化學(xué)重金屬廢水處理過程的多參數(shù)優(yōu)化方法，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來建立基于電解槽廢水出口重金屬離子濃度和廢水電導(dǎo)率、pH值以及電解電流密度之間關(guān)系的電化學(xué)處理過程模型；然后分析電能消耗與重金屬離子濃度和電流密度的關(guān)系，建立電能消耗優(yōu)化模型；最后利用電能消耗優(yōu)化模型獲取使得在出口重金屬離子濃度滿足預(yù)設(shè)閾值的情況下電能消耗最小的電流密度值、pH值和電導(dǎo)率值，從而為pH值、電導(dǎo)率值和電流的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。該方法穩(wěn)定了出口廢水重金屬離子濃度，節(jié)約了電能資源。