CN112520850B - 一种分段式水处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分段式水处理装置及方法，包括第一筒体和第二筒体；第一筒体设置有第一进水口和导流分层板；导流分层板将第一筒体分为相互连通的第一外层反硝化区和第二外层反硝化区，且导流分层板上填充有若干个第一填料；第一外层反硝化区的水流方向与第二外层反硝化区的方向相反；第二筒体安装在第一筒体内并靠近第二外层反硝化区设置；第二筒体设置有第二进水口和过流口，第二筒体通过过流口与第一筒体连通；第二筒体内放置有若干个第二填料。相比于现有技术，本发明提供的分段式水处理装置，在保证污水处理系统高效脱氮的基础上，完成了对工业含重金属废水的处理，通过有效缓解电子供体的竞争，实现了金属的回收。

Description

一种分段式水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及污水以及工业废水处理技术领域，具体涉及一种分段式水处理装置及方法。
背景技术
重金属铬及其化合物在电镀、制革、印染、化学试剂等工业领域应用广泛，带来经济效益的同时也带来了剧毒副产物—含铬废水。例如，我国制革产业中平均年废水排放量高达2×108t以上。废水中的六价铬含量普遍大于30mg/L。六价铬具有很强的毒性，释放到水体中会对自然生态环境以及人体生命健康造成严重的危害。
目前对于含铬工业废水的处理主要包括电解法、离子交换法、吸附法、膜分离法以及化学加碱沉淀法。传统物理化学方法的目的是将铬从污水中去除，通常成本高昂且会产生二次污染。铬是一种重要的重金属资源，开发一种经济高效且无二次污染的生物处理方法，实现污水中铬的回收，不仅对于废水资源化具有重要意义，而且有利于生态环境可持续发展。
近年来，多种生物处理系统被证实可以有效地还原水体中的六价铬，如氢、甲烷自养反硝化系统，硫酸盐还原菌系统，以及厌氧消化系统等，为铬生物回收提供了良好的基础条件。然而，一般的微生物系统对重金属污染敏感，受重金属冲击后扰动较大，难以实际应用到工业化生产活动过程中。异养反硝化菌具有分布广泛、培养简便、世代周期长的优势，具备硝酸盐还原和六价铬还原能力。然而由于还原过程中，硝酸盐还原过程与六价铬还原过程存在电子供体竞争关系，硝酸盐和六价铬共存时，容易出现高效脱氮与六价铬还原相互抑制作用，影响同步脱氮-铬回收的效果。
有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明的一目的在于：提供一种分段式水处理装置，通过本装置的处理，可以有效解决硝酸盐生物还原及高价重金属生物还原的电子供体竞争影响生物系统效率的问题，特别是对于硝酸盐生物还原和六价铬还原的电子供体竞争问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种分段式水处理装置，包括：
第一筒体，设置有第一进水口和导流分层板；所述导流分层板将所述第一筒体分为相互连通的第一外层反硝化区和第二外层反硝化区，且所述导流分层板上填充有若干个第一填料；所述第一外层反硝化区的水流方向与所述第二外层反硝化区的方向相反；
第二筒体，安装在所述第一筒体内并靠近所述第二外层反硝化区设置；设置有第二进水口和过流口，所述第二筒体通过所述过流口与所述第一筒体连通；所述第二筒体内放置有若干个第二填料。
优选的，所述第一外层反硝化区的水流方向为从下到上，所述第二外层反硝化区的水流方向为从上到下。
优选的，所述第一筒体与所述第二筒体均为柱状结构；所述第一筒体的高度和其直径比为2：1～1.5：1；所述第二筒体的高度和其直径比为3：1～2：1。
优选的，所述导流分层板设置在所述第一筒体与所述第二筒体直径差的中轴线上。
优选的，所述导流分层板为柱状结构，且直径为0.1～2cm。
优选的，所述导流分层板上焊接有导流板支架，所述导流板支架与所述第一筒体连接，用于支撑所述导流分层板。
优选的，所述第二筒体的上端还设置有内层溢流区，所述内层溢流区与所述第二筒体连通。
优选的，本装置还包括检查盖，所述检查盖包括顶部检查盖和侧壁检查盖，所述顶部检查盖安装于所述内层溢流区的顶部，所述侧壁检查盖安装于所述第一筒体的侧壁。
优选的，所述第二筒体内还安装有搅拌器，用于搅拌所述第二筒体内的水。
优选的，所述第二进水口连接有进水管，所述进水管延伸至所述第二筒体的底部。
优选的，所述过流口设置在所述第二筒体侧壁的底部或底壁。
优选的，所述第一筒体的侧壁上还安装有取样口，所述第二筒体或所述内层溢流区的侧壁上安装有出水口。
优选的，所述第一填料为以聚丙烯纤维絮状材料为载体的生物膜填料；所述第二填料为以聚氨酯材料为载体的生物膜填料；所述第一填料和所述第二填料的填充体积比均为40～60％。其中，该生物膜主要是培养异养反硝化菌，形成反硝化生物膜。
本发明的另一目的在于，提供一种分段式水处理方法，包括以下步骤：
S1、将含氮污水和硝化液引入带有第一填料的外层反硝化区，并依次通过水流方向相反的第一外层反硝化区和第二外层反硝化区，完成第一次脱氮，得到预脱氮污水；
S2、将含重金属污水引入带有第二填料的内层同步脱氮-金属回收区，同时所述预脱氮污水由所述第二外层反硝化区进入所述内层同步脱氮-金属回收区；所述含重金属污水与所述预脱氮污水混合处理后，完成第二次脱氮，同时所述第二填料回收所述含重金属污水中的重金属，最终完成水的处理。
优选的，所述含重金属污水中的重金属为铬、镍、铅、铜中的至少一种。更优选的，所述含重金属污水中的重金属为铬。本发明采用的分段式水处理，先对污水中的氮进行预先处理，然后再将该污水与含铬废水混合处理，因原先污水中的大多数硝酸氮已被第一填料处理多半，剩余的硝酸盐即使与六价铬共存，因含量少，大大减少了硝酸盐和六价铬还原过程中电子供体相互竞争的行为，通过异养反硝化菌的处理，不仅完成硝酸盐的二次处理，且将大部分六价铬还原达到回收铬的目的。本发明通过异养反硝化菌调控生物作用模式，实现了分段式高效脱氮-铬回收的目的。
优选的，所述含重金属污水的进水量为所述含氮污水的进水量的1/5～1/2。
优选的，所述含氮污水在所述外层反硝化区的停留时间为2.5～3.5h，所述含重金属污水在所述内层同步脱氮-金属回收区的停留时间为3.5～4.5h。
优选的，所述内层同步脱氮-金属回收区的重金属浓度为25～40mg/L；所述外层反硝化区的NOx --N的浓度为15～20mg/L。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的分段式水处理装置，在保证污水处理系统高效脱氮的基础上，完成了对工业含重金属废水的处理，特别是对于含铬废水的处理，通过有效缓解电子供体的竞争，实现了金属的回收。
2)本发明的第一填料和第二填料均是填充带有异养反硝化菌的生物膜，该异养反硝化体系易于培养，且对重金属的冲击耐受能力强，成本低廉且运行维护简单，更加适用于目前的废水处理。
3)本发明的第二填料为悬浮填料，可以取出进行定时更换，当装置运行一定时间后第二填料吸附了足够的重金属，更换第二填料，不仅达到回收重金属的目的，也有利于维护整个装置长时间高效的运行。
4)本发明还提供了一种分段式水处理方法，针对实际含重金属废水水质不稳定的特点，采用污水、含重金属废水分别进水的方式，再配合异养反硝化菌的处理，可以根据实际情况改变废水的流量，一方面可以维持生物系统的稳定运行，另一方面可以达到高效脱氮和回收重金属的双重目的。经过本方法的处理，可以100％将硝酸氮转化为氮气，对于重金属的回收率也可以达到90％以上。
附图说明
图1为本发明水处理装置的结构示意图。
图中：1-第一筒体；11-第一进水口；12-第一外层反硝化区；13-第二外层反硝化区；14-取样口；2-第二筒体；21-第二进水口；22-过流口；23-进水管；3-第一填料；4-第二填料；5-导流分层板；6-导流板支架；71-顶部检查盖；72-侧壁检查盖；8-内层溢流区；81-出水口；9-搅拌器。
其中，图1中A的位置为第二筒体的底部，H为第一筒体/第二筒体的高度方向，L为第一筒体/第二筒体的长度方向。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
实施例1
如图1所示，一种分段式水处理装置，包括第一筒体1和第二筒体2；第一筒体1设置有第一进水口11和导流分层板5；导流分层板5将第一筒体1分为相互连通的第一外层反硝化区12和第二外层反硝化区13，且导流分层板5上填充有若干个第一填料3；第一外层反硝化区12的水流方向与第二外层反硝化区13的方向相反；第二筒体2安装在第一筒体1内并靠近第二外层反硝化区13设置；第二筒体2设置有第二进水口21和过流口22，第二筒体2通过过流口22与第一筒体1连通；第二筒体2内放置有若干个第二填料4。优选的，第二填料4悬浮放置于第二筒体2中，当处理一段时间后，可将第二填料4取出，回收其吸附的重金属，同时达到维护本装置高效运行的目的。
进一步地，该第一填料3为以聚丙烯纤维絮状材料为载体的生物膜填料；第二填料4为以聚氨酯材料为载体的生物膜填料；第一填料3和第二填料4的填充体积比均为40～60％。该生物膜主要是培养异养反硝化菌，形成反硝化生物膜。其中，聚丙烯纤维絮状材料的长度为5～8cm，第一填料3的填充体积优选为50％；聚氨酯材料为边长为1cm的正方形聚氨酯材料，第二填料4的填充体积优选为50％。在实际处理中，第一填料3中的微生物NOx --N负荷维持在12～16mg N/g MLSS。
进一步地，第一外层反硝化区12的水流方向为从下到上，第二外层反硝化区13的水流方向为从上到下。将外层反硝化区设置为推流模式，利用导流分层板5将第一筒体1分为相互连通的第一外层反硝化区12和第二外层反硝化区13，第一进水口11导入污水及硝化液，进行第一次脱氮处理。具体的，含氮污水由第一进水口11进入本处理装置中，进水C/N比为3～5，先经过第一外层反硝化区12再到第二外层反硝化区13，水力停留3～4h后，含氮污水由第二外层反硝化区13经过流口22进入第二筒体2中，在第二外层反硝化区13及过流口22处的NOx --N浓度应维持在15～20mg N/L。
进一步地，第一筒体1与第二筒体2均为柱状结构；第一筒体1的高度和其直径比为2：1～1.5：1；第二筒体2的高度和其直径比为3：1～2：1。其中，该柱状结构为圆柱状结构，而第二筒体2与第一筒体1的体积比为2:1～3:1。具体的，第一筒体1的壁厚为1～2cm，高度为30cm，直径为20cm；第二筒体2的壁厚为1～2cm，高度为25cm，直径为15cm，在实际设置过程中第二筒体2和第一筒体1的圆心在同一中轴线上，第二筒体2的顶部可设置一部分外露于第一筒体1外，以便于后续的排水。
进一步地，导流分层板5设置在第一筒体1与第二筒体2直径差的中轴线上。导流分层板5为柱状结构，且直径为0.1～2cm。该柱状结构优选为圆柱状结构。导流分层板5上设置有倒刺，更有利于第一填料3的固定。
进一步地，导流分层板5上焊接有导流板支架6，导流板支架6与第一筒体1连接，用于支撑导流分层板5。该导流分层板5和导流板支架6均为不锈钢材料制成，导流板支架6可与第一筒体1采用吸盘固定连接。
进一步地，第二筒体2的上端还设置有内层溢流区8，内层溢流区8与第二筒体2连通。具体的，该内层溢流区8的高可为10cm，直径为18cm，直径大于第二筒体2的直径，可全面覆盖第二筒体2的上端，避免了第二筒体2中的水溢出内层溢流区8。在具体的设置过程中，内层溢流区8可与第二筒体2一体成型。更优选的，内层溢流区8、第二筒体2和第一筒体1一体成型。
进一步地，本装置还包括检查盖，检查盖包括顶部检查盖71和侧壁检查盖72，顶部检查盖71安装于内层溢流区8的顶部，侧壁检查盖72安装于第一筒体1的侧壁。顶部检查盖71的直径为6～8cm，与内层溢流区8形成内嵌形圆柱盖，用于加装第二填料4及加药。而侧壁检查盖72的直径为8～10cm，与第一筒体1形成内嵌形圆柱盖，可用于检查第一填料3的工况。
进一步地，第二筒体2内还安装有搅拌器9，用于搅拌第二筒体2内的水。该搅拌器9为机械搅拌器9，转速为140～160rpm。该搅拌器9的下端带有多个搅拌叶，搅拌器9的长度延伸至第二筒体2的底部，可充分搅拌第二筒体2中混合的水体。
进一步地，第二进水口21连接有进水管23，进水管23延伸至第二筒体2的底部。含重金属废水由第二进水口21引入第二筒体2中，经设置的进水管23直接通入第二筒体2的底部，将含重金属废水与含氮污水充分混合。优选的，过流口22设置在第二筒体2侧壁的底部或底壁。更优选的，进水管23延伸至过流口22处。该过流口22靠近进水管23的底部设置，更加有利于含重金属废水与含氮污水的混合。具体的，该过流口22的直径为1cm，进水管23的直径为1cm，
进一步地，第一筒体1的侧壁上还安装有取样口14，第二筒体2或内层溢流区8的侧壁上安装有出水口81。该出水口81为向外凸出3～5cm的管路，内径为1cm，用以连接进水导管和出水导管，对于第一进水口11的进水采用蠕动泵或电磁泵提供动力进水，而出水口81则采用可垂直调整高度的内嵌式管路，经处理后的水体可自然出水。该取样口14的内径为1cm，可用于检测第一筒体1中的水体情况，取样口14处设置有胶塞，当需要做水体检测时，则打开胶塞取出一部分水体，在水处理时保持取样口14处于关闭状态，避免过多氧气进入影响异养反硝化菌的处理效果。
实施例2
一种分段式水处理方法，包括以下步骤：
S1、将含氮污水和硝化液引入带有第一填料3的外层反硝化区，并依次通过水流方向相反的第一外层反硝化区12和第二外层反硝化区13，完成第一次脱氮，得到预脱氮污水；
S2、将含重金属污水引入带有第二填料4的内层同步脱氮-金属回收区，同时预脱氮污水由第二外层反硝化区13进入内层同步脱氮-金属回收区；含重金属污水与预脱氮污水混合处理后，完成第二次脱氮，同时第二填料4回收含重金属污水中的重金属，最终完成水的处理。
其中，外层反硝化区为推流模式处理，内层同步脱氮-金属回收区为完全混合模式处理，内层同步脱氮-金属回收区即为实施例1中第二筒体的内部区域，将污水和含重金属废水分别进水，通过分段式处理，可以根据实际的处理情况改变废水的进水流量，达到高效脱氮及重金属回收的目的，同时保证整个处理系统的稳定运行。
进一步地，含重金属污水中的重金属为铬、镍、铅、铜中的至少一种。更优选的，含重金属污水中的重金属为铬。本发明采用的分段式水处理，先对污水中的氮进行预先处理，然后再将该污水与含铬废水混合处理，因原先污水中的大多数硝酸氮已被第一填料3处理多半，剩余的硝酸盐即使与六价铬共存，因含量少，大大减少了硝酸盐和六价铬还原过程中电子供体相互竞争的行为，通过异养反硝化菌的处理，不仅完成硝酸盐的二次处理，且将大部分六价铬还原达到回收铬的目的。本发明通过异养反硝化菌调控生物作用模式，实现了分段式高效脱氮-铬回收的目的。
进一步地，含重金属污水的进水量为含氮污水的进水量的1/5～1/2。
进一步地，含氮污水在外层反硝化区的停留时间为2.5～3.5h，含重金属污水在内层同步脱氮-金属回收区的停留时间为3.5～4.5h。
进一步地，内层同步脱氮-金属回收区的重金属浓度为25～40mg/L；外层反硝化区的NOx --N的浓度为15～20mg/L。
结合实施例1中的水处理装置，模拟含氮污水与含铬废水的处理。其中，模拟的污水以葡萄糖为唯一糖源，COD＝250mg/L，NO3 --N浓度为50mg N/L；模拟含铬废水Cr(Ⅵ)为30mg Cr/L。
实验第一阶段，培养反硝化生物膜。采用市政污水处理厂回流污泥为接种污泥，以体积比1/3的比例接种于反应器中，模拟污水为培养液，采取序批式运行模式培养反硝化生物膜，水力停留时间为6小时，连续培养5～7天，出水三氮去除率高于90％，认为培养完成。
实验第二阶段：高效脱氮与铬回收。利用第一阶段培养完成的生物膜进行实验。采用连续流进水，于第一进水口11导入模拟污水，第二进水口21导入100mg Cr/L的模拟含铬废水，其中，第二进水口21的进水流量为第一进水口11进水流量的1/3。第一筒体1中的水力停留时间为3小时，硝酸盐氮去除率为70％左右。第二筒体2中的水利停留时间为4小时，硝酸盐被彻底去除，且Cr(Ⅵ)去除率大于90％，回收效率为100％。稳定运行1个月后，取出第二筒体2内的第二填料4，即悬浮生物膜载体，重新装填先前培养好的反硝化生物膜载体继续进行试验，如此重复，保证了本装置高效且稳定的运行。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种分段式水处理方法，其特征在于，包括：
S1、将含氮污水和硝化液引入带有第一填料(3)的外层反硝化区，所述外层反硝化区的NOx --N的浓度为15～20mg/L，并依次通过水流方向相反的第一外层反硝化区(12)和第二外层反硝化区(13)，完成第一次脱氮，得到预脱氮污水；
S2、将含重金属污水引入带有第二填料(4)的内层同步脱氮-金属回收区，所述内层同步脱氮-金属回收区的重金属浓度为25～40mg/L，同时所述预脱氮污水由所述第二外层反硝化区(13)进入所述内层同步脱氮-金属回收区；所述含重金属污水与所述预脱氮污水混合处理后，完成第二次脱氮，同时所述第二填料(4)回收所述含重金属污水中的重金属，最终完成水的处理；
其中，分段式水处理的装置包括：
第一筒体(1)，设置有第一进水口(11)和导流分层板(5)；所述导流分层板(5)将所述第一筒体(1)分为相互连通的第一外层反硝化区(12)和第二外层反硝化区(13)，且所述导流分层板(5)上填充有若干个第一填料(3)；所述第一外层反硝化区(12)的水流方向与所述第二外层反硝化区(13)的方向相反；
第二筒体(2)，安装在所述第一筒体(1)内并靠近所述第二外层反硝化区(13)设置；设置有第二进水口(21)和过流口(22)，所述第二筒体(2)通过所述过流口(22)与所述第一筒体(1)连通；所述第二筒体(2)内放置有若干个第二填料(4)；
其中，所述第一外层反硝化区(12)的水流方向为从下到上，所述第二外层反硝化区(13)的水流方向为从上到下。
2.根据权利要求1所述的分段式水处理方法，其特征在于，所述导流分层板(5)设置在所述第一筒体(1)与所述第二筒体(2)直径差的中轴线上。
3.根据权利要求1所述的分段式水处理方法，其特征在于，所述第二筒体(2)的上端还设置有内层溢流区(8)，所述内层溢流区(8)与所述第二筒体(2)连通。
4.根据权利要求3所述的分段式水处理方法，其特征在于，还包括检查盖，所述检查盖包括顶部检查盖(71)和侧壁检查盖(72)，所述顶部检查盖(71)安装于所述内层溢流区(8)的顶部，所述侧壁检查盖(72)安装于所述第一筒体(1)的侧壁。
5.根据权利要求4所述的分段式水处理方法，其特征在于，所述第二筒体(2)内还安装有搅拌器(9)，用于搅拌所述第二筒体(2)内的水。
6.根据权利要求5所述的分段式水处理方法，其特征在于，所述第二进水口(21)连接有进水管(23)，所述进水管(23)延伸至所述第二筒体(2)的底部。
7.根据权利要求1～6任一项所述的分段式水处理方法，其特征在于，所述第一填料(3)为以聚丙烯纤维絮状材料为载体的生物膜填料；所述第二填料(4)为以聚氨酯材料为载体的生物膜填料；所述第一填料(3)和所述第二填料(4)的填充体积比均为40～60％。
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