一种三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置和方法
【专利摘要】一种三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，由三段式生物膜反应器、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、浸没式中空纤维膜四部分组成。本发明还公开了利用上述装置进行污水处理的方法。本发明的出水质量高，透明度好，可用于园林灌溉及场地冲刷等用途，处理后的污水中腐殖质降低95％以上，微生物数目降低99％，出水水质透明度高。
【专利说明】一种三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置。
[0002] 本发明还涉及利用上述装置净化有毒污水的方法。
【背景技术】
[0003] 生物膜反应器是在反应器中添加各种填料以便微生物附着生长使在填料上形成 了一层生物构成的类似于膜的结构，此工艺适合多种微生物生长繁殖，生物膜相多样化， 并且不会产生污泥膨胀，不需污泥回流，易于管理，但是生物膜反应器处理污水也有很多弊 端：
[0004] (1)填料构造不尽合理容易堵塞；
[0005] (2)对含有有毒废水根本无法应用；
[0006] (3)抗冲击性较差等。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置。
[0008] 本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置净化有毒污水的方法。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供的三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，主要 结构为：
[0010] 三段式生物膜反应器，底部设有排泥孔，排泥孔上方设置一搅拌机，搅拌机周围铺 设有流动填料，流动填料上方安装一钢网防止流动填料上行流失，钢网上方布设有生物膜 填料，生物膜填料由下至上1/3处设有纳米曝气盘；由上述结构，将三段式生物膜反应器4 内分为三段，下端为厌氧生物滤池，钢网上方与纳米曝气盘之间为缺氧生物膜反应段，纳米 曝气盘上方为好氧生物膜反应段；三段式生物膜反应器的出水口连接纳米曝气凝聚-微涡 流絮凝装置；
[0011] 纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝 聚-微涡流絮凝装置连接三段式生物膜反应器出水口的一侧为主反应区，用于完成纳米气 浮-凝聚过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应 区内设有微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入〇 2的纳米曝气头，主反应区顶端设有用 以添加混凝剂的加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截 区内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，絮 体二次拦截区底部设置有出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口；
[0012] 三级反冲筛滤装置水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反 冲筛滤装置内部由多孔网格分为上部的集水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排 列的圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上 方靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入〇 2的曝气管，曝气管设有多 个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱， 储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装 有紫外灭菌灯，且灭菌灯之间设置有通入〇3的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充 有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入超滤装置内；
[0013] 中空纤维超滤器安置于超滤装置中，纳米曝气机设置在中空纤维超滤器的下方， 出水采用液压泵进行负压出水方式。
[0014] 所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置中，三段式生物膜反应器内的流动 填料为纳米型粉煤灰烧结分子筛。
[0015] 所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置中，生物膜填料的结构是将醛化纤 维或涤纶丝压在内圈是雪花状塑料枝条的双圈大塑料环上，使纤维束均匀分布。
[0016] 所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置其中，三级反冲筛滤装置中的筛滤 填料选取石英砂、改性锰砂与合成分子筛填料混合。
[0017] 所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置中，三段式生物膜反应器、纳米曝 气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的筛滤池和储水池以及超滤装置内的纳米曝 气头分别与一纳米曝气机连接。
[0018] 所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置中，三段式生物膜反应器、纳米曝 气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为〇 2，用于混凝搅 拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池及超滤装置的纳米曝气头进气为〇3，通过纳米 曝气强化羟基自由基的产生过程。
[0019] 所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置中，超滤装置内中空纤维超滤器采 用尼龙中空纤维，膜孔径为0. 4微米。
[0020] 本发明提供的利用一述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置进行污水处理 的方法：
[0021] 污水自三段式生物膜反应器底部向上流动过程中经历厌氧、缺氧、好氧三段生物 处理，在厌氧生物滤池中，兼性厌氧发酵菌先将易降解大分子有机物转化为小分子的VFA ; 聚磷菌吸收小分子有机物合成PHB储存在细胞内，同时将聚磷水解成正磷酸盐，释放到污 水中，使污水中磷浓度升高；在缺氧生物膜反应段内，硝化菌在低氧条件下对污水内氨氮进 行硝化反应，反硝化菌吸收了小分子有机物作为碳源，污水中硝酸根被反硝化为N 2，散逸出 来；同时缺氧环境导致磷的释放，在好氧生物膜反应段内，微生物消解污水中残余的有机 物，并且脱除剩余的氨氮。此时污水内碳源在前两步内已经大量消耗，聚磷菌主要靠分解内 部储存的PHB获得能量进行繁殖，同时吸收储存污水内的磷；污泥沉淀至生物滤池内，由排 泥口排出，污水部分回流与进水混合，降低进水负荷，并对残余硝氮有再处理功效；上清液 使用纳米曝气机进水管抽至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内的主反应区内进行纳米气 浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的 拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流 至絮体二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口 排出进入三级反冲筛滤装置；
[0022] 在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上 鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在 曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截 留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及 反洗周期；
[0023] 储水箱内的纳米曝气头采用03曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓 慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于 臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂 时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基· 0H，增强〇3氧 化分解有机物的能力；且纳米级别〇3气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提 高高级氧化效果，可有效提高· 0H产生率，经三级反冲筛滤装置处理的污水进入超滤装置 内经中空纤维超滤器进行超滤，出水采用液压泵进行负压出水方式，去除污水中的剩余悬 浮物，使出水达到中水回用标准。
[0024] 所述的方法中，三段式生物膜反应器、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲 筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为〇2，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置 的储水池及超滤装置的纳米曝气头进气为〇3，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。
[0025] 本发明三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置中的三段式生物膜反应器，分厌 氧、缺氧、好氧三段处理污水，降解污水中有机污染物，同时完成脱氮除磷的步骤；又本发 明采用混凝的方法有效降低污水浊度，捕捉生物膜反应器出水中分散的细小胶体及悬浮颗 粒，有效防止处理过程形成的絮凝体直径小，密度轻的问题，避免了沉淀效果不理想的后 果。同时本发明的三级反冲筛滤装置采用纳米曝气技术强化高级氧化过程，三级反冲筛滤 装置中纳米二氧化钛晶体作为光触媒在紫外灯照射下激发极具氧化力的自由负离子，同时 在纳米曝气过程中以及超声波发生过程激发的能量亦可发生并加强自由负离子的产生，达 成光催化效果；而自由负离子以及其摆脱共价键的束缚后留下空位，与纳米气泡表面带有 的电荷同时产生微电解效果，大量产生羟基自由基对污染物质进行氧化，对筛滤过后出水 中痕量有机污染物进行无选择性的氧化分解，降低出水毒性，防止污水进入自然环境有所 生物富集，最终威胁到人体本身。本发明的出水质量高，透明度好，可用于园林灌溉及场地 冲刷等用途。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的装置示意图。
[0027] 附图中主要组件符号说明：
[0028] 1温度控制仪；2加热带；3感温探头；4三段式生物膜反应器；5生物膜填料；6主 反应区；7、7八、78、7(：、70纳米曝气头；8加药装置；9絮体拦截区；10斜管 ；11纳米曝气凝 聚-微涡流絮凝装置；12絮体二次拦截区；13立体网状结构填料；14第一阀门；15第二阀 门；16增压泵；17进水堰；18阻流板；19混合填料；20三级反冲筛滤装置；21曝气管；22回 流槽；23多孔网格；24分流仓；25超滤装置；26中空纤维超滤器；27纳米曝气机；28第二阀 门；29第一闸阀；30第二闸阀；31半导体负载填料；32紫外灭菌灯；33储水箱；34通气管； 35出水口；36出泥口；37螺旋输送器；38微涡流混凝器；39流动填料；40排泥孔；41搅拌 机；42进水口；43钢网；44纳米曝气盘；45超声波发生仪。
【具体实施方式】
[0029] 本发明提供的三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置可以高效净化有毒污水 中污染物质（如：氮、磷、有机物、微生物、病原菌、悬浮颗粒、胶体等）。
[0030] 请参阅图1。本发明提供的三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，其主要结构 包括：
[0031 ] 三段式生物膜反应器4,底部设有排泥孔40，排泥孔40上方设置一搅拌机41，搅拌 机41的周围铺设有低密度的流动填料39,该低密度流动填料39采用纳米型粉煤灰烧结分 子筛。流动填料39上方安置一钢网43防止流动填料39上行流失，钢网43上方布设有组 合填料5,该组合填料5是由生物膜生长在填料的表面，组合填料5由下至上1/3处设有纳 米曝气盘44。三段式生物膜反应器内组合填料为组合式生物填料，其结构是将塑料圆片压 扣改成双圈大塑料环，将醛化纤维或涤纶丝压在环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪 花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率。
[0032] 整个生物膜反应器4内分为三段，最下端为厌氧生物过滤段，钢网43至纳米曝气 盘44之间为缺氧生物膜反应段，纳米曝气盘44上方为好氧生物膜反应段。污水自生物膜 反应器4底部的进水口 42向上流动过程中经历厌氧、缺氧、好氧三段生物处理，在厌氧生物 过滤段中，兼性厌氧发酵菌先将易降解大分子有机物转化为小分子的VFA;聚磷菌吸收小 分子有机物合成PHB储存在细胞内，同时将聚磷水解成正磷酸盐，释放到污水中，使污水中 磷浓度升高；在缺氧生物膜反应段内，硝化菌在低氧条件下对污水内氨氮进行硝化反应，反 硝化菌吸收了小分子有机物作为碳源，污水中硝酸根被反硝化为N 2，散逸出来，同时缺氧环 境导致磷的释放；在好氧生物膜反应段内，微生物消解污水中残余的有机物，并且脱除剩余 的氨氮。此时污水内碳源在前两步内已经大量消耗，聚磷菌主要靠分解内部储存的PHB获 得能量进行繁殖，同时吸收储存污水内的磷；污泥沉淀至厌氧生物过滤段的滤池内，由排泥 口 40排出，污水部分回流与进水混合，降低进水负荷，并对残余硝氮有再处理功效。上清液 使用纳米曝气机进水管抽至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置11内，进行混凝处理。
[0033] 纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置11分为左、中、右三个部分（按图面所示方向）， 底部设有螺旋输泥器37。纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置11的左边（即连接生物膜反应 器4 一端）为主反应区6,用于完成纳米气浮-凝聚过程，中央为絮体拦截区9,右边为絮体 二次拦截区12。主反应区6内填充微涡流混凝器38,其内部上方有纳米曝气头7,纳米曝气 头7用有机玻璃固定；在主反应区6的顶端有加药装置8用以添加混凝剂。位于中间段的 絮体拦截区9铺设有斜管10用于絮体拦截沉淀；位于右边段的絮体二次拦截区12内部填 充有聚丙烯的立体网状结构填料13,立体网状结构填料13下方铺设一纳米曝气头7A，立体 网状结构填料13底部设置出水口 35,通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置20。
[0034] 本发明在纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置中，采用纳米曝气技术改进混凝工艺的 凝聚过程，主要分为三个步骤：
[0035] (A)微纳米曝气前期气浮过程：微纳米气泡传质过程中，污水中的微细污染物颗 粒俘获在气泡表面或与气泡粘附在一起，在气泡上升过程中带动微细污染物颗粒上浮至水 体表面，达成气浮作用从而实现清水与悬浮颗粒物、胶体的分离；
[0036] (B)微纳米曝气中期加药混凝过程：利用微纳米气泡发生过程的强烈冲击力以及 上浮过程中的气液两相相对运动、气泡爆炸时局部产生的高温高压状态和爆破力，对污水 进行热补偿的同时施加强烈搅拌作用，迅速将混凝剂分散至待处理水体的各处，使混凝剂 与污水快速均匀混合，打散包裹住混凝剂的胶体块，提高其分散程度，促进胶体相互碰撞凝 聚成絮体。
[0037] 而当混凝剂被包裹形成絮体后，在纳米曝气下絮体成长质量更高，成长过大的絮 体在纳米曝气的作用下会破碎成较小絮体从而恢复并保持絮凝能力（絮体过大会使总表 面积减小，吸附能力下降），密实度较低的絮体在纳米曝气的剪切力作用下会破碎并重新絮 凝成密实度较高的絮体，有利于沉淀分离。
[0038] (C)微纳米曝气后期热断裂过程：利用微纳米曝气过程产生的以及气泡爆炸时局 部产生的高温高压状态实现絮体薄弱处的断裂，进而重新撞击、吸附污水中胶体、悬浮物以 形成更加稳固的絮体。
[0039] (D)为了让形成的絮体更好的吸附脱稳胶体而成长的絮凝过程，本发明同时使用 微涡流混凝器，涡流反应器形成的微涡旋流动能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞。一方 面，混凝剂水解形成胶体在微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞，使水中胶体快 速脱稳；另一方面，水中脱稳胶体在微涡流作用下具有更多碰撞机会，因而具有更高的凝聚 效率。
[0040] 污水经过纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内的主反应区进行纳米气浮-凝聚处理 后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至中间絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用 下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至右侧絮 体二次拦截区，在高密度立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水 口排出。二次拦截区填料定期清洗，清洗时同时开启填料底部纳米曝气头，利用纳米曝气技 术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗。出水通过液压泵导入三级反冲筛滤装置。
[0041] 三级反冲筛滤装置20的进水口处设有一进水堰17,出水口处设有回流槽22,三级 反冲筛滤装置20内部由多孔网格23分为上部的水池和下部的储水箱33两个部分。三级 反冲筛滤装置20内部的储水箱33与水池两部分连接一通气管34通往大气，以防止三级反 冲筛滤装置内压力过高造成装置破裂甚至爆炸。
[0042] 多孔网格23为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网，多孔网格23的下方设置有紧 密排列的圆筒状的分流仓24分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格23。多孔网格23 上方中央安放一纳米曝气头7B埋设在填充的混合填料19中，混合填料19选取石英砂、改 性锰砂与合成分子筛。纳米曝气头7B通过流量计与一曝气机连接。混合填料19靠近进水 堰17处设有一阻流板18,靠近回流槽22的一侧设有一曝气管21，曝气管21设有多个细 孔曝气孔，曝气孔垂直向上。混合填料19中安装有超声波发生仪45。分流仓24的下方为 储水箱33,储水箱33外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂 (如碳掺杂的纳米Ti0 2粉体），其底部安装有紫外灭菌灯32,且灭菌灯32之间设置有03的 曝气纳米曝气头7C，储水箱33内剩余的空间填充有半导体负载填料31 (如负载纳米Ti02 的立体网状聚丙烯填料），无需使用分散剂，并减少催化剂的流失现象。
[0043] 污水自三级反冲筛滤装置的进水堰进入，在进水堰的物理结构作用下由水平方向 导为坚直向上，在重力作用下撞击在挡流板上，以防止水流直接撞击填料影响处理效果；污 水经过填料的过滤，流至下方集水池，集水池内纳米曝气头的进气为〇 3，通过纳米曝气大量 获得羟基自由基，与紫外灭菌灯，半导体负载填料共同提高高级氧化效果，同时其中富含羟 自由基的出水在装置进行反洗时，冲刷筛滤填料，较好的做到填料清洁与再生。
[0044] 使用三级反冲筛滤装置时，水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔板向上鼓 起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝 气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使填料截留的污 染物集中排除装置外，与进水混合重新处理。延长筛滤装置使用寿命及反洗周期，对于进水 浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，不断运行净化有毒污水。
[0045] 水箱内纳米曝气头采用03曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的 上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧 溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界 面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基· 0H，增强03氧化分 解有机物的能力；且纳米级别气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于集水池，提_ _ 级氧化效果，可有效提高· 0H产生率。
[0046] 三级反冲筛滤装置的出水直接导入超滤装置25内。
[0047] 超滤装置25,内部使用中空纤维超滤器26进行超滤，中空纤维超滤器26的膜孔径 为0. 4微米，其造价低，维护方便，被广泛使用。中空纤维超滤器直接置于超滤装置中，纳米 曝气头7D设置在中空纤维超滤器26的正下方，膜表面的错流是由纳米曝气机27和纳米曝 气头7D产生的纳米气泡搅动产生的，高温纳米气泡的气流搅动在膜表面产生剪切力以及 湍流流动，无须较高的进水流速即可使膜表面的浓差极化层变薄，积累物质被带走。出水采 用液压泵进行负压出水方式，高效去除污水中的剩余悬浮物，使出水达到中水回用标准。中 空纤维超滤器26采用尼龙中空纤维。
[0048] 本发明的三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置中，其三段式生物膜反应器、 纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的筛滤池和储水池以及超滤装置内 的纳米曝气头（盘）分别与一纳米曝气机连接。其中的三段式生物膜反应器、纳米曝气凝 聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为〇 2，用于混凝搅拌和 清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池及超滤装置的纳米曝气头进气为〇3，通过纳米曝气 强化羟基自由基的产生过程。
[0049] 本发明的生物膜反应器下端为厌氧生物滤池，滤池内填充低密度的流动填料纳米 型粉煤灰烧结分子筛，分子筛轻质低密度，污水自底部进入时，分子筛填料随进水不断翻滚 流动，防止反应器堵塞，同时可以提高工艺的抗冲击性能，在进水毒性负荷高的阶段，分子 筛的吸附性能可以吸附污水中毒性物质，在进水毒性负荷较低的阶段，分子筛的毒性物质 源源不断的缓释出来进行处理；钢网上方与纳米曝气盘之间为缺氧生物膜反应段，纳米曝 气盘上方为好氧生物膜反应段，采用纳米曝气机曝气、多段反应环境根据微生物的生理活 动筛选定向微生物进行污水净化。后续采用纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛 滤装置再度净化，提高毒性出水水质，处理后的污水中腐殖质降低95%以上，微生物数目降 低99%，无机毒性物质去除率超过95%，有机毒性物质去除率达到100%，出水水质透明度 商。
[0050] 本发明采用三级反冲洗技术进行反冲洗：
[0051] -级反冲洗为曝气循环反冲洗，由于污染物质在填料表面的堆积，污水难以透过 填料之间的空隙渗透下去，在筛滤过程中进行反冲洗，开启三级反冲筛滤装置20左上角增 压泵16、曝气管21并间歇开启多孔板上方纳米曝气头7,集水池内纳米曝气头不连续工作， 空气自多孔板向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破 碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下产生波轮效 果，大力清洗填料表层片状致密污染物，溢流至回流槽，使填料截留的污染物集中排除装置 夕卜，与进水混合重新处理，污水也可继续自分子筛空隙渗透下去；一级反冲洗可延长筛滤装 置使用寿命及反洗周期，对于进水浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，使装置不断运行 净化有毒污水。
[0052] 二级反冲洗为空气脉冲反冲洗，由于污水浊度过高，导致污染物质在填料表面的 大量堆积，仅仅靠一级反冲洗步骤仍不能达到继续筛滤的效果。关闭第一阀门14、第二阀门 28,开启第一闸阀29、第二阀门15,启动三级反冲筛滤装置20右下角增压泵16、曝气管21 及两个纳米曝气机头7,将出水池内出水导入集水池中。在回水压力的作用下，集水池中的 全部空气受到快速挤压，沿分压仓上细孔上升，全部筛滤填料层在上升空气的强力搅拌，曝 气管气流及纳米曝气头的冲击力作用下旋转流动，污染物质破碎浮起，在曝气管的浮力以 及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽与初始进水混合，待水面快速下 降，过滤速率重新稳定后，关闭三级反冲筛滤装置20右下角增压泵16、多孔板下方纳米曝 气头7C、第一闸阀29、第二阀门15,开启第一阀门14、第二阀门28,继续进行筛滤处理。
[0053] 三级反冲洗为曝气湍流反冲洗，此时一、二级反冲洗已经不足以解决污染物质对 填料的覆盖、阻塞问题，污水大量积聚不得过滤。此时关闭第一阀门14、第二阀门28,开启 第一闸阀29、第二阀门15,启动三级反冲筛滤装置20右下角增压泵16、曝气管21及两个纳 米曝气头7、超声波发生仪45,将出水池内出水大量导入集水池中。⑴集水池内部空气沿多 孔板细孔上升搅拌，填料底部纳米曝气头开始曝气，填料上方涡轮不断转动；⑵利用纳米曝 气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗，上方填料呈现湍流状态，进行无规则高速运 动状态，填料在水流旋涡的冲击力和气泡的剪切力作用下相互摩擦，填料上附着的有机污 染物能够去除，得到较为纯净的填料；⑶利用超声波发生仪在液体介质中产生超声波，在筛 滤填料表面产生空化效应，空化汽泡在闭合过程中破裂时形成的冲击波，会在其周围产生 上千个气压的冲击压力，作用在填料表面上破坏污物之间粘性，并使它们迅速分散在反洗 液中，从而达到填料表面洁净的效果。⑷空气排净后，出水池的出水继续导入，富含羟自由 基的出水冲洗湍流状态的的填料颗粒表面及微孔，剥离污染物质，填料得到再生。（5)而污染 物质在水流冲击力及右侧曝气管气浮作用下不断向上浮至水面，自左端进水堰及右端回流 槽流出与初始进水混合。经过三级反冲洗，内部污染物被清洗排空殆尽。
[0054] 常规砂滤是在过滤过程中不扰动砂层，使水流从砂子细小缝隙之间流过。通常采 用不扰动砂层，压实填料、增加水压、砂上附加网格等手段改进砂滤过程，让水流从砂子细 小缝隙之间流过，而污染物质停留在砂层的表层上。本发明则是利用扰动填料表层，防止污 染物质堆积对水流的顺利通过形成阻力，同时利用高级氧化、纳米曝气、气泡的冲击力和剪 切力等手段改进装置，利用分子筛、锰砂等填料进行优化设计，最后使用三级反冲洗等改进 处理过程。本装置对胶体、纤维、藻类等悬浮物的截留效果好，对于浊度较低水质甚至无需 反冲洗，即可完成处理过程，同时具有去除臭味，灭杀细菌、病原菌等微生物，分解难降解的 少量残留表面活化剂、多氯联苯等难降解有机化合物的功效。
[0055] 本发明的碳掺杂的纳米Ti02粉体的制备：采用均匀沉淀法和水热法两步过程制备 碳掺杂的纳米Ti0 2。以硫酸钛和尿素为前驱，葡萄糖为碳源，具体制备过程如下：取6. 48g27 硫酸钛和3. 24g54尿素（硫酸钛与尿素的摩尔比为1:2)溶于去离子水中，再加入适量的葡 萄糖〇. 6搅拌均匀，1 :2 :0. 023在90°C的条件下反应2h。待反应结束后取出反应物干燥、 反复水洗至中性，再次干燥，用球磨机研磨得到碳掺杂的纳米Ti0 2粉体。
[0056] 本发明的纳米Ti02粉体负载在填料上的方法：采用聚丙烯材质的立体网状结构 填料，将纳米1102粉体与去离子水（粉体与水的质量比为1 :20)混合，用超声波超声成乳 浊液，将洁净的立体网状结构填料浸入与乙醇体积比1 :1混合的钛酸酯偶联剂，缓慢搅拌 一段时间，然后将填料取出放入Ti02乳浊液中继续搅拌一段时间，取出后放入烘箱中干燥 (85°C以下）2h，即制得负载纳米Ti0 2的聚丙烯悬浮填料，其外观呈淡黄色，膜层较均匀。
【权利要求】
1. 一种三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，主要结构为： 三段式生物膜反应器，底部设有排泥孔，排泥孔上方设置一搅拌机，搅拌机周围铺设有 流动填料，流动填料上方安装一钢网防止流动填料上行流失，钢网上方布设有生物膜填料， 生物膜填料由下至上1/3处设有纳米曝气盘；由上述结构将三段式生物膜反应器内分为三 段，下端为厌氧生物滤池，钢网上方与纳米曝气盘之间为缺氧生物膜反应段，纳米曝气盘上 方为好氧生物膜反应段；三段式生物膜反应器的出水口连接纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装 置； 纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝聚-微涡 流絮凝装置连接三段式生物膜反应器出水口的一侧为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚 过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应区内设有 微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入〇 2的纳米曝气头，主反应区顶端设有用以添加混 凝剂的加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截区内部填 充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，絮体二次拦 截区底部设置有出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口； 三级反冲筛滤装置水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反冲筛 滤装置内部由多孔网格分为上部的集水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排列的 圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠 近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入〇 2的曝气管，曝气管设有多个细 孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱，储水 箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫 外灭菌灯，且灭菌灯之间设置有通入〇 3的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半 导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入超滤装置内； 中空纤维超滤器安置于超滤装置中，纳米曝气机设置在中空纤维超滤器的下方，出水 采用液压泵进行负压出水方式。
2. 根据权利要求1所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，其中，三段式生物 膜反应器内的流动填料为纳米型粉煤灰烧结分子筛。
3. 根据权利要求1所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，其中，生物膜填料 的结构是将醛化纤维或涤纶丝压在内圈是雪花状塑料枝条的双圈大塑料环上，使纤维束均 匀分布。
4. 根据权利要求1所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，其中，三级反冲筛 滤装置中的筛滤填料选取石英砂、改性锰砂与合成分子筛填料混合。
5. 根据权利要求1所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，其中，三段式生物 膜反应器、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的筛滤池和储水池以及超 滤装置内的纳米曝气头分别与一纳米曝气机连接。
6. 根据权利要求1所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，其中，三段式生物 膜反应器、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进 气为〇 2，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池及超滤装置的纳米曝气头 进气为〇3，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。
7. 根据权利要求1所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置，其中，超滤装置内 中空纤维超滤器采用尼龙中空纤维，膜孔径为0. 4微米。
8. 利用权利要求1所述三段式生物膜反应器净化有毒污水的装置进行污水处理的方 法： 污水自三段式生物膜反应器底部向上流动过程中经历厌氧、缺氧、好氧三段生物处理， 在厌氧生物滤池中，兼性厌氧发酵菌先将易降解大分子有机物转化为小分子的VFA;聚磷 菌吸收小分子有机物合成PHB储存在细胞内，同时将聚磷水解成正磷酸盐，释放到污水中， 使污水中磷浓度升高；在缺氧生物膜反应段内，硝化菌在低氧条件下对污水内氨氮进行硝 化反应，反硝化菌吸收了小分子有机物作为碳源，污水中硝酸根被反硝化为N 2，散逸出来； 同时缺氧环境导致磷的释放，在好氧生物膜反应段内，微生物消解污水中残余的有机物，并 且脱除剩余的氨氮。此时污水内碳源在前两步内已经大量消耗，聚磷菌主要靠分解内部储 存的PHB获得能量进行繁殖，同时吸收储存污水内的磷；污泥沉淀至生物滤池内，由排泥口 排出，污水部分回流与进水混合，降低进水负荷，并对残余硝氮有再处理功效；上清液使用 纳米曝气机进水管抽至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内的主反应区内进行纳米气浮-凝 聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作 用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至絮体 二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出进 入三级反冲筛滤装置； 同时三级反冲筛滤装置的部分出水回流至三段式生物膜反应器，调节水质并刺激微生 物生理活动，筛选形成颗粒活性基团，基团具有分子筛的离子交换等功能。 在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起， 分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管 的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截留的污 染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及反洗周 期； 储水箱内的纳米曝气头采用〇3曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的 上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧 溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界 面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基· OH，增强03氧化分 解有机物的能力；且纳米级别〇3气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高高 级氧化效果，提高· OH产生率，经三级反冲筛滤装置处理的污水进入超滤装置内经中空纤 维超滤器进行超滤，出水采用液压泵进行负压出水方式，去除污水中的剩余悬浮物，使出水 达到中水回用标准。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，三段式生物膜反应器、纳米曝气凝聚-微涡流絮 凝装置、三级反冲筛滤装置的反冲洗时纳米曝气头进气为〇 2，用于混凝搅拌和清洁填料；三 级反冲筛滤装置的储水池及超滤装置的纳米曝气头进气为〇3，通过纳米曝气强化羟基自由 基的产生过程。
【文档编号】C02F9/14GK104193080SQ201410357571
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】王雷, 席北斗, 张列宇, 余红, 黄彩红, 何小松, 贾璇, 李曹乐 申请人:中国环境科学研究院