本發(fā)明涉及一種水處理方法，具體涉及一種基于好氧顆粒污泥去除廢水中納米級微粒的處理裝置及處理方法，屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

納米級微粒（nanoparticles，NPs）是指至少在一個維度上呈現(xiàn)納米量級尺寸的微觀顆粒。近年來，隨著NPs廣泛用于半導(dǎo)體、化妝品、紡織和印染等行業(yè)生產(chǎn)中，其中的一部分可能經(jīng)污水收集、處理系統(tǒng)進(jìn)入受納水體中，帶來潛在的生態(tài)安全風(fēng)險。與天然水體中的懸浮物不同，NPs常具有更大的比表面積、更高的反應(yīng)活性和更好的遷移性能，可以產(chǎn)生高活性氧（ROS），抑制生化反應(yīng)中多種關(guān)鍵酶的活性，甚至破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，從而導(dǎo)致較高的微生物毒性。有研究表明，當(dāng)進(jìn)水中NPs濃度達(dá)到幾十mg/L時，活性污泥的脫氮除磷等效能將會顯著降低。

為了盡可能降低NPs對生化處理系統(tǒng)穩(wěn)定性的沖擊和對水生態(tài)環(huán)境的長期影響，需對含NPs廢水進(jìn)行預(yù)處理，常用方法包括：混凝沉淀、膜分離和生物吸附法等。其中，（1）混凝沉淀法是通過投加化學(xué)藥劑，利用新形成的絮體裹夾、吸附NPs，最終經(jīng)固液分離實(shí)現(xiàn)去除。該方法簡單有效，但會顯著提高處理水的鹽度，不利于水的多次循環(huán)利用，同時還會產(chǎn)生較難處理的化學(xué)污泥。（2）超濾、納濾等膜分離技術(shù)理論上能夠高效去除水中的NPs。但當(dāng)NPs和有機(jī)污染物濃度較高時，極易造成膜污染，導(dǎo)致膜分離效能的嚴(yán)重下降，因此，該類方法并不適合用作預(yù)處理工序。（3）傳統(tǒng)活性污泥法對NPs具有較強(qiáng)的吸附、截留作用，但受制于較低的污泥濃度（MLVSS 1500~3000 mg/L），其勢必不能長時間處理NPs濃度較高的廢水。相比之下，采用沉降性能更好的好氧顆粒污泥可以使處理系統(tǒng)獲得更高的污泥濃度和對NPs更好的去除效果。

需要注意的是，反應(yīng)裝置是進(jìn)行污水處理的場所，也是決定處理效果的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的污水處理反應(yīng)裝置及其控制方法不是針對生物吸附過程而設(shè)計的，無法充分發(fā)揮好氧顆粒污泥的功能特性，高效、穩(wěn)定地處理含NPs廢水。

因此，如何創(chuàng)新反應(yīng)裝置構(gòu)型設(shè)計及其控制方法是推動生物吸附法實(shí)用化的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于好氧顆粒污泥去除廢水中納米級微粒的處理裝置。

本發(fā)明同時還提供一種采用上述基于好氧顆粒污泥去除廢水中納米級微粒的處理裝置處理廢水的方法，其可充分發(fā)揮好氧顆粒污泥技術(shù)的優(yōu)越性，具有處理效率高、原位再生簡便、適用范圍較廣、兼具生活污水處理功能等優(yōu)點(diǎn)。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于好氧顆粒污泥去除廢水中納米級微粒的處理裝置，包括填充有好氧顆粒污泥的處理單元、連接在所述處理單元上的進(jìn)水管及連接在所述處理單元上的出水管，所述處理單元包括上端部與外界連通的曝氣升流管、用于向所述曝氣升流管內(nèi)曝氣的曝氣系統(tǒng)、污泥沉降管及設(shè)置在所述污泥沉降管上的用于分離顆粒污泥和水的出流分離裝置，所述污泥沉降管的兩端部分別與所述曝氣升流管的上部和下部連通使得進(jìn)水和顆粒污泥在所述污泥沉降管和曝氣升流管內(nèi)循環(huán)流動，所述進(jìn)水管與所述污泥沉降管相連，所述出水管與所述出流分離裝置相連。

優(yōu)選地，所述曝氣系統(tǒng)包括曝氣頭，所述曝氣升流管包括曝氣升流管本體、下端部與所述曝氣升流管本體的上端部連接的漸擴(kuò)管及上端部與所述曝氣升流管本體的下端部連接的泥斗，所述漸擴(kuò)管的上端部與外界連通，所述污泥沉降管的兩端部分別與所述曝氣升流管本體的上部和下部連通，所述曝氣頭設(shè)置在所述泥斗內(nèi)，所述泥斗上連接有排泥管。

優(yōu)選地，所述出流分離裝置包括上端部與外界連通且下端部與所述污泥沉降管連通的出流管及設(shè)置在所述污泥沉降管內(nèi)且位于所述出流管的下方的擋流板，所述出流管與所述出水管相連，所述擋流板用于阻擋顆粒污泥通過所述出流管流出所述污泥沉降管。

優(yōu)選地，所述污泥沉降管至少有2個，所述至少2個污泥沉降管沿所述曝氣升流管周向分布，所述處理裝置具有處理廢水和顆粒污泥再生二種工作狀態(tài)，所述至少2個污泥沉降管中的一部分污泥沉降管用于處理廢水用，另一部分污泥沉降管用于顆粒污泥再生用，所述處理廢水用的污泥沉降管和所述顆粒污泥再生用的污泥沉降管上均分別設(shè)置有所述出流分離裝置和進(jìn)水管。

更優(yōu)選地，所述污泥沉降管設(shè)置有4個，所述4個污泥沉降管沿所述曝氣升流管周向分布，所述4個污泥沉降管中的其中一個污泥沉降管用于處理廢水用，其他污泥沉降管用于顆粒污泥再生用，所述處理廢水用的污泥沉降管的管徑大于所述顆粒污泥再生用污泥沉降管的管徑。

優(yōu)選地，所述處理裝置包括多個并聯(lián)連接的所述處理單元，各所述處理單元上均連接有所述進(jìn)水管和出水管，各所述處理單元包括有所述曝氣升流管、曝氣系統(tǒng)、污泥沉降管和岀流分離裝置。

優(yōu)選地，所述好氧顆粒污泥為灰白色的橢球形，其粒徑為0.8~2.5 mm，5分鐘SVI值約為28~35 ml/g。

本發(fā)明中，所述好氧顆粒污泥具有短程硝化-反硝化功能，微生物結(jié)構(gòu)包括占細(xì)菌總數(shù)的比例為18~25%的異養(yǎng)反硝化菌、占細(xì)菌總數(shù)的比例為6~10%的氨氧化菌及占細(xì)菌總數(shù)的比例低于3%的亞硝酸鹽氧化菌，所述異養(yǎng)反硝化菌包括Denitratisoma屬、Flavobacterium屬、Rhodobacter屬和Zoogloea屬，所述氨氧化菌以Nitrosomonas屬為主，所述亞硝酸鹽氧化菌以Nitrospira屬為主，其他菌屬還包括Anaerolineaceae屬、Saprospiraceae屬、Diaphorobacter屬和Thauera屬和Xanthomonadales屬等。

本發(fā)明中，根據(jù)靜態(tài)吸附試驗可知，所述好氧顆粒污泥對納米氧化鋅、納米零價鐵（nZVI）和碳納米管的單次最大吸附容量在69~178 mg/g MLVSS。

本發(fā)明采取另一技術(shù)方案是：

一種采用上述基于好氧顆粒污泥去除廢水中納米級微粒的處理裝置處理廢水的方法，所述方法包括處理廢水的步驟，所述處理廢水的步驟包括：在所述曝氣升流管內(nèi)填充好氧顆粒污泥，然后以所述曝氣系統(tǒng)連續(xù)曝氣和所述進(jìn)水管連續(xù)進(jìn)水的方式啟動裝置，啟動后，待處理廢水經(jīng)所述污泥沉降管后與所述曝氣升流管內(nèi)的顆粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液從所述曝氣升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管內(nèi)向下流動，然后回流至所述曝氣升流管內(nèi)，同時污泥混合液在流經(jīng)所述污泥沉降管時，由所述岀流分離裝置分離顆粒污泥和出水，顆粒污泥在所述污泥沉降管內(nèi)繼續(xù)向下流動與待處理廢水混合后在所述處理單元內(nèi)循環(huán)流動，分離后的出水經(jīng)所述出流分離裝置流入所述出水管排出，其中，所述處理單元內(nèi)的MLVSS濃度為7000~12000 mg/L。

本發(fā)明中，所述待處理廢水的易降解有機(jī)物（BOD₅）容積負(fù)荷優(yōu)選為小于等于4.5 kg/(m³·d)，氨氮容積負(fù)荷優(yōu)選為小于等于1.5 kg/(m³·d)，pH優(yōu)選為7.5~8.5，水溫優(yōu)選為15~30 ℃；處理單元的單次處理周期的時長優(yōu)選為2~12 h。

當(dāng)BOD₅容積負(fù)荷低于0.9 kg/(m³·d)，或氨氮容積負(fù)荷低于0.3 kg/(m³·d)時，處理單元內(nèi)的MLVSS濃度優(yōu)選為7000~9000 mg/L，連續(xù)處理時間優(yōu)選為2~3 h；當(dāng)BOD₅容積負(fù)荷在0.9~3.0 kg/(m³·d)，氨氮容積負(fù)荷在0.3~0.9 kg/(m³·d)時，處理單元內(nèi)的MLVSS濃度優(yōu)選為9000~10000 mg/L，連續(xù)處理時間優(yōu)選為4~8 h；當(dāng)BOD₅容積負(fù)荷在3.0~4.5 kg/(m³·d)，氨氮容積負(fù)荷在0.9~1.5 kg/(m³·d)時，處理單元內(nèi)的MLVSS濃度優(yōu)選為9000~ 12000 mg/L，連續(xù)處理時間優(yōu)選為8~12 h。

所述處理廢水的步驟中，所述曝氣升流管內(nèi)的表面氣速為0.8~1.2 m/s，溶解氧濃度為1.6~2.0 mg/L，污泥混合液的上升流速為0.3~0.6 cm/s。

所述處理廢水的步驟中，當(dāng)所述待處理廢水中的NPs為生物抑制性較強(qiáng)的金屬及其氧化物（如nZVI、AgO、TiO₂和ZnO等）時，微粒濃度優(yōu)選為30 mg/L以下；當(dāng)待處理廢水中的NPs為生物抑制性較弱的碳材料（如碳納米管、氧化石墨烯等）時，微粒濃度優(yōu)選為100 mg/L以下。

進(jìn)一步地，所述方法還包括顆粒污泥再生的步驟，所述顆粒污泥再生的步驟包括：停止待處理廢水進(jìn)水，采用使顆粒污泥再生的再生用水進(jìn)水，所述再生用水經(jīng)所述污泥沉降管后與顆粒污泥混合形成污泥混合液，所述污泥混合液從所述曝氣升流管的上部流入所述污泥沉降管，在所述污泥沉降管內(nèi)向下流動，然后回流至所述曝氣升流管內(nèi)，同時所述污泥混合液在流經(jīng)所述污泥沉降管時，由所述出流分離裝置分離顆粒污泥和出水，顆粒污泥在所述污泥沉降管內(nèi)繼續(xù)向下流動與再生用水混合后在處理單元內(nèi)循環(huán)流動，分離后的出水經(jīng)所述出流分離裝置流入所述出水管排出，其中，所述再生用水的BOD₅、氨氮容積負(fù)荷分別為2.0~4.0 kg/(m³·d)、0.8~1.4 kg/(m³·d)，BOD₅/NH₄⁺-N比值為2~3:1。

更進(jìn)一步地，所述處理單元的單次再生周期時長優(yōu)選為處理周期時長的2倍。

更進(jìn)一步地，所述曝氣升流管內(nèi)的表面氣速為0.8~1.2 m/s，溶解氧濃度為1.6~2.0 mg/L，污泥混合液的上升流速為0.3~0.6 cm/s。

更進(jìn)一步地，所述再生用水為人工配水或經(jīng)預(yù)處理的實(shí)際生活污水。

更進(jìn)一步地，所述再生用水的pH優(yōu)選為7.5~8.5，水溫優(yōu)選為20~30 ℃。

更進(jìn)一步地，所述顆粒污泥再生的步驟中，污泥停留時間優(yōu)選為16~24d。

由于上述技術(shù)方案的實(shí)施，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的處理裝置采用曝氣升流管和污泥沉降管的配合使用，顆粒污泥和水能夠在曝氣升流管和污泥沉降管內(nèi)循環(huán)流動，同時在污泥沉降管內(nèi)可以集中很高的污泥濃度，對微粒的吸附效果好。同時岀流分離裝置的存在能夠有效分離顆粒污泥和出水，有效淘洗裝置中的絮狀污泥。

本發(fā)明的處理裝置通過曝氣升流管和污泥沉降管的配合使用，為硝化菌和反硝化菌提供了良好的生長條件。曝氣升流管內(nèi)較強(qiáng)的水力剪切條件，有利于維持顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。采用本發(fā)明的處理裝置，當(dāng)停止待處理廢水進(jìn)水，而采用使顆粒污泥再生的再生用水時，能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒污泥的再生，所以本發(fā)明裝置既能實(shí)現(xiàn)廢水的處理還可實(shí)現(xiàn)顆粒污泥的再生。在廢水處理狀態(tài)，污泥沉降管能夠?qū)︻w粒污泥起到一定的重力濃縮作用，有利于減少NPs的沖擊效應(yīng)。再生狀態(tài)下，污泥沉降管能夠使顆粒污泥盡量分散，確保后者與水中的生長基質(zhì)充分接觸。

采用本發(fā)明處理裝置處理廢水，處理單元中的MLVSS濃度達(dá)到了傳統(tǒng)活性污泥法（典型值2000~2500 mg/L）的3~7倍以上。這使得本發(fā)明能夠在較短的接觸時間內(nèi)高效去除進(jìn)水中的NPs。

說明書附圖

圖1為本發(fā)明處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明處理裝置的處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖（圖1中的1-1斷面）。

圖3為本發(fā)明處理裝置的處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖（圖1中的2-2斷面）。

圖中，10、曝氣升流管；11、泥斗；111、曝氣頭；112、排泥管；12、漸擴(kuò)管；13、曝氣升流管本體；20、第一污泥降流管；30、第二污泥沉降管；40、第三污泥沉降管；50、第四污泥沉降管；22、出流分離裝置；221、擋流板；222、出流管；60、進(jìn)水管；70、出水管；80、閥門。

圖4為實(shí)施例一使用的好氧顆粒污泥照片。

圖5為實(shí)施例一使用的好氧顆粒污泥的微生物種群構(gòu)成圖。

圖6為實(shí)施例一的處理裝置的處理單元在處理廢水階段對納米零價鐵微粒的去除效果圖。

圖7為實(shí)施例一的處理裝置的處理單元在再生階段對再生用水中BOD₅、氨氮和總氮的去除效果圖。

圖8為實(shí)施例二使用的好氧顆粒污泥的微生物種群構(gòu)成圖。

圖9為實(shí)施例二的處理裝置的處理單元在處理廢水階段對碳納米材料微粒的去除效果圖。

圖10實(shí)施例二的處理裝置的處理單元在再生階段對再生用水中COD、BOD₅、氨氮和總氮的去除效果圖。

具體實(shí)施方式

如圖1~3所示，本發(fā)明提供一種基于好氧顆粒污泥去除廢水中納米級微粒的處理裝置，該處理裝置包括填充有好氧顆粒污泥的處理單元、連接在處理單元上的進(jìn)水管60及連接在處理單元上的出水管70。

本具體實(shí)施方式中，該處理裝置包括有多個并聯(lián)連接的處理單元，各處理單元上均連接有進(jìn)水管60和出水管70，本例中，處理單元設(shè)置有3個。

各處理單元包括上端部與外界連通的曝氣升流管10、用于向曝氣升流管10內(nèi)曝氣的曝氣系統(tǒng)、污泥沉降管及設(shè)置在污泥沉降管上的用于分離顆粒污泥和水的岀流分離裝置22，污泥沉降管的兩端部分別與曝氣升流管10的上部和下部連通使得進(jìn)水和顆粒污泥在污泥沉降管和曝氣升流管10內(nèi)循環(huán)流動，進(jìn)水管60與污泥沉降管相連，出水管70與岀流分離裝置22相連。

曝氣系統(tǒng)包括曝氣頭111，曝氣升流管10包括曝氣升流管本體13、下端部與曝氣升流管本體13的上端部連接的漸擴(kuò)管12及上端部與曝氣升流管本體13的下端部連接的泥斗11，漸擴(kuò)管12的上端部與外界連通，曝氣頭111設(shè)置在泥斗11內(nèi)，泥斗11上連接有排泥管112，污泥沉降管的兩端部分別與曝氣升流管本體13的上部和下部連通。

具體地，曝氣升流管本體13為圓管，其高徑比為6~8:1；泥斗11為倒錐形，泥斗11的上端部截面直徑與曝氣升流管本體13的直徑相同，泥斗11的高度約為曝氣升流管本體13直徑的0.6~0.8倍，側(cè)邊坡度為60度；漸擴(kuò)管12的上端部截面直徑大于下端部截面直徑，漸擴(kuò)管12的下端部截面直徑與曝氣升流管本體13的截面直徑相同，上端部截面直徑、下端部截面直徑與高度比為1.5:1:1；曝氣頭111設(shè)置在泥斗11中部。

出流分離裝置22包括上端部與外界連通且下端部與污泥沉降管連通的出流管222及設(shè)置在污泥沉降管內(nèi)且位于出流管222下方的擋流板221，出流管222與出水管70相連，擋流板221用于阻擋顆粒污泥通過出流管222流出污泥沉降管。出流管222包括上端部與外界連通且下端部與污泥沉降管連通的出流管本體及與出流管本體上部相連的延伸段，延伸段的一端部穿過出流管本體且延伸至出流管本體內(nèi)，且延伸段為自其所述一端部向另一端部由上至下延伸且向側(cè)方彎折延伸形成的L型管，出水管70與延伸段相連。

本具體實(shí)施方式中，污泥沉降管至少有2個，至少2個污泥沉降管沿曝氣升流管10周向分布，處理裝置具有處理廢水和顆粒污泥再生二種工作狀態(tài)，至少2個污泥沉降管中的一部分污泥沉降管用于處理廢水用，另一部分污泥沉降管用于顆粒污泥再生用，處理廢水用的污泥沉降管和顆粒污泥再生用的污泥沉降管上均分別設(shè)置有出流分離裝置22和進(jìn)水管60。

本例中，污泥沉降管設(shè)置有4個，4個污泥沉降管沿曝氣升流管10周向分布，4個污泥沉降管分別為第一污泥沉降管20、第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50，第一污泥沉降管20用于處理廢水用，第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50用于顆粒污泥再生用，第一污泥沉降管20的管徑大于第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的管徑。

本發(fā)明處理裝置的各管道上均設(shè)置有閥門80，如電磁閥。

第一污泥沉降管20、第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均分別包括豎直設(shè)置的豎直管段、下端部與豎直管段的上端部相連的上支管段、上端部與豎直管段的下端部相連的下支管段，上支管段的包括一端部與曝氣升流管本體13的上部相連的上水平段及上端部與上水平段的另一端部相連的上斜管段，上斜管段的下端部與豎直管的上端部相連，下支管段包括一端部與曝氣升流管本體13的下部相連的下水平段及下端部與下水平段的另一端部相連的下斜管段，下斜管段的上端部與豎直管段的下端部相連。

具體地，第一污泥沉降管20各管段的設(shè)置：上支管段、下支管段的直徑分別為曝氣升流管本體13直徑的0.5倍，上水平段的長度為曝氣升流管本體13直徑的0.6~1.0倍，并設(shè)有電磁閥；上斜管段的長度為曝氣升流管本體13直徑的0.8~1.0倍，管軸線與水平夾角為負(fù)30度；豎直管段的直徑為曝氣升流管本體13直徑的0.5倍，高度約為曝氣升流管本體13高度的0.7~0.8倍；下斜管段的長度為曝氣升流管本體13直徑的1.5~1.8倍，管軸線與水平夾角為60度；下水平管段長度為曝氣升流管本體13直徑的0.5~0.8倍，并設(shè)有電磁閥。

出流分離裝置22和進(jìn)水管60在第一污泥沉降管20上的具體設(shè)置：出流管222連接在豎直管段和上支管段的連接處，出流管222上端部高出曝氣升流管本體13上端部的距離為曝氣升流管本體13直徑的0.5倍，出水管70上沿與曝氣升流管本體13上端部平齊，擋流板221的寬度為曝氣升流管本體13直徑的0.4~0.5倍，高度約為曝氣升流管本體13直徑的0.6倍，進(jìn)水管60設(shè)置在擋流板221下方，進(jìn)水管60與擋流板221的距離為曝氣升流管本體13直徑的0.8~1.0倍，進(jìn)水管60上設(shè)置有電磁閥。

第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的管徑相同，第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50沿曝氣升流管10的周向均勻分布，第二污泥沉降管30上設(shè)置出流分離裝置22和進(jìn)水管60。

具體地，第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的各管段的設(shè)置：上支管段、下支管段的直徑分別為曝氣升流管本體13直徑的0.3~0.4倍，上水平段的長度為曝氣升流管本體13直徑的0.6~1.0倍，并設(shè)有電磁閥；上斜管段的長度為曝氣升流管本體13直徑的0.8~1.0倍，管軸線與水平夾角為負(fù)30度；豎直管段的直徑為曝氣升流管本體13直徑的0.3~0.4倍，高度約為曝氣升流管本體13高度的0.7~0.8倍；下斜管段的長度為曝氣升流管本體13直徑的1.5~1.8倍，管軸線與水平夾角為60度；下水平管段長度為曝氣升流管本體13直徑的0.5~0.8倍，并設(shè)有電磁閥。

出流分離裝置22和進(jìn)水管60在第二污泥沉降管30上的具體設(shè)置：出流管222連接在豎直管段和上支管段的連接處，出流管222上端高出曝氣升流管本體13上端的距離為曝氣升流管本體13直徑的0.5倍，出水管70上沿與曝氣升流管本體13上端部平齊，擋流板221的寬度為曝氣升流管本體13直徑的0.3~0.4倍，高度約為曝氣升流管本體13直徑的0.5~0.6倍，進(jìn)水管60設(shè)置在擋流板221下方，進(jìn)水管60與擋流板221的距離為曝氣升流管本體13直徑的0.8~1.0倍，進(jìn)水管60上設(shè)置有電磁閥。

采用上述處理裝置進(jìn)行廢水處理的方法，該方法包括處理廢水的步驟和顆粒污泥再生的步驟。

具體處理時，處理裝置運(yùn)行分為“處理廢水”和“顆粒污泥再生”兩種狀態(tài)，多個處理單元交替處于“處理廢水”和“顆粒污泥再生”狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對含NPs廢水的連續(xù)處理，具體如下：

（1）處理廢水狀態(tài)：關(guān)閉第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的進(jìn)水管60、電磁閥，將曝氣升流管10和第一污泥沉降管20連通，含NPs的待處理廢水由第一污泥沉降管20上的進(jìn)水管60流入，與回流的顆粒污泥混合后，垂直向下流動，然后進(jìn)入曝氣升流管10內(nèi)，同時污泥混合液在流經(jīng)第一污泥沉降管20時，由岀流分離裝置22實(shí)現(xiàn)顆粒污泥和出水分離，顆粒污泥沿?fù)趿靼?21繼續(xù)沉降，與進(jìn)水混合并在處理單元內(nèi)循環(huán)，處理出水繞過擋流板221，溢流至出水管70中排出。

在曝氣升流管10中，壓縮空氣由設(shè)置在泥斗11中的曝氣頭111通入，表面氣速優(yōu)選為0.8~1.2 m/s，曝氣升流管10頂部的溶解氧濃度優(yōu)選為1.6~2.0 mg/L；處理單元內(nèi)MLVSS濃度優(yōu)選為7000~12000 mg/L，顆粒污泥呈完全流化狀態(tài)，污泥混合液的上升流速優(yōu)選為0.3~0.6 cm/s。

（2）顆粒污泥再生狀態(tài)：關(guān)閉第一污泥沉降管20上的進(jìn)水管60和電磁閥，開啟第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的進(jìn)水管60、電磁閥，將曝氣升流管10與第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均連通，再生用水由第二污泥沉降管30的進(jìn)水管60流入，與回流的顆粒污泥混合后，垂直向下流動，然后進(jìn)入曝氣升流管10內(nèi)，同時污泥混合液在流經(jīng)第二污泥沉降管30時，由岀流分離裝置22實(shí)現(xiàn)顆粒污泥和出水分離，顆粒污泥沿?fù)趿靼?21繼續(xù)沉降，與進(jìn)水混合在處理單元內(nèi)循環(huán)，再生出水繞過擋流板221，溢流至出水管70中排出。又由于第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50與曝氣升流管10連通，所以污泥混合液也同時會在第三污泥沉降管40、第四污泥沉降管50內(nèi)流動，然后同樣回流至曝氣升流管10內(nèi)。

在曝氣升流管10中，壓縮空氣由設(shè)置在泥斗11中的曝氣頭111通入，表面氣速優(yōu)選為0.8~1.0 m/s，曝氣升流管10頂部的溶解氧濃度優(yōu)選為1.6~2.0 mg/L；顆粒污泥呈完全流化狀態(tài)，污泥混合液的上升流速優(yōu)選為0.3~0.6 cm/s。

再生用水為人工配水或預(yù)處理的實(shí)際生活污水。

顆粒污泥再生期間，采用排泥管112排泥，污泥停留時間優(yōu)選為16~24 d。

綜上所述，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有短程硝化-反硝化的好氧顆粒污泥可以被看作自養(yǎng)硝化菌與異養(yǎng)反硝化菌的共生聚集體，其與以自養(yǎng)菌為主或以異養(yǎng)菌為主的顆粒污泥相比，具有更加均衡的綜合性能。一方面，硝化菌的生長速度較慢，該類微生物的富集有利于改善顆粒污泥的密實(shí)度和沉降性能；另一方面，反硝化菌的生長速率更快、耐沖擊性更好，其分泌的大量胞外聚合物可有效增強(qiáng)對NPs的吸附作用。利用該類好氧顆粒污泥，處理裝置中MLVSS濃度達(dá)到了傳統(tǒng)活性污泥法的3~7倍以上。這使得本發(fā)明能夠在較短的接觸時間內(nèi)高效去除進(jìn)水中的NPs。

（2）處理裝置由3個處理單元并聯(lián)連接，具體處理時，3個處理單元交替處于“廢水處理”和“顆粒污泥再生”狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對含NPs廢水的連續(xù)處理。

（3）“廢水處理”和“顆粒污泥再生”期間，無需向裝置內(nèi)投加任何生物填料，有利于節(jié)約處理成本。另外，與常見的活性炭吸附-再生過程不同，本發(fā)明中的“廢水處理”和“顆粒污泥再生”始終在常溫常壓下進(jìn)行，操作更加簡便。利用人工配水或生活污水對好氧顆粒污泥進(jìn)行原位再生，可以在維持污泥性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用的同時，使本發(fā)明兼具了生活污水處理功能。上述目標(biāo)利用現(xiàn)有技術(shù)是不能實(shí)現(xiàn)的。

（4）本發(fā)明中廢水處理裝置通過曝氣升流管與污泥沉降管的組合，為硝化菌和反硝化菌提供了良好的生長條件。曝氣升流管內(nèi)較強(qiáng)的水力剪切條件，有利于維持顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在“廢水處理”狀態(tài)下，第一污泥沉降管能夠?qū)︻w粒污泥起到一定的重力濃縮作用，有利于減少NPs的沖擊效應(yīng)。在“顆粒污泥再生”狀態(tài)下，第二污泥沉降管、第三污泥沉降管和第四污泥沉降管能夠最大限度地將顆粒污泥分散開，有效淘洗裝置中的絮狀污泥，并使顆粒污泥與水中的生長基質(zhì)充分接觸。基于上述特殊設(shè)計，本發(fā)明可以采取較靈活的控制策略，應(yīng)對含不同種類、濃度NPs的進(jìn)水水質(zhì)，具有良好的適應(yīng)性。上述目標(biāo)利用現(xiàn)有技術(shù)是不能實(shí)現(xiàn)的。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例中未注明具體的實(shí)驗方法時，遵照國家標(biāo)準(zhǔn)方法和條件進(jìn)行。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種去除廢水中納米零價鐵（nZVI）微粒的方法，并利用再生用水對顆粒污泥進(jìn)行再生。

本實(shí)施例方法采用本發(fā)明處理裝置進(jìn)行處理，處理裝置的具體參數(shù)設(shè)置如下：

曝氣升流管本體13：直徑為100 mm，高徑比8:1。

泥斗11：上端部截面直徑為100 mm，高度約為70 mm，側(cè)邊坡度為60度。

漸擴(kuò)管12：上端部、下端部截面直徑之比為1.5:1，高度約為100 mm。

第一污泥沉降管20：上支管段、下支管段的直徑50mm，上水平段的長度為80 mm；上斜管段的長度約90 mm，管軸線與水平夾角為負(fù)30度；豎直管段的直徑為50mm，高徑比12:1；下斜管段的長度為170 mm，管軸線與水平夾角為60度；下水平管段長度約73 mm。

出流分離裝置22和進(jìn)水管60在第一污泥沉降管20上的具體設(shè)置：擋流板221的寬度為48 mm，高度約60 mm，進(jìn)水管60設(shè)置在擋流板221下方，進(jìn)水管60與擋流板221的距離約為100mm；出水管70管徑約10 mm，上沿與曝氣升流管本體上端部平齊。

第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的各管段的設(shè)置：上支管段、下支管段的直徑分別為40 mm，上水平段的長度為65 mm；上斜管段的長度為90mm，管軸線與水平夾角為負(fù)30度；豎直管段的直徑為40mm，高徑比15:1；下斜管段的長度為180 mm，管軸線與水平夾角為60度；下水平管段長度為53mm。

出流分離裝置22和進(jìn)水管60在第二污泥沉降管30上的具體設(shè)置：擋流板221的寬度為38 mm，高度約60 mm，進(jìn)水管60設(shè)置在擋流板221下方，進(jìn)水管60與擋流板221的距離約為100mm；出水管70管徑約8 mm，上沿與曝氣升流管本體上端部平齊。

本實(shí)施例采用的好氧顆粒污泥如圖4所示，其微生物種群構(gòu)成如圖5所示，具體地，好氧顆粒污泥為灰白色的橢球形，粒徑范圍主要在0.8~2.5 mm，5分鐘SVI值約為30 ml/g；顆粒污泥具有短程硝化反硝化功能，微生物結(jié)構(gòu)可以描述為，異養(yǎng)反硝化菌以Denitratisoma屬為主，硝化菌中氨氧化菌（Nitrosomonas屬）占絕對優(yōu)勢，亞硝酸鹽氧化菌（Nitrospira屬）相對豐度較低，其他菌屬還包括Anaerolineaceae屬、Flavobacterium屬、Saprospiraceae屬、Diaphorobacter屬和Thauera屬等；由靜態(tài)吸附試驗結(jié)果可知，顆粒污泥對nZVI微粒的最大單次吸附容量在97~134 mg/g MLVSS。

采用本實(shí)施例的處理裝置處理廢水，其中，待處理廢水：pH 7.5~8.0，nZVI濃度9~17 mg/L，BOD₅ 75~90 mg/L，NH₄⁺-N 24~31 mg/L，水溫18~20 ℃。

具體處理步驟包括廢水處理和顆粒污泥再生步驟，具體如下：

（1）處理廢水：關(guān)閉第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上電磁閥和進(jìn)水，開啟第一污泥沉降管20上的進(jìn)水和電磁閥使第一污泥沉降管20和曝氣升流管10連通，待處理廢水以16 L/h流量由進(jìn)水管60流入第一污泥沉降管20內(nèi)，廢水與回流的顆粒污泥混合后，垂直向下流動，然后回流至曝氣升流管10內(nèi)；同時污泥混合液在流經(jīng)第一污泥沉降管20時，由岀流分離裝置22分離顆粒污泥和出水，顆粒污泥沿?fù)趿靼?21繼續(xù)向下運(yùn)動與待處理廢水混合，處理出水繞過擋流板221，溢流至出水管70中排出。

步驟（1）中，在曝氣升流管10中，壓縮空氣由底部曝氣頭111通入，表面氣速控制在1.1 m/s，曝氣升流管10頂部的溶解氧濃度為1.8~2.0 mg/L，顆粒污泥呈完全流化狀態(tài)，MLVSS濃度約11600 mg/L，污泥混合液的上升流速約為0.5~0.6 cm/s；處理單元的總水力停留時間約為0.5 h，對應(yīng)的BOD₅、氨氮容積負(fù)荷范圍分別為3.6~4.3 kg/(m³·d)和1.1~1.4 kg/(m³·d)。

（2）顆粒污泥再生：連續(xù)處理12 h后，關(guān)閉第一污泥沉降管20上的進(jìn)水和電磁閥，開啟第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的進(jìn)水和電磁閥使曝氣升流管10與第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均連通，進(jìn)水采用再生用水，該處理單元由處理狀態(tài)轉(zhuǎn)為再生狀態(tài)。再生用水以12 L/h流量由進(jìn)水管60流入第二污泥沉降管30內(nèi)，再生用水與回流的顆粒污泥混合后，垂直向下流動，然后回流至曝氣升流管10內(nèi)；同時污泥混合液在流經(jīng)第二污泥沉降管30時，由岀流分離裝置22分離顆粒污泥和出水，顆粒污泥沿?fù)趿靼?21繼續(xù)向下運(yùn)動與再生用水混合，再生出水繞過擋流板221，溢流至出水管70中排出；又由于第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50與曝氣升流管10連通，所以污泥混合液也同時會在第三污泥沉降管40、第四污泥沉降管50內(nèi)流動，然后同樣回流至曝氣升流管10內(nèi)。

步驟（2）中，再生用水為人工配置，模擬典型生活污水水質(zhì)，以醋酸鈉、氯化銨分別為碳、氮源，pH 8.0~8.2，BOD₅ 150 mg/L，NH₄⁺-N 50 mg/L，水溫25~28 ℃；對應(yīng)的BOD₅、氨氮容積負(fù)荷分別為4.0 kg/(m³·d)和1.3 kg/(m³·d)。曝氣升流管10內(nèi)，壓縮空氣由底部曝氣頭111通入，表面氣速控制在0.9 m/s，曝氣升流管頂部的溶解氧濃度為1.6~1.8 mg/L；顆粒污泥呈完全流化狀態(tài)，MLVSS濃度約9000 mg/L，污泥混合液的上升流速約為0.3~0.4 cm/s。處理單元的總水力停留時間為0.9 h。單次再生周期的時長為24 h，在此期間經(jīng)排泥管112排泥，控制污泥停留時間在16~20 d。

使用本實(shí)施例處理裝置連續(xù)運(yùn)行360 h以上。其中，處理單元的運(yùn)行情況如附圖6、7所示。在經(jīng)歷多次“處理”與“再生”交替運(yùn)行后，顆粒污泥仍然能夠有效去除廢水中的nZVI顆粒，各處理周期的平均去除率在92.6~98.1%（以總鐵計）；在再生狀態(tài)下，顆粒污泥保持較高的活性，各再生周期對再生用水中BOD₅、氨氮和總氮的平均去除率分別為94.4~98.0%、92.6~98.5%和70.1~72.7%，出水指標(biāo)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)施例1的結(jié)果表明，本發(fā)明可用于去除廢水中的nZVI微粒，同時利用模擬生活污水（即人工配水）使顆粒污泥保持較高的活性，實(shí)現(xiàn)了廢水處理裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種去除廢水中碳納米材料微粒的方法，并利用再生用水對顆粒污泥進(jìn)行再生。

本實(shí)施例方法采用的本發(fā)明處理裝置進(jìn)行處理，處理裝置的具體參數(shù)設(shè)置如下：

曝氣升流管本體13：直徑為120 mm，高徑比6:1。

泥斗11：上端部截面直徑為120 mm，高度約為80 mm，側(cè)邊坡度為60度。

漸擴(kuò)管12：上端部、下端部截面直徑之比為1.5:1，高度約為120 mm。

第一污泥沉降管20：上支管段、下支管段的直徑60mm，上水平段的長度為80 mm；上斜管段的長度約100 mm，管軸線與水平夾角為負(fù)30度；豎直管段的直徑為60mm，高徑比9:1；下斜管段的長度為150 mm，管軸線與水平夾角為60度；下水平管段長度約90 mm。

出流分離裝置22和進(jìn)水管60在第一污泥沉降管20上的具體設(shè)置：擋流板221的寬度為58 mm，高度約70 mm，進(jìn)水管60設(shè)置在擋流板221下方，進(jìn)水管60與擋流板221的距離約為100mm；出水管70管徑約10 mm，上沿與曝氣升流管本體上端部平齊。

第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50的各管段的設(shè)置：上支管段、下支管段的直徑分別為40 mm，上水平段的長度為80 mm；上斜管段的長度為90mm，管軸線與水平夾角為負(fù)30度；豎直管段的直徑為40mm，高徑比13:1；下斜管段的長度為180 mm，管軸線與水平夾角為60度；下水平管段長度為70mm。

出流分離裝置22和進(jìn)水管60在第二污泥沉降管30上的具體設(shè)置：擋流板221的寬度為38 mm，高度約60 mm，進(jìn)水管60設(shè)置在擋流板221下方，進(jìn)水管60與擋流板221的距離約為100mm；出水管70管徑約8 mm，上沿與曝氣升流管本體13上端部平齊。

本實(shí)施例采用的好氧顆粒污泥的微生物種群構(gòu)成如圖8所示，具體地，好氧顆粒污泥為灰白色的橢球形，粒徑范圍主要在0.8~2.5 mm，5分鐘SVI值約為33 ml/g；顆粒污泥具有短程硝化反硝化功能，微生物結(jié)構(gòu)可以描述為，異養(yǎng)反硝化菌包括Denitratisoma屬、Flavobacterium屬、Rhodobacter屬和Zoogloea屬等，硝化菌中氨氧化菌（Nitrosomonas屬）占絕對優(yōu)勢，亞硝酸鹽氧化菌（Nitrospira屬）相對豐度較低，其他菌屬還包括Anaerolineaceae屬、Saprospiraceae屬、Diaphorobacter屬、Thauera屬、Xanthomonadales屬等；由靜態(tài)吸附試驗結(jié)果可知，顆粒污泥對碳納米材料微粒的最大單次吸附容量在139~178 mg/g MLVSS。

采用本實(shí)施例的處理裝置處理廢水，其中，待處理廢水：pH 7.5~8.0，碳納米材料微粒濃度21~35 mg/L，BOD₅ <10 mg/L，NH₄⁺-N <3 mg/L，水溫17~20 ℃。

具體處理步驟包括廢水處理和顆粒污泥再生步驟，具體如下：

（1）處理廢水：關(guān)閉第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上電磁閥和進(jìn)水，開啟第一污泥沉降管20上的進(jìn)水和電磁閥使第一污泥沉降管20和曝氣升流管10連通，待處理廢水以14 L/h流量由進(jìn)水管60流入第一污泥沉降管20內(nèi)，廢水與回流的顆粒污泥混合后，垂直向下流動，然后回流至曝氣升流管10內(nèi)；同時污泥混合液在流經(jīng)第一污泥沉降管20時，由岀流分離裝置22分離顆粒污泥和出水，顆粒污泥沿?fù)趿靼?21繼續(xù)向下運(yùn)動與待處理廢水混合，處理出水繞過擋流板221，溢流至出水管70中排出。

步驟（1）中，在曝氣升流管10中，壓縮空氣由底部曝氣頭111通入，表面氣速控制在0.8 m/s，曝氣升流管頂部的溶解氧濃度為1.6~1.8 mg/L；顆粒污泥呈完全流化狀態(tài)，MLVSS濃度約9000 mg/L，污泥混合液的上升流速約為0.3~0.4 cm/s；處理單元的總水力停留時間約為0.77 h，對應(yīng)的BOD₅、氨氮容積負(fù)荷分別低于0.3 kg/(m³·d)和0.1 kg/(m³·d)。

（2）顆粒污泥再生：連續(xù)處理3 h后，關(guān)閉第一污泥沉降管20上的進(jìn)水和電磁閥，開啟第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50上的進(jìn)水和電磁閥使曝氣升流管10與第二污泥沉降管30、第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50均連通，進(jìn)水采用再生用水，該處理單元由處理狀態(tài)轉(zhuǎn)為再生狀態(tài)。再生用水以18 L/h流量由進(jìn)水管60流入第二污泥沉降管30內(nèi)，再生用水與回流的顆粒污泥混合后，垂直向下流動，然后回流至曝氣升流管10內(nèi)；同時污泥混合液在流經(jīng)第二污泥沉降管30時，由岀流分離裝置22分離顆粒污泥和出水，顆粒污泥沿?fù)趿靼?21繼續(xù)向下運(yùn)動與再生用水混合，再生出水繞過擋流板221，溢流至出水管70中排出；又由于第三污泥沉降管40和第四污泥沉降管50與曝氣升流管10連通，所以污泥混合液也同時會在第三污泥沉降管40、第四污泥沉降管50內(nèi)流動，然后同樣回流至曝氣升流管10內(nèi)。

步驟（2）中，再生用水為經(jīng)預(yù)處理的實(shí)際生活污水，水質(zhì)如下：pH 8.0~8.2，COD 115~160 mg/L，BOD₅/COD 約為0.55，NH₄⁺-N 23~29 mg/L，總氮 28~35 mg/L，水溫23~25 ℃；對應(yīng)的BOD₅、氨氮容積負(fù)荷分別為2.3~3.2 kg/(m³·d)和0.8~1.1 kg/(m³·d)。曝氣升流管10內(nèi)，壓縮空氣由底部曝氣頭111通入，表面氣速控制在1.0 m/s，溶解氧濃度為1.8~2.0 mg/L，顆粒污泥呈完全流化狀態(tài)，MLVSS濃度約8600 mg/L，污泥混合液的上升流速約為0.3~0.4 cm/s。處理單元的總水力停留時間為0.65 h。單次再生周期的時長為6 h，在此期間經(jīng)排泥管112排泥，控制污泥停留時間在18~24 d。

使用本實(shí)施例處理裝置連續(xù)運(yùn)行200 h以上。其中，處理單元的運(yùn)行情況如附圖9、10所示。

在經(jīng)歷多次“處理”與“再生”交替運(yùn)行后，顆粒污泥仍然能夠有效去除廢水中的碳納米材料微粒，各處理周期平均去除率在95.3~98.9%（以600 nm吸光度計）；在再生狀態(tài)下，顆粒污泥還可有效去除再生用水中的COD、BOD₅、氨氮和總氮，各再生周期的平均去除率分別為82.6~86.1%、92.1~96.6%、88.3~91.8%和69.8~71.7%，出水指標(biāo)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)施例2的結(jié)果表明，本發(fā)明可以用于去除廢水中的碳納米材料微粒，同時利用經(jīng)預(yù)處理的生活污水使顆粒污泥保持較高的活性，實(shí)現(xiàn)了廢水處理裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

以上對本發(fā)明做了詳盡的描述，其目的在于讓熟悉此領(lǐng)域技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，且本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例，凡根據(jù)本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。