CN104787974A - 除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，包括依次相连通的进水系统(4)、管道混合器(5)、曝气生物滤池(7)、臭氧氧化塔(11)和臭氧破坏系统(14)；还包括加药系统、空气供应系统(10)和臭氧供应装置(12)；加药系统与所述管道混合器(5)和进水系统(4)连接的一端相连通，空气供应系统(10)与所述曝气生物滤池(7)底部相连接，所述臭氧供应装置(12)与所述臭氧氧化塔(11)底部相连通。本发明还公开了一种废水除磷方法。本发明曝气生物滤池具有较好的除磷功能，且出水能与后续臭氧氧化单元形成催化氧化效果，具有除磷好，且有机污染物去除效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种除磷装置及其使用方法，具体涉及一种除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置及其使用方法。
背景技术
随着我国污水排放标准的逐渐提高，多数污水处理厂面临着提标改造的压力，技术经济可行的污水深度处理技术研发是目前污水处理领域的热点之一。由于污水厂二级生物处理出水的生化性较差，单独采用生化处理技术很难达标，物化和生化组合的处理技术是污水深度处理中常用的技术类型。
曝气生物滤池是一种常见的污水深度处理工艺，具有占地面积小、出水水质好、污泥产量少、操作性强等特点，在实际污水深度处理工程中得到了大量应用，也积累了大量的设计经验和运行参数。曝气生物滤池通过生物降解、吸附过滤、固液分离方式实现对二级出水的净化。由于曝气生物滤池通常只能去除掉废水中可生物降解的有机物，单独应用该工艺对含溶解性难生物降解的有机物废水的处理效果往往不佳。且很多污水厂不具有生物除磷的功能或者存在生物除磷运行不够稳定的问题，造成污水处理厂二级出水同时存在磷超标的问题。曝气生物滤池工艺以去除悬浮物和溶解性有机物为主，对磷去除效率相对低下。需要强化曝气生物滤池的除磷功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效、环保的除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置。
本发明还提供了一种废水除磷方法。
一种除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其中，除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置包括依次相连通的进水系统、管道混合器、曝气生物滤池、臭氧氧化塔和臭氧破坏系统，曝气生物滤池和臭氧氧化塔均为立式结构，曝气生物滤池中填充有过滤填料，臭氧氧化塔中填充有氧化填料，氧化填料为陶粒，管道混合器与曝气生物滤池底部相连通，臭氧氧化塔的一端设有出水口，另一端与曝气生物滤池顶部相连通，臭氧破坏系统与臭氧氧化塔顶部连通；除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置还包括加药系统、空气供应系统和臭氧供应装置；加药系统与管道混合器和进水系统连接的一端相连通，空气供应系统与曝气生物滤池底部相连接，臭氧供应装置与臭氧氧化塔底部相连通。
本发明除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其中，除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置包括反冲洗系统，反冲洗系统与管道混合器和曝气生物滤池连接的一端相连通。
本发明除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其中，管道混合器与曝气生物滤池之间设置有进水/反冲洗流量计，空气供应系统与曝气生物滤池之间设置有气体流量计；臭氧供应装置与臭氧氧化塔之间设有臭氧气体流量计；加药系统由依次连通的加药池、加药泵和加药流量计组成。
本发明除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其中，过滤填料为陶粒，填充率为50％，臭氧氧化塔中陶粒填充率为30％～70％，空气供应系统为风机，臭氧供应装置为臭氧发生器。
本发明除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其中，曝气生物滤池顶部与臭氧氧化塔的顶部连通，臭氧氧化塔下部设有出水口。
本发明除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其中，臭氧气体流量计与臭氧氧化塔之间设有文丘里管，曝气生物滤池顶部依次连接有中间水池、氧化塔进水泵、氧化塔进水流量计，氧化塔进水流量计与文丘里管相连通；臭氧氧化塔上部设有出水口。
一种废水除磷方法，包括如下步骤：通过进水系统将废水注入管道混合器，同时通过加药系统将FeSO4水溶液注入管道混合器，FeSO4投加量为10-15mg FeSO4/mg TP，废水与FeSO4水溶液在管道混合器中充分混合后进入曝气生物滤池过滤，同时打开空气供应系统向曝气生物滤池中充入空气，曝气生物滤池中的气水比在1～3:1之间，空塔水力停留时间1～3h，将过滤完成的废水注入臭氧氧化塔同时打开臭氧供应装置，向臭氧氧化塔中充入臭氧，过滤后的废水在臭氧氧化塔中氧化，,臭氧氧化塔中臭氧投量为10～50mg/L，水力停留时间30～60min，待氧化完成后，将氧化完成的废水由臭氧氧化塔的出水口排出，臭氧由臭氧破坏系统破坏后排出。
一种废水除磷方法，包括如下步骤：通过进水系统将废水注入管道混合器，同时通过加药系统将FeSO4水溶液注入管道混合器，FeSO4投加量为10-15mg FeSO4/mg TP，废水与FeSO4水溶液在管道混合器中充分混合后进入曝气生物滤池过滤，同时打开空气供应系统向曝气生物滤池中充入空气，曝气生物滤池中的气水比在1～3:1之间，空塔水力停留时间1～3h，将过滤完成的废水注入中间水池，然后打开氧化塔进水泵将中间水池中的过滤后的废水通过文丘里管，同时打开臭氧供应装置，向文丘里管中充入臭氧，在文丘里管中将过滤后的废水和臭氧充分混合，过滤后的废水在臭氧氧化塔中氧化，臭氧投量为10～50mg/L，水力停留时间30～60min，待氧化完成后，将氧化完成的废水由臭氧氧化塔的出水口排出，臭氧由臭氧破坏系统破坏后排出。
本发明的技术原理如下：
FeSO4同步投加于在曝气生物滤池中，由于曝气和生物细胞表面活化能作用Fe2+被氧化成Fe3+，这类新生态的Fe3+极不稳定具有较高的自由能，可有效的生成磷酸盐沉淀，且Fe3+发生水解反应与聚合反应，生成多核羟基络合物。这些络合物具有正电荷，能降低水中胶体的ζ电位，使胶体脱稳，形成沉淀除磷，同时新生成的絮体沉淀物具有较高的吸附活性，可进一步去除废水中的其他污染物。
出水中残留的部分Fe2+可引发催化臭氧化反应，这是由于臭氧在Fe2+的存在下会分解形成具有强氧化作用的自由基，其自由基反应机理如下：
Fe2++O3→FeO2++O2 (1)
FeO2++H2O→Fe3++·OH+OH- (2)
因此曝气生物滤池和臭氧氧化单元和有机耦合形成催化臭氧化反应，提高有机物的去除效率，同时节省了传统催化剂填料的更换成本。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
FeSO4是一种比较廉价的金属盐，向废水中投加少量FeSO4，废水进入曝气生物滤池后Fe2+容易被氧化成Fe3+，可与水中的PO4 3-形成沉淀絮体，在滤料表面可被截留而去除，同时由于新生成的沉淀絮体具有较强的吸附作用，还可实现对废水中其他物质的去除。
臭氧是一种氧化能力极强的氧化剂，在碱性条件或有其他物质催化的情况下，臭氧在水中发生催化臭氧化反应，产生氧化性更强的羟基自由基等中间产物，通过夺氢反应、电子转移或自由基加成等方式将水中的有机物彻底矿化为二氧化碳和水。通常催化剂为负载过渡金属及其氧化物的固体填料，随着使用时间的延长，催化剂面临着活性下降，失活的问题，同时也存在稳定的消耗，需要定期更换，使得技术应用的成本十分昂贵。亟需研发更高效、廉价耐用的催化剂。
投加了FeSO4的曝气生物滤池出水中含有一定的Fe3+和Fe2+，这两种物质的存在容易引起臭氧催化氧化反应，形成两个单元的耦合，提高臭氧氧化对废水中有机物的去除率，同时不需要催化剂填料，可大大节约运行成本。
采用强化除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合工艺处理二级出水，投加了FeSO4的曝气生物滤池可强化磷的去除能力，同时出水中残留的Fe3+和Fe2+可使得下一臭氧氧化单元形成催化臭氧化反应，提高有机物去除效率，有效降低运行成本。
本发明除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置及其使用方法，是根据污水厂二级出水中磷超标和需要进一步去除溶解性有机物的需求，传统臭氧氧化工艺只能去除有机物而无法有效除磷，采用催化氧化工艺催化剂成本较高的特点，结合曝气生物滤池和臭氧氧化的特点，有序的将两个单元耦合：污水厂二级出水中投加适量Fe2+后，进入曝气生物滤池，由于曝气作用，将Fe2+氧化为Fe3+，容易与PO43-形成沉淀物被滤料截留下来，同时新生成的沉淀物絮体具有较强的活性，容易通过吸附作用去除部分COD，通过控制FeSO4的投加量，该单元出水TP浓度可达到1mg/L以下，对COD、NH4+-N和TN的去除较单纯的相同参数运行的曝气生物滤池也有5％-10％的提升，该单元有效的去除了后续氧化单元不能去除的TP，且由于曝气生物滤池的截留过滤作用，出水SS较低，适合作为后续臭氧氧化单元的进水。由于曝气生物滤池投加了Fe2+，经过氧化后部分被氧化为Fe3+，同时还残留部分Fe2+，两种价态的铁离子存在会使得臭氧氧化单元无需填加催化剂填料即可形成催化臭氧化反应，提高了该单元对溶解性有机物的去除效率，同时可大大节约运行的成本。经过研究和实际应用证明，采用本发明工艺的装置及相应的投药量、反应时间、气水比及填充比，处理后水质较好，总体运行费用低，采用别的参数无法达到本发明的效果。
为提高曝气生物滤池的除磷效果，投加的FeSO4为普通药剂，便宜易得，投量小，一般低于15mg/L，运行成本较低。
曝气生物滤池单元作为臭氧氧化单元的前端保障单元，由于投加的Fe2+经过曝气氧化后部分转化为Fe3+，形成相应的絮体沉淀具有截留和吸附作用，可提高曝气生物滤池对SS的去除效率，一般可去除二级出水中70％以上的微生物絮体，为后续的臭氧催化氧化单元提供水质较为稳定的进水，可降低臭氧的投加量。
曝气生物滤池中适量的FeSO4投加不会影响到曝气生物滤池本身的性能，且由于强化的截留吸附沉淀作用，Fe2+对微生物代谢的促进作用，COD、NH4+-N和TN的去除率较相同参数运行的曝气生物滤池提高5％-10％左右。
前段曝气生物滤池出水TP一般低于1mg/L，弥补了后续臭氧氧化单元不能有效去除总磷的缺点，最终出水TP也可以达标。
曝气生物滤池出水中残留的Fe2+和Fe3+进入臭氧氧化单元可引发催化臭氧化反应，两个单元可以有机耦合，有效降低该单元的处理效率和运行成本，且该单元可根据出水水质要求灵活调整臭氧投加量，使得整体工艺更加安全，技术性能得以保障。
臭氧氧化单元基本不产生污泥，总体组合工艺的污泥产生量较少。
下面结合附图对本发明除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置及其使用方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明中一种除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置结构示意图；
图2为本发明中另一种除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置包括依次相连通的进水系统4、管道混合器5、曝气生物滤池7、臭氧氧化塔11和臭氧破坏系统14，曝气生物滤池7和臭氧氧化塔11均为立式结构，曝气生物滤池7中填充有过滤填料，臭氧氧化塔11中填充有氧化填料，氧化填料为陶粒，管道混合器5与曝气生物滤池7底部相连通，臭氧氧化塔11的一端设有出水口，另一端与曝气生物滤池7顶部相连通，臭氧破坏系统14与臭氧氧化塔11顶部连通；除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置还包括加药系统、空气供应系统10和臭氧供应装置12；加药系统与管道混合器5和进水系统4连接的一端相连通，空气供应系统10与曝气生物滤池7底部相连接，臭氧供应装置12与臭氧氧化塔11底部相连通。
以上方案已经可以完成对废水的除磷及有机物去除，在此基础上给出优选方案：
除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置包括反冲洗系统6，反冲洗系统6与管道混合器5和曝气生物滤池7连接的一端相连通；管道混合器5与曝气生物滤池7之间设置有进水/反冲洗流量计8，空气供应系统10与曝气生物滤池7之间设置有气体流量计9；臭氧供应装置12与臭氧氧化塔11之间设有臭氧气体流量计13；加药系统由依次连通的加药池1、加药泵2和加药流量计3组成；过滤填料为陶粒，填充率为50％，臭氧氧化塔11中陶粒填充率为30％～70％，空气供应系统10为风机，臭氧供应装置12为臭氧发生器；曝气生物滤池7顶部与臭氧氧化塔11的顶部连通，臭氧氧化塔11下部设有出水口。
实施例2
如图2所示本实施例与实施例1的不同之处在于，臭氧气体流量计13与臭氧氧化塔11之间设有文丘里管18，曝气生物滤池7顶部依次连接有中间水池15、氧化塔进水泵16、氧化塔进水流量计17，氧化塔进水流量计17与文丘里管18相连通；臭氧氧化塔11上部设有出水口。
实施例3
一种采用实施例1中的除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置的废水除磷方法，包括如下步骤：通过进水系统4将废水注入管道混合器5，同时通过加药系统将FeSO4水溶液注入管道混合器5，FeSO4投加量为10-15mg FeSO4/mg TP，废水与FeSO4水溶液在管道混合器5中充分混合后进入曝气生物滤池7过滤，同时打开空气供应系统10向曝气生物滤池7中充入空气，曝气生物滤池7中的气水比在1～3:1之间，空塔水力停留时间1～3h，将过滤完成的废水注入臭氧氧化塔11同时打开臭氧供应装置12，向臭氧氧化塔11中充入臭氧，过滤后的废水在臭氧氧化塔11中氧化，,臭氧氧化塔11中臭氧投量为10～50mg/L，水力停留时间30～60min，待氧化完成后，将氧化完成的废水由臭氧氧化塔11的出水口排出，臭氧由臭氧破坏器14破坏后排出。
实施例5
一种采用实施例3中的除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置的废水除磷方法，包括如下步骤：通过进水系统4将废水注入管道混合器5，同时通过加药系统将FeSO4水溶液注入管道混合器5，FeSO4投加量为10-15mg FeSO4/mg TP，废水与FeSO4水溶液在管道混合器5中充分混合后进入曝气生物滤池7过滤，同时打开空气供应系统10向曝气生物滤池7中充入空气，曝气生物滤池7中的气水比在1～3:1之间，空塔水力停留时间1～3h，将过滤完成的废水注入中间水池15，然后打开氧化塔进水泵16将中间水池15中的过滤后的废水通过文丘里管18，同时打开臭氧供应装置12，向文丘里管18中充入臭氧，在文丘里管18中将过滤后的废水和臭氧充分混合，过滤后的废水在臭氧氧化塔11中氧化，臭氧投量为10～50mg/L，水力停留时间30～60min，待氧化完成后，将氧化完成的废水由臭氧氧化塔11的出水口排出，臭氧由臭氧破坏器14破坏后排出。
实施例6
某大型污水处理厂二级出水，平均COD为83.5mg/L，TP平均浓度为1.32mg/L，为进一步提高出水水质，采用强化除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合工艺进行了处理，FeSO4投量为6mg/L，曝气生物滤池气水比为3:1，空塔水力停留时间1h，出水COD为74.5mg/L，TP为0.43mg/L，而未加FeSO4采用相同参数运行的曝气生物滤池出水TP为1.23mg/L。出水中铁离子的20％-30％仍然以Fe2+形式存在。臭氧氧化塔填料为陶粒，填充比为50％，在臭氧投量为30mg/L，空塔停留时间为50min的情况下，出水COD低于50mg/L，去除率较处理未投加FeSO4曝气生物滤池出水在相同条件下氧化提高了10％左右。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其特征在于，所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置包括依次相连通的进水系统(4)、管道混合器(5)、曝气生物滤池(7)、臭氧氧化塔(11)和臭氧破坏系统(14)，所述曝气生物滤池(7)和臭氧氧化塔(11)均为立式结构，所述曝气生物滤池(7)中填充有过滤填料，所述臭氧氧化塔(11)中填充有氧化填料，所述氧化填料为陶粒，所述管道混合器(5)与所述曝气生物滤池(7)底部相连通，所述臭氧氧化塔(11)的一端设有出水口，另一端与所述曝气生物滤池(7)顶部相连通，所述臭氧破坏系统(14)与所述臭氧氧化塔(11)顶部连通；所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置还包括加药系统、空气供应系统(10)和臭氧供应装置(12)；所述加药系统与所述管道混合器(5)和所述进水系统(4)连接的一端相连通，所述空气供应系统(10)与所述曝气生物滤池(7)底部相连接，所述臭氧供应装置(12)与所述臭氧氧化塔(11)底部相连通。
2.根据权利要求1所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其特征在于，所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置包括反冲洗系统(6)，所述反冲洗系统(6)与所述管道混合器(5)和所述曝气生物滤池(7)连接的一端相连通。
3.根据权利要求2所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其特征在于，所述管道混合器(5)与所述曝气生物滤池(7)之间设置有进水/反冲洗流量计(8)，所述空气供应系统(10)与所述曝气生物滤池(7)之间设置有气体流量计(9)；所述臭氧供应装置(12)与所述臭氧氧化塔(11)之间设有臭氧气体流量计(13)；所述加药系统由依次连通的加药池(1)、加药泵(2)和加药流量计(3)组成。
4.根据权利要求3所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其特征在于，所述过滤填料为陶粒，填充率为50％，所述臭氧氧化塔(11)中陶粒填充率为30％～70％，所述空气供应系统(10)为风机，所述臭氧供应装置(12)为臭氧发生器。
5.根据权利要求1～4任意一种所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其特征在于，所述曝气生物滤池(7)顶部与所述臭氧氧化塔(11)的顶部连通，所述臭氧氧化塔(11)下部设有出水口。
6.根据权利要求1～4任意一种所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置，其特征在于，所述臭氧气体流量计(13)与所述臭氧氧化塔(11)之间设有文丘里管(18)，所述曝气生物滤池(7)顶部依次连接有中间水池(15)、氧化塔进水泵(16)、氧化塔进水流量计(17)，所述氧化塔进水流量计(17)与所述文丘里管(18)相连通；所述臭氧氧化塔(11)上部设有出水口。
7.一种采用权利要求5所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置的废水除磷方法，其特征在于，包括如下步骤：通过所述进水系统(4)将废水注入所述管道混合器(5)，同时通过所述加药系统将FeSO4水溶液注入所述管道混合器(5)，所述FeSO4投加量为10-15mgFeSO4/mg TP，所述废水与所述FeSO4水溶液在所述管道混合器(5)中充分混合后进入所述曝气生物滤池(7)过滤，同时打开所述空气供应系统(10)向所述曝气生物滤池(7)中充入空气，所述曝气生物滤池(7)中的气水比在1～3:1之间，空塔水力停留时间1～3h，将过滤完成的所述废水注入所述臭氧氧化塔(11)同时打开所述臭氧供应装置(12)，向所述臭氧氧化塔(11)中充入臭氧，所述过滤后的废水在所述臭氧氧化塔中氧化，所述臭氧氧化塔(11)中臭氧投量为10～50mg/L，水力停留时间30～60min，待氧化完成后，将所述氧化完成的所述废水由所述臭氧氧化塔(11)的出水口排出，臭氧由所述臭氧破坏系统(14)破坏后排出。
8.一种采用权利要求6所述除磷曝气生物滤池-臭氧催化氧化耦合装置的废水除磷方法，其特征在于，包括如下步骤：通过所述进水系统(4)将废水注入所述管道混合器(5)，同时通过所述加药系统将FeSO4水溶液注入所述管道混合器(5)，所述FeSO4投加量为10-15mgFeSO4/mg TP，所述废水与所述FeSO4水溶液在所述管道混合器(5)中充分混合后进入所述曝气生物滤池(7)过滤，同时打开所述空气供应系统(10)向所述曝气生物滤池(7)中充入空气，所述曝气生物滤池(7)中的气水比在1～3:1之间，空塔水力停留时间1～3h，将过滤完成的所述废水注入所述中间水池(15)，然后打开所述氧化塔进水泵(16)将所述中间水池(15)中的过滤后的废水通过所述文丘里管(18)，同时打开所述臭氧供应装置(12)，向所述文丘里管(18)中充入臭氧，在所述文丘里管(18)中将过滤后的废水和臭氧充分混合，所述过滤后的废水在所述臭氧氧化塔(11)中氧化，所述臭氧投量为10～50mg/L，水力停留时间30～60min，待氧化完成后，将所述氧化完成的所述废水由所述臭氧氧化塔(11)的出水口排出，所述臭氧由所述臭氧破坏系统(14)破坏后排出。
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