CN104193084A

CN104193084A - 多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置及方法

Info

Publication number: CN104193084A
Application number: CN201410359487.2A
Authority: CN
Inventors: 王雷; 席北斗; 赵颖; 张列宇; 苏靖; 李丹; 黄彩红; 李鸣晓
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: CN104193084B

Abstract

一种多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置，主要包括：格栅机、多阶段进水垂直流土壤渗滤系统、中间调节池、涡轮筛滤池和出水池。本发明还公开了利用上述装置进行污水处理的方法。本发明占地面积小，运行方便，经过本发明处理的出水透明度高、水质好，不但可以灭杀病菌、虫卵等好氧生物，而且反应周期短、投资少、见效快。利用多阶段进水保证土壤渗滤系统深层碳源的充足，并利用涡轮筛滤池拦截剩余有机物与其他污染物质，深度净化污水，出水远超国家一级指标。

Description

多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置，具体地涉及一种用于去除污水中污染物质(如：有机物、无机物、微生物、重金属等)的装置。

本发明还涉及利用上述装置进行污水处理的方法。

背景技术

生物法处理污水现已非常普及，工艺也日趋成熟，但很多相关问题仍然未能解决，需继续深入研究，如生物法处理污水过程中常常发现碳源不足的状况。以土壤渗滤系统为例，污水在系统中向下运动过程中不断被微生物降解，在此过程中，常常发生由于碳源不足而导致污水处理情况不佳的现象，导致其处理效率不佳，

本发明结合生物法与物理法对污水进行有效处理，使用多阶段进水的方式改良土壤渗滤系统的处理效率，避免处理过程后期由于碳源不足，导致微生物衰减、死亡，污水处理效果差的现象产生。本发明占地面积小，运行方便，经过本装置处理的出水透明度高、水质好，不但可以灭杀病菌、虫卵等好氧生物，而且反应周期短、投资少、见效快。本发明设计一种独特的筛滤方法，筛滤出水同时进行类芬顿氧化氧化分解残余污染物，对生物处理出水进行深度处理，达到排放标准要求并适应环境容量要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置。

本发明还涉及一种利用上述装置快速去除污水中污染物质(如：有机物、无机物、微生物、重金属等)的方法。

为实现上述目的，本发明提供的处理污水的一种多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置，包括：

一格栅机，其处理的污水输入导入多阶段进水垂直流土壤渗滤系统中；

多阶段进水垂直流土壤渗滤系统设有一顶盖，顶盖下方自上而下依次为表面土壤层、过滤层和导水层，表面土壤层下不同高度的埋设有布水管进行多阶段进水，布水管的管径由上而下变小；经过多阶段进水垂直流土壤渗滤系统处理的污水导入中间调节池进行沉淀处理，沉淀后的上清液导入涡轮筛滤池中；

涡轮筛滤池由多孔板分为上、下两个部分；多孔板上方铺设一层复合填料，复合填料的底部设置有纳米曝气头，复合填料上方设置一涡轮，涡轮筛滤池连进水管一侧设置有缩口进水管，该缩口进水管设在涡轮的一侧上部；多孔板的下方为储水箱，储水箱的内壁均匀负载一层非金属掺杂光催化剂，储水箱的底部安装有紫外灭菌灯，在紫外灭菌灯的空隙间设置有纳米曝气头，储水箱内剩余空间填充有半导体负载填料；储水箱通过反冲洗管道连接一缩口反洗管，缩口反洗管的出水口位于复合填料的表面；

涡轮筛滤池的出水进入出水池，出水池通过一反冲洗泵连接缩口反洗管。

所述的污水处理装置，其中，布水管为钻孔PVC套管。

所述的污水处理装置，其中，表面土壤层为砂土混合物，并添加有赤泥分子筛，用于缓冲、富集、重金属截留、土壤过滤以及栽种植物；过滤层为无纺布，防止上层土壤、砂石的移动，造成导水层的堵塞；导水层铺设有填料粒径为20mm-60mm的砾石和石灰石混合填料，用于磷的固化以及污水的再度净化，砾石与石灰石布设体积比例为1:1-9。

所述的污水处理装置，其中，多阶段进水垂直流土壤渗滤系统底部设有i＝0.1-0.5的坡度，以保证污水自导水层顺利流出。

所述的污水处理装置，其中，涡轮筛滤池内的复合填料为粒径0.5-1.0mm的石英砂以及锰砂的混合物。

所述的污水处理装置，其中，涡轮筛滤池内的两纳米曝气头各自连接一纳米曝气机。

本发明提供的利用上述装置进行污水处理的方法：

格栅机将待处理的污水进行格栅处理，将污水中的固体以及大于格栅孔径的固体悬浮物进行分离、拦截，降低污水处理难度，经过格栅处理的污水导入多阶段进水垂直流土壤渗滤系统；

多阶段进水垂直流土壤渗滤系统呈封闭厌氧环境，在填料作用下，截留、沉淀污水中的大颗粒杂质；在微生物作用下，污水中的大分子有机物厌氧分解，提高废水可生化性，减小对后续工艺的负荷强度，同时为生物处理提供碳源；

污水在多阶段进水垂直流土壤渗滤系统中向下运动过程中不断被微生物降解；多阶段进水垂直流土壤渗滤系统采用多阶段进水，在处理过程中提供碳源，提高污水处理效率；同时布水管的管径由上而下变小，水量依次减少，防止提高处理效率的同时降低处理效果；

经过多阶段进水垂直流土壤渗滤系统处理的污水导入中间调节池进行沉淀处理，沉淀后的上清液导入涡轮筛滤池中；

在涡轮筛滤池的缩口进水管的作用下，污水喷向池内并带动涡轮转动，扰动填复合料表层，使涡轮筛滤池内的污水呈现涡流状态，使污水自复合填料缝隙通过填料层；涡轮筛滤池的复合填料底部设置的纳米曝气头采用O₃曝气，增加气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中；纳米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；且纳米级的O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于涡轮筛滤池，提高氧化效果，提高·OH产生率；经涡轮筛滤池处理的污水达到排放标准。涡轮筛滤池的出水回流至多阶段进水垂直流土壤渗滤系统进水，调节水质并刺激植物生长过程分泌次生物质。

所述的方法，其中，紫外灭菌灯平均照射剂量在300J/m²以上。

本发明的积极效果是：

本发明结合生物法与物理法对污水进行有效处理，使用多阶段进水的方式改良土壤渗滤系统的处理效率，避免处理过程后期由于碳源不足，导致微生物衰减、死亡，污水处理效果差的现象产生。其中涡轮筛滤池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。本发明占地面积小，运行方便，经过本发明处理的出水透明度高、水质好，不但可以灭杀病菌、虫卵等好氧生物，而且反应周期短、投资少、见效快。本发明设计一种独特的筛滤方法，筛滤出水同时进行类芬顿氧化氧化分解残余污染物，对生物处理出水进行深度处理，达到排放标准要求并适应环境容量要求。

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格栅机；2进水管；3布水管；4多阶段进水垂直流土壤渗滤系统；5顶盖；6表面土壤层；7过滤层；8导水层；9中间调节池；10液压泵；11缩口进水管；12涡轮筛滤池；13涡轮；14缩口反洗管；15储水池；16反冲洗管道；17反洗泵；18出水池；19紫外灭菌灯；20多孔板；20A复合填料；20B、21纳米曝气头；22半导体负载填料；23储水箱；24纳米曝气机；25超声波发生仪；26曝气管；27回流槽。

具体实施方式

请参阅图1。本发明的多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置，其主要结构包括：

格栅机1对待处理污水进行格栅处理，将出水中的大型固体，以及大于格栅孔径的固体悬浮物分离、拦截，降低污水处理难度，经过格栅处理的污水通过进水管2导入多阶段进水垂直流土壤渗滤系统4。

多阶段进水垂直流土壤渗滤系统4设有一顶盖5，将多阶段进水垂直流土壤渗滤系统4形成封闭厌氧环境。顶盖5下方自上而下依次为表面土壤层6、过滤层7和导水层8。表面土壤层6亦是进水层，由埋设在表面土壤层6下不同高度的布水管3进行多阶段进水，布水管3采用多个钻孔PVC套管，布水管3的管径由上而下地变小，使进水量依次减少，防止污水向下渗滤处理过程中碳源不足，造成硝化反硝化效果减弱，污水处理效率降低的现象产生。表面土壤层6为厚1m的砂土混合物，用于缓冲、富集、重金属截留、土壤过滤以及栽种植物，砂石与土壤按照1:2-5的比例混合，在便于植物根系生长的同时，其大粒径构成的孔隙率促进了污水的流动。过滤层7为厚度30mm的无纺布，防止上层土壤、砂石的移动，造成导水层8的堵塞；导水层8厚50mm，其填料粒径为20mm-60mm的砾石和石灰石混合填料，用于磷的固化以及污水的再度净化，以便于污水的导出，砾石与石灰石布设比例为1:1-9。多阶段进水垂直流土壤渗滤系统4的底部设有i＝0.1-0.5的坡度，以保证污水自导水层顺利流出。经过多阶段进水垂直流土壤渗滤系统4处理的污水导入中间调节池9进行沉淀处理。沉淀后的上清液导入涡轮筛滤池12中。赤泥分子筛用于大量吸附污染负荷并逐渐缓释，用于降低污染负荷和毒性，同时利用偏碱性的赤泥分子筛作为填料，迅速吸附中和厌氧部分酸化产生的小分子酸，调节污水酸碱度，使装置内环境更适宜植物、微生物生存；同时营造偏碱性环境固定污水中的重金属，防止其浸出，利用小分子有机物供给植物养分，在植物生长过程中吸附、吸收重金属进行重金属生物稳定化。所有的填料表面形成生物膜，由上至下形成好氧、缺氧、厌氧状态，在植物根系与微生物的协同作用下去除污水中的污染物质。

涡轮筛滤池12由多孔板20(两层多孔板夹杂一层钢纱网)分为上、下两个部分。多孔板20上方铺设一层复合填料20A，该复合填料20A可以选择直径0.5-1.0mm的石英砂以及锰砂的混合物，用以去除重金属。复合填料20A的底部设置有纳米曝气头20B，复合填料20A上方设置一涡轮13，涡轮筛滤池12连接进水管一侧设置有缩口进水管11，该缩口进水管11设在涡轮13的一侧上部；多孔板20的下方为储水箱23，储水箱23的内壁均匀负载一层非金属掺杂光催化剂，储水箱23的底部安装有紫外灭菌灯19，在紫外灭菌灯19的空隙间设置纳米曝气头21，储水箱23内剩余空间填充有半导体负载填料22(如纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯填料)，本发明将填料固定在载体上，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。储水箱23通过反冲洗管道16连接一缩口反洗管14，缩口反洗管14的出水口位于复合填料20A的表面。

涡轮筛滤池12内的纳米曝气头20B和21分别与一纳米曝气机连接，且涡轮筛滤池多孔板20上方的纳米曝气头20B进气为O₂，储水箱内的纳米曝气头21进气为O₃。使用涡轮筛滤池12时，储水箱内的纳米曝气头21不连续工作，产生的空气自多孔板20向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散复合填料20A上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在涡轮13转动时向右(图示方向)推力的协同作用下，使复合填料20A截留的污染物集中排除涡轮筛滤池12外，与涡轮筛滤池12的进水混合重新处理。可以延长涡轮筛滤池12的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。

涡轮筛滤池12内的纳米曝气头21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；且纳米级的O₃气泡与紫外灭菌灯(紫外灭菌灯平均照射剂量在300J/m²以上)、半导体负载填料共存于涡轮筛滤池16，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率。

涡轮筛滤池12的储水池出水通过一液压泵与出水池18相连，该出水池18又通过一反洗泵17与涡轮筛滤池12的缩口反洗管14相连接。

本发明利用上述装置进行污水处理的过程是：

格栅机对待处理污水进行格栅处理，将出水中的大型固体，以及大于格栅孔径的固体悬浮物分离、拦截，降低污水处理难度，经过格栅处理的污水导入多阶段进水垂直流土壤渗滤系统。

多阶段进水垂直流土壤渗滤系统呈现封闭厌氧环境，在系统内填料作用下，截留、沉淀污水中的大颗粒杂质；在系统内微生物作用下，污水中的大分子有机物厌氧分解，提高废水可生化性，减小对后续工艺的负荷强度，同时为生物处理提供碳源。

污水在系统中向下运动过程中不断被微生物降解，在此过程中，常常发生由于碳源不足而导致污水处理情况不佳的现象，多阶段进水垂直流土壤渗滤系统采用多阶段进水的方式，垂直布设多段进水管及布水管，在处理过程中不断提供碳源，提高污水处理效率；同时采用的布水管由上而下管径变小，水量依次减少，防止提高处理效率的同时降低处理效果。

经过多阶段进水垂直流土壤渗滤系统处理的污水导入中间调节池进行沉淀处理。沉淀后的上清液导入涡轮筛滤池中。

在液压泵及涡轮筛滤池的缩口进水口的协同作用下，污水高速的喷向池内旋流，带动旋流转动，扰动填料表层，使池内污水呈现涡流状态，保证污水自填料缝隙快速通过填料层，流入下方储水池。

反冲洗过程中，反洗泵通过反冲洗管道向储水池充水，储水池在充水过程中，液面上的空气被强力挤压，通过多孔板上升至填料层，使填料呈现沸腾流动状态；储水池内空气排空后，水流继续通过多孔板孔洞向上高速流动，使填料保持沸腾状态；同时在反洗泵和缩口进水管的协同作用下，污水高速的喷向池内旋流，带动旋流转动，使池内污水及填料呈现涡流状态。整个装置的填料在水流旋涡的冲击力下相互摩擦，且填料上附着的有机污染物能够去除，有利于取得较为纯净的填料。

根据本发明的一个实施例，经过本发明深度净化的污水，其出水远超国家一级指标。

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，开启曝气管26并间歇开启多孔板下方纳米曝气机24，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涡轮转动时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。此时关闭缩口进水管11的阀门以及涡轮筛滤池12和出水池18之间的阀门，开启反洗泵17的阀门，启动反洗泵17、曝气管26及两纳米曝气机24，将出水池18内出水导入储水箱中。在回水压力的作用下，储水箱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、旋转扰动的波轮作用及填料下纳米曝气头的冲击力作用下，填料间隙的污染物质破碎浮起，又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27与初始进水混合，待水面快速下降。过滤速率重新稳定后，关闭反洗泵17的阀门、反洗泵17及两纳米曝气机24，开启缩口进水管11的阀门以及涡轮筛滤池12和出水池18之间的阀门，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。此时关闭缩口进水管11的阀门，开启涡轮筛滤池12和出水池18之间的阀门以及反洗泵17的阀门，启动反洗泵17、曝气管26、超声波发生仪25及两纳米曝气机24，将出水池内出水大量导入储水箱中。⑴储水箱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。本发明则是利用涡轮转动扰动填料表层，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。

Claims

1.一种多阶段进水垂直流土壤渗滤系统的污水处理装置，包括：

一格栅机，处理的污水输入导入多阶段进水垂直流土壤渗滤系统中；

2.根据权利要求1所述的污水处理装置，其中，布水管为钻孔PVC套管。

3.根据权利要求1所述的污水处理装置，其中，表面土壤层为砂土混合物，并添加有赤泥分子筛，用于缓冲、富集、重金属截留、土壤过滤以及栽种植物；过滤层为无纺布，防止上层土壤、砂石的移动，造成导水层的堵塞；导水层铺设有填料粒径为20mm-60mm的砾石和石灰石混合填料，用于磷的固化以及污水的再度净化，砾石与石灰石布设体积比例为1:1-9。

4.根据权利要求1所述的污水处理装置，其中，多阶段进水垂直流土壤渗滤系统底部设有i＝0.1-0.5的坡度，以保证污水自导水层顺利流出。

5.根据权利要求1所述的污水处理装置，其中，涡轮筛滤池内的复合填料为粒径0.5-1.0mm的石英砂以及锰砂的混合物。

6.根据权利要求1所述的污水处理装置，其中，涡轮筛滤池内的两纳米曝气头各自连接一纳米曝气机。

7.利用权利要求1所述装置进行污水处理的方法：

在涡轮筛滤池的缩口进水管的作用下，污水喷向池内并带动涡轮转动，扰动填复合料表层，使涡轮筛滤池内的污水呈现涡流状态，使污水自复合填料缝隙通过填料层；涡轮筛滤池的复合填料底部设置的纳米曝气头采用O₃曝气，增加气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中；纳米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；且纳米级的O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于涡轮筛滤池，提高氧化效果，提高·OH产生率；经涡轮筛滤池处理的污水达到排放标准。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，紫外灭菌灯平均照射剂量在300J/m²以上。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，涡轮筛滤池的出水回流至多阶段进水垂直流土壤渗滤系统进水，调节水质并刺激植物生长过程分泌次生物质。