一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置及其运行方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置及运行方法。

背景技术

目前，大部分污水经过一般的二级处理之后仍还有一定量的硝态氮和难生物降解有机污染物，硝态氮进入水体之后经过一定时间的累积可能会造成水华、赤潮等现象，严重影响水体环境，导致自然水体环境恶化、鱼虾数量减少；难生物降解的有机污染物可能有很强的的生物毒性，将影响受纳水体中微生物的生存，也可能影响到水中藻类、动物的细胞结构，导致生物变异，存在着很大的环境潜在影响。因此，必须重视对污水的深度脱氮和毒性削减处理，降低污水中硝态氮、难降解有机污染物含量，尽量减小对受纳水体的水环境影响。

污水的深度脱氮技术有厌氧氨氧化法、普通的活性污泥法、生物膜法进行组合等途径；污水的毒性削减可借助电化学高级氧化、光催化氧化、吸附、离子交换等多种途径进行。在现有的污水处理技术中，污水的深度脱氮、毒性削减依赖于复杂、繁多的处理工艺才能实现目标。目前多数的解决方法通过臭氧和生物反应结合起来处理废水，如：中国专利号：201711447463.2，公开日：2018年04月13日，公开了一份名称为臭氧处理及生物滤池连用废水处理系统及方法，该发明涉及一种用于深度处理废水的难降解有机物的废水处理系统，包括臭氧处理装置和生物滤池，能够有限去除废水中的难降解cod，但是进入臭氧处理装置中的难降解有机污染物较多，所需臭氧量较多，而臭氧产生装置提供的含臭氧的空气气流中臭氧含量较低，所以臭氧产生装置的能耗会相应增大，且系统达不到深度脱氮的要求。因此，设计更加高效、简洁、操作更方便给的污水深度脱氮、毒性削减工艺显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有的污水深度脱氮及毒性削减装置处理流程复杂、操作繁琐、臭氧利用率低、处理效果不佳等缺点，提供了一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置及运行方法。本发明将曝气生物滤池、臭氧反应池、电解池与反硝化滤池耦合的反应池联合起来处理污水，该装置对于污水中的难生物降解有机污染物和硝态氮有较好的去除效果，具有良好的应用前景。

本发明的技术方案为：一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置，包括药剂槽、调节池、曝气生物滤池、臭氧反应池、臭氧发生扩散装置、反硝化生物滤池；所述药剂槽的加药管深入调节池内，调节池通过管路连接至所述曝气生物滤池的底部，所述曝气生物滤池内部从上至下依次设有集水槽、滤料层、承托层一、曝气管，所述集水槽通过管路连接至臭氧反应池，臭氧反应池的内顶部竖向设有搅拌器，所述臭氧发生扩散装置包括臭氧发生器、催化剂储液箱、气液混合泵、超声波雾化扩散器、尾气收集破坏器，所述超声波雾化扩散器安装在臭氧反应池的内底部，所述气液混合泵的出口端与超声波雾化扩散器相连，气液混合泵的进气口端与所述臭氧发生器相连，气液混合泵的进液口端与含有液相催化剂的所述催化剂储液箱相连，用于将臭氧与液相催化剂混合后输送至超声波雾化扩散器进行破碎雾化，所述尾气收集破坏器连接在臭氧反应池的上方，反硝化生物滤池包括直流电源、阳极棒列、阴极棒列、填料层、承托层二、隔板，所述隔板纵向设置在反硝化生物滤池内部，并将反硝化生物滤池划分为阳极区和阴极区，所述填料层、承托层二分别从上至下设置在所述阳极区和阴极区内部，阳极区底部通过臭氧检测控流组件与臭氧反应池相连，阴极区底部连接有排水集管，所述阳极棒列包埋于阳极区内的填料层中，所述阴极棒列包埋于阴极区内的填料层中，所述直流电源的正、负极分别通过导线与阳极棒列、阴极棒列电性连接。

进一步地，所述曝气生物滤池的底部设有反冲洗进水管一，曝气生物滤池的顶部设有与所述集水槽相连的反冲洗出水管一；所述反硝化生物滤池的阳极区和阴极区均设有反冲洗进水管二和反冲洗进水管三，阴极区的顶部设有与所述排水集管相连的反冲洗出水管二。

进一步地，所述臭氧检测控流组件包括主管道、支管道、臭氧检测仪、时间控制流量阀、三通阀，所述主管道连接在臭氧反应池与反硝化生物滤池的阳极区之间，所述臭氧检测仪安装在主管道上，所述时间控制流量阀安装在臭氧检测仪的下游段，所述三通阀安装在时间控制流量阀的下游段，所述支管道的一端与三通阀的一个端口相通，另一端连接至臭氧检测仪上游段的主管道上。

进一步地，所述液相催化剂按照重量百分比计包括：22-31％双氧水、3-5％无泡表面活性剂、2-4％水性分散剂、8-11％水溶性壳聚糖、余量为纯水，双氧水可作为氧化臭氧的催化剂，无泡表面活性剂可降低液滴的表面张力，可时催化分解后的臭氧快速作用于污水，水性分散剂用于保持液相催化剂的均匀分散性，水溶性壳聚糖用于在超声破碎时形成包裹外膜，可延长臭氧及分解后的氧气在水中的停留时间，提高臭氧的利用率。

进一步地，所述滤料层和填料层为陶粒层，粒径为5-8mm，孔隙率为50-60％，所述承托层一、承托层二为鹅卵石层。

进一步地，所述臭氧检测仪的臭氧浓度检测最大阈值为0.30mg/l。

进一步地，所述调节池与曝气生物滤池之间、曝气生物滤池与臭氧反应池之间，及反冲洗进水管一、反冲洗进水管二和反冲洗进水管三上均设有水泵。

利用上述装置进行污水脱氮处理的方法，包括以下几个步骤：

s1：将污水引入所述调节池，打开所述药剂槽的阀门，加入naoh溶液或稀盐酸，调ph至6.5-7.5，使污水满足曝气生物滤池中微生物的生长条件；

s2：污水经水泵提升进入曝气生物滤池，曝气生物滤池连续运行，水力停留时间为1-4h，好氧微生物去除一部分有机污染物和氨氮，减轻了后续臭氧反应池的处理负荷，也在一定程度上减少了后续臭氧的用量；

s3：曝气生物滤池的出水经水泵提升进入臭氧反应池，同时，臭氧发生器利用氧气或空气放电制备臭氧，与催化剂储液箱中的液相催化剂以气液体积比为10-30:1经所述气液混合泵混合均匀后，提升至所述超声波雾化扩散器，经超声波雾化扩散器超声破碎为包裹臭氧的微气泡，并扩散至臭氧反应池内的污水中，所述臭氧在污水中的含量为1-5mg/l，在所述搅拌器的搅拌下，水力停留时间为4-8h，通过臭氧对废水中剩余的有毒难降解有机污染物进行进一步的降解，提高废水的可生化性；

s4：通过臭氧检测仪对所述主管道内流出的污水进行检测，当剩余臭氧浓度超过0.30mg/l时，三通阀转向接通支管道到主管道的回路，并且控制时间控制流量阀延长废水在管中的停留时间，直至回流的污水中剩余臭氧浓度低于0.30mg/l时，三通阀转向连接主管道与反硝化生物滤池，使臭氧自发分解为氧气而含量降低，使废水中残余的臭氧不影响反硝化生物滤池中微生物的生存；

s5：臭氧反应池的出水由反硝化生物滤池下部进入阳极区，停留时间为15-20min，污水中剩余氨氮在硝化细菌和亚硝化细菌的作用下转化为硝酸盐氮，同时填料和微生物起到吸附降解有机物作用，之后从所述隔板溢流至阴极区，水力停留时间为15-30min，阴极棒列接收直流电源传递的电子，将电子传递到填料层中的微生物，微生物将硝态氮还原，进行反硝化深度脱氮；

s6：定期对曝气生物滤池和反硝化生物滤池进行反冲洗处理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置主要包括曝气生物滤池、臭氧反应池和电解池与反硝化生物滤池耦合的反应池，利用各种工艺，能够达到深度脱氮及毒性削减的目的；

(2)本发明的一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置，曝气生物滤池对有机物和氨氮有较好的去除效果，减小了后续臭氧反应池的有机负荷，使所需臭氧量相对减少，降低成本，反硝化生物滤池的阳极区对废水中的有机物进一步去除，阴极区对废水中的硝态氮进一步去除，具有良好的应用前景；

(3)本发明设置的臭氧发生扩散装置利用臭氧与液相催化剂混合后，再经超声波雾化扩散器破碎，将包裹有臭氧及其催化剂的微气泡均匀分散到污水中，可大大提高臭氧的利用率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

其中，1-药剂槽、2-调节池、3-曝气生物滤池、4-臭氧反应池、5-臭氧发生扩散装置、6-反硝化生物滤池、7-集水槽、8-滤料层、9-承托层一、10-曝气管、11-搅拌器、12-臭氧发生器、13-催化剂储液箱、14-气液混合泵、15-超声波雾化扩散器、16-尾气收集破坏器、17-直流电源、18-阳极棒列、19-阴极棒列、20-填料层、21-承托层二、22-隔板、23-臭氧检测控流组件、24-排水集管、25-反冲洗进水管一、26-反冲洗出水管一、27-反冲洗进水管二、28-反冲洗进水管三、29-反冲洗出水管二、30-主管道、31-支管道、32-臭氧检测仪、33-时间控制流量阀、34-三通阀、35-水泵。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1所示，一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置，包括药剂槽1、调节池2、曝气生物滤池3、臭氧反应池4、臭氧发生扩散装置5、反硝化生物滤池6；药剂槽1的加药管深入调节池2内，调节池2通过管路连接至曝气生物滤池3的底部，之间设有水泵35；曝气生物滤池3内部从上至下依次设有集水槽7、滤料层8、承托层一9、曝气管10，其中，滤料层8为陶粒层，厚度为20cm，粒径为5mm，空隙率大于50％，承托层一9为鹅卵石层，厚度为10cm，汽气水比为6，持续曝气使滤池中的溶解氧为3mg/l。其中，曝气生物滤池3的底部设有反冲洗进水管一25，反冲洗进水管一25上设有水泵35。曝气生物滤池3的顶部设有与集水槽7相连的反冲洗出水管一26；集水槽7通过管路连接至臭氧反应池4，之间设有水泵35，臭氧反应池4的内顶部竖向设有搅拌器11，臭氧发生扩散装置5包括臭氧发生器12、催化剂储液箱13、气液混合泵14、超声波雾化扩散器15、尾气收集破坏器16，超声波雾化扩散器15安装在臭氧反应池4的内底部，气液混合泵14的出口端与超声波雾化扩散器15相连，气液混合泵14的进气口端与臭氧发生器12相连，气液混合泵14的进液口端与含有液相催化剂的催化剂储液箱13相连，用于将臭氧与液相催化剂混合后输送至超声波雾化扩散器进行破碎雾化，其中，液相催化剂按照重量百分比计包括：22％双氧水、3％无泡表面活性剂、2％水性分散剂、8％水溶性壳聚糖、余量为纯水，双氧水可作为氧化臭氧的催化剂，无泡表面活性剂可降低液滴的表面张力，可时催化分解后的臭氧快速作用于污水，水性分散剂用于保持液相催化剂的均匀分散性，水溶性壳聚糖用于在超声破碎时形成包裹外膜，可延长臭氧及分解后的氧气在水中的停留时间，提高臭氧的利用率。尾气收集破坏器16连接在臭氧反应池4的上方。

如图1所示，反硝化生物滤池6包括直流电源17、阳极棒列18、阴极棒列19、填料层20、承托层二21、隔板22，填料层20为陶粒层，粒径为5mm，孔隙率为50％，承托层二21为鹅卵石层，厚度为10cm。隔板22纵向设置在反硝化生物滤池6内部，并将反硝化生物滤池6划分为阳极区和阴极区，其中，反硝化生物滤池6的阳极区和阴极区均设有反冲洗进水管二27和反冲洗进水管三28，阴极区的顶部设有与排水集管24相连的反冲洗出水管二29。反冲洗进水管二27和反冲洗进水管三28上均设有水泵35。填料层20、承托层二21分别从上至下设置在阳极区和阴极区内部，阳极区底部通过臭氧检测控流组件23与臭氧反应池4相连。如图1所示，臭氧检测控流组件23包括主管道30、支管道31、臭氧检测仪32、时间控制流量阀33、三通阀34，主管道30连接在臭氧反应池4与反硝化生物滤池6的阳极区之间，臭氧检测仪32安装在主管道30上，臭氧检测仪32的臭氧浓度检测最大阈值为0.30mg/l。时间控制流量阀33安装在臭氧检测仪32的下游段，三通阀34安装在时间控制流量阀33的下游段，支管道31的一端与三通阀34的一个端口相通，另一端连接至臭氧检测仪32上游段的主管道30上。阴极区底部连接有排水集管24，阳极棒列18包埋于阳极区内的填料层20中，阴极棒列19包埋于阴极区内的填料层20中，直流电源17的正负极分别通过导线与阳极棒列18、阴极棒列19电性连接。

利用本实施例的装置对丙烯腈废水生化尾水进行深度脱氮及毒性削减处理的方法，包括以下几个步骤：

s1：将污水引入调节池2，打开药剂槽1的阀门，加入naoh溶液，调ph至7.0，使污水满足曝气生物滤池3中微生物的生长条件；

s2：污水经水泵35提升进入曝气生物滤池3，曝气生物滤池3连续运行，水力停留时间为1h，好氧微生物去除一部分有机污染物和氨氮，减轻了后续臭氧反应池4的处理负荷，也在一定程度上减少了后续臭氧的用量；

s3：曝气生物滤池3的出水经水泵35提升进入臭氧反应池4，同时，臭氧发生器12利用氧气或空气放电制备臭氧，与催化剂储液箱13中的液相催化剂以气液体积比为10:1经气液混合泵14混合均匀后，提升至超声波雾化扩散器15，经超声波雾化扩散器15超声破碎为包裹臭氧的微气泡，并扩散至臭氧反应池4内的污水中，臭氧在污水中的含量为1.5mg/l，在搅拌器11的搅拌下，水力停留时间为4h，通过臭氧对废水中剩余的有毒难降解有机污染物进行进一步的降解，提高废水的可生化性；

s4：通过臭氧检测仪32对主管道30内流出的污水进行检测，当剩余臭氧浓度超过0.30mg/l时，三通阀34转向接通支管道31到主管道30的回路，并且控制时间控制流量阀33延长废水在管中的停留时间，直至回流的污水中剩余臭氧浓度低于0.30mg/l时，三通阀34转向连接主管道30与反硝化生物滤池6，使臭氧自发分解为氧气而含量降低，使废水中残余的臭氧不影响反硝化生物滤池6中微生物的生存；

s5：臭氧反应池4的出水由反硝化生物滤池6下部进入阳极区，停留时间为15min，污水中剩余氨氮在硝化细菌和亚硝化细菌的作用下转化为硝酸盐氮，同时填料和微生物起到吸附降解有机物作用，之后从隔板22溢流至阴极区，水力停留时间为15min，阴极棒列19接收直流电源17传递的电子，将电子传递到填料层20中的微生物，微生物将硝态氮还原，进行反硝化深度脱氮；

s6：滤料表面附着的生物量从最初开始进水到第7天时，随装置运行时间的增加，观察到生物膜出现；在第8天时，滤料表面附着的生物量仍继续增加；到第13天时，滤料表面附着的生物量趋于稳定，表明此时滤料间隙的微生物量已达到容纳量。反硝化生物滤池中微生物逐渐增长，阴极有气泡产生。定期对曝气生物滤池3和反硝化生物滤池6进行反冲洗处理，去除积累的生物膜，防止滤料层堵塞。

水力负荷1m³/m²·h，使用该装置和方法处理污水的水质常规指标：

进水cod为100-130mg/l，tn为40-45mg/l，氨氮含量为25-30mg/l，no3-n为18-22mg/l；

出水cod为20-30mg/l，tn为2.5-4.5mg/l，no3-n为1.0-2.0mg/l。

本实施对废水还进行生物毒性检测，先对废水进行spe提取和富集目标污染物，生物毒性测定方法为发光菌毒性法，发光菌抑制率由18.8％±6.5％降低到2.1％±8.5％；对废水中的丙烯腈进行检测，-ln(c/c0)最终可达0.90-0.95。

实施例2

本实施例对含四环素的抗生素废水进行深度脱氮及毒性削减处理。其基本操作同实施例1，现将不同之处简述如下：

(1)其中，滤料层8为陶粒层，厚度为20cm，粒径为5mm，空隙率大于50％，承托层一9为鹅卵石层，厚度为10cm，气水比为15，持续曝气使滤池中的溶解氧为5mg/l。

(2)填料层20为陶粒层，粒径为8mm，孔隙率为50％，承托层二21为鹅卵石层，厚度为10cm。

(3)液相催化剂按照重量百分比计包括：25.7％双氧水、4.1％无泡表面活性剂、3.5％水性分散剂、9.8％水溶性壳聚糖、余量为纯水，双氧水可作为氧化臭氧的催化剂，无泡表面活性剂可降低液滴的表面张力，可时催化分解后的臭氧快速作用于污水，水性分散剂用于保持液相催化剂的均匀分散性，水溶性壳聚糖用于在超声破碎时形成包裹外膜，可延长臭氧及分解后的氧气在水中的停留时间，提高臭氧的利用率。

利用本实施例的装置对含四环素的抗生素废水进行深度脱氮及毒性削减处理的方法，包括以下几个步骤：

s1：将污水引入调节池2，打开药剂槽1的阀门，加入稀盐酸，调ph至7.2，使污水满足曝气生物滤池3中微生物的生长条件；

s2：污水经水泵35提升进入曝气生物滤池3，曝气生物滤池3连续运行，水力停留时间为4h，好氧微生物去除一部分有机污染物和氨氮，减轻了后续臭氧反应池4的处理负荷，也在一定程度上减少了后续臭氧的用量；

s3：曝气生物滤池3的出水经水泵35提升进入臭氧反应池4，同时，臭氧发生器12利用氧气或空气放电制备臭氧，与催化剂储液箱13中的液相催化剂以气液体积比为30:1经气液混合泵14混合均匀后，提升至超声波雾化扩散器15，经超声波雾化扩散器15超声破碎为包裹臭氧的微气泡，并扩散至臭氧反应池4内的污水中，臭氧在污水中的含量为5mg/l，在搅拌器11的搅拌下，水力停留时间为8h，通过臭氧对废水中剩余的有毒难降解有机污染物进行进一步的降解，提高废水的可生化性；

s4：通过臭氧检测仪32对主管道30内流出的污水进行检测，当剩余臭氧浓度超过0.30mg/l时，三通阀34转向接通支管道31到主管道30的回路，并且控制时间控制流量阀33延长废水在管中的停留时间，直至回流的污水中剩余臭氧浓度低于0.30mg/l时，三通阀34转向连接主管道30与反硝化生物滤池6，使臭氧自发分解为氧气而含量降低，使废水中残余的臭氧不影响反硝化生物滤池6中微生物的生存；

s5：臭氧反应池4的出水由反硝化生物滤池6下部进入阳极区，停留时间为20min，污水中剩余氨氮在硝化细菌和亚硝化细菌的作用下转化为硝酸盐氮，同时填料和微生物起到吸附降解有机物作用，之后从隔板22溢流至阴极区，水力停留时间为30min，阴极棒列19接收直流电源17传递的电子，将电子传递到填料层20中的微生物，微生物将硝态氮还原，进行反硝化深度脱氮；

s6：滤料表面附着的生物量从最初开始进水到第7天时，随装置运行时间的增加，观察到生物膜出现；在第12天时，滤料表面附着的生物量仍继续增加；到第18天时，滤料表面附着的生物量趋于稳定，表明此时滤料间隙的微生物量已达到容纳量。反硝化生物滤池中微生物逐渐增长，阴极有气泡产生。定期对曝气生物滤池3和反硝化生物滤池6进行反冲洗处理，去除积累的生物膜，防止滤料层堵塞。

水力负荷1m³/m²·h，使用该装置和方法处理污水的水质常规指标：

进水cod为130-140mg/l，tn为45-50mg/l，no3^--n为19-22mg/l；

出水cod为25-30mg/l，tn为2.8-4.5mg/l，no3^--n为1.0-1.5mg/l。

本实施例对废水还进行生物毒性的检测，先对废水进行spe提取和富集目标污染物，生物毒性测定方法为发光菌毒性，发光菌抑制率由20.8±6.5降低到1.9±7.5；对废水中的四环素进行检测，-ln(c/c0)最终可达0.90-0.95。

值得说明的是，对于本领域技术人员来说，在本发明构思及具体实施例启示下，能够从本发明公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现本发明描述的功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本发明保护范围。