CN106865753A - 一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及处理方法 - Google Patents

一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及处理方法，该处理装置包括填充有好氧颗粒污泥的处理单元、进水管及出水管，处理单元包括上端部与外界连通的曝气升流管、用于向曝气升流管内曝气的曝气系统、污泥沉降管及设置在污泥沉降管上的用于分离颗粒污泥和水的出流分离装置，污泥沉降管的两端部分别与曝气升流管的上部和下部连通使得进水和颗粒污泥在污泥沉降管和曝气升流管内循环流动，进水管与污泥沉降管相连，出水管与出流分离装置相连。本发明的处理装置能够充分发挥好氧颗粒污泥技术的优越性，具有处理效率高、原位再生简便、适用范围较广、兼具生活污水处理功能。

Description

一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及 处理方法
技术领域
本发明涉及一种水处理方法，具体涉及一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置及处理方法，属于环保技术领域。
背景技术
纳米级微粒（nanoparticles，NPs）是指至少在一个维度上呈现纳米量级尺寸的微观颗粒。近年来，随着NPs广泛用于半导体、化妆品、纺织和印染等行业生产中，其中的一部分可能经污水收集、处理系统进入受纳水体中，带来潜在的生态安全风险。与天然水体中的悬浮物不同，NPs常具有更大的比表面积、更高的反应活性和更好的迁移性能，可以产生高活性氧（ROS），抑制生化反应中多种关键酶的活性，甚至破坏细胞结构的完整性，从而导致较高的微生物毒性。有研究表明，当进水中NPs浓度达到几十mg/L时，活性污泥的脱氮除磷等效能将会显著降低。
为了尽可能降低NPs对生化处理系统稳定性的冲击和对水生态环境的长期影响，需对含NPs废水进行预处理，常用方法包括：混凝沉淀、膜分离和生物吸附法等。其中，（1）混凝沉淀法是通过投加化学药剂，利用新形成的絮体裹夹、吸附NPs，最终经固液分离实现去除。该方法简单有效，但会显著提高处理水的盐度，不利于水的多次循环利用，同时还会产生较难处理的化学污泥。（2）超滤、纳滤等膜分离技术理论上能够高效去除水中的NPs。但当NPs和有机污染物浓度较高时，极易造成膜污染，导致膜分离效能的严重下降，因此，该类方法并不适合用作预处理工序。（3）传统活性污泥法对NPs具有较强的吸附、截留作用，但受制于较低的污泥浓度（MLVSS 1500~3000 mg/L），其势必不能长时间处理NPs浓度较高的废水。相比之下，采用沉降性能更好的好氧颗粒污泥可以使处理系统获得更高的污泥浓度和对NPs更好的去除效果。
需要注意的是，反应装置是进行污水处理的场所，也是决定处理效果的关键因素。现有的污水处理反应装置及其控制方法不是针对生物吸附过程而设计的，无法充分发挥好氧颗粒污泥的功能特性，高效、稳定地处理含NPs废水。
因此，如何创新反应装置构型设计及其控制方法是推动生物吸附法实用化的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置。
本发明同时还提供一种采用上述基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置处理废水的方法，其可充分发挥好氧颗粒污泥技术的优越性，具有处理效率高、原位再生简便、适用范围较广、兼具生活污水处理功能等优点。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，包括填充有好氧颗粒污泥的处理单元、连接在所述处理单元上的进水管及连接在所述处理单元上的出水管，所述处理单元包括上端部与外界连通的曝气升流管、用于向所述曝气升流管内曝气的曝气系统、污泥沉降管及设置在所述污泥沉降管上的用于分离颗粒污泥和水的出流分离装置，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管的上部和下部连通使得进水和颗粒污泥在所述污泥沉降管和曝气升流管内循环流动，所述进水管与所述污泥沉降管相连，所述出水管与所述出流分离装置相连。
优选地，所述曝气系统包括曝气头，所述曝气升流管包括曝气升流管本体、下端部与所述曝气升流管本体的上端部连接的渐扩管及上端部与所述曝气升流管本体的下端部连接的泥斗，所述渐扩管的上端部与外界连通，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管本体的上部和下部连通，所述曝气头设置在所述泥斗内，所述泥斗上连接有排泥管。
优选地，所述出流分离装置包括上端部与外界连通且下端部与所述污泥沉降管连通的出流管及设置在所述污泥沉降管内且位于所述出流管的下方的挡流板，所述出流管与所述出水管相连，所述挡流板用于阻挡颗粒污泥通过所述出流管流出所述污泥沉降管。
优选地，所述污泥沉降管至少有2个，所述至少2个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述处理装置具有处理废水和颗粒污泥再生二种工作状态，所述至少2个污泥沉降管中的一部分污泥沉降管用于处理废水用，另一部分污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管和所述颗粒污泥再生用的污泥沉降管上均分别设置有所述出流分离装置和进水管。
更优选地，所述污泥沉降管设置有4个，所述4个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述4个污泥沉降管中的其中一个污泥沉降管用于处理废水用，其他污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管的管径大于所述颗粒污泥再生用污泥沉降管的管径。
优选地，所述处理装置包括多个并联连接的所述处理单元，各所述处理单元上均连接有所述进水管和出水管，各所述处理单元包括有所述曝气升流管、曝气系统、污泥沉降管和岀流分离装置。
优选地，所述好氧颗粒污泥为灰白色的椭球形，其粒径为0.8~2.5 mm，5分钟SVI值约为28~35 ml/g。
本发明中，所述好氧颗粒污泥具有短程硝化-反硝化功能，微生物结构包括占细菌总数的比例为18~25%的异养反硝化菌、占细菌总数的比例为6~10%的氨氧化菌及占细菌总数的比例低于3%的亚硝酸盐氧化菌，所述异养反硝化菌包括Denitratisoma属、Flavobacterium属、Rhodobacter属和Zoogloea属，所述氨氧化菌以Nitrosomonas属为主，所述亚硝酸盐氧化菌以Nitrospira属为主，其他菌属还包括Anaerolineaceae属、Saprospiraceae属、Diaphorobacter属和Thauera属和Xanthomonadales属等。
本发明中，根据静态吸附试验可知，所述好氧颗粒污泥对纳米氧化锌、纳米零价铁（nZVI）和碳纳米管的单次最大吸附容量在69~178 mg/g MLVSS。
本发明采取另一技术方案是：
一种采用上述基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置处理废水的方法，所述方法包括处理废水的步骤，所述处理废水的步骤包括：在所述曝气升流管内填充好氧颗粒污泥，然后以所述曝气系统连续曝气和所述进水管连续进水的方式启动装置，启动后，待处理废水经所述污泥沉降管后与所述曝气升流管内的颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述岀流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与待处理废水混合后在所述处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述处理单元内的MLVSS浓度为7000~12000 mg/L。
本发明中，所述待处理废水的易降解有机物（BOD5）容积负荷优选为小于等于4.5kg/(m3·d)，氨氮容积负荷优选为小于等于1.5 kg/(m3·d)，pH优选为7.5~8.5，水温优选为15~30 ℃；处理单元的单次处理周期的时长优选为2~12 h。
当BOD5容积负荷低于0.9 kg/(m3·d)，或氨氮容积负荷低于0.3 kg/(m3·d)时，处理单元内的MLVSS浓度优选为7000~9000 mg/L，连续处理时间优选为2~3 h；当BOD5容积负荷在0.9~3.0 kg/(m3·d)，氨氮容积负荷在0.3~0.9 kg/(m3·d)时，处理单元内的MLVSS浓度优选为9000~10000 mg/L，连续处理时间优选为4~8 h；当BOD5容积负荷在3.0~4.5 kg/(m3·d)，氨氮容积负荷在0.9~1.5 kg/(m3·d)时，处理单元内的MLVSS浓度优选为9000~12000 mg/L，连续处理时间优选为8~12 h。
所述处理废水的步骤中，所述曝气升流管内的表面气速为0.8~1.2 m/s，溶解氧浓度为1.6~2.0 mg/L，污泥混合液的上升流速为0.3~0.6 cm/s。
所述处理废水的步骤中，当所述待处理废水中的NPs为生物抑制性较强的金属及其氧化物（如nZVI、AgO、TiO2和ZnO等）时，微粒浓度优选为30 mg/L以下；当待处理废水中的NPs为生物抑制性较弱的碳材料（如碳纳米管、氧化石墨烯等）时，微粒浓度优选为100 mg/L以下。
进一步地，所述方法还包括颗粒污泥再生的步骤，所述颗粒污泥再生的步骤包括：停止待处理废水进水，采用使颗粒污泥再生的再生用水进水，所述再生用水经所述污泥沉降管后与颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时所述污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述出流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与再生用水混合后在处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述再生用水的BOD5、氨氮容积负荷分别为2.0~4.0 kg/(m3·d)、0.8~1.4 kg/(m3·d)，BOD5/NH4 +-N比值为2~3:1。
更进一步地，所述处理单元的单次再生周期时长优选为处理周期时长的2倍。
更进一步地，所述曝气升流管内的表面气速为0.8~1.2 m/s，溶解氧浓度为1.6~2.0 mg/L，污泥混合液的上升流速为0.3~0.6 cm/s。
更进一步地，所述再生用水为人工配水或经预处理的实际生活污水。
更进一步地，所述再生用水的pH优选为7.5~8.5，水温优选为20~30 ℃。
更进一步地，所述颗粒污泥再生的步骤中，污泥停留时间优选为16~24d。
由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的处理装置采用曝气升流管和污泥沉降管的配合使用，颗粒污泥和水能够在曝气升流管和污泥沉降管内循环流动，同时在污泥沉降管内可以集中很高的污泥浓度，对微粒的吸附效果好。同时岀流分离装置的存在能够有效分离颗粒污泥和出水，有效淘洗装置中的絮状污泥。
本发明的处理装置通过曝气升流管和污泥沉降管的配合使用，为硝化菌和反硝化菌提供了良好的生长条件。曝气升流管内较强的水力剪切条件，有利于维持颗粒污泥的结构稳定。采用本发明的处理装置，当停止待处理废水进水，而采用使颗粒污泥再生的再生用水时，能够实现颗粒污泥的再生，所以本发明装置既能实现废水的处理还可实现颗粒污泥的再生。在废水处理状态，污泥沉降管能够对颗粒污泥起到一定的重力浓缩作用，有利于减少NPs的冲击效应。再生状态下，污泥沉降管能够使颗粒污泥尽量分散，确保后者与水中的生长基质充分接触。
采用本发明处理装置处理废水，处理单元中的MLVSS浓度达到了传统活性污泥法（典型值2000~2500 mg/L）的3~7倍以上。这使得本发明能够在较短的接触时间内高效去除进水中的NPs。
说明书附图
图1为本发明处理装置的结构示意图。
图2为本发明处理装置的处理单元的结构示意图（图1中的1-1断面）。
图3为本发明处理装置的处理单元的结构示意图（图1中的2-2断面）。
图中，10、曝气升流管；11、泥斗；111、曝气头；112、排泥管；12、渐扩管；13、曝气升流管本体；20、第一污泥降流管；30、第二污泥沉降管；40、第三污泥沉降管；50、第四污泥沉降管；22、出流分离装置；221、挡流板；222、出流管；60、进水管；70、出水管；80、阀门。
图4为实施例一使用的好氧颗粒污泥照片。
图5为实施例一使用的好氧颗粒污泥的微生物种群构成图。
图6为实施例一的处理装置的处理单元在处理废水阶段对纳米零价铁微粒的去除效果图。
图7为实施例一的处理装置的处理单元在再生阶段对再生用水中BOD5、氨氮和总氮的去除效果图。
图8为实施例二使用的好氧颗粒污泥的微生物种群构成图。
图9为实施例二的处理装置的处理单元在处理废水阶段对碳纳米材料微粒的去除效果图。
图10实施例二的处理装置的处理单元在再生阶段对再生用水中COD、BOD5、氨氮和总氮的去除效果图。
具体实施方式
如图1~3所示，本发明提供一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，该处理装置包括填充有好氧颗粒污泥的处理单元、连接在处理单元上的进水管60及连接在处理单元上的出水管70。
本具体实施方式中，该处理装置包括有多个并联连接的处理单元，各处理单元上均连接有进水管60和出水管70，本例中，处理单元设置有3个。
各处理单元包括上端部与外界连通的曝气升流管10、用于向曝气升流管10内曝气的曝气系统、污泥沉降管及设置在污泥沉降管上的用于分离颗粒污泥和水的岀流分离装置22，污泥沉降管的两端部分别与曝气升流管10的上部和下部连通使得进水和颗粒污泥在污泥沉降管和曝气升流管10内循环流动，进水管60与污泥沉降管相连，出水管70与岀流分离装置22相连。
曝气系统包括曝气头111，曝气升流管10包括曝气升流管本体13、下端部与曝气升流管本体13的上端部连接的渐扩管12及上端部与曝气升流管本体13的下端部连接的泥斗11，渐扩管12的上端部与外界连通，曝气头111设置在泥斗11内，泥斗11上连接有排泥管112，污泥沉降管的两端部分别与曝气升流管本体13的上部和下部连通。
具体地，曝气升流管本体13为圆管，其高径比为6~8:1；泥斗11为倒锥形，泥斗11的上端部截面直径与曝气升流管本体13的直径相同，泥斗11的高度约为曝气升流管本体13直径的0.6~0.8倍，侧边坡度为60度；渐扩管12的上端部截面直径大于下端部截面直径，渐扩管12的下端部截面直径与曝气升流管本体13的截面直径相同，上端部截面直径、下端部截面直径与高度比为1.5:1:1；曝气头111设置在泥斗11中部。
出流分离装置22包括上端部与外界连通且下端部与污泥沉降管连通的出流管222及设置在污泥沉降管内且位于出流管222下方的挡流板221，出流管222与出水管70相连，挡流板221用于阻挡颗粒污泥通过出流管222流出污泥沉降管。出流管222包括上端部与外界连通且下端部与污泥沉降管连通的出流管本体及与出流管本体上部相连的延伸段，延伸段的一端部穿过出流管本体且延伸至出流管本体内，且延伸段为自其所述一端部向另一端部由上至下延伸且向侧方弯折延伸形成的L型管，出水管70与延伸段相连。
本具体实施方式中，污泥沉降管至少有2个，至少2个污泥沉降管沿曝气升流管10周向分布，处理装置具有处理废水和颗粒污泥再生二种工作状态，至少2个污泥沉降管中的一部分污泥沉降管用于处理废水用，另一部分污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，处理废水用的污泥沉降管和颗粒污泥再生用的污泥沉降管上均分别设置有出流分离装置22和进水管60。
本例中，污泥沉降管设置有4个，4个污泥沉降管沿曝气升流管10周向分布，4个污泥沉降管分别为第一污泥沉降管20、第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50，第一污泥沉降管20用于处理废水用，第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50用于颗粒污泥再生用，第一污泥沉降管20的管径大于第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的管径。
本发明处理装置的各管道上均设置有阀门80，如电磁阀。
第一污泥沉降管20、第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均分别包括竖直设置的竖直管段、下端部与竖直管段的上端部相连的上支管段、上端部与竖直管段的下端部相连的下支管段，上支管段的包括一端部与曝气升流管本体13的上部相连的上水平段及上端部与上水平段的另一端部相连的上斜管段，上斜管段的下端部与竖直管的上端部相连，下支管段包括一端部与曝气升流管本体13的下部相连的下水平段及下端部与下水平段的另一端部相连的下斜管段，下斜管段的上端部与竖直管段的下端部相连。
具体地，第一污泥沉降管20各管段的设置：上支管段、下支管段的直径分别为曝气升流管本体13直径的0.5倍，上水平段的长度为曝气升流管本体13直径的0.6~1.0倍，并设有电磁阀；上斜管段的长度为曝气升流管本体13直径的0.8~1.0倍，管轴线与水平夹角为负30度；竖直管段的直径为曝气升流管本体13直径的0.5倍，高度约为曝气升流管本体13高度的0.7~0.8倍；下斜管段的长度为曝气升流管本体13直径的1.5~1.8倍，管轴线与水平夹角为60度；下水平管段长度为曝气升流管本体13直径的0.5~0.8倍，并设有电磁阀。
出流分离装置22和进水管60在第一污泥沉降管20上的具体设置：出流管222连接在竖直管段和上支管段的连接处，出流管222上端部高出曝气升流管本体13上端部的距离为曝气升流管本体13直径的0.5倍，出水管70上沿与曝气升流管本体13上端部平齐，挡流板221的宽度为曝气升流管本体13直径的0.4~0.5倍，高度约为曝气升流管本体13直径的0.6倍，进水管60设置在挡流板221下方，进水管60与挡流板221的距离为曝气升流管本体13直径的0.8~1.0倍，进水管60上设置有电磁阀。
第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的管径相同，第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50沿曝气升流管10的周向均匀分布，第二污泥沉降管30上设置出流分离装置22和进水管60。
具体地，第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的各管段的设置：上支管段、下支管段的直径分别为曝气升流管本体13直径的0.3~0.4倍，上水平段的长度为曝气升流管本体13直径的0.6~1.0倍，并设有电磁阀；上斜管段的长度为曝气升流管本体13直径的0.8~1.0倍，管轴线与水平夹角为负30度；竖直管段的直径为曝气升流管本体13直径的0.3~0.4倍，高度约为曝气升流管本体13高度的0.7~0.8倍；下斜管段的长度为曝气升流管本体13直径的1.5~1.8倍，管轴线与水平夹角为60度；下水平管段长度为曝气升流管本体13直径的0.5~0.8倍，并设有电磁阀。
出流分离装置22和进水管60在第二污泥沉降管30上的具体设置：出流管222连接在竖直管段和上支管段的连接处，出流管222上端高出曝气升流管本体13上端的距离为曝气升流管本体13直径的0.5倍，出水管70上沿与曝气升流管本体13上端部平齐，挡流板221的宽度为曝气升流管本体13直径的0.3~0.4倍，高度约为曝气升流管本体13直径的0.5~0.6倍，进水管60设置在挡流板221下方，进水管60与挡流板221的距离为曝气升流管本体13直径的0.8~1.0倍，进水管60上设置有电磁阀。
采用上述处理装置进行废水处理的方法，该方法包括处理废水的步骤和颗粒污泥再生的步骤。
具体处理时，处理装置运行分为“处理废水”和“颗粒污泥再生”两种状态，多个处理单元交替处于“处理废水”和“颗粒污泥再生”状态，可实现对含NPs废水的连续处理，具体如下：
（1）处理废水状态：关闭第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的进水管60、电磁阀，将曝气升流管10和第一污泥沉降管20连通，含NPs的待处理废水由第一污泥沉降管20上的进水管60流入，与回流的颗粒污泥混合后，垂直向下流动，然后进入曝气升流管10内，同时污泥混合液在流经第一污泥沉降管20时，由岀流分离装置22实现颗粒污泥和出水分离，颗粒污泥沿挡流板221继续沉降，与进水混合并在处理单元内循环，处理出水绕过挡流板221，溢流至出水管70中排出。
在曝气升流管10中，压缩空气由设置在泥斗11中的曝气头111通入，表面气速优选为0.8~1.2 m/s，曝气升流管10顶部的溶解氧浓度优选为1.6~2.0 mg/L；处理单元内MLVSS浓度优选为7000~12000 mg/L，颗粒污泥呈完全流化状态，污泥混合液的上升流速优选为0.3~0.6 cm/s。
（2）颗粒污泥再生状态：关闭第一污泥沉降管20上的进水管60和电磁阀，开启第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的进水管60、电磁阀，将曝气升流管10与第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均连通，再生用水由第二污泥沉降管30的进水管60流入，与回流的颗粒污泥混合后，垂直向下流动，然后进入曝气升流管10内，同时污泥混合液在流经第二污泥沉降管30时，由岀流分离装置22实现颗粒污泥和出水分离，颗粒污泥沿挡流板221继续沉降，与进水混合在处理单元内循环，再生出水绕过挡流板221，溢流至出水管70中排出。又由于第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50与曝气升流管10连通，所以污泥混合液也同时会在第三污泥沉降管40、第四污泥沉降管50内流动，然后同样回流至曝气升流管10内。
在曝气升流管10中，压缩空气由设置在泥斗11中的曝气头111通入，表面气速优选为0.8~1.0 m/s，曝气升流管10顶部的溶解氧浓度优选为1.6~2.0 mg/L；颗粒污泥呈完全流化状态，污泥混合液的上升流速优选为0.3~0.6 cm/s。
再生用水为人工配水或预处理的实际生活污水。
颗粒污泥再生期间，采用排泥管112排泥，污泥停留时间优选为16~24 d。
综上所述，本发明具有如下优点：
（1）具有短程硝化-反硝化的好氧颗粒污泥可以被看作自养硝化菌与异养反硝化菌的共生聚集体，其与以自养菌为主或以异养菌为主的颗粒污泥相比，具有更加均衡的综合性能。一方面，硝化菌的生长速度较慢，该类微生物的富集有利于改善颗粒污泥的密实度和沉降性能；另一方面，反硝化菌的生长速率更快、耐冲击性更好，其分泌的大量胞外聚合物可有效增强对NPs的吸附作用。利用该类好氧颗粒污泥，处理装置中MLVSS浓度达到了传统活性污泥法的3~7倍以上。这使得本发明能够在较短的接触时间内高效去除进水中的NPs。
（2）处理装置由3个处理单元并联连接，具体处理时，3个处理单元交替处于“废水处理”和“颗粒污泥再生”状态，可实现对含NPs废水的连续处理。
（3）“废水处理”和“颗粒污泥再生”期间，无需向装置内投加任何生物填料，有利于节约处理成本。另外，与常见的活性炭吸附-再生过程不同，本发明中的“废水处理”和“颗粒污泥再生”始终在常温常压下进行，操作更加简便。利用人工配水或生活污水对好氧颗粒污泥进行原位再生，可以在维持污泥性能、结构稳定，实现循环使用的同时，使本发明兼具了生活污水处理功能。上述目标利用现有技术是不能实现的。
（4）本发明中废水处理装置通过曝气升流管与污泥沉降管的组合，为硝化菌和反硝化菌提供了良好的生长条件。曝气升流管内较强的水力剪切条件，有利于维持颗粒污泥的结构稳定。在“废水处理”状态下，第一污泥沉降管能够对颗粒污泥起到一定的重力浓缩作用，有利于减少NPs的冲击效应。在“颗粒污泥再生”状态下，第二污泥沉降管、第三污泥沉降管和第四污泥沉降管能够最大限度地将颗粒污泥分散开，有效淘洗装置中的絮状污泥，并使颗粒污泥与水中的生长基质充分接触。基于上述特殊设计，本发明可以采取较灵活的控制策略，应对含不同种类、浓度NPs的进水水质，具有良好的适应性。上述目标利用现有技术是不能实现的。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例中未注明具体的实验方法时，遵照国家标准方法和条件进行。
实施例1
本实施例提供一种去除废水中纳米零价铁（nZVI）微粒的方法，并利用再生用水对颗粒污泥进行再生。
本实施例方法采用本发明处理装置进行处理，处理装置的具体参数设置如下：
曝气升流管本体13：直径为100 mm，高径比8:1。
泥斗11：上端部截面直径为100 mm，高度约为70 mm，侧边坡度为60度。
渐扩管12：上端部、下端部截面直径之比为1.5:1，高度约为100 mm。
第一污泥沉降管20：上支管段、下支管段的直径50mm，上水平段的长度为80 mm；上斜管段的长度约90 mm，管轴线与水平夹角为负30度；竖直管段的直径为50mm，高径比12:1；下斜管段的长度为170 mm，管轴线与水平夹角为60度；下水平管段长度约73 mm。
出流分离装置22和进水管60在第一污泥沉降管20上的具体设置：挡流板221的宽度为48 mm，高度约60 mm，进水管60设置在挡流板221下方，进水管60与挡流板221的距离约为100mm；出水管70管径约10 mm，上沿与曝气升流管本体上端部平齐。
第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的各管段的设置：上支管段、下支管段的直径分别为40 mm，上水平段的长度为65 mm；上斜管段的长度为90mm，管轴线与水平夹角为负30度；竖直管段的直径为40mm，高径比15:1；下斜管段的长度为180mm，管轴线与水平夹角为60度；下水平管段长度为53mm。
出流分离装置22和进水管60在第二污泥沉降管30上的具体设置：挡流板221的宽度为38 mm，高度约60 mm，进水管60设置在挡流板221下方，进水管60与挡流板221的距离约为100mm；出水管70管径约8 mm，上沿与曝气升流管本体上端部平齐。
本实施例采用的好氧颗粒污泥如图4所示，其微生物种群构成如图5所示，具体地，好氧颗粒污泥为灰白色的椭球形，粒径范围主要在0.8~2.5 mm，5分钟SVI值约为30 ml/g；颗粒污泥具有短程硝化反硝化功能，微生物结构可以描述为，异养反硝化菌以Denitratisoma属为主，硝化菌中氨氧化菌（Nitrosomonas属）占绝对优势，亚硝酸盐氧化菌（Nitrospira属）相对丰度较低，其他菌属还包括Anaerolineaceae属、Flavobacterium属、Saprospiraceae属、Diaphorobacter属和Thauera属等；由静态吸附试验结果可知，颗粒污泥对nZVI微粒的最大单次吸附容量在97~134 mg/g MLVSS。
采用本实施例的处理装置处理废水，其中，待处理废水：pH 7.5~8.0，nZVI浓度9~17 mg/L，BOD5 75~90 mg/L，NH4 +-N 24~31 mg/L，水温18~20 ℃。
具体处理步骤包括废水处理和颗粒污泥再生步骤，具体如下：
（1）处理废水：关闭第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上电磁阀和进水，开启第一污泥沉降管20上的进水和电磁阀使第一污泥沉降管20和曝气升流管10连通，待处理废水以16 L/h流量由进水管60流入第一污泥沉降管20内，废水与回流的颗粒污泥混合后，垂直向下流动，然后回流至曝气升流管10内；同时污泥混合液在流经第一污泥沉降管20时，由岀流分离装置22分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥沿挡流板221继续向下运动与待处理废水混合，处理出水绕过挡流板221，溢流至出水管70中排出。
步骤（1）中，在曝气升流管10中，压缩空气由底部曝气头111通入，表面气速控制在1.1 m/s，曝气升流管10顶部的溶解氧浓度为1.8~2.0 mg/L，颗粒污泥呈完全流化状态，MLVSS浓度约11600 mg/L，污泥混合液的上升流速约为0.5~0.6 cm/s；处理单元的总水力停留时间约为0.5 h，对应的BOD5、氨氮容积负荷范围分别为3.6~4.3 kg/(m3·d)和1.1~1.4kg/(m3·d)。
（2）颗粒污泥再生：连续处理12 h后，关闭第一污泥沉降管20上的进水和电磁阀，开启第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的进水和电磁阀使曝气升流管10与第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均连通，进水采用再生用水，该处理单元由处理状态转为再生状态。再生用水以12 L/h流量由进水管60流入第二污泥沉降管30内，再生用水与回流的颗粒污泥混合后，垂直向下流动，然后回流至曝气升流管10内；同时污泥混合液在流经第二污泥沉降管30时，由岀流分离装置22分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥沿挡流板221继续向下运动与再生用水混合，再生出水绕过挡流板221，溢流至出水管70中排出；又由于第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50与曝气升流管10连通，所以污泥混合液也同时会在第三污泥沉降管40、第四污泥沉降管50内流动，然后同样回流至曝气升流管10内。
步骤（2）中，再生用水为人工配置，模拟典型生活污水水质，以醋酸钠、氯化铵分别为碳、氮源，pH 8.0~8.2，BOD5 150 mg/L，NH4 +-N 50 mg/L，水温25~28 ℃；对应的BOD5、氨氮容积负荷分别为4.0 kg/(m3·d)和1.3 kg/(m3·d)。曝气升流管10内，压缩空气由底部曝气头111通入，表面气速控制在0.9 m/s，曝气升流管顶部的溶解氧浓度为1.6~1.8 mg/L；颗粒污泥呈完全流化状态，MLVSS浓度约9000 mg/L，污泥混合液的上升流速约为0.3~0.4 cm/s。处理单元的总水力停留时间为0.9 h。单次再生周期的时长为24 h，在此期间经排泥管112排泥，控制污泥停留时间在16~20 d。
使用本实施例处理装置连续运行360 h以上。其中，处理单元的运行情况如附图6、7所示。在经历多次“处理”与“再生”交替运行后，颗粒污泥仍然能够有效去除废水中的nZVI颗粒，各处理周期的平均去除率在92.6~98.1%（以总铁计）；在再生状态下，颗粒污泥保持较高的活性，各再生周期对再生用水中BOD5、氨氮和总氮的平均去除率分别为94.4~98.0%、92.6~98.5%和70.1~72.7%，出水指标可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准的要求。实施例1的结果表明，本发明可用于去除废水中的nZVI微粒，同时利用模拟生活污水（即人工配水）使颗粒污泥保持较高的活性，实现了废水处理装置的稳定运行。
实施例2
本实施例提供一种去除废水中碳纳米材料微粒的方法，并利用再生用水对颗粒污泥进行再生。
本实施例方法采用的本发明处理装置进行处理，处理装置的具体参数设置如下：
曝气升流管本体13：直径为120 mm，高径比6:1。
泥斗11：上端部截面直径为120 mm，高度约为80 mm，侧边坡度为60度。
渐扩管12：上端部、下端部截面直径之比为1.5:1，高度约为120 mm。
第一污泥沉降管20：上支管段、下支管段的直径60mm，上水平段的长度为80 mm；上斜管段的长度约100 mm，管轴线与水平夹角为负30度；竖直管段的直径为60mm，高径比9:1；下斜管段的长度为150 mm，管轴线与水平夹角为60度；下水平管段长度约90 mm。
出流分离装置22和进水管60在第一污泥沉降管20上的具体设置：挡流板221的宽度为58 mm，高度约70 mm，进水管60设置在挡流板221下方，进水管60与挡流板221的距离约为100mm；出水管70管径约10 mm，上沿与曝气升流管本体上端部平齐。
第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的各管段的设置：上支管段、下支管段的直径分别为40 mm，上水平段的长度为80 mm；上斜管段的长度为90mm，管轴线与水平夹角为负30度；竖直管段的直径为40mm，高径比13:1；下斜管段的长度为180mm，管轴线与水平夹角为60度；下水平管段长度为70mm。
出流分离装置22和进水管60在第二污泥沉降管30上的具体设置：挡流板221的宽度为38 mm，高度约60 mm，进水管60设置在挡流板221下方，进水管60与挡流板221的距离约为100mm；出水管70管径约8 mm，上沿与曝气升流管本体13上端部平齐。
本实施例采用的好氧颗粒污泥的微生物种群构成如图8所示，具体地，好氧颗粒污泥为灰白色的椭球形，粒径范围主要在0.8~2.5 mm，5分钟SVI值约为33 ml/g；颗粒污泥具有短程硝化反硝化功能，微生物结构可以描述为，异养反硝化菌包括Denitratisoma属、Flavobacterium属、Rhodobacter属和Zoogloea属等，硝化菌中氨氧化菌（Nitrosomonas属）占绝对优势，亚硝酸盐氧化菌（Nitrospira属）相对丰度较低，其他菌属还包括Anaerolineaceae属、Saprospiraceae属、Diaphorobacter属、Thauera属、Xanthomonadales属等；由静态吸附试验结果可知，颗粒污泥对碳纳米材料微粒的最大单次吸附容量在139~178 mg/g MLVSS。
采用本实施例的处理装置处理废水，其中，待处理废水：pH 7.5~8.0，碳纳米材料微粒浓度21~35 mg/L，BOD5 <10 mg/L，NH4 +-N <3 mg/L，水温17~20 ℃。
具体处理步骤包括废水处理和颗粒污泥再生步骤，具体如下：
（1）处理废水：关闭第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上电磁阀和进水，开启第一污泥沉降管20上的进水和电磁阀使第一污泥沉降管20和曝气升流管10连通，待处理废水以14 L/h流量由进水管60流入第一污泥沉降管20内，废水与回流的颗粒污泥混合后，垂直向下流动，然后回流至曝气升流管10内；同时污泥混合液在流经第一污泥沉降管20时，由岀流分离装置22分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥沿挡流板221继续向下运动与待处理废水混合，处理出水绕过挡流板221，溢流至出水管70中排出。
步骤（1）中，在曝气升流管10中，压缩空气由底部曝气头111通入，表面气速控制在0.8 m/s，曝气升流管顶部的溶解氧浓度为1.6~1.8 mg/L；颗粒污泥呈完全流化状态，MLVSS浓度约9000 mg/L，污泥混合液的上升流速约为0.3~0.4 cm/s；处理单元的总水力停留时间约为0.77 h，对应的BOD5、氨氮容积负荷分别低于0.3 kg/(m3·d)和0.1 kg/(m3·d)。
（2）颗粒污泥再生：连续处理3 h后，关闭第一污泥沉降管20上的进水和电磁阀，开启第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的进水和电磁阀使曝气升流管10与第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均连通，进水采用再生用水，该处理单元由处理状态转为再生状态。再生用水以18 L/h流量由进水管60流入第二污泥沉降管30内，再生用水与回流的颗粒污泥混合后，垂直向下流动，然后回流至曝气升流管10内；同时污泥混合液在流经第二污泥沉降管30时，由岀流分离装置22分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥沿挡流板221继续向下运动与再生用水混合，再生出水绕过挡流板221，溢流至出水管70中排出；又由于第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50与曝气升流管10连通，所以污泥混合液也同时会在第三污泥沉降管40、第四污泥沉降管50内流动，然后同样回流至曝气升流管10内。
步骤（2）中，再生用水为经预处理的实际生活污水，水质如下：pH 8.0~8.2，COD115~160 mg/L，BOD5/COD 约为0.55，NH4 +-N 23~29 mg/L，总氮 28~35 mg/L，水温23~25 ℃；对应的BOD5、氨氮容积负荷分别为2.3~3.2 kg/(m3·d)和0.8~1.1 kg/(m3·d)。曝气升流管10内，压缩空气由底部曝气头111通入，表面气速控制在1.0 m/s，溶解氧浓度为1.8~2.0mg/L，颗粒污泥呈完全流化状态，MLVSS浓度约8600 mg/L，污泥混合液的上升流速约为0.3~0.4 cm/s。处理单元的总水力停留时间为0.65 h。单次再生周期的时长为6 h，在此期间经排泥管112排泥，控制污泥停留时间在18~24 d。
使用本实施例处理装置连续运行200 h以上。其中，处理单元的运行情况如附图9、10所示。
在经历多次“处理”与“再生”交替运行后，颗粒污泥仍然能够有效去除废水中的碳纳米材料微粒，各处理周期平均去除率在95.3~98.9%（以600 nm吸光度计）；在再生状态下，颗粒污泥还可有效去除再生用水中的COD、BOD5、氨氮和总氮，各再生周期的平均去除率分别为82.6~86.1%、92.1~96.6%、88.3~91.8%和69.8~71.7%，出水指标可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准的要求。实施例2的结果表明，本发明可以用于去除废水中的碳纳米材料微粒，同时利用经预处理的生活污水使颗粒污泥保持较高的活性，实现了废水处理装置的稳定运行。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，包括填充有好氧颗粒污泥的处理单元、连接在所述处理单元上的进水管及连接在所述处理单元上的出水管，其特征在于：所述处理单元包括上端部与外界连通的曝气升流管、用于向所述曝气升流管内曝气的曝气系统、污泥沉降管及设置在所述污泥沉降管上的用于分离颗粒污泥和水的出流分离装置，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管的上部和下部连通使得进水和颗粒污泥在所述污泥沉降管和曝气升流管内循环流动，所述进水管与所述污泥沉降管相连，所述出水管与所述出流分离装置相连。
2.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述曝气系统包括曝气头，所述曝气升流管包括曝气升流管本体、下端部与所述曝气升流管本体的上端部连接的渐扩管及上端部与所述曝气升流管本体的下端部连接的泥斗，所述渐扩管的上端部与外界连通，所述污泥沉降管的两端部分别与所述曝气升流管本体的上部和下部连通，所述曝气头设置在所述泥斗内，所述泥斗上连接有排泥管。
3.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述出流分离装置包括上端部与外界连通且下端部与所述污泥沉降管连通的出流管及设置在所述污泥沉降管内且位于所述出流管的下方的挡流板，所述出流管与所述出水管相连，所述挡流板用于阻挡颗粒污泥通过所述出流管流出所述污泥沉降管。
4.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述污泥沉降管至少有2个，所述至少2个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述处理装置具有处理废水和颗粒污泥再生二种工作状态，所述至少2个污泥沉降管中的一部分污泥沉降管用于处理废水用，另一部分污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管和所述颗粒污泥再生用的污泥沉降管上均分别设置有所述出流分离装置和进水管。
5.根据权利要求4所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述污泥沉降管设置有4个，所述4个污泥沉降管沿所述曝气升流管周向分布，所述4个污泥沉降管中的其中一个污泥沉降管用于处理废水用，其他污泥沉降管用于颗粒污泥再生用，所述处理废水用的污泥沉降管的管径大于所述颗粒污泥再生用污泥沉降管的管径。
6.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述处理装置包括多个并联连接的所述处理单元，各所述处理单元上均连接有所述进水管和出水管，各所述处理单元包括有所述曝气升流管、曝气系统、污泥沉降管和岀流分离装置。
7.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置，其特征在于：所述好氧颗粒污泥为椭球形，粒径为0.8~2.5 mm，5分钟SVI值为28~35 ml/g，所述好氧颗粒污泥中，微生物结构包括占细菌总数的比例为18~25%的异养反硝化菌、占细菌总数的比例为6~10%的氨氧化菌及占细菌总数的比例低于3%的亚硝酸盐氧化菌。
8.一种采用权利要求1~7中任一项权利要求所述的基于好氧颗粒污泥去除废水中纳米级微粒的处理装置处理废水的方法，其特征在于，所述方法包括处理废水的步骤，所述处理废水的步骤包括：在所述曝气升流管内填充好氧颗粒污泥，然后以所述曝气系统连续曝气和所述进水管连续进水的方式启动装置，启动后，待处理废水经所述污泥沉降管后与所述曝气升流管内的颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述岀流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与待处理废水混合后在所述处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述待处理废水的BOD5容积负荷小于等于4.5 kg/(m3·d)，氨氮容积负荷小于等于1.5 kg/(m3·d) ；所述处理单元内的MLVSS浓度为7000~12000 mg/L；所述处理单元的单次处理周期的时长为2~12小时。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述待处理废水中的纳米级微粒为金属及其氧化物时，微粒浓度小于等于30mg/L；当所述待处理废水中纳米级微粒为碳材料时，微粒浓度小于等于100mg/L。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括颗粒污泥再生的步骤，所述颗粒污泥再生的步骤包括：停止待处理废水进水，采用使颗粒污泥再生的再生用水进水，所述再生用水经所述污泥沉降管后与颗粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液从所述曝气升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管内向下流动，然后回流至所述曝气升流管内，同时所述污泥混合液在流经所述污泥沉降管时，由所述出流分离装置分离颗粒污泥和出水，颗粒污泥在所述污泥沉降管内继续向下流动与再生用水混合后在处理单元内循环流动，分离后的出水经所述出流分离装置流入所述出水管排出，其中，所述再生用水的BOD5、氨氮容积负荷分别为2.0~4.0 kg/(m3·d)、0.8~1.4 kg/(m3·d)，BOD5/NH4 +-N比值为2~3:1；所述处理单元的单次再生周期时长为单次处理周期时长的2倍。
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