CN104710009B - 城镇污水分散处理方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种城镇污水分散处理方法和装置，其是采用间歇式循环上流推进方式，将污水处理的运行周期分为进水、排水阶段和反应阶段，所述进水、排水阶段是使污水进入曝气池，曝气后的污水从下向上进入反应池；所述反应阶段是使进入反应池内污水通过推流泵向上循环推动，使反应池内污泥床处于流化状态；反应结束时，停止循环上流反应，反应池进入下一周期，且在下一阶段进水的同时，将上一个反应期得到的净化污水从反应池上部推出实现排水。本发明采用循环上流推进使污泥床内的颗粒污泥处于流化状态，污水中的基质与污泥充分接触和完全混合，加快了传质速度，容和负荷高、出水含悬浮物的浓度低，其装置结构简单、能耗低、占地面积少和投资省。

Description

城镇污水分散处理方法及其装置

技术领域

本发明涉及废水处理领域，具体涉及用于城镇污水分散处理方法及该方法设计的装置在城镇污水分散处理中的应用，尤其涉及生活污水和食品工业废水中富含有机污染物的废水处理。

背景技术

中国是水资源严重匮乏的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4，且水污染非常严重，由于很多人环境保护意识薄弱，并有继续加重的趋势，长江、黄河等七大水系及湖泊水库普遍受到污染，沿海水体发生赤潮和富营养化现象日益增多。

为保护水环境，国家投入了大量的资金进行污染治理，全面加强了工业有机废水的治理和城镇生活污水的处理。住房和城乡建设部的数据显示，截至2009年3月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇(以下简称"城镇")共建成污水处理厂1590座，处理能力达9204万立方米/，全国在建城镇污水处理项目1885个，设计能力约5517万立方米/。然而，目前全国仍有约1/4的设市城市和近80％的县城未建成污水处理厂。在国家不断采取一系列扩大内需促进经济增长的政策措施推动下，县镇污水处理设施建设和太湖流域、三峡库区等地区重点镇的污水处理设施建设步伐不断加快。但是，由于中小城镇产生的污水或者大型工厂生活污水离污水处理厂较远，如果采用集中处理方法会造成集水管线长，投资成本过大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有城镇污水分散处理模式的缺陷，提供一种用于城镇污水分散处理方法及由该方法设计的装置在城镇污水分散处理中的应用。

本发明首先提供了一种用于城镇污水分散处理方法，其是采用间歇式循环上流推进方式，将污水处理的运行周期分为进水、排水阶段和反应阶段，所述进水、排水阶段是使污水进入曝气池，所述曝气池设置上部连通的好氧区和兼氧区，使污水在所述曝气池和所述反应池内进行循环反应，曝气后的污水通过所述好氧区内设置的生物填料初步净化处理后从上部进入所述兼氧区，然后从所述兼氧区底部由下向上且以上流推流的方式进入反应池，污水进入所述反应池内的上流速度低于0.5m/h；所述反应阶段是使从所述反应池底部进入的污水通过缓冲区域设置的推流泵向上循环推动，使反应池内污泥床处于流化状态；当反应结束时，停止循环上流反应，反应池进入下一周期的进水、排水阶段，且在下一阶段污水进水的同时，将上一个反应期得到的净化污水从反应池上部推出实现排水。

进一步地，所述反应池内还设有循环系统，使反应池内净化后的水再次回流于所述曝气池内，进行多次循环净化处理。

本发明还提供了一种采用上述方法设计的用于城镇污水分散处理装置，包括曝气池和反应池，所述曝气池包括上部连通的好氧区和兼氧区，所述好氧区上部设有进水管，底部设有曝气元件，所述好氧区内还布设有生物填料，使曝气后的污水通过所述生物填料初步净化后进入所述兼氧区；所述反应池包括缓冲区和厌氧反应区，所述缓冲区底部设有可将污水循环上推的推流泵，所述反应池上部设有出水口，在所述反应池的底部，还设有布水管，所述布水管延伸至所述兼氧区的底部使所述反应池与所述兼氧区连通。

更进一步地,所述生物填料采用人工水草，成行排列于所述好氧区内，底部用水草支架支撑，所述曝气元件置于所述人工水草底部。

进一步地，所述反应池水面位置且靠近出水口处还设有循环泵，通过回流管与所述好氧区连通。

更进一步地，所述循环泵带有射流曝气管，使所述反应池内向上循环推动净化后的水流通过所述循环泵和所述射流曝气管组合形成的气水混合液经所述回流管重新回到所述好氧区。

进一步地，所述反应池出水口处设有溢流装置。

本发明提供的用于城镇污水分散处理方法及该方法设计的装置，采用间歇式循环上流推进方式，较高的循环上流速度能使污泥床内的颗粒污泥处于流化状态，使污水中的基质与污泥充分接触和完全混合，加快了传质速度，容和负荷高、反应速度快、出水含悬浮物的浓度低；剩余污泥少、耐负荷冲击能力强；结构简单、能耗低、占地面积少和投资省，用于处理城市污水和工业废水时能耗仅为ICEAS反应器的1/4、容积负荷则是ICEAS工艺的2倍以上，投资仅是ICEAS工艺的60％，具有较为广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

其中：

1－进水管 2－好氧区 3－兼氧区

4－缓冲区 5－厌氧反应区 6－溢流装置

7-循环泵 8-人工水草 9－水草支架

10－回流管 11－推流泵 12－布水管

13－装置外壳 14－射流曝气管 15－出水口

16－曝气盘 17－第一隔墙 18－第二隔墙

A－曝气池 B－反应池

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详述。应当理解，此处所描述的具体实施例，仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明首先提供了一种城镇污水分散处理方法，采用间歇式循环上流推进方式，将污水处理分设在曝气池和反应池两个部分进行，并将污水处理的运行周期分为进水、排水阶段和反应阶段：

1.进水、排水阶段

此阶段中，使污水首先进入曝气池，然后将曝气后的污水从曝气池底部设置的布水器进入反应池内，并以上流推流的方式进入反应池。污水进水时反应池内污水的上流速度低于0.5m/h。

2.反应阶段

在此阶段反应池不进水、不排水。通过推流泵将从反应池底部进入的污水使反应池内的污水向上推进,使反应池内污泥床处于流化状态。当反应结束时，停止循环上流反应，反应池进入下一周期的进水、排水期。在污水从下向上进水的同时，将上一个反应期得到的净化污水从反应池上部推出实现排水。

上述阶段中,还可进一步通过管道和循环泵将推入反应池上部污水形成气水混合液，在曝气池和反应池之间多次循环流动，反复净化,更好地提高净化处理效果。

本发明上述间歇循环处理过程，与现有的EGSB反应器相比，能够形成高生物活性的颗粒污泥，由于循环反应时不进水、不排水，仅将反应器内污水在曝气池和反应池内进行循环反应。这样，即使采用很高的循环上流速度也不会将反应器内的活性污泥带出反应器。而且，高的循环上流速度能使污泥床内的颗粒污泥处于流化状态，使污水中的基质与污泥充分接触和完全混合，加快了传质速度。进一步地，反应器在进水、排水时停止循环上流反应，进水通过反应池底部的布水器以上流推流的方式进入反应池。由于进水上流速度很低，而且到进水完成时原污水最多也只能到达反应池水深的4/5处，此时重新开始循环反应，所以不存在进水影响沉淀的问题，再加上原水进水时，原水与污泥床内的活性污泥发生反应，其反应方式与UASB反应器相比，也没有原水“短路”的可能。

本发明上述间歇循环处理过程，与ICEAS反应器相比具有以下优点：

①容和负荷高、反应速度快、出水含悬浮物的浓度低。本发明由于进水上流速度低，反应池表面水力负荷低，因此，污泥沉淀效果好，出水含悬浮物浓度低，反应池内的污泥浓度高。在处理生活污水时，反应池内的污泥浓度高达10g/L以上，是ICEAS反应器的3倍以上，根据莫诺(Monod)活性污泥反应动力学公式：

ds/dt＝ksx/(k_s+s)

式中ds/dt—微生物净增值速率，mg/(L·d)；

s—底物浓度，mg/L；

t—反应时间，d；

x—活性污泥浓度，mg/L；

k—最大比底物去除速度，l/d；

k_S—饱和常数，mg/L。

从上式可以看出，反应速度与反应器内污泥浓度成正比，反应器内污泥浓度越高，生化反应速度越快。本发明反应器内活性污泥浓度是ICEAS反应器的3倍以上，其反应速度也比ICEAS反应器快3倍。高的污泥浓度提高了反应器的生化反应速度，而高的循环上流速度又强化了污水中有机物和污泥间的传质过程，从而使本发明反应器的容积负荷大大高于ICEAS反应器。

②剩余污泥少、耐负荷冲击能力强。本发明反应器内的活性污泥浓度很高，活性污泥在反应池内的停留时间很长，这种运行方式可大大减少剩余污泥产量，并促进污泥中有机污染物被充分降解。由于反应器内污泥浓度高，污泥负荷低，低污泥负荷运行的活性污泥污水处理反应器耐负荷冲击能力强。

③结构简单、投资省。在处理相同污水时，本发明反应器的容积负荷是ICEAS反应器的3倍以上，加上反应器在进水、排水期内能同时进行沉淀、污水进水、排水和UASB反应，反应池的容积和时间利用率达到100％，故其所需的容积仅为ICEAS反应器的1/2以下,节省了基建投资。另外，本发明采用进水推出水的进水、排水方式，省去了投资大、操作管理复杂的滗水系统。

④能耗低。本发明反应器工作在好氧—缺氧—厌氧状态，好氧量仅为ICEAS反应器的1/4。由于采用恒水位进水、排水，水头损失比ICEAS反应器小。

作为本发明方法进一步的方式，曝气后的污水需通过生物填料净化处理后再进入反应池。生物填料可选用仿水草式生物载体(俗称人工水草)，是由位于美国佛罗里达州西墨尔本的HILLS公司试验室成功开发的多组分熔喷纤维新工艺制造，具有多重结构，中心层为活性炭纤维/聚氨酯复合材料，空隙率为90％，具有大孔与微孔相结合的孔结构特征和大量反应性基团；其次层是经过特别处理后聚丙烯超细非织造纤维网层，纤维直径超细，三维网状立体结构，高孔率低孔径；最外层是由聚丙烯树脂经特殊加工与处理制成的片状单丝纤维，表面经特殊亲水处理，单丝密度0.91g/cm2当量直径18-48μm长度15-19mm抗拉强度≥358MPa弹性模量≥3.5GPa断裂伸长率8-30％，三层材料由表面热压熔融一次成型。每平方米可提供约80000～120000m2的比表面积，该产品最大长度≤200cm，宽度≥5cm，厚度1.5～2.5cm。仿生水草生物载体仿皮肤三维设计，中间层设计有高吸附能力的新材料，负载了大量处于休眠状态的微生物菌种，在水里可以马上激活，处理工业废水和高难度有机废水时挂膜快。仿生水草生物载体采用多组分熔喷纤维新工艺一次成型，每平米比表面积达十万平方米以上，极易于微生物挂膜和吸附悬浮颗粒物；适应性强，耐冲击负荷性能高。本发明方法选用的生物填料，可优选发明专利申请号为2009101078534的人工水草生物载体作为人工水草填料。

基于上述方法，本发明还提供了一种分散处理装置(反应器)。参见图1，本发明装置包括曝气池A和反应池B，通过一装置外壳13围合形成一整体。其中所述曝气池A包括好氧区2和兼氧区3，两者通过第一隔墙17隔离，上部连通。所述好氧区2上部设有进水管1，该进水管1管口延伸于好氧区2底部。在好氧区2的底部，设置有多个曝气元件16，可剧烈搅动水面，使污水不断流动，使空气中的氧与水滴或水气的界面充分接触，为微生物提供溶解氧，同时可起到搅拌混合的作用。污水经过一段时间的曝气后，使水中产生以好氧菌为主体的絮凝体，其含有大量的活性微生物。所述反应池B与曝气池A通过第二隔墙18隔离，其底部铺设有布水管12，且所述反应池B中缓冲区4的底部设有与兼氧区3底部连通的开口，所述布水管12铺设于整个反应池B底部，且通过底部连通的开口延伸于兼氧区3底部，通过推流泵11的吸力和向上的推力，可将兼氧区3底部的污水不断抽入反应池B内。所述反应池B包括缓冲区4和厌氧反应区5，其中缓冲区4的底部设有推流泵11，靠近污水进入反应池B的入口处，可固定设置于第二隔墙18上。推流泵11可将反应池B底部进入的已曝气的污水从下向上进行缓慢搅拌推动，在远离缓冲区4的位置形成厌氧反应区5，厌氧反应区5上部设有出水口15。在此阶段，厌氧反应区5不进水、不排水。采用推流泵11，可使污水由布水器12在厌氧反应区5、缓冲区4和推流泵11组成的循环系统在反应池B内向上循环流动，使反应池B内的污泥床处于流化状态，最后在一个反应期完成后静沉一段时间，得到的净化水从反应池B上部设置的排水口15流出实现排水。当反应结束时，停止循环上流反应，反应池B进入下一周期的进水、排水阶段。

进一步地，在所述厌氧反应区5水面中上层位置设有循环泵7，该循环泵7带有射流曝气管14，靠近出水口15处，回流管10与好氧区2连通，管口置于好氧区2底部，通过循环泵7和射流曝气管14的射流曝气原理，可使反应池B内向上循环推动净化后的水流通过循环泵7和射流曝气管14组合成气水混合液经回流管10再次回到曝气池A内，曝气后的水流经好氧区2、兼氧区3重新回到反应池B内，进行多次循环净化处理。这样，可使污水中的基质与污泥接触更充分和混合更完全，有效保证净化处理品质，进一步提高净化率。

请再参见图1，本发明设计的装置中，于所述好氧区2内，还布设有生物填料8，使曝气后的污水通过所述生物填料8的初步净化后再进入兼氧区3。所述生物填料8可采用人工水草，可根据需要成行排列于好氧区2内，底部用水草支架9支撑，曝气元件16置于人工水草底部。

进一步地，所述厌氧反应区6出水口处设有溢流装置6，经处理后的水在溢流装置6处缓慢流出。

本发明装置处理的污水主要以生活污水为主，其BOD₅/CODcr值为0.5，污水具有较好的可生化性，采用二级处理工艺能满足要求。

(1)SS的去除

污水厂出水中悬浮物浓度不仅涉及到出水SS指标，出水中的BOD₅、COD_Cr、TP等指标也与之有关。因为组成出水悬浮物的主要成分是活性污泥絮体，其本身的有机成份就高，而有机物本身含磷，因此较高的出水悬浮物含量会使得出水的BOD₅、COD_Cr和TP增加。故而控制污水厂出水的SS指标是最基本的，也是很关键的。在处理方案选用恰当、工艺参数取值合理和优化单体构筑物设计的条件下，完全能够使出水SS指标满足国家标准的要求。

(2)BOD₅的去除

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。在合成代谢与分解代谢过程中，溶解性有机物(如低分子有机酸等)直接进入细胞内部被利用，而非溶解有机物则首先被吸附在微生物表面，然后被胞外酶水解后进入细胞内部被利用。由此可见，微生物的好氧代谢作用对污水中的溶解性有机物和非溶解性有机物都起作用，并且代谢产物是无害的稳定物质，因此，污水中BOD₅的去除是靠微生物的吸附作用和代谢作用，对BOD₅降解，利用BOD₅合成新细胞，然后对污泥与水进行分离，从而完成BOD₅的去除。

(3)CODcr的去除

污水中CODcr去除的原理与BOD₅基本相同。

污水厂CODcr的去除率，取决于进水的可生化性，它污水的组成有关。对于生活污水，其BOD₅/CODcr≥0.5，污水的可生化性较好，出水CODcr值可以控制在较低的水平，能够满足要求。

(4)氨氮的去除

氮是蛋白质不可缺少的组成部分，因此广泛存在于生活污水之中。在原污水中，氮以NH₄ ⁺-N及有机氮的形式存在，这两种形式的氮合在一起称之为凯氏氮，用TKN表示。而原污水中的NOx-N(包括亚硝酸盐和硝酸盐在内)含量很少，几乎为零。这些不同形式的氮统称为总氮(TN)。

氮也是构成微生物的元素之一，一部分进入细胞体内的氮将随剩余污泥—起从水中去除。这部分氮量约为所去除的BOD₅的5％，为微生物重量的12％，约占污水处理厂剩余活性污泥量的4％。

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、负荷较低、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。其反应方程式如下：

NH₄ ⁺+1.5O₂→NO₂ ^-+2H⁺+H₂O

N0₂ ^-+0.5O₂→N0₃ ^-

第一步反应靠亚硝酸菌完成，第二步反应靠硝化菌完成，总的反应为：

NH₄ ⁺+2O₂→NO₃ ^-+2H⁺+H₂O

在反应期间，在曝气池充了氧的循环污水通过布水器进入反应池底部并向上循环流动。使反应池从底向上形成好氧区、缺氧区和厌氧区，使反应器内循环着的污水周期性地处于高溶解氧、低溶解氧和厌氧环境中，整个反应器也相应形成好氧—缺氧—厌氧的交替过程。在好氧条件下，通过好氧硝化菌的作用将污水中的氨氮氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮；然后在缺氧和厌氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气(N2)，从污水中逸出。由于本发明装置的结构和独特的运行方式，其循环反应的污水在曝气池的停留时间很短，约0.5小时，而在反应池的停留时间则较长，约3小时，这样就使曝气池内的污水易发生短程硝化反应，而反应池内的污水则多发生厌氧氨氧化反应。污水去除氨氮方法主要有物理化学法和生物法两大类，在生活污水处理行业中生物法去除氨氮是主流，也是生活污水处理中经济和常用的方法。

(5)总氮的去除

废水中的氨氮经过硝化作用被氧化成硝酸盐，尽管氨氮的浓度降低，但废水中的总氮被没有降低，为降低总氮，就必须去除废水中的硝酸盐氮。目前最成熟的工艺是反硝化，即在缺氧条件下，在兼性脱氮菌(反硝化菌)的作用下，将硝酸盐氮还原成氮气逸出，从而降低废水中的总氮。以甲醇作碳源为例，其反应方程式如下：

6NO₃ ^-+2CH₃OH→6NO₂ ^-+2CO₂+4H₂O

6NO₃ ^-+3CH₃OH→3N₂+3CO₂+3H₂O+6OH^-

(6)磷的去除

本发明装置除磷的基本原理与ICEAS反应器是相同的。其装置内活性污泥中的PAO在好氧、厌氧交替条件下运行时，在好氧条件下可超出其生理需要从污水中过量摄取磷，将含磷浓度高的污泥排出即可达到除磷的目的。由于本发明装置内的剩余污泥产量少，因此只能采用生物化学除磷工艺(Phostrip工艺)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PHB(聚β羟丁酸)储存起来。当这些聚磷菌进入好氧条件下时就降解体内储存的PHB产生能量，用于细胞的合成和吸磷，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。

为达到较高的环保标准，本发明采用比较完全的污泥处理工艺，包括：好氧稳定、重力浓缩和机械脱水。

本发明装置在用于小型污水处理系统时，从经济和管理的角度出发，可采用厢式压滤机脱水的方式。

本发明装置应用于生活污水处理工艺，设计进水水量为800吨/天。原一般工程上成熟的工艺是生化法。在自然界，广泛地存活着巨量的借助有机物生活的微生物，微生物通过其本身新陈代谢的生理功能，能够氧化分解环境中的有机物，并将其转化为稳定的无机物。污水的生化法就是利用微生物的这一生理功能，并采取一定的人工技术措施，创造有利于微生物生长繁殖的良好环境，加速微生物的繁殖及新陈代谢生理功能，从而使污水中的有机物污染物得以降解，去除的污水处理技术。

本发明装置采用集成技术，设施布置紧凑，占地面积小；吨水处理占地面积≤0.5㎡。处理装置工程投资和运行管理费用较低，是城镇污水分散式处理的最佳方式。

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。

Claims (7)

1.城镇污水分散处理方法，其特征在于：采用间歇式循环上流推进方式，将污水处理的运行周期分为进水、排水阶段和反应阶段，所述进水、排水阶段是使污水进入曝气池，所述曝气池设置上部连通的好氧区和兼氧区，使污水在所述曝气池和所述反应池内进行循环反应，曝气后的污水通过所述好氧区内设置的生物填料初步净化处理后从上部进入所述兼氧区，然后从所述兼氧区底部由下向上且以上流推流的方式进入反应池，污水进入所述反应池内的上流速度低于0.5m/h；所述反应阶段是使从所述反应池底部进入的污水通过缓冲区域设置的推流泵向上循环推动，使反应池内污泥床处于流化状态；当反应结束时，停止循环上流反应，反应池进入下一周期的进水、排水阶段，且在下一阶段污水进水的同时，将上一个反应期得到的净化污水从反应池上部推出实现排水。

2.根据权利要求1所述的城镇污水分散处理方法，其特征在于：所述反应池内还设有循环系统，使反应池内净化后的水再次回流于所述曝气池内，进行多次循环净化处理。

3.一种采用权利要求1或2所述方法设计的城镇污水分散处理装置，其特征在于：包括曝气池和反应池，所述曝气池包括上部连通的好氧区和兼氧区，所述好氧区上部设有进水管，底部设有曝气元件，所述好氧区内还布设有生物填料，使曝气后的污水通过所述生物填料初步净化后进入所述兼氧区；所述反应池包括缓冲区和厌氧反应区，所述缓冲区底部设有可将污水循环上推的推流泵，所述反应池上部设有出水口，在所述反应池的底部，还设有布水管，所述布水管延伸至所述兼氧区的底部使所述反应池与所述兼氧区连通。

4.根据权利要求3所述的城镇污水分散处理装置，其特征在于：所述生物填料采用人工水草，成行排列于所述好氧区内，底部用水草支架支撑，所述曝气元件置于所述人工水草底部。

5.根据权利要求3所述的城镇污水分散处理装置，其特征在于：所述反应池水面位置且靠近出水口处还设有循环泵，通过回流管与所述好氧区连通。

6.根据权利要求5所述的城镇污水分散处理装置，其特征在于：所述循环泵带有射流曝气管，使所述反应池内向上循环推动净化后的水流通过所述循环泵和所述射流曝气管组合形成的气水混合液经所述回流管重新回到所述好氧区。

7.根据权利要求3-6任一项所述的城镇污水分散处理装置，其特征在于：所述反应池出水口处设有溢流装置。