CN105692800A - 一种废水处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种废水处理装置及方法，该装置包括铁碳微电解反应池，所述铁碳微电解反应池内通过阳离子交换膜分隔成用于储存无机酸的储酸区和用于进行铁碳微电解反应的废水处理区；所述储酸区的顶部设有进酸口，底部设有曝气装置和排酸口；所述废水处理区的顶部设有进液口，底部设有曝气装置、排水口，内部填装有铁碳微电解填料。本发明装置通过阳离子交换膜分隔成储酸区和废水处理区，通过储酸区内无机酸中的H+与废水处理区内的NH4 +、K+、Na+等阳离子进行交换，为废水处理区内的微电解反应提供H+，强化了废水的脱色脱碳反应，提高了废水的可生化性，节约了额外添加碳源的成本，同时也实现了同步脱氮，提高了废水的处理效率。

Description

一种废水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种废水处理装置及方法。
背景技术
畜禽养殖废水属于高浓度有机废水，具有高COD、高氮的特性。目前，我国农村普遍采用沼气发酵池来处理畜禽养殖废水，经过厌氧消化后产生的废水仍含有高浓度的COD和氨氮，并且C/N、B/C较低，属于可生化性较差的污水；所以，使用常规的活性污泥法、接触氧化法等好氧生物处理技术很难达到COD、氨氮的有效去除，尤其表现在废水中COD很大一部分为难降解COD，可生化性较差导致去除困难，以及生物脱氮过程中反硝化阶段碳源不足，需要额外添加乙酸钠等有机碳源，造成处理成本大大增加，并且废水经过生物好氧处理后色度往往无法去除，甚至有所上升。
垃圾渗滤液同样是一种难降解的高浓度有机废水，与沼液类似，具有高COD、高氨氮、高色度的特性，C/N、B/C较低，可生化性较差，此外还可能含有重金属，目前采用针对传统生活污水的生化处理技术很难有效处理。
目前，针对低C/N污水提高其脱氮效果的手段主要有添加有机碳源和降低氨氮浓度。
对于第一种手段，王兰等人的研究发现：传统活性污泥法、接触氧化是早期废水好氧处理的主要工艺，脱氮效果差；序批式反应器、缺氧-好氧工艺、膜生物反应器是近年的主要处理工艺，尽管具有较好的脱氮潜力，但是，废水中须补充有机碳源之后，才能获得好的脱氮效果(王兰,邓良伟,王霜,等.畜禽养殖废水厌氧消化液好氧处理研究与应用现状.中国沼气,2015,33(5):3-10.)。
对于第二种手段，在已有的发明名称为《一种水中氨氮富集方法及装置》，申请号为201310269355.6的专利申请文献中公开了一种污水处理装置，采用电驱动的方式，在单一处理单元中使用膜组件对水中有机物和氨氮分别进行分离和富集，使得系统出水含有较高浓度的氨氮和较低浓度的有机物，从而使原水中的C/N提高，这在一定程度上克服了生物处理工艺中反硝化阶段碳源不足的问题。但其使用阳离子交换膜分离污水中的氨氮需要电作为驱动力，能耗成本较高，不利于推广。
厌氧发酵后的废水不仅C/N较低，B/C也较低，COD中很大一部分为难降解COD，即使经过膜的富集作用也很难满足反硝化脱氮阶段微生物对有机碳源的需求。
铁碳微电解技术是利用原电池原理，以材料的铁为阳极，碳为阴极，当废水流经铁碳微电解材料时形成无数原电池微电流，从而形成对废水中有机物的氧化还原能力，降解COD，提高废水的可生化性，提高B/C，并且对废水的色度有较好的脱除效果。
该技术不需外加电场，能耗较低。中性条件下，阳极(Fe)反应式为：Fe-2e→Fe2+，E0(Fe2+/Fe)＝-0.44V，阴极(C)反应式为：2H++2e→2[H]→H2↑，E0(H+/H2)＝0.00V，此时铁碳较易钝化；而在曝气充氧、酸性条件下阴极(C)反应式为：O2+4H++4e→2H2O，E0(O2)＝1.23V，此时原电池电位差变大，铁碳微电解的氧化还原能力增强，且不易钝化，故铁碳微电解工艺适用于酸性废水的处理，对中性或偏碱性废水一般要用酸将pH调至酸性。
申请公布号为CN102276108A的发明专利申请文献公开了一种畜禽沼液净化装置和方法，该装置按先后顺序依次为调节池，接触氧化池，絮凝沉淀池加药区、反应区和沉淀区，铁碳微电解池和消毒澄清池；其中，调节池与接触氧化池、絮凝沉淀池沉淀区与铁碳微电解池之间以进水管连通且有控制阀，絮凝沉淀池沉淀区与铁碳微电解池之间另装有水泵，接触氧化池中装有填料和曝气装置，由曝气机供氧，铁碳微电解池中亦安装曝气装置。该装置通过好氧生物处理，去除废水中可以被生物降解的部分有机物，同时去除氨氮，而后以絮凝沉淀和铁碳微电解进一步去除大部分悬浮固体物以及难降解有机物，完成废水的净化处理，最后消毒澄清后出水。
于洪锋研究了微曝气铁碳微电解法对垃圾渗滤液进行预处理，结果表明，只有当铁碳质量比为5:1，并调节废水pH＝4时，垃圾渗滤液的COD去除率达41.38％，氨氮去除率达36.32％(于洪锋.铁碳微电解预处理垃圾渗滤液的研究[J].轻工科技,2013,8:100-101.)。
但是，采用上述装置进行废水处理的过程中，需要额外向铁碳微电解池中添加有机碳源，或调节池内废水的pH值，且废水处理效果不佳。
发明内容
本发明提供了一种废水处理装置及方法，该装置无需额外添加有机碳源、调节废水pH值，可有效同步降低废水中氨氮和COD浓度，提高废水去除效率。
一种废水处理装置，包括铁碳微电解反应池，所述铁碳微电解反应池内通过阳离子交换膜分隔成用于储存无机酸的储酸区和用于进行铁碳微电解反应的废水处理区；
所述储酸区的顶部设有进酸口，底部设有曝气装置和排酸口；所述废水处理区的顶部设有进液口，底部设有曝气装置和排水口，内部填装有铁碳微电解填料。
所述废水包括畜禽沼液废水和垃圾渗滤液。
在阳离子交换膜的作用下，储酸区内无机酸中的H+与废水处理区内的NH4 +、K+、Na+等阳离子，会发生离子交换，使得H+进入废水处理区，增大了废水处理区内形成的原电池的电位差，参与并强化了铁碳微电解的脱色脱碳反应，避免了铁碳在碱性条件下反应易钝化的缺点。
上述反应原理为：阳极(Fe)反应式为：Fe-2e→Fe2+，E0(Fe2+/Fe)＝-0.44V；曝气充氧酸性条件下，阴极(C)反应式为：O2+4H++4e→2H2O，E0(O2)＝1.23V。
与此同时，废水处理区内的NH4 +与H+发生离子交换，进入储酸区，达到脱氮的效果。因此，上述装置达到了废水同步脱氮、脱色、脱碳的效果。
所述阳离子交换膜可以采用强酸性阳离子交换膜(如磺酸型膜)、中强酸性阳离子交换膜(如磷酸型膜)和弱酸性阳离子交换膜(如羧酸型膜)。
作为优选，所述的阳离子交换膜为聚乙烯异相阳离子交换膜。
具体地，所述聚乙烯异相阳离子交换膜是以聚乙烯为粘合剂，由苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂经混料拉片、网布增强热压而成。
作为优选，所述阳离子交换膜的厚度为0.38～0.46mm，爆破强度≥0.4MPa，选择透过率≥90％。
进一步地，除所述阳离子交换膜的上部外，所述阳离子交换膜的其余外周均设有硅胶垫片；所述硅胶垫片的厚度为0.5～1.5mm；硅胶垫片的设置能够保证储酸区和废水处理区之间无液体交换，进而保证废水的高效处理。
所述铁碳微电解填料可采用扁圆形填料或球形填料。若采用扁圆形填料，尺寸为1×3cm～3×4.5cm。
作为优选，所述铁碳微电解填料为球形，粒径为3～18mm。
更优选，所述铁碳微电解填料的粒径为3～5mm，堆密度1.5g/cm，比表面积>1.2m2/g，孔隙率>30％，简压强度>3MPa。
作为优选，所述铁碳微电解填料中，铁与碳的质量比为1.2～2:1。
作为优选，所述铁碳微电解填料在废水处理区内的填充率为30～70％。
更优选，所述储酸区与废水处理区的体积比为0.3～2：1。
本发明所述无机酸为盐酸、硝酸、硫酸中一种；更优选，硫酸；所述无机酸在储酸区内的质量浓度为0.5～20％。
上述装置中的酸液能够循环利用，直到储酸区内酸液的pH>1，则经排酸口排出更换新的酸液。当每kg铁碳累积处理废水500～1000L时，通过废水区底部的反冲洗装置进行反冲洗，反应剩余的碳粉经排泥口排出，并补加5～15％(质量分数)新鲜铁碳微电解材料。
本发明还提供了一种利用所述装置处理畜禽沼液或垃圾渗滤液的方法，包括：将无机酸通入储酸区内，将畜禽沼液或垃圾渗滤液通入废水处理区内；控制储酸区内的间歇曝气频率为每间隔3～8min曝气3～8min，气水比为0.5～2:1，控制废水处理区内持续曝气，气水比为1～6:1，直至获得出水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明装置通过阳离子交换膜分隔成储酸区和废水处理区，通过储酸区内无机酸中的H+与废水处理区内的NH4 +、K+、Na+等阳离子进行交换，为废水处理区内的微电解反应提供H+，在无需调节废水pH的情况下，强化了废水的脱色脱碳反应，提高了废水的可生化性，为微生物反硝化脱氮提供了充足的有机碳源，节约了额外添加碳源的成本，同时也实现了同步脱氮，提高了废水的处理效率。
(2)本发明装置结构简单、处理高效、成本低廉，便于实际操作运行。
附图说明
图1为本发明废水处理装置的结构示意图；
其中，1为进酸泵，2为进酸口，3为储酸区，4为储酸区内的曝气盘，5为排酸口，6为阳离子交换膜，7为进液泵，8为进液口，9为废水处理区，10为铁碳微电解填料，11为硅胶垫片，12为排水口，13为填料支承层，14为废水处理区的曝气盘，15为反冲洗进水口，16为反冲洗泵，17为排泥口。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明废水处理装置进行详细的描述。
如图1所示，一种废水处理装置，包括铁碳微电解反应池，该反应池被阳离子交换膜6左右分隔成用于储存无机酸的储酸区3和用于进行铁碳微电解反应的废水处理区9。
其中，储酸区3的顶部侧壁上开有进酸口2，无机酸液经进酸泵1泵至进酸口2进入储酸区3内。储酸区3的底部侧壁上开有排酸口5，用于排出NH4 +含量较高的酸液。储酸区3内的底部安装有曝气盘4，通过间歇曝气能够起到搅拌的作用，防止处理时间延长后阳离子交换膜两侧出现的浓差极化现象，增大离子交换效率；当然，也可在储酸区3内安装搅拌装置，进行酸液的搅拌。
废水处理区9的顶部侧壁上开有进液口8，废水经进液泵7泵至进液口8进入废水处理区9内。废水处理区9的底部侧壁上开有排水口12，用于排出处理后的出水。废水处理区9的底部也安装有曝气盘14，通过持续曝气为废水处理区9内进行的铁碳微电解反应提供氧气。在废水处理区9内曝气盘14的上部，固定安装有填料支承层13，填料支承层13上堆放有铁碳微电解填料10，废水进入废水处理区9内与铁碳微电解填料10接触，进行铁碳微电解反应。
为能够保证储酸区和废水处理区之间无液体交换，进而保证废水的高效处理，除阳离子交换膜的上部，其余外周设置的硅胶垫片11。为便于清洗废水处理区9内铁碳微电解填料，在废水处理区9的底部设置反冲洗进水口15，并与反冲洗泵16连接；在废水处理区9的顶部设有排泥口17。
实施例1
本实施例采用上述装置进行畜禽沼液的处理；
其中，上述装置中，储酸区与废水处理区的体积比为1:1；硅胶垫片的厚度为1mm；铁碳微电解填料在废水处理区内的填充率为60％；铁碳微电解填料是在废水中浸泡钝化48h的粒径在3～5mm的球状填料，该球状填料的堆密度为1.5g/cm，比表面积为2m2/g，孔隙率为35％，简压强度为4MPa；上述铁碳微电解填料中，铁与碳的质量比为1.5:1。
阳离子交换膜是聚乙烯异相阳离子交换膜，是以聚乙烯为粘合剂，由苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂经混料拉片、网布增强热压而成；阳离子交换膜6的厚度为42mm，爆破强度为0.4MPa，选择透过率93％。
对畜禽沼液进行处理，畜禽沼液中COD为1250mg/L、BOD为198mg/L、NH4 +-N为938mg/L、色度为944、B/C为0.158、C/N为1.33。
具体步骤如下：
(1)将质量浓度为10％的硫酸通入储酸区内，同时将畜禽沼液通入废水处理区内；
(2)控制储酸区内的间歇曝气频率为每间隔5min曝气5min，气水比为0.5:1；同时控制废水处理区内持续曝气，气水比为5:1；
(3)经2h的处理后，获得出水。
测定出水的水质，结果为：COD为820mg/L、BOD为310mg/L、NH4 +-N为215mg/L、色度为135、B/C为0.378、C/N为6，废水中氨氮浓度大大降低，可生化性明显提高。
对比例1
采用与实施例1相同的装置处理与实施例1相同的畜禽沼液；与实施例1相比，差别在仅于在本对比例1采用的装置中，将废水处理区内的铁碳微电解填料换成体积大小基本相同的鹅软石，其余内容不变。
测定出水的水质，结果为：COD为1235mg/L、BOD为180mg/L、NH4 +-N为252mg/L、色度为940、B/C为0.145、C/N为4.9，废水中的氨氮浓度大大降低，但BOD和色度未发生明显变化，可生化性并未改善。
对比例2
采用与实施例1相同的装置处理与实施例1相同的畜禽沼液；与实施例1相比，差别在仅于在本对比例2采用的装置中，将储酸区内储存的酸液换成等体积的去离子水，其余内容不变。
测定出水的水质，结果为：COD为968mg/L、BOD为231mg/L、NH4 +-N为915mg/L、色度为460、B/C为0.239、C/N为1.06，废水中的氨氮无法去除，可生化性稍有提高。
实施例2
除仅采用球形的铁碳微电解填料、且粒径为14～18mm外，其余装置参数以及处理的废水均与实施例1相同。
测定出水的水质，结果为：COD为906mg/L、BOD为268mg/L、NH4 +-N为260mg/L、色度为280、B/C为0.296、C/N为3.48，废水中氨氮浓度大大降低，可生化性明显提高，但效果均不如实施例1。
实施例3
除废水区曝气量(气水比)改为1:1，其余装置参数以及处理的废水均与实施例1相同。
测定出水的水质，结果为：COD为974mg/L、BOD为231mg/L、NH4 +-N为311mg/L、色度为318、B/C为0.237、C/N为3.13，废水中氨氮浓度大大降低，可生化性明显提高，但效果均不如实施例1。
实施例4
采用与实施例1相同的装置和步骤处理垃圾渗滤液；垃圾渗滤液中COD为2160mg/L、BOD为263mg/L、NH4 +-N为1411mg/L、色度为968、B/C为0.122、C/N为1.53。
测定出水的水质，结果为：COD为1186mg/L、BOD为340mg/L、NH4 +-N为536mg/L、色度为385、B/C为0.287、C/N为2.21，废水中氨氮浓度大大降低，可生化性明显提高。

Claims (8)

1.一种废水处理装置，包括铁碳微电解反应池，其特征在于，所述铁碳微电解反应池内通过阳离子交换膜分隔成用于储存无机酸的储酸区和用于进行铁碳微电解反应的废水处理区；
所述储酸区的顶部设有进酸口，底部设有曝气装置和排酸口；所述废水处理区的顶部设有进液口，底部设有曝气装置、排水口，内部填装有铁碳微电解填料。
2.如权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述的阳离子交换膜为聚乙烯异相阳离子交换膜。
3.如权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述阳离子交换膜的厚度为0.38～0.46mm，爆破强度≥0.4MPa，选择透过率≥90％。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铁碳微电解填料为球形，粒径为3～18mm。
5.如权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述铁碳微电解填料中，铁与碳的质量比为1.2～2:1。
6.如权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述铁碳微电解填料在废水处理区内的填充率为30～70％。
7.如权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述储酸区与废水处理区的体积比为0.3～2:1。
8.一种利用权利要求1～7任一所述废水处理装置处理畜禽沼液或垃圾渗滤液的方法，其特征在于，包括：将无机酸通入储酸区内，将畜禽沼液或垃圾渗滤液通入废水处理区内；控制储酸区内的间歇曝气频率为每间隔3～8min曝气3～8min，气水比为0.5～2:1，控制废水处理区内持续曝气，气水比为1～6:1，直至获得出水。
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