申请日2007.07.24
公开(公告)日2009.01.28
IPC分类号C02F3/10
摘要
本发明涉及一种废水处理方法，包括以下步骤：(1)将碳酸化钢渣进行筛分;(2)将筛分后的碳酸化钢渣填装在生物膜反应器中;及(3)将废水引入填装了碳酸化钢渣的生物膜反应器进行废水处理。本发明方法还可包括钢渣的碳酸化处理步骤。本发明采用碳酸化钢渣处理废水，在实现钢渣资源化利用的同时，减少了污水处理的投资和运行费用;采用不同粒径的生物铁填料组合填装，在增加微生物附着面积增强污染物去除效果的同时，提高了处理效率。
权利要求书
1.一种废水处理方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将碳酸化钢渣 进行筛分;(2)将筛分后的碳酸化钢渣填装在生物膜反应器中;及(3)将 废水引入填装了碳酸化钢渣的生物膜反应器进行废水处理。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述将碳酸化钢渣进行筛分的步骤包 括将碳酸化钢渣筛分成粒径为0.5-1mm、1-2mm、2-5mm和5-20mm的几组颗粒 填料。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述筛分采用筛分机进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述碳酸化钢渣填装采用变粒径组合 填装，所述变粒径组合填装系采用两种或两种以上的粒径组合，每种粒径的填 料所占比例为5～95%。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述变粒径组合填装系在污染物浓度 较高时选用大粒径填料占较大比例，污染物浓度较低时选用小粒径填料占较大比 例。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述生物膜反应器包括一个或一个以 上生物膜反应器，在采用一个以上生物膜反应器时，第一个生物膜反应器中 填装的大粒径填料占较大比例，其后续生物膜反应器中依次填装粒径递减的填 料，污染物浓度较高的废水在第一个生物膜反应器中处理后进入后续生物膜反 应器进行二次或二次以上处理。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述生物膜反应器包括厌氧生物滤池、 曝气生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池和活性生物滤池。
8.如权利要求1所述的方法，其中还包括钢渣的碳酸化处理步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述钢渣的碳酸化处理包括：在沸腾 床反应器中，在350-800℃、0.1-3.6大气压和水蒸气含量5-25%的条件下，使粒 径0.5-20mm的钢渣与CO2气体反应0.5-12小时。
说明书
一种废水处理的新方法
技术领域
本发明属于环境保护与资源化领域，具体涉及废水处理方法。
背景技术
按微生物生长方式的不同，污水生物处理工艺可分为活性污泥法和生物膜法 两大类。相对于活性污泥法而言，生物膜法最大的优点就是不存在污泥膨胀问题; 其次，利于一些生长缓慢的微生物(如硝化菌)生长。
填料是生物膜的载体，也具有截留悬浮物的作用，是生物膜工艺的关键，直 接影响其处理效果。同时，填料的费用在生物膜处理系统的基建费用中占有较大 的比重，因此填料关系到生物膜工艺的经济合理性。常用的填料分为天然填料和 人工填料两种。天然填料主要包括沸石、砾石、碳酸盐类石等;人工填料主要有 PVC、PE、PS、PP、各类树脂、塑料(包括各种泡沫塑料)、纤维等等。
生物铁法是向生物反应器或进水中加入一定量的铁盐，经培养驯化成生物铁 污泥，以提高生物法处理废水的效能，强化和扩大净化功能的方法。检索国内外 相关专利及发表的文章得知：目前生物铁用料主要是铁盐、铸铁、铁屑等几种， 多用于制革废水、印染废水、制药废水等难生物降解废水的生物处理中，强化对 化学需氧量Chemical Oxygen Demand(COD)、悬浮固体Suspended Solid(SS) 等的处理效果。研究表明：投加铁离子与不投加铁离子时相比，污水中CODCr去除 率将提高15-20%。
在钢铁企业中，钢渣产出量是仅次于高炉渣的第二大固体副产品。从物理 特性上讲，钢渣的强度较大，具有较高的比表面积，表面比较粗糙，易于生物膜 附着;从化学成分上讲，钢渣中不仅含有CaO，Si02和FeO(成分见表1)等主要 成分，还含有一定量的金属铁。因此，采用钢渣处理废水应该具有很好的应用价 值。
表1 转炉钢渣的化学成分(%)
注：数据是以宝钢的转炉渣为例。
然而，到目前为止，钢渣二次利用的途径仍然是作为高炉、转炉原料，在 钢铁厂内自行循环使用，但这种利用用量是有限的;此外，钢渣还用于道路工 程、建材原料、钢渣肥料及填坑造地等。尽管如此，还有大量钢渣未能得到及 时处理和利用。钢渣中大量的有价元素铁也未得到充分的利用，总体来说，钢 渣利用的附加值比较低。
国内一些专利和专利申请(如CN93101911.7、CN99101439.1、 CN99101441.3、CN01121824.X、CN200510030330.6和CN200510093267.0)虽 然提到将钢渣用于污水处理，但都是作为组合配方中的一个组分使用，而且未 将钢渣进行预处理，也未解决钢铁工业中大量钢渣副产品的二次利用问题。迄 今公开的国内外专利及非专利文献均无将碳酸化钢渣作为生物铁填料用于污水处 理的报道。
本申请人先前的一个专利申请(200710038393.5)中提供了碳酸化钢渣 在废水处理中的应用。
本发明的目的在于提供一种新的废水处理方法。
发明概述
本发明提供的废水处理方法包括以下步骤：(1)将碳酸化钢渣进行筛分; (2)将筛分后的碳酸化钢渣填装在生物膜反应器中;及(3)将废水引入填装 了碳酸化钢渣的生物膜反应器进行废水处理。
将碳酸化钢渣进行筛分的步骤包括将碳酸化钢渣筛分成粒径为0.5-1mm、 1-2mm、2-5mm和5-20mm的几组颗粒填料。所述筛分可采用筛分机进行。
碳酸化钢渣的填装可采用变粒径组合填装，所述变粒径组合填装系采用两 种或两种以上的粒径组合，每种粒径的填料所占比例为5～95%。
在污染物浓度较高时选用大粒径填料占较大比例，污染物浓度较低时选用小 粒径填料占较大比例。
本发明方法中采用的生物膜反应器可包括一个或一个以上生物膜反应 器。在采用一个以上生物膜反应器时，第一个生物膜反应器中填装的大粒径填 料占较大比例，其后续生物膜反应器中依次填装粒径递减的填料，污染物浓度 较高的废水在第一个生物膜反应器中处理后进入后续生物膜反应器进行二次 或二次以上处理。
生物膜反应器可包括厌氧生物滤池、曝气生物滤池、高负荷生物滤池、塔式 生物滤池和活性生物滤池等。
本发明的方法还可包括钢渣的碳酸化处理步骤。
钢渣的碳酸化处理步骤包括：在沸腾床反应器中，在350-800℃、0.1-3.6 大气压和水蒸气含量5-25%的条件下，使粒径≤20mm的钢渣与CO2气体反应 0.5-12小时。
发明详述
本发明者鉴于钢渣的物理特性(较高强度、较高比表面积)和化学成分上(除 含有CaO、SiO2和FeO等主要成分外还含有一定量的金属铁)的分析，考虑采用 钢渣处理废水，将生物铁同填料合二为一，不仅可节约铁盐投加时的药剂费用， 还可以节约药剂投加的设备费(大多数铁盐，如三氯化铁，具有很强的腐蚀性， 药剂投加过程中所需的泵、管道以及储药罐等设备都要求是抗腐蚀的，造价比较 高)，在实现钢渣资源化利用的同时，减少了污水处理的投资和运行费用。
本发明提供的废水处理方法先采用筛分机将碳酸化钢渣筛分成粒径为0.5- 1mm、1-2mm、2-5mm和5-20mm的几组颗粒，备钢渣生物铁填料装填时用。
然后，以生物铁填料的方式将筛分后的碳酸化钢渣填装在生物膜反应器中。 生物膜反应器可包括厌氧生物滤池、曝气生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物 滤池和活性生物滤池等。
为了适应不同的废水处理要求，生物铁填料的填装可采用变粒径组合方式， 即两种或两种以上的粒径组合，每种粒径的填料所占比例为5～95%。当进水污 染物浓度较高、水质较差时，为防止填料被堵塞，可以选用粒径较大的填料占比 较大的比例;当进水中污染物的浓度较低、水质较好时，可以选用粒径较小的填 料占较大的比例，以增加介质面积，提高微生物浓度，增强过滤作用，提高对污 染物的去除效果。
最后，将废水引入填装了碳酸化钢渣的生物膜反应器中进行废水处理。
本发明方法中，生物铁填料的变粒径组合填装也可以填装两个或两个以上生 物膜反应器。在第一个生物膜反应器中填装的大粒径填料占较大比例，其后续 生物膜反应器中依次填装粒径递减的填料。这样，当污染物浓度较高的废水进 入第一个生物膜反应器中时可以较快的速度流过，进行第一次处理。第一次处理 后的废水仍有一定量污染物，再进入第二个生物膜反应器进行第二次处理。然 后，根据污染的程度可以进行第三次或更多次的处理，直至达到排放或循环使 用的要求。
本发明方法中使用的碳酸化钢渣可以是商品化的产品，也可以按如下方法制 备：
在沸腾床反应器中，在350-800℃、0.1-3.6大气压和水蒸气含量5-25%的条 件下，使粒径0.5-20mm的钢渣与CO2气体反应0.5-12小时。
在反应过程中向装有钢渣的沸腾床反应器中通入工业废气、烟道气(有效成 分为CO2，气体温度在100℃以上并含有一定的水蒸气)或瓶装二氧化碳气体， 使钢渣中的游离氧化钙与二氧化碳气发生反应，生成碳酸钙。完成转炉钢渣体积 的稳定化，在这个过程中转炉钢渣的强碱性得到有效消减。
钢渣碳酸化后，颗粒表面更加粗糙，增加了与微生物和有机污染物的接触面 积，污水中的微生物和有机污染物更多地被吸附到钢渣颗粒表面，钢渣中的铁更 易于溶解到水中，为微生物生长提供了更多的营养元素。
碳酸化钢渣生物铁填料提高废水处理效率是多种因素协同作用的结果。
(1)吸附作用：吸附作用主要来自于伦敦分散力，这也是另一种范德华力的 表现形式，属于物理性吸附作用。
一般而言，一定种类及比表面积相同的物质的吸附力，随着以下因素而被强 化：(1)化合物分子量增加时，(2)化合物具有高数目像双键一类的官能团，或 高卤化物时，(3)化合物分子的电子云易形成瞬间极性的。由于这些因素的影响， 导致有些物质很容易被吸附。而难生物降解废水中的难降解有机物大多具备分子 量大、具有双键、多环或高卤代、化合物分子电子云易形成瞬间极性的特点，因 此更易被吸附到多孔性碳酸化钢渣颗粒的表面，与微生物接触，使污水的处理效 果得到提高。
(2)生物铁作用原理：碳酸化钢渣生物铁提高污水处理效果是微电池反应、 絮凝作用和亲铁细菌的生物降解等综合作用的结果。
反应的基本原理为：
微电池反应
电极反应为：
阳极Fe-2e→Fe2+ Eo Fe2+/Fe=-0.44V
阴极2H++2e→2[H]→H2 Eo H+/H2=-0.00V
铁是活泼金属，电极电位E0(Fe2+/Fe)=-0.440V，具有还原能力，可将某些 难降解有机物及氧化性较强的离子或化合物还原;Fe2+具有还原性，E0(Fe3+/Fe2 +)=0.771v，因此废水有氧化剂存在时，Fe2+进一步氧化成Fe3+;碳酸化钢渣中 含有碳及其它杂质，当它浸没在废水中时，铁与碳或其它元素之间形成无数个微 小的原电池，发生微电池反应。
微电池反应产物具有很高的化学活性，能与废水中许多污染物发生氧化还原 反应，使大分子物质分解为小分子物质，实现大分子有机污染物的断链、发色与助 色基团的脱色，提高废水的可生化性。
絮凝作用
微电解阳极反应产生Fe2+，Fe2+易被空气中的O2氧化成Fe3+，生成具有强吸 附能力的Fe(OH)3絮状物。其吸附能力比普通的Fe(OH)3强得多，可以把废水中 的悬浮物及一些有色物质吸附共沉淀而除去。
亲铁细菌的生物降解作用
科学研究发现，某些细菌能从铁的化学反应中获得养料。事实还证明只要有 铁存在，铁还原菌总是首先将正铁还原成亚铁，并带动其它细菌滋生繁衍，在铁 的表面形成不断繁衍代谢的菌膜。
电子传递作用
铁是生物体内过氧化氢酶、过氧化物酶、铁-硫蛋白、细胞色素、细胞色素 氧化酶等的重要组成部分，是辅酶成分、细菌对废水中有机物分解能力高低就是 由辅酶的数量、种类所左右的，这是铁具有“刺激”作用的主要原因。通过Fe→ Fe2+≡Fe3+氧化还原反应的电子传递作用，促进了微生物的新陈代谢，使微生物增 值受到刺激、微生物的增长和繁殖得到促进，微生物数量得到明显增加，污泥的 活性得到提高，促进生化反应，提高生化反应速度。缺少铁，将影响酶的合成， 有机物释放的电子不能顺利地传递给最终电子受体O2，从而影响微生物的生长代 谢过程。
总而言之，生物铁法处理废水的关键问题即铁及铁离子(铁源)。成本低、释 放效果好的铁源是提高污水处理效果的关键所在。而碳酸化钢渣恰好满足污水处 理中微生物对于铁源的要求。
通过本发明深入挖掘钢渣吸附沉淀性能及有价成分(Fe)，将钢渣改性使其成 为微生物生长的稳定铁源和高效载体，达到既提高废水处理效果又降低废水处理 成本的目的;同时在钢渣碳酸化预处理时，采用钢铁厂外排的烟道气作为二氧化 碳源，既减少了温室气体的排放，也完成了钢渣的改性。实现了以废治废，钢渣 资源再利用的目的。开辟了利用钢渣高效处理污水的新方法。
本发明采用不同粒径的生物铁填料组合填装，不仅可以增加介质面积，从而 增加微生物的附着面积，提高反应器中微生物的浓度，增强对污染物的去除效果， 而且可以使被处理的废水保持一定的流速，以提高处理效率。