一种生物/光电/太阳能耦合污水处理一体化装置
技术领域
本发明涉及一种生物/光电/太阳能耦合污水处理一体化装置，属于污水处理、环境保护
技术领域
。背景技术
较城市污水性质相比，农村生活污水具有分散性、产量小，变化系数较大等特点，若采用集中式污水处理，大面积的兴建污水管网那个将会为污水处理厂带来较大的经济压力。现有农村家庭污水处理技术主要有生物接触氧化法、厌氧沼气池技术等生物处理技术，稳定塘、土壤渗滤等生态处理技术。这些技术可以利用微生物去除水中的有机物及脱氮除磷，具有很好的COD去除率，但一般占地面积较大，运行维护较复杂，于是可替换家用污水处理装置具有其独特的优势。并且随着生活水平的不断提高，生活污水中的降解物质日益增多，例如表面活性剂、抗生素等，普通生物处理对于此类有机物质效率过低。
光电催化氧化技术是一种极具应用前景的高级氧化技术，属于污水深度处理工艺。其原理为TiO2、ZnO、ZnS等作为光催化剂的半导体在受到能量大于带隙能的光照射下，价带(VB)上的电子受到激发迁跃至导带(CB)，导带上生成活性电子，能量较高。同时价带上产生带正电的空穴，能够从水分子中夺取电子产生·OH。·OH和空穴均具有强氧化性，可氧化水中的难降解有机物。同时在光催化阳极上施加一个偏压，在电极内部形成一个电势梯度，促进光生电子离开光电极表面，降低电子和空穴复合，提高污染物降解效率。
现有技术搭建了光伏-光催化混合水处理系统，将二氧化钛的光催化和太阳能电池板紧密结合，光催化利用太阳光中的紫外线，太阳能电池板利用可见光及红外，实现了系统电能自供给性，但紫外光只占太阳光的5％，使得降解效率较低，装置只能在低浓度有机污水多次循环降解的条件下达到较好的效果，不能够连续进水，不适用于处理生活污水。因此，提供一种能够高效利用太阳光处理农村生活污水的系统是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的太阳光利用效率低、难降解有机物矿化率低、农村建设大型水厂难度高的问题，提供一种生物/光电/太阳能耦合污水处理一体化装置。
本发明的技术方案：
一种生物/光电/太阳能耦合污水处理一体化装置，该装置包括生物处理单元1、沉淀处理单元2和光电催化单元3；所述的生物处理单元1位于沉淀处理单元2一侧；光电催化单元3位于沉淀处理单元2的另一侧，且光电催化单元3倾斜放置，倾斜角度为25°～40°，光电催化单元3与沉淀处理单元2之间围成的空隙为装置收纳单元；
所述的光电催化单元3包括反应水箱11和太阳能电池板12，反应水箱11为高硼硅玻璃材质，太阳能电池板12紧贴反应水箱的一侧面，且保证太阳光透过反应水箱11照射到太阳能电池板12上，反应水箱11内设置至少一对光电催化电极对，电极对的阴极和阳极交错放置；
污水首先进入生物处理单元1，经过处理后的污水进入沉淀处理单元2内分离为污泥和澄清液，澄清液进入光电反应单元3进行光电催化氧化处理，处理后的水经光电单元出水口排出，同时阳光透过光电催化反应水箱照射在太阳能电池板上产生电能，为整个装置运行提供电能。
进一步限定，生物处理单元1为立体A2O处理单元，由下至上依次为厌氧池4、缺氧池5和好氧池6，所述的厌氧池4、缺氧池5和好氧池6的下方均开有污水流入口，厌氧池4、缺氧池5和好氧池6的上方均开有污水流出口，厌氧池4的污水流出口与缺氧池5的污水流入口通过导管连通，缺氧池5的污水流出口与好氧池6的污水流入口通过导管连通，好氧池6出水管利用三通一端连接缺氧池底部一端连接沉淀处理单元2，污水从厌氧池4下方的污水流入口进入生物处理单元1，流经缺氧池5后从好氧池6上方的污水流出口流入沉淀处理单元2。
更进一步限定，厌氧池4与缺氧池5内部设有搅拌机，所述的好氧池6底部设有曝气管。
进一步限定，沉淀处理单元2包括池体7和其内部放置的倒四棱锥8，倒四棱锥8位于池体7的下方，倒四棱锥8的最低端与污泥回流管9一端连通，污泥回流管9的另一端与厌氧池4的污泥进入口10连通；在池体7的上方开有污水流出口，并且在池体7上位于倒四棱锥8的上方还开有污水进入口，经过生物处理单元1处理后的污水通过污水进入口流入沉淀处理单元2的池体7内，经过倒四棱锥8沉积的下层污泥通过污泥回流管9回流至厌氧池4内，上层的澄清液通过污水流出口流入光电催化单元3。
进一步限定，反应水箱11的下方开有澄清液流入口，反应水箱11的上方开有出水口。
进一步限定，电极对的阴极为石墨电极板，所述的阳极为Ag/TiO2、Mn/TiO2、Fe/TiO2、CdS/PbS/TiO2或N/F/TiO2极板。
更进一步限定，Ag/TiO2极板的制备方法为：
(1)钛板预处理：用砂纸打磨抛光后超声清洗15min，至于烘干箱中去除表面水分；
(2)二氧化钛纳米管的制备：以处理后的钛板为阳极，不锈钢板为阴极，极板间距2～4cm，电解液采用0.5wt％NH4F和98vol％的乙二醇，氧化电压约50V，进行2h的阳极氧化，随后取出阳极板并用去离子水冲洗干净后烘干，最后将样品置于马弗炉中以450℃煅烧2h得到二氧化钛纳米管；
(3)Ag掺杂TiO2纳米管的制备：配制10-2mol/L的AgNO3溶液，将上一步骤制得的极板浸泡2h后，整个装置在500W的汞灯下照射10min，取出极板用超纯水清洗后干燥，得到Ag/TiO2极板。
更进一步限定，电极对的阴极板和阳极板的一端均通过亚克力材质底座与反应水箱11相连，阳极板通过底座与反应水箱11底部相连，阴极板通过底座与反应水箱11顶部相连，阴极板和阳极板未固定的另一端均与反应水箱11保持10～20cm空间，相邻的阴极板和阳极板间的距离为2～7cm。
更进一步限定，阴极板和阳极板施加1～5mA/cm2的恒定电流。
更进一步限定，澄清液在阴极板和阳极板板之间蛇形流动，水力停留时间为2～3h。
进一步限定，太阳能电池板12为单晶硅太阳能电池板，发电效率为100～200W/㎡，太阳能电池板12的下方设有保温隔热层，太阳能电池板12与蓄电池连接，蓄电池位于装置收纳单元内，蓄电池为整个装置的运行提供电能。
进一步限定，反应水箱11的顶部玻璃盖板具有可拆卸功能，方便定期清理及更换电极板，以及为后期改进投加药品提高催化反应提供便利，且在反应水箱11的左右两侧下方均安装有排污口，方便反冲洗。
本发明有益效果：本发明提供的污水处理一体化装置具有结构紧凑、设计合理、处理效率高、安装及运行维护方便等优点。且通过设置光电互补太阳能供电系统实现电能自供给性。
附图说明
图1为本发明提供的一体化装置侧视图；
图2为光电催化单元的结构示意图；
图3为生物处理单元的结构示意图；
图4为沉淀处理单元的结构示意图；
图5为污水处理流程图；
图6为澄清液在光电催化单元中流动示意图；
图中1-生物处理单元，2-沉淀处理单元，3-光电催化单元，4-厌氧池，5-缺氧池，6-好氧池，7-池体，8-倒四棱锥，9-污泥回流管，10-污泥进入口，11-反应水箱，12-太阳能电池板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
本发明通过以下技术方案实现：
如图1所示，生物/光电/太阳能耦合污水处理一体化装置包括生物处理单元1、沉淀处理单元2和光电催化单元3；所述的生物处理单元1位于沉淀处理单元2一侧；光电催化单元3位于沉淀处理单元2的另一侧，且光电催化单元3倾斜放置，倾斜角度为25°～40°，正面向阳，光电催化单元3与沉淀处理单元2之间围成的空隙为装置收纳单元；装置收纳单元内安放有蓄电池组、曝气电机和水泵。
如图2所示，光电催化单元3包括反应水箱11和太阳能电池板12，反应水箱11为高硼硅玻璃材质，太阳能电池板12紧贴反应水箱的一侧面，保证无缝隙以防止灰尘进入影响太阳能电池板的发电效率，且保证太阳光透过反应水箱11照射到太阳能电池板12上，反应水箱11内设置至少一对光电催化电极对，电极对的阴极和阳极交错放置；
如图5所示，污水首先进入生物处理单元1，经过处理后的污水进入沉淀处理单元2内分离为污泥和澄清液，澄清液进入光电反应单元3进行光电催化氧化处理，处理后的水经光电单元出水口排出，同时阳光透过光电催化反应水箱照射在太阳能电池板上产生电能，为整个装置运行提供电能。
如图3所示，生物处理单元1为立体A2O处理单元，由下至上依次为厌氧池4、缺氧池5和好氧池6，所述的厌氧池4、缺氧池5和好氧池6的下方均开有污水流入口，厌氧池4、缺氧池5和好氧池6的上方均开有污水流出口，厌氧池4的污水流出口与缺氧池5的污水流入口通过导管连通，缺氧池5的污水流出口与好氧池6的污水流入口通过导管连通，好氧池6的污水流出口与缺氧池5的污水流入口以及沉淀处理单元2通过导管连通，污水从厌氧池4下方的污水流入口进入生物处理单元1，流经缺氧池5后从好氧池6上方的污水流出口流入沉淀处理单元2。厌氧池4与缺氧池5内部设有搅拌机，好氧池6底部设有曝气管。
污水通过厌氧池4、缺氧池5和好氧池6在A2O工艺的处理下，进行脱氮除磷和一部分有机物的去除，该生物处理单元模拟运行结果表明，经此生物处理单元生活污水中NH3-N去除率在80％以上，COD去除率达到90％以上，取得良好的处理效果。
如图4所示，沉淀处理单元2包括池体7和其内部放置的倒四棱锥8，倒四棱锥8位于池体7的下方，倒四棱锥8的最低端与污泥回流管9一端连通，污泥回流管9的另一端与厌氧池4的污泥进入口10连通；在池体7的上方开有污水流出口，并且在池体7上位于倒四棱锥8的上方还开有污水进入口，池体7为透明有机玻璃，倒四棱锥8由铁质架台在池体7底部固定支撑。
经过生物处理单元1处理后的污水通过污水进入口流入沉淀处理单元2的池体7内，经过倒四棱锥8沉积的下层污泥通过污泥回流管9一部分回流至厌氧池4内，一部分通过排泥管排出，上层的澄清液通过污水流出口流入光电催化单元3。
如图6所示，反应水箱11的下方开有澄清液流入口，反应水箱11的上方开有出水口，水流在两极板之间蛇形流动，反应水箱中的水具有一定的流动性，高比热容等特性，解决了由远红外造成太阳能电池板发热而引发发电效率降低的问题。光电催化单元3倾斜25～40°放置，正面向阳，阳光照在阳极板上激发光催化降解反应，同时阴阳极施加1～5mA/cm2的恒定电流提高光电催化效率，水流在两极板之间蛇形流动，水力停留时间为2～3h。
电极对的阴极为石墨电极板，阳极为Ag/TiO2、Mn/TiO2、Fe/TiO2、CdS/PbS/TiO2或N/F/TiO2极板。电极对的阴极板和阳极板的一端均通过亚克力材质底座与反应水箱11相连，阳极板通过底座与反应水箱11底部相连，阴极板通过底座与反应水箱11顶部相连，电极板通过底座中预留焊点与电源相连，阴极板和阳极板未固定的另一端均与反应水箱11保持10～20cm空间，相邻的阴极板和阳极板间的距离为2～7cm，保证污水在光电反应区的水力停留时间在2～3h。阳极电极板采用钛极板为基底制备二氧化钛纳米管，上面负载可增加其对可见光的相应性能的金属元素(Ag、Fe、Mn等)、非金属元素(F/N、I、S等)、化合物(CdS/PbS、Cu2O、BiVO4等)等，在阳光的照射下，表面产生电子空穴对和羟基自由基，具有强氧化性，从而进一步降解有机物达到回用标准。在极板上施加1～5mA/cm的恒定电流来增加光催化效率，处理后的水可排放或回用。同时，阳光透过光电催化反应水箱照射在太阳能电池板上产生电能，为蓄电池组充电，整个装置由蓄电池组提供电能，蓄电池组为18～36W锂电池组。
太阳能电池板12为单晶硅太阳能电池板，发电效率为100～200W/㎡，太阳能电池板12的下方设有保温隔热层，保温隔热层由聚氨酯泡沫填充制成，厚度约为2～5cm以减少温度过高或温度过低对太阳能发电效率的影响。
实施例1：
一、Ag/TiO2极板的制备：
(1)钛板预处理：用砂纸打磨抛光后超声清洗15min，至于烘干箱中去除表面水分；
(2)二氧化钛纳米管的制备：以处理后的钛板为阳极，不锈钢板为阴极，极板间距2～4cm，电解液采用0.5wt％NH4F和98vol％的乙二醇，氧化电压约50V，进行2h的阳极氧化，随后取出阳极板并用去离子水冲洗干净后烘干，最后将样品置于马弗炉中以450℃煅烧2h得到二氧化钛纳米管；
(3)Ag掺杂TiO2纳米管的制备：配制10-2mol/L的AgNO3溶液，将上一步骤制得的极板浸泡2h后，整个装置在500W的汞灯下照射10min，取出极板用超纯水清洗后干燥，得到Ag/TiO2极板。
二、连接生物/光电/太阳能耦合污水处理一体化装置：
设置光电催化单元3倾斜放置，倾斜角度为30°，反应单元内放置一组阴阳极电极板，极板间距为5cm，对极板上施加5mA/cm2的恒定电流，下方放置2cm厚的保温隔热板，将发电功率为150W/m2的太阳能电池板置于底部，利用300W氙灯模拟日光照射，以阴离子表面活性剂(LAS)为目标物探究其降解效能，结果显示，在反应2h后反应体系对于LAS的降解效能达95％以上，反应3h后几乎完全降解。并且在反应10min左右其太阳能电池板便可达正常发电功率，不仅能够提供光电催化电能，还能有富余电能。
三、运行生物/光电/太阳能耦合污水处理一体化装置：
生活污水通过进水口进入厌氧池4，在微生物的作用下进行磷的释放和部分有机物的氨化。处理后的水经连通管进入缺氧池5进行脱氮，然后经连通管进入好氧池6。经过曝气管和好氧微生物的代谢去除水中BOD，从好氧池流出的处理水按1：1比例回流经回流管流至缺氧池5底部和沉淀处理单元2中。
生物处理后的水在沉淀处理单元2中静置沉淀，污泥沉淀至底部，一部分通过污泥回流管9回流至厌氧池5，一部分作为剩余污泥经排泥管排出装置。池体7内上层的澄清液通过进水管在重力作用下流入光电催化单元3，由不少于一组的阳极板和阴极板进行光电催化氧化。Ag/TiO2极板上负载的Ag/TiO2在阳光的照射下，表面产生电子空穴对和羟基自由基，具有强氧化性，从而进一步降解有机物达到回用标准，在极板上施加恒定电流来增加光催化效率，处理后的水经出水口排出，同时阳光透过反应水箱11照射在太阳能电池板12上产生电能，为装置单元内蓄电池组充电，整个装置再由蓄电池组提供电能。
本实施例生物处理单元模拟运行结果表明，经此生物处理单元生活污水中NH3-N去除率在80％以上，COD去除率达到90％以上。
利用300W氙灯模拟太阳光照射，测试光电催化单元3对生活污水中的难生物降解有机物(芳香烃化合物、微生物在分解污废水中的有机物时新产生的代谢产物)的去除效果。相对于单一光催化反应，电流的加入提高了光生电子的转移，使得原本的难降解有机物去除率由60％提高至90％以上，COD降解效果由单一光催化的73％提高至95％以上。使最终排出该装置的水符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
