申请日2015.08.18
公开(公告)日2015.11.11
IPC分类号C02F101/20; C02F9/14
摘要
本发明公开了一种重金属废水深度处理与再生利用的装置和方法。该装置包括依次连通的粗处理单元、联合生物反应器单元以及再生水处理单元。该方法先经粗处理单元去除部分重金属离子;再经联合生物反应单元去除低浓度的重金属离子;最后以再生澄清池和生物质再生滤池作为再生水处理单元做进一步的进化处理，具有处理效果好，适应性强，操作控制简单，运行稳定，安全可靠的优点，出水满足《城市污水再生利用工业用水水质》GB/T?19923-2005标准。
权利要求书
1.重金属废水深度处理与再生利用的装置，其特征是，包括依次连 通的粗处理单元、联合生物反应器单元以及再生水处理单元;
所述粗处理单元包括至少一组反应池和沉淀池，所述沉淀池连接 在所述反应池的出水端;
所述联合生物反应器单元包括依次连通的兼性厌氧池(7)和好 氧生物接触氧化池(8);所述兼性厌氧池(7)还分别与菌藻培养池 (6)和碳源供给池(9)连通;所述兼性厌氧池(7)内设有搅拌装 置，所述兼性厌氧池(7)池中设有悬浮填料(7c)，所述兼性厌氧池 (7)的出水端底部设置有筛网(7d);所述好氧生物接触氧化池(8) 底部设有曝气系统(8b)，所述曝气系统(8b)的上方设有组合填料 (8a)，所述组合填料(8a)的顶面与水面齐平;
所述再生水处理单元包括依次连通的再生澄清池(10)、生物质 再生滤池(11);所述生物质再生滤池(11)从池底往上依次设有滤 板滤头组合配水系统(11a)、承托层(11b)和生物质滤料层(11c)。
2.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，所述粗处理单元之前设有重金属废水集水池(1)。
3.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，所述反应池底部设有空气搅拌管，所述反应池顶部设有加 药管;所述沉淀池包括旋流沉淀池和斜管沉淀池。
4.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，还包括底泥回收池(14)，所述底泥回收池(14)与所述 沉淀池连通。
5.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，所述粗处理单元包括依次连通的一级反应池(2)、一级沉 淀池(3)、二级反应池(4)和二级沉淀池(5)。
6.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，还包括污泥回流系统，所述再生澄清池(10)与所述兼性 厌氧池(7)通过污泥回流系统连通。
7.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，还包括供气设备，所述供气设备分别与所述反应池和所述 好氧生物接触氧化池(8)连通。
8.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，所述悬浮填料(7c)为IFAS悬浮填料，所述悬浮填料的 直径为25mm-30mm，长度为10-15mm，悬浮填料的填充率≥50%。
9.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装置， 其特征是，所述筛网(7d)的高度为400-500mm，筛网网眼孔径为 3mm-5mm。
10.根据权利要求1所述重金属废水深度处理与再生利用的装 置，其特征是，还包括改性硅藻土投加设备，所述改性硅藻土投加设 备与所述再生澄清池(10)连接。
11.根据权利要求1-10之一所述重金属废水深度处理与再生利 用的装置，其特征是，所述再生澄清池(10)中的圆筒内设置有搅拌 叶轮(10d)，圆筒外至池壁设置有乙丙共聚斜板(10f)，池底设置有 污泥回流泵(10g)，侧壁设置有污泥回流管(10b)，所述污泥回流管 (10b)与所述兼性厌氧池(7)连通。
12.根据权利要求1-10之一所述重金属废水深度处理与再生利 用的装置，其特征是，还包括消毒池(12)和再生水集水池(13)， 所述消毒池(12)和再生水集水池(13)依次连接在所述生物质再生 滤池(11)的出水端。
13.重金属废水深度处理与再生利用的方法，其特征是，利用权 利要求1-12之一所述装置，该方法包括联合生物反应器单元以及再 生水处理单元的调试与系统的运行;
所述联合生物反应器单元以及再生水处理单元的调试包括以下 步骤：
(1)选取某重金属污泥堆场进行样品采集，经实验室分离筛选 得到能降解重金属离子的优势菌株为脱硫弧菌属;选取某沼泽地对重 金属离子具有很强富集能力的优势菌株为螺旋藻属，在实验室进行驯 化，并制成菌藻液待用;
(2)在菌藻培养池内置入沼泽污泥、重金属污泥、加水配制污 泥浓度至6000～8000mg/L，并加入营养物质，待污泥升至池容 60%-70%时，按污泥量的1/20-1/10导入步骤(1)所述菌藻液，间歇 式搅拌，每天搅拌6～8次，控制温度20℃～30℃，pH值6～9，溶解氧 DO≤1.0mg/L，经过5～6天的培养，液体成粉红色状，得到优势菌藻 种;
(3)在兼性厌氧池内投加城市污水处理厂的厌氧污泥;再将碳 源供给池内的碳源输入兼性厌氧池内，形成混合污泥，待混合污泥浓 度为6000～8000mg/L时，按泥量的1/20-1/10将菌藻培养池内的优势 菌藻种导入兼性厌氧池内，搅拌，每天搅拌5～6小时，控制温度20℃ ～30℃，pH值6～11，溶解氧DO≤0.5mg/L，经过7～8天的时间，直 至悬浮填料表面呈黑色胶粘状，表明悬浮填料上挂膜成功;所述悬浮 填料富集有优势菌藻群;
(4)在好氧生物接触氧化池内投加城市污水处理厂的好氧污泥; 再将兼性厌氧池内的混合污泥，按好氧污泥的1/6-1/5引入好氧生物 接触氧化池并加水，待污泥浓度为4000～6000mg/L时，取样分析 COD、BOD、氨氮、磷的含量，在按BOD:N:P=100:(5-6):(1-2) 的比例加入氮源、磷源，曝气充氧，控制温度20℃～30℃，pH值6～9， 溶解氧DO值4～6mg/L，闷曝2-4天后改为连续进水6～8天，当组合 填料表面呈粉红色胶粘状，表明组合填料上挂膜成功;
(5)好氧生物接触氧化池末端出水进入再生澄清池，在再生澄 清池内投加改性硅藻土溶液，投加浓度为30～40mg/L，搅拌，使絮体 形成一个稳定的、致密的悬浮污泥层;
所述系统的运行包括以下步骤：
均质调匀后的重金属废水经过粗处理单元，在反应池内反应后再 经沉淀池沉淀，去除一部分重金属离子;沉淀池的上清液进入联合生 物反应器单元，经兼性厌氧池在悬浮填料上进行兼性厌氧生物反应; 兼性厌氧池出水进入好氧生物接触氧化池，对好氧生物接触氧化池进 行曝气充氧，废水与吸附在好氧生物接触氧化池组合填料上的优势菌 藻群进行好氧生物反应，深度去除低浓度的重金属离子;最后进入再 生水处理单元，经再生澄清池和生物质再生滤池进一步净化，经消毒 池消毒后进入再生水集水池收集。
14.根据权利要求13所述重金属废水深度处理与再生利用的方 法，其特征是，所述优势菌藻群中包括下属微生物和原生动物：
微生物包括脱硫肠菌属、脱硫叶菌属、脱硫杆菌属、脱硫细菌属、 脱硫球菌-脱硫线菌脱硫八叠菌属、脱硫弧菌脱硫微菌属;螺旋藻属、 微囊藻、平裂藻属、束球藻属、蓝纤维藻属、含珠藻属、席藻属、棒 条藻属、单歧藻属、真桂藻属、微毛藻属、柱孔藻属、红胞藻属、黄 群藻属、胞鞭藻属、单边念藻属;
原生动物包括钟虫、有柄钟虫、无柄钟虫、钟虫游泳体、盖纤虫、 豆形虫、线虫、尖毛虫、贤形虫、柔形膜虫、滴虫、鞭毛虫、漫游虫。
15.根据权利要求13所述重金属废水深度处理与再生利用的方 法，其特征是，所述粗处理单元包括依次连通的一级反应池(2)、一 级沉淀池(3)、二级反应池(4)和二级沉淀池(5)，在一级反应池 (2)内投加氢氧化钠溶液，在二级反应池(4)内投加NaOH和Na2S 溶液，系统运行时具体的控制参数包括：
(1)一级反应池
反应时间：15～20min
NaOH溶液投加浓度：10%～12%
pH值：8～9;
(2)一级沉淀池
停留时间：4h;
(3)二级反应池
反应时间：20～30min
NaOH和Na2S溶液投加浓度：12%～15%
pH值：10～11;
(4)二级沉淀池
停留时间：2h-3h。
16.根据权利要求13所述重金属废水深度处理与再生利用的方 法，其特征是，所述联合生物反应器单元系统运行时的控制参数包括：
(1)兼性厌氧池
水力停留时间：6h-7h
容积负荷：4～6kgCOD/m3·d
温度：20～30℃
溶解氧DO：≤0.5mg/L
污泥浓度：6000～8000mg/L
pH值：6～11;
(2)好氧生物接触氧化池
水力停留时间：16-20h
容积负荷：2～4kgCOD/m3·d
温度：20～30℃
溶解氧DO：4～6mg/L
污泥浓度：4000～6000mg/L
pH值：6～9。
17.根据权利要求13所述重金属废水深度处理与再生利用的方 法，其特征是，所述再生水处理单元系统运行时的控制参数包括：
(1)再生澄清池
水力停留时间：2.5～3.0h
改性硅藻土投加量：30～40mg/L
污泥回流比：40～50%
溶解氧DO：≤0.5mg/L;
(2)生物质再生滤池
滤速：≤5m/h
过滤周期：12～24h
反冲洗强度：10～15L/s·m2。
18.根据权利要求13所述重金属废水深度处理与再生利用的方 法，其特征是，所述改性硅藻土的制备方法是：将硅藻土用表面活性 剂处理后，搅拌2h-3h，抽滤，在450℃-500℃下焙烧2h-3h，经过研 磨，过筛，即得改性硅藻土。
19.根据权利要求13所述重金属废水深度处理与再生利用的方 法，其特征是，所述表面活性剂为溴化十六烷基三甲胺。
20.根据权利要求13所述重金属废水深度处理与再生利用的方 法，其特征是，所述生物质再生滤池中的生物质滤料的制备方法是： 在稻壳中加入2%-9%质量的造孔剂，在700℃-800℃高温燃烧，得二 氧化硅颗粒，经造粒后使得颗粒粒径为0.9～1.5mm的生物质滤料。
说明书
重金属废水深度处理与再生利用的装置和方法
技术领域
本发明属于重金属废水处理领域，进一步是指一种重金属废水深 度处理与再生利用的装置和方法。
背景技术
依据重金属污染物的产生量和排放量，确定重金属污染防控的重 点行业是：有色金属矿(含伴生矿)采选业(铜矿采选、铅锌矿采选、 镍钴矿采选、锡矿采选、锑矿采选和汞矿采选业等)、有色金属冶炼 业(铜冶炼、铅锌冶炼、镍钴冶炼、锡冶炼、锑冶炼和汞冶炼等)、 铅蓄电池制造业、皮革及其制品业(皮革鞣制加工等)、化学原料及 化学制品制造业(基础化学原料制造和涂料、油墨、颜料及类似产品 制造等)。
重金属污染防控重点企业是指具有潜在环境危害风险的重金属 排放企业。
国家重点防控的重金属污染物是铅(Pb)、汞(Hg)，镉(Cd)、 铬(Cr)和类金属砷(As)等，兼顾镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、 银(Ag)、钒(V)、锰(Mn)、钴(Co)、铊(Ti)、锑(Sb)等其他 重金属污染。
多元重金属废水除它们都不同程度地具有毒性外，有些还含有有 机物CODCr。
重金属废水给人体健康和生态环境带来了巨大威胁。常用的方法 包括化学沉淀法、活性炭吸附法、离子交换法、电化学法、膜分离法 等。但这些方法都存在设备费用高，易造成二次污染，尤其存在处理 水难以达到国家规定的排放标准，更谈不上再生利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种重金属废水深度处理与 再生利用的装置和方法。本发明是以二级反应和二级沉淀作为粗处理 单元;以联合生物反应器作为深度处理单元;以再生澄清池和生物质 再生滤池作为再生水处理单元的三段式处理装置和方法。具有处理效 果好，适应性强，操作控制简单，运行稳定，安全可靠的优点，出水 满足国家《城市污水再生利用工业用水水质》GB/T19923-2005标准， 可以用作循环冷却水用水、锅炉补水、工艺与产品用水、冷却用水、 洗涤用水的水源。
本发明所采用的技术方案是：
重金属废水深度处理与再生利用的装置，包括依次连通的粗处理 单元、联合生物反应器单元以及再生水处理单元;
所述粗处理单元包括至少一组反应池和沉淀池，所述沉淀池连接 在所述反应池的出水端;
所述联合生物反应器单元包括依次连通的兼性厌氧池和好氧生 物接触氧化池;所述兼性厌氧池还分别与菌藻培养池和碳源供给池连 通;所述兼性厌氧池内设有搅拌装置，所述兼性厌氧池池中设有悬浮 填料，所述兼性厌氧池的出水端底部设置有筛网;所述好氧生物接触 氧化池底部设有曝气系统，所述曝气系统的上方设有组合填料，所述 组合填料的顶面与水面齐平;
所述再生水处理单元包括依次连通的再生澄清池、生物质再生滤 池;所述生物质再生滤池从池底往上依次设有滤板滤头组合配水系 统、承托层和生物质滤料层。
优选方案，所述粗处理单元之前设有重金属废水集水池。
优选方案，所述反应池底部设有空气搅拌管，所述反应池顶部设 有加药管;所述沉淀池包括旋流沉淀池和斜管沉淀池。
优选方案，该装置还包括底泥回收池，所述底泥回收池与所述沉 淀池连通。
进一步优选方案，所述粗处理单元包括依次连通的一级反应池、 一级沉淀池、二级反应池和二级沉淀池。
优选方案，该装置还包括污泥回流系统，所述再生澄清池与所述 兼性厌氧池通过污泥回流系统连通。
优选方案，该装置还包括供气设备，所述供气设备分别与所述反 应池和所述好氧生物接触氧化池连通。
优选方案，所述悬浮填料为IFAS悬浮填料，所述悬浮填料的直 径为25mm-30mm，长度为10-15mm，悬浮填料的填充率≥50%。
优选方案，所述筛网筛网高度为400-500mm，筛网网眼孔径为 3mm-5mm。
优选方案，还包括改性硅藻土投加设备，所述改性硅藻土投加设 备与所述再生澄清池连接。
优选方案，所述再生澄清池中的圆筒内设置有搅拌叶轮，圆筒外 至池壁设置有乙丙共聚斜板，池底设置有污泥回流泵，侧壁设置有污 泥回流管，所述污泥回流管与所述兼性厌氧池连通。
优选方案，该装置还包括消毒池和再生水集水池，所述消毒池和 再生水集水池依次连接在所述生物质再生滤池的出水端。
重金属废水深度处理与再生利用的方法，利用上述装置，该方法 包括联合生物反应器单元以及再生水处理单元的调试与系统的运行;
所述联合生物反应器单元以及再生水处理单元的调试包括以下 步骤：
(1)选取某重金属污泥堆场进行样品采集，经实验室分离筛选 得到能降解重金属离子的优势菌株为脱硫弧菌属;选取某沼泽地对重 金属离子具有很强富集能力的优势菌株为螺旋藻属，在实验室进行驯 化，并制成菌藻液待用;
(2)在菌藻培养池内置入沼泽污泥、重金属污泥、加水配制污 泥浓度至6000～8000mg/L，并加入营养物质，待污泥升至池容 60%-70%时，按污泥量的1/20-1/10导入步骤(1)所述菌藻液，间歇 式搅拌，每天搅拌6～8次，控制温度20℃～30℃，pH值6～9，溶解氧 DO≤1.0mg/L，经过5～6天的培养，液体成粉红色状，得到优势菌藻 种;
(3)在兼性厌氧池内投加城市污水处理厂的厌氧污泥;再将碳 源供给池内的碳源输入兼性厌氧池内，形成混合污泥，待混合污泥浓 度为6000～8000mg/L时，按泥量的1/20-1/10将菌藻培养池内的优势 菌藻种导入兼性厌氧池内，搅拌，每天搅拌5～6小时，控制温度20℃ ～30℃，pH值6～11，溶解氧DO≤0.5mg/L，经过7～8天的时间，直 至悬浮填料表面呈黑色胶粘状，表明悬浮填料上挂膜成功;所述悬浮 填料富集有优势菌藻群;
(4)在好氧生物接触氧化池内投加城市污水处理厂的好氧污泥; 再将兼性厌氧池内的混合污泥，按好氧污泥的1/6-1/5引入好氧生物 接触氧化池并加水，待污泥浓度为4000～6000mg/L时，取样分析 COD、BOD、氨氮、磷的含量，在按BOD:N:P=100:(5-6):(1-2) 的比例加入氮源、磷源，曝气充氧，控制温度20℃～30℃，pH值6～9， 溶解氧DO值4～6mg/L，闷曝2-4天后改为连续进水6～8天，当组合 填料表面呈粉红色胶粘状，表明组合填料上挂膜成功;
(5)好氧生物接触氧化池末端出水进入再生澄清池，在再生澄 清池内投加改性硅藻土溶液，投加浓度为30～40mg/L，搅拌，使絮体 形成一个稳定的、致密的悬浮污泥层;
所述系统的运行包括以下步骤：
均质调匀后的重金属废水经过粗处理单元，在反应池内反应后再 经沉淀池沉淀，去除一部分重金属离子;沉淀池的上清液进入联合生 物反应器单元，经兼性厌氧池在悬浮填料上进行兼性厌氧生物反应; 兼性厌氧池出水进入好氧生物接触氧化池，对好氧生物接触氧化池进 行曝气充氧，废水与吸附在好氧生物接触氧化池组合填料上的优势菌 藻群进行好氧生物反应，深度去除低浓度的重金属离子;最后进入再 生水处理单元，经再生澄清池和生物质再生滤池进一步净化，经消毒 池消毒后进入再生水集水池收集。
所述优势菌藻群中包括下属微生物和原生动物：
脱硫肠菌属(Desulfotomaculum)、脱硫叶菌属(Desulfobacteria)、 脱硫杆菌属(Desulfobacterim)、脱硫细菌属(Desulfobacter)、脱硫 球菌-脱硫线菌脱硫八叠菌属(Desulfococcus-Desulfonem Desulfosarcina)、脱硫弧菌脱硫微菌层 (Desulfovibrio-Desulfomicrobium)等。
螺旋藻属(Spirulina)、微囊藻(Microcystis)、平裂藻属 (Merismopedia)、束球藻属(Gomphosphaeria)、蓝纤维藻属 (Dactylococcopsis)、含珠藻属(Nostoc)、席藻属(Phormidium)、 棒条藻属(Rhabdoderma)、单歧藻属(Tolypothrix)、真桂藻属 (Stigonema)、微毛藻属(Microchaete)、柱孔藻属(Cylindrospermum)、 红胞藻属(Rhodomonas)、黄群藻属(Cynura)、胞鞭藻属(Monas)、 单边念藻属(Chromulina)等。
原生动物有钟虫、有柄钟虫、无柄钟虫、钟虫游泳体、盖纤虫、 豆形虫、线虫、尖毛虫、贤形虫、柔形膜虫、滴虫、鞭毛虫、漫游虫 等。
上述优势菌藻种群共生体可很好的吸附重金属废水中的低浓度 镉、铅、锌、铬、镍、铜和类金属砷等。
微生物优势菌藻种群共生体处理低浓度重金属废水最大的优点 是在运行过程中微生物能不断地增殖，生物质去除重金属离子的量随 生物质量的增加而增加，综合处理能力强。
微生物优势菌藻种群共生体处理低浓度重金属废水的机理是依 据获得的高效优势菌藻种群共生体对重金属离子有静电吸附作用，酶 的催化转化作用、络合作用，絮凝作用和共沉作用，以及对PH值的 缓冲作用，使得重金属离子被吸附富集、沉集，经固液分离，废水被 深度净化。
优选方案：所述粗处理单元包括依次连通的一级反应池、一级沉 淀池、二级反应池和二级沉淀池，在一级反应池内投加氢氧化钠溶液， 在二级反应池内投加NaOH和Na2S溶液，系统运行时具体的控制参 数包括：
(1)一级反应池
反应时间：15～20min
NaOH溶液投加浓度：10%～12%
pH值：8～9;
(2)一级沉淀池
停留时间：4h;
(3)二级反应池
反应时间：20～30min
NaOH和Na2S溶液投加浓度：12%～15%
pH值：10～11;
(4)二级沉淀池
停留时间：2h-3h。
优选方案：所述联合生物反应器单元系统运行时的控制参数包 括：
(1)兼性厌氧池
水力停留时间：6h-7h
容积负荷：4～6kgCOD/m3·d
温度：20～30℃
溶解氧DO：≤0.5mg/L
污泥浓度：6000～8000mg/L
pH值：6～11;
(2)好氧生物接触氧化池
水力停留时间：16-20h
容积负荷：2～4kgCOD/m3·d
温度：20～30℃
溶解氧DO：4～6mg/L
污泥浓度：4000～6000mg/L
pH值：6～9。
优选方案：所述再生水处理单元系统运行时的控制参数包括：
(1)再生澄清池
水力停留时间：2.5～3.0h
改性硅藻土投加量：30～40mg/L
污泥回流比：40～50%
溶解氧DO：≤0.5mg/L;
(2)生物质再生滤池
滤速：≤5m/h
过滤周期：12～24h
反冲洗强度：10～15L/s·㎡。
优选方案：所述改性硅藻土的制备方法是：将硅藻土用表面活性 剂处理后，搅拌2h-3h，抽滤，在450℃-500℃下焙烧2h-3h，经过研 磨，过筛，即得改性硅藻土。
改性硅藻土的巨大比表面，强大吸附性一级表面电性，使得在废 水处理过程中，不但能去除颗粒态和胶体态的污染物质，还能有效地 去除色度和以溶解态存在的磷以及低浓度的重金属离子等。
进一步优选方案：所述表面活性剂为溴化十六烷基三甲胺。
优选方案：所述生物质再生滤池中的生物质滤料的制备方法是： 在稻壳中加入2%-9%质量的造孔剂，在700℃-800℃高温燃烧，得二 氧化硅颗粒，经造粒后使得颗粒粒径为0.9～1.5mm的生物质滤料。
生物质滤料的处理过程包含了物理、生物化学和水力学等诸多过 程。这种处理技术是利用生物质滤料巨大的比表面积和大量的微孔的 吸附截留作用，以及滤料表面形成的一层生物膜的生物降解作用来完 成去除污染物的功能。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.采用多元组合技术，对综合重金属废水进行深度和再生处理， 处理效果好，出水可回用。
2.对于采用化学沉淀法处理效率十分低下的1～5mg/L低浓度重 金属废水，采用联合生物反应器进行处理，利用微生物对重金属离子 的吸附和转化作用，可以有效地降低废水中重金属离子浓度，绿色环 保，无二次污染。
3、本发明是以二级反应二级沉淀作为粗处理单元;以联合生物 反应器作为深度处理单元;以再生澄清池和生物质再生滤池作为再生 水处理单元的三段式处理装置和方法。具有处理效果好，适应性强， 操作控制简单，运行稳定，安全可靠的优点，出水满足《城市污水再 利用工业用水水质》GB/T19923-2005标准，可以用作循环冷却水用 水、锅炉补充水、工业与产品用水、冷却水用水、洗涤用水的水源。 应用前景广阔。