CN211078789U - 一种黑水灰水联合处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种黑水灰水联合处理系统，该系统包括：依次连接的叶轮气浮单元、沉淀池、生物反应器和光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置；所述处理系统还包括粉碎单元，所述粉碎单元和所述生物反应器连接。处理方法包括：灰水先通过叶轮气浮单元进行初步除杂后进入沉淀池，在沉淀池中加入磁絮凝剂对灰水进行磁絮凝；黑水通过粉碎单元破碎；将磁絮凝后的灰水和破碎后的黑水引入生物反应器脱氮除磷；将脱氮除磷后的混合污水通过光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管处理得到中水；中水回用。本实用新型可以有效克服现有黑水灰水处理装置存在的出水水质差、耐冲击负荷能力弱的的缺点，处理效果稳定。

Description

一种黑水灰水联合处理系统

技术领域

本实用新型属于黑水灰水处理技术领域，具体涉及一种黑水灰水联合处理系统。

背景技术

随着我国经济技术的快速发展，建筑行业作为高消耗行业的技术转型也越来越受到重视，绿色建筑系统建设作为一种可持续发展的方法成为建筑行业的新选择。而在绿色建筑系统设计中对水资源的高效循环利用对于整个系统的减排和污废资源化利用至关重要。根据新版《城镇污水再生利用工程设计规范》 (GB50035-2016)以及相关中水回用水质标准，回用水中的总氮、总磷等指标都有了更高的要求。然而，现行的大部分绿色建筑系统设计中都面临着污水处理装置落后，出水水质不好，不可直接回用；设备体积大，占地面积大；装置耐冲击负荷能力差，抗稳效果不好，适用性窄等问题。因此，绿色建筑中水资源回用与资源化仍面临着巨大挑战。

绿色建筑污水主要包括绿色建筑生活污水(黑水)与灰水。绿色建筑生活污水主要是指：任何型式的厕所和小便池的排出物和其他废弃物；装有活着的动物处所的排出物；混有上述定义的排出物的其它废水，绿色建筑生活污水也常称为“黑水”；而灰水是指除黑水以外的建筑系统中产生的其他污水，主要是来自厨房、洗衣房以及盥洗室等处的废水和废物。

现有的绿色建筑黑水灰水处理工艺主要包括生化法，物化法，电解法。物化法的设备体积较小，安装方便，操作简单，但必须外加大量化学消毒剂，并且需要很大的存储空间。此外，物化法的处理效果不够理想，处理后的污水难以直接回用而且运行费用高；同时，该方法需要经常清洗管道，否则会堵塞产生恶臭。电解法的设备占地小，质量轻；设备采用模块化设计，有利于日常维护。电解法不仅可以处理黑水，还可以处理灰水；设备的使用和运行均非常方便，且不会造成异味。但其也存在许多缺陷，如下：一次性投资较大；运行费用比生化法高，但低于物化法；出水余氯浓度偏高，不达标；出水PH值偏酸性。生化法造价低，运行维护成本少，但设备占地面积较大，适用范围小；并且需要专业人士培养污泥；每次启动需要重新培养污泥，耗时费力；不适应绿色建筑水质水量剧烈波动，处理效果差；需要定期清理，否则会产生异味。因此对上述现有的各种技术进行优化整合、再开发和适应性创新，研究绿色建筑黑水灰水的新型处理方法和技术是当前迫切需要的发展方向。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种黑水灰水联合处理系统，该系统及方法具有占地面积小、处理效率高、脱氮除磷效果好、COD去除率高、以及处理后的水可进行中水回用的优点。本实用新型的技术方案为：

第一个方面，本实用新型提供一种黑水灰水联合处理系统，包括：依次连接的叶轮气浮单元、沉淀池、生物反应器和光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置；所述处理系统还包括粉碎单元，所述粉碎单元和所述生物反应器连接。

进一步的，所述生物反应器的结构包括：反应器主体，所述反应器主体顶部开口，所述反应器主体内设有生物膜支撑架，所述生物膜支撑架由圆柱形PVC 骨架和环绕在所述PVC骨架上的格栅式不锈钢网架构成，所述生物膜支撑架下方设有曝气装置，所述反应器主体还连接储水箱。

进一步的，所述反应器主体侧部还设有水阀。

进一步的，所述反应器主体和所述储水箱之间设置蠕动泵。

进一步的，所述光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置包括石英玻璃反应器，所述石英玻璃反应器内设有参比电极、对电极和工作电极，所述工作电极为改性二氧化钛纳米管，所述参比电极、所述对电极和所述工作电极分别和电源连接；所述石英玻璃反应器内壁环绕设置有超声阵列。

进一步的，所述改性二氧化钛纳米管包括在二氧化钛纳米管表面沉积Au、 Ru、Ag、Pt中的一种贵金属；或者在二氧化钛纳米管表面掺杂Fe³⁺、Ru³⁺、Mo⁵⁺、 Re⁵⁺、Rh³⁺、V⁴⁺中的一种过渡金属离子；或者在二氧化钛纳米管表面复合SnO₂、 PbS、ZrO₂、WO₃、CdSe中的一种半导体材料；或者利用光敏剂在二氧化钛纳米管表面进行光敏化；或者在二氧化钛纳米管表面共掺杂Fe/N或者La/Fe。

进一步的，所述参比电极包括甘汞电极、银/氯化银电极。

进一步的，所述对电极包括铂对电极、碳对电极。

进一步的，所述超声阵列为矩形超声阵列。

进一步的，所述处理系统还包括真空收集单元，所述真空收集单元和所述粉碎单元连接。

第二个方面，本实用新型提供一种黑水灰水联合处理方法，是采用上述处理系统，包括：灰水先通过叶轮气浮单元进行初步除杂后进入沉淀池，在沉淀池中加入磁絮凝剂对灰水进行磁絮凝；黑水通过粉碎单元破碎；将磁絮凝后的灰水和破碎后的黑水引入生物反应器脱氮除磷；将脱氮除磷后的混合污水通过光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管处理得到中水；中水回用。

进一步的，所述磁絮凝剂为磁性纳米颗粒和无机混凝剂按照质量比为1： (0.5～2)混合制成。

进一步的，所述磁性纳米颗粒包括Fe₃O₄磁性纳米颗粒、FeO磁性纳米颗粒中的至少一种。

进一步地，所述无机混凝剂包括三氯化铁、聚合氯化铝、硫酸亚铁中的至少一种。

进一步的，所述将脱氮除磷后的混合污水通过光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管处理的具体控制参数为：外加偏压在0.7V～2.5V，超声波频率在20kHz～28kHz，功率为22W～27W，超声阵列为矩形阵列，且矩形列阵所覆盖容积与纳米管容积一致。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的处理系统在生物反应器中通过 PVC骨架和不锈钢网架形成的支撑架进行挂膜，既减少了对动态膜形成的干扰，又使反应器处理效率提高，并且使反应器出水水质更加稳定。在改性二氧化钛纳米管处理单元中，有机物以及一些小分子的有害污染物得到充分降解，减小了生物膜难降解物质的浓度，提高了装置的整体净水效果。此外，本实用新型的处理系统占地面积较小，处理黑水和灰水后的出水水质较好；出水可以进行回用，如洗涤或者冲厕，且回用范围较广；并且能量消耗较小，节约资源。总之，本实用新型可以有效克服现有黑水灰水处理装置存在的出水水质差、耐冲击负荷能力弱的的缺点，处理效果稳定。

附图说明

图1为本实用新型的黑水灰水联合处理系统的结构连接示意图。

图2为本实用新型的生物反应器的结构示意图。

图3为本实用新型的光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置的结构示意图。

图1～3中，1-叶轮气浮单元，2-沉淀池，3-生物反应器，4-光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置，5-真空收集单元，6-粉碎单元，31-反应器主体， 32-生物膜支撑架，33-曝气装置，34-储水箱，35-水阀，36-蠕动泵，331-曝气管，332-气泵，41-石英玻璃反应器，42-参比电极，43-对电极，44-工作电极，45-电源，46-超声阵列，47-自然光源。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

如图1～3所示，本实用新型具体实施例提供一种黑水灰水联合处理系统，包括：依次连接的叶轮气浮单元1、沉淀池2、生物反应器3和光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置4；所述处理系统还包括粉碎单元6，所述粉碎单元6和所述生物反应器3连接。

在本实用新型具体实施例中，所述生物反应器3的结构包括：圆柱形反应器主体31，所述反应器主体内设有生物膜支撑架32，所述生物膜支撑架32由圆柱形PVC骨架和环绕在所述PVC骨架上的格栅式不锈钢网架构成，所述生物膜支撑架32下方设有曝气装置33，所述反应器主体31还连接储水箱34，所述反应器主体31侧部设有水阀35，通过所述水阀35，可以排出上清液及污泥样品。所述反应器主体31和所述储水箱34之间设置蠕动泵36。

在本实用新型具体实施例中，所述光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置4包括石英玻璃反应器41，所述石英玻璃反应器41内设有参比电极 42、对电极43和工作电极44。所述参比电极42包括甘汞电极、银/氯化银电极等，所述对电极43包括铂对电极、碳对电极等，所述工作电极44为改性二氧化钛纳米管。所述参比电极42、所述对电极43和所述工作电极44分别和电源45连接；所述石英玻璃反应器41内壁环绕设置有矩形超声阵列46。所述改性二氧化钛纳米管的制备方法包括：制备二氧化钛纳米管基体；改性所述二氧化钛纳米管基体。制备二氧化钛纳米管基体的方法包括阳极氧化法、水热法、模版法，采用这些方法制备二氧化钛纳米管基体的技术目前比较成熟，比如 CN201710876833.8，CN201811008100.3公开的制备技术等。

所述改性二氧化钛纳米管包括在二氧化钛纳米管表面沉积Au、Ru、Ag、Pt 中的一种贵金属；或者在二氧化钛纳米管表面掺杂Fe³⁺、Ru³⁺、Mo⁵⁺、Re⁵⁺、 Rh³⁺、V⁴⁺中的一种过渡金属离子；或者在二氧化钛纳米管表面复合SnO₂、PbS、 ZrO₂、WO₃、CdSe中的一种半导体材料；或者利用光敏剂在二氧化钛纳米管表面进行光敏化；或者在二氧化钛纳米管表面共掺杂Fe/N或者La/Fe，目前这些方法都比较成熟，在此不做详细描述。

优选的，在二氧化钛纳米管表面掺杂Fe³⁺、Ru³⁺、Mo⁵⁺、Re⁵⁺、Rh³⁺、V⁴⁺中的一种过渡金属离子；或者在二氧化钛纳米管表面复合SnO₂、PbS、ZrO₂、 WO₃、CdSe中的一种半导体材料；或者在二氧化钛纳米管表面共掺杂Fe/N或者 La/Fe，对处理本实用新型具体实施例中的灰水和黑水具有较好处理效果。

所述处理系统还包括真空收集单元5，所述真空收集单元5和所述粉碎单元 6连接，通过真空收集单元5中真空产生的负压差来收集黑水，并将其送入粉碎单元破碎成易降解的小单元。

本实用新型具体实施例还提供一种黑水灰水联合处理方法，是采用上述处理系统，包括：

(1)灰水先通过叶轮气浮单元进行初步除杂后进入沉淀池，在沉淀池中加入磁絮凝剂对灰水进行磁絮凝；所述磁絮凝剂为磁性纳米颗粒和无机混凝剂按照质量比为1：(0.5～2)混合制成。

在本实用新型具体实施例中，所述磁性纳米颗粒包括Fe₃O₄磁性纳米颗粒、 FeO磁性纳米颗粒中的至少一种。所述无机混凝剂包括三氯化铁、聚合氯化铝、硫酸亚铁中的至少一种。

(2)黑水先通过真空收集单元收集，利用真空产生的负压差使黑水流向真空收集罐中，再进入粉碎单元破碎成易降解的小单元。

(3)将磁絮凝后的灰水和破碎后的黑水引入生物反应器脱氮除磷，具体控制参数为：外加偏压在0.7V～2.5V，超声波频率在20kHz～28kHz，功率为22 W～27W，超声阵列为矩形阵列，且矩形列阵所覆盖容积与纳米管容积一致。

(4)将脱氮除磷后的混合污水通过光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管处理得到中水；

(5)中水回用。

实施例1

本实施例提供一种对沈阳于洪区某建筑工地的黑水灰水联合处理方法，是采用上述系统及方法，具体过程如下：

(1)将建筑工地厨房、洗衣房以及盥洗室的含油污水由污水管道收集进入液相暂存池贮存；

(2)采用污水泵将含油污水从液相暂存池抽出，并通过进水管进入叶轮气浮除油装置(由CN201510939645.6公开)，由微气泡发生器产生的大量气泡与污水中的油珠黏附后油珠随气泡快速上升至水面；浮至水面的浮油在液压的作用下经上锥斗集中后由排油管排出；经除油后的污水经导流板及排水管排出进入沉淀池。其中叶轮气浮除油装置的叶轮直径D＝200～400mm，叶轮转速 V＝900～1500r/min，圆周线速度u＝10～15m/s，叶轮与导向叶片的间距应调整在小于7～8mm。

(3)沉淀池中投加磁性纳米级颗粒Fe₃O₄及聚合氯化铝絮凝剂(质量比为 1：1)强化絮凝作用对表面活性剂的去除能力，利用各种物质磁性的差别，在不均匀的磁场中实现分离(磁分离)。

(4)建筑工地中厕所及小便池的污水首先通过真空收集装置(由CN201420251291.7公开)，利用空气压差和少量冲洗水将粪便和污物从厕所和其他卫生设备抽吸至收集装置中；其真空度一般控制在30％～60％，不宜过小，也不宜过大；管系内的真空由连接在管岛末端喷射器产生和维持，收集柜内的污水是喷射器的工作水，喷射泵将柜内污水用泵打入喷射器，喷射器侧面连接真空收集管系，抽吸管内污水或空气，使系统产生真空，喷射器出水又回到柜内，如此循环。将收集的粪便再送入机械粉碎装置(由CN03209710.7公开)中进行机械粉碎，连同经预处理的灰水一同送入生物反应器反应器中，反应器主体为圆柱形，由压力差自流出水，上清液及污泥样品则从中部水阀取出。膜组件(生物膜支撑架)底部设3根穿孔曝气管，正常运行时开启两侧的曝气管，为微生物供氧，同时提供1.2～2.0L/(s·m²)的冲刷流速以防止膜面(整个支撑架表面)被堵塞；周期结束时仍保持侧边两曝气管开启，同时开启中间的曝气管进行水力冲洗，生物反应器的填充比为40％。经HSFDMBR处理后的水经过光电超声阵列协同催化表面掺杂Fe³⁺二氧化钛纳米管装置，进行高级催化氧化处理；在自然光条件下，电源提供的外加偏压为0.7V～2.5V之间，超声波频率在 20kH～28kHz，功率为22W～27W，超声阵列为长方形阵列，保证反应器各面超声作用均匀，电解质溶液为0.01mol/LK₂SO₄溶液。在光阳极、阴极和电解质溶液表面发生氧化还原过程，半导体改性二氧化钛纳米管光催化剂更高效地吸收光子，在光子的激发下实现价带上的电子与导带上的空穴的分离；为了更好的的实现电子与空穴的良好分离，需要外加偏压以及超声阵列。从而，改性的二氧化钛纳米管在光电声三者联合作用下催化未去除的有机物分解为小分子物质。经过高级氧化的水再回流至冲水马桶或者用来灌溉园地。在进入生物反应器前的混合废水以及处理后的水的指标如表1所示。

表1

实施例2

本实施例提供一种对沈阳于洪区某建筑工地的黑水灰水联合处理方法，是采用实施例1的系统及方法，区别在于：磁絮凝剂为磁性纳米级颗粒FeO及三氯化铁絮凝剂(质量比为1：2)，生物反应器的填充比设置为40％，改性二氧化钛纳米管装置的改性二氧化钛纳米管为表面掺杂V⁴⁺二氧化钛纳米管。在进入生物反应器前的混合废水以及处理后的水的指标如表2所示。

表2

实施例3

本实施例提供一种对沈阳和平区某建筑工地的黑水灰水联合处理方法，是采用实施例1的系统及方法，区别在于：磁絮凝剂为磁性纳米级颗粒Fe₃O₄及硫酸亚铁絮凝剂(质量比为1：0.5)，加大膜面冲刷流速至3.0L/(s·m²)，实现装置处理负荷的快速恢复，改性二氧化钛纳米管装置的改性二氧化钛纳米管为表面复合PbS二氧化钛纳米管。在进入生物反应器前的混合废水以及处理后的水的指标如表3所示。

表3

实施例4

本实施例提供一种对大连某建筑工地的黑水灰水联合处理方法，是采用实施例1的系统及方法，区别在于：改性二氧化钛纳米管装置的改性二氧化钛纳米管为表面复合ZrO₂二氧化钛纳米管，在光电声强化二氧化钛纳米管催化装置处设置一平行光源，以防阴雨天气光照强度不够。在进入生物反应器前的混合废水以及处理后的水的指标如表4所示。

表4

实施例5

本实施例提供一种对沈阳浑南区某建筑工地的黑水灰水联合处理方法，是采用实施例1的系统及方法，区别在于：进水中可以包含不超过100μg/L的磺胺，改性二氧化钛纳米管装置的改性二氧化钛纳米管为表面共掺杂Fe/N二氧化钛纳米管。通过改性二氧化钛纳米管可以实现高效催化降解，液相色谱检测出水去除88％的磺胺，减少水回用或者排放过程中可能造成的污染，在进入生物反应器前的混合废水以及处理后的水的指标如表5所示。

对比例1

本对比例提供一种对沈阳浑南区某建筑工地的黑水灰水联合处理方法，和实施例5是同一个工地，前面所采用的叶轮气浮单元、沉淀池、真空收集单元、粉碎单元均与对比文件5相同，区别在于：采用的是传统膜生物反应器(由 CN201020106444.0公开)，并且没有光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置。在进入传统膜反应器前的混合废水以及处理后的水的指标如表5所示。

对比例2

本对比例提供一种对沈阳浑南区某建筑工地的黑水灰水联合处理方法，和实施例5是同一个工地，前面所采用的叶轮气浮单元、沉淀池、真空收集单元、粉碎单元均与对比文件5相同，区别在于：采用的是复合式自生动态膜生物反应器(由CN200710036584.8公开)，并且没有光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置。在进入复合式自生动态膜生物反应器前的混合废水以及处理后的水的指标如表5所示。

表5实施例5以及对比例1、对比例2的处理效果比较

由表1～5可见，采用本实用新型处理灰水和黑水，出水水质达到了城市污水再生利用中城市杂用水的标准，并且对废水中的磺胺等微污染物有很好的去除效果。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，包括：依次连接的叶轮气浮单元、沉淀池、生物反应器和光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置；所述处理系统还包括粉碎单元，所述粉碎单元和所述生物反应器连接。

2.根据权利要求1所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述生物反应器的结构包括：反应器主体，所述反应器主体顶部开口，所述反应器主体内设有生物膜支撑架，所述生物膜支撑架由圆柱形PVC骨架和环绕在所述PVC骨架上的格栅式不锈钢网架构成，所述生物膜支撑架下方设有曝气装置，所述反应器主体还连接储水箱。

3.根据权利要求2所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述反应器主体侧部还设有水阀。

4.根据权利要求2所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述反应器主体和所述储水箱之间设置蠕动泵。

5.根据权利要求1或2所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述光电超声阵列协同催化改性二氧化钛纳米管装置包括石英玻璃反应器，所述石英玻璃反应器内设有参比电极、对电极和工作电极，所述工作电极为改性二氧化钛纳米管，所述参比电极、所述对电极和所述工作电极分别和电源连接；所述石英玻璃反应器内壁环绕设置有超声阵列。

6.根据权利要求5所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述改性二氧化钛纳米管包括在二氧化钛纳米管表面沉积Au、Ru、Ag、Pt中的一种贵金属；或者在二氧化钛纳米管表面掺杂 Fe³⁺、Ru³⁺、Mo⁵⁺、Re⁵⁺、Rh³⁺、V⁴⁺中的一种过渡金属离子；或者在二氧化钛纳米管表面复合SnO₂、PbS、ZrO₂、WO₃、CdSe中的一种半导体材料；或者利用光敏剂在二氧化钛纳米管表面进行光敏化；或者在二氧化钛纳米管表面共掺杂Fe/N或者La/Fe。

7.根据权利要求5所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述参比电极包括甘汞电极、银/氯化银电极。

8.根据权利要求5所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述对电极包括铂对电极、碳对电极。

9.根据权利要求5所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述超声阵列为矩形超声阵列。

10.根据权利要求1所述的一种黑水灰水联合处理系统，其特征在于，所述处理系统还包括真空收集单元，所述真空收集单元和所述粉碎单元连接。

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