CN112811573A

CN112811573A - 一种污水处理方法及污水处理装置和应用

Info

Publication number: CN112811573A
Application number: CN201911125120.3A
Authority: CN
Inventors: 高贵平
Original assignee: Guizhou Tongyong Water Conservancy Technology Development Co ltd
Current assignee: Guizhou Tongyong Water Conservancy Technology Development Co ltd
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-05-18

Abstract

本发明公开了一种污水处理方法及污水处理装置和应用，采用聚丙烯腈基改性碳纤维作为填料，将污水中的各种微生物激活并固定附着在聚丙烯腈基改性碳纤维填料上，形成固定的高效生物膜，附着在生物膜上的微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物，从而净化废水。本发明是一种利用聚丙烯腈（PAN）基改性碳纤维的微生物附着性对污水进行处理的新技术，具有投入小、成本低、占地面积少、日常管护简单等特点，无需建设管网系统集中污水，而是对单家独户或几户进行分散式处理，可以通过建立小型化、分散型、低成本、无动力的生活污水处理设施来解决农村污水处理问题，可弥补农村一体化设备和人工湿地处理系统的不足，适用于农村生活污水处理。

Description

一种污水处理方法及污水处理装置和应用

技术领域

本发明涉及一种污水处理方法及污水处理装置和应用，属于污水处理技术领域。

背景技术

污水处理是为了使污水达到排入某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程。目前，国内污水处理主要有污水处理站、传统一体化处理设备和人工湿地净化三种方式：1、污水处理站方式，适合人口较为集中的城镇。采用铺设网管收集污水，到污水处理站进行集中处理。此方法投入较大，需要使用电力保证正常运行，需要投加药剂保证处理效果，需要安排后续的日常管护及安排管理人员。2、传统一体化处理设备，适合于人口较为集中的村庄。此方法也需要铺设网管收集污水到一体机进行集中处理，并需要用电和后续管护。3、人工湿地净化方法，合适于有一定面积湿地条件的村庄和住户。此方法也存在一些问题：如占地面积较大，受地形条件限制，维护成本较高，发生洪灾易遭破坏等。

对于农村生活污水处理，成熟的技术不少，如一体化处理设备，只要把污水收集起来，经一体化处理设备处理后，达标排放没有问题。但是，一体化设备处理必须同时具备几个条件：一是需要污水收集管网系统，建污水收集管网需要相当部分投资。二是运维需要电能，用电必然需要支付电费；三是需要专人管护，需要支付报酬，如果说建污水站所需的资金有国家专项资金支持，建设没有问题。可运维费用由谁来承担，按现行体制，各级财政也没用这笔专款来支付运维费用，那就只有农民集资来承担，但农民集资并不现实，因此就形成了农村污水处理站建得起，用不起的格局。一段时间后，污水处理站就会成为个摆设，达不到处理污水，改善和保护环境的目的，又如人工湿地处理方法，也能实现分时达标排放，但受温度影响严重，但人工湿地处理系统，需要较大面积的土地作为载体，投资建设费用高，管护不力则产生恶臭气体，水污染转化为气污染，也达不到处理污水改善和保护环境的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种污水处理方法及污水处理装置和应用，具有投入小、占地面积少、分散型、成本低、日常管护简单的特点，从而克服上述现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种污水处理方法，采用聚丙烯腈基改性碳纤维作为填料，利用聚丙烯腈基改性碳纤维将污水中的各种微生物激活并固定附着在聚丙烯腈基改性碳纤维填料上，形成固定的高效生物膜，该生物膜包含好氧菌、厌氧菌和大量的原生动物，附着在生物膜上的微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物，从而净化污水。

上述的污水处理方法，具体来说，是将污水引入内置有聚丙烯腈基改性碳纤维填料的填料桶中，利用聚丙烯腈基改性碳纤维降解水体中的有机污染物，然后将经聚丙烯腈基改性碳纤维处理过的污水再引入内填有碎石、砂和泥土的生物滤池，进一步去除污染物，从而净化污水。

上述的污水处理方法，优选的，先将污水先引入污水滤网斗，去除污水中的漂浮物及颗粒杂物后，然后再引入内置有聚丙烯腈基改性碳纤维填料的填料桶中。

前述的污水处理方法，进一步来说，所述的聚丙烯腈基改性碳纤维是用聚丙烯腈碳纤维经过表面改性处理得到的新型聚丙烯腈基改性碳纤维，其比表面积大于1000m²/g，其制备过程如下：

（1）预氧化处理：采用多温区梯度升温，将聚丙烯腈纤维在150℃-300℃的温度下预氧化处理30-150min；

（2）碳化处理：采用多温区梯度升温，将预氧化后的聚丙烯腈纤维在600℃-1300℃的温度下碳化处理10-30min；

（3）表面活化处理：通过活性改性方法对碳化纤维进行表面活化处理3-10min，制得新型聚丙烯腈基改性碳纤维。

一种污水处理装置，包括填料桶和生物滤池，在所述的填料桶中内置有聚丙烯腈基改性碳纤维填料，在所述的生物滤池内填有碎石、砂和土壤，填料桶和生物滤池之间通过管道连接。

上述的污水处理装置，作为一种优选方案，所述的生物滤池是从下至上分三层，最底部为透水层，在透水层中放置有碎石，碎石粒径为1-2cm，透水层的厚度为10-15cm；第二层为保水层，在保水层中填充有砂与土壤的混合填料，砂与土壤按照2：1的比例混合，保水层的厚度为40-60cm；第三层为土壤层，厚度为40cm。

前述的污水处理装置，所述的填料桶为玻璃钢制品或优质塑料制品或砖砌构筑物；所述的生物滤池为砖砌构筑物。

前述的污水处理装置，作为一种优选方案，还包括过滤桶，在所述的过滤桶中安装有污水滤网斗。

前述的污水处理装置，在所述的生物滤池顶部种植有植物；在所述的填料桶上方设有活动盖，在活动盖上设有提手。

聚丙烯腈基改性碳纤维在农村生活污水治理、景观鱼池及养殖循环水处理、河道治理、城市污水厂提标改造、屠宰废水处理中的应用。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明是一种利用聚丙烯腈（PAN）基改性碳纤维的微生物附着性对污水进行处理的新技术。与传统的污水处理站、传统一体化处理设备和人工湿地净化三种污水处理方法相比，本发明的技术路径不同于前面三种方法，本发明无需建设管网系统集中污水，而是对单家独户或几户进行分散式处理，可以通过建立小型化、分散型、低成本、无动力的生活污水处理设施来解决农村污水处理问题，可弥补农村一体化设备和人工湿地处理系统的不足，适用于农村生活污水处理，是一项农民也用得起的使用技术，系统建设完成后交付村民自行管理维护，责任到户，让广大村民主动，参与到环境保护中来，有效地减轻各级政府部门的工作压力。

本发明能有效去除水中COD、BOD、氨、氮、PH、SS、色度、臭味等微量污染因子，去除率可达90%以上，从而使污水变清、无色、无味，处理后的水质达到《污水综合排放标准》（GB18918-2002）一级B标，可直接排入沟河中。本发明具有投入小、占地面积少（相对湿地净化方式）、日常管护简单、美化家居环境等特点，无需大规模的管网建设，占地少，建设用地可以因地制宜，无需征地；单位用量少，价格便宜，工程投资远远低于国家标准，经济优势显著；可以不用或少用能源，免除了维护和运行的巨大成本，无需专人管理和收费，完全可以长期使用，具有持续改善生态环境的效果。

本发明的主要适用范围：

1、生活污水排放情况严重，不便铺设网管收集污水进行集中处理乡镇、村庄和分散居住的住户，特别是一些农村环境治理、厕所革命、乡村振兴等试点示范的村庄。

2、与河道，特别是与饮用水源地比较近，而没有进入排污管网的村庄和分散居住的住户，为重点处理范围。

3、没有进入排污管网的农家乐、民宿旅游点、宾馆，也是本专利污水处理的重点。

4、城市排污管网没有覆盖的区域和死角，采取本专利方法可以降低修建管网的成本，是治理城市黑臭水体的有效补充性方案。

5、原有人工湿地净化的污水处理设施，特别废弃的设施，可采取此方法进行改造。

6、畜禽养殖废水排放，可在本专利方法的基础上，增加电力或微电力的相关环节进行处理。

附图说明

图1是本发明的污水处理装置的结构原理图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，包括填料桶1和生物滤池2，填料桶1为玻璃钢制品（也可是优质塑料制品或砖砌构筑物），生物滤池2为砖砌构筑物。在填料桶1中内置有若干聚丙烯腈基改性碳纤维填料3，填料为仿生态草形状，在生物滤池2内填有碎石、砂和土壤。填料桶1和生物滤池2之间通过管道进行连接。在生物滤池2顶部种植有植物4，植物4的品种可根据自我喜好来选择，喜欢种花的，就选用花来种植，喜欢水果的就种上水果树（不可选用太大的水果树），喜欢种疏菜的就种上疏菜。在生物滤池2顶部种植的植物不用施肥，否则会营养过剩。生物滤池2从下至上分三层，最底部为透水层6，在透水层中放置有碎石，碎石粒径为1-2cm，透水层的厚度为10cm；第二层为保水层7，在保水层7中填充有砂与土壤的混合填料，砂与土壤按照2：1的比例混合，保水层7的厚度为50cm；第三层为土壤层8，厚度为40cm。透水层6和保水层7分格，四边用水泥砂浆抹平，底部用高标号水泥砂浆处理，防止污水渗漏污染地下水，土壤层8外壁贴瓷砖。还包括过滤桶5，过滤桶5与污水入口连接，在过滤桶5中装有污水滤网斗，用于去除污水中的漂浮物及颗粒杂物。在填料桶1上方设有活动盖，在活动盖上设有提手。平时活动盖在填料桶1上方盖上不动，需要清洗聚丙烯腈（PAN）基改性碳纤维时再将活动盖揭开，取出聚丙烯腈（PAN）基改性碳纤维进行清洗，清洗后再按原样放回填料桶1内，盖上活动盖。

施工时，将填料桶1放置在一个正方形池内，此池设在污水入口处，低于污水入口1米左右，池子四边和底部均贴瓷砖，在填料桶1上方设置可移动的钢筋混凝土盖板。填料桶1的进水口与生物滤池2出口的高差设置为15至30cm，便于水的排出。填料桶1的数量可以根据需要设置多个，多个料桶1之间通过输水管道进行连接。本专利所用的聚丙烯腈基改性碳纤维是用聚丙烯腈碳纤维经过表面改性处理得到的新型聚丙烯腈基改性碳纤维，其制备过程如下：（1）预氧化处理：在六温区预氧化炉内对聚丙烯腈纤维进行预氧化处理，选用的聚丙烯腈纤维是经二元聚合或三元聚合反应，并经湿法纺丝或干喷湿法纺丝技术制备得到，上述六温区预氧化炉中各温区的温度分别为150℃、180℃、210℃、240℃、250℃、260℃，预氧化处理时间为120min。（2）碳化处理：在四温区碳化炉内对预氧化后的聚丙烯腈纤维进行碳化处理，上述四温区预氧化炉中各温区的温度分别为600℃、800℃、1000℃、1100℃，碳化处理时间为10min。（3）表面活化处理：通过活性改性方法对碳化纤维进行表面活化处理5min，制得聚丙烯腈基改性碳纤维，其比表面积大于1000m²/g，上述步骤（3）中的活性改性方法为：以石墨板为阳极，以步骤（2）中制得的聚丙烯腈纤维为阴极，在电解质溶液中通电状态下对聚丙烯腈纤维进行活性处理，电流密度为0-30A/m²。其中，电解质溶液为酸性电解质或碱性电解质或中性电解质，酸性电解质为磷酸、硝酸、硫酸、硼酸中的任意一种；碱性电解质为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钡、磷酸钾、磷酸二氢钾、磷酸三氢钾、磷酸钠、磷酸二氢钠中的任意一种；中性电解质为磷酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、过硫酸铵中任意一种。

污水处理效果的好坏很大程度上取决于材料表面结构，申请人经研究发现，将聚丙烯腈（PAN）碳纤维经过表面改性后得到的新型聚丙烯腈（PAN）基改性碳纤维是一种生物相容性好、固着化速度快、固着量大、耐微生物分解及化学腐蚀、再生能力强的优异新型微生物固着化载体，具有相容性优异，大比表面积，高吸附速率、高脱附性能，处理量大，使用周期长等优点，还具有良好的润湿性和载菌能力，在不鼓入空气的情况下就可以为微生物提供栖息地，而微生物可以水体中溶解性有机物为食料，进行分解，从而净化废水，特别适用于污水净化。同时，本发明在系统中增加植物种植的环节，发挥植物对有机物营养物的吸收作用，进一步增强了污水净化作用。

与其他作为污水处理填料相比，本发明使用的新型聚丙烯腈基改性碳纤维具有高孔隙率、高吸附能力、易挂膜等优点，主要体现以下几点：

（1）材料比表面积大于1000m²/g，污水净化效果高。由于其特殊的形态有巨大的比表面积、丰富的微孔及多种官能团，因此具有更高的吸附性，能有效去除废水的颜色、气味等，同时还可去除难降解物质，配合好氧工艺氨氮去除率大于 90%。

（2）微生物挂膜快，老化生物膜易脱落。新型聚丙烯腈基改性碳纤维不易粉化，在震动条件下不会变松动或过分密实，且由于仿生态草的形态使得生物膜挂膜速度快，可在3天内完成微生物挂膜，微生物膜重量达到1.556g干重，平均挂膜效率达0.732g生物膜/g载体。附着在生物膜上的微生物以有机污染物为能量来源通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物，生物膜上的生物相稳定。

（3）单位用量少，价格便宜，工程投资远远低于国家标准，经济优势显著。从处理成本而言，处理1gCOD所需成本为0.2元，相比传统污水处理填料（1gCOD所需成本1-2元）具有绝对性价比优势；从工程投资而言，该材料处理静态水工程投资为200~300元/m³，处理动态为300~400元/m³，处理高浓度废水为500~600元/m³，低于国家发改委对于净化水处理工程持续投资600~900元/m³的标准。

（4）生物亲和性，生物相容性好，充氧效率高。微生物固定在聚丙烯腈基改性碳纤维填料上，使微生物的分解功能加强。聚丙烯腈基改性碳纤维填料对气泡有重复分割作用和阻挡作用，使废水中的溶解氧浓度提高，增强了微生物、有机物和溶解氧三者之间的转换。

（5）稳定性高、质轻、机械强度大和寿命长，且安装维修方便。新型聚丙烯腈基改性碳纤维填料具有很高的强度、抗酸、抗碱性强，耐氧化，不易老化等特点，而且坚固耐用，更换次数少，使用寿命长，安装非常方便，使用寿命在20年以上。

工作原理：单家独户生活污水或多户生活污水收集后，进入过滤桶5中，通过污水滤网斗去除污水中的漂浮物及颗粒杂物后，进入填料桶1中，经过填料桶1中内置的聚丙烯腈基改性碳纤维填料3对污水中有机物、金属离子、固体颗粒物等进行吸脱附处理，然后再流入生物滤池2，此两级处理后的污水完全达到排放标准，排入已有的排水沟再排入河流，若就近没有排水沟渠，可排入农地。

本装置的日常管护很简单，每天观察一次过滤桶5，若过滤桶5的污水滤网斗中的固体物占到滤网斗的一半时，将其清除即可。每3个月观察一下填料桶1内的聚丙烯腈基改性碳纤维填料3，若发现附着物较多时，将其取出，用水清洗干净再放回填料桶1中的相应位置即可。

本专利经实际应用，效果良好。以在贵州省毕节市某县农村实际应用的50多套处理装置为例，其监测数据见表1。

表1毕节市某县农村生活污水处理监测数据单位：mg/l

序号	指标	进口	出口	去除率%	排放标准
						1	pH	7.42	7.36	---	6～9
2	SS	87	28	67.8	70
						3	COD	238	37.9	84.1	100
4	BOD<sub>5</sub>	80.1	12.6	84.3	30
						5	NH<sub>3</sub>-N	5.98	0.66	88.9	15
6	TP	0.679	0.111	83.6	0.5
						7	LAS	0.789	0.273	65.4	5
8	动植物油	4.68	1.86	60.2	20

注：排放标准为《污水综合排放标准》（GB8978-1996）

表1说明，7种污染物的去除率都在60%以上，其中COD、BOD₅、NH₃-N、TP去除率都大于80%，各污染物的排放浓度均低于《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准。

以贵州省某牲畜屠宰场的污水处理（200t/d）为例，其在污水处理改造升级过程中，由于采用本专利的新型聚丙烯腈基改性碳纤维作为填料，废水排放成功通过了当地环保局的验收。原本COD 含量4000mg/L多，氨氮含量300mg/L多的废水在使用传统A/O工艺加入组合填料的方法处理后出水呈现淡红色，COD还有1000mg/L左右，氨氮还有100mg/L多，而使用本专利新型聚丙烯腈基改性碳纤维作为填料取代原有组合填料后，目前的出水无色无味，实时在线水质检测设备监测数据显示COD降低到60mg/L左右，氨氮低于1mg/L，意味着COD和氨氮的处理水平在原有基础上又提高了90%以上，换句话说新型聚丙烯腈基改性碳纤维作为填料吸附微生物后的处理效率是传统填料的十倍以上。

本专利技术适用于农村生活污水治理、景观鱼池及养殖循环水处理、河道治理、城市污水厂提标改造以及屠宰废水处理等，对于有养殖废水排入的生活污水，只需加一个微曝装置就可达到理想的处理效果，微曝装置能耗很低，可由太阳能供能。对于污水量较大的农家乐，其污水宜先进行隔油处理，再进入此污水处理装置进行处理。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种污水处理方法，其特征在于：采用聚丙烯腈基改性碳纤维作为填料，利用聚丙烯腈基改性碳纤维将污水中的各种微生物激活并固定附着在聚丙烯腈基改性碳纤维填料上，形成固定的高效生物膜，该生物膜包含好氧菌、厌氧菌和大量的原生动物，附着在生物膜上的微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物，从而净化污水。

2.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于：将污水引入内置有聚丙烯腈基改性碳纤维填料的填料桶中，利用聚丙烯腈基改性碳纤维降解水体中的有机污染物，然后将经聚丙烯腈基改性碳纤维处理过的污水再引入内填有碎石、砂和泥土的生物滤池，进一步去除污染物，从而净化污水。

3.根据权利要求2所述的污水处理方法，其特征在于：将污水先引入污水滤网斗，去除污水中的漂浮物及颗粒杂物后，再引入内置有聚丙烯腈基改性碳纤维填料的填料桶中。

4.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于：所述的聚丙烯腈基改性碳纤维是用聚丙烯腈碳纤维经过表面改性处理得到的新型聚丙烯腈基改性碳纤维，其比表面积大于1000m²/g，制备过程如下：

5.一种污水处理装置，其特征在于：包括填料桶（1）和生物滤池（2），在所述的填料桶（1）中内置有聚丙烯腈基改性碳纤维填料（3），在所述的生物滤池（2）内填有碎石、砂和土壤，填料桶（1）和生物滤池（2）之间通过管道连接。

6.根据权利要求5所述的污水处理装置，其特征在于：所述的生物滤池（2）从下至上分三层，最底部为透水层（6），在透水层（6）中放置有碎石，碎石粒径为1-2cm，透水层的厚度为10-15cm；第二层为保水层（7），在保水层（7）中填充有砂与土壤的混合填料，砂与土壤按照2：1的比例混合，保水层（7）的厚度为40-60cm；第三层为土壤层（8），厚度为40cm。

7.根据权利要求5所述的污水处理装置，其特征在于：所述的填料桶（1）为玻璃钢制品、优质塑料制品或砖砌构筑物；所述的生物滤池（2）为砖砌构筑物。

8.根据权利要求5所述的污水处理装置，其特征在于：还包括过滤桶（5），在所述的过滤桶（5）中安装有污水滤网斗。

9.根据权利要求5所述的污水处理装置，其特征在于：在所述的生物滤池（2）顶部种植有植物（4）；在所述的填料桶（1）上方设有活动盖，在活动盖上设有提手。

10.聚丙烯腈基改性碳纤维在农村生活污水治理、景观鱼池及养殖循环水处理、河道治理、城市污水厂提标改造、屠宰废水处理中的应用。