CN103319055B - 一种去除污水中酚、萘的处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去除污水中酚、萘的处理装置及方法，属于含有有毒有害酚萘化工废水的处理技术领域。该装置包括处理装置本体，还包括抽吸泵，所述的处理装置本体中从一侧到另一侧依次为进水区、光催化氧化区、生物降解区和膜强制分离区；所述的光催化氧化区的顶部还包括紫外灯和TiO2催化板；所述的生物降解区内部有弹性立体填料，底部还包括空气扩散装置。本发明的处理方法先将酚、萘中苯环或多环结构利用光催化氧化作用打开变成低分子物质，再利用生物作用将这些低分子物质转变为二氧化碳或其他简单物质，达到去除和消除酚、萘物质污染的目的；实现泥水、污染物和水的分离，达到水质净化的目的和效果。
Description
技术领域
本发明属于含有有毒有害酚萘化工废水的处理技术领域，具体地说，涉及一种去除污水中酚、萘的处理装置及方法，更具体地说，涉及一种利用光催化氧化、生物膜氧化去除化工污水或工业污水中酚和萘的反应装置及方法。
背景技术
酚、萘等是常见的化工原料，化工产品在生产过程和使用过程中使酚、萘等物质进入水体，由于其毒性较高，常常会导致水体生态系统的破坏和退化。而酚、萘属于难生物降解有机污染物，利用微生物很难将其进行分解，主要是由于酚、萘污染物具有苯环结构或多环芳烃结构，对微生物降解具有一定的生物抗性，所以采用常规的活性污泥或生物膜或生态修复工程技术都很难达到较为理想的效果。
对于含酚、萘等污染物的污水目前常用的处理方法包括：(1)物化法；(2)生化法；(3)化学法。对于物化法中的吸附、萃取和气提等工艺需要消耗大量的吸附剂(活性炭、树脂等)、萃取剂(苯、重苯、轻油等)和空气量，不仅投资费用巨大，而且会有产生二次污染的风险；化学法是利用酚、萘等污染物能在强氧化剂的作用下发生氧化还原反应而转变为低分子无害化物质，但是需要提供一些较为苛刻的反应条件以提供反应发生的环境；生化法是环境友好、经济廉价的处理方法，常用的方法是常规的活性污泥法工艺、SBR工艺、UASB工艺，并取得了良好的效果，但是生化法利用的是微生物的新陈代谢作用来分解或转化酚、萘污染物，需要的反应时间较长，常规的活性污泥法工艺需要18-36h，SBR工艺需要18-24h，UASB工艺需要24-36h，不仅是因为酚、萘污染物对微生物具有一定的毒性，而且酚、萘污染物属于芳香族化合物，属于难生物降解有机物，对生物氧化和降解具有一定的抗性。(以上信息课参考以下两篇文献，文献一：徐伟辉,严叶卫.含酚废水处理工艺综述[J].上海船舶运输科学研究所学报,2005,28(1):53-55；文献二：范荣桂,高海娟,李贤,等.含酚废水综合治理新技术及其研究进展[J].水处理技术,2013,39(4):5-9)
发明内容
1.要解决的问题
针对现有的各种技术存在的投资成本高、运行时间长和容易产生二次污染等诸多急需解决的问题，本发明提供一种去除污水中酚、萘的处理装置及方法，提高了酚、萘污染物和中间产物处理效果，缩短了水质净化时间，减少了运行成本、降低了占地面积，而且巧妙的设置空间结构、比例，将酚、萘污染物在不同的区域分别经过紫外光波/TiO2联合作用区和生物降解区。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种去除污水中酚、萘的处理装置，包括处理装置本体，还包括抽吸泵，所述的处理装置本体中从一侧到另一侧依次为进水区、光催化氧化区、生物降解区和膜强制分离区，其体积大小比为1:(1-2):(2.5-4.5):(1.5-3)；所述的进水区和光催化氧化区之间在底部连通；所述的光催化氧化区和生物降解区之间在顶部连通；所述的生物降解区和膜强制分离区之间在底部连通；所述的光催化氧化区的顶部还包括紫外灯和TiO2催化板，TiO2催化板位于紫外灯的下方；所述的光催化氧化区的底部还包括搅拌器；所述的生物降解区内部有弹性立体填料，底部还包括空气扩散装置；所述的膜强制分离区内部还包括膜组件；抽吸泵与膜组件相连。
优选地，空气扩散装置为穿孔管或微孔曝气盘。
优选地，紫外灯的波长为265-280nm。
更优选地，所述的紫外灯的波长为275nm。
一种采用上述装置去除污水中酚、萘的处理方法，其步骤为：
1)预处理，将弹性立体填料悬挂在生物降解区，先密封生物降解区，并向生物降解区注入含有酚、萘的污水，使污水仅保持在生物降解区，向生物降解区中加入活性接种污泥，活性接种污泥投加量使得生物降解区MLSS保持在3500-4500mg/L之间，DO保持在2.5-4.0mg/L；每3-4天更换生物降解区的污水，更换2-4次，最后再进行闷曝6-12天，生物降解区内弹性立体填料上形成较为稳定的生物膜；
2)处理步骤：在水泵的作用下将污水泵入进水区，污水从进水区底部进入光催化氧化区，将不容易被微生物利用的含酚、萘的污水在光解和催化联合作用下，使得污水中的酚、萘转变为低分子有机物，经过光催化氧化后的污水进入生物降解区，污水中的小分子有机物在生物膜上微生物作用下进行彻底矿化，并产生少量的剩余污泥；将不容易被微生物利用的含酚、萘的污水在光解和催化联合作用下，经过复杂的化学过程使得污水中的酚、萘转变为低分子有机物，这些低分子有机物不具有生物抗性，搅拌器能提高光催化氧化的效果和酚、萘物质与光催化氧化区的接触，加速污水的氧化；经过光催化氧化后的污水进入生物降解区，污水中的小分子有机物在生物膜上微生物作用下进行彻底矿化，并产生少量的剩余污泥；
3)分离：生物降解区出来的泥水混合物从生物降解区底部进入膜强制分离区，抽吸泵的抽吸使得处理后的水通过膜组件过滤后排出；实现泥水分离，膜为超滤膜，其膜孔径为10-100埃，抽吸泵的压力为4×104Pa～7×105Pa。
优选地，所述的步骤2)中污水在光催化氧化区的水力停留时间不低于0.5h，紫外灯的功率为200-300W，搅拌器的搅拌速度为150-250转/分；污水在生物降解区的水力停留时间为2.5-6h，温度要求不低于5℃。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明先将酚、萘中苯环或多环结构利用光催化氧化作用打开变成低分子物质，再将含有这些低分子物质污水流经生物降解区，利用生物作用将这些低分子物质转变为二氧化碳或其他简单物质，达到去除和消除酚、萘物质污染的目的；最后通过膜强制截留的方式实现泥水、污染物和水的分离，达到水质净化的目的和效果；
(2)本发明耦合了物化法和生化法的优势，将物化技术的紫外辐照技术和生化技术的生物降解过程相互补充，克服了紫外辐照和生化技术的各自的短处，提高了酚、萘污染物和中间产物处理效果，缩短了水质净化时间，减少了运行成本、降低了占地面积等；
(3)本发明的装置利用膜强制过滤技术，延长了生物降解区中微生物的停留时间和增加了微生物量，强化了生物降解区的降解效果；与此同时，利用膜强制过滤还可以实现其他有益效果，包括降低出水浊度、微生物和残留的大分子有机污染物等等；
(4)本发明的处理方法，具有简单、操作方便以及节约成本的优点；
(3)本发明的装置中紫外灯的波长为265-280nm，光解效果好，尤其是当波长为275nm时效果最好。
附图说明
图1 本发明装置结构示意图。
图中：1、进水区；2、光催化氧化区；21、紫外灯；22、搅拌器；23、TiO2催化板；3、生物降解区；31、弹性立体填料；32、空气扩散装置；4、膜强制分离区；41、膜组件；42、抽吸泵。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种去除污水中酚、萘的处理装置，包括处理装置本体，还包括抽吸泵42，处理装置本体中从一侧到另一侧依次为进水区1、光催化氧化区2、生物降解区3和膜强制分离区4，其体积大小比为1:(1-2):(2.5-4.5):(1.5-3)；进水区1和光催化氧化区2之间在底部连通；光催化氧化区2和生物降解区3之间在顶部连通；生物降解区3和膜强制分离区4之间在底部连通；光催化氧化区2的顶部还包括紫外灯21和TiO2催化板23，TiO2催化板23位于紫外灯21的下方；TiO2催化板采用的是在有机玻璃材料的表面涂抹并覆盖上TiO2；光催化氧化区2的底部还包括搅拌器22；生物降解区3内部有弹性立体填料31，底部还包括空气扩散装置32；膜强制分离区4内部还包括膜组件41；抽吸泵42与膜组件41相连。空气扩散装置32为穿孔管或微孔曝气盘，紫外灯的波长为265-280nm，波长为275时效果最好。
一种采用上述装置去除污水中酚、萘的处理方法，其步骤为：
1)预处理，将弹性立体填料31悬挂在生物降解区3，不要打开紫外灯光，先密封生物降解区3，并向生物降解区3注入含有酚、萘的污水，使污水仅保持在生物降解区3，向生物降解区3中加入活性接种污泥，活性接种污泥投加量使得生物降解区MLSS保持在3500-4500mg/L之间，DO保持在2.5-4.0mg/L；每3-4天更换生物降解区3的污水，最后再进行闷曝6-12天；闷曝结束后排除处理装置中悬浮未吸附固定的污泥；接种挂膜后先进行小水量连续进水使吸附到弹性立体填料表面的微生物能适应环境并进行快速繁殖；其进水流量为设计流量的1/3-1/4，并以3-4天为一个梯度，逐渐提高流量至1/2-1/3、1-1/2和满设计流量运行，最后进入运行过程；使生物降解区3内弹性立体填料31上形成较为稳定的生物膜；
2)处理步骤：在水泵的作用下将污水泵入进水区1，污水从进水区1底部进入光催化氧化区2，将不容易被微生物利用的含酚、萘的污水在光解和催化联合作用下，使得污水中的酚、萘转变为低分子有机物，经过光催化氧化后的污水进入生物降解区3，污水中的小分子有机物在生物膜上微生物作用下进行彻底矿化，并产生少量的剩余污泥；污水在光催化氧化区2的水力停留时间不低于0.5h，紫外灯的功率为200-300W，搅拌器的搅拌速度为150-250转/分；污水在生物降解区3的水力停留时间为2.5-6h，温度要求不低于5℃。
3)分离：生物降解区3出来的泥水混合物从生物降解区3底部进入膜强制分离区4，抽吸泵42的抽吸使得处理后的水通过膜组件41过滤后排出；实现泥水分离，膜为超滤膜，其膜孔径为10-100埃，抽吸泵的压力为4×104Pa～7×105Pa。
处理装置运行调试：先安装处理装置和弹性立体填料，不要打开紫外灯光，封闭生物氧化区进入调试阶段，将接种污泥加入处理装置中，接种污泥加入量为保证生物降解区MLSS在3500-4500mg/L之间，并加入少许工业葡萄糖和微量元素，再泵入含有酚萘的化工废水，以空气压缩机供氧，进行闷曝6-12天左右，以每3-4天为一个闷曝周期，每3-4天更换处理装置中的含有酚萘的化工污水；闷曝结束后排除处理装置中悬浮未吸附固定的污泥；接种挂膜后先进行小水量连续进水使吸附到弹性立体填料表面的微生物能适应环境并进行快速繁殖；其进水流量为设计流量的1/3-1/4，并以3-4天为一个梯度，逐渐提高流量至1/2-1/3、1-1/2和满设计流量运行，最后进入运行过程；使弹性立体填料上能形成稳定的生物膜层；利用光催化氧化的强化作用使酚萘类难生物降解有机物中苯环结构分开，变成低分子物质
处置装置的运行：水泵2将含有酚萘的化工废水泵入处置装置的进水区的顶部，其水力停留时间HRT介于30min-60min，随后从进水区的底部进入光催化氧化区，其HRT不低于30min，紫外灯波长为265-280nm左右，其底部搅拌。而后这些含有低分子物质的化工废水从光催化氧化区的底部进入生物氧化区，HRT介于3-6h，DO不低于3mg/L，供气量利用已经经过培养和驯化的弹性立体填料的生物膜，利用生物膜内种类繁多的微生物进行生物降解，将其完全转化为无机低分子物质(如：二氧化碳等)。脱落下来的生物膜或残留下来的酚类、萘类化学物质在过滤膜的强制截留作用下进行进一步净化，膜材料为纤维素纳滤膜。
下面结合具体的实施例来对本发明进行说明。
实施例1
如图1所示，一种去除污水中酚、萘的处理装置，包括处理装置本体，还包括抽吸泵42，处理装置本体中从一侧到另一侧依次为进水区1、光催化氧化区2、生物降解区3和膜强制分离区4，其体积大小比为1:1.5:4:2；进水区1和光催化氧化区2之间在底部连通；光催化氧化区2和生物降解区3之间在顶部连通；生物降解区3和膜强制分离区4之间在底部连通；光催化氧化区2的顶部还包括紫外灯21和TiO2催化板23，TiO2催化板23位于紫外灯21的下方；TiO2催化板采用的是在有机玻璃材料的表面涂抹并覆盖上TiO2；光催化氧化区2的底部还包括搅拌器22；生物降解区3内部有弹性立体填料31，底部还包括空气扩散装置32；膜强制分离区4内部还包括膜组件41；抽吸泵42与膜组件41相连。空气扩散装置32为穿孔管，紫外灯的波长为275nm。
一种采用上述装置去除污水中酚、萘的处理方法，其步骤为：
1)预处理，将弹性立体填料31悬挂在生物降解区3，不要打开紫外灯光，先密封生物降解区3，并向生物降解区3注入含有酚、萘的污水，使污水仅保持在生物降解区3，向生物降解区3中加入活性接种污泥，使生物降解区3内弹性立体填料31上形成较为稳定的生物膜；活性接种污泥投加量使得生物降解区MLSS保持在3800mg/L之间，DO保持在3.3mg/L；每3天更换生物降解区3的污水，更换3次，最后再进行闷曝9天；闷曝结束后排除处理装置中悬浮未吸附固定的污泥；接种挂膜后先进行小水量连续进水使吸附到弹性立体填料表面的微生物能适应环境并进行快速繁殖；其进水流量为设计流量的1/3，并以3天为一个梯度，逐渐提高流量至1/3、1/2和满设计流量运行，最后进入运行过程；
2)处理步骤：在水泵的作用下将污水泵入进水区1，污水从进水区1底部进入光催化氧化区2，将不容易被微生物利用的含酚、萘的污水在光解和催化联合作用下，使得污水中的酚、萘转变为低分子有机物，经过光催化氧化后的污水进入生物降解区3，污水中的小分子有机物在生物膜上微生物作用下进行彻底矿化，并产生少量的剩余污泥；污水在光催化氧化区2的水力停留时间为1.5h，紫外灯的功率为250W，搅拌器的搅拌速度为180转/分；污水在生物降解区3的水力停留时间为6h，温度为15℃。
3)分离：生物降解区3出来的泥水混合物从生物降解区3底部进入膜强制分离区4，抽吸泵42的抽吸使得处理后的水通过膜组件41过滤后排出；实现泥水分离，膜为超滤膜，其膜孔径为60埃，抽吸泵的压力为5×105Pa。
利用生物膜内种类繁多的微生物进行生物降解，将其完全转化为无机低分子物质(如：二氧化碳等)。脱落下来的生物膜或残留下来的酚类、萘类化学物质在过滤膜的强制截留作用下进行进一步净化，膜材料为纤维素纳滤膜。
进水酚、萘的浓度分别为210mg/L、15mg/L时，出水酚、萘的浓度达到1.5mg/L和0.8mg/L，出水完全达到石油化工水污染物排放标准(GB428119-1984)。
实施例2
同实施例1，所不同的是：装置方面，进水区1、光催化氧化区2、生物降解区3和膜强制分离区4的体积大小比为1:1:2.5:1.5；紫外灯的波长为280nm；空气扩散装置32为微孔曝气盘；处理的方法中，步骤1)中的预处理中活性接种污泥投加量使得生物降解区MLSS保持在4500mg/L之间，DO保持在2.5mg/L；每3天更换生物降解区3的污水，更换4次，最后再进行闷曝6天；闷曝结束后排除处理装置中悬浮未吸附固定的污泥；接种挂膜后先进行小水量连续进水使吸附到弹性立体填料表面的微生物能适应环境并进行快速繁殖；其进水流量为设计流量的1/4，并以3天为一个梯度，逐渐提高流量至1/2和满设计流量运行，最后进入运行过程；步骤2)中污水在光催化氧化区2的水力停留时间0.5h，紫外灯的功率为300W，搅拌器的搅拌速度为250转/分；污水在生物降解区3的水力停留时间为2.5h，温度要求不低于5℃。步骤3)中其膜孔径为100埃，抽吸泵的压力为7×105Pa。进水酚、萘的浓度分别为120mg/L、18mg/L时，出水酚、萘的浓度达到1mg/L和1mg/L，出水完全达到石油化工水污染物排放标准(GB428119-1984)。
实施例3
同实施例1，所不同的是：装置方面，进水区1、光催化氧化区2、生物降解区3和膜强制分离区4的体积大小比为1:2:4.5:3；紫外灯的波长为265nm；处理的方法中，步骤1)中的预处理中活性接种污泥投加量使得生物降解区MLSS保持在3500mg/L之间，DO保持在4.0mg/L；每4天更换生物降解区3的污水，更换2次，最后再进行闷曝12天；闷曝结束后排除处理装置中悬浮未吸附固定的污泥；接种挂膜后先进行小水量连续进水使吸附到弹性立体填料表面的微生物能适应环境并进行快速繁殖；其进水流量为设计流量的1/3，并以4天为一个梯度，逐渐提高流量至1/3、4/5和满设计流量运行，最后进入运行过程；步骤2)中污水在光催化氧化区2的水力停留时间5h，紫外灯的功率为200W，搅拌器的搅拌速度为150转/分；污水在生物降解区3的水力停留时间为3h，温度要求不低于5℃。步骤3)中其膜孔径为10埃，抽吸泵的压力为4×104Pa。进水酚、萘的浓度分别为180mg/L、11mg/L时，出水酚、萘的浓度达到1.8mg/L和低于0.7mg/L，出水完全达到石油化工水污染物排放标准(GB428119-1984)。
Claims (6)
1.一种去除污水中酚、萘的处理装置，包括处理装置本体，其特征在于，还包括抽吸泵(42)，所述的处理装置本体中从一侧到另一侧依次为进水区(1)、光催化氧化区(2)、生物降解区(3)和膜强制分离区(4)，其体积大小比为1:(1-2):(2.5-4.5):(1.5-3)；所述的进水区(1)和光催化氧化区(2)之间在底部连通；所述的光催化氧化区(2)和生物降解区(3)之间在顶部连通；所述的生物降解区(3)和膜强制分离区(4)之间在底部连通；所述的光催化氧化区(2)的顶部还包括紫外灯(21)和TiO2催化板(23)，TiO2催化板(23)位于紫外灯(21)的下方；所述的光催化氧化区(2)的底部还包括搅拌器(22)；所述的生物降解区(3)内部有弹性立体填料(31)，底部还包括空气扩散装置(32)；所述的膜强制分离区(4)内部还包括膜组件(41)；所述的抽吸泵(42)与膜组件(41)相连。
2.根据权利要求1所述的一种去除污水中酚、萘的处理装置，其特征在于：所述的空气扩散装置(32)为穿孔管或微孔曝气盘。
3.根据权利要求1所述的一种去除污水中酚、萘的处理装置，其特征在于：所述的紫外灯(21)的波长为265-280nm。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种去除污水中酚、萘的处理装置，其特征在于：所述的紫外灯(21)的波长为275nm。
5.一种采用权利要求1中的处理装置去除污水中酚、萘的处理方法，其步骤为：
1)预处理，将弹性立体填料(31)悬挂在生物降解区(3)，先密封生物降解区(3)，并向生物降解区(3)注入含有酚、萘的污水，使污水仅保持在生物降解区(3)，向生物降解区(3)中加入活性接种污泥，活性接种污泥投加量使得生物降解区MLSS保持在3500-4500mg/L之间，DO保持在2.5-4.0mg/L；每3-4天更换生物降解区(3)的污水，更换2-4次，最后再进行闷曝6-12天，生物降解区(3)内弹性立体填料(31)上形成较为稳定的生物膜；
2)处理步骤：在水泵的作用下将污水泵入进水区(1)，污水从进水区(1)底部进入光催化氧化区(2)，将不容易被微生物利用的含酚、萘的污水在光解和催化联合作用下，使得污水中的酚、萘转变为低分子有机物，经过光催化氧化后的污水进入生物降解区(3)，污水中的小分子有机物在生物膜上微生物作用下进行彻底矿化，并产生少量的剩余污泥；
3)分离：生物降解区(3)出来的泥水混合物从生物降解区(3)底部进入膜强制分离区(4)，抽吸泵(42)的抽吸使得处理后的水通过膜组件(41)过滤后排出；实现泥水分离，膜为超滤膜，其膜孔径为10-100埃，抽吸泵(42)的压力为4×104Pa～7×105Pa。
6.根据权利要求5所述的一种去除污水中酚、萘的处理方法，其特征在于，步骤2)中污水在光催化氧化区(2)的水力停留时间不低于0.5h，紫外灯(21)的功率为200-300W，搅拌器(22)的搅拌速度为150-250转/分；污水在生物降解区(3)的水力停留时间为2.5-6h，温度要求不低于5℃。
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