CN104193081B - 一种逐级过滤污水处理的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逐级过滤污水处理的装置，主要由生物滤池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、氮吸附池、磷吸附池和光催化降解反应装置组成。本发明还公开了利用上述装置进行污水处理的方法，即一种层层剥离污水中污染物质的工艺方法。本发明深度氧化降解残余多环芳烃类化合物以及杂环类化合物等难降解污染物质，并灭菌消毒，降低了出水的色度可达到99％以上，通过该装置处理的污水中芳香性类富里酸物质降低95％以上，污水浊度降低99％，出水水质透明度高，提高出水水质。本发明的方法高效安全，操作简单，处理的污水可作为中水进行回用，如灌溉、冲厕、地面清洗等。

Description

一种逐级过滤污水处理的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种逐级过滤污水处理的装置，具体地涉及一种层层剥离污水中污染物质的工艺方法。

本发明还涉及利用上述装置过滤污水的具体方法。

背景技术

随着我国经济发展加速，污水排放量急剧增加。排放污水中含有大量固体颗粒、氮磷、微生物等污染物质。直接排放，势必会污染水源和环境、传播疾病、危害人们的健康，如果将废水进行处理后达标排放，将会大大改善环境质量。污水中的有机物及大量增殖的细菌大量消耗水中溶解的氧气，使湖水变得缺氧，危及水生生物的生存；而且水中缺氧致使需要氧气的微生物死亡，而正是这些需氧微生物因能够分解有机质，维持着河流、小溪的自我净化能力，最终导致的后果是：河流和溪流发黑变臭，毒素大量积累。而产生这种状况的原因是污水未能及时处理，导致内部易降解有机物消耗殆尽，污水生化性急剧降低，处理难度越来越大。本发明利用装置之间的相互关系以及后续独特设计的装置，从根本上解决了这一问题：纳米二氧化钛晶体本身具有灭菌消毒的性能，同时其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，分解其中残留的少量芳香环难降解有机化合物并灭杀污水中的细菌以及病原菌，去除率均可达100％。本发明工艺流程简单、管理方便、投资省、运行费用低、工艺稳定性高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逐级过滤污水处理的装置。

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，本发明提供的逐级过滤污水处理的装置，主要由生物滤池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、氮吸附池、磷吸附池和光催化降解反应装置组成；其中：

生物滤池的底部开设有排泥口，生物滤池的内部位于排泥口上方设置有纳米曝气盘，纳米曝气盘上方设置有多孔板，多孔板上方为生物滤池，填充有砾石填料，生物滤池处理的出水导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置中；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接生物滤池的一端为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，中央为絮体拦截区，右边为絮体二次拦截区；主反应区内填充微涡流混凝器，内部上方有纳米曝气头；在主反应区的顶端有加药装置用以添加混凝剂，絮体拦截区内铺设有斜管用于絮体拦截沉淀；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，立体网状结构填料底部设置出水口连接旋三级反冲筛滤装置；

三级反冲筛滤装置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集水池两个部分；三级反冲筛滤装置内的集水池与水池两部分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装置破裂甚至爆炸；

多孔网格为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网，多孔网格的下方设置有紧密排列的圆筒状的分流仓分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格。多孔网格上方安放有纳米曝气头埋设在填充的混合填料中，混合填料靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上；混合填料中安装有超声波发生仪；

分流仓下方的集水池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，底部安装有紫外灭菌灯，且紫外灭菌灯之间设置有O₃的曝气纳米曝气头3C，集水池内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置处理后的污水通过水泵输送至氮吸附池和磷吸附池；

氮吸附池和磷吸附池的结构是在吸附池的底部设有排泥口，吸附池内安装有多孔网格，氮吸附池内的多孔网格上方填充有粉煤灰合成分子筛，磷吸附池内的多孔网格上方填充有改性磷吸附剂；在氮吸附池及磷吸附池进水处安装有加药装置，以在两个吸附池进水中添加缓释杀虫剂；经氮吸附池及磷吸附池处理后的污水直接导入光催化降解反应装置中；

光催化降解反应装置内壁负载一层非金属掺杂光催化剂，底部开设有排泥口，位于排泥口上方设置有纳米曝气盘，纳米曝气盘上设置有低压紫外汞灯框架，低压紫外汞灯框架上安装有紫外灭菌灯，紫外灭菌灯设有防水套筒，光催化降解反应装置内部剩余空间填充有半导体负载填料；光催化降解反应装置的出水口设置有筛网。

所述的逐级过滤污水处理的装置其中，生物滤池内的砾石粒径为15-30mm。

所述的逐级过滤污水处理的装置中，三级反冲筛滤装置内的混合填料选取石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，过滤精度为0.4-1.5mm。

所述的逐级过滤污水处理的装置中，生物滤池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置及光催化降解反应装置的筛滤池和集水池内，纳米曝气头/盘分别与一纳米曝气机连接。

所述的逐级过滤污水处理的装置中，生物滤池、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光催化降解反应装置的纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

所述的逐级过滤污水处理的装置中，生物滤池、氮吸附池、磷吸附池底端开设的排泥口呈15-45度锥角。

所述的逐级过滤污水处理的装置中，氮吸附池内填充的粉煤灰合成分子筛粒径为5mm；磷吸附池内填充的改性磷吸附剂粒径为5mm。

本发明提供的利用上述逐级过滤污水处理的装置进行污水处理的方法：

污水经生物滤池的砾石填料的过滤，部分胶状悬浮物得以截留，同时砾石填料表面形成的生物膜上的微生物摄取、分解水中的有机物、氮、磷等营养物质，净化水质；

出水导至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内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的污水进入氮吸附池和磷吸附池；

氮吸附池利用分子筛填料的吸附及离子交换等作用吸附污水中剩余的氮及一部分磷等营养物质；磷吸附池使用改性磷吸附剂去除污水中剩余磷元素，在氮吸附池及磷吸附池进水处安装有加药装置，在两吸附池进水中添加缓释杀虫剂，以抑制分子筛及改性磷吸附剂内微生物的生长，防止由于污泥滋生造成吸附池的堵塞；磷吸附池的出水导入光催化降解反应装置内进行光催化降解反应。

所述的方法其中，氮吸附池及磷吸附池的加药装置内添加的缓释杀虫剂为噻虫嗪。

本发明的纳米曝气混凝工艺进行凝聚-絮凝过程，再使用三级反冲洗筛滤过滤杂质，以避免其对接下来的处理步骤造成阻塞；而后使用生物滤池，利用生物膜上的微生物摄取、分解水中的有机物、氮、磷等营养物质，净化水质；接下来的氮吸附池中分子筛吸附和离子交换污水内剩余的氮及一部分磷等营养物质；磷吸附池中改性磷吸附剂去除污水中剩余磷元素；最后使用光降解环节，深度氧化降解残余多环芳烃类化合物以及杂环类化合物等难降解污染物质，并灭菌消毒，降低了出水的色度，提高出水水质。本工艺高效安全，操作简单。处理的污水可作为中水进行回用，如：灌溉、冲厕、地面清洗等。

附图说明

图1是本发明的逐级过滤污水处理的装置结构示意图。

附图中主要组件符号说明：

1生物滤池；2主反应区；3、3A、3B、3C纳米曝气头；4、4A加药装置；5絮体拦截区；6斜管；7纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置；8絮体二次拦截区；9立体网状结构填料；10第一阀门；11第二阀门；12增压泵；13进水堰；14阻流板；15混合填料；16三级反冲筛滤装置；17曝气管；18回流槽；19多孔网格；20分流仓；21氮吸附池；22分子筛填料；23磷吸附池；24改性磷吸附剂；25光催化降解反应装置；26纳米曝气机；27半导体负载填料；28纳米曝气盘；29紫外灯框架；30紫外灭菌灯；31排泥口；32第三阀门；33第一闸阀；34第二闸阀；35通气管；36液压泵；37出水口；38出泥口；39螺旋输送器；40微涡流混凝器；41砾石填料；42超声波发生仪。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种逐级过滤污水处理的装置，可以层层剥离污水中污染物质。

为实现上述目的，本发明提供的处理污水的三级反冲洗筛滤装置，其主要结构包括：

生物滤池1，其底部开设有排泥口31，生物滤池1的内部位于排泥口31上方设置有纳米曝气盘28，纳米曝气盘28上方设置有多孔板，多孔板上方铺设无纺布，无纺布上方为生物滤池，生物滤池上填充有砾石填料41，砾石粒径为15-30mm。于生物滤池内部分胶状悬浮物得以截留，同时生物滤池中的砾石填料41表面形成的生物膜上的微生物摄取、分解水中的有机物、氮、磷等营养物质，净化水质；经生物滤池1处理的出水导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置7中。

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置7分为左、中、右三个部分(按图面所示方向)，底部设有螺旋输泥器39。纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置7的左边(即连接生物滤池1的一端)为主反应区2，用于完成纳米气浮-凝聚过程，中央为絮体拦截区5，右边为絮体二次拦截区8。主反应区6内填充微涡流混凝器40，其内部上方有纳米曝气头3，纳米曝气头3用有机玻璃固定；在主反应区6的顶端有加药装置4用以添加混凝剂，混凝剂为聚合氯化铝+阳离子聚丙烯酰胺。位于中间段的絮体拦截区5铺设有斜管6用于絮体拦截沉淀；位于右边段的絮体二次拦截区8内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料9，立体网状结构填料9下方铺设一纳米曝气头3A，立体网状结构填料9底部设置出水口37，通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置16。

三级反冲筛滤装置16的进水口处设有一进水堰13，出水口处设有回流槽18，三级反冲筛滤装置160内部由多孔网格19分为上部的水池和下部的集水池两个部分。三级反冲筛滤装置16内的集水池与水池两部分连接一通气管35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19为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网，多孔网格19的下方设置有紧密排列的圆筒状的分流仓20分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格19。多孔网格19上方中央安放一纳米曝气头3B埋设在填充的混合填料15中，混合填料15选取石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，过滤精度为0.4-1.5mm。纳米曝气头3B通过流量计与一曝气机连接。混合填料15靠近进水堰13处设有一阻流板14，靠近回流槽18的一侧设有一曝气管17，曝气管17设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上。混合填料15中安装有超声波发生仪42。分流仓20的下方为集水池，集水池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30，且紫外灭菌灯30之间设置有O₃的曝气纳米曝气头3C，集水池内剩余的空间填充有半导体负载填料27(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。三级反冲筛滤装置16处理后的污水通过水泵输送至氮吸附池21和磷吸附池23。氮吸附池21和磷吸附池23的结构是相同的，在吸附池的底部设有排泥口31，吸附池内安装有多孔网格19，氮吸附池21内的多孔网格19上方填充有粉煤灰合成的分子筛填料22，粒径大小约为5mm，磷吸附池23内的多孔网格19上方填充有改性磷吸附剂24，粒径大小约为5mm。氮吸附池21利用分子筛填料22的吸附及离子交换等作用吸附污水中剩余的氮及一部分磷等营养物质；磷吸附池23使用改性磷吸附剂24去除污水中剩余磷元素。在氮吸附池21及磷吸附池23进水处安装有加药装置4A，在两个吸附池进水中添加缓释杀虫剂，以抑制分子筛及改性磷吸附剂内微生物的生长，防止由于污泥滋生造成吸附池的堵塞。经氮吸附池21及磷吸附池23处理后的污水直接导入光催化降解反应装置25中。氮吸附池、磷吸附池内的吸附剂达到饱和吸附量时，被清除的吸附剂经碾压破碎，与土壤按照1:3比例混合，可做氮、磷肥料，用于土壤改良。

光催化降解反应装置25内壁均匀负载一层非金属掺杂光催化剂(如碳掺杂的纳米TiO₂粉体)，底部开设有排泥口，位于排泥口上方设置有纳米曝气盘28，该纳米曝气盘28连接一纳米曝气机26，纳米曝气盘28上设置有低压紫外汞灯框架29，低压紫外汞灯框架29上安装有紫外灭菌灯30，紫外灭菌灯30设有防水套筒，紫外灭菌灯平均照射剂量在350J/m²以上。光催化降解反应装置25内部剩余空间填充有半导体负载填料27(如纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯填料)。光催化降解反应装置25的出水口设置有筛网，光催化降解反应装置25的一端安装有液位仪，光催化降解反应装置25的顶部设有遮光板。本发明的光催化降解反应装置25增大了反应面，解决了常规光催化剂需要分散剂协同使用的弊端，减少了催化剂的流失现象，避免了反应结束后催化剂的分离步骤。处理后的水流经光催化降解反应装置25的出水口排出。

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。

使用三级反冲筛滤装置时，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，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。

集水池内纳米曝气头采用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集水池，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率。

三级反冲筛滤装置处理后的污水通过水泵输送至氮吸附池；

接下来的氮吸附池利用分子筛填料的吸附及离子交换等作用吸附污水中剩余的氮及一部分磷等营养物质；

磷吸附池使用改性磷吸附剂去除污水中剩余磷元素，在氮吸附池及磷吸附池进水处安装有加药装置，在两吸附池进水中添加缓释杀虫剂(如：噻虫嗪)，以抑制分子筛及改性磷吸附剂内微生物的生长，防止由于污泥滋生造成吸附池的堵塞；磷吸附池的出水导入光催化降解反应装置进行降解反应。

本发明的生物滤池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置及光催化降解反应装置的混合填料中和集水池内，纳米曝气头(盘)分别与一纳米曝气机连接。生物滤池、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光催化降解反应装置的纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

本发明的生物滤池、氮吸附池、磷吸附池底端开设有排泥口，该排泥口呈15-45度锥角。

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16左上角增压泵12、曝气管17并间歇开启多孔板上方纳米曝气头3B，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10、第一闸阀33，开启第三阀门32、第二阀门11，启动三级反冲筛滤装置16右下角增压泵12、曝气管17及两个纳米曝气机头3B\3C，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16右下角增压泵12、多孔板下方纳米曝气头3C、第三阀门32、第二阀门11，开启第一阀门10、第一闸阀33，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10、第一闸阀33，开启第三阀门32、第二阀门11，启动三级反冲筛滤装置16右下角增压泵12、曝气管17及两个纳米曝气头3B\3C、超声波发生仪42，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。

本发明的碳掺杂的纳米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，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。

本发明的纳米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)

1.一种逐级过滤污水处理的装置，主要由生物滤池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、氮吸附池、磷吸附池和光催化降解反应装置组成；其中：

生物滤池的底部开设有排泥口，生物滤池的内部位于排泥口上方设置有纳米曝气盘，纳米曝气盘上方设置有多孔板，多孔板上方为生物滤池，填充有砾石填料，生物滤池处理的出水导入纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置中；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接生物滤池的一端为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，中央为絮体拦截区，右边为絮体二次拦截区；主反应区内填充微涡流混凝器，内部上方有纳米曝气头；在主反应区的顶端有加药装置用以添加混凝剂，絮体拦截区内铺设有斜管用于絮体拦截沉淀；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，立体网状结构填料底部设置出水口连接三级反冲筛滤装置；

三级反冲筛滤装置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集水池两个部分；三级反冲筛滤装置内的集水池与水池两部分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装置破裂甚至爆炸；

多孔网格为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网，多孔网格的下方设置有紧密排列的圆筒状的分流仓分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格，多孔网格上方安放有纳米曝气头埋设在填充的混合填料中，混合填料靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上；混合填料中安装有超声波发生仪；

分流仓下方的集水池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，底部安装有紫外灭菌灯，且紫外灭菌灯之间设置有O₃的曝气纳米曝气头，集水池内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置处理后的污水通过水泵输送至氮吸附池和磷吸附池；

氮吸附池和磷吸附池的结构是在吸附池的底部设有排泥口，吸附池内安装有多孔网格，氮吸附池内的多孔网格上方填充有粉煤灰合成分子筛，磷吸附池内的多孔网格上方填充有粉煤灰制备的分子筛作为改性磷吸附剂；在氮吸附池及磷吸附池进水处安装有加药装置，以在两个吸附池进水中添加缓释杀虫剂；经氮吸附池及磷吸附池处理后的污水直接导入光催化降解反应装置中；

光催化降解反应装置内壁负载一层非金属掺杂光催化剂，底部开设有排泥口，位于排泥口上方设置有纳米曝气盘，纳米曝气盘上设置有低压紫外汞灯框架，低压紫外汞灯框架上安装有紫外灭菌灯，紫外灭菌灯设有防水套筒，光催化降解反应装置内部剩余空间填充有半导体负载填料；光催化降解反应装置的出水口设置有筛网。

2.根据权利要求1所述的逐级过滤污水处理的装置，其中，生物滤池内的砾石粒径为15-30mm。

3.根据权利要求1所述的逐级过滤污水处理的装置，其中，三级反冲筛滤装置内的混合填料选取石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，体积混合比例为9∶3∶1，过滤精度为0.4-1.5mm。

4.根据权利要求1所述的逐级过滤污水处理的装置，其中，生物滤池、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置及光催化降解反应装置的筛滤池和集水池内，纳米曝气头/盘分别与一纳米曝气机连接。

5.根据权利要求1或4所述的逐级过滤污水处理的装置，其中，生物滤池、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光催化降解反应装置的纳米曝气头进气为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所述的逐级过滤污水处理的装置，其中，生物滤池、氮吸附池、磷吸附池底端开设的排泥口呈15-45度锥角。

7.根据权利要求1所述的逐级过滤污水处理的装置，其中，氮吸附池内填充的粉煤灰合成分子筛粒径为5mm；磷吸附池内填充的改性磷吸附剂粒径为5mm。

8.根据权利要求1所述的逐级过滤污水处理的装置，其中，氮吸附池及磷吸附池的加药装置内添加的缓释杀虫剂为噻虫嗪。

9.利用权利要求1所述逐级过滤污水处理的装置进行污水处理的方法：

污水经生物滤池的砾石填料的过滤，部分胶状悬浮物得以截留，同时砾石填料表面形成的生物膜上的微生物摄取、分解水中的有机物、氮、磷营养物质，净化水质；

出水导至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内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的污水进入氮吸附池和磷吸附池；

同时三级反冲筛滤装置的部分出水回流至生物滤池，调节水质并刺激微生物生理活动，筛选形成具有分子筛的离子交换功能的颗粒活性基团；

氮吸附池利用分子筛填料的吸附及离子交换作用吸附污水中剩余的氮及一部分磷；磷吸附池使用改性磷吸附剂去除污水中剩余磷元素，在氮吸附池及磷吸附池进水处安装有加药装置，在两吸附池进水中添加缓释杀虫剂，以抑制分子筛及改性磷吸附剂内微生物的生长，防止由于污泥滋生造成吸附池的堵塞；磷吸附池的出水导入光催化降解反应装置内进行光催化降解反应。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，氮吸附池及磷吸附池的加药装置内添加的缓释杀虫剂为噻虫嗪。