申请日2017.03.09
公开(公告)日2017.06.20
IPC分类号C02F3/12; C02F3/30; C02F3/34; C02F101/16
摘要
本发明涉及一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及处理方法，该处理装置包括填充有好氧颗粒污泥的处理单元、进水管及出水管，处理单元包括上端部与外界连通的曝气升流管、用于向曝气升流管内曝气的曝气系统、污泥沉降管及设置在污泥沉降管上的用于分离颗粒污泥和水的出流分离装置，污泥沉降管的两端部分别与曝气升流管的上部和下部连通使得进水和颗粒污泥在污泥沉降管和曝气升流管内循环流动，进水管与污泥沉降管相连，出水管与出流分离装置相连。本发明的处理装置能够充分发挥好氧颗粒污泥技术的优越性，具有处理效率高、原位再生简便、适用范围较广、兼具生活污水处理功能。
权利要求书
1.一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，包括填充有好氧颗粒污泥的处理单元、连接在所述处理单元上的进水管及连接在所述处理单元上的出水管，其特征在于：所述处理单元包括上端部与外界连通的曝气升流管、用于向所述曝气升流管内曝气的曝气系统、污泥沉降管及设置在所述污泥沉降管上的用于分离颗粒污泥和水的出流分离装置，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管的上部和下部连通使得进水和颗粒污泥在所述污泥沉降管和曝气升流管内循环流动，所述进水管与所述污泥沉降管相连，所述出水管与所述出流分离装置相连。
2.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述曝气系统包括曝气头，所述曝气升流管包括曝气升流管本体、下端部与所述曝气升流管本体的上端部连接的渐扩管及上端部与所述曝气升流管本体的下端部连接的泥斗，所述渐扩管的上端部与外界连通，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管本体的上部和下部连通，所述曝气头设置在所述泥斗内，所述泥斗上连接有排泥管。
3.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述出流分离装置包括上端部与外界连通且下端部与所述污泥沉降管连通的出流管及设置在所述污泥沉降管内且位于所述出流管的下方的挡流板，所述出流管与所述出水管相连，所述挡流板用于阻挡颗粒污泥通过所述出流管流出所述污泥沉降管。
4.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述污泥沉降管至少有2个，所述至少2个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述处理装置具有处理废水和颗粒污泥再生二种工作状态，所述至少2个污泥沉降管中的一部分污泥沉降管用于处理废水用，另一部分污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管和所述颗粒污泥再生用的污泥沉降管上均分别设置有所述出流分离装置和进水管。
5.根据权利要求4所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述污泥沉降管设置有4个，所述4个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述4个污泥沉降管中的其中一个污泥沉降管用于处理废水用，其他污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管的管径大于所述颗粒污泥再生用污泥沉降管的管径。
6.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述处理装置包括多个并联连接的所述处理单元，各所述处理单元上均连接有所述进水管和出水管，各所述处理单元包括有所述曝气升流管、曝气系统、污泥沉降管和岀流分离装置。
7.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述好氧颗粒污泥为椭球形，粒径为0.8~2.5 mm，5分钟SVI值为28~35 ml/g，所述好氧颗粒污泥中，微生物结构包括占细菌总数的比例为18~25%的异养反硝化菌、占细菌总数的比例为6~10%的氨氧化菌及占细菌总数的比例低于3%的亚硝酸盐氧化菌。
8.一种采用权利要求1~7中任一项权利要求所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置处理废水的方法，其特征在于，所述方法包括处理废水的步骤，所述处理废水的步骤包括：在所述曝气升流管内填充好氧颗粒污泥，然后以所述曝气系统连续曝气和所述进水管连续进水的方式启动装置，启动后，待处理废水经所述污泥沉降管后与所述曝气升流管内的颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述岀流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与待处理废水混合后在所述处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述待处理废水的BOD5容积负荷小于等于4.5 kg/(m3·d)，氨氮容积负荷小于等于1.5 kg/(m3·d) ;所述处理单元内的MLVSS浓度为7000~12000 mg/L;所述处理单元的单次处理周期的时长为2~12小时。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述待处理废水中的纳米级微粒为金属及其氧化物时，微粒浓度小于等于30mg/L;当所述待处理废水中纳米级微粒为碳材料时，微粒浓度小于等于100mg/L。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括颗粒污泥再生的步骤，所述颗粒污泥再生的步骤包括：停止待处理废水进水，采用使颗粒污泥再生的再生用水进水，所述再生用水经所述污泥沉降管后与颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时所述污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述出流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与再生用水混合后在处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述再生用水的BOD5、氨氮容积负荷分别为2.0~4.0 kg/(m3·d)、0.8~1.4 kg/(m3·d)，BOD5/NH4+-N比值为2~3:1;所述处理单元的单次再生周期时长为单次处理周期时长的2倍。
说明书
一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及处理方法
技术领域
本发明涉及一种水处理方法，具体涉及一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及处理方法，属于环保技术领域。
背景技术
纳米级微粒(nanoparticles，NPs)是指至少在一个维度上呈现纳米量级尺寸的微观颗粒。近年来，随着NPs广泛用于半导体、化妆品、纺织和印染等行业生产中，其中的一部分可能经污水收集、处理系统进入受纳水体中，带来潜在的生态安全风险。与天然水体中的悬浮物不同，NPs常具有更大的比表面积、更高的反应活性和更好的迁移性能，可以产生高活性氧(ROS)，抑制生化反应中多种关键酶的活性，甚至破坏细胞结构的完整性，从而导致较高的微生物毒性。有研究表明，当进水中NPs浓度达到几十mg/L时，活性污泥的脱氮除磷等效能将会显著降低。
为了尽可能降低NPs对生化处理系统稳定性的冲击和对水生态环境的长期影响，需对含NPs废水进行预处理，常用方法包括：混凝沉淀、膜分离和生物吸附法等。其中，(1)混凝沉淀法是通过投加化学药剂，利用新形成的絮体裹夹、吸附NPs，最终经固液分离实现去除。该方法简单有效，但会显著提高处理水的盐度，不利于水的多次循环利用，同时还会产生较难处理的化学污泥。(2)超滤、纳滤等膜分离技术理论上能够高效去除水中的NPs。但当NPs和有机污染物浓度较高时，极易造成膜污染，导致膜分离效能的严重下降，因此，该类方法并不适合用作预处理工序。(3)传统活性污泥法对NPs具有较强的吸附、截留作用，但受制于较低的污泥浓度(MLVSS 1500~3000 mg/L)，其势必不能长时间处理NPs浓度较高的废水。相比之下，采用沉降性能更好的好氧颗粒污泥可以使处理系统获得更高的污泥浓度和对NPs更好的去除效果。
需要注意的是，反应装置是进行污水处理的场所，也是决定处理效果的关键因素。现有的污水处理反应装置及其控制方法不是针对生物吸附过程而设计的，无法充分发挥好氧颗粒污泥的功能特性，高效、稳定地处理含NPs废水。
因此，如何创新反应装置构型设计及其控制方法是推动生物吸附法实用化的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置。
本发明同时还提供一种采用上述基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置处理废水的方法，其可充分发挥好氧颗粒污泥技术的优越性，具有处理效率高、原位再生简便、适用范围较广、兼具生活污水处理功能等优点。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，包括填充有好氧颗粒污泥的处理单元、连接在所述处理单元上的进水管及连接在所述处理单元上的出水管，所述处理单元包括上端部与外界连通的曝气升流管、用于向所述曝气升流管内曝气的曝气系统、污泥沉降管及设置在所述污泥沉降管上的用于分离颗粒污泥和水的出流分离装置，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管的上部和下部连通使得进水和颗粒污泥在所述污泥沉降管和曝气升流管内循环流动，所述进水管与所述污泥沉降管相连，所述出水管与所述出流分离装置相连。
优选地，所述曝气系统包括曝气头，所述曝气升流管包括曝气升流管本体、下端部与所述曝气升流管本体的上端部连接的渐扩管及上端部与所述曝气升流管本体的下端部连接的泥斗，所述渐扩管的上端部与外界连通，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管本体的上部和下部连通，所述曝气头设置在所述泥斗内，所述泥斗上连接有排泥管。
优选地，所述出流分离装置包括上端部与外界连通且下端部与所述污泥沉降管连通的出流管及设置在所述污泥沉降管内且位于所述出流管的下方的挡流板，所述出流管与所述出水管相连，所述挡流板用于阻挡颗粒污泥通过所述出流管流出所述污泥沉降管。
优选地，所述污泥沉降管至少有2个，所述至少2个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述处理装置具有处理废水和颗粒污泥再生二种工作状态，所述至少2个污泥沉降管中的一部分污泥沉降管用于处理废水用，另一部分污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管和所述颗粒污泥再生用的污泥沉降管上均分别设置有所述出流分离装置和进水管。
更优选地，所述污泥沉降管设置有4个，所述4个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述4个污泥沉降管中的其中一个污泥沉降管用于处理废水用，其他污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管的管径大于所述颗粒污泥再生用污泥沉降管的管径。
优选地，所述处理装置包括多个并联连接的所述处理单元，各所述处理单元上均连接有所述进水管和出水管，各所述处理单元包括有所述曝气升流管、曝气系统、污泥沉降管和岀流分离装置。
优选地，所述好氧颗粒污泥为灰白色的椭球形，其粒径为0.8~2.5 mm，5分钟SVI值约为28~35 ml/g。
本发明中，所述好氧颗粒污泥具有短程硝化-反硝化功能，微生物结构包括占细菌总数的比例为18~25%的异养反硝化菌、占细菌总数的比例为6~10%的氨氧化菌及占细菌总数的比例低于3%的亚硝酸盐氧化菌，所述异养反硝化菌包括Denitratisoma属、Flavobacterium属、Rhodobacter属和Zoogloea属，所述氨氧化菌以Nitrosomonas属为主，所述亚硝酸盐氧化菌以Nitrospira属为主，其他菌属还包括Anaerolineaceae属、Saprospiraceae属、Diaphorobacter属和Thauera属和Xanthomonadales属等。
本发明中，根据静态吸附试验可知，所述好氧颗粒污泥对纳米氧化锌、纳米零价铁(nZVI)和碳纳米管的单次最大吸附容量在69~178 mg/g MLVSS。
本发明采取另一技术方案是：
一种采用上述基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置处理废水的方法，所述方法包括处理废水的步骤，所述处理废水的步骤包括：在所述曝气升流管内填充好氧颗粒污泥，然后以所述曝气系统连续曝气和所述进水管连续进水的方式启动装置，启动后，待处理废水经所述污泥沉降管后与所述曝气升流管内的颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述岀流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与待处理废水混合后在所述处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述处理单元内的MLVSS浓度为7000~12000 mg/L。
本发明中，所述待处理废水的易降解有机物(BOD5)容积负荷优选为小于等于4.5kg/(m3·d)，氨氮容积负荷优选为小于等于1.5 kg/(m3·d)，pH优选为7.5~8.5，水温优选为15~30 ℃;处理单元的单次处理周期的时长优选为2~12 h。
当BOD5容积负荷低于0.9 kg/(m3·d)，或氨氮容积负荷低于0.3 kg/(m3·d)时，处理单元内的MLVSS浓度优选为7000~9000 mg/L，连续处理时间优选为2~3 h;当BOD5容积负荷在0.9~3.0 kg/(m3·d)，氨氮容积负荷在0.3~0.9 kg/(m3·d)时，处理单元内的MLVSS浓度优选为9000~10000 mg/L，连续处理时间优选为4~8 h;当BOD5容积负荷在3.0~4.5 kg/(m3·d)，氨氮容积负荷在0.9~1.5 kg/(m3·d)时，处理单元内的MLVSS浓度优选为9000~12000 mg/L，连续处理时间优选为8~12 h。
所述处理废水的步骤中，所述曝气升流管内的表面气速为0.8~1.2 m/s，溶解氧浓度为1.6~2.0 mg/L，污泥混合液的上升流速为0.3~0.6 cm/s。
所述处理废水的步骤中，当所述待处理废水中的NPs为生物抑制性较强的金属及其氧化物(如nZVI、AgO、TiO2和ZnO等)时，微粒浓度优选为30 mg/L以下;当待处理废水中的NPs为生物抑制性较弱的碳材料(如碳纳米管、氧化石墨烯等)时，微粒浓度优选为100 mg/L以下。
进一步地，所述方法还包括颗粒污泥再生的步骤，所述颗粒污泥再生的步骤包括：停止待处理废水进水，采用使颗粒污泥再生的再生用水进水，所述再生用水经所述污泥沉降管后与颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时所述污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述出流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与再生用水混合后在处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述再生用水的BOD5、氨氮容积负荷分别为2.0~4.0 kg/(m3·d)、0.8~1.4 kg/(m3·d)，BOD5/NH4+-N比值为2~3:1。
更进一步地，所述处理单元的单次再生周期时长优选为处理周期时长的2倍。
更进一步地，所述曝气升流管内的表面气速为0.8~1.2 m/s，溶解氧浓度为1.6~2.0 mg/L，污泥混合液的上升流速为0.3~0.6 cm/s。
更进一步地，所述再生用水为人工配水或经预处理的实际生活污水。
更进一步地，所述再生用水的pH优选为7.5~8.5，水温优选为20~30 ℃。
更进一步地，所述颗粒污泥再生的步骤中，污泥停留时间优选为16~24d。
由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的处理装置采用曝气升流管和污泥沉降管的配合使用，颗粒污泥和水能够在曝气升流管和污泥沉降管内循环流动，同时在污泥沉降管内可以集中很高的污泥浓度，对微粒的吸附效果好。同时岀流分离装置的存在能够有效分离颗粒污泥和出水，有效淘洗装置中的絮状污泥。
本发明的处理装置通过曝气升流管和污泥沉降管的配合使用，为硝化菌和反硝化菌提供了良好的生长条件。曝气升流管内较强的水力剪切条件，有利于维持颗粒污泥的结构稳定。采用本发明的处理装置，当停止待处理废水进水，而采用使颗粒污泥再生的再生用水时，能够实现颗粒污泥的再生，所以本发明装置既能实现废水的处理还可实现颗粒污泥的再生。在废水处理状态，污泥沉降管能够对颗粒污泥起到一定的重力浓缩作用，有利于减少NPs的冲击效应。再生状态下，污泥沉降管能够使颗粒污泥尽量分散，确保后者与水中的生长基质充分接触。
采用本发明处理装置处理废水，处理单元中的MLVSS浓度达到了传统活性污泥法(典型值2000~2500 mg/L)的3~7倍以上。这使得本发明能够在较短的接触时间内高效去除进水中的NPs。