CN107572722A

CN107572722A - 一种水体净化系统及净化方法

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Publication number: CN107572722A
Application number: CN201710861868.4A
Authority: CN
Inventors: 郭学军; 雒晓艳; 龙晓静; 李雅梦; 张翔垣
Original assignee: Beijing Collaborative Innovation Institute
Current assignee: Beijing Collaborative Innovation Institute
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-01-12

Abstract

本发明涉及一种水体净化装置及净化方法，其中，所述装置包括串联连接的好氧生物滤床、零价铁滤床和/或厌氧生物滤床。所述方法具体为：原水进入好氧生物滤床处理后，再进入零价铁滤床进行处理，和/或流入厌氧生物滤床后放出；其中，所述零价铁滤床中采用氧化剂活化零价铁；所述活化的方式为连续式或间歇式。本发明提供的多级复合滤床，使受污染天然水体依次通过好氧生物滤床、活化零价铁滤床和/或厌氧生物滤床，逐级深化处理，对BOD、重金属、磷、硝氮、氨氮的去除效果明显，具有操作简单、节能等优点。

Description

一种水体净化系统及净化方法

技术领域

本发明水体净化领域，具体涉及一种基于生化-物化耦合的水体净化装置及净化方法。

背景技术

随着我国社会经济的快速发展，水资源与工业化的矛盾日益突出，由于受到工业废水、生活污水和农业面源的污染，我国水资源，尤其是地表水环境污染日趋严重。我国七大水系、主要湖泊、近岸海域及部分地区的地下水受到不同程度的污染，污染特征主要表现为总磷、总氮、生化需氧量和重金属中的多种污染物同时超标。上述复合污染导致我国的水环境问题影响范围广、危害严重，治理难度大。

水资源恶化的原因一方面是基于点源污染。县镇行政级别上的水污染控制技术和监管常年不到位，导致大量生活和工业废水只经过简单一级或二级处理，甚至不经任何处理就排放，造成点源污染。近年随着环保制度和管理的趋严，大量县镇虽然安装了水处理设施，但一个普遍的问题是并没有因地制宜的开发水处理设施和工艺，往往只是把适合大都市的现代污水处理技术和工艺仅做规模上的缩小后做简单复制。复杂的运行工艺和昂贵的水处理设备与当地财政和水处理人才欠缺之间的矛盾凸显，造成的后果是大量现代污水处理设施瘫痪、闲置和污水的偷排。除了点源污染，我国的非点源污染也非常严峻，特别是降雨径流污染。

生物滤床已经广泛应用于各种生活污水的处理，和活性污泥法比较，它的优势在于操作简单、能耗低、更适宜原位水体修复等。日益加剧的水体复合污染往往表现为总磷、总氮、生化需氧量和各种重金属中的多种污染物同时超标，使得传统的生物滤床修复技术无法同时满足水质的总体达标。

因此，需要开发出新的适合县镇行政级别的水质净化技术，能够根据水体污染实际情况，有效去除生化需氧量(BOD)、总氮、磷以及重金属中的多种污染物造成的复合污染。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适用于修复县镇行政级别的小型水体的水体净化装置及其净化方法，能够有效去除生化需氧量、总氮、磷及重金属中的多种污染物造成的复合污染。

本发明的第一个方面提供一种水体净化装置，其特征在于，包括前后串联连接的好氧生物滤床和零价铁滤床。

优选的，零价铁滤床之后串联连接厌氧生物滤床。

优选的，所述零价铁滤床为氧化剂活化的零价铁滤床。

优选地，所述氧化剂选自过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、二氧化氯、氯气、次氯酸、次氯酸钠、次氯酸钙、高氯酸盐、高锰酸钾、臭氧、氯酸盐或高铁酸盐中的一种或多种。

优选地，所述零价铁的颗粒粒径为8～60目。

优选地，所述氧化剂的浓度为：0.1～20mmol/L。

优选的，所述好氧生物滤床，和/或所述零价铁滤床，和/或所述厌氧生物滤床设有反冲洗装置。

优选地，所述水体净化装置还包括沉淀池和/或砂滤池。

优选地，所述好氧生物滤床设有曝气装置。

优选的，所述氧化剂活化的零价铁滤床包括氧化剂供给系统。

优选的，所述好氧生物滤床和所述厌氧生物滤床中填充生物载体。

优选地，所述生物载体选自陶粒、火山岩、沸石、瓦楞塑料中的一种或多种。

优选地，所述生物载体的总体积占滤床容器体积的50％～80％；更优选为65％～70％。

优选地，所述生物载体的粒径为1～10mm。

优选的，所述厌氧生物滤床还包括载体铁。

优选地，所述载体铁的体积含量为厌氧生物滤床中总载体体积的 5％～10％。

优选地，所述载体铁为刨花铁和/或铁条。

本发明的第二个方面提供一种水体净化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，原水进入好氧生物滤床进行处理；步骤二，经步骤一处理的水进入零价铁滤床进行处理。

优选地，还包括以下步骤：步骤三，经步骤二处理的水，进入厌氧生物滤床处理。

优选地，所述零价铁滤床中采用氧化剂活化零价铁。

优选地，所述原水和/或经步骤一处理的水还经过沉淀处理和/或砂滤处理。

优选地，所述活化的方式为连续活化或间歇活化，所述连续活化是指持续地向零价铁滤床中施加氧化剂，所述间歇活化是指根据需要，间隔一定时间用氧化剂浸润零价铁滤床。

优选地，所述氧化剂的浓度为：0.1～20mmol/L。

更优选地，连续活化时，氧化剂浓度为：0.1～5.0mmol/L，间歇活化时，氧化剂浓度为：5～50mmol/L。

更优选地，连续活化时，氧化剂浓度为：0.5～1mmol/L；间歇活化时，氧化剂浓度为：10～20mmol/L。

优选地，所述原水进入好氧生物滤床水力停留时间为45～180 min，进入零价铁滤床水力停留时间为5～60min、进入厌氧生物滤床水力停留时间为45～180min。

更优选地，所述原水进入好氧生物滤床水力停留时间为60～120 min，进入零价铁滤床水力停留时间为10～30min，进入厌氧生物滤床水力停留时间为60～120min。

本发明的有益效果：

本发明提供的多级复合滤床净化装置及其净化方法，使受污染天然水体依次通过好氧生物滤床、活化零价铁滤床和/或厌氧生物滤床，逐级深化处理，产生了显著的协同效应对BOD、重金属、磷、硝氮、氨氮的去除效果明显，取得了本领域技术人员难以预料的技术效果。

本发明可长期无外加动力运行，具有成本低、操作简单、节能等优点。

本发明适用于修复小型水体，如小型湖泊和河流，适合安装在受污染水体的纳水处、中间段或者出水处，对水体进行原位修复，适于县镇级别水处理的推广应用。

附图说明

图1为三级滤床的结构示意图；

图2所示为原水经过好氧生物滤床后各污染物的去除率；

图3所示为第一级滤床出水经过零价铁(活化后)滤床后各污染物的去除率情况；

图4所示为原水只经过零价铁(活化后)滤床后各污染物的去除率情况；

图5所示为第二级滤床出水经过厌氧生物滤床后各污染物的去除率情况；

图6所示为原水只经过厌氧生物滤床后各污染物的去除率情况。

图中：1-好氧生物滤池；2-好氧生物填料；3-曝气系统；4-泵；5-阀门；6-氧化剂储罐；7-零价铁滤床；8-喷淋系统；9-零价铁；10- 厌氧生物滤池；11-厌氧生物填料

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例为一种水体净化装置，包括两级滤床，依次为：好氧生物滤床、活化零价铁滤床；两级滤床串联连接，两级滤床底部都设有反冲洗装置，间歇反冲，以应对污水中其他物质对床体的堵塞。所述好氧生物滤床底部还设有曝气管道，并连有沉淀池或砂滤池；所述沉淀池、砂滤池用于去除水体中的悬浮固体和胶体。所述砂滤池的填充材料为普通砂粒或者石英砂。第一级滤床出水经沉淀池或砂滤后可去除悬浮固体，可提高后续物化滤床的稳定性和使用寿命。

如图1所示，第一级好氧生物滤床尺寸为：直径108mm，高 1000mm；底部设置曝气装置，柱体填充的生物载体是直径为3-4mm 的陶粒，所填充的陶粒的体积占柱体总体积的2/3。

第二级零价铁滤床的体积是好氧生物滤床体积的1/4；零价铁滤床尺寸为：直径＝80mm，高500mm的柱体；其中填充粒径为1mm的颗粒状零价铁；在颗粒状零价铁填料底部填充一层厚度为2cm的石英砂作为支撑层，最底部填充2cm脱脂棉；氧化剂从储罐泵入零价铁滤床，零价铁滤床中布置氧化剂喷洒器，利用常用氧化剂活化零价铁表面，持续或间歇去除零价铁表面钝化层，以活化零价铁，提高污染物去除率。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，在第二级零价铁滤床之后增加第三级厌氧生物滤床，第三级厌氧生物滤床的尺寸与好氧生物滤床的尺寸相同；所述厌氧生物滤床内填充的生物载体为直径3-4mm的陶粒，还可适当加入刨花铁，刨花铁的体积占总载体体积的5-10％，底部用普通砂粒作支撑，水体由底部流出。

上述实施例1、实施例2的装置均可根据需要修复的水体大小，水体污染的程度，增加净化装置的数量。

实施例3

本实施例采用实施例1所述的水体净化装置进行水体净化处理。本实施例中实验用水采自十三陵水库，人工添加重金属As(V)、 Se(IV)、Pb(II)、Cd(II)和Hg(II)至浓度为100ppb，添加磷至浓度为 1.00mg/L，添加蔗糖使生化需氧量达到目标数值，调整后水体各污染物的值见表1，即为本实施例中的原水。

表1水体各污染物的值mg/L

原水从第一级好氧生物滤床的上端进入，第一级滤床的停留时间(HRT)为60min。经过填料，由滤床的底部排出；水流一段时间后，填料上会形成一层生物膜；是否挂膜成功，可通过测定滤池中循环水的BOD值是否下降来检验；一般情况，自然挂膜在15天左右基本能完成；挂膜成功后，填充载体上可见明显的黄色菌膜。当挂膜完成后，污水中的BOD去除率最大且稳定；此时，其相应的水力负荷条件为最佳水力负荷条件。第一级出水在经过沉淀处理，砂滤处理，然后进入零价铁滤床。

从第一级好氧生物滤床处理的水从柱体底部通入零价铁滤床中。间歇打开氧化剂喷洒器，使10mmol/L的H₂O₂溶液浸润柱体12 小时，初始活化零价铁颗粒。连续式打开氧化剂喷洒器，进水的氧化剂初始浓度为0.5mmol/L。第一级出水从柱体底部通入，停留时间(HRT)为15min。处理完的水从第二级滤床的上端流出。

实施例4

本实施例与实施例2的区别在于，增加第三级滤床——厌氧生物滤床处理步骤。

从第二级零价铁(活化)滤床流出的水，从上端进入第三级厌氧生物滤床。第一步进行载体挂膜，挂膜期间随着菌膜的成熟水力负荷逐渐增大，通过观察微生物的形成和测定NO₃ ^--N的浓度，确定挂膜是否完成，挂膜完成后通过调整水力负荷，以达到最佳处理效果。第二级出水在第三级厌氧生物滤床的停留时间为60min后，排出，完成水净化处理。

实验数据

1、第一级好氧生物滤床的处理情况：

实施例2中，原水在第一级好氧生物滤床的停留时间(HRT)为 60min，每隔一段时间测定第一级出水中各污染物的浓度。第一级滤床连续处理1000个BV原水后，第一级滤床对BOD的处理效果仍没有下降，出水中各污染物的平均浓度及去除率如图2和表2所示。

表2水体通过好氧生物滤床的处理结果mg/L

结果表明，第一级滤床去污稳定后，BOD的去除率可达到70％以上，磷和硝态氮也有部分去除，去除率为16％和30％。重金属 As(V)、Se(IV)、Pb(II)、Cd(II)、Hg(II)的去除率仅维持在2-8％之间。

2、第一级出水经过第二级零价铁滤床的处理情况：

第一级出水从柱体底部通入第二级零价铁滤床，停留时间(HRT) 为15min。处理完的水从柱体上端漫出，每隔一定时间取出水测定各污染物的浓度，过水4000BV，出水中各污染物平均浓度及去除率如图3和表3所示。

表3零价铁(活化)滤床处理第一级出水的处理效果mg/L

表4零价铁(活化)滤床直接处理原水的处理效果mg/L

结果表明，经活化的零价铁滤床能高效去除重金属和磷酸盐，二级出水中磷酸盐去除率达到80％以上，重金属的去除率甚至达到 95％以上。同时，50％左右的硝态氮转化为氨态氮和亚硝态氮，生成亚硝态氮的量约为0.5mg/L。

并且在相同实验条件下，与好氧生物滤床和零价铁(活化)滤床分别直接处理原水的处理效果的简单加和(表2和表4)相比较，受污水体依次通过好氧生物滤床和零价铁(活化)滤床，对污染物 (尤其是重金属和磷酸盐)的去除取得了预料不到的技术效果，其污染物去除情况远超分别处理的简单加和的污染物去除率。去除率数据对比如下。

表5依次及分别通过好氧生物滤床和零价铁(活化)滤床对比数据

可见，本发明通过将两级滤床联用，即，生化-物化耦合方法进行水体净化，相较单独处理，取得了预料不到的技术效果，特别是磷与重金属污染物的去除率显著提高。

3、第二级出水经过第三级厌氧生物滤床的处理情况：

实施例3中，第二次出水进入第三级厌氧生物滤床的停留时间为60min，处理1000BV，第三级出水中各污染物的平均浓度及去除率如图5和表6所示。

表6第二级出水经过厌氧生物滤床后的处理效果mg/L

结果表明，第三级滤床对总氮的处理效果明显，对BOD和磷酸盐也有一定的去除能力，各污染物在依次通过三级滤床后，BOD去除率达到91％，总N、P去除率达到95％以上，重金属去除效率最为显著，达到98％以上。

4、仅使用第三级厌氧生物滤床的处理情况：

将原水仅通过第三级厌氧生物滤床，进行处理，厌氧生物滤床直接处理原水效果见表6和图6。

表7厌氧生物滤床直接处理原水效果mg/L

我们发现在相同实验条件下，仅使用第三级厌氧生物滤床处理与联用三级滤床的效果之和相比，三级依次联用最终对污染物的去除效果大大提高，取得了预料不到的技术效果，对N、P和重金属的去除极为有效。去除率数据对比如下。

表8依次及分别通过好氧生物滤床、零价铁(活化)滤床及厌氧生物滤床对比

可见，本发明采用生化-物化耦合方式处理水体污染物，三种滤床之间协同作用显著，大大提高了污染物的去除率，获得了预想不到的技术效果。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种水体净化装置，其特征在于，包括前后串联连接的好氧生物滤床和零价铁滤床。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，零价铁滤床之后串联连接厌氧生物滤床。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述零价铁滤床为氧化剂活化的零价铁滤床；

优选地，所述氧化剂选自过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、二氧化氯、氯气、次氯酸、次氯酸钠、次氯酸钙、高氯酸盐、高锰酸钾、臭氧、氯酸盐或高铁酸盐中的一种或多种；

优选地，所述零价铁的颗粒粒径为8～60目；

优选地，所述氧化剂的浓度为：0.1～20mmol/L。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述好氧生物滤床，和/或所述零价铁滤床，和/或所述厌氧生物滤床设有反冲洗装置；

优选地，所述水体净化装置还包括沉淀池和/或砂滤池；

优选地，所述好氧生物滤床设有曝气装置。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述氧化剂活化的零价铁滤床包括氧化剂供给系统。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述好氧生物滤床和所述厌氧生物滤床中填充生物载体；

优选地，所述生物载体选自陶粒、火山岩、沸石、瓦楞塑料中的一种或多种；

优选地，所述生物载体的总体积占滤床容器体积的50％～80％；更优选为65％～70％；

优选地，所述生物载体的粒径为1～10mm。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述厌氧生物滤床还包括载体铁；

优选地，所述载体铁的体积含量为厌氧生物滤床中总载体体积的5％～10％；

优选地，所述载体铁为刨花铁和/或铁条。

8.一种水体净化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，原水进入好氧生物滤床进行处理；

步骤二，经步骤一处理的水进入零价铁滤床进行处理。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤三，经步骤二处理的水，进入厌氧生物滤床处理。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述氧化剂选自过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、二氧化氯、氯气、次氯酸、次氯酸钠、次氯酸钙、高氯酸盐、高锰酸钾、臭氧、氯酸盐或高铁酸盐中的一种或多种；

优选地，所述零价铁滤床中采用氧化剂活化零价铁；

优选地，所述原水和/或经步骤一处理的水还经过沉淀处理和/或砂滤处理；

优选地，所述活化的方式为连续活化或间歇活化，所述连续活化是指持续地向零价铁滤床中施加氧化剂，所述间歇活化是指根据需要，间隔一定时间用氧化剂浸润零价铁滤床；

优选地，所述氧化剂的浓度为：0.1～20mmol/L；

更优选地，连续活化时，氧化剂浓度为：0.1～5.0mmol/L，间歇活化时，氧化剂浓度为：5～50mmol/L；

更优选地，连续活化时，氧化剂浓度为：0.5～1mmol/L；间歇活化时，氧化剂浓度为：10～20mmol/L；

优选地，所述原水进入好氧生物滤床水力停留时间为45～180min，进入零价铁滤床水力停留时间为5～60min、进入厌氧生物滤床水力停留时间为45～180min；

更优选地，所述原水进入好氧生物滤床水力停留时间为60～120min，进入零价铁滤床水力停留时间为10～30min，进入厌氧生物滤床水力停留时间为60～120min。