CN103864264B - 一种光催化复合膜生物反应器的水处理方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于饮用水、污水处理技术领域，具体涉及一种去除水中微量污染物的光催化复合膜生物反应器的水处理方法及设备。本工艺主要由曝气池和其他附属装置组成。含有微量污染物的污水进入曝气池。池内中央垂直布置负载有二氧化钛催化剂的紫外灯管，灯管外层依次包围着膜组件和附着有硝化菌为主体的生物膜载体。污水首先经由紫外光催化，去除一部分微量污染物，生物膜与含氨氮废水发生硝化反应去除氨态氮，并在硝化过程中与微量污染物发生共代谢作用，进一步去除该类污染物。本工艺可以在低浓度有机碳源条件下，对各类微量污染物都具有稳定和高效的去除效果。
Description
技术领域
本发明属于饮用水、污水处理技术领域，具体涉及一种去除水中微量污染物的光催化－复合膜生物反应器的水处理方法及设备。
背景技术
微量污染物是一类在环境中具有极低的浓度，能够对生物体造成不良影响的物质。近年来随着环境分析技术的不断发展，越来越多的新型微量污染物质如内分泌干扰物（endocrine disrupting chemicals, 微量污染物）、药品和个人护理品（pharmaceuticals and personal careproducts, PPCPs）等在水环境中被检出。这些微量污染物会影响再生水的化学安全性，从而带来潜在的回用风险，因此对微量污染物的去除正逐渐成为污水回用领域的重点关注问题之一。另一方面，由于这些微量污染物在环境中浓度很低（浓度水平在 ng/L 至μg/L），且具有复杂的结构和多样的理化性质，它们在环境中的迁移行为也逐渐受到关注。美国国家环保局（USEPA）分别对微量污染物和PPCPs进行了定义。其中EDCs是指干扰生物体中主管维持动态平衡、繁殖再生、发展与行为的天然激素的合成、分泌、传输、键合、作用或清除的外源性物质，包括天然和人工合成的类固醇类激素、植物雌激素、除草剂、表面活性剂和多氯联苯类化合物等近百种具有内分泌干扰活性的化合物及其在环境中的代谢产物。PPCPs则泛指各种人类用于个人健康的用品和化妆用品，以及用于提高农业作物产量及保证牲畜健康的产品，其中包括药品、化妆品、食品添加剂等及其代谢产物，是一类十分庞大的化合物集合。由于使用量和排放量巨大，PPCPs通常在环境中呈现出“伪持久性”特点。
目前，较多研究认为在微量污染物的去除过程中，硝化菌群发挥了重要作用。由于城市污水处理厂出水被认为是微量污染物排入环境的重要来源，Clara等人通过调查污水厂进出水效果发现，具有硝化池的污水厂可以得到更高的雌激素去除效率；Roh等人指出硝化污泥对双酚A的去除率能达到80%以上；Shi等人研究发现硝化细菌不仅可以与碳氢化合物等物质发生共代谢作用，而且对微量污染物具有一定的降解能力。Radjenovic等考察了西班牙某WWTP中31种PPCPs的归趋情况，结果表明，PPCPs的行为较EDCs更为复杂，多数PPCPs的去除主要靠微生物转化和降解作用实现，而活性污泥的吸附贡献除对个别物质（心得安，propranolol；甲芬那酸，mefenamic acid等）外对其他目标物均较小。薛文超等人指出好氧条件对于多数EDCs和PPCPs的高效去除更有利。这些研究成果表明，应用生物降解法有针对性的驯化硝化污泥去除微量污染物，可以有效地获得较高去除率。
污水中微量污染物的去除工艺包括：物理法，如活性炭吸附、膜截留等，高级氧化法和生物降解法等。目前生物降解工艺被认为是将微量污染物从污水中去除的相对安全彻底的方式。生物降解工艺包括传统活性污泥法，序批式反应器（SBR），厌氧/缺氧/好氧工艺（A2/O），生物滤池等。这些工艺通常存在以下缺点：处理装置容积负荷低、占地面积大；处理出水的水质不够理想且不稳定；传氧效率低，能耗高；过剩污泥产量大；管理操作复杂等。为了提高反应器处理效率，近年来国内外进行了大量的研究，所做的努力集中在：一是通过投加生物载体以提高生物反应器内的污泥浓度；二是用高效膜分离技术代替传统生物处理中的二沉池，以提高固液分离效率。
光催化氧化技术近年来逐渐受到国内外学者的关注，几乎所有的有机物在光催化作用下可以完全氧化为 CO2、H2O 等简单无机物。光催化氧化剂中以金属氧化物半导体 TiO2最为典型。该技术对环境污染物中毒性大、难生物降解的直链烃类、卤代芳香烃和微污染物等物质都具有很好的氧化分解作用，能处理多种有机污染物。此外，光催化反应还具有反应条件温和、二次污染小、设备简单、便于控制操作、对低浓度污染物具有很好的去除效果等优点，所以半导体光催化反应技术已成为环境污染控制的研究热点。
膜生物反应器（MBR）是将膜分离技术中所用的超滤、微滤膜组件与污水生物处理过程中的微生物结合而成的新系统。MBR作为一种新型高效的污水处理技术，日益受到各国研究者的关注。MBR具有占地面积小、污泥浓度高、污泥龄长和微生物相丰富等特点，这些特点使其在处理微量污染物方面具有很大潜力。另外，MBR的剩余污泥产量低于传统活性污泥工艺，这样可以减少或避免随剩余污泥排出的有机污染物造成的二次污染。MBR工艺可以分为单一形式的MBR工艺和组合形式的MBR工艺两大类。单一形式的MBR工艺具有结构简单，占地面积小等优点，但是其存在的诸多问题也不容忽视。为了减缓膜污染的问题，单一形式的MBR需要加大曝气强度以冲刷膜表面，增加了曝气方面的能耗；膜污染后的清洗需要额外配备配药和加药的电动设备，增加了污水厂运行的能耗；耐冲击负荷的能力较差，特别是在原水水质经常波动的情况下，膜组件会因为水质的突然恶化，发生堵塞。对比以上几点，组合形式的MBR工艺更加科学和灵活，处理效果优异，具有良好的发展前景和拓展空间。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于解决水环境中微量污染物的去除问题,提供一种光催化膜生物反应器的水处理方法及设备。
本发明提出的光催化膜生物反应器的水处理方法，具体步骤如下：
含有微量污染物的水经由进水池，进入反应器12中心的紫外灯管5和催化剂载体6之间，经过底部曝气盘4曝气，形成反应器12内部水流循环；循环水中的微量污染物首先经过紫外光催化氧化进行初步降解，并提高其可生物降解性能，然后流经硝化生物膜载体13，微量污染物及其光降解中间产物得到进一步去除。最终出水通过膜组件8过滤后，经泏水泵10抽吸出水；工艺参数为：通过曝气盘4进行曝气，控制溶解氧浓度为2~4 mg/L，HRT为2~8 h，光强为150~650μW/cm 2 ，膜通量为10~30 LMH，生物膜载体的投加量为0.03~0.1 m3/m3，曝气强度0.3~0.5 m3/h，pH为7.0 ~ 8.5。
本发明提出的光催化膜生物反应器的水处理设备，由进水池1、进水泵2、空压机3、曝气盘4、紫外灯5、催化剂层6、气体流量计7、膜组件8、真空压力表 9、出水泵10、液位自控系统11、曝气池12、生物膜载体13、电源14和浮球开关15组成，其中：进水池1顶部出水口通过进水泵2连接曝气池12底部一侧进水口，曝气池12内底部设有曝气盘4，曝气池12内中央垂直布置有紫外灯5，紫外灯5外部包围着催化剂层6，催化剂层6外部包围着膜组件8的膜丝，膜组件8外部设置生物膜载体13；所述曝气池12出水通过膜组件8、真空压力表9和管道连接出水泵10；空压机3通过气体流量计7连接曝气池底部的曝气盘4；进水泵2和浮球开关15分别通过电路连接液位自控系统11。
本发明中，所述曝气池12为圆柱体结构，膜组件8为圆环形结构，生物膜载体13为圆环形结构。
本发明中，所述紫外灯管与膜组件平行布置形式，在池底曝气。
本发明中，膜组件设置在紫外灯和生物膜载体之间。
本发明的优点在于：
（1）本工艺将膜生物反应器与生物膜以及紫外光催化工艺有机结合，既具有占地面积小、处理污水能力强、剩余污泥少等优点，又有效提升了耐冲击负荷的能力，得到更加稳定的出水效果。
（2）本工艺中活性污泥以生物膜的形式附着在载体上，维持稳定的高生物量，提高微量污染物的去除效率。池内混合液中污泥浓度接近零，极大地减缓了膜污染的问题，甚至在低通量的情况下几乎没有膜污染现象出现。
（3）紫外灯管与膜组件平行布置，在池底曝气。曝气装置的功能主要是为微生物提供氧气，并提供一定的气相剪切力冲刷膜组件以及紫外灯管，防止污染。
（4）紫外灯的光催化作用发生在膜过滤之前，进一步降低微量污染物的浓度，有效提高去除效率。
（5）膜组件设置在紫外灯和生物膜之间，有效隔离了紫外灯光对生物膜的不良影响。
（6）本工艺采用以硝化细菌为主体的生物膜，能够在进水含有机碳源很低的情况下，保证硝化效果，同时达到较高的微量污染物去除率。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明工艺的曝气池剖面图。
图中标号：1. 进水池，2. 进水泵，3. 空压机，4. 曝气盘，5. 紫外灯，6. 催化剂层，7. 气体流量计，8. 膜组件，9. 真空压力表，10. 出水泵，11. 液位自控系统，12. 曝气池，13. 生物膜载体，14. 电源，15. 浮球开关。a为含有微量污染物的进水，b为膜过滤出水。
具体实施方式
下面通过实例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：如图1和图2所示，本装置主要由曝气池12和其他附属装置组成，包括：进水池1、进水泵2、空压机3、曝气盘4、紫外灯5、催化剂层6、气体流量计7、膜组件8、真空压力表9、出水泵10、液位自控系统11、曝气池12、生物膜载体13、电源14和浮球开关15。含有微量污染物的污水经由进水池1，从底部进入紫外灯管5和催化剂载体6之间。曝气池12底部设有微孔曝气盘4，进行曝气，溶解氧浓度保持在4~6mg/L。曝气池12内中央垂直布置包围有二氧化钛催化剂6的紫外灯5，催化剂层6外层包围着膜组件8，膜组件8外部放置生物膜载体13，生物膜载体13表面附着以硝化菌为主体的生物膜。污水首先经由紫外光催化，去除一部分微量污染物，同时生物膜与含氨氮废水发生硝化反应去除氨态氮，并在硝化过程中与微量污染物发生共代谢作用，去除该类污染物。经过处理的水由蠕动泵10从膜中抽出，膜过滤出水。
将本发明应用于处理含有不同浓度17β-雌二醇（E2）污水的小试研究。本工艺运行参数为：水力停留时间为24h，污泥龄为30d，污泥浓度约为4200mg/L，进水流量0.25L/h，进水NH4 +-N约为100mg/L。E2浓度为400μg/L，光强为266μW/cm2。当光照时间为120min时，系统对E2的去除率为98%，NH4 +-N的去除率达到99.7%。NH4 +-N出水浓度为0.30mg/L，E2出水浓度低于5μg/L。光照时间为3h时，E2去除率为99.9%，出水浓度低于检测限。
实施例2：采用实施例1所述装置，将本装置应用于对含有盐酸四环素的污水进行了小试研究。工艺运行参数为：水力停留时间为24h，污泥龄为25 d，污泥浓度约为4000 mg/L，进水流量0.25L/h，进水NH 4 + -N约为90mg/L。盐酸四环素浓度为400mg/L，光强为360μW/cm2。当光照时间为120min时，系统对盐酸四环素去除率达到80%，NH 4 + -N的去除率达到95%，NH 4 + -N和盐酸四环素平均出水浓度为分别为4.5mg/L和80 mg/L。反应时间过了24h后，系统对盐酸四环素去除率为99.5%，NH 4 + -N的去除率为99% ，NH 4 + -N和盐酸四环素平均出水浓度为分别为：0.1mg/L和2mg/L。。
以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种光催化复合膜生物反应器的水处理方法，其特征在于具体步骤如下：
含有微量污染物的水经由进水池，进入反应器(12)中心的紫外灯(5)和催化剂载体(6)之间，经过底部曝气盘(4)曝气，形成反应器(12)内部水流循环；循环水中的微量污染物首先经过紫外光催化氧化进行初步降解，并提高其可生物降解性能，然后流经硝化生物膜载体(13)，微量污染物及其光降解中间产物得到进一步去除；最终出水通过膜组件(8)过滤后，经出水泵(10)抽吸出水；工艺参数为：通过曝气盘(4)进行曝气，控制溶解氧浓度为2~4 mg/L，HRT为2~8 h，光强为150~650μW/cm 2 ，膜通量为10~30 LMH，生物膜载体的投加量为0.03~0.1 m3/m3，曝气强度0.3~0.5 m3/h，pH为7.0 ~ 8.5；所述水处理方法采用的水处理设备由进水池(1)、进水泵(2)、空压机(3)、曝气盘(4)、紫外灯(5)、催化剂层(6)、气体流量计(7)、膜组件(8)、真空压力表 (9)、出水泵(10)、液位自控系统(11)、曝气池(12)、生物膜载体(13)、电源(14)和浮球开关(15)组成，其中：进水池(1)顶部出水口通过进水泵(2)连接曝气池(12)底部一侧进水口，曝气池(12)内底部设有曝气盘(4)，曝气池(12)内中央垂直布置有紫外灯(5)，紫外灯(5)外部包围着催化剂层(6)，催化剂层(6)外部包围着膜组件(8)的膜丝，膜组件(8)外部设置生物膜载体(13)；所述曝气池(12)出水通过膜组件(8)、真空压力表(9)和管道连接出水泵(10)；空压机(3)通过气体流量计(7)连接曝气池底部的曝气盘(4)；进水泵(2)和浮球开关(15)分别通过电路连接液位自控系统(11)。
2.一种如权利要求1所述的光催化复合膜生物反应器的水处理方法使用的水处理设备，其特征在于由进水池(1)、进水泵(2)、空压机(3)、曝气盘(4)、紫外灯(5)、催化剂层(6)、气体流量计(7)、膜组件(8)、真空压力表 (9)、出水泵(10)、液位自控系统(11)、曝气池(12)、生物膜载体(13)、电源(14)和浮球开关(15)组成，其中：进水池(1)顶部出水口通过进水泵(2)连接曝气池(12)底部一侧进水口，曝气池(12)内底部设有曝气盘(4)，曝气池(12)内中央垂直布置有紫外灯(5)，紫外灯(5)外部包围着催化剂层(6)，催化剂层(6)外部包围着膜组件(8)的膜丝，膜组件(8)外部设置生物膜载体(13)；所述曝气池(12)出水通过膜组件(8)、真空压力表(9)和管道连接出水泵(10)；空压机(3)通过气体流量计(7)连接曝气池底部的曝气盘(4)；进水泵(2)和浮球开关(15)分别通过电路连接液位自控系统(11)。
3.根据权利要求2所述的光催化复合膜生物反应器的水处理方法使用的水处理设备，其特征在于所述曝气池(12)为圆柱体结构，膜组件(8)为圆环形结构，生物膜载体(13)为圆环形结构。
4.根据权利要求2所述的光催化复合膜生物反应器的水处理方法使用的水处理设备，其特征在于所述紫外灯与膜组件平行布置形式，在池底曝气。
5.根据权利要求2所述的光催化复合膜生物反应器的水处理方法使用的水处理设备，其特征在于膜组件设置在紫外灯和生物膜载体之间。
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