一种同步去除污染物及消毒的污水深度处理装置及方法

1.本发明涉及污水深度处理领域，具体设计了一种深度处理废水中悬浮物、难降解有机物和同步消毒的装置及方法。
技术背景
2.随着经济社会的快速发展，生活污水和工业废水的产生量不断增加，同时水环境中的新兴难降解污染物种类和浓度也随之增加，传统的污水处理厂深度处理技术对于新兴污染物的处理能力较薄弱，污水中残留的难降解有机污染物进入环境中将对人体健康和环境生态造成威胁。
3.为了进一步降低二级出水中残留的悬浮物、难降解有机物，目前污水处理厂常用的深度处理方法有：高密度沉淀池、v型滤池、臭氧催化氧化等方法。其中高密度沉淀池具有结构紧凑、去除悬浮物效率高、沉淀效率高效等优点，但对有机物深度处理效果较差。v型滤池对于悬浮物的截留能力很强，并且用水量较小，出水水质较好，但也存在反冲洗操作复杂、对有机物深度处理效率不高等问题等缺点。臭氧催化氧化法对有机物深度处理效果较好，反应较为迅速，流程简单，但是产生臭氧花费较高。为了确保污水出水生物安全，常采用的消毒方法有次氯酸钠消毒、紫外消毒及二氧化氯消毒等技术，其中紫外消毒法具有应用范围广、能耗低、易于维护等优点，但也存在消毒能力有限，紫外灯寿命有限，消毒效果受污水色度影响较大等缺点，而投加氯化物等化学消毒方式需要额外投入消毒剂，并且有可能会产生消毒副产物。
4.深度处理过程需实现水中难降解有机污染物、悬浮物去除及致病微生物的灭活，目前能同步实现该过程的深度处理装备及方法较少，因此急需发明新型污水深度处理工艺，在高效矿化难降解有机污染物、去除水中悬浮物的同时，也能够灭活水中的致病微生物，实现污水的高效深度处理。


技术实现要素：

5.本发明是要解决现有的二级出水深度处理方法对有机物深度处理效果差、效率低、成本高的技术问题，而提供一种同步去除污染物及消毒的污水深度处理装置及方法，本发明的装置是一种铁系磁混凝剂催化亚硫酸盐同步去除悬浮物、难降解有机物和杀灭致病菌的装置，利用该装置能够同步实现磁混凝、光催化氧化、消毒等过程，从而去除水中的难降解污染物和悬浮物、灭活致病菌，使废水达标排放，零价铁催化剂通过磁混凝设备进行回收和再利用，从而减少废水深度处理过程中的药剂消耗。
6.本发明的同步去除污染物及消毒的污水深度处理装置，包括反应池1、分区隔板2，磁混凝剂投加系统3、亚硫酸盐投加系统4、沉淀池5、磁混凝剂回收系统6、控制系统7；
7.其中分区隔板2将反应池1分隔为磁混凝反应区1-1和絮凝反应区1-2；分区隔板2与反应池1底部留有空隙，可使磁混凝反应区1-1流入絮凝反应区1-2；在磁混凝反应区1-1内设置第一搅拌器1-3和污水进口1-4；在絮凝反应区1-2内设置第二搅拌器1-5和污水出口
1-6；
8.磁混凝剂投加系统3由零价铁粉储存罐3-1、第一投加泵3-2、第三搅拌器3-3、聚合氯化铁储存罐3-4、第二投加泵3-5、第四搅拌器3-6组成；其中第三搅拌器3-3设置在零价铁粉储存罐3-1内，零价铁粉储存罐3-1经第一投加泵3-2与磁混凝反应区1-1连接；第四搅拌器3-6设置在聚合氯化铁储存罐3-4内，聚合氯化铁储存罐3-4经第二投加泵3-5与磁混凝反应区1-1连接；
9.亚硫酸盐投加系统4由亚硫酸盐储存罐4-1、第五搅拌器4-2和第三投加泵4-3组成；第五搅拌器4-2设置在亚硫酸盐储存罐4-1内，亚硫酸盐储存罐4-1通过第三投加泵4-3与磁混凝反应区1-1连接；
10.沉淀池5内设置刮泥器5-1，沉淀池5底部设置污泥排出口5-2，在沉淀池5侧壁设置溢水口5-3；絮凝反应区1-2的污水出口1-6用管道连接至沉淀池5；
11.磁混凝剂回收系统6由污泥泵6-1、高剪机6-2和磁分离机6-3组成；磁分离机6-3设置有进泥口6-3-1、磁介质出口6-3-2和剩余污泥出口6-3-3；
12.沉淀池5底部的污泥排出口5-2通过污泥泵6-1、高剪机6-2与磁分离机6-3的进泥口6-3-1相连接；磁介质出口6-3-2与磁混凝反应区1-1连接；
13.第一搅拌器1-3、第二搅拌器1-5、第三搅拌器3-3、第四搅拌器3-6、第五搅拌器4-2、刮泥器5-1、第一投加泵3-2、第二投加泵3-5、第三投加泵4-3、污泥泵6-1、高剪机6-2和磁分离机6-3通过电路与控制系统7连接；由控制系统7控制第一搅拌器1-3、第二搅拌器1-5、第三搅拌器3-3、第四搅拌器3-6、第五搅拌器4-2、刮泥器5-1、第一投加泵3-2、第二投加泵3-5、第三投加泵4-3污泥泵6-1、高剪机6-2和磁分离机6-3的启闭，从而控制药剂的投加以及处理时间。
14.更进一步地，亚硫酸盐储存罐4-1、第三投加泵4-3以及亚硫酸盐储存罐4-1与磁混凝反应区1-1之间的连接管道的材质均为不锈钢，且为密闭状态，防止亚硫酸盐与空气接触氧化。
15.更进一步地，反应池1为敞开式，使反应池1内的污水暴露在太阳光下，充分利用太阳光加速亚硫酸盐和铁离子的反应，实现高效光催化产生活性自由基过程。
16.更进一步地，沉淀池5的沉淀池上部为圆柱形池，下部为倒圆锥形，下部设置刮泥器，能够及时将产生的絮凝污泥传入污泥混凝剂回收管道中。
17.本发明的装置的工作原理如下：废水从污水进口1-4输入磁混凝反应区1-1，由控制系统7控制将零价铁粉储存罐3-1内的零价铁粉液、聚合氯化铁储存罐3-4中的聚合氯化铁溶液、亚硫酸盐储存罐4-1中的亚硫酸盐溶液投加入至磁混凝反应区1-1中，搅拌，在光催化的作用下零价铁催化活化亚硫酸盐产生自由基，从而实现难降解有机物的矿化和致病菌的灭活；再经絮凝反应区1-2进入沉淀池；在沉淀池内絮体在底部沉淀形成含磁粉污泥，含磁粉污泥进入磁混凝剂回收系统6中，絮体在高剪机6-2的作用下分散成磁介质和污泥，磁介质在磁分离机6-3的作用下回收，并通过管道重新进入磁混凝反应区1-1中，进行循环利用，污泥则通过剩余污泥出口6-3-3排出。
18.本发明中的磁混凝剂为聚合氯化铁和零价铁混合而成，由于聚合氯化铁具有水解速度快、易溶于水、处理效率高等特点，其易通过接枝或交联得到支链或网状结构的多种絮凝体。在使用时，将聚合氯化铁和零价铁按照比例投入反应池中，聚合氯化铁有良好的混凝
性能，零价铁颗粒与絮体颗粒之间通过范德华力和静电作用，互相结合变大，由于零价铁的密度较大，加速了絮体的沉降，同时零价铁具有铁磁性能够被磁分离机分离，后经过管道可回收。沉淀池中的刮泥器能够及时将产生的絮凝污泥传入污泥混凝剂回收管道中。药剂投加比例、投加顺序以及混凝反应时间均依据进水的水质和水量由控制系统的电脑调节。
19.利用上述的同步去除污染物及消毒的污水深度处理装置深度处理污水的方法，按以下步骤进行：
20.一、将待处理的污水深度处理二级出水从污水进口1-4输入磁混凝反应区1-1，由控制系统7控制将零价铁粉储存罐3-1内的零价铁粉液、聚合氯化铁储存罐3-4中的聚合氯化铁溶液、亚硫酸盐储存罐4-1中的亚硫酸盐溶液投加入至磁混凝反应区1-1中，其中零价铁的浓度控制在200～250mg/l，聚合三氯化铁的加入量控制在100～150mg/l，亚硫酸盐的浓度控制在100～250mg/l，第一搅拌器1-3和第二搅拌器1-5先以300r/min的速度快搅5～20min，再以70r/min的速度慢搅10～30min，之后进入沉淀池5中沉淀10～20min；处理后的水经溢水口5-3流出；
21.二、在沉淀池内絮体在底部沉淀形成含磁粉污泥，含磁粉污泥进入磁混凝剂回收系统6中，絮体在高剪机6-2的作用下分散成磁介质和污泥，磁介质在磁分离机6-3的作用下回收，并通过管道重新进入磁混凝反应区1-1中，进行循环利用，污泥则通过剩余污泥出口6-3-3排出。
22.本发明的污水中难降解有机物、悬浮物去除过程及致病微生物的灭活过程如下：
23.1.难降解有机物的去除：在磁混凝过程中，部分有机物被产生的絮体吸附转化为污泥从而去除。还有部分难降解有机物通过氧化而去除，通过采用零价铁作为催化活化亚硫酸盐的催化剂，催化效率高效，能够高效产生亚硫酸根自由基、硫酸根自由基、羟基自由基等活性物种，对于难降解有机物有较高的降解效率，产生的自由基如
·
oh和so4·-具有强氧化性，自由基会攻击难降解有机物分子，从而破坏难降解有机物的结构，先将其转化为小分子物质，进而降解为co2和h2o等，在此过程具体的反应如下所示：
24.fe0+o2+2h
+
→
fe(ii)+h2o2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
25.fe0+h2o2+2h
+
→
fe(ii)+h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
26.fe(ii)+h2o2→
fe(iii)+oh-+
·
oh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
27.fe
2+
+so4·-→
fe
2+
+so
42-ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
28.fe
2+
+hso
3-→
fehso
3+
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
29.fehso
3+
+o2→
4feso
3+
+2h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
30.feso
3+
→
fe
2+
+so3·-ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
31.so3·-+o2→
so5·-ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
32.so5·-+hso
3-→
so
42-+so4·-+h
+
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
33.so5·-+hso
3-→
hso5-+so3·-ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
34.so5·-+so5·-→
so4·-+o2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
35.污染物+so4·-/
·
oh/so3·-→
产物+co2+h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
36.2.悬浮物的去除：水中的悬浮物主要通过磁混凝过程去除，主要的原理为聚合三氯化铁通过压缩双电层作用，吸附架桥作用和网捕作用形成絮凝体。在形成絮凝体的过程中，以零价铁作为絮凝核可以促进絮凝体的产生，同时零价铁的密度大，加快了絮凝体的沉
降，从而实现悬浮物的高效去除。
37.3.致病微生物的灭活：水中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物主要通过亚硫酸盐产生的自由基去除。具有强氧化性的
·
oh和so4·-等自由基会破坏细菌的细胞壁，从而导致细胞壁、膜的破裂导致细胞质的流出。同时自由基也能进一步氧化分解细胞胞内物质，从而彻底杀灭致病细菌。
38.本发明的处理过程中包含光催化氧化、磁混凝、灭菌等过程，通过磁混凝-自由基联合反应去除废水中的悬浮物、难降解有机物、致病菌等多种污染物，处理效果良好，可实现废水最终的达标排放。本发明对于多种难降解有机污染物去除效率高，如污水中的罗红霉素、双氯芬酸、布洛芬以及磺胺甲恶唑等抗生素类污染物和染料废水中的罗丹明b等有机物，同时对于多种致病菌有较好的灭杀作用，对于水体中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌有较高的灭杀效率，因此装置及方法的适用面广，可适用多行业的废水深度处理，同时该装备及技术还可用于微污染水源水的净化过程。
39.本发明可实现光催化剂零价铁的循环使用。本发明中使用的药剂为聚合氯化铁和零价铁粉，聚合氯化铁在去除水中悬浮物后转化为污泥从而除去，而零价铁在催化氧化亚硫酸盐，矿化水中难降解污染物和灭菌之后，由于其具有铁磁性，可在经过磁分离机之后被重新利用，可达到光催化剂循环使用的目的，降低药剂消耗；所采用的亚硫酸盐作为工业品，价格低廉，来源广泛易获得，同时也是某些燃煤电厂脱硫废水中硫的主要存在形式，如具备一定距离条件可实现工业硫副废弃物的再次利用，实现废物的资源化过程。
40.本发明运行过程中实现了对绿色能源的使用，利于污水处理过程碳减排工作的推进。本发明装置运行过程中绿色、低碳、环保，由于铁催化活化亚硫酸盐在自然太阳光条件下进行，在处理过程中也不产生有害物质，无二次污染，反应过程中大幅度降低了能量消耗。
附图说明
41.图1是本发明的同步去除污染物及消毒的污水深度处理装置的结构示意图。
42.图中：1为反应池，1-1为磁混凝反应区，1-2为絮凝反应区，1-3为第一搅拌器，1-4为污水进口，1-5为第二搅拌器1-5，1-6为污水出口；2为分区隔板；3为磁混凝剂投加系统，3-1为零价铁粉储存罐，3-2为第一投加泵，3-3为第三搅拌器，3-4为聚合氯化铁储存罐，3-5为第二投加泵，3-6为第四搅拌器；4为亚硫酸盐投加系统，4-1为亚硫酸盐储存罐，4-2为第五搅拌器，4-3为第三投加泵；5为沉淀池，5-1为刮泥器5-1，5-2为污泥排出口5-2；6为磁混凝剂回收系统，6-1为污泥泵，6-2为高剪机，6-3为磁分离机，6-3-1为进泥口、6-3-2为磁介质出口，6-3-3为剩余污泥出口；7为控制系统。
具体实施方式
43.用下面的实施例验证本发明的有益效果：
44.实施例1：本实施例的同步去除污染物及消毒的污水深度处理装置由敞开式反应池1、分区隔板2，磁混凝剂投加系统3、亚硫酸盐投加系统4、沉淀池5、磁混凝剂回收系统6、控制系统7组成；
45.其中分区隔板2将敞开式反应池1分隔为磁混凝反应区1-1和絮凝反应区1-2；分区
隔板2与反应池1底部留有空隙，可使磁混凝反应区1-1流入絮凝反应区1-2；在磁混凝反应区1-1内设置第一搅拌器1-3和污水进口1-4；在絮凝反应区1-2内设置第二搅拌器1-5和污水出口1-6；其中反应池1为敞开式，使反应池1内的污水暴露在太阳光下，利用太阳光进行催化降解反应；
46.磁混凝剂投加系统3由零价铁粉储存罐3-1、第一投加泵3-2、第三搅拌器3-3、聚合氯化铁储存罐3-4、第二投加泵3-5、第四搅拌器3-6组成；其中第三搅拌器3-3设置在零价铁粉储存罐3-1内，零价铁粉储存罐3-1经第一投加泵3-2与磁混凝反应区1-1连接；第四搅拌器3-6设置在聚合氯化铁储存罐3-4内，聚合氯化铁储存罐3-4经第二投加泵3-5与磁混凝反应区1-1连接；
47.亚硫酸盐投加系统4由亚硫酸盐储存罐4-1、第五搅拌器4-2和第三投加泵4-3组成；第五搅拌器4-2设置在亚硫酸盐储存罐4-1内，亚硫酸盐储存罐4-1通过第三投加泵4-3与磁混凝反应区1-1连接；亚硫酸盐储存罐4-1、第三投加泵4-3以及亚硫酸盐储存罐4-1与磁混凝反应区1-1之间的连接管道的材质均为不锈钢，且为密闭状态，防止亚硫酸盐与空气接触氧化；
48.沉淀池5上部为圆柱形池，下部为倒圆锥形，沉淀池5内设置刮泥器5-1，沉淀池5底部设置污泥排出口5-2，在沉淀池5侧壁设置溢水口5-3；絮凝反应区1-2的污水出口1-6用管道连接至沉淀池5；
49.磁混凝剂回收系统6由污泥泵6-1、高剪机6-2和磁分离机6-3组成；磁分离机6-3设置有进泥口6-3-1、磁介质出口6-3-2和剩余污泥出口6-3-3；
50.沉淀池5底部的污泥排出口5-2通过污泥泵6-1、高剪机6-2与磁分离机6-3的进泥口6-3-1相连接；磁介质出口6-3-2与磁混凝反应区1-1连接；
51.第一搅拌器1-3、第二搅拌器1-5、第三搅拌器3-3、第四搅拌器3-6、第五搅拌器4-2、刮泥器5-1、第一投加泵3-2、第二投加泵3-5、第三投加泵4-3、污泥泵6-1、高剪机6-2和磁分离机6-3通过电路与控制系统7连接；由控制系统7控制第一搅拌器1-3、第二搅拌器1-5、第三搅拌器3-3、第四搅拌器3-6、第五搅拌器4-2、刮泥器5-1、第一投加泵3-2、第二投加泵3-5、第三投加泵4-3污泥泵6-1、高剪机6-2和磁分离机6-3的启闭，从而控制药剂的投加以及处理时间。
52.实施例2：利用实施例1的装置深度处理城市污水二级生化出水，城市污水二级生化出水的指标如下：ph为6.8，ss为35mg/l，cod为104mg/l，tp为5mg/l，大肠杆菌数:1.5
×
104个/l。具体的步骤如下：
53.一、将待处理的污水深度处理二级出水从污水进口1-4输入磁混凝反应区1-1，由控制系统7控制按顺序将聚合氯化铁储存罐3-4中的聚合氯化铁溶液、亚硫酸盐储存罐4-1中的亚硫酸盐溶液和零价铁粉储存罐3-1内的零价铁粉液投加入至磁混凝反应区1-1中，其中聚合三氯化铁的加入量控制在100mg/l，亚硫酸盐的浓度控制在100mg/l，零价铁的浓度控制在200mg/l，第一搅拌器1-3和第二搅拌器1-5先以300r/min的速度快搅5min，再以70r/min的速度慢搅10min，之后进入沉淀池5中沉淀10min；处理后的水经溢水口5-3流出；
54.二、在沉淀池内絮体在底部沉淀形成含磁粉污泥，含磁粉污泥进入磁混凝剂回收系统6中，絮体在高剪机6-2的作用下分散成磁介质和污泥，磁介质在磁分离机6-3的作用下回收，并通过管道重新进入磁混凝反应区1-1中，进行循环利用，污泥则通过剩余污泥出口
6-3-3排出。
55.检测从溢水口5-3流出的出水的指标，与入水进行对比，计算得出cod的去除率达86％，ss去除率达90％，总磷去除率达到85％，大肠杆菌低于检出限，出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中一级a标准。
56.实施例3：利用实施例1的装置深度处理垃圾处理厂的渗滤液生化出水，垃圾处理厂的渗滤液生化出水的指标如下：ph:7.5，ss:65mg/l，cod:176mg/l，粪大肠菌群数2.0
×
105个/l。具体的步骤如下：
57.一、将待处理的垃圾处理厂的渗滤液生化出水从污水进口1-4输入磁混凝反应区1-1，由控制系统7控制按顺序将聚合氯化铁储存罐3-4中的聚合氯化铁溶液、亚硫酸盐储存罐4-1中的亚硫酸盐溶液和零价铁粉储存罐3-1内的零价铁粉液投加入至磁混凝反应区1-1中，其中聚合三氯化铁的加入量控制在150mg/l，亚硫酸盐的浓度控制在250mg/l，零价铁的浓度控制在125mg/l，第一搅拌器1-3和第二搅拌器1-5先以300r/min的速度快搅20min，再以70r/min的速度慢搅30min，之后进入沉淀池5中沉淀30min；处理后的水经溢水口5-3流出；
58.二、在沉淀池内絮体在底部沉淀形成含磁粉污泥，含磁粉污泥进入磁混凝剂回收系统6中，絮体在高剪机6-2的作用下分散成磁介质和污泥，磁介质在磁分离机6-3的作用下回收，并通过管道重新进入磁混凝反应区1-1中，进行循环利用，污泥则通过剩余污泥出口6-3-3排出。
59.检测从溢水口5-3流出的出水的指标，与入水进行对比，计算得出cod的去除率达68％，ss去除率达68％，粪大肠菌群下降至1.8
×
103个/l，出水可达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(gb16889-2008)标准。
60.实施例4：利用实施例1的装置深度处理制药厂二级处理出水废水，制药厂二级处理出水废水的指标如下：ph:6.0，ss:45mg/l，cod:120mg/l，卡马西平浓度：240μg/l，细菌总数1.7
×
104个/l。具体的步骤如下：
61.二、将待处理的制药厂二级处理出水废水从污水进口1-4输入磁混凝反应区1-1，由控制系统7控制按顺序将聚合氯化铁储存罐3-4中的聚合氯化铁溶液、亚硫酸盐储存罐4-1中的亚硫酸盐溶液和零价铁粉储存罐3-1内的零价铁粉液投加入至磁混凝反应区1-1中，其中聚合三氯化铁的加入量控制在120mg/l，亚硫酸盐的浓度控制在200mg/l，零价铁的浓度控制在120mg/l，第一搅拌器1-3和第二搅拌器1-5先以300r/min的速度快搅5min，再以70r/min的速度慢搅10min，之后进入沉淀池5中沉淀20min；处理后的水经溢水口5-3流出；
62.二、在沉淀池内絮体在底部沉淀形成含磁粉污泥，含磁粉污泥进入磁混凝剂回收系统6中，絮体在高剪机6-2的作用下分散成磁介质和污泥，磁介质在磁分离机6-3的作用下回收，并通过管道重新进入磁混凝反应区1-1中，进行循环利用，污泥则通过剩余污泥出口6-3-3排出。
63.检测从溢水口5-3流出的出水的指标，与入水进行对比，计算得出cod的去除率达75％，ss去除率达73％，细菌总数下降至0.8
×
103个/l，卡马西平浓度下降至25μg/l，去除效率达78％。
64.利用本发明的装置可以实现深度处理污水中的悬浮物、难降解有机物，同时杀灭水中的致病微生物，使出水达标排放。