CN111499101B - 一种有机污水梯级净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有机污水梯级净化装置，属于废水处理领域。该装置包括团聚反应罐、絮凝沉降罐、缺氧生化罐、厌氧除磷罐、射流反应器、曝气硝化罐及相关回流装置。本装置具有能有效改善污水中污泥絮凝颗粒团聚性能、降低生化区域微生物中毒和防止悬浮物颗粒阻塞填料层等优点，从而高效节能且低成本的实现低可生化率多杂质的复杂有机污水达标排放，是一种经济可行、性能稳定、净水效率高的净水装置。

Description

一种有机污水梯级净化装置

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种有机污水梯级净化装置。

背景技术

农业科技与畜禽养殖产业高速发展的同时，产生了大量含有抗生素、重金属和悬浮颗粒等复杂污染物成分的有机污水。这类污水具有化学耗氧量高、可生化率低、浊度大、分离沉降困难等诸多技术难点。近年来，由抗生素、重金属、高化学耗氧量、难降解有机物的肆意排放和累积造成的水体污染事件频发，黑臭水体污染防治、有机污染土壤与场地修复已成为我国环境研究领域的重点问题。

有机废水处理的基本原理是氧化降解，即将废水中的有机物氧化降解成为小分子最终转变成二氧化碳、水和无机盐等无机物。目前现有主流的方法主要包括两大类“生物降解法”和“化学氧化法”，生物降解利用好氧微生物、厌氧微生物等微生物菌群的作用降解水体中的有机污染物，该技术具有成本低、厌氧菌降解负荷大、好氧菌效率较高等特点，然而生物降解技术需要废水中有机物可生化率高、废水无生物毒性等技术前提。化学氧化工艺是通过强氧化剂与有机物接触后，迅速剥夺有机物电子，使其氧化降解达到降低水体中有机物含量的办法，化学氧化工艺是一种快速高效的有机废水处理工艺，然而其存在化学氧化过程中氧化剂有效利用率低、工艺成本过高难以实际应用等问题。特别是针对可生化率低、含重金属杂质和悬浮物成分复杂的有机废水的处理过程，往往存在絮凝颗粒长大困难、生化区域微生物中毒、悬浮物颗粒阻塞填料层、废水生化效果差等技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种经济可行、性能稳定、净水效率高的有机污水梯级净化装置，从而改善污水中污泥絮凝颗粒团聚性能、降低生化区域微生物中毒和悬浮物颗粒阻塞填料层风险，提高***装置处理稳定性，最终低成本的实现低可生化率多杂质的复杂有机废水达标排放。

本发明提出的技术方案为：

一种有机污水梯级净化装置，其特征在于，该装置由废水入口至净化水出口依次包括以下部分：团聚反应罐、絮凝沉降罐、缺氧生化罐、厌氧除磷罐、曝气硝化罐。

特别地，在厌氧除磷罐与曝气硝化罐之间设置有射流反应器。

特别地，团聚反应罐由上至下包括团聚罐填料床层、缺氧生化罐回流污泥入口、曝气硝化罐回流污泥入口、药剂入口和连接有第一阳极端子的团聚罐转盘。

特别地，该装置还包括两个阳极端子和一个阴极端子，其中第一阳极端子与团聚罐转盘连接，第二阳极端子与曝气硝化罐转盘连接，阴极端子与缺氧生化罐转盘连接，从而使经过转盘的污泥胶体带相应的电荷。

特别地，该装置还包括第一回流管道和第二回流管道，其中第一回流管道从缺氧生化罐底部连接至缺氧生化罐回流污泥入口，所述缺氧生化罐回流污泥入口位于团聚反应罐的团聚罐填料床层出口，第二回流管道从曝气硝化罐底部连接至曝气硝化罐回流污泥入口，所述曝气硝化罐回流污泥入口位于团聚反应罐侧面的与第一阳极端子相连接的团聚罐转盘顶部与药剂入口之间的水力混合区域。

特别地，该装置还包括第三回流管道，第三回流管道从厌氧除磷罐底部连接至缺氧生化罐侧面污水入口，并设置有单向阀和/或回流泵以调节回流量大小。

特别地，在团聚罐填料床层、缺氧罐填料床层、厌氧罐填料床层、曝气罐填料床层填充有一种或多种具有多孔隙及富含官能团的多孔碳基复合材料，优选地，多孔碳基复合材料为铁碳基复合材料。

特别地，其中多孔碳基复合材料采用真菌菌丝复合碳纳米管或氧化石墨烯，经表面官能化处理后再低温炭化制得。

特别地，该装置在废水入口处可设置格栅以初步拦截进入装置的大颗粒物。

特别地，该装置还包括附属设施，附属设施为水位控制循环水箱、太阳能电池板、药剂储槽中的一种或多种。

本发明提供的有机污水梯级净化装置，具有以下优点：

1.多驱动诱导强化胶体絮凝：传统絮凝沉降工艺，需要加入PAM、PAC，作为絮凝体使得胶体脱稳，该工艺通过改变胶团表面电性的方法使得胶体脱稳，通过曝气硝化罐表面带正电荷污泥回流、缺氧生化罐表面带负电荷的污泥回流和废水中带正电的胶团在絮凝反应罐转盘的驱动下诱导结晶，实现颗粒胶团稳定性高效破坏和迅速长大。通过改变表面电性的方法使胶体脱稳，一方面减少了外加药剂对水体的二次污染，另一方面降低了能耗。

2.射流反应器协同增氧提高降解效率：传统曝气增氧技术能耗高，空气利用率低。该工艺采用射流增氧和曝气罐转盘电解水协同作用提高了氧气的利用效率。通过射流反应器前端泵的负压将氧气吸入水中和电解水产生的气泡具有极强的化学反应活性，形成的大量微小气泡能够迅速的提高水中的溶解氧值，既得到了极强的化学活性也产生了大量的微小气泡，效率高、噪音低、能耗低。

3.抗重金属离子冲击强：传统的生物处理工艺，难以抵抗重金属等毒性物质的冲击，抗波动性差。本工艺包含有富含官能团的多孔碳基复合材料填料床层，多孔碳基材料表面富含大量羟基、羧基、氨基、巯基等化学基团，能够与重金属形成稳定的配合键，使得重金属能够迅速在生化处理工序前段得到有效的拦截，降低了后续处理风险。

4.工艺稳定性高：本工艺设计了多回流管道***和多电极诱导与传递***，其中多回流管道提高了絮凝颗粒沉降性能，使得***污泥从絮凝沉淀罐底部唯一出口排出，同时使得微生物循环更加稳定。多电极诱导与传递***不仅提供了表面带不同电荷的胶粒供***絮凝沉降，而且阴极区能够强化厌氧和缺氧反应的还原性体系，阳极区能够强化好氧反应的氧化性体系。此外，传统厌氧好氧工艺采用AAO工艺，即厌氧、缺氧、好氧。该工艺采用缺氧、厌氧、好氧工艺，厌氧段设置在中间级有效的确保了工艺的稳定性。

5.生化反应效率高：本工艺设计采用了多孔碳基复合材料，采用真菌菌丝复合碳纳米管或氧化石墨烯制备、经表面处理后再低温碳化，该过程制备的碳材料表面孔隙率高、富含羟基、羧基、氨基等大量有机基团。相对传统工艺填料床采用活性炭、沸石作为填料，比表面积较小。该工艺使用多孔碳基复合材料，比表面积超过200m³/g，能够提供更多的微生物反应场所，增强了填料床的生化反应效率。特别地，多孔碳基复合材料可选择多孔铁碳基复合材料，铁碳基复合材料为碳基材料表面基团结合的羧基铁、羟基铁、氨基铁、巯基铁和零价铁多种形态共存的复合物，其能够有效的吸附有机废水处理末端的难降解有机物，还可为其上附着的微生物的生长活动提供无机组分，从而使得净水效率更高，生化反应更稳定；同时具有更好的降解作用：吸附于铁碳填料表面的难降解有机物能够在铁碳填料表面缓慢降解，其主要原理是利用铁和碳之间形成的微电池结构能够产生的羟基自由基，产生的羟基自由基具有极强的氧化性能，它能够缓慢的氧化降解吸附与材料表面的有机物，从而进一步提高净水效果。

附图说明

图1为有机污水梯级净水装置示意图。

图中各标号所对应的名称如下：

1.团聚反应罐，2.絮凝沉降罐，3.缺氧生化罐，4.厌氧除磷罐,5.曝气硝化罐，6.射流反应器，7.第一阳极端子，8.斜管板，9.阴极端子，10.第二阳极端子，11.氧气入口，12.团聚罐转盘，13.缺氧罐转盘，14.厌氧罐转盘，15.曝气罐转盘，16.团聚罐填料床层，17.缺氧罐填料床层，18.厌氧罐填料床层，19.曝气罐填料床层，20.第一废水泵，21.药剂泵，22.第四单向阀，23.第二废水泵，24.第三单向阀，25.第一回流泵，26.第二回流泵，27.污泥泵，28.第一单向阀，29.第二单向阀，30.第五单向阀，31.废水入口，32.药剂入口，33.净化水排口，34.废渣排口，35.第三回流泵。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面将结合实施例和对比例对本发明的优选实施方案作进一步详细的描述，但是本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

一种有机污水梯级净化装置，本装置适用于处理废水中的固体悬浮物(SS)、氨氮有机物、含磷有机物等复杂有机污水，可应用于黑臭水体治理与改善、畜禽养殖废水处理、生活污水处理、农村湖塘水体修复等场景，具有能有效改善污泥絮凝颗粒团聚性能、降低生化区域微生物中毒和防止悬浮物颗粒阻塞填料层等优点，从而高效节能且低成本的实现低可生化率多杂质的复杂有机废水达标排放，是一种经济可行、性能稳定、净水效率高的净水装置。

本装置，如图1所示，从废水入口31至净化水排口33，包括团聚反应罐1、絮凝沉降罐2、缺氧生化罐3、厌氧除磷罐4、射流反应器6、曝气硝化罐5及其他相关部件。其中团聚反应罐1由上至下分别包含团聚罐填料床层16、缺氧生化罐回流污泥入口、曝气硝化罐回流污泥入口、药剂入口32、第一阳极端子7和与第一阳极端子7相连接的导电团聚罐转盘12；所述的絮凝沉降罐2进水口在罐体的一侧，由上至下分别包括斜管板8和污泥斗；所述的缺氧生化罐3由上至下分别包括缺氧罐填料床层17、阴极端子9和与之相连接的缺氧罐转盘13、以及底部的污泥回流口；所述的厌氧除磷罐4由上至下包括厌氧罐填料床层18、厌氧罐转盘14和底部污泥回流口，所述的射流反应器6顶部为氧气入口11，所述的曝气硝化罐5由上至下为净化水排口33、曝气罐填料床层19、第二阳极端子10、与第二阳极端子10相连接的曝气罐转盘15以及底部的污泥回流口。此外，该装置还包括三条回流管道，其中第一回流管道从缺氧生化罐3底部连接至位于团聚反应罐1的团聚罐填料床层16出口缺氧生化罐回流污泥入口，该管道中设置有第一单向阀28和第一回流泵25；第二回流管道从曝气硝化罐5底部连接至位于团聚反应罐1侧面的与第一阳极端子7相连接的团聚罐转12盘顶部与药剂入口32之间的水力混合区域的曝气硝化罐回流污泥入口，该管道中设置有第二单向阀29和第二回流泵26；第三回流管道从厌氧除磷罐4底部连接至缺氧生化罐3侧面污水入口，该管道中设置有第三单向阀24和第三回流泵35。

所述的其他相关部件包括废水入口31，第一废水泵20，药剂泵21，第四单向阀22，第二废水泵23，污泥泵27，第五单向阀30，废渣排口34及其他相关连接管道。

采用本发明的有机污水梯级净化装置净化有机污水的过程如下：

复杂有机污水通过废水入口31进入装置，并经第一废水泵20打入团聚反应罐1，其中废水入口31处设置格栅以初步拦截进入***的大颗粒物；污水进入团聚反应罐1后，经填充有多孔碳基复合材料的团聚罐填料床层16过滤，以减缓生化***循环运行过程中的重金属中毒，而后与第一阳极端子7相连接的导电团聚罐转盘12接触，从而剥夺污水中污泥颗粒胶体表面电子使污水中污泥胶团表面带正电。同时缺氧生化罐3底部，与阴极端子9相连接的缺氧罐转盘13接触而带负电的污泥胶团，通过设置有第一回流泵25和第一单向阀28的第一回流管道打入团聚反应罐1侧面的缺氧生化罐回流污泥入口；曝气硝化罐5底部，与第二阳极端子10相连接的曝气罐转盘15接触而带正电的污泥胶团，通过设置有第二回流泵26和第二单向阀29的第二回流管道打入团聚反应罐1侧面的曝气硝化罐回流污泥入口；上述带电的污泥胶团在团聚反应罐1内混合、脱稳、絮凝长大。

在团聚反应罐1的团聚罐填料床层16出口下方设置有药剂入口32，药剂通过药剂泵21打入罐体。根据污水水质选择是否添加预处理药剂，对于胶体含量高、絮凝沉降难的污水，药剂可选择聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝的一种或多种配置而成的水溶液，对于可生化率低、高化学耗氧量污水，药剂选择双氧水、次氯酸钠、氯酸钠中的一种或多种配置而成的水溶液。

团聚反应罐1底部与絮凝沉降罐2相通，经团聚反应罐1中絮凝长大后的污泥胶团进入絮凝沉降罐2，经絮凝沉降罐2的斜管板8使胶团进一步长大，并经挤压而成层沉降，沉降的污泥进入污泥斗后经设置有污泥泵27和第五单向阀30的管道，通过废渣排口34排出为废渣，从而实现污水中大部分固体悬浮物的有效脱除。

通过絮凝沉降罐2的污水经第四单向阀22进入到缺氧生化罐3侧面污水入口，通过与阴极端子9连接的缺氧罐转盘13接触，使得污水中残留的固体悬浮物带负电，并进一步沉降分离并经由第一回流管道进入团聚反应罐1，从而降低了缺氧生化、厌氧除磷和曝气硝化反应过程中管道堵塞的风险。其余污水经填充有铁碳基复合材料的缺氧罐填料床层17由下往上通过缺氧生化罐3，在流动的铁碳基复合材料表面高效的氧化降解。

经氧化降解后的污水经缺氧生化罐3顶部出口进入厌氧除磷罐4侧面污水入口，通过厌氧罐转盘14的污水中的固体悬浮物通过厌氧除磷罐4底部污泥出口，经设置有第三单向阀24和第三回流泵35的第三回流管道回流至缺氧生化罐3污水入口，通过设置第三回流管道使厌氧除磷罐4中的一部分厌氧菌液回流补充至缺氧生化罐3内，并通过单向阀和回流泵对回流量大小进行调节，进而调节缺氧和厌氧工序的微生物种群数量，从而平衡缺氧和厌氧工序段的生化反应效率，使得***中的活性菌群保持较高降解活性，同时还节约了菌种，防止其流入曝气硝化段而失活。其余污水经厌氧罐填料床层18由下往上通过厌氧除磷罐4，氧罐填料床层18中同样有大量的铁碳基复合材料，铁碳基复合材料流动床为化学反应提供了较多的反应场所，同时较低溶解氧的状态为有效的去除污水中的磷创造了有利的条件。

污水经厌氧除磷罐4顶部管道连接的第二废水泵23和射流反应器6流入曝气硝化罐5，其中射流反应器6前端设置的第二废水泵23通过负压将空气吸入水中，产生大量微小气泡，迅速提高了污水中的溶解氧值，污水而后进入曝气硝化罐5，通过与第二阳极端子10相连的曝气罐转盘15接触后，其中的固体悬浮物通过曝气硝化罐5底部污泥出口，经设置有第二单向阀29和第二回流泵26的第二回流管道回流至团聚反应罐1中。其余污水经填充有大量铁碳基复合材料的曝气罐填料床层19由下往上通过曝气硝化罐5，好氧细菌在铁碳基复合材料表面繁殖，并通过污水中溶解氧和有机物作为自身能源，降解水体中的有机质，从而获得净化后的水，净化后的水经曝气硝化罐5顶部净化水排口33排出至***外。

此外，可根据装置实际需求添加一些附属设施，如，可增加水位控制循环水箱从而控制装置的沉水位置，可增加太阳能电池板从而为装置提供电能。

以某高校校区生活污水为例通过上述装置进行污水处理，从而净化水中的固体悬浮物及氮磷有机物。生活污水通过进水口格栅初步拦截进入***的大颗粒物后，再经过电辅助絮凝及絮凝沉降区去除固体悬浮物，经絮凝沉降后污水的固体悬浮物浓度达到4-10mg/L，去除率达到96.5-98.6％。随后污水泵入缺氧生化罐底部的阴极填料区进行深度的固体悬浮物去除；污水依次经过缺氧生化罐、厌氧除磷罐、曝气硝化罐进行氮磷的脱除。缺氧-厌氧-好氧脱氮除磷体系的温度控制在20-25℃，缺氧生化罐、厌氧除磷罐溶解氧(DO)控制在0.1-0.5mg/L，进水pH基本维持在7.3-7.6，曝气硝化罐的气水比控制为1-2:1，溶解氧DO控制在3-4mg/L，水力停留时间(HRT)为10h，曝气硝化罐通过曝气将剩余的氨氮通过好氧硝化去除，出水随后达标排出***。污水经本发明的有机污水梯级净化装置的处理后，出水水质(化学耗氧量COD、固体悬浮物、氨氮、总氮、总磷)的测定结果见表1。

表1污水处理前后水质测定结果

	处理前	处理后	去除率
				水温(℃)	15-25	/	/
CODcr(mg/L)	200-350(304)	32-54	82.2-89.5％
				固体悬浮物(SS，mg/L)	150-360(283)	4-10	96.5-98.6％
氨氮(NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N，mg/L)	40-50	0.4-1.9	95.2-99.3％
				总氮(TN，mg/L)	45-60	5.6-9.5	78.9-90.6％
总磷(TP，mg/L)	4-6	<0.5	87.5-91.7％

通过上述数据可知，复杂有机污水经本发明的有机污水梯级净化装置处理后，出水化学耗氧量、固体悬浮物、氨氮、总氮、总磷等指标去除率很高，出水水质均稳定达到国家一级A标准。

由此可知，本装置可独立运行于黑臭湖塘等小微水体的整治，具有控制装置沉水位置的循环水箱，使得装置能够处理水体中不同深度的污染物，净化废水的同时可增加水体溶解氧，过程可由太阳能提供电能，经济能耗低，可用于处理已污染的黑臭水体，也可长期运行于湖塘水体中降低水体黑臭风险。本装置具有能有效改善污水中污泥絮凝颗粒团聚性能、降低生化区域微生物中毒和防止悬浮物颗粒阻塞填料层等优点，从而高效节能且低成本的实现低可生化率多杂质的复杂有机污水达标排放，是一种经济可行、性能稳定、净水效率高的净水装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种有机污水梯级净化装置，其特征在于，该装置由废水入口至净化水出口依次包括以下部分：团聚反应罐、絮凝沉降罐、缺氧生化罐、厌氧除磷罐、曝气硝化罐，其中团聚反应罐包括团聚罐填料床层、缺氧生化罐回流污泥入口、曝气硝化罐回流污泥入口、药剂入口、团聚罐转盘；

该装置还包括两个阳极端子和一个阴极端子，其中第一阳极端子与团聚罐转盘连接，第二阳极端子与曝气硝化罐转盘连接，阴极端子与缺氧生化罐转盘连接，从而使经过转盘的污泥胶体带相应的电荷；

该装置还包括第一回流管道和第二回流管道，其中第一回流管道从缺氧生化罐底部连接至缺氧生化罐回流污泥入口，所述缺氧生化罐回流污泥入口位于团聚反应罐的团聚罐填料床层出口，第二回流管道从曝气硝化罐底部连接至曝气硝化罐回流污泥入口，所述曝气硝化罐回流污泥入口位于团聚反应罐侧面的与第一阳极端子相连接的团聚罐转盘顶部与药剂入口之间的水力混合区域。

2.一种如权利要求1所述的有机污水梯级净化装置，其特征在于，在厌氧除磷罐与曝气硝化罐之间设置有射流反应器。

3.一种如权利要求1所述的有机污水梯级净化装置，其特征在于，该装置还包括第三回流管道，第三回流管道从厌氧除磷罐底部连接至缺氧生化罐侧面污水入口，并设置有单向阀和/或回流泵以调节回流量大小。

4.一种如权利要求1所述的有机污水梯级净化装置，其特征在于，在团聚罐填料床层、缺氧罐填料床层、厌氧罐填料床层、曝气罐填料床层填充有一种或多种具有多孔隙及富含官能团的多孔碳基复合材料。

5.一种如权利要求4所述的有机污水梯级净化装置，其特征在于，其中多孔碳基复合材料为铁碳基复合材料。

6.一种如权利要求5所述的有机污水梯级净化装置，其特征在于，其中多孔碳基复合材料采用真菌菌丝复合碳纳米管或氧化石墨烯，经表面官能化处理后再低温炭化制得。

7.一种如权利要求1所述的有机污水梯级净化装置，其特征在于，在废水入口处可设置格栅以初步拦截进入装置的大颗粒物。

8.一种如权利要求1所述的有机污水梯级净化装置，其特征在于，该装置还包括附属设施，附属设施为水位控制循环水箱、太阳能电池板、药剂储槽中的一种或多种。

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