CN103145300B - 一种污水处理及再生利用设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于污水处理及再生利用的工艺方法及其设备。本发明的污水处理系统主要由生化处理模块、沉淀模块和膜过滤三大模块组成，采用生化处理、高效沉淀和膜过滤相结合的方式，经生化处理后的污水先进入高效沉淀池进行沉淀除去大部分污泥，然后再进行膜过滤。该方法采用模块化组合，投资省、运行稳定可靠、运行成本低、占地少。

Description

一种污水处理及再生利用设备及其方法

技术领域

本发明属于废水处理及资源化领域，具体涉及污水处理及再生利用的工艺方法和设备。

背景技术

城镇生活污水处理的工艺方法研究和应用已有100多年的历史，主要工艺有生物化学方法和物理化学方法。在相关行业技术进步的推动下，污水处理行业产生了大量有商业价值的最新技术成果，但目前这些技术成果的工程应用不理想。另一方面，由于污水排放标准的提高和节能降耗的要求，需要技术集成和技术综合，采用近期产生的新技术、新工艺、新材料和新设备，利用系统工程的设计方法，将各个子系统（单元技术模块）优化组合，使系统整体技术经济指标最优化，实现既满足现行污水排放标准和再生利用的技术指标要求，又使工程投资、运行成本和占地最少的目标。

目前污水处理中应用和研发的热点是膜生物反应器，膜生物反应器的特点之一是省去了沉淀池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷。然而由于过滤时污水中污泥含量较高，会导致滤膜的通水量较低，易造成膜堵塞，需要进行大孔连续吹扫和频繁地反洗，因而膜的使用寿命较短。

发明内容

本发明针对上述问题，在传统膜生物反应器技术基础上进行提升、完善和优化，提供了一种用于污水处理及再生利用的工艺方法及其设备，该方法采用模块化组合，投资省、运行稳定可靠、运行成本低、占地少。本发明的污水处理系统主要由生化处理模块、沉淀模块和膜过滤三大模块组成，由自动化和智能化的可编程控制器（PLC）和上位机（DCS）控制全系统实现稳定可靠的运行。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种污水处理及再生利用设备，包括生化反应池、高效沉淀池和膜过滤单元。

作为优选方式，所述生化反应池为3AO生化反应池，由第一缺氧池A1、厌氧池A2、第二缺氧池A3和好氧池O组成，所述第一缺氧池A1、厌氧池A2和第二缺氧池A3依次首尾相接，好氧池O采用氧化沟形式，其首尾均与第二缺氧池A3相接, 使得好氧池O中的部分混合液能够回流到第二缺氧池(A3)，所述第一缺氧池(A1)上还设置有入水口，经预处理系统来的新污水与回流污泥混合后由该入水口进入第一缺氧池A1，所述好氧池(O)上还设置有出水口，经生化处理的污水由此出水口排出。

所述3AO生化反应池还可以采用多点进水方式，即在第二缺氧池(A3)上还设置有另一个入水口，使得部分污水能够直接从该入水口进入第二缺氧池(A3)，通过直接注入污水为第二缺氧池A3提供更多的碳源（BOD₅）促进反硝化脱氮的进行，多点进水可控制和适应厌氧区、缺氧区对碳源的利用，采用多点进水，以使各区段能更好地达到预期处理效果。使用时可以通过精准设计污水在四个池的停留时间；利用混合液回流、污泥回流、搅拌混合、准确控制好氧池的溶氧量（DO），并使四个池子满足生化处理要求的溶氧量（DO）；根据污水处理规模和污染物的浓度，确定污泥浓度；根据NH₃-N的进水浓度确定混合液回流比。

作为优选方式，所述高效沉淀池采用微涡流絮凝和斜管沉淀结构，或采用小网格反应器和斜管沉淀结构，表面负荷≥3.0m³/(m²·h)，通过所述高效沉淀池能够大幅度提高沉淀池出水水质，为膜过滤单元创造良好工作条件。

作为优选方式，还可以在所述高效沉淀池中设置缓冲区；在池底排泥井安装排泥泵，及时排出污泥；在沉淀池中上部安装斜管（或斜板），实现快速泥水分离。

作为优选方式，所述膜过滤单元包含微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）中的至少一种，可根据出水标准的要求灵活选择不同的过滤精度；使用的膜组件形式可以多样化，既可以用浸没式膜组件，也可采用柱式膜组件。选用微滤（MF）/超滤（UF）时，可采用热致相分离法（TIPS）生产的聚偏氟乙烯（PVDF）材质的中空纤维膜或板式膜，可实现水通量≥35L/(m²·h)，膜的使用寿命≥10年。作为优选还可以在膜过滤单元前设置保安过滤器，使高效沉淀池的出水，通过保安过滤器初滤后再与滤膜接触。

本发明的另一目的在于提供一种3AO生化反应池，所述3AO生化反应池由第一缺氧池A1、厌氧池A2、第二缺氧池A3和好氧池O组成，所述第一缺氧池A1、厌氧池A2和第二缺氧池A3依次首尾相接，好氧池O采用氧化沟形式，其首尾与第二缺氧池A3相接，使混合液回流的能耗最低，所述第一缺氧池(A1)上还设置有入水口，所述好氧池(O)上还设置有出水口。

本发明中的生化反应池是一种强化脱氮和除磷的生化处理系统，它由四个不同功能但相互协同的池子组成。因为A1、A2、A3为缺氧或厌氧池，O为好氧池，所以本发明以3AO命名该生化处理模块。

其中A1池的主要功能是缺氧反硝化，由回流污泥和经预处理系统来的新污水混合，利用新污水的碳源（BOD₅）和回流活性污泥中硝酸盐氮，实现反硝化脱氮。在该池中，既减少了硝态氮，又减少了溶解氧，可为A2创造厌氧条件，提高系统的除磷能力。该池反硝化速率远远高于依靠内源呼吸作用进行的反硝化，因此需要的反硝化停留时间短、池容积小。

A2池的主要功能是与O池配合除磷。生物除磷是污水中的聚磷菌在厌氧条件下，受到压抑而释放出体内的磷酸盐，产生能量用以吸收快速降解有机物，并转化为聚β羟丁酸（PHB）储存起来。当这些聚磷菌进入好氧池O时就降解体内储存的PHB，产生能量，用于细胞的合成和吸磷，吸收污水中的磷形成高浓度的含磷污泥，随剩余污泥一起排出系统，从而达到除磷的目的。

A3池的主要功能是反硝化脱氮。反硝化菌在溶解氧浓度极低或缺氧情况下可以利用硝酸盐中氮作为电子受体，氧化有机物，将硝酸盐中的氮还原成氮气（N₂），从而完成污水的脱氮过程，通常称之为反硝化过程。

O池的主要功能是氧化有机质和硝化氨氮。活性污泥中的微生物在有氧的条件下，将污水中的一部分有机物用于合成新的细胞，将另一部分有机物进行分解代谢以便获得细胞合成所需的能量，其最终产物是CO₂和H₂O等稳定物质。在有机物被氧化的同时，污水中的有机氮也被氧化成氨氮，在溶解氧充足、泥龄较长的情况下，进一步被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，通常称之为硝化过程。

作为优选方式，四个池子的过水连接采取污水路径最大化方式，并使活性污泥搅拌均匀。

作为优选方式，还可以在第二缺氧池A3上另外设置污水入口，以实现多点进水。

本发明还提供了一种污水处理及再生利用工艺方法，采用生化处理、高效沉淀和膜过滤相结合的方式，经生化处理后的污水先进入高效沉淀池进行沉淀出去大部分污泥，然后再进行膜过滤。包括以下具体步骤：

（1）经预处理系统来的新污水与回流污泥和/或浓缩液混合后进入第一缺氧池A1，进行缺氧反硝化脱氮反应；

（2）污水由第一缺氧池(A1)进入厌氧池(A2)，在厌氧环境下污水中的聚磷菌放磷，产生能量用以吸收快速降解有机物，并转化为聚β羟丁酸储存起来；

（3）污水由厌氧池(A2)进入第二缺氧池(A3)，在该池进行反硝化脱氮；

（4）污水进入好氧池(O)进行硝化反应，实现有机质的氧化和氨氮的硝化，聚磷菌在该池大量吸磷，在好氧池(O)末端，一部分（一般生活污水回流比为50%-200%）混合液回流到第二缺氧池(A3)，另一部分流入高效沉淀池；

（5）污水进入高效沉淀池，沉淀的污泥由池底排出，部分污泥（处理一般生活污水时污泥回流比为20%-100%）回流进入步骤（1），上清液进入膜过滤单元进行过滤，所得滤出液成为再生水，所得浓缩液回流进入步骤（1）。

作为优选方式，还可以采用多点进水方式，将部分污水直接注入第二缺氧池A3为其提供更多的碳源（BOD₅）促进反硝化脱氮的进行，通过多点进水可控制和适应厌氧区、缺氧区对碳源的利用，采用多点进水，以使各区段能更好地达到预期处理效果。

本发明中所述混合液回流比为每小时由O池回流到A3池的混合液的量与每小时进入生化反应器的污水量的比值。

本发明中所述污泥回流比为回流污泥的量与高效沉淀池中沉淀产生的污泥总量的比值。

本发明的有益效果：

本发明从测试分析各个单元技术模块入手，根据进出水水质和日处理量，精准设计三个主工艺模块，形成了目前的工艺技术系统和成套设备。本发明不仅可以处理城镇生活污水，而且可用于可生化处理的其他行业废水，其单元处理模块对污水处理及资源化利用有广泛的实用性。

本发明是在传统膜生物反应器（MBR）基础上的改进和提升，为体现特色本发明可称为生物膜过滤反应器（BMFR）。

与传统的膜生物反应器（MBR）设计不同，本发明在生化处理模块和膜处理单元之间设置高效沉淀池，这是本发明的特色之一。虽然与传统MBR相比增加了一个构筑物，但利大于弊。这是因为沉淀池的占地面积小（表面负荷≥3.0m³/(m²·h)），造价低；而好处是可减少膜面积50%，由于过滤膜的工作条件改善，可减少化学清洗的频率，延长过滤膜的使用寿命，节约工程总投资。

本发明中在进行膜过滤时，由于大部分的污泥在沉淀池排出，水质大幅度提高，滤膜的通水量可成倍增长，如PVDF中空纤维膜通水量可达到30～50L/（m²·h），而传统MBR的膜通量在相同过膜压力下只有10～20L/（m²·h），被滤膜截留的浓缩液，回流到生化处理模块，活性微生物不流失，这就仍然保留了传统MBR工艺的主要优点。本发明另外的优点是：省去了传统的MBR大孔连续吹扫设置，只在反洗时使用少量的压缩空气，降低了能耗；延长了反洗时间间隔；减少了化学清洗次数，节约了成本；延长了膜组件的使用寿命，如使用NIPS法PVDF中空纤维膜，膜组件的使用寿命可大于8年，如使用TIPS法PVDF中空纤维膜，膜组件的使用寿命可大于10年。

附图说明

图1是本发明实施例1中所述3AO生化反应池的示意图；

图2是本发明实施例2中污水处理系统的整体示意图；

图3是本发明实施例2中所述的一种高效沉淀池的示意图；

图4是本发明实施例2中所述的另一种高效沉淀池的示意图；

图5是本发明实施例2中所述的膜过滤单元的示意图；

图6是本发明实施例3中所述的污水处理及再生利用工艺流程图；

图7是本发明所述工艺技术用于一个处理规模10000m³/d的城镇生活污水处理厂的平面布置图。

附图标记：其中，A1为第一缺氧池，A2为厌氧池，A3为第二缺氧池，O为好氧池，1为进水管，2为缓冲区，3为排泥泵，4为斜管或斜板，5为清水区，6为出水管，7为排泥管，8为排泥沟，21为保安过滤器，22为膜池，23为膜组，24为阀，25为出水泵，26为清水池，27为反洗泵，28为药液罐，29我计量泵，210为调节阀，31为预处理的污水，32为污泥，33为浓缩液,34为出水口，35为空气，36为反洗药液，37为反洗水，38为二氧化氯，39为再生水

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。

实施例1 3AO生化反应池 

如图1所示，一种3AO生化反应池，由第一缺氧池A1、厌氧池A2、第二缺氧池A3和好氧池O组成，四个池子中都分别设置有搅拌器和推流器，所述第一缺氧池A1、厌氧池A2和第二缺氧池A3依次首尾相接，好氧池O采用氧化沟形式，其首尾与第二缺氧池A3相接，部分污水在好氧池末端回流至A3池，第一缺氧池A1上设置有入水口，经预处理的污水31与回流浓缩液33和/或回流污泥32混合后，经入水口进入第一缺氧池A1；所述好氧池上设置有通气口，好氧池O末端还设置有出水口，完成生化处理的污水经此出水口34流向沉淀池。通过将出水口设置在好氧池O末端，可以充分利用好氧池O中氧化沟的长度使反应进行地更彻底。

作为优选，还可以在所述第二缺氧池A3上设置另外的入水口，经预处理的污水31可通过带阀门的水管由此入水口直接进入第二缺氧池A3，实现多点进水。

实施例2 污水处理系统 

如图2所示，一种污水处理及再生利用设备，包括生化反应池、高效沉淀池和膜过滤单元。所述生化反应池为实施例1中所述的3AO生化反应池

所述高效沉淀池如图3所示，包括进水管1，缓冲区2，排泥泵3，斜管或斜板4，清水区5，出水管6和排泥管7；污水进入沉淀池后先通过缓冲区，然后污泥在斜管或斜板4的作用下，快速沉淀，并通过排泥泵3和排泥管7排出，清水区5中的清水通过出水管6排出进入膜过滤单元。所述沉淀池底部为漏斗形，便于污泥向排泥泵3集中。

所述膜过滤单元如图5所示，包括保安过滤器21，膜池22，膜组23，阀24，出水泵25，清水池26，反洗泵27，药液罐28，计量泵29，调节阀210；沉淀池来水经0.5mm孔径的保安过滤器21, 进入膜池22与膜组23充分接触，在抽吸泵或虹吸原理的作用下进行过滤，浓缩液回流进入生化反应池，滤出水经出水泵25进入清水池26，在清水池26中还可以加入二氧化氯38进行消毒，最终得到再生水39。膜过滤单元使用一段时间后，通过反洗泵27，药液罐28，计量泵29，调节阀210等设备将反洗药液36和反洗水37注入滤膜，进行反洗。

本实施例中的高效沉淀池还可以采用如图4所示的方式，包括进水管1，缓冲区2，排泥沟8，斜管或斜板4，清水区5和出水管6；污水进入沉淀池后先通过缓冲区，然后污泥在斜管或斜板4的辅助下，逐渐沉淀，并通过排泥沟排出，清水区5中的清水通过出水管6排出进入膜过滤单元。

实施例3

一种污水处理及再生利用工艺方法，采用实施例2中所述的设备，采用生化处理、高效沉淀和膜过滤相结合的方式，经生化处理后的污水先进入高效沉淀池进行沉淀出去大部分污泥，然后再进行膜过滤。具体操作步骤为（如图6所示）：

（1）经预处理系统来的新污水与回流浓缩液和/或回流污泥混合后进入第一缺氧池A1，进行缺氧反硝化脱氮反应；

（2）污水由第一缺氧池(A1)进入厌氧池(A2)，在厌氧环境下污水中的聚磷菌放磷，产生能量用以吸收快速降解有机物，并转化为聚β羟丁酸储存起来；

（3）污水由厌氧池(A2)进入第二缺氧池(A3)，在该池进行反硝化脱氮；

（4）污水进入好氧池(O)进行硝化反应，实现有机质的氧化和氨氮的硝化，聚磷菌在该池大量吸磷，在好氧池(O)末端，一部分（一般生活污水回流比为50%-200%）混合液回流到第二缺氧池(A3)，另一部分流入高效沉淀池；

（5）污水进入高效沉淀池，沉淀的污泥由池底排出，部分污泥回流进入步骤（1），上清液进入膜过滤单元进行过滤，所得滤出液成为再生水，所得浓缩液回流进入步骤（1）。

其中，生化处理模块中各池的工作参数设置如表1所示。

作为优选，还可以加入二氧化氯对所述步骤（5）中的滤液进行消毒处理。

表1 3AO生化处理模块的参数设置

 作为优选，在上述步骤中还可以采用多点进水方式，将部分污水直接注入第二缺氧池A3为其提供更多的碳源（BOD₅）促进反硝化脱氮的进行，通过多点进水可控制和适应厌氧区、缺氧区对碳源的利用，采用多点进水，以使各区段能更好地达到预期处理效果。

实施例4

将实施例3所述的工艺技术用于一个处理规模10000m³/d的城镇生活污水处理厂，其平面布置设计如图7所示。其中3AO生化处理模块、高效沉淀池和膜过滤模块的长度L1、L2、L3分别为50m、10m和8m，三者的宽度D均为20m。膜过滤模块选择微滤（MF）/超滤（UF）方式，所述滤膜采用热致相分离法（TIPS）生产的聚偏氟乙烯（PVDF）材质的中空纤维膜。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种污水处理及再生利用设备，其特征在于，包括生化反应池、高效沉淀池和膜过滤单元，所述生化反应池为3AO生化反应池，由第一缺氧池(A1)、厌氧池(A2)、第二缺氧池(A3)和好氧池(O)组成，所述第一缺氧池(A1)、厌氧池(A2)和第二缺氧池(A3)依次首尾相接，好氧池(O)采用氧化沟形式，其首尾均与第二缺氧池(A3)相接，使得好氧池（O）中的部分混合液能够回流到第二缺氧池(A3)，所述第一缺氧池(A1)上还设置有入水口，所述好氧池(O)上还设置有出水口；所述3AO生化反应池采用多点进水方式，即在第二缺氧池(A3)上还设置有另一个入水口，使得部分污水能够直接从该入水口进入第二缺氧池(A3)；所述高效沉淀池采用微涡流絮凝和斜管沉淀结构，或采用小网格反应器和斜管沉淀结构，表面负荷≥3.0m³/(m²·h)，所述高效沉淀池包括进水管，缓冲区，斜管或斜板，清水区，出水管，排泥沟，或采用排泥泵和排泥管替代所述排泥沟；污水进入沉淀池后先通过缓冲区，然后污泥在斜管或斜板的作用下，快速沉淀，并通过所述排泥沟或所述排泥泵和排泥管排出，清水区中的清水通过出水管排出进入膜过滤单元。

2.根据权利要求1所述的污水处理及再生利用设备，其特征在于，所述沉淀池底部为漏斗形。

3.根据权利要求1所述的污水处理及再生利用设备，其特征在于，所述膜过滤单元包含微滤、超滤、纳滤和反渗透中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的污水处理及再生利用设备，其特征在于，所述膜过滤单元为微滤/超滤，过滤膜采用热致相分离法生产的聚偏氟乙烯材质的中空纤维膜或板式膜。

5.一种污水处理及再生利用工艺方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的污水处理及再生利用设备，通过生化处理、高效沉淀和膜过滤相结合的方式，使经生化处理后的污水先进入高效沉淀池进行沉淀除去大部分污泥，然后再进行膜过滤。

6.根据权利要求5所述的污水处理及再生利用工艺方法，其特征在于，依次进行生化处理、高效沉淀和膜过滤，包括以下具体步骤：

（1）经预处理系统来的新污水与回流浓缩液和/或回流污泥混合后进入第一缺氧池A1，进行缺氧反硝化脱氮反应；

（2）污水由第一缺氧池(A1)进入厌氧池(A2)，在厌氧环境下污水中的聚磷菌放磷，产生能量用以吸收快速降解有机物，并转化为聚β羟丁酸储存起来；

（3）污水由厌氧池(A2)进入第二缺氧池(A3)，在该池进行反硝化脱氮；

（4）污水进入好氧池(O)进行硝化反应，实现有机质的氧化和氨氮的硝化，聚磷菌在该池大量吸磷，在好氧池(O)末端，一部分混合液回流到第二缺氧池(A3)，另一部分流入高效沉淀池；

（5）污水进入高效沉淀池，沉淀的污泥由池底排出，部分污泥回流进入步骤（1），上清液进入膜过滤单元进行过滤，所得滤出液成为再生水，所得浓缩液回流进入步骤（1）。