專利名稱：與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池及其水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物濾池及應(yīng)用生物濾池的水處理方法。
背景技術(shù)：
我國地表水富營養(yǎng)化狀況普遍存在，氨氮已經(jīng)成為水源中重要的污染物，因此，去除水中的氨氮，已經(jīng)成為供水廠急需解決的難題。傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾工藝對(duì)氨氮去除率低，處理后出水難以滿足國家對(duì)飲用水水質(zhì)的相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。生物濾池技術(shù)是近年來常用的飲用水處理技術(shù)，主要用于去除水中有機(jī)污染物。由于近年來，我國地表水富營養(yǎng)化情況普遍存在，地表水中氨氮濃度較高，因此生物濾池也用來去除水中氨氮。 生物濾池在使用中，通常分為上向流濾池和下向流濾池，活性炭粒徑為I. 00
2.50毫米(煤質(zhì)炭)，0. 63 2. 00毫米(木質(zhì)炭)。上向流濾池通常采用活性炭濾料或石英砂濾料，通過在石英砂或活性炭表面自然生長生物，或者通過向活性炭表面接種生物的方法，通過生物過濾去除水中氨氮。但這種濾池也存在問題，由于飲用水中有機(jī)物、氨氮、磷總體濃度相對(duì)較低，生物處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，生物總量較低，生物活性較弱，而且，該生物濾的填料種類決定其僅對(duì)有機(jī)物有一定的吸附作用，而對(duì)氮、磷沒有吸附作用，因此，對(duì)沖擊性污染物濃度波動(dòng)抵抗能力有限。此外，由于活性炭吸附氨氮、磷能力較弱，因此，對(duì)于這種生物濾池，氨氮向生物相中進(jìn)行擴(kuò)散速度與能力，將決定生物濾池除氨氮的效果。當(dāng)停留時(shí)間較短時(shí)，無法使氨氮充分?jǐn)U散至生物相中，因此，去除效率較低，當(dāng)停留時(shí)間較長時(shí)，盡管氨氮可以充分?jǐn)U散至生物相中，但由于單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)生物相的污染物濃度較小，造成生物營養(yǎng)及溶解氧不足，降解除氨氮效率低。沸石可用于吸附氨氮，但在工業(yè)生產(chǎn)中多以向水中投加沸石粉的方式使用，因?yàn)閭鹘y(tǒng)沸石主要發(fā)揮吸附作用，但吸附總要飽和，飽和后，沸石或沸石粉失效，就需要更換。因此，通常的用法是向水中投加沸石粉，吸附去除氨氮。而沸石用于過濾則較少，主要是因?yàn)榉惺砻嫔锔街暂^差，沸石飽和后就需要更換濾料。傳統(tǒng)生物濾池，在進(jìn)入低溫時(shí)期后，特別是水溫低于12攝氏度后，生物活性顯著降低，對(duì)水中氨氮、有機(jī)物等的降解能力顯著下降，無法降解去除水中有機(jī)物、氨氮等污染物，更加無法應(yīng)對(duì)污染物濃度突然升高的狀況。傳統(tǒng)生物濾池，在進(jìn)入低溫時(shí)期后，特別是水溫低于12攝氏度后，生物活性顯著降低，對(duì)水中氨氮、有機(jī)物等的降解能力顯著下降，無法降解去除水中有機(jī)物、氨氮等污染物，更加無法應(yīng)對(duì)污染物濃度突然升高的狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種啟動(dòng)速度快、運(yùn)行能耗低、濾速快、停留時(shí)間短、生物活性高、生物量大、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、能適應(yīng)貧營養(yǎng)和低溫環(huán)境的生物濾池，具體涉及一種與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池及其水處理方法。
與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池由厚度為I. 0 4. 0米的上層濾料、厚度為0. 5 I. 5米的中層濾料、厚度為0. 2 I. 0米的下層濾料和厚度為
0.3 0. 4米承托層組成；或者與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池由厚度為0. 5 I. 5米的中層濾料及厚度為0. 2 I. 0米的下層濾料中的一種與厚度為
1.0 4. 0米的上層濾料和厚度為0. 3 0. 4米承托層組成；其特征在于所述的上層濾料粒徑為0. 15 5. 0毫米所述的上層濾料為活性炭、無煙煤或生物陶粒；所述的中層濾料粒徑為0. 2 2. 0毫米，所述的中層濾料為沸石；所述的下層濾料粒徑為0. 5 4. 5毫米，所述的下層濾料為磷功能材料，磷功能材料由羥基氧化鐵、鳥糞石、羥基氧化鋁、羥基氧化鋅、羥基氧化鎂、磷酸銨鎂、活性氧化鋁、活性氧化鐵、活性氧化鋅及鐵礦石中的一種或幾種組成；所述的生物濾池底端有濾帽或曝氣頭，頂部有齒型或平口集水槽。本發(fā)明生物濾池內(nèi)的沸石濾料層可用于應(yīng)對(duì)突發(fā)性水質(zhì)變化，特別是冬季初春氨氮濃度大幅度持續(xù)升高問題，該層濾料用于吸附緩沖，吸附后，逐步解吸，然后均勻釋放至 后續(xù)生物處理區(qū)，在生物處理區(qū)域，氨氮逐步被生物降解，轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，同時(shí)伴有好氧脫氮菌的脫氮作用，進(jìn)入后續(xù)生物活性炭濾層的氨氮濃度趨于穩(wěn)定，有利于后續(xù)生物活性炭微生物活性和生物量的穩(wěn)定，有利于保障生物濾池系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率，確保出水水質(zhì)。本發(fā)明生物濾池內(nèi)下層的磷功能材料可用于應(yīng)對(duì)突發(fā)性水源水磷濃度升高，特別是當(dāng)春夏兩季原水中磷濃度持續(xù)大幅度升高時(shí)，該層濾料可有效控制磷濃度，起到吸附、緩沖作用，當(dāng)原水磷濃度較低時(shí)則逐步釋放磷到后續(xù)生物濾池，為生物層提供穩(wěn)定磷源，對(duì)上層生物濾料中生物活性的提高具有很大的促進(jìn)作用，提高生物濾池內(nèi)的生物活性和生物量，克服了傳統(tǒng)的基于化學(xué)沉淀吸附劑或?yàn)V料只能吸附磷等營養(yǎng)物卻不能釋放、且達(dá)到吸附飽和便需要更換的缺點(diǎn)。本發(fā)明的下層濾料和中層濾料不僅可以動(dòng)態(tài)吸附或釋放有機(jī)物、氮、磷等污染物， 提高本發(fā)明抗污染物沖擊負(fù)荷的能力，而且又有承托上層濾料和均勻布水的作用，減少了上層生物濾料的損失，緩沖了水流對(duì)上層生物的剪切作用，有利于上層濾料掛膜和微生物生長，實(shí)現(xiàn)生物濾料的功能穩(wěn)定縱向分層，提高凈水效率。本發(fā)明生物濾池與前端臭氧單獨(dú)氧化或臭氧催化氧化工藝相結(jié)合，經(jīng)臭氧單獨(dú)氧化或臭氧催化氧化后，濾池進(jìn)水中污染物的可生化性得到提高，同時(shí)增加了后續(xù)生物濾池中下層和中層濾料對(duì)氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的長期有效地吸附和逐步釋放，進(jìn)水中溶解氧濃度也得到提高，改善了生物濾池的營養(yǎng)環(huán)境和各生物相間對(duì)溶解氧的競爭關(guān)系，促使生物相更加復(fù)雜穩(wěn)定、生物量和生物活性得到大幅度提高，從而提高了出水水質(zhì)的生物穩(wěn)定性，降低了市政供水管網(wǎng)二次污染的可能性，保障了供水安全。本發(fā)明生物濾料不僅可以通過前端臭氧單獨(dú)氧化或臭氧催化氧化工藝充氧，而且還可以通過預(yù)置在濾池內(nèi)采用濾帽、曝氣頭方式充氧。在向?yàn)V池中充氧方式可采用空氣曝氣或者純氧曝氣，具體采用何種充氧方式，應(yīng)根據(jù)前處理單元情況以及水中污染物濃度確定，當(dāng)濾池進(jìn)水中氨氮和有機(jī)污染物濃度較高時(shí)，采用純氧曝氣方式，當(dāng)進(jìn)水中氨氮和有機(jī)污染物濃度較低時(shí)，可選擇采用空氣曝氣或純氧曝氣方式。本發(fā)明涉及的與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池的特殊的濾層設(shè)計(jì)及工作狀態(tài)，具有吸附、生物氧化和均勻布水、動(dòng)態(tài)均勻地吸附和釋放營養(yǎng)物的多層濾料和多層濾料流態(tài)化工作狀態(tài)，濾池濾料膨脹率為0% 50%，濾池水頭阻力小，使水流、營養(yǎng)物、溶解氧、微生物等均勻分布，不易出現(xiàn)濾料板結(jié)問題，最大限度地發(fā)揮作用，顯著地提高了生物濾池的抗污染物沖擊負(fù)荷能力，提高了在高氨氮、低溫(適用溫度為0攝氏度 35攝氏度)等難處理時(shí)期的水質(zhì)凈化效果，解決了傳統(tǒng)石英砂-活性炭生物濾池對(duì)氨氮等污染濃度突然升高緩沖能力弱、低溫季節(jié)處理效率低、貧營養(yǎng)環(huán)境下掛膜困難啟動(dòng)慢等問題，同時(shí)該復(fù)合濾料生物濾池與臭氧催化氧化耦合，具有啟動(dòng)速度快、單位生物量高、生物活性高、受低溫、貧營養(yǎng)環(huán)境影響小、靈活性高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，該方法為低溫時(shí)期生物濾池強(qiáng)化除氨氮提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的方法。


圖I是本發(fā)明與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池的示 意圖，圖中I是上層濾料，2是中層濾料，3是下層濾料，4是承托層，5是布水層，6是齒型集水槽。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池由厚度為I. 0 4. 0米的上層濾料、厚度為0. 5 I. 5米的中層濾料、厚度為0. 2 I. 0米的下層濾料和厚度為0. 3 0. 4米承托層組成；或者與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池由厚度為0. 5 I. 5米的中層濾料及厚度為0. 2 I. 0米的下層濾料中的一種與厚度為I. 0 4. 0米的上層濾料和厚度為0. 3 0. 4米承托層組成；其特征在于所述的上層濾料粒徑為0. 15 5.0毫米，所述的上層濾料為活性炭、無煙煤或生物陶粒；所述的中層濾料粒徑為0. 2 2. 0毫米，所述的中層濾料為沸石；所述的下層濾料粒徑為0. 5 4. 5毫米，所述的下層濾料為磷功能材料，磷功能材料由羥基氧化鐵、鳥糞石、羥基氧化鋁、羥基氧化鋅、羥基氧化鎂、磷酸銨鎂、活性氧化鋁、活性氧化鐵、活性氧化鋅及鐵礦石中的一種或幾種組成；所述的生物濾池底端有濾帽或曝氣頭，頂部有齒型或平口集水槽。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述上層濾料粒徑為0. 25 0. 85毫米。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述上層濾料厚度為2米。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述中層濾料粒徑為0. 8 I. 5毫米。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述中層濾料厚度為I米。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述下層濾料粒徑為I. 5 3. 5毫米。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述下層濾料厚度為0. 5米。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式應(yīng)用實(shí)施方式一所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池水處理的方法如下一、采用臭氧單獨(dú)氧化或臭氧催化氧化處理原水，臭氧投加量為0. 5 5毫克/升，所述臭氧催化氧化所采用臭氧催化氧化方式為紫外催化臭氧氧化、紫外-超聲催化臭氧氧化、光催化劑催化臭氧氧化、金屬催化臭氧氧化、金屬氧化物催化臭氧氧化及雙氧水催 化臭氧氧化中的一種或幾種的組合，處理后的原水溶解氧濃度為15 60毫克/升；二、然后將經(jīng)過步驟一處理的原水以8 16米/小時(shí)的濾速采用上向流方式通過與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池6 60分鐘，即完成水處理。采用下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果實(shí)驗(yàn)一將經(jīng)過臭氧催化氧化工藝處理后，氨氮濃度為4毫克/升、4. 4毫克/升或4. 6毫克/升，水溫為2攝氏度，工藝充氧量為25 35毫克/升的水進(jìn)入與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，然后以10米/小時(shí)的濾速過濾，出水；反沖洗方式采用氣體反沖，反沖頻率依據(jù)水頭損失變化。所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池包括厚度為2米的上層濾料、厚度為I米的中層濾料、厚度為0. 5米的下層濾料和厚度為0. 3米的承托層；所述的上層濾料粒徑為0. 25 0. 85毫米，所述的上層濾料為活性炭；所述的中層濾料粒徑為0. 8 I. 5毫米，所述的中層濾料為改性沸石；所述的下層濾料粒徑為I. 5 3. 5毫米，所述的下層濾料為磷功能材料(羥基氧化鐵)。其中中層濾料與下層濾料為微膨脹，二者總膨脹率小于5%，上層濾料(活性炭)膨脹率為在此條件下，出水氨氮濃度低于0. 5毫克/升，并且出水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水與出水的氨氮濃度如下表表I
濾池進(jìn)水氨氮濃度濾池出水氨氮濃度 4.0毫克/升0.2毫克/升
4. 4毫克/升0.2毫克/升
4.6毫克/升0.4毫克/升實(shí)驗(yàn)二
將經(jīng)過臭氧單獨(dú)氧化工藝處理后，氨氮濃度為4. 2毫克/升、4. 7毫克/升或5. 4毫克/升，水溫為2攝氏度，同時(shí)采用純氧方式對(duì)生物濾池進(jìn)行輔助充氧，總充氧量為40 55毫克/升的水進(jìn)入與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，然后以10米/小時(shí)的濾速過濾，出水；反沖洗方式采用水反沖,反沖頻率依據(jù)水頭損失變化。所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池包括厚度為2米的上層濾料、厚度為I米的中層濾料、厚度為0. 5米的下層濾料和厚度為0. 3米的承托層；所述的上層濾料粒徑為0. 3 0. 8毫米，所述的上層濾料為活性炭；所述的中層濾料粒徑為0. 5 I. I毫米，所述的中層濾料為改性沸石；所述的下層濾料粒徑為0. 5 3. 0毫米，所述的下層濾料為磷功能材料(羥基氧化鋁)。其中中層濾料與下層濾料為微膨脹，二者總膨脹率小于5%，活性炭層膨脹率為20% 35%。在此條件下，出水氨氮濃度低于0. 3毫克/升，并且出水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水與出水的氨氮濃度如下表表權(quán)利要求
1.與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池由厚度為I. O 4. O米的上層濾料、厚度為0.5 I. 5米的中層濾料、厚度為0. 2 I. 0米的下層濾料和厚度為0. 3 0. 4米承托層組成；或者與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池由厚度為0. 5 I. 5米的中層濾料及厚度為0. 2 I. 0米的下層濾料中的一種與厚度為I. 0 4. 0米的上層濾料和厚度為0. 3 0. 4米承托層組成；其特征在于所述的上層濾料粒徑為0. 15 5. 0毫米，所述的上層濾料為活性炭、無煙煤或生物陶粒；所述的中層濾料粒徑為0. 2 2. 0毫米，所述的中層濾料為沸石；所述的下層濾料粒徑為0. 5 4. 5毫米，所述的下層濾料為磷功能材料，磷功能材料由羥基氧化鐵、鳥糞石、羥基氧化鋁、羥基氧化鋅、羥基氧化鎂、磷酸銨鎂、活性氧化鋁、活性氧化鐵、活性氧化鋅及鐵礦石中的一種或幾種組成；所述的生物濾池底端有濾帽或曝氣頭，頂部有齒型或平口集水槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述上層濾料粒徑為0. 25 0. 85毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述上層濾料厚度為2米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述中層濾料粒徑為0. 8 I. 5毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述中層濾料厚度為I米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述下層濾料粒徑為I. 5 3. 5毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池，其特征在于所述下層濾料厚度為0. 5米。
8.應(yīng)用與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池水處理的方法，其特征在于應(yīng)用與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池水處理的方法如下 一、采用臭氧單獨(dú)氧化或臭氧催化氧化處理原水，臭氧投加量為0.5 5毫克/升，所述臭氧催化氧化所采用臭氧催化氧化方式為紫外催化臭氧氧化、紫外-超聲催化臭氧氧化、光催化劑催化臭氧氧化、金屬催化臭氧氧化、金屬氧化物催化臭氧氧化及雙氧水催化臭氧氧化中的一種或幾種的組合，處理后的原水溶解氧濃度為15 60毫克/升； 二、然后將經(jīng)過步驟一處理的原水以8 16米/小時(shí)的濾速采用上向流方式通過與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池6 60分鐘，即完成水處理。
全文摘要
與臭氧氧化耦合的高效流態(tài)化上向流多層復(fù)合濾料生物濾池及其水處理方法，它涉及一種生物濾池及應(yīng)用生物濾池的水處理方法。所述生物濾池由上層濾料活性炭、無煙煤或生物陶粒、中層濾料改性沸石、天然沸石或人造沸石、下層濾料磷功能材料和承托層構(gòu)成。該濾池的特點(diǎn)在于啟動(dòng)快，生物相復(fù)雜穩(wěn)定，生物量大、活性高，抗沖擊能力強(qiáng)，濾池濾料膨脹率為0％～50％，濾池水頭阻力小，物料、氧氣、污染物傳質(zhì)效率高，濾層、濾料利用率高，不易出現(xiàn)濾料板結(jié)問題。適于處理存在水源磷、氨氮、有機(jī)污染物濃度波動(dòng)較大的原水，并可以在溫度較低情況下穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)C02F9/14GK102745863SQ20121022903
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者劉娟昉, 楊家軒, 翟學(xué)東, 馬軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)