发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术而提出的一种污水处理装置及方法,通过对污水进行缺氧调节、缺氧反硝化、曝气、氧化硝化、沉淀过滤、超声氧化、膨润土和硅藻土复合处理、聚合氯化铝混凝沉淀、物理吸附的连续处理,能够有效将污水中的氮素、磷素和抗生素充分释放至污水中,并将氮素、磷素和抗生素进行有效清除,实现对污水的无害化处理,防止污水对现有紧缺淡水资源的进一步污染,具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种污水处理装置,其特征在于:包括通过管道依次连接的缺氧调节罐、缺氧反硝化罐、曝气池、氧化器、沉淀池、过滤池、超声处理氧化罐、混合罐、沉淀罐、吸附塔;在所述缺氧反硝化罐的内部设置有电机和搅拌装置,所述缺氧反硝化罐外部设置有气提泵和气提管道,通过控制所述气提泵的供气量定量提升所述缺氧反硝化罐中的污水至所述曝气池中;所述曝气池内部设置有水解搅拌器和曝气装置,所述曝气装置通过表面设置的均匀气孔向所述曝气池中供给氧气,所述水解搅拌器通过设置在所述曝气池顶部的电机驱动搅拌轴转动;所述氧化器底部设置有均匀排布的排水孔,所述排水孔与排水管连接,所述排水管通过水泵与所述缺氧反硝化罐连接;所述沉淀池中设置有阻挡污水流动的迂回挡板,污水和混合液通过管道回流至所述缺氧调节罐;所述超声处理氧化罐的外部两侧设置有超声波发生器,所述超声处理氧化罐的顶部设置有溶液添加口;所述混合罐内设置有两个搅拌装置,所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌叶片,通过所述混合罐顶部设置的电机驱动带有所述搅拌叶片的所述搅拌轴转动,所述混合罐一侧顶部设置有添加口;所述沉淀罐内部设置有喷淋器,通过所述喷淋器向所述沉淀罐中添加试剂,所述沉淀罐底部设置有电机驱动的搅拌轴,所述沉淀罐一侧的中部设置有过滤器,经所述过滤器的清液通过管道输送至所述吸附塔;所述吸附塔中填装有吸附剂,经过所述吸附剂吸附处理后的清水通过管道排出。
作为本发明更进一步的限定,在缺氧反硝化罐侧壁设置有生物填料,利用所述生物填料上附着生长的微生物初步降解去除污水中可生化的污染物。
作为本发明更进一步的限定,过滤池中设置有三层过滤层,从上到下依次为:用于过滤大颗粒的初滤层、过滤小颗粒的精滤层和过滤微小颗粒的超滤层;所述初滤层中设置有石英砂,所述精滤层中设置有软料纤维和微粒填料,所述超滤层中设置有陶瓷过滤板。
作为本发明更进一步的限定,氧化器包括箱体、水平挡板、微孔曝气管、排气层、电机、减速器和曝气器;所述水平挡板设置于箱体中部,用于实现污水的分层流动;所述电机、减速器和所述曝气器均设置于所述箱体上部,所述曝气器通过回转轴连接若干陶瓷盘片,通过所述电机和减速器驱动所述回转轴转动带动所述陶瓷盘片转动;所述水平挡板一侧设置排气层,将曝气反应后的气体排出;所述箱体底部设置若干微孔曝气管,向所述氧化器中输入氧气。
作为本发明更进一步的限定,水平挡板宽度与箱体宽度相等,所述水平挡板长度比箱体长度稍短,所述水平挡板两端和箱体之间留有过水间隙,污水在箱体内环绕着所述水平挡板阻隔形成的竖向环状回路里循环流动。
通过本发明上述结构的氧化器,通过对氧化区域进行重叠设置,大大增加了氧化区域的深度,最大程度的节省了***占地,氧化器由于在中间设置了水平挡板,避免了因为深度太大而引发的底部流速不足的问题;同时本发明的氧化器提供两种氧气导入方式,可以通过调整陶瓷盘片的转速和箱底微孔曝气管的供氧量,灵活控制氧化器中的溶解氧浓度;此外,可以根据需要在底层增加搅拌装置,更加灵活的调整箱体内的水流速度,防止杂质沉积。
同时,本发明还公开了一种污水处理方法,该方法包括以下步骤:
1)将污水通过管道导入所述缺氧调节罐中,污水在所述缺氧调节罐中将污水中可生物分解有机物中的碳源释放出来的,并对污水中的杂质进行预沉淀,停留10~12h后通入所述缺氧反硝化罐中;
2)利用所述缺氧反硝化罐侧壁上的所述生物填料上附着生长的微生物初步降解去除污水中的污染物,同时利用污水中的有机物作为反硝化的碳源,对所述氧化器回流的硝化液进行反硝化脱氮;同时,通过控制所述气提泵的供气量定量提升罐中的污水至所述曝气池,缓冲污水水质水量的波动;
3)将反硝化后的溶液导入所述曝气池中进行曝气处理,曝气3~5h,初步降解污水中的有机物,并将氨氮转化为硝态氮;
4)通过所述氧化器对污水进行硝化反应,进一步将氨氮氧化为硝态氮,同时,通过所述氧化器底部设置的管道将硝化液回流到所述缺氧反硝化罐,使硝化液在所述缺氧反硝化罐中发生反硝化反应去除水中的总氮;
5)将除氮后的污水通入所述沉淀池中静置2~3h,将污水和混合液回流至所述缺氧调节罐中进行再次循环处理,沉淀后的清液通入所述过滤池中进行过滤,除去清液中残留的杂质;
6)将过滤后的清液导入所述超声处理氧化罐中,对清液进行超声处理,超声处理一段时间后,向罐中添加双氧水水溶液,清液中的磷素在双氧水水溶液的作用下发生氧化;
7)将超声、氧化后的清液导入所述混合罐中,向罐中添加膨润土和硅藻土混合物,并进行机械搅拌,搅拌速度为20~30r/min,搅拌一段时间后,反应液停留5h;
8)将所述混合罐中的上清液导入所述沉淀罐中,向所述沉淀罐中加入pH值调控剂,调节所述沉淀罐pH为8.5~9.5;然后向所述混合罐中喷淋聚合氯化铝溶液,并控制搅拌速度为300~500 r/min,反应后的清液通过所述沉淀罐一侧的所述过滤器进行过滤;
9)经沉淀、过滤后的清液通入所述吸附塔中,通过所述吸附剂对清液进行吸附处理,处理后即可排出。
申请人发现,由于污水中含有的部分磷素会与有机物之间形成键合,且抗生素的自然降解速度较慢。为了减弱固相磷素与有机物之间的键合作用,便于磷素的充分溶出,同时提高污水混合液中抗生素的降解速度,将经过反硝化、氧化处理后的清液进行超声处理,能够减弱磷素与有机物直接的键合作用,易于提高后续氧化释放磷和转化磷的效果;同时,超声处理对清液中有机物产生高温热解效应和超声机械效应,以及超声波使液体中极性分子产生高速旋转而产生热效应,降低了反应的活化能和分子的化学键强度, 从而可加速液体中抗生素的降解。
经超声处理和氧化后的清液中,磷素得到有效释放,并且抗生素已初步降解,此时可对清液进行磷素的去除处理。
虽然,膨润土和硅藻土都能够用于对水体的净化处理,但是两者通常都是单独使用。通过对膨润土和硅藻土的配比制成复合物,能够明显提升对污泥混合液中磷素和抗生素的有效清除。
由图3可知,在膨润土和硅藻土质量比为60%:40%时,总磷的去除效果较好,为后续处理处理提供了较好的基础。
上述处理后的清液中还含有微量残留物,为了将上述残留物充分清除,向处理后的清液中加入pH值调控剂,调节pH为8.5~9.5,然后通过喷淋器向沉淀罐中喷淋聚合氯化铝溶液,通过聚合氯化铝与混合液中磷素反应形成混凝沉淀,并控制罐体底部搅拌器的搅拌速度为300~500r/min。
由于,向污水中直接添加聚合氯化铝进行絮凝除磷,不仅会恶化其沉降性能,也会降低除磷效率。不同的pH值对絮凝沉淀反应的影响较大,通过对反应速率的不断研究,申请人发现,当pH<9 时,随着pH升高,磷去除率升高;当pH>9时,进一步提高pH,磷去除率降低,但降低幅度很小。在pH<6和pH>10时,pH对聚合氯化铝的絮凝沉淀效果影响不大。因此,pH为9时聚合氯化铝对清液的除磷效率最高。
此外,合适的搅拌转速可使聚合氯化铝迅速扩散到清液的上部,清液中的温度和浓度更均匀,促使铝离子与磷接触形成沉淀除磷,但是搅拌转速过大会打碎絮体,阻碍沉淀形成,降低磷去除率。通过对反应速率的不断研究,申请人发现,搅拌速度在50~500 r/min的范围内,随着搅拌速度的增加,磷去除率略有升高,但影响变化不大。
通过分析,清液中聚合氯化铝除磷过程中Al/P离子摩尔浓度比、pH值和搅拌转速对除磷效果的作用效果,清液除磷工艺条件的影响效果大小为Al/P离子摩尔浓度比>pH值>搅拌速度。
随着清液中磷素的浓度逐渐降低,较低浓度的磷素无法继续反应进行清除,本发明将经过聚合氯化铝絮凝沉淀后的清液经过滤器过滤后通入吸附塔中,采用吸附剂可进一步对磷素进行吸附,并可以对污水中残留的抗生素有效清除。
作为本发明更进一步的限定,步骤6)中超声处理参数为:功率60~120W,频率20~40MHz;双氧水水溶液与清液的体积比为(5~10) :100 ;双氧水水溶液的质量分数为20%~30%。
作为本发明更进一步的限定,步骤7)中膨润土和硅藻土混合物中膨润土和硅藻土的质量比为60%:40%,膨润土和硅藻土混合物投加量为500mg/L,搅拌1-2d,搅拌完后停留5h。
作为本发明更进一步的限定,步骤8)中向沉淀罐中添加聚合氯化铝溶液,控制所述沉淀罐内Al/P离子的摩尔浓度比为2.4~2.7:1。
由图4可以看出,在铁基材料的三价铁离子摩尔浓度相同的条件下,制备的吸附剂对左氟沙星和环丙沙星的去除率的顺序均为硝酸铁最高,其次为硫酸铁,最次为氯化铁。因此,为了提高对清液中残留抗生素的有效清除,选择吸附剂中的铁基材料采用硝酸铁进行制备。
作为本发明更进一步的限定,吸附剂的制备方法如下:取5克生物质炭,加入超纯水浸泡并超声10min,反复洗涤3次,110℃下烘至恒重;向经过预处理的生物质炭中加入20mL的浓度为1mol/L的硝酸铁溶液,室温下搅拌24h后,转移至蒸发器中,加热温度设置为60℃并抽真空条件下反应12h,固体材料取出后冷却,并用去离子水洗净,25℃下真空干燥24 h。
本发明的有益效果是:
1、本发明通过将缺氧反应和好氧反应有效结合,采用先缺氧后好氧的方式,设置两段缺氧反应调节降解污水,污水在缺氧调节罐和缺氧反硝化罐中有较长的停留时间,能够有效降低污水的有机物浓度。
2、在缺氧反硝化罐中设置生物填料,利用生物填料上附着生长的微生物初步降解去除污水中的污染物,同时充分利用污水中的有机物作为反硝化的碳源,对经好氧硝化处理的回流硝化液进行反硝化脱氮。
3、本发明上述结构的氧化器,通过对氧化区域进行重叠设置,大大增加了氧化区域的深度,最大程度的节省了***占地;同时本发明的氧化器提供两种氧气导入方式,可以通过调整陶瓷盘片的转速和箱底微孔曝气管的供氧量,灵活控制氧化器中的溶解氧浓度;此外,可以根据需要在底层增加搅拌装置,更加灵活的调整箱体内的水流速度,防止杂质沉积。
4、将经过反硝化、氧化处理后的清液进行超声处理,能够减弱磷素与有机物直接的键合作用,易于提高后续氧化释放磷和转化磷的效果;同时,可加速液体中抗生素的初步降解。
5、通过对膨润土和硅藻土的配比制成复合物,能够明显提升对污水混合液中磷素和抗生素的有效清除效果。
6、通过添加聚合氯化铝,与混合液中磷素反应形成混凝沉淀能够进一步清除混合液中的微量残留的磷素。
7、本发明将处理后的混合液通入吸附塔中,采用吸附剂可进一步对游离态和固相磷素进行吸附,可克服液相中磷素容易流失与回收效能低的问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进一步说明。
参照图1-2,一种污水处理装置,包括通过管道依次连接的缺氧调节罐、缺氧反硝化罐、曝气池、氧化器、沉淀池、过滤池、超声处理氧化罐、混合罐、沉淀罐、吸附塔;在所述缺氧反硝化罐的内部设置有电机和搅拌装置,所述缺氧反硝化罐外部设置有气提泵和气提管道,通过控制所述气提泵的供气量定量提升所述缺氧反硝化罐中的污水至所述曝气池中;所述曝气池内部设置有水解搅拌器和曝气装置,所述曝气装置通过表面设置的均匀气孔向所述曝气池中供给氧气,所述水解搅拌器通过设置在所述曝气池顶部的电机驱动搅拌轴转动;所述氧化器底部设置有均匀排布的排水孔,所述排水孔与排水管连接,所述排水管通过水泵与所述缺氧反硝化罐连接;所述沉淀池中设置有阻挡污水流动的迂回挡板,污水和混合液通过管道回流至所述缺氧调节罐;所述超声处理氧化罐的外部两侧设置有超声波发生器,所述超声处理氧化罐的顶部设置有溶液添加口;所述混合罐内设置有两个搅拌装置,所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌叶片,通过所述混合罐顶部设置的电机驱动带有所述搅拌叶片的所述搅拌轴转动,所述混合罐一侧顶部设置有添加口;所述沉淀罐内部设置有喷淋器,通过所述喷淋器向所述沉淀罐中添加试剂,所述沉淀罐底部设置有电机驱动的搅拌轴,所述沉淀罐一侧的中部设置有过滤器,经所述过滤器的清液通过管道输送至所述吸附塔;所述吸附塔中填装有吸附剂,经过所述吸附剂吸附处理后的清水通过管道排出。
其中,在缺氧反硝化罐侧壁设置有生物填料,利用所述生物填料上附着生长的微生物初步降解去除污水中可生化的污染物。
其中,过滤池中设置有三层过滤层,从上到下依次为:用于过滤大颗粒的初滤层、过滤小颗粒的精滤层和过滤微小颗粒的超滤层;所述初滤层中设置有石英砂,所述精滤层中设置有软料纤维和微粒填料,所述超滤层中设置有陶瓷过滤板。
其中,氧化器具体包括箱体、水平挡板4、微孔曝气管3、排气层5、电机2、减速器和曝气器1;水平挡板4设置于箱体中部,用于实现污水的分层流动;电机、减速器和曝气器1设置于箱体上部,曝气器通过回转轴连接若干陶瓷盘片,通过电机和减速器驱动回转轴转动带动陶瓷盘片转动;水平挡板4一侧设置排气层5,将曝气反应后的气体排出;箱体底部设置若干微孔曝气管3,向氧化器中输入氧气。
其中,水平挡板4宽度与箱体宽度相等,水平分流4挡板长度比箱体长度稍短,水平挡板两端和箱体之间留有过水间隙,污水在箱体内环绕着水平挡板阻隔形成的竖向环状回路里循环流动。
一种污水处理方法,该方法包括以下步骤:
1)将污水通过管道导入所述缺氧调节罐中,污水在所述缺氧调节罐中将污水中可生物分解有机物中的碳源释放出来的,并对污水中的杂质进行预沉淀,停留10~12h后通入所述缺氧反硝化罐中;
2)利用所述缺氧反硝化罐侧壁上的所述生物填料上附着生长的微生物初步降解去除污水中的污染物,同时利用污水中的有机物作为反硝化的碳源,对所述氧化器回流的硝化液进行反硝化脱氮;同时,通过控制所述气提泵的供气量定量提升罐中的污水至所述曝气池,缓冲污水水质水量的波动;
3)将反硝化后的溶液导入所述曝气池中进行曝气处理,曝气3~5h,初步降解污水中的有机物,并将氨氮转化为硝态氮;
4)通过所述氧化器对污水进行硝化反应,进一步将氨氮氧化为硝态氮,同时,通过所述氧化器底部设置的管道将硝化液回流到所述缺氧反硝化罐,使硝化液在所述缺氧反硝化罐中发生反硝化反应去除水中的总氮;
5)将除氮后的污水通入所述沉淀池中静置2~3h,将污水和混合液回流至所述缺氧调节罐中进行再次循环处理,沉淀后的清液通入所述过滤池中进行过滤,除去清液中残留的杂质;
6)将过滤后的清液导入所述超声处理氧化罐中,对清液进行超声处理,超声处理一段时间后,向罐中添加双氧水水溶液,清液中的磷素在双氧水水溶液的作用下发生氧化;
7)将超声、氧化后的清液导入所述混合罐中,向罐中添加膨润土和硅藻土混合物,并进行机械搅拌,搅拌速度为20~30r/min,搅拌一段时间后,反应液停留5h;
8)将所述混合罐中的上清液导入所述沉淀罐中,向所述沉淀罐中加入pH值调控剂,调节所述沉淀罐pH为8.5~9.5;然后向所述混合罐中喷淋聚合氯化铝溶液,并控制搅拌速度为300~500 r/min,反应后的清液通过所述沉淀罐一侧的所述过滤器进行过滤;
9)经沉淀、过滤后的清液通入所述吸附塔中,通过所述吸附剂对清液进行吸附处理,处理后即可排出。
其中,步骤6)中超声处理参数为:功率60~120W,频率20~40MHz;双氧水水溶液与清液的体积比为(5~10) :100 ;双氧水水溶液的质量分数为20%~30%。
其中,步骤7)中膨润土和硅藻土混合物中膨润土和硅藻土的质量比为60%:40%,膨润土和硅藻土混合物投加量为500mg/L,搅拌1-2d,搅拌完后停留5h。
其中,步骤8)中向沉淀罐中添加聚合氯化铝溶液,控制所述沉淀罐内Al/P离子的摩尔浓度比为2.4~2.7:1。
其中,吸附剂的制备方法如下:取5克生物质炭,加入超纯水浸泡并超声10min,反复洗涤3次,110℃下烘至恒重;向经过预处理的生物质炭中加入20mL的浓度为1mol/L的硝酸铁溶液,室温下搅拌24h后,转移至蒸发器中,加热温度设置为60℃并抽真空条件下反应12h,固体材料取出后冷却,并用去离子水洗净,25℃下真空干燥24 h。
本发明通过对污水进行缺氧调节、缺氧反硝化、曝气、氧化硝化、沉淀过滤、超声氧化、膨润土和硅藻土复合处理、聚合氯化铝混凝沉淀、物理吸附的连续处理,能够有效的将污水中的氮素、磷素和抗生素充分释放至污水中,并将氮素、磷素和抗生素进行有效清除,实现对污水的无害化处理,防止污水对现有紧缺淡水资源的进一步污染。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。