申请日20200319
公开(公告)日20200616
IPC分类号C02F9/14; C02F101/30; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种原位多级处理低温动态高盐废水的装置及方法。本发明的装置能够实现分区多级处理废水，并能够根据检测数据选择性自动返回废水检测值所对应的分级处理装置，微生物在处理废水过程中能够完成菌种和菌群的自我更替，在低温下、高盐环境下，持续、节能、有针对性地高效处理高盐、高有机物和高重金属离子的废水。
权利要求书
1.一种原位多级处理高盐废水的装置，包括一级废水处理区、水质监测装置、废水返回装置，且至少包括二级废水处理区或三级废水处理区，
所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区均包括若干个石墨毡吸附处理单元，所述石墨毡吸附处理单元包括叶轮、扩散管道和若干个石墨毡平板，所述若干个石墨毡平板呈分散发射状安装于叶轮上;
所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区均包括废水进口、废水出口和排放口，所述废水进口的设置位置高于所述废水出口，所述排放口设置位置低于所述废水出口;
所述水质监测装置安装于所述一级废水处理区、二级废水处理区或三级废水处理区的废水出口;
所述废水返回装置依据所述水质监测装置获得的水质信息将废水出口的废水排出或返回。
2.如权利要求1所述原位多级处理高盐废水的装置，其特征在于，所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区中，至少有一组石墨毡吸附处理单元倾斜安装水平或以不超过30°的倾角呈阶梯式安装。
3.如权利要求1所述原位多级处理高盐废水的装置，其特征在于，所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区中，至少有一组石墨毡吸附处理单元垂直或者以不超过30°的倾角安装。
4.如权利要求1所述原位多级处理高盐废水的装置，其特征在于，按废水流动方向，上一级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数目不低于下一级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数量。
5.如权利要求1所述原位多级处理高盐废水的装置，其特征在于，所述石墨毡平板长度为3～5m，宽度为1.5～2.5m。
6.如权利要求1所述原位多级处理高盐废水的装置，其特征在于，所述石墨毡吸附处理单元中至少有一相邻的石墨毡平板的夹角为15-60°。
7.利用权利要求1-6任一所述原位多级处理高盐废水的装置处理动态高盐废水的方法，包括：
将高盐废水引入一包含若干个石墨毡吸附处理单元的废水处理区，并通过石墨毡处理单元处理高盐废水得到产水，高盐废水中的有机物在淹没于高盐废水的石墨毡处理单元表面或者在高盐废水水面以上区域被氧化并降解，高盐废水中的金属离子在下部石墨毡吸附处理单元的表面被还原得到低价金属络合物、化合物或单质，并被石墨毡吸附或沉降，或被固着在微生物膜上，通过微生物的生长繁殖，微生物膜脱落在石墨毡上或各级装置底部，并被收集或富集。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，处理高盐废水时，盐度范围为0-12%，pH为3-9，处理温度为0-40℃。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，处理高盐废水时，水力停留时间为10-100h。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，废水处理区含有深海热液喷口处驯化的菌株。
说明书
一种原位多级处理高盐废水的装置和方法
技术领域
本发明属于环保机械领域，具体涉及一种多级处理低温动态高盐废水的装置和方法，尤其适用于深海热液喷口处驯化的菌株原位多级处理低温动态高盐废水的方法。
背景技术
本领域中，高盐废水是指总含盐质量分数至少1%的废水，其主要来自化工厂及石油和天然气的采集加工等，这种废水含有多种物质，主要包括盐、油、有机重金属和放射性物质。
随着我国工业发展和环境标准的提高，现有水处理方法已经不适合含盐度范围较高的有机废水，且成本极高。若采用生物法对高盐废水进行处理，高浓度的盐类物质对微生物具有抑制作用;若采用物化法处理高盐废水，则存在投资大和运行费用高的缺陷，且难以达到预期的净化效果。
目前采用生物法对此类废水进行处理，仍是目前国内外研究的重点。
高含盐量有机废水的有机物根据生产过程不同，所含有机物的种类及化学性质差异较大，但所含盐类物质多为Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等盐类物质。虽然这些离子都是微生物生长所必需的营养元素，在微生物的生长过程中起着促进酶反应，维持膜平衡和调节渗透压的重要作用。但是若这些离子浓度过高，会对微生物产生抑制和毒害作用，主要表现：盐浓度高、渗透压高、微生物细胞脱水引起细胞原生质分离;盐析作用使脱氢酶活性降低;氯离子高对细菌有毒害作用;盐浓度高，废水的密度增加，活性污泥易上浮流失，从而严重影响生物处理系统的净化效果。
中国专利CN200810171744.4公开了一种含高盐废水处理或回用的方法，主要工艺为预处理、高效曝气生物滤池和深度处理的方法，该发明主要适用于膜分离工艺膜前浓缩液的达标排放或回用，且需要接种美国某公司提供的菌株，应用受到一定的限制。
中国专利CN102173539B公开了一种处理高盐、难生物降解、有毒的工业废水处理装置，该装置不足之处在于废水先进入调节池调节水质，需先稀释水中有毒物质后才可以进行处理，稀释后需经过微电解池、混凝沉淀池、耐盐菌处理池、A/O处理池四个步骤处理，最后再进行生化处理，该工艺处理过程复杂，稀释废水过程增加了用水成本，处理量也增大。
中国专利申请102173539A公开了一种处理高盐、难生物降解、有毒的工业废水处理工艺，主要工艺为预处理、微电解和混凝沉淀。该工艺不足之处在于废水需要进入调节池调节水质水量,再经过微电解池和混凝沉淀去除大部分难生物降解有机物及有毒物质,混凝沉淀池上清液进入耐盐菌处理池,再经A/O处理池进行生化处理,经二沉淀池分离污泥,上清液最后经过滤池过滤才能出水，其过程过于复杂，并且操作条件较难控制。
随着我国工业发展和环境标准的提高，现有水处理方法已经不适合含盐度范围较高的有机废水，且成本极高。
我国是高能耗国家，且二氧化碳排放居高不下，导致气候变化。随着生物质能被社会广泛重视，从低浓度有机废水中提取能量也变得非常迫切，而微生物产电特别适合于大范围环境的小电压长时间稳定加热，新的导电导热材料与微生物燃料电池结合实现了低品位生物质能的高效利用，几乎可以用于各种需要低成本维持环境温度的场所，应用潜力巨大。
发明内容
为解决现有技术中高盐废水处理困难的问题，本发明提供了一种多级处理低温动态高盐废水的装置和方法，通过分级、分单元对废水进行处理，基于处理废水成分和浓度的不同，实现各分级装置中各单元优势菌及丰度的交替，在降解有机废物的同时，回收金属资源。
在本发明中，所处理的高盐废水为盐度≥5%，有机物含量为≥5000mg/L的废水。
本发明首先提供了一种处理废水的装置，包括一级废水处理区、水质监测装置、废水返回装置，且至少包括二级废水处理区或三级废水处理区，
所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区均包括若干个石墨毡吸附处理单元，所述石墨毡吸附处理单元包括叶轮、扩散管道和若干个石墨毡平板，所述若干个石墨毡平板呈分散发射状安装于叶轮上;
所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区包括废水进口、废水出口和排放口，所述废水进口的设置位置高于所述废水出口，所述排放口设置位置低于所述废水出口;
所述水质监测装置安装于所述一级废水处理区、二级废水处理区或三级废水处理区的废水出口;
所述废水返回装置依据所述水质监测装置获得的水质信息将废水出口的废水排出或返回。
在本发明的一些实施例内，所述石墨毡平板上设置有石墨毡吸附载体、扩散管道和扩散孔，所述扩散孔设置于扩散管道上，所述扩散管道部分或全部被所述石墨毡吸附载体覆盖，所述扩散管道的液体入口侧可设置于叶侧。该结构设计可以进一步提高废水处理的效率。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区中，至少有一个石墨毡吸附处理单元设置于靠近废水进口的位置或至少有一个石墨毡吸附处理单元设置于靠近废水出口的位置。
作为上述技术方案一种更好的选择，废水处理区内至少有一个石墨毡平板交替性的浸入废水水面下或暴露于废水水面以上区域中。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区中，至少有一组石墨毡吸附处理单元倾斜安装、水平或以不超过30°的倾角呈阶梯式安装。在本发明的一个实施例中，至少有一组石墨毡吸附处理单元的中心位置按照废水流动方向依次升高。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区中，至少有一组石墨毡吸附处理单元水平安装。在本发明的一个实施例中，至少有一组石墨毡吸附处理单元被水平安装。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区中，至少有一组石墨毡吸附处理单元垂直或者以不超过30°的倾角安装。在本发明的一个实施例中，至少有一组石墨毡吸附处理单元含有垂直安装的两个石墨毡吸附处理单元，且两个石墨毡吸附处理单元通过导电装置连接。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述一级废水处理区、二级废水处理区和三级废水处理区中，至少有一组串联方式组合后的石墨毡吸附处理单元水平或者以不超过30°的倾角呈阶梯式安装。在本发明的一个实施例中，至少有一组石墨毡吸附处理单元含有垂直安装的两个石墨毡吸附处理单元，且通过导电及固定装置连接。作为上述技术方案一种更好的选择，导电及固定装置包括壳体、导电钛丝、活动螺杆、固定板、固定螺杆和紧固夹板。
作为上述技术方案一种更好的选择，按废水流动方向，上一级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数目不低于下一级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数量，即所述一级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数目不低于二级废水处理区和三级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数量，所述二级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数目不低于三级废水处理区中石墨毡吸附处理单元的数量。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述石墨毡平板长度为3～5m，宽度为1.5～2.5m。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述石墨毡吸附处理单元中至少有一相邻的石墨毡平板的夹角为15-60°。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述一级废水处理区、二级废水处理区、三级处理区的进出口管路和/或系统出管处设置阀门，所述废水返回装置依据所述水质监测装置获得的水质信息控制所述阀门，并通过阀门的开关控制管道中液体的流向。
作为上述技术方案一种更好的选择，所述导电装置所用金属为钛合金材料，固定装置所用金属为不锈钢材料。
在本发明的一些实施例中，处理高盐废水的装置包括：一级废水处理区、二级废水处理区、三级废水处理区、水质监测分级返回系统、导电及固定装置;
所述一级废水处理区在左端近顶部开设废水进口，右端下部开设排放口，排放口靠近下部石墨毡吸附处理单元;
所述二级废水处理区在左端近顶部开设废水进口，右端下部开设排放口，排放口靠近下部石墨毡吸附处理单元;
所述三级废水处理区在左端近顶部开设废水进口，右端下部开设排放口，排放口低于下部的石墨毡吸附处理单元;
所述石墨毡吸附处理单元数量不少于4个，前面各级处理装置设置的处理单元多于后面各级处理单元数量，以保证前同各级处理效果，上下两个石墨毡吸附处理单元之间上下垂直安装形成串联，左右石墨毡吸附处理单元之间呈阶梯上升状或水平状安装形成并联，上下石墨毡吸附处理单元之间通过固定装置进行固定、连接，并通过导电装置加速电子转移;
所述水质监测分级返回系统安置在一、二、三级废水处理区的排放口端，实时监测排出废水的盐浓度、COD、BOD及重金属离子浓度，基于分析数据自动控制系统控制打开或关闭阀门将处理过的废水经废水排出管道直接排出或经三通阀门返回到对应某级进口，进行再处理，直到达到排出系统要求指标，由废水排出管道排出。
在本发明的另外一些实施例中，所述石墨毡吸附处理单元的单片平板长度3～5m，宽度1.5～2.5m。
在本发明的另外一些实施例中，所述石墨毡吸附处理单元相邻的两平板间角度可任意调整(15°-60°)，平板的个数可根据实际处理高盐废水量大小进行增加或减少。
在本发明的另外一些实施例中，所述阀门分别安装在一级废水处理区、二级废水处理区、三级处理区的进出口管路及系统出管，通过开关控制管道中液体的流向。
在本发明的另外一些实施例中，导电及固定装置包括壳体、导电钛丝、活动螺杆、固定板、固定螺杆和紧固夹板;
在本发明的另外一些实施例中，所述导电装置所用金属为钛合金材料，固定装置所用金属为不锈钢材料。本发明进一步公开了处理高盐废水的方法，包括：
将高盐废水引入一包含若干个石墨毡吸附处理单元的废水处理区，并通过石墨毡处理单元处理高盐废水得到产水，其中，高盐废水中的有机物在淹没于高盐废水的石墨毡处理单元表面或者在高盐废水水面以上区域被氧化并降解，高盐废水中的金属离子在石墨毡吸附处理单元的表面被还原得到低价金属络合物、化合物或单质，并被石墨毡吸附或沉降，或被固着在微生物膜上，通过微生物的生长繁殖，微生物膜脱落在石墨毡上或各级装置底部，并被收集或富集。
作为上述方法一种更好的选择，所述石墨毡处理单元通过交替性的浸入高盐废水或和空气接触，在本发明的一个实施例中，石墨毡吸附处理单元设置于叶轮上，并通过叶轮的交替缓慢转动将处理有机物产生的电子转递给空气中的氧气，下部石墨毡吸附处理单元处理有机物，产生的电子传递给废水中高价金属离子，将其还原为低价金属形成络合物或化合物，降落在石墨毡上或各级装置底部，降落在石墨毡上的被还原的低价金属络合物或化合物。
作为上述方法一种更好的选择，第一废水处理区入口处的盐度为≥5%，有机物含量为≥5000mg/L;第二废水处理区入口处的盐度为2-5%，有机物含量为1000-5000mg/L;所述第一废水处理区的产水在满足第二废水处理区的入水口的盐度和有机物的指标时，进入第二废水处理区进行处理;在未达到相应指标时，将产水返回至第一废水处理区对废水重新进行处理。
作为上述方法一种更好的选择，通过将产水返回相应的废水处理区降低废水的盐含量、金属离子含量或者有机物含量至满足另一废水处理区进水或者排放的要求。
作为上述方法一种更好的选择，第一废水处理区的产水满足第二废水处理区或第三废水处理区的进水要求时，第一废水处理区的产水进入第二废水处理区或进入第三废水处理区。
作为上述方法一种更好的选择，第二废水处理区的产水满足第三废水处理区的进水要求时，第二废水处理区的产水进入第三废水处理区。
作为上述方法一种更好的选择，通过将废水进行返回或转移至不同废水处理区，实现废水处理区域内菌种和菌群的自我更替。
在本发明的一个实施例内，第一级处理单元内，高盐废水在由进水口到出水口梯度增高的石墨毡吸附处理单元上进行初步降解处理，上部石墨毡吸附处理单元通过叶轮的在废水液面下及空气中交替缓慢转动将处理有机物产生的电子转递给空气中的氧气，下部石墨毡吸附处理单元处理有机物，一方面产生的电子传递给废水中高价金属离子，将其还原为低价金属形成络合物或化合物，降落在石墨毡上或各级装置底部，降落在石墨毡上的被还原的低价金属络合物或化合物随着叶轮的转动被冲落，沉积到各级装置底部，富集到一定量由下端排出口排至金属沉淀池;另一方面微生物的吸附作用也可以将废水中的高价重金属离子固着在微生物膜上，通过微生物的生长繁殖，膜会脱落在石墨毡上或各级装置底部，最终沉积、富集到一定量由下端排出口排至金属沉淀池。经处理后的废水随着叶轮转动废水被推到下一个处理单元，在下一个处理单元完成进一步的处理，废水经过每一个处理单元完成一个处理过程，即废水在每一级反应装置中经过多个处理单元，完成多次处理循环。废水中的大分子有机物，经各单元的处理，被逐级分解为小分子有机物。通过叶轮的转动，既可以实现废水与微生物石墨毡微生物、微生物与空气的接触，提高氧化还原反应速率，同时减少废水的浓度梯度，使降落在石墨毡上的低价金属络合物及化合物被冲落，沉淀到各级处理装置底部，利于富集。废水经过一级处理各单元的处理，被推送到一级排水口，经水质监测分级返回系统检测，相应指标若达到二级废水处理指标，进入二级处理区，若未达到，则再由一级处理区入口进入一级处理区再次处理，若达到排放标准，进入系统排出管排出。
在本发明的一个实施例中，多级处理高盐废水的运行条件为：盐度范围0-12%，pH为3-9，处理温度0-40℃，所述方法包括如下步骤：
S1：高盐废水通过真空泵从缓冲池中被泵入到一级废水处理区，在由进水口到出水口梯度增高的石墨毡吸附处理单元上进行初步降解处理，上部石墨毡吸附处理单元通过叶轮的在废水液面下及空气中交替缓慢转动将处理有机物产生的电子转递给空气中的氧气，下部石墨毡吸附处理单元处理有机物，产生的电子传递给废水中高价金属离子，将其还原为低价金属形成络合物或化合物，降落在石墨毡上或各级装置底部，降落在石墨毡上的被还原的低价金属络合物或化合物随着叶轮的转动被被冲落，沉积到各级装置底部，富集到一定量由下端排出口排至金属沉淀池;经处理后的废水随着叶轮转动废水被推到下一个处理单元，在下一个处理单元完成进一步的处理，废水经过每一个处理单元完成一个处理过程，即废水在每一级反应装置中经过多个处理单元，完成多次处理循环。废水中的大分子有机物，经各单元的处理，被逐级分解为小分子有机物。通过叶轮的转动，既可以实现废水与微生物石墨毡微生物、微生物与空气的接触，提高氧化还原反应速率，同时减少废水的浓度梯度，使降落在石墨毡上的低价金属络合物及化合物被冲落，沉淀到各级处理装置底部，利于富集。废水经过一级处理各单元的处理，被推送到一级排水口，经水质监测分级返回系统检测，相应指标若达到二级废水处理指标，进入二级处理区，若未达到，则再由一级处理区入口进入一级处理区再次处理，若达到排放标准，进入系统排出管排出。
S2：经一级废水处理区排出口进入到二级废水处理区的废水，在二级处理装置中完成各处理单元的废水处理循环，如S1所述。废水经过二级处理各单元的处理，被推送到二级排水口，经水质监测分级返回系统检测，相应指标若达到三级废水处理区指标，进入三级处理区，若未达到，则再由二级处理区入口进入二级处理区再次处理，若达到排放标准，进入系统排出管排出。
S3：经二级废水处理区排出口进入到三级废水处理区的废水，在三级处理装置中完成各处理单元的废水处理循环，如S1所述。废水经过三级处理各单元的处理，被推送到三级排水口，经水质监测分级返回系统检测，相应指标若达到废水排放标准进入系统排出管排出。若未达到，进入三级处理区入口进入三级处理区再次处理。
在本发明的一个实施例内，废水处理区的水力停留时间为10-100h。
在本发明的一个实施例中，废水处理区含有深海热液喷口处驯化的菌株。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明可以将深海热液喷口处驯化的菌株中的耐温菌和耐盐菌的特性进行集成利用，其最大的特点和优势是分区和分级，所以处理效率高，处理成本低。
本发明的装置结构简单，选用来自于深海热液喷口处驯化的菌株，自适应能力强，能适应不同盐度范围的废水，多组微生物催化分解反应在同一装置中进行，以消耗废水中氨氮等有机物和部分无机盐完成自身繁殖生长，将微生物催化分解有机物过程中产生的电子转移至石墨毡吸附处理单元的空气区，并且能够实现分区多级处理废水并能够自动检测分级返回处理，能够完成菌种和菌群的自我更替，能持续、高效地处理高盐废水。
本发明的装置和方法可以广泛用于选矿冶金、纺织印染、生物制药、精细化工、发酵等行业产生的有机高盐重金属复合废水的综合高效处理，并解决了目前复合废水处理流程长、占用土地大、能耗高、作业效率低、作业温度、盐度范围敏感，所用陆地好氧、厌氧微生物对温度及废水盐度范围耐受力低的瓶颈问题。（发明人李浩然;李海龙）