申请日2017.03.24
公开(公告)日2017.06.13
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种基于光电芬顿‑生物强化的废水处理系统及其废水处理方法，它包括经水管依次连接的预曝气池(1)、光电芬顿反应器(2)、脱气中和池(3)、混凝沉淀池(4)、调节池(5)、微囊化生物流化床(6)和固定化生物活性炭床(7)。本发明结构设计合理，操作方便，工作效率高，成本低，废水处理效果好，将物化处理、生化处理和保障处理有序有机地结合，光电芬顿反应器、微囊化生物流化床和固定化生物活性炭床在功能上相互支持，相互促进，对难降解的特征有机污染物去除效率高于98%，污泥产量少，污泥处理费用低，污水处理效果好，对环境保护具有重要的意义。
权利要求书
1.基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，其特征在于，它包括经水管依次连接的预曝气池(1)、光电芬顿反应器(2)、脱气中和池(3)、混凝沉淀池(4)、调节池(5)、微囊化生物流化床(6)和固定化生物活性炭床(7)。
2.根据权利要求1所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，其特征在于，所述的光电芬顿反应器(2)中设有带有TiO2涂层的阳极和活性炭纤维毡的阴极，阳极和阴极之间的板间距为4～6cm，阴极和阳极间的电压控制为15V，电流密度50～60mA/cm2，施加紫外光光源，与阳极呈45°角照射，组成光电芬顿反应体系。
3.根据权利要求2所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，其特征在于，紫外光光源为250W高强中压汞灯，紫外灯组照射强度为40-80MJ/m2，辐射波段为230～320nm。
4.根据权利要求1所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，其特征在于，调节池(5)的下部设有微孔曝气装置，调节废水的水质水量。
5.根据权利要求1所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，其特征在于，微囊化生物流化床(6)采用单筒式厌氧流化床和好氧流化床，厌氧流化床和好氧流化床内设有微胶囊，微胶囊内包埋有高效活性污泥或高效降解菌;
厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体均为反应区，二者通过有机玻璃分隔开，单筒式厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体的高径比均小于2，好氧部分总体积为厌氧部分总体积的1.5～2倍;废水由厌氧流化床底部进入，利用水流带动微生物胶囊处于流化态;厌氧流化床中的废水直接流入好氧流化床;好氧流化床本体内设有曝气盘，以气流带动微生物胶囊处于流化态。
6.根据权利要求1所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，其特征在于，固定化生物活性炭床(7)连接有臭氧排放装置;固定化生物活性炭床(7)的活性炭上设有有机物降解菌群。
7.基于光电芬顿-生物强化的废水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、先将废水经泵输入到预曝气池(1)，进行充氧和调质;
B、预曝气池(1)出水进入光电芬顿反应器(2)，在紫外光照射下，进行电芬顿氧化反应，去除大部分的有机污染物，通过加药系统向光电芬顿反应器(2)中分别加入H2SO4溶液和FeSO4溶液;
C、光电芬顿反应器(2)出水进入脱气中和池(3)，通过搅拌脱去少量气体，加入NaOH溶液，调节废水的pH值;
D、脱气中和池(3)出水进入混凝沉淀池(4)，通过混凝剂加药系统加入混凝剂，并控制搅拌速度形成大的絮体;再进入沉淀部分，形成的大的絮体在沉淀区中实现沉淀分离，沉淀污泥经污泥处理系统处理;
E、经过脱气中和池(3)预处理的高浓度废水进入调节池(5)，同时可将低浓度废水汇入调节池(3)，调节池(3)的下部设有微孔曝气装置，调节水质水量;
F、经调节后废水由进水泵输送入微囊化生物流化床(6)，微囊化生物流化床(6)采用单筒式厌氧流化床和单筒式好氧流化床，厌氧流化床和好氧流化床内设有微胶囊，微胶囊内包埋有高效活性污泥或高效降解菌;
厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体均为反应区，二者通过有机玻璃分隔开，单筒式厌氧流化床和单筒式好氧流化床的反应器本体的高径比均小于2，好氧部分总体积为厌氧部分总体积的1.5～2倍;废水由厌氧流化床底部进入，利用水流带动微生物胶囊处于流化态;厌氧流化床中的废水直接流入好氧流化床;好氧流化床本体内设有曝气盘，以气流带动微生物胶囊处于流化态;微胶囊可以根据水流或气流的大小在厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体中上、下循环流动处理废水;
G、微囊化生物流化床(6)出水经泵注入固定化生物活性炭床(7)，将高效降解菌固定在固定化生物活性炭床(7)中的活性炭上，并在固定化生物活性炭床(7)的进水时，间歇投加臭氧，并通过底部的微孔曝气装置进行曝气，去除废水中98%以上有机污染物，达标排放。
8.根据权利要求7所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理方法，其特征在于，光电芬顿反应器(2)中设有带有TiO2涂层的阳极和活性炭纤维毡的阴极，阳极和阴极间的板间距为4～6cm，阴极和阳极间的电压控制为15V，电流密度50～60mA/cm2，施加紫外光光源，与阳极板呈45°角照射，组成光电芬顿反应体系;废水先经预曝气后，进入光电芬顿反应器，首先用硫酸调节废水的pH为3～4，然后加入FeSO4，然后通电开始电解;在电解的同时，用紫外光进行照射，发生光电芬顿反应，促使有机物降解矿化;紫外光的光源为采用250W高强中压汞灯，紫外灯组照射强度40-80MJ/m2，其辐射波段在230～320nm。
9.根据权利要求7所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理方法，其特征在于，所述的固定化生物活性炭床(7)中采用活性炭作为填料，投加量以体积百分比计为50%～60%，水力停留时间为30～60min，滤速为2.0～2.5m/h，经固定化生物活性炭床(7)处理后废水达标排放。
说明书
基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统及其废水处理方法
技术领域
本发明涉及一种废水处理方法，具体涉及一种基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统及其废水处理方法，属于废水处理技术领域。
背景技术
化工废水具有水量水质变化大、可生化性差、难以降解的特征以及污染物复杂多样等特点，一般根据实际废水的水质采取适当的预处理方法，如絮凝、微电解、吸附、光催化等工艺，破坏废水中难降解有机物、改善废水的可生化性，再联用生物方法对化工废水进行处理。
从现有的专利资料来看，中国专利“一种废水多重氧化处理方法及装置”(CN106145483A)公开了一种废水多重氧化处理方法及装置，公开的废水多重氧化处理方法包括以下步骤：废水在中性条件下进行阳极电催化氧化;在酸性条件下进行芬顿氧化;部分排出的废水流至中性条件下进行阴极氧还原;这些反应均在超声条件下进行。中国专利“一种高浓度难降解工业废水的综合物化处理装置”(CN203602439U)公开了一种处理装置，包括通过管道依次连接的调节池、一级微电解装置、一级光辐射芬顿催化氧化联动装置、二级微电解装置、二级光辐射芬顿催化氧化联动装置、三级微电解装置、微滤陶瓷膜组件、活性炭吸附罐、碳石纤维聚合粒料吸附罐、超滤装置、反渗透装置;所述光辐射芬顿催化氧化联动装置内部设有紫外线灯管;所述活性炭吸附罐内部设置有超声波发射管。上述专利采用多重反复氧化，工艺路线复杂，未考虑生物处理和后续流程可能会起到的优化作用。
中国专利“一种折流板反应器及其处理污水的方法(CN200610012070)”和“一体式高浓度有机废水处理装置(CN200310100513.1)”涉及厌氧过程和好氧过程的多次耦合，增加了设备的复杂程度和运行管理的难度，而且没有高级氧化过程。
现有的化工废水的组合处理工艺存在工艺路线复杂冗长，组合机理混乱，难降解的特征性的有机污染物去除效率不高，工艺运行不稳定，不能满足环保要求等问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种结构设计合理，操作方便，工作效率高，成本低，废水处理效果好的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，本发明另一个目的是提供一种工艺流程优化合理、难降解有机污染物处理效率高、处理效果稳定的化工废水处理方法。
技术方案：为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：
基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，它包括经水管依次连接的预曝气池、光电芬顿反应器、脱气中和池、混凝沉淀池、调节池、微囊化生物流化床和固定化生物活性炭床。
作为优选方案，以上所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，所述的光电芬顿反应器中设有带有TiO2涂层的阳极和活性炭纤维毡的阴极，阳极和阴极之间的板间距为4～6cm，阴极和阳极间的电压控制为15V，电流密度50～60mA/cm2，施加紫外光光源，与阳极呈45°角照射，组成光电芬顿反应体系。废水先经预曝气后，进入光电芬顿反应器，首先用硫酸调节废水的pH为3～4，然后加入FeSO4，然后通电开始电解;在电解的同时，用紫外光进行照射，发生光电芬顿反应，促使有机物降解矿化;紫外光的光源为采用250W高强中压汞灯，紫外灯组照射强度40-80MJ/m2，其辐射波段在230～320nm。
进一步地，化工废水高浓度化工废水水质指标：COD为5000～10000mg/L、SS为150～300mg/L，氯苯类为80～100mg/L，硝基苯类为80～100mg/L;所述的调节池的下部设有微孔曝气装置，调节废水的水质水量;经调节后的水质指标：COD为2000～4000mg/L、SS为150～300mg/L，氯苯类为10～15mg/L，硝基苯类为10～15mg/L。
作为优选方案，以上所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，紫外光光源为250W高强中压汞灯，紫外灯组照射强度为40-80MJ/m2，辐射波段为230～320nm。
作为优选方案，以上所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，调节池的下部设有微孔曝气装置，调节废水的水质水量。
作为优选方案，以上所述的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，微囊化生物流化床采用单筒式厌氧流化床和好氧流化床，厌氧流化床和好氧流化床内设有微胶囊，微胶囊内包埋有高效活性污泥或高效降解菌;
厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体均为反应区，二者通过有机玻璃分隔开，单筒式厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体的高径比均小于2，好氧部分总体积为厌氧部分总体积的1.5～2倍;废水由厌氧流化床底部进入，利用水流带动微生物胶囊处于流化态;厌氧流化床中的废水直接流入好氧流化床;好氧流化床本体内设有曝气盘，以气流带动微生物胶囊处于流化态。
本发明提供的基于光电芬顿-生物强化的废水处理方法，其包括以下步骤：
A、先将废水经泵输入到预曝气池，进行充氧和调质;
B、预曝气池出水进入光电芬顿反应器，在紫外光照射下，进行电芬顿氧化反应，去除大部分的有机污染物，通过加药系统向光电芬顿反应器中分别加入H2SO4溶液和FeSO4溶液;
C、光电芬顿反应器出水进入脱气中和池，通过搅拌脱去少量气体，加入NaOH溶液，调节废水的pH值;
D、脱气中和池出水进入混凝沉淀池，通过混凝剂加药系统加入混凝剂，并控制搅拌速度形成大的絮体;再进入沉淀部分，形成的大的絮体在沉淀区中实现沉淀分离，沉淀污泥经污泥处理系统处理;
E、经过脱气中和池预处理的高浓度废水进入调节池，同时可将低浓度废水汇入调节池，调节池的下部设有微孔曝气装置，调节水质水量;
F、经调节后废水由进水泵输送入微囊化生物流化床，微囊化生物流化床采用单筒式厌氧流化床和单筒式好氧流化床，厌氧流化床和好氧流化床内设有微胶囊，微胶囊内包埋有高效活性污泥或高效降解菌;
厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体均为反应区，二者通过有机玻璃分隔开，单筒式厌氧流化床和单筒式好氧流化床的反应器本体的高径比均小于2，好氧部分总体积为厌氧部分总体积的1.5～2倍;废水由厌氧流化床底部进入，利用水流带动微生物胶囊处于流化态;厌氧流化床中的废水直接流入好氧流化床;好氧流化床本体内设有曝气盘，以气流带动微生物胶囊处于流化态;微胶囊可以根据水流或气流的大小在厌氧流化床和好氧流化床的反应器本体中上、下循环流动处理废水;
G、微囊化生物流化床出水经泵注入固定化生物活性炭床，将高效降解菌固定在固定化生物活性炭床中的活性炭上，并在固定化生物活性炭床的进水时，间歇投加臭氧，并通过底部的微孔曝气装置进行曝气，去除废水中部分COD及有机污染物，所述的固定化生物活性炭床中采用活性炭作为填料，水力停留时间为30～60min，滤速为2.0～2.5m/h，经固定化生物活性炭床处理后废水达标排放。
进一步地，采用生物工程技术，筛选、驯化并构建出能够在降解特征有机污染物的优势菌群;采用微胶囊技术将高效降解菌(针对降解特征有机污染物)包埋入的生物微胶囊中，微胶囊具有适宜的密度，可以根据水流或气流的大小在反应器中上下循环流动;微囊化生物流化床，其设计容积负荷为10～15kgCOD/(m3·d)。
进一步地，微囊化生物流化床在微胶囊中包埋厌氧氨氧化细菌，在微囊化生物流化床中进行培养，能使工艺适于处理高氮的C/N比较低的工业废水。
进一步地，采用生物工程技术，筛选、驯化并构建出能够在降解特征有机污染物的优势菌群;采用间歇式循环的物理吸附法将扩大培养后的优势菌群固定在活性炭上，形成固定化生物活性炭，臭氧氧化与固定化生物活性炭床处理成为组合工艺的把关工段。
本发明基本工作过程如下。
1、光电芬顿的基本过程如下
待处理废水现在预曝气池进行充氧处理，在光电芬顿反应器中将紫外光引入电芬顿反应，水中溶解氧在碳阴极表面还原产生过氧化氢，能够与水中的亚铁离子或铁离子发生反应产生羟基自由基，也能够在紫外光辐射下产生羟基自由基，协同氧化降解有机污染物，并且紫外光能够促进铁离子光化学还原生成亚铁离子，促进芬顿反应的进行。同时光电芬顿反应器中设有带有TiO2涂层的阳极和活性炭纤维毡的阴极。带有TiO2涂层的阳极在紫外光辐射下会有催化氧化作用，来降解特征有机污染物，活性炭纤维毡的阴极上存在电吸附作用。电-Fenton综合了电化学过程和Fenton氧化过程,充分利用了二者的氧化能力。电Fenton技术相对与传统Fenton具有如下优点：(1)自动产生H2O2的机制较完善;(2)聚集在阴极上的氧气或空气可提高反应溶液的混和作用;(3)Fe2+可由阴极再生，污泥常量少;(4)有机物降解因素多，羟基自由基·OH的间接氧化，阳极的直接氧化，电混凝和电絮凝。把紫外光引进Fenton试剂可以克服普通Fenton试剂的缺点，也称为光助Fenton法，UV/Fenton法，并不是普通Fenton与UV/H2O2简单的复合：(1)Fe3+和Fe2+能保持良好的循环反应,提高了传统Fenton试剂的效率;(2)紫外光和Fe2+对H2O2催化分解存在协同效应，这主要是由于铁的某些羟基络合物可发生光敏化反应生成·OH所致;(3)使有机物矿化程度更充分;(4)有机物在紫外线作用下可部分降解。电-Fenton与光助Fenton并不矛盾，反而互相融合，促进氧化降解。因此本发明将光电芬顿反应器加入处理系统中，光电协同氧化下的芬顿反应，揉合了电解作用、光催化氧化作用、电吸附作用、电氧化作用、芬顿氧化作用等，有机物等降解效果好。
2、微囊化生物流化床的基本工作过程如下：
生物流化床污水处理工艺是将传统活性污泥法和生物膜法相结合并引入化工流态化技术应用于污水处理的一种新型生物处理装置。它具有处理效率高、容积负荷大、抗冲击能力强、设备紧凑、占地少等优点。
微囊化生物流化床具有单筒式好氧-厌氧复合生物流化床结构。现有技术已开发的各种好氧式、厌氧式和好氧-厌氧复合式生物流化床均为双筒结构，即在反应主体内部嵌套有内循环回流管或气提管，为增加三相分离效果，往往使用了较大的长径比。本本发明采用的生物流化床为单筒式、低长径比(H/D=1～2)反应主体容器，使得在相同的容积下，较已开发的其它生物流化床有更大的有效容积。微囊化(微胶囊化)技术和生物流化床技术相结合。采用微胶囊技术将高效活性污泥或高效降解菌包埋入特定大小的生物微胶囊中，微胶囊具有适宜的密度，可以根据水流或气流的大小在反应器中上下循环流动。微胶囊具有适宜机械强度，可以在较长时间内承受流体对它的冲击、剪切等作用。微胶囊具有适宜的通透性，可以保证在好氧条件下各种降解底物和代谢产物的自由进出而微生物被固定其中。较已开发的其它生物流化床节省了相当大的三相分离容积，同时最大限度地降低污泥产量。微胶囊根据反应需要可以很方便地添加和回收，减少了环境污染。
经调节后废水由进水泵输送入微囊化生物流化床，采用单筒式厌氧-好氧复合微囊化生物流化床;厌氧和好氧流化床的反应器本体均为反应区，通过有机玻璃分隔开，且高径比小于2，好氧部分总体积为厌氧部分总体积的1.5～2倍;废水由厌氧流化床底部进入，利用水流带动微生物胶囊处于流化态;厌氧流化床中的废水直接流入好氧流化床;好氧流化床本体与厌氧流化床类似，用曝气盘取代布水器，以气流带动微生物胶囊处于流化态。采用生物工程技术，筛选、驯化并构建出能够在降解特征有机污染物的优势菌群;采用微胶囊技术将高效降解菌(针对降解特征有机污染物)包埋入的生物微胶囊中。微胶囊具有适宜的密度，可以根据水流或气流的大小在反应器中上下循环流动;微囊化生物流化床，其设计容积负荷为10～15kgCOD/(m3·d)。还可以在微胶囊包埋厌氧氨氧化细菌，在流化床中进行培养，能使工艺适于处理高氮的C/N比较低的工业废水。
3、固定化生物活性炭床的基本工作过程如下：
固定化生物活性炭工艺，该工艺通过人为控制活性炭上附着的菌种、菌量及优势菌群的形成，在反应器底部通入空气供给活性炭上菌群充足的氧气实现对目标物的去除，并且增加间歇投加臭氧，以增加固定化生物活性炭床对特征有机污染物的降解作用。在固定化生物活性炭床中，降解有机物的优势菌群被固定在活性炭上，有提高生物处理效率，延长活性炭的使用周期、降低劳动强度等诸多优点，使得本发明提供的工艺具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。采用生物工程技术，筛选、驯化并构建出能够在降解特征有机污染物的优势菌群;采用间歇式循环的物理吸附法将扩大培养后的优势菌群固定在活性炭上，形成固定化生物活性炭，臭氧氧化与固定化生物活性炭床处理成为组合工艺的把关工段。
本发明的工艺方法适合于化工废水等含有难降解的有机特征污染物的工业废水的处理，废水中COD和难降解的有机污染物的总去除率≥98%，出水水质能满足环保上的要求。
本发明提供的组废水处理系统及其方法，科学的结合了不同的高级氧化过程，一次是前置的，光电协同芬顿高级氧化，可去除大部分特征有机污染物，光电芬顿反应器内的高级氧化作用揉合了电解作用、光催化氧化作用、电吸附作用、电氧化作用、芬顿氧化作用等;另一次是后置的固定化生物活性炭床中的O3氧化，前后氧化机理不同，前置的为主要去除过程，后置的为保障处理，各尽其能，分工合理有序，从而可大大提高每段的高级氧化效率，使废水处理效果更高。
有两次生物强化处理过程--微囊化生物流化床和固定化生物活性炭床，都用到了固定化微生物技术。微囊化技术是固定化技术中的较新的应用。采用微胶囊技术将高效活性污泥或高效降解菌包埋入特定大小的生物微胶囊中，不仅可大大强化生物处理过程，还可以包埋厌氧氨氧化细菌，在流化床中进行培养，能使工艺适于处理高氮的C/N比较低的工业废水，从而可拓宽组合工艺的应用范围。固定化生物活性炭床中也有针对特征污染物的高效降解菌固定化培养，也是生物强化处理的延续。本发明科学合理得分布生物强化过程使得系统中微囊化生物流化床和固定化生物活性炭床都发挥了高效率。本发明的系统对难降解的特征有机污染物去除效率高，可大于98%，取得了很好的预料不到的技术效果。而且工艺运行稳定可靠，能确保达标。
本发明提供的处理系统，组合难度大，高级氧化过程很多，生物处理和生物强化手段也很多，本发明通过大量实验筛选，从各工段基本原理出发，巧妙合理布置各工段，融合了高级氧化的物化处理和有生物强化的生化处理。
本发明光电芬顿、微囊化生物流化床和固定化生物活性炭床在功能上相互支持，相互促进。高浓度化工废水先经光电芬顿处理，去除了大部分特征有机污染物，为后续处理减轻了负荷;调节池将前处理之后的废水和低浓度化工废水调节为适于处理的综合废水;微囊化生物流化床则通过微囊化技术的生物强化，最大限度的发挥了生物处理的功能，能耗低，去除了水中绝大部分的COD;固定化生物活性炭床是整个组合工艺的把关工艺，将前面没有去除达标的特征有机污染物和COD进一步去除到位。(1)光电芬顿处理为后续处理减轻了负荷，同时有了后续的微囊化生物流化床和固定化生物活性炭床的处理，可经济合理的适当降低芬顿药剂使用量或整个氧化反应停留时间，减少多次重复的反复氧化过程，也不需要将难降解的特征有机污染物彻底氧化成二氧化碳而消耗大量的能量和药剂。(2)微囊化生物流化床是COD的主要去除工段，前置的氧化处理和调节，减轻了它对特征有机污染物处理的压力，可最大限度的发挥生物处理的功能，使得废水基本处理达标，生物处理能耗低，特别是有固定化技术的强化生物处理，处理效率更高，流化床污泥产量少，污泥处理费用低，可弥补高级氧化段的能耗和药剂的花费。(3)固定化生物活性炭床是整个组合工艺的把关工艺，是废水中污染物得以稳定高效去除的关键。因为特征有机污染物大部分在光电芬顿段得以去除，水中绝大部分的COD在微囊化生物流化床中脱除，所以固定化生物活性炭床的处理负荷并不高，但在光电芬顿和微囊化生物流化床处理产生波动时，起到重要的把关处理作用。组合后整体工艺得到了优化，更高效，更经济，更稳定。
有益效果：本发明提供的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统与现有的工艺相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于光电芬顿-生物强化的废水处理方法，工艺路线合理，处理机理清晰有序，难降解的特征有机污染物去除效率高于98%，工艺运行稳定可靠，能确保达标。
2、本发明提供的废水处理方法，结果大量实验筛选出最佳的组合方案，本发明提供的组合工艺将物化处理、生化处理和保障处理有序有机地结合，光电芬顿反应器、微囊化生物流化床和固定化生物活性炭床在功能上相互支持，相互促进，“协同高级氧化-生物强化-保障处理”联合使用，提出了工废水处理的新的构思方案。
3、本发明提供的基于光电芬顿-生物强化的废水处理系统，结构设计合理，组合后整体工艺更高效，更经济，更稳定。同时包埋厌氧氨氧化细菌，在流化床中进行培养，能拓宽组合工艺的应用范围;有序合理的组合，使整体工艺耐冲击负荷;整个组合工艺污泥产量少，污泥处理费用低，污水处理效果好，对环境保护具有重要的意义。