CN113185069B - 一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统及方法，该系统包括曝气装置和反应器，所述反应器包含光催化处理段和微生物处理段，所述光催化处理段内可供放置光催化剂的多孔载体，所述微生物处理段内可供放置微生物载体；所述反应器被设置为：通入污水后，使污水先进入所述光催化处理段经历光催化反应之后，再流入所述微生物处理段经历微生物处理，以同步去除重金属、有机物和营养元素；其中，所述曝气装置从反应器入口向反应器内曝气增加水体中溶解氧，以提供光催化反应和微生物处理所需的氧气。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种光催化联合微生物处理技术同步去除污水中重金属、有机物和营养元素的污水处理系统及方法。
背景技术
伴随着人类活动的不断增加，水污染日益严重，例如重金属污染、有机物污染、氮磷超标等一系列问题出现，污水中往往存在着多种污染物混合污染。近年来光催化技术由于其直接将太阳能转化为化学能，具有节能绿色环保等效果，受到广泛关注，被广泛应用于污水处理领域，但是纳米光催化剂存在的固定与回收受困难，在实际使用过程中造成大量纳米催化剂的损失。也有大多数污水处理厂运用微生物同化和异化作用处理污水中的污染物。在中国污水处理中大多数采用活性污泥法来处理生活污水，然而到目前为止暂未发现采用光催化技术与微生物处理技术相结合的装置来同步去除水中重金属、有机物和氮磷等营养元素的污水处理方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统及方法，可以同步去除污水中重金属、有机物和氮磷等营养元素，达到高效协同净化的目的，同时，减小了处理系统的占地面积。
一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，包括曝气装置和反应器，所述反应器包含光催化处理段和微生物处理段，所述光催化处理段内可供放置光催化剂，所述微生物处理段内可供放置微生物载体；所述反应器被设置为：通入污水后，使污水先进入所述光催化处理段经历光催化反应之后，再流入所述微生物处理段经历微生物处理，以同步去除重金属、有机物和营养元素；其中，所述曝气装置从反应器入口向反应器内曝气增加水体中溶解氧，以提供光催化反应和微生物处理所需的氧气。
更进一步地，在所述反应器内，采用可渗水和可透气的阻隔部件阻隔形成所述光催化处理段和所述微生物处理段，且所述光催化处理段和所述微生物处理段的两端均设置有所述阻隔部件，以实现：将所述光催化剂截留在所述光催化处理段，将所述微生物载体截留在所述微生物处理段。
更进一步地，通过所述光催化处理段两端的所述阻隔部件，将承载有所述光催化剂的催化剂载体截留在所述光催化处理段；通过所述微生物处理段两端的所述阻隔部件，将已完成微生物挂膜和驯化的所述微生物载体截留在所述微生物处理段。
更进一步地，所述阻隔部件可拆卸地安装于所述反应器内。
更进一步地，所述阻隔部件为具有多孔的阻隔板，所述阻隔板上的孔被设置为可供气体和污水流通，但可拦截所述催化剂载体和所述微生物载体。
更进一步地，所述反应器被设置为环状管道，以节省处理空间。
更进一步地，还包括设于曝气口上方的布气板，用以均匀布气，并产生微气泡，通过微气泡破裂释放能量以促进有机物降解。
本发明上述提供的光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，可以在同一反应器内分段处理污水，实现一次循环即可同步去除污水中重金属、有机物和营养元素，克服了现有技术中重金属、有机物和营养元素分为三个池子来净化所存在的去除效率低、系统占地面积大的问题，达到以更简化的系统高效净化污水的技术效果。
本发明另还提出一种光催化联合微生物处理技术的污水处理方法，包括：提供一污水处理系统，所述污水处理系统包括曝气装置和反应器，所述反应器包含光催化处理段和微生物处理段，所述曝气装置从反应器入口向反应器内曝气增加水体中溶解氧；其中，所述反应器被设置为：污水进入后，先经过所述光催化处理段、再经过所述微生物处理段；将承载有光催化剂的催化剂载体装入所述光催化处理段内，以及，将微生物载体装入所述微生物处理段内并对所述微生物载体进行生物挂膜和驯化；提供光源照射所述光催化处理段，使污水在所述光催化处理段内经历光催化反应，之后再流入所述微生物处理段经历微生物处理，同步去除重金属、有机物和营养元素。
更进一步地，在所述反应器内，采用可渗水和可透气的阻隔部件阻隔形成所述光催化处理段和所述微生物处理段，且所述光催化处理段和所述微生物处理段的两端均设置有所述阻隔部件，以实现：将所述承载有光催化剂的催化剂载体截留在所述光催化处理段，将所述微生物载体截留在所述微生物处理段。
更进一步地，还包括：在对所述微生物载体进行生物挂膜的过程中，通过调节曝气装置使污水中的溶解氧达到饱和状态。
本发明上述提供的光催化联合微生物处理技术的污水处理方法，通过在同一反应器内联合使用光催化和微生物处理技术，实现物理(光催化剂物理吸附、催化剂载体物理吸附、微气泡氧化吸附)-化学(光催化反应生成重金属沉淀物、生成自由基氧化有机物，芬顿体系降解有机物)-生物(微生物吸收氮磷等营养元素)连用，在一次循环处理中即可同步去除污水中重金属、有机物和营养元素，达到高效处理污水的技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的催化剂载体的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的具体实施方式提出一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，利用该系统可以在一次循环过程中实现重金属、有机物和氮磷等营养元素的协同去除。如图1所示为本发明实施例一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统的结构示意图，可参照图1来对本发明的所述污水处理系统的结构及其工作原理进行说明。
参考图1，一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，包括曝气装置10和反应器20，反应器20包含光催化处理段21和微生物处理段22，光催化处理段21内可供放置光催化剂，微生物处理段22内可供放置微生物载体2；所述反应器20被设置为：通入污水后，使污水先进入光催化处理段21经历光催化反应，再流入微生物处理段22经历微生物处理，实现同步去除重金属、有机物和营养元素；其中，曝气装置10从反应器的入口处向反应器内曝气，以提供光催化反应和微生物处理所需的氧气。
曝气装置10位于反应器20下方，通过皮管与鼓风机连接，主要功能是向反应器中提供氧气，促进微生物的有氧呼吸；为光催化反应提供氧气，促进超氧自由基的生成；为整个系统提供促进污水在反应器内循环流动的动力。
在一些优选的实施例中，反应器20是管道，成环形布置(以减小系统占地面积)，最好是圆筒管状，可采用薄壁石英玻璃器制作；并在管内设置四个阻隔部件3、4、5、6，其中阻隔部件3和4阻隔形成光催化处理段21，阻隔部件5和6阻隔形成微生物处理段22。在一种示例性的实施方案中，光催化处理段21的管径为40cm，而微生物处理段22的管径为30cm，但这只是示例，可以根据污水处理量的变化来调节管径。使用系统时，将承载有光催化剂的催化剂载体1放置于光催化处理段21内，将微生物载体2放置于微生物处理段22内。阻隔部件应被设置为可以让气体和污水通过，但应尽可能阻止微生物载体和催化剂载体通过，以将微生物载体2截留在微生物处理段22内，将催化剂载体1截留在光催化处理段21内。
在具体的实施例中，阻隔部件3～6可为具有多孔的塑料阻隔板，可拆卸地安装在反应器管道内，以便于定期拆卸冲洗或者更换载体。所述阻隔板上的孔被设置为可供气体和污水流通，但可拦截所述催化剂载体和所述微生物载体。
用于照射光催化剂的光源8设置在光催化处理段21的外侧(图中右侧)，如图1所示，光源8可以是紫外灯，也可以是其它可见光源，本发明对此不作限制。为了更进一步地提高光源利用率，可以在光催化处理段21的另一侧(图中左侧)设置凹形反光镜。如果用紫外灯，可以选择500W左右的汞灯。另外，还可以在光催化处理段21的外周设置冷水浴，防止水温过高造成微生物处理段内的微生物损伤，影响污水处理效果。
在一些实施例中，在反应器20的曝气口上方设置有布气板9，用于使爆气装置实现更加均匀的布气，并为污水处理提供溶解氧。布气板9例如是一块带有多孔结构的塑料板，气体经过布气板9之后，产生分布均匀的微小气泡，实现均匀布气，同时微小气泡伴随着上升会变大，然后破裂，在破裂一瞬间会放出大量的能量，促进有机物的降解。
下面通过一个例子来详细地说明利用本发明实施例的前述污水处理系统处理污水的方法。
在该例子中，采用一种预先制备好的聚丙烯酸钠分散硫化亚铁插层层状双氢氧化物复合材料作为光催化剂。该种复合材料，将分散在聚丙烯酸钠溶液中的硫化亚铁插层于层状双氢氧化物中，能够对金属阴阳离子协同高效吸附，具有促进重金属吸附以及还原作用。该种复合材料在紫外光照射下水解形成硫化氢自由基和羟基自由基、超氧自由基等，硫化氢自由基可与重金属形成(直接置换作用而形成)硫化物沉淀(例如CdS、As2S3)，而羟基自由基、超氧自由基可以氧化有机物，在这个光催化反应过程中同时释放出铁离子，通过芬顿体系降解有机污染物，同时铁离子也能与磷元素结合形成磷酸铁沉淀，进而实现重金属、有机物与磷素的同步去除。通过光催化技术处理之后的污水再经过微生物处理段内的生物海绵，通过微生物进一步矿化，实现重金属，有机物与氮磷的同步去除，进一步提高出水水质。
微生物载体可以选择K3填料，催化剂载体可以选择多孔塑料(如图2所示)，使用前先将光催化剂纳米颗粒填入催化剂载体的多孔结构中。采用多孔材料固定光催化剂纳米颗粒，可以减少光催化剂纳米颗粒的损失和解决光催化剂回收的难题。使用时，先对微生物载体进行挂膜和驯化处理，在挂膜过程中，可以通过调节曝气装置使污水中的溶解氧达到饱和状态。完成微生物载体的挂膜和驯化之后，将承载有光催化剂的催化剂载体放入光催化反应段内，开启紫外灯。在反应过程中实时监控进出水水质，可以通过调节进水流速来提高出水水质。
应当理解的是，上述采用聚丙烯酸钠分散硫化亚铁插层层状双氢氧化物复合材料作为光催化剂仅仅是示例性的，也可以采用其它光催化剂来替代，同样可以达成在一次循环过程中同步去除重金属、有机物和营养元素的效果。在处理污水时，光催化反应能够还原水中重金属离子，并且也可以吸附重金属，同时光催化反应产生的羟基自由基、超氧自由基等可以氧化有机物，另外光催化反应产生的一些金属离子也会与营养元素结合生成金属盐沉淀(例如光催化反应释放铁离子时，铁离子可以与磷结合生成磷酸铁沉淀)。再结合微生物处理技术，利用微生物吸收营养元素(比如氮磷等)的过程达到去除营养元素的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，包括曝气装置和反应器，其特征在于：所述反应器被设置为环状管道，在所述反应器内，采用可渗水和可透气的阻隔部件阻隔形成光催化处理段和微生物处理段，所述光催化处理段内可供放置光催化剂，采用一种预先制备好的聚丙烯酸钠分散硫化亚铁插层层状双氢氧化物复合材料作为所述光催化剂，该种复合材料，将分散在聚丙烯酸钠溶液中的硫化亚铁插层于层状双氢氧化物中；所述微生物处理段内可供放置微生物载体以进行生物挂膜和驯化；所述阻隔部件为具有多孔的阻隔板，所述阻隔板上的孔被设置为可供气体和污水流通，但可拦截所述催化剂载体和所述微生物载体；且所述光催化处理段和所述微生物处理段的两端均设置有所述阻隔部件，通过所述光催化处理段两端的所述阻隔部件将承载有所述光催化剂的催化剂载体截留在所述光催化处理段，通过所述微生物处理段两端的所述阻隔部件将已完成微生物挂膜和驯化的所述微生物载体截留在所述微生物处理段；
所述反应器被设置为：通入污水后，使污水先进入所述光催化处理段经历光催化反应之后，再流入所述微生物处理段经历微生物处理，以同步去除重金属、有机物和营养元素；
其中，所述曝气装置从反应器入口向反应器内曝气增加水体中溶解氧，以提供光催化反应和微生物处理所需的氧气；反应器曝气口上方设置有布气板，用以均匀布气，并产生微气泡，通过微气泡破裂释放能量以促进有机物降解。
2.如权利要求1所述的光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，其特征在于：所述阻隔部件可拆卸地安装于所述反应器内。
3.如权利要求1所述的光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，其特征在于，还包括：在对所述微生物载体进行生物挂膜的过程中，通过调节曝气装置使污水中的溶解氧达到饱和状态。
4.如权利要求1所述的光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，其特征在于，所述微生物载体为K3填料，所述催化剂载体为多孔塑料，使用前先将光催化剂纳米颗粒填入催化剂载体的多孔结构中。
5.如权利要求1所述的光催化联合微生物处理技术的污水处理系统，其特征在于，在光催化处理段内，光催化反应能够还原水中重金属离子，并吸附重金属，同时光催化反应产生的羟基自由基、超氧自由基能氧化有机物。
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