CN104150690B - 一种灭菌消毒污水处理一体化装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

一种灭菌消毒污水处理一体化装置，主要由PACT池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置和三级反冲筛滤装置组成。本发明还公开了利用上述装置进行灭菌消毒污水处理的方法。本发明针对各种水质均有较好效果，出水清澈，水质符合国家一级标准，特别对于有机物含量高、浊度高、病原菌含量高的餐厨垃圾废水或石化废水，其处理效果尤为显著，通过该装置处理的污水中芳环类物质降低95％以上，污水浊度降低99％，出水水质透明度高。

Description

一种灭菌消毒污水处理一体化装置及处理方法

技术领域

本发明涉及一种去除污水中污染物质(如：有机物、悬浮颗粒、胶体、微生物、病原菌等)的装置，具体地涉及一种灭菌消毒污水处理一体化装置。

本发明还涉及利用上述装置进行灭菌消毒污水处理的方法。

背景技术

PACT(Powdered Activated Carbon Treatment，粉末活性炭处理)工艺为粉末活性炭-活性污泥法，在传统活性污泥法处理基础之上向生化池内投加粉末活性碳，活性污泥以粉末活性碳为载体，在美国又称为AS-PAC工艺(Activated Sludge-Powdered Activated Carbon，活性污泥-粉末活性炭)。该法一经产生就因其在经济和处理效率方面的优势广泛地应用于工业废水如：炼油、石油化工、印染废水、焦化废水、有机化工废水的处理，而用于城市污水处理可明显改善硝化效果，因此各国对PACT工艺表现了极大的兴趣并进行了广泛深入的研究。WAR(Wet Air Regeneration，湿式空气再生)，它是在适当的温度及压力条件下，在液相中(一般是水)发生的氧化过程，可将过剩的生物污泥摧毁并氧化活性炭中吸附的污染物质，以再生此废弃活性炭并回收再使用。使用该工艺对各种类型污水均有较好处理效果，但其出水浊度较大，悬浮类污染物质以及胶质性物质较多，故需设计较为优良的工艺流程对其出水进行深度优化处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灭菌消毒污水处理一体化装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行灭菌消毒污水处理的方法。

为实现上述目的，本发明提供的灭菌消毒污水处理一体化装置，主要由PACT池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置和三级反冲筛滤装置组成；其中：

PACT池的底部设有排泥孔，排泥孔上方设有纳米曝气盘，纳米曝气盘上方设置有搅拌机，搅拌机上方充填充有粉末活性炭-活性污泥混合物；PACT池填充粉末活性炭-活性污泥混合物部分通过管道与浓缩池连接，该浓缩池经WAR反应器连接热交换器，热交换器与PACT池填充粉末活性炭-活性污泥混合物部分相连接；PACT池的上清液通过导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接PACT池出水口的一侧为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应区内设有微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入O₂的纳米曝气头，主反应区顶端设有用以添加混凝剂的加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截区内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，絮体二次拦截区底部设置有出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口；

三级反冲筛滤装置集水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反冲筛滤装置内部由多孔网格分为上部的集水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排列的圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入O₂的曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫外灭菌灯，且灭菌灯之间设置有通入O₃的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入出水池。

所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝池内使用的混凝剂为聚合氯化铝+阳离子聚丙烯酰胺。

所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，三级反冲筛滤装置中的筛滤填料为石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，混合比例为8:1:1。

所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，PACT池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲筛滤装置的纳米曝气头分别各连接一纳米曝气机。

所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，PACT池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置重申滤填料中的纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池中的纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

本发明提供的利用上述装置进行灭菌消毒污水处理的方法：

灭菌消毒污水进入PACT池，利用PACT池内的粉末活性碳的吸附作用以及生化污泥的生物降解作用，将污水中有机污染物转化成CO₂和H₂O，氨氮转化成硝酸盐氮，净化污水；

PACT池上清液通过液压泵导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内的主反应区内进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至絮体二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出进入三级反冲筛滤装置；

在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及反洗周期；

储水箱内的纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、上升速度缓慢的特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率，经三级反冲筛滤装置处理的污水进入出水池；

PACT池内产生的剩余污泥经过浓缩池浓缩沉淀，泵入WAR反应器中，在WAR反应器2内进行湿式氧化再生，通过热交换器对WAR反应器的进、出料换热，将活性碳附着的污泥氧化成无机物，而活性碳不被破坏，恢复了活性的活性碳再返回PACT池中重新使用，WAR反应器2处理后的残渣直接排放。

所述的方法，其中，WAR反应器内温度为226～246℃，压力为6～10Mpa，停留时间为1～2h。

所述的方法，其中，WAR反应器的炭泥浓度>9％，悬浮固体量不得低于9％，以提供WAR反应器稳定的污泥量。

所述的方法，其中，PACT池、WAR反应器、热交换器外壁使用保温层保温，减少热量损失。

所述的方法，其中，WAR反应器、热交换器运行一段时间后，采用稀硝酸清洗内壁的结垢。

本发明采用纳米曝气技术改进PACT池处理生化性能差的污水，利用粉末活性碳的吸附作用以及生化污泥的生物降解作用，缓冲污水中有毒有机物的毒性，从而减轻其对生物***的不利影响，将有毒物质集中固定在填料表面，处理过程中物理吸附和生物代谢过程协同作用，将污水中有机污染物转化成CO₂和H₂O，氨氮转化成硝酸盐氮，净化污水，有机物及有毒物质处理率高达99％。

PACT池出水采用纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置，将悬浮性、胶质性的细微颗粒凝聚为絮体沉淀下来。又采用三级反冲筛滤装置联合作用，将混凝出水中残留的胶体及悬浮物深度过滤，并去除其中的重金属，降低污水浊度以提高其色度；三级反冲筛滤装置中纳米二氧化钛晶体作为光触媒在紫外灯照射下激发极具氧化力的自由负离子，同时在纳米曝气过程中以及超声波发生过程激发的能量亦可发生并加强自由负离子的产生，达成光催化效果；而自由负离子以及其摆脱共价键的束缚后留下空位，与纳米气泡表面带有的电荷同时产生微电解效果，可氧化分解污水中的溶解性污染物、致毒有机物等，且具有脱色、除臭、杀菌、消毒等功效。本发明针对各种水质均有较好效果，出水清澈，水质符合国家一级标准。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

附图中主要组件符号说明：

1浓缩池；2WAR反应器；3热交换器；4PACT池；5主反应区；6纳米曝气头；7加药装置；8絮体拦截区；9斜管；10纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置；11絮体二次拦截区；12立体网状结构填料；13第一阀门；14第二阀门；15增压泵；16进水堰；17阻流板；18筛滤填料；19三级反冲筛滤装置；20曝气管；21回流槽；22多孔网格；23分流仓；24出水池；25第三阀门；26第一闸阀；27第二闸阀；28半导体负载填料；29紫外灭菌灯；30通气管；31液压泵；32出水口；33出泥口；34螺旋输泥器；35微涡流混凝器；36纳米曝气机；37排泥孔；38纳米曝气盘；39搅拌机；40粉末活性碳；41提升泵；42超声波发生仪。

具体实施方式

本发明的处理污水的灭菌消毒污水处理一体化装置，其主要结构包括：

PACT池4的底部设有排泥孔37，排泥孔37上方设有纳米曝气盘38，纳米曝气盘38上方设置有搅拌机39，搅拌机39上方充填有粉末活性炭-活性污泥混合物40，利用粉末活性碳的吸附作用以及生化污泥的生物降解作用，将污水中有机污染物转化成CO₂和H₂O，氨氮转化成硝酸盐氮，净化污水，从而实现污水达标排放。其处理效果好，减少VOC的挥发，解决恶臭污染环境问题。PACT池4的上清液通过液压泵导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置10内。

PACT池填充粉末活性炭-活性污泥混合物部分通过管道与浓缩池连接，该浓缩池经WAR反应器2连接热交换器3，热交换器3与PACT池4填充粉末活性炭-活性污泥混合物部分相连接。

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置10分为左、中、右三个部分(按图面所示方向)，底部设有螺旋输泥器34。纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置10的左边(即连接PACT池4的一端)为主反应区5，用于完成纳米气浮-凝聚过程，中央为絮体拦截区8，右边为絮体二次拦截区11。主反应区5内填充微涡流混凝器35，其内部上方有纳米曝气头6，纳米曝气头6用有机玻璃固定；在主反应区5的顶端有加药装置7用以添加混凝剂，混凝剂为聚合氯化铝(PAC)+阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)。位于中间段的絮体拦截区8铺设有斜管9用于絮体拦截沉淀；位于右边段的絮体二次拦截区11内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料12，立体网状结构填料12下方铺设一纳米曝气头，立体网状结构填料12底部设置出水口32，通过液压泵31连接旋三级反冲筛滤装置19。

本发明在纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置中，采用纳米曝气技术改进混凝工艺的凝聚过程，主要分为三个步骤：

(A)微纳米曝气前期气浮过程：微纳米气泡传质过程中，污水中的微细污染物颗粒俘获在气泡表面或与气泡粘附在一起，在气泡上升过程中带动微细污染物颗粒上浮至水体表面，达成气浮作用从而实现清水与悬浮颗粒物、胶体的分离；

(B)微纳米曝气中期加药混凝过程：利用微纳米气泡发生过程的强烈冲击力以及上浮过程中的气液两相相对运动、气泡***时局部产生的高温高压状态和***力，对污水进行热补偿的同时施加强烈搅拌作用，迅速将混凝剂分散至待处理水体的各处，使混凝剂与污水快速均匀混合，打散包裹住混凝剂的胶体块，提高其分散程度，促进胶体相互碰撞凝聚成絮体。而当混凝剂被包裹形成絮体后，在纳米曝气下絮体成长质量更高，成长过大的絮体在纳米曝气的作用下会破碎成较小絮体从而恢复并保持絮凝能力(絮体过大会使总表面积减小，吸附能力下降)，密实度较低的絮体在纳米曝气的剪切力作用下会破碎并重新絮凝成密实度较高的絮体，有利于沉淀分离。

(C)微纳米曝气后期热断裂过程：利用微纳米曝气过程产生的以及气泡***时局部产生的高温高压状态实现絮体薄弱处的断裂，进而重新撞击、吸附污水中胶体、悬浮物以形成更加稳固的絮体。

为了让形成的絮体更好的吸附脱稳胶体而成长的絮凝过程，本发明同时使用微涡流混凝器，涡流反应器形成的微涡旋流动能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞。一方面，混凝剂水解形成胶体在微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞，使水中胶体快速脱稳；另一方面，水中脱稳胶体在微涡流作用下具有更多碰撞机会，因而具有更高的凝聚效率。

污水经过主反应区纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至中间絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至右侧絮体二次拦截区，在高密度立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出。二次拦截区填料定期清洗，清洗时同时开启填料底部纳米曝气头，利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗。出水通过液压泵导入三级反冲筛滤装置19。

三级反冲筛滤装置19的进水口处设有一进水堰16，出水口处设有回流槽21，三级反冲筛滤装置19内部由多孔网格22分为上部的集水池和下部的储水箱两个部分。三级反冲筛滤装置19内部的集水池与储水箱两部分连接一通气管30通往大气，以防止三级反冲筛滤装置内压力过高造成装置破裂甚至***。

多孔网格22为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网，多孔网格22的下方设置有紧密排列的圆筒状的分流仓23分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格22。多孔网格22上方的集水离中央安放一纳米曝气头埋设在填充的筛滤填料18中，筛滤填料18选取石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，混合比例为8:1:1。筛滤填料18中的纳米曝气头通过流量计与一曝气机连接。筛滤填料18靠近进水堰16处设有一阻流板17，靠近回流槽21的一侧设有一曝气管20，曝气管20设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上。筛滤填料18中安装有超声波发生仪42。分流仓23的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂(如碳掺杂的纳米TiO₂粉体)，其底部安装有紫外灭菌灯29，且紫外灭菌灯29之间设置有O₃的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料28(如负载纳米TiO₂的立体网状聚丙烯填料)，无需使用分散剂，并减少催化剂的流失现象。

污水自三级反冲筛滤装置的进水堰进入，在进水堰的物理结构作用下由水平方向导为竖直向上，在重力作用下撞击在挡流板上，以防止水流直接撞击筛滤填料影响处理效果；污水经过筛滤填料的过滤，流至下方储水箱，储水箱内的纳米曝气头的进气为O₃，通过纳米曝气大量获得羟基自由基，与紫外灭菌灯和半导体负载填料共同提高高级氧化效果，同时其中富含羟自由基的出水在装置进行反洗时，冲刷筛滤填料，较好的做到填料清洁与再生。

使用三级反冲筛滤装置时，集水池内的纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理。延长筛滤装置使用寿命及反洗周期，对于进水浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，不断运行净化污水。

储水箱内的纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于集水池，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率。

三级反冲筛滤装置处理后的出水通过一液压泵15与出水池24相连。

本发明的装置中，PACT池4产生的剩余污泥(废碳泥)经过浓缩池1浓缩沉淀，由提升泵40泵入湿式氧化再生Wet Air Regeneration(WAR)反应器2，在高温高压条件下注入空气，在WAR反应器2内进行湿式氧化再生，将活性碳附着的污泥氧化成无机物，而活性碳不被破坏，恢复了活性活性碳再返回PACT池4中重新使用，降低成本，处理后的残渣主要为无机物，可直接排放。

WAR反应器2启动时利用超高压蒸汽的热能启动，运行中利用反应放热能够维持***运行(自热运行)。热交换器3用于WAR反应器2的进、出料换热，再生碳与进料通过热交换器3换热以降低能耗，同时降低反应出料的温度。正常运行时维持自热运行，减少能耗。本发明的PACT池、WAR反应器、热交换器外壁使用保温层保温，减少热量损失。WAR反应器和热交换器在运行一段时间后内壁会结垢，可以采用稀硝酸进行清洗。

本发明的装置中，PACT池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲筛滤装置的集水池池和储水池内的纳米曝气头各分别连接一纳米曝气机。其中PACT池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池的纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

本发明的装置在运行时，WAR反应器内温度为226～246℃，压力为6～10Mpa，停留时间为1～2h。WAR反应器的炭泥浓度>9％，悬浮固体量不得低于9％，以便提供WAO***稳定的污泥量。

本发明的灭菌消毒污水处理的方法，是采用纳米曝气技术改进PACT池处理生化性能差的污水，利用粉末活性碳的吸附作用以及生化污泥的生物降解作用，缓冲污水中有毒有机物的毒性，从而减轻其对生物***的不利影响，将有毒物质集中固定在填料表面，处理过程中物理吸附和生物代谢过程协同作用，将污水中有机污染物转化成CO₂和H₂O，氨氮转化成硝酸盐氮，净化污水，有机物及有毒物质处理率高达99％。

PACT池出水经过纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置时，将悬浮性、胶质性的细微颗粒凝聚为絮体沉淀下来。又采用三级反冲筛滤装置联合作用，将混凝出水中残留的胶体及悬浮物深度过滤，并去除其中的重金属，降低污水浊度以提高其色度；其储水池的高级氧化步骤可氧化分解污水中的溶解性污染物、致毒有机物等，且具有脱色、除臭、杀菌、消毒等功效。本发明针对各种水质均有较好效果，出水清澈，水质符合国家一级标准。

污水经过纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内主反应区进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至中间絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至右侧絮体二次拦截区，在高密度立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出。二次拦截区填料定期清洗，清洗时同时开启填料底部纳米曝气头，利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗。出水通过液压泵导入三级反冲筛滤装置。

三级反冲筛滤装置在正常筛滤时，污水自进水堰进入，在进水堰的物理结构作用下由水平方向导为竖直向上，在重力作用下撞击在挡流板上，以防止水流直接撞击填料影响处理效果；污水经过填料的过滤，流至下方储水箱，储水箱内的纳米曝气头的进气为O₃，通过纳米曝气大量获得羟基自由基，与紫外灭菌灯和半导体负载填料共同提高高级氧化效果，同时其中富含羟自由基的出水在装置进行反洗时，冲刷筛滤填料，较好的做到填料清洁与再生。

本发明采用三级反冲洗技术进行反冲洗：

一级反冲洗为曝气循环反冲洗，由于污染物质在填料表面的堆积，污水难以透过填料之间的空隙渗透下去，在筛滤过程中进行反冲洗，开启三级反冲筛滤装置19左上角增压泵15、曝气管20并间歇开启多孔板上方纳米曝气头6，集水池内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔板向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下产生波轮效果，大力清洗填料表层片状致密污染物，溢流至回流槽，使填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，污水也可继续自分子筛空隙渗透下去；一级反冲洗可延长筛滤装置使用寿命及反洗周期，对于进水浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，使装置不断运行净化污水。

二级反冲洗为空气脉冲反冲洗，由于污水浊度过高，导致污染物质在填料表面的大量堆积，仅仅靠一级反冲洗步骤仍不能达到继续筛滤的效果。关闭第一阀门13、第一闸阀26，开启第三阀门25、第二阀门14，启动三级反冲筛滤装置19右下角增压泵15、曝气管20及两个纳米曝气机头6，将出水池内出水导入集水池中。在回水压力的作用下，集水池中的全部空气受到快速挤压，沿分压仓上细孔上升，全部筛滤填料层在上升空气的强力搅拌，曝气管气流及纳米曝气头的冲击力作用下旋转流动，污染物质破碎浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽与初始进水混合，待水面快速下降，过滤速率重新稳定后，关闭三级反冲筛滤装置19右下角增压泵15、多孔板下方纳米曝气头6、第三阀门25、第二阀门14，开启第一阀门13、第一闸阀26，继续进行筛滤处理。

三级反冲洗为曝气湍流反冲洗，此时一、二级反冲洗已经不足以解决污染物质对填料的覆盖、阻塞问题，污水大量积聚不得过滤。此时关闭第一阀门13、第一闸阀26，开启第三阀门25、第二阀门14，启动三级反冲筛滤装置19右下角增压泵15、曝气管20及两个纳米曝气头6、超声波发生仪42，将出水池内出水大量导入集水池中。⑴集水池内部空气沿多孔板细孔上升搅拌，填料底部纳米曝气头开始曝气，填料上方涡轮不断转动；⑵利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗，上方填料呈现湍流状态，进行无规则高速运动状态，填料在水流旋涡的冲击力和气泡的剪切力作用下相互摩擦，填料上附着的有机污染物能够去除，得到较为纯净的填料；⑶利用超声波发生仪在液体介质中产生超声波，在筛滤填料表面产生空化效应，空化汽泡在闭合过程中破裂时形成的冲击波，会在其周围产生上千个气压的冲击压力，作用在填料表面上破坏污物之间粘性，并使它们迅速分散在反洗液中，从而达到填料表面洁净的效果。⑷空气排净后，出水池的出水继续导入，富含羟自由基的出水冲洗湍流状态的的填料颗粒表面及微孔，剥离污染物质，填料得到再生。⑸而污染物质在水流冲击力及右侧曝气管气浮作用下不断向上浮至水面，自左端进水堰及右端回流槽流出与初始进水混合。经过三级反冲洗，内部污染物被清洗排空殆尽。

常规砂滤是在过滤过程中不扰动砂层，使水流从砂子细小缝隙之间流过。通常采用不扰动砂层，压实填料、增加水压、砂上附加网格等手段改进砂滤过程，让水流从砂子细小缝隙之间流过，而污染物质停留在砂层的表层上。本发明则是利用扰动填料表层，防止污染物质堆积对水流的顺利通过形成阻力，同时利用高级氧化、纳米曝气、气泡的冲击力和剪切力等手段改进装置，利用分子筛、锰砂等填料进行优化设计，最后使用三级反冲洗等改进处理过程。本装置对胶体、纤维、藻类等悬浮物的截留效果好，对于浊度较低水质甚至无需反冲洗，即可完成处理过程，同时具有去除臭味，灭杀细菌、病原菌等微生物，分解难降解的少量残留表面活化剂、多氯联苯等难降解有机化合物的功效。

本发明的碳掺杂的纳米TiO₂粉体的制备：采用均匀沉淀法和水热法两步过程制备碳掺杂的纳米TiO₂。以硫酸钛和尿素为前驱，葡萄糖为碳源，具体制备过程如下：取6.48g27硫酸钛和3.24g54尿素(硫酸钛与尿素的摩尔比为1:2)溶于去离子水中，再加入适量的葡萄糖0.6搅拌均匀，1：2：0.023在90℃的条件下反应2h。待反应结束后取出反应物干燥、反复水洗至中性，再次干燥，用球磨机研磨得到碳掺杂的纳米TiO₂粉体。

本发明的纳米TiO₂粉体负载在填料上的方法：采用聚丙烯材质的立体网状结构填料，将纳米TiO₂粉体与去离子水(粉体与水的质量比为1：20)混合，用超声波超声成乳浊液，将洁净的立体网状结构填料浸入与乙醇1：1混合的钛酸酯偶联剂，缓慢搅拌一段时间，然后将填料取出放入TiO₂乳浊液中继续搅拌一段时间，取出后放入烘箱中干燥(85℃以下)2h，即制得负载纳米TiO₂的聚丙烯悬浮填料，其外观呈淡黄色，膜层较均匀。

本发明的一个实施例中，处理COD高达20000mg/L的餐厨垃圾废水30L，前两小时在PACT池内COD含量由20000mg/L迅速降低至1000mg/L，第三小时在纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内废水的有机物含量减少了99％、浊度降低了80％，三级反冲筛滤装置仅仅使用10-15min，有机物、浊度以及病原菌去除率均达到100％。

Claims (10)

1.一种灭菌消毒污水处理一体化装置，主要由粉末活性炭处理池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置和三级反冲筛滤装置组成；其中：

粉末活性炭处理池的底部设有排泥孔，排泥孔上方设有纳米曝气盘，纳米曝气盘上方设置有搅拌机，搅拌机上方充填充有粉末活性炭-活性污泥混合物；粉末活性炭处理池填充粉末活性炭-活性污泥混合物部分通过管道与浓缩池连接，该浓缩池经湿式空气再生反应器连接热交换器，热交换器与粉末活性炭处理池填充粉末活性炭-活性污泥混合物部分相连接；粉末活性炭处理池的上清液通过导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接粉末活性炭处理池出水口的一侧为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应区内设有微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入O₂的纳米曝气头，主反应区顶端设有用以添加混凝剂的加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截区内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，絮体二次拦截区底部设置有出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口；

三级反冲筛滤装置集水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反冲筛滤装置内部由多孔网格分为上部的集水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排列的圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入O₂的曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫外灭菌灯，且灭菌灯之间设置有通入O₃的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入出水池。

2.根据权利要求1所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝池内使用的混凝剂为聚合氯化铝+阳离子聚丙烯酰胺。

3.根据权利要求1所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，三级反冲筛滤装置中的筛滤填料为石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，体积混合比例为8:1:1。

4.根据权利要求1所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，粉末活性炭处理池的曝气盘、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲筛滤装置的纳米曝气头分别各连接一纳米曝气机。

5.根据权利要求1所述的灭菌消毒污水处理一体化装置，其中，粉末活性炭处理池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置筛滤填料中的纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池中的纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

6.利用权利要求1所述灭菌消毒污水处理一体化装置进行灭菌消毒污水处理的方法：

灭菌消毒污水进入粉末活性炭处理池，利用粉末活性炭处理池内的粉末活性碳的吸附作用以及生化污泥的生物降解作用，将污水中有机污染物转化成CO₂和H₂O，氨氮转化成硝酸盐氮，净化污水；

粉末活性炭处理池上清液通过液压泵导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内的主反应区内进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至絮体二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出进入三级反冲筛滤装置；

在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及反洗周期；

储水箱内的纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、上升速度缓慢的特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率，经三级反冲筛滤装置处理的污水进入出水池；

同时三级反冲筛滤装置的部分出水回流至粉末活性炭处理池，调节水质并刺激微生物生理活动，筛选形成颗粒活性基团，基团具有分子筛的离子交换功能；

粉末活性炭处理池内产生的剩余污泥经过浓缩池浓缩沉淀，泵入湿式空气再生反应器中，在湿式空气再生反应器内进行湿式氧化再生，通过热交换器对湿式空气再生反应器的进、出料换热，将活性碳附着的污泥氧化成无机物，而活性碳不被破坏，恢复了活性的活性碳再返回粉末活性炭处理池中重新使用，湿式空气再生反应器处理后的残渣直接排放。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，湿式空气再生反应器内温度为226～246℃，压力为6～10Mpa，停留时间为1～2h。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，湿式空气再生反应器的炭泥浓度>9％，悬浮固体量不得低于9％，以提供湿式空气再生反应器稳定的污泥量。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，粉末活性炭处理池、湿式空气再生反应器、热交换器外壁使用保温层保温，减少热量损失。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，湿式空气再生反应器、热交换器运行一段时间后，采用稀硝酸清洗内壁的结垢。