CN104150689A - 一种水平潜流人工湿地净化污水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种水平潜流人工湿地净化污水的装置，由卧式螺旋卸料沉降离心机、水平潜流人工湿地、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置和三级反冲筛滤装置组成。本发明还公开了利用上述装置进行污水处理的方法。本发明处理强度高，能适应不同水力负荷的污水，对波动性较大的污水有较好的处理效果，深度去除水中有机的悬浮物质和杂质，吸附无机的有害物质，同时将残留的致毒污染物氧化成低毒或无毒的小分子物质，降低运行成本，提高出水效果。

Description

一种水平潜流人工湿地净化污水的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种水平潜流人工湿地净化污水的组合装置。

本发明还涉及利用上述装置进行污水净化回用或排放的方法。

背景技术

中水开发与回用技术近期得到了迅速发展，在美国、日本、印度、英国等国家(尤以日本为突出)得到了广泛的应用。这些国家均以本国度、区域的特点确定出适合其国情国力的中水回用技术，使中水回用技术越来越臻于完善。在中国，这一技术已受到各级政府及有关部门重视并对建筑中水回用做了大量理论研究和实践工作，在全国许多城市如深圳、北京、青岛、天津、太原等开展了中水工程的运行并取得了显著的效果。目前，我国的国有工业企业和部分民企，比如污染严重和水资源利用较多的企业都建成了中水回用项目，为低碳生产和节能减排的国家级号召做出了贡献。适用于污水水质变化较大的情况，一般采用的方法有：砂滤、活性炭吸附、浮选、混凝沉淀等。但其处理效果较差，故一套合理的污水处理技术尤为重要。

本发明使用卧式螺旋卸料沉降离心机为随后的土壤处理提供预处理，快速去除污水中悬浮颗粒及少量胶体，提升污水透明度，防止人工湿地的堵塞；随后使用水平潜流人工湿地进行生物处理，其处理强度高，能适应不同水力负荷的污水，对波动性较大的污水有较好的处理效果。后续又采用自主研发的纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲洗筛滤装置连续完成混凝、筛滤、消毒、深度净化几个步骤，深度去除水中有机的悬浮物质和杂质，吸附无机的有害物质，同时将残留的致毒污染物氧化成低毒或无毒的小分子物质，去除率达到98％以上，降低运行成本，提高出水效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平潜流人工湿地净化污水的装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行污水处理的方法。

为实现上述目的，本发明提供的水平潜流人工湿地净化污水的装置，由卧式螺旋卸料沉降离心机、水平潜流人工湿地、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置和三级反冲筛滤装置组成，其中：

卧式螺旋卸料沉降离心机去除大部分悬浮物和胶体后的污水输入水平潜流人工湿地；

水平潜流人工湿地由隔墙将其分为湿地主体和出水沉淀池，湿地主体的进水管与卧式螺旋卸料沉降离心机的出水口连接，湿地主体内填充碎石和石灰石的混合填料，隔墙下方与水平潜流人工湿地的底部有间隔，使用钻孔PVC管作为过水管，过水管内填充有大颗粒分子筛填料，出水沉淀池内填充有天然沸石分子筛，天然沸石分子筛填充体积占出水沉淀池的一半，出水沉淀池上方的清液使用液压泵抽至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内，进行混凝处理；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接水平潜流人工湿地的出水区的一侧为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应区内设有微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入O₂的纳米曝气头，主反应区顶端设有用以添加混凝剂加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截区内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，底部设置出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口；

三级反冲筛滤装置水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反冲筛滤装置内部由多孔网格分为上部的水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排列的圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入O₂的曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫外灭菌灯，且灭菌灯之间设置有通入O₃的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入出水池。

所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置中，卧式螺旋卸料沉降离心机由离心机外壳、转鼓、螺旋盘片、差速器、轴承座和底座组成，畜禽废水由离心机的进料口进入，在高转速的转鼓、与转鼓转向相同且转速比转鼓略高或略低的螺旋的作用下，高速旋转的转鼓产生强大的离心力把比液相密度大的固相颗粒沉降到转鼓内壁，由于螺旋和转鼓的转速不同，二者存在有相对运动，利用螺旋和转鼓的相对运动把沉积在转鼓内壁的固相推向小螺旋盘片处排出，分离后的清液从离心机大螺旋盘片一端排出，将污水与固体悬浮颗粒物以及胶体分离，固态物在盘片的作用下推入集泥槽，污水流入集水槽后由出水口进入湿地主体的进水管。

所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置中，水平潜流人工湿地使用混凝土构筑墙体，表面做防渗处理。

所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置中，三级反冲筛滤装置中的筛滤填料为石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，混合比例为6:1:1，粒径为0.3-1.0mm，不均匀系数为2。

所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池及浸没式中空纤维膜纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置中，其纳米曝气凝聚-微涡流絮凝池内使用的混凝剂为聚合氯化铝PAC+阳离子聚丙烯酰胺CPAM，其添加比例约为20:1。

所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置中，三级反冲筛滤装置中的多孔网格为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网。

所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置中，三级反冲筛滤装置的水池与分流仓连接一通气管通往大气，以防止三级反冲筛滤装置内压力过高造成破裂甚至爆炸。

本发明提供的利用上述水平潜流人工湿地净化污水的装置进行污水处理的方法：

卧式螺旋卸料沉降离心机将污水中的固体悬浮物进行分离、拦截，降低污水处理难度，处理后的污水导入水平潜流人工湿地进行过滤处理，过滤处理后的上清液先进入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置的主反应区内进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至絮体二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出进入三级反冲筛滤装置；

在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及反洗周期；

储水箱内的纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率，经三级反冲筛滤装置处理达标的污水进入出水池。

所述的污水处理方法中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

本发明使用卧式螺旋卸料沉降离心机为随后的土壤处理提供预处理，快速去除污水中悬浮颗粒及少量胶体，提升污水透明度；随后使用水平潜流人工湿地进行生物处理，其处理强度高，能适应不同水力负荷的污水，对波动性较大的污水有较好的处理效果。后续又采用自主研发的纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲洗筛滤装置连续完成混凝、筛滤、消毒、深度净化几个步骤，三级反冲筛滤装置中纳米二氧化钛晶体作为光触媒在紫外灯照射下激发极具氧化力的自由负离子，同时在纳米曝气过程中以及超声波发生过程激发的能量亦可发生并加强自由负离子的产生，达成光催化效果；而自由负离子以及其摆脱共价键的束缚后留下空位，与纳米气泡表面带有的电荷同时产生微电解效果，深度去除水中有机的悬浮物质和杂质，吸附无机的有害物质，同时将残留的致毒污染物氧化成低毒或无毒的小分子物质，降低运行成本，提高出水效果。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

附图中主要组件符号说明：

1离心机进料口；2小螺旋盘片；3分料口；4大螺旋盘片；5转鼓；6卧式螺旋卸料沉降离心机；7差速器；8进水管；9混合填料；10水平潜流人工湿地；11墙体；12出水沉淀池；13主反应区；14、14A、14B、14C纳米曝气头；15加药装置；16絮体拦截区；17斜管；18纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置；19絮体二次拦截区；20立体网状结构填料；21第一阀门；22第二阀门；23增压泵；24进水堰；25阻流板；26筛滤填料；27三级反冲筛滤装置；28曝气管；29回流槽；30多孔网格；31分流仓；32出水池；33第三阀门；34第一闸阀；35第二闸阀；36半导体负载填料；37紫外灭菌灯；38储水箱；39通气管；40出水口；41出泥口；42螺旋输送器；43微涡流混凝器；44纳米曝气机；45过水管；46底座；47溢流口；48集水槽；49出泥口；50集泥槽；51超声波发生仪；A湿地主体。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其主要结构包括：

卧式螺旋卸料沉降离心机6由离心机外壳、转鼓5、大螺旋盘片4、小螺旋盘片2、差速器7、以及轴承座和底座等组成。畜禽废水由离心机进料口1进入，在高转速的转鼓、与转鼓转向相同且转速比转鼓略高或略低的螺旋的作用下，高速旋转的转鼓产生强大的离心力把比液相密度大的固相颗粒沉降到转鼓内壁，由于螺旋和转鼓的转速不同，二者存在有相对运动(即转速差)，利用螺旋和转鼓的相对运动把沉积在转鼓内壁的固相推向小螺旋盘片处排出，分离后的清液从离心机大螺旋盘片4一端排出。差速器7(齿轮箱)的作用是使转鼓和螺旋之间形成一定的转速差，污水与固体悬浮颗粒物以及胶体分离，固态物在小螺旋盘片2的作用下推入集泥槽，流入集水槽的内污水进入滴滤池内。经过卧式螺旋卸料沉降离心机去除大部分悬浮物和胶体后的污水输入水平潜流人工湿地10。

水平潜流人工湿地10由墙体11将其分为湿地主体A和出水沉淀池12两个区域，水平潜流人工湿地10的墙体为混凝土构筑墙体，表面做防渗处理。连接卧式螺旋卸料沉降离心机6的一侧为湿地主体A，相邻的另一侧为沉淀池12。水平潜流湿地主体10内填充有碎石和石灰石的混合填料9，水平潜流人工湿地10的进水管8埋设在混合填料9的表层中，混合填料9上方表面种植有植物。湿地主体A与出水沉淀池12之间的墙体底部设有过水管45用于过水，并防止填料流失，过水管内填充有大颗粒分子筛填料；出水沉淀池12内填充有天然沸石分子筛，天然沸石分子筛填料的填充体积占出水沉淀池12的一半，出水沉淀池12的上清液使用液压泵抽至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置18内进行混凝处理。

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置18底部设有螺旋输送器42，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置13连接水平潜流人工湿地10的出水沉淀池12的一侧为主反应区13，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区13为絮体拦截区16，相邻絮体拦截区11的为絮体二次拦截区19。主反应区13内填充微涡流混凝器43，主反应区13内部上方有纳米曝气头14，使用有机玻璃固定，主反应区13顶端设有加药装置15用以添加混凝剂，混凝剂为聚合氯化铝(PAC)+阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，其添加摩尔质量比例约为20:1；絮体拦截区16内铺设有斜管17用于絮体拦截沉淀；絮体二次拦截区19内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料20，立体网状结构填料20下方铺设一纳米曝气头14A，底部设置出水口40，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置27内，进行混凝处理。

本发明采用纳米曝气技术改进混凝工艺的凝聚过程，主要分为三个步骤：

(A)微纳米曝气前期气浮过程：微纳米气泡传质过程中，污水中的微细污染物颗粒俘获在气泡表面或与气泡粘附在一起，在气泡上升过程中带动微细污染物颗粒上浮至水体表面，达成气浮作用从而实现清水与悬浮颗粒物、胶体的分离；

(B)微纳米曝气中期加药混凝过程：利用微纳米气泡发生过程的强烈冲击力以及上浮过程中的气液两相相对运动、气泡爆炸时局部产生的高温高压状态和爆破力，对污水进行热补偿的同时施加强烈搅拌作用，迅速将混凝剂分散至待处理水体的各处，使混凝剂与污水快速均匀混合，打散包裹住混凝剂的胶体块，提高其分散程度，促进胶体相互碰撞凝聚成絮体。

而当混凝剂被包裹形成絮体后，在纳米曝气下絮体成长质量更高，成长过大的絮体在纳米曝气的作用下会破碎成较小絮体从而恢复并保持絮凝能力(絮体过大会使总表面积减小，吸附能力下降)，密实度较低的絮体在纳米曝气的剪切力作用下会破碎并重新絮凝成密实度较高的絮体，有利于沉淀分离。

(C)微纳米曝气后期热断裂过程：利用微纳米曝气过程产生的以及气泡爆炸时局部产生的高温高压状态实现絮体薄弱处的断裂，进而重新撞击、吸附污水中胶体、悬浮物以形成更加稳固的絮体。

为了让形成的絮体更好的吸附脱稳胶体而成长的絮凝过程，本发明同时使用微涡流混凝器，涡流反应器形成的微涡旋流动能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞。一方面，混凝剂水解形成胶体在微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞，使水中胶体快速脱稳；另一方面，水中脱稳胶体在微涡流作用下具有更多碰撞机会，因而具有更高的凝聚效率。

污水经过纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置18的主反应区纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至中间絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至右侧絮体二次拦截区，在高密度立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出。二次拦截区填料定期清洗，清洗时同时开启填料底部纳米曝气头，利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗。出水通过液压泵导入三级反冲筛滤装置。

三级反冲筛滤装置27的进水口处设有一进水堰24，出水口处设有回流槽29，三级反冲筛滤装置27内部由多孔网格30分为上部的水池和下部的储水箱38两个部分。三级反冲筛滤装置27内部的储水箱38与水池两部分连接一通气管39通往大气，以防止三级反冲筛滤装置内压力过高造成装置破裂甚至爆炸。。

多孔网格30为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网，多孔网格30的下方设置有紧密排列的圆筒状的分流仓31分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格30。多孔网格30上方中央安放一纳米曝气头14B埋设在填充的筛滤填料26中，筛滤填料26选取石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛混合，体积混合比例为6:1:1，粒径一般为0.3-1.0mm，不均匀系数为2。纳米曝气头14B通过流量计与一曝气机连接。筛滤填料26靠近进水堰24处设有一阻流板25，靠近回流槽29的一侧设有一曝气管28，曝气管28设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上。筛滤填料26中安装有超声波发生仪41。分流仓31的下方为储水箱38，储水箱38外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂(如碳掺杂的纳米TiO₂粉体)，其底部安装有紫外灭菌灯37，且灭菌灯37之间设置有O₃的曝气纳米曝气头14C，储水箱38内剩余的空间填充有半导体负载填料36(如负载纳米TiO₂的立体网状聚丙烯填料)，无需使用分散剂，并减少催化剂的流失现象。

使用三级反冲筛滤装置时，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔板向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理。延长筛滤装置使用寿命及反洗周期，对于进水浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，不断运行净化污水。

储水箱内纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率。

经三级反冲筛滤装置27处理的达标出水直接导入出水池32中。

本发明的装置中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池及浸没式中空纤维膜纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

本发明利用上述装置进行污水处理的过程：

本发明使用卧式螺旋卸料沉降离心机为随后的土壤处理提供预处理，快速去除污水中悬浮颗粒及少量胶体，提升污水透明度；随后使用水平潜流人工湿地进行生物处理，其处理强度高，能适应不同水力负荷的污水，对波动性较大的污水有较好的处理效果。后续又采用自主研发的纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲洗筛滤装置连续完成混凝、筛滤、消毒、深度净化几个步骤，深度去除水中有机的悬浮物质和杂质，吸附无机的有害物质，同时将残留的致毒污染物氧化成低毒或无毒的小分子物质，降低运行成本，提高出水效果。

污水经过纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内主反应区进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至中间絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至右侧絮体二次拦截区，在高密度立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出。二次拦截区填料定期清洗，清洗时同时开启填料底部纳米曝气头，利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗。出水通过液压泵导入三级反冲筛滤装置。

正常筛滤时，污水自进水堰进入，在进水堰的物理结构作用下由水平方向导为竖直向上，在重力作用下撞击在挡流板上，以防止水流直接撞击填料影响处理效果；污水经过填料的过滤，流至下方储水箱，储水箱内纳米曝气头的进气为O₃，通过纳米曝气大量获得羟基自由基，与紫外灭菌灯，半导体负载填料共同提高高级氧化效果，同时其中富含羟自由基的出水在装置进行反洗时，冲刷筛滤填料，较好的做到填料清洁与再生。根据本发明的一个实施例，经本发明处理的污水中，针对长链多环有机物处理率高达100％，效果尤其显著。

本发明采用三级反冲洗技术进行反冲洗：

一级反冲洗为曝气循环反冲洗，由于污染物质在填料表面的堆积，污水难以透过填料之间的空隙渗透下去，在筛滤过程中进行反冲洗，开启三级反冲筛滤装置27左上角增压泵23、曝气管28并间歇开启多孔板上方纳米曝气头14B，集水池内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔板向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下产生波轮效果，大力清洗填料表层片状致密污染物，溢流至回流槽，使填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，污水也可继续自分子筛空隙渗透下去；一级反冲洗可延长筛滤装置使用寿命及反洗周期，对于进水浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，使装置不断运行净化污水。

二级反冲洗为空气脉冲反冲洗，由于污水浊度过高，导致污染物质在填料表面的大量堆积，仅仅靠一级反冲洗步骤仍不能达到继续筛滤的效果。关闭第一阀门21、第一闸阀34，开启第三阀门33、第二阀门22，启动三级反冲筛滤装置27右下角增压泵23、曝气管28及两个纳米曝气机头14B\14C，将出水池内出水导入集水池中。在回水压力的作用下，集水池中的全部空气受到快速挤压，沿分压仓上细孔上升，全部筛滤填料层在上升空气的强力搅拌，曝气管气流及纳米曝气头的冲击力作用下旋转流动，污染物质破碎浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽与初始进水混合，待水面快速下降，过滤速率重新稳定后，关闭三级反冲筛滤装置27右下角增压泵23、多孔板下方纳米曝气头14C、第三阀门33、第二阀门22，开启第一阀门21、第一闸阀34，继续进行筛滤处理。

三级反冲洗为曝气湍流反冲洗，此时一、二级反冲洗已经不足以解决污染物质对填料的覆盖、阻塞问题，污水大量积聚不得过滤。此时关闭第一阀门21、第一闸阀34，开启第三阀门33、第二阀门22，启动三级反冲筛滤装置27右下角增压泵23、曝气管28及两个纳米曝气头14B\14C、超声波发生仪51，将出水池内出水大量导入集水池中。⑴集水池内部空气沿多孔板细孔上升搅拌，填料底部纳米曝气头开始曝气，填料上方涡轮不断转动；⑵利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗，上方填料呈现湍流状态，进行无规则高速运动状态，填料在水流旋涡的冲击力和气泡的剪切力作用下相互摩擦，填料上附着的有机污染物能够去除，得到较为纯净的填料；⑶利用超声波发生仪在液体介质中产生超声波，在筛滤填料表面产生空化效应，空化汽泡在闭合过程中破裂时形成的冲击波，会在其周围产生上千个气压的冲击压力，作用在填料表面上破坏污物之间粘性，并使它们迅速分散在反洗液中，从而达到填料表面洁净的效果。⑷空气排净后，出水池的出水继续导入，富含羟自由基的出水冲洗湍流状态的的填料颗粒表面及微孔，剥离污染物质，填料得到再生。⑸而污染物质在水流冲击力及右侧曝气管气浮作用下不断向上浮至水面，自左端进水堰及右端回流槽流出与初始进水混合。经过三级反冲洗，内部污染物被清洗排空殆尽。

常规砂滤是在过滤过程中不扰动砂层，使水流从砂子细小缝隙之间流过。通常采用不扰动砂层，压实填料、增加水压、砂上附加网格等手段改进砂滤过程，让水流从砂子细小缝隙之间流过，而污染物质停留在砂层的表层上。本发明则是利用扰动填料表层，防止污染物质堆积对水流的顺利通过形成阻力，同时利用高级氧化、纳米曝气、气泡的冲击力和剪切力等手段改进装置，利用分子筛、锰砂等填料进行优化设计，最后使用三级反冲洗等改进处理过程。本装置对胶体、纤维、藻类等悬浮物的截留效果好，对于浊度较低水质甚至无需反冲洗，即可完成处理过程，同时具有去除臭味，灭杀细菌、病原菌等微生物，分解难降解的少量残留表面活化剂、多氯联苯等难降解有机化合物的功效。

碳掺杂的纳米TiO₂粉体的制备：采用均匀沉淀法和水热法两步过程制备碳掺杂的纳米TiO₂。以硫酸钛和尿素为前驱，葡萄糖为碳源，具体制备过程如下：取6.48g27硫酸钛和3.24g54尿素(硫酸钛与尿素的摩尔比为1:2)溶于去离子水中，再加入适量的葡萄糖0.6搅拌均匀，摩尔质量比例为1:2:0.023，在90℃的条件下反应2h。待反应结束后取出反应物干燥、反复水洗至中性，再次干燥，用球磨机研磨得到碳掺杂的纳米TiO2粉体。

纳米TiO₂粉体负载在填料上的方法：采用聚丙烯材质的立体网状结构填料，将纳米TiO₂粉体与去离子水(粉体与水的质量比为1:20)混合，用超声波超声成乳浊液，将洁净的立体网状结构填料浸入与乙醇体积比1:1混合的钛酸酯偶联剂，缓慢搅拌一段时间，然后将填料取出放入TiO₂乳浊液中继续搅拌一段时间，取出后放入烘箱中干燥(85℃以下)2h，即制得负载纳米TiO₂的聚丙烯悬浮填料，其外观呈淡黄色，膜层较均匀。

Claims (10)

1.一种水平潜流人工湿地净化污水的装置，由卧式螺旋卸料沉降离心机、水平潜流人工湿地、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置和三级反冲筛滤装置组成，其中：

卧式螺旋卸料沉降离心机去除大部分悬浮物和胶体后的污水输入水平潜流人工湿地；

水平潜流人工湿地由隔墙将其分为湿地主体和出水沉淀池，湿地主体的进水管与卧式螺旋卸料沉降离心机的出水口连接，湿地主体内填充碎石和石灰石的混合填料，隔墙下方与水平潜流人工湿地的底部有间隔，使用钻孔PVC管作为过水管，过水管内填充有大颗粒分子筛填料，出水沉淀池内填充有天然沸石分子筛，天然沸石分子筛填充体积占出水沉淀池的一半，出水沉淀池上方的清液使用液压泵抽至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内，进行混凝处理；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接水平潜流人工湿地的出水区的一侧为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应区内设有微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入O₂的纳米曝气头，主反应区顶端设有用以添加混凝剂加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截区内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，底部设置出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口；

三级反冲筛滤装置水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反冲筛滤装置内部由多孔网格分为上部的水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排列的圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入O₂的曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫外灭菌灯，且灭菌灯之间设置有通入O₃的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入出水池。

2.根据权利要求1所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其中，卧式螺旋卸料沉降离心机由离心机外壳、转鼓、螺旋盘片、差速器、轴承座和底座组成，畜禽废水由离心机的进料口进入，在高转速的转鼓、与转鼓转向相同且转速比转鼓略高或略低的螺旋的作用下，高速旋转的转鼓产生强大的离心力把比液相密度大的固相颗粒沉降到转鼓内壁，由于螺旋和转鼓的转速不同，二者存在有相对运动，利用螺旋和转鼓的相对运动把沉积在转鼓内壁的固相推向小螺旋盘片处排出，分离后的清液从离心机大螺旋盘片一端排出，将污水与固体悬浮颗粒物以及胶体分离，固态物在盘片的作用下推入集泥槽，污水流入集水槽后由出水口进入湿地主体的进水管。

3.根据权利要求1所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其中，水平潜流人工湿地使用混凝土构筑墙体，表面做防渗处理。

4.根据权利要求1所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其中，三级反冲筛滤装置中的筛滤填料为石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，体积混合比例为6:1:1，粒径为0.3-1.0mm，不均匀系数为2。

5.根据权利要求1所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池及浸没式中空纤维膜纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

6.根据权利要求1所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其中，其纳米曝气凝聚-微涡流絮凝池内使用的混凝剂为聚合氯化铝+阳离子聚丙烯酰胺，其添加摩尔质量比例约为20:1。

7.根据权利要求1所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其中，三级反冲筛滤装置中的多孔网格为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网。

8.根据权利要求1所述的水平潜流人工湿地净化污水的装置，其中，三级反冲筛滤装置的水池与分流仓连接一通气管通往大气，以防止三级反冲筛滤装置内压力过高造成破裂甚至爆炸。

9.利用权利要求1所述水平潜流人工湿地净化污水的装置进行污水处理的方法：

卧式螺旋卸料沉降离心机将污水中的固体悬浮物进行分离、拦截，降低污水处理难度，处理后的污水导入水平潜流人工湿地进行过滤处理，过滤处理后的上清液先进入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置的主反应区内进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至絮体二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出进入三级反冲筛滤装置；

在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及反洗周期；

储水箱内的纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高氧化效果，经三级反冲筛滤装置处理达标的污水进入出水池。

同时三级反冲筛滤装置的部分出水回流至水平潜流人工湿地，调节水质并刺激微生物生理活动，筛选形成颗粒活性基团，基团具有分子筛的离子交换等功能。

10.根据权利要求9所述的污水处理方法，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置及三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。