一种污水深度处理装置及其制作工艺、处理方法与流程

1.本发明涉及污水处理设备技术领域，具体涉及一种污水深度处理装置及方法。


背景技术：

2.随着污水排放标准日益严格，一般二级生物处理很难彻底去除污水中的有机污染物并使其达到排放标准，尤其对于石化、煤化工、医药、印染等行业来说，其生产过程中产生的废水包含的污染物成分复杂，且大部分为难降解有机物，很难在二级生物处理中得到深度去除，因此，研发经济高效的深度处理技术对于污水处理厂升级改造具有重要意义。
3.目前的深度处理技术主要包括混凝、活性炭吸附、高级氧化、生物处理等。其中，高级氧化中的臭氧氧化通过臭氧直接氧化有机物，或通过臭氧分解产生的高活性羟基自由基对有机物进行氧化，此技术不仅具备消毒、脱色除臭的作用，且不会产生二次污染，但其成本较高，并且其仅能将大分子有机物氧化成小分子有机物，不能将有机物彻底除去；生物处理中的曝气生物滤池由于抗冲击负荷能力强，成本低廉等优点已被广泛应用于污水深度处理，该技术兼具生物接触氧化与过滤截留的功能，可以去除部分生物二级出水中残留的难降解有机物及悬浮物，但其去除效率有限，且部分有机物难以降解。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有污水深度处理技术中臭氧氧化成本高且对有机物处理不彻底、生物处理效率低且部分有机物难以降解的缺陷，从而提供一种污水深度处理装置及方法。
5.本发明提供的污水深度处理装置，包括：
6.曝气生物滤池；
7.中空纤维膜组件，其竖直固定在所述曝气生物滤池的滤料层中，所述中空纤维膜组件的膜孔径为20-50μm，所述中空纤维膜围成臭氧通道，且所述中空纤维膜组件的顶部和侧部分别形成所述臭氧通道的入口和出口；
8.臭氧发生器，其输出口与所述臭氧通道的入口连通；
9.臭氧检测探头，固定在所述曝气生物滤池的滤料层中，且适于检测所述臭氧通道出口处的浓度；
10.中控模块，同时与所述臭氧检测探头和臭氧发生器连接，适于在接收到小于目标浓度范围的检测信号时控制所述臭氧发生器开启，且在接收到大于目标浓度范围的检测信号时控制所述臭氧发生器关闭。
11.可选的，所述曝气生物滤池的滤料层中分布有金属氧化物负载型催化剂。
12.可选的，所述臭氧检测探头设有至少两个且沿所述中空纤维膜组件的周向均匀分布。
13.可选的，所述臭氧检测探头设有两组且分别对应所述中空纤维膜组件的两个端部设置，每组臭氧检测探头设有至少两个且沿所述中空纤维膜组件的周向均匀分布。
14.可选的，所述曝气生物滤池的顶部设有臭氧处理器。
15.可选的，所述曝气生物滤池包括：
16.滤池本体，所述滤池本体的底部开设有污水进口、反冲洗水进口和反冲洗气进口；
17.承托层，水平固定在所述滤池本体内，且位于所述污水进口、反冲洗水进口和反冲洗气进口的上方；
18.滤料层，位于所述承托层上；
19.曝气管，插于所述承托层内，且一端外伸于所述滤池本体；
20.溢流堰，位于所述滤池本体的顶部，且开设有出水口。
21.可选的，还包括：
22.出水箱，其同时与所述反冲洗水进口、出水口连通。
23.本发明提供的污水深度处理装置的制作方法，具体包括如下步骤：
24.1)滤料的挂膜以及金属氧化物负载型催化剂的制备：
25.2)承托层的制作：
26.3)将中空纤维膜曝气组件竖直固定在曝气生物滤池的滤料层中，使其顶部和侧部分别形成所述臭氧通道的入口和出口
27.4)臭氧检测探头的安装：
28.将臭氧检测探头固定在曝气生物滤池内部的合适位置；
29.5)滤料层的制作：
30.将步骤1)中挂膜完毕后的滤料和制备好的金属氧化物负载型催化剂装载于曝气活性炭生物滤池中，二者体积比根据水质确定。
31.本发明提供的污水深度处理方法，具体如下：
32.将臭氧以微米级气泡的形式输入并散布至曝气生物滤池的滤料层中，臭氧浓度通过臭氧检测探头进行检测，并将检测信号反馈给中控模块，中控模块在接收到小于目标浓度范围的检测信号时控制臭氧发生器开启，且在接收到大于目标浓度范围的检测信号时控制臭氧发生器关闭；
33.污水处理时，污水从所述曝气生物滤池的底部进入，经过承托层进入滤料层中，微生物和臭氧对污水中的有机物进行双重处理，处理完毕后从曝气生物滤池顶部的溢流堰排出。
34.可选的，将曝气生物滤池内残留的臭氧通过臭氧处理器消除。
35.本发明技术方案，具有如下优点：
36.1.本发明提供的污水深度处理装置，设有中空纤维膜组件，臭氧通过中空纤维膜组件进入曝气生物滤池中，与微生物联合对污水进行处理。相对于单纯使用臭氧氧化的处理方式而言，大幅减少了臭氧所需量，降低了成本，并且臭氧分解后的易降解的有机物也可通过微生物进行彻底降解；相对于单纯使用生物处理的方式而言，通过臭氧可将一些难降解的有机物进行氧化降解，并且提高了整体的处理效率。另外，本装置中膜孔径为20-50μm，臭氧通过所述中空纤维膜组件能够形成微米级的气泡，一方面能够促进臭氧在水中的溶解，提高臭氧的传质效率，降低能耗；另一方面能够严格控制臭氧的进气量，利于保持臭氧在微量状态。本装置还设有臭氧检测探头和中控模块，配合中空纤维膜组件能够将曝气生物滤池内的臭氧浓度控制在预设的微量范围内，保证微量的臭氧与微生物接触，从而提高
微生物的活性，促进微生物对有机物的降解，进而进一步减少臭氧的消耗量，降低成本。
37.2.本发明提供的污水深度处理装置，在滤料层中分布有金属氧化物负载型催化剂，能够催化臭氧产生更多的自由基，从而氧化更多的有机物，进而进一步降低臭氧的所需含量，降低成本，同时也避免臭氧利用率低导致的所需浓度过高对微生物造成的毒害作用。另外，金属氧化物所依附的负载颗粒具有良好的吸附作用，有利于有机物的去除。
38.3.本发明提供的污水深度处理装置，臭氧检测探头设有多个，且沿中空纤维膜组件的周向均布，检测值可根据多个检测探头的结果确定，检测更加准确。
39.4.本发明提供的污水深度处理装置，臭氧检测探头设有两组，两组分别对应中空纤维膜组件的两个端部，因为臭氧从上至下输送，中空纤维膜上部的检测值偏高，而下部的检测值偏低，所以两组中空纤维膜组件检测时，判断是否高于目标浓度范围时采用上端的检测值，判断是否低于目标浓度范围时采用下端的检测值，这样可保证整个滤料层内的臭氧浓度皆位于目标浓度范围内。
40.5.本发明提供的污水深度处理装置，在其顶部设有臭氧处理器，当多余臭氧逸散至装置顶部时，臭氧处理器能够对臭氧进行处理，避免残留的臭氧溢出污染环境。
41.6.本发明提供的污水深度处理装置，出水箱与反冲洗水进口连通，利用处理完后的水进行反冲洗，进一步降低了处理成本。
42.7.本发明提供的污水深度处理方法，将臭氧氧化和生物处理联合对污水进行处理，既能解决臭氧氧化成本高且对有机物处理不彻底的技术问题，也能克服生物处理效率低且部分有机物难以降解的技术缺陷。并且臭氧以微米级气泡的形式输入至滤料层中，利于对臭氧量的控制；臭氧检测探头和中控模块配合能够将曝气生物滤池内的臭氧浓度控制在预设的微量范围内，保证微量的臭氧与微生物接触，从而提高微生物的活性，促进微生物对有机物的降解，进而进一步减少臭氧的消耗量，降低成本。
43.8.本发明提供的污水深度处理方法，利用处理后的水对曝气生物滤池进行反冲洗，节省水资源，降低了成本。
44.9.本发明提供的污水深度处理方法，通过臭氧处理器对逸散至装置顶部的残留臭氧进行处理，避免臭氧溢出污染环境。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本发明实施例中污水深度处理装置的结构示意图。
47.附图标记说明：
48.1、曝气生物滤池；11、滤池本体；12、承托层；13、滤料层；131、滤料；132、金属氧化物负载型催化剂；14、曝气管；15、溢流堰；16、污水进口；17、反冲洗水进口；18、反冲洗气进口；2、中空纤维膜组件；3、臭氧发生器；31、高纯氧气瓶；4、臭氧检测探头；41、臭氧浓度检测仪；5、中控模块；6、臭氧处理器；7、出水箱；8、流量计。
具体实施方式
49.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
51.实施例一
52.结合图1所示，本实施例提供的污水深度处理装置，包括：
53.曝气生物滤池1；
54.中空纤维膜组件2，其竖直固定在曝气生物滤池1的滤料层13中，中空纤维膜组件2的膜孔径为20-50μm，中空纤维膜围成臭氧通道，且中空纤维膜组件2的顶部和侧部分别形成臭氧通道的入口和出口；
55.臭氧发生器3，其输出口与臭氧通道的入口连通；
56.臭氧检测探头4，固定在曝气生物滤池1的滤料层13中，且适于检测臭氧通道出口处的浓度；
57.中控模块5，同时与臭氧检测探头4和臭氧发生器3连接，适于在接收到小于目标浓度范围的检测信号时控制臭氧发生器3开启，且在接收到大于目标浓度范围的检测信号时控制臭氧发生器3关闭。
58.本实施例的污水深度处理装置，将高级氧化法中的臭氧氧化与曝气生物滤池1相结合，协同高效去除二级出水中难降解有机物，针对单一生物法难以处理二级出水中难降解有机物及单一高级氧化法处理费用高昂的问题，将二者有机结合起来，在适当的浓度范围内，臭氧不仅可以将难降解有机物分解，提高其可生化性，为生物处理创造条件，而且可以提高微生物的活性，从而调节微生物的生长，促进微生物对有机物的降解。本方案中，臭氧采用中空纤维膜组件2的必要性体现在两点上：首先，臭氧要直接通入至滤料层13中，如果采用一般的曝气手段，容易造成臭氧量过大的现象；其次，通过中空纤维膜组件2能够使臭氧变为微米级的气泡形式，能提高臭氧在污水中的传质效率，从而降低对于臭氧量的需求。本方案中，通过臭氧检测探头4和中控模块5的配合来确保滤料层13内的臭氧含量不会过高或过低。
59.本实施例中，曝气生物滤池1包括滤池本体11，滤池本体11的底部开设有污水进口16、反冲洗水进口17和反冲洗气进口18；承托层12，水平固定在滤池本体11内，且位于污水进口16、反冲洗水进口17和反冲洗气进口18的上方；滤料层13，位于承托层12上；曝气管14，插于承托层12内，且一端外伸于滤池本体11；溢流堰15，位于滤池本体11的顶部，且开设有出水口。具体的，污水进口16、反冲洗水进口17处皆设有进水泵和止逆阀，曝气管14和反冲洗气进口18处皆设有进气泵和止逆阀；通过进气泵提供气源，起到搅拌作用并为曝气生物滤池1中的微生物提供氧气。承托层12的下方设有长柄滤头，长柄滤头可使污水均匀分配后进入承托层12；承托层12采用具有良好的机械强度和化学稳定性的卵石，卵石直径为2-16mm，自上而下按级分配。滤料层13内采用陶瓷滤料131，微生物附着在陶瓷滤料131上，当然其他方案中，也可采用海绵颗粒、生物填料等。其他实施例中，曝气生物滤池1也可采用其他常用的结构，例如cn102557244a或cn102557244b专利公开的曝气生物滤池1结构。
60.本实施例中，出水箱7同时与反冲洗水进口17和出水口连通，利用处理后的水进行反冲洗，更加节省成本。其他实施例中，反冲洗也可利用其他水源。
61.本实施例中，中空纤维膜组件2设为横截面为圆形的筒状结构，且设有单层纤维膜；其他实施例中，中空纤维膜组件2的横截面为长方形或三角形或其他形状，并且纤维膜的层数也可设置为两层或多层。需要注意的是，无论中空纤维膜横截面为什么形状，其轴向皆指其长度方向，其周向指沿其横截面的轮廓方向，所谓竖直固定即其轴向竖直固定。
62.本实施例中，中空纤维膜组件2的材料采用亲水性聚偏氟乙烯，亲水性较好，利于臭氧在水中的溶解；其他实施例中，也可采用聚四氟乙烯等其他亲水性材料，甚至不亲水的材料亦可。
63.本实施例中，中空纤维膜组件2的膜孔径为20μm；其他实施例中，中空纤维膜组件2的膜孔径也可为30μm或40μm或50μm。
64.本实施例中，中空纤维膜组件2的出口仅开设在中空纤维膜组件2的侧部，中空纤维膜组件2的底部与曝气生物滤池1的底部相接，这样更利于臭氧的均匀扩散；其他实施例中，也可将中空纤维膜组件2的底部也设为出口，但需在底部加设纤维膜保证臭氧能够形成微米级气泡。
65.本实施例中，臭氧检测探头4设有两个且关于中空纤维膜组件2中心对称，这样可均匀检测到中空纤维膜组件2的周向位置；其他实施例中，臭氧检测探头4也可设置沿周向均匀分布的多个，或者是设置单个，或者是设置不均匀分布的两个或多个皆可。臭氧检测探头4应靠近中空纤维膜组件2的侧部设置，以保证能够检测到出口处的浓度，因为出口处的浓度相对于经过扩散过程的其他位置而言，检测精度是最高的。
66.本实施例中，为实现臭氧发生器3与中控纤维膜组件之间的流量可控性，在两者之间增加了流量计8，进一步控制臭氧的流量。
67.本实施例中，臭氧发生器3连接有高纯氧气瓶31，高纯氧气瓶31为臭氧发生器3提供气源。
68.本实施例中，臭氧检测探头4与中控模块5之间连接有臭氧浓度检测仪41。
69.进一步的，曝气生物滤池1的滤料层13中分布有金属氧化物负载型催化剂132。催化剂能够促进臭氧分解产生氧化性更强且无选择性的羟基自由基，可以有效提高有机物氧化效率，而众多催化剂中金属氧化物负载型催化剂132具备良好的应用前景，该类型催化剂在保证催化效率条件下活性组分用量少，成本相对较低。另外，通过催化剂可提高臭氧的利用率，从而降低所需臭氧的含量，更利于维持滤料层13中臭氧的低浓度，避免损害微生物。具体的，金属氧化物负载型催化剂132可选用负载cu-mn颗粒活性炭等，具有较好的吸附作用，更利于有机物的去除。
70.进一步的，臭氧检测探头4设有两组且分别对应中空纤维膜组件2的两个端部设置，每组臭氧检测探头4设有至少两个且沿中空纤维膜组件2的周向均匀分布。因为臭氧从上至下输送，中空纤维膜上部的检测值偏高，而下部的检测值偏低，所以两组中空纤维膜组件2检测时，判断是否高于目标浓度范围时采用上端的检测值，判断是否低于目标浓度范围时采用下端的检测值，这样可保证整个滤料层13内的臭氧浓度皆位于目标浓度范围内。
71.进一步的，曝气生物滤池1的顶部设有臭氧处理器6。多余的臭氧会逸散至装置的顶部，经过臭氧处理器6进行消除，避免了臭氧外溢污染环境。具体的臭氧处理器6内包含石
英砂填料以及还原或者催化臭氧分解的物质，例如镁、铁、锰等单一或多种金属氧化物。
72.具体的，在附图1中，还存在部件进水箱9，其主要用以储存二级出水。
73.实施例二
74.本实施例提供的污水深度处理装置，具体包括如下步骤：
75.1)陶粒滤料131的挂膜：
76.将陶粒滤料131置于具有稳定出力效果的活性污泥系统中，挂膜时间不少于三个月，当水力停留时间为3h条件下以陶粒滤料131为滤料131的曝气生物滤池1有机物去除率大于40％时证明陶粒滤料131成功挂膜；
77.2)负载cu-mn颗粒活性炭的制备：
78.采用浸渍焙烧法将cu、mn负载至颗粒活性炭上，浸渍液浓度(参考值1.0mmol/g)及金属离子的浓度配比(参考值1:1)根据实际水质确定；
79.当然，步骤1)和步骤2)的顺序可互换；
80.3)承托层12的制作：
81.采用具有良好机械强度和化学稳定性的卵石进行制作，卵石直径范围为2-16mm，自上而下按级分配；
82.4)中空纤维膜曝气组件的制作：
83.采用亲水性的聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯，膜孔范围20-50μm；
84.5)臭氧检测探头4的安装：
85.将臭氧检测探头4固定在曝气生物滤池1内部的合适位置；
86.6)滤料层13的制作：
87.将陶粒滤料131和负载cu-mn颗粒活性炭装载于曝气活性炭生物滤池中，二者体积比根据水质确定(参考值4:1)。
88.实施例三
89.本实施例提供一种污水深度处理方法，具体如下：
90.将臭氧以微米级气泡的形式输入并散布至曝气生物滤池1的滤料层13中，臭氧浓度通过臭氧检测探头4进行检测，并将检测信号反馈给中控模块5，中控模块5在接收到小于目标浓度范围的检测信号时控制臭氧发生器3开启，且在接收到大于目标浓度范围的检测信号时控制臭氧发生器3关闭；
91.污水处理时，污水从曝气生物滤池1的底部进入，经过承托层12进入滤料层13中，微生物和臭氧对污水中的有机物进行双重处理，处理完毕后从曝气生物滤池1顶部的溢流堰15排出。
92.本实施例中，臭氧以微米级气泡的形式输入曝气生物滤池1中，可以通过中空纤维膜组件2实现。
93.进一步的，将处理后的污水排至出水箱7中，并利用出水箱7中的水对曝气生物滤池1进行反冲洗，可进一步降低成本。
94.进一步的，将曝气生物滤池1内残留的臭氧通过臭氧处理器6消除，可避免臭氧外溢至环境中造成污染。
95.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或
变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。