CN105967454B - 一种用于生活污水预处理的太阳能化粪池装置及处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于生活污水预处理的太阳能化粪池装置及其处理工艺，适用于小型分散式生活污水。其中化粪池装置包括太阳能系统以及化粪池，化粪池包括由第一隔板和第二隔板分隔开的第一格室、第二格室以及第三格室，第一格室为进水格室，第二格室为过渡格室，第三格室为过滤格室；在第一格室内设置有多层加热板，在每层加热板上开设有至少一圈均布的小孔；在第三格室上设置有一第二进水管和一过滤层，所述第二进水管的入水口连接在所述第二进水口上，第二进水管的出水口位于所述过滤层的下端。本发明与传统的化粪池相比，不受环境温度影响限制，通过温度场和流场的调控增强了厌氧消化的作用，提高了微生物的降解能力及污染物的去除效率。
Description
技术领域
本发明涉及环保领域，尤其涉及一种利用太阳能的厌氧生活污水预处理装置及处理工艺。
背景技术
1.现有生活污水处理中，特别是分散式处理设施中，化粪池的使用较为常见，是一种利用沉淀和厌氧发酵的原理，去除生活污水中悬浮性有机物的预处理设施，属于初级生活处理构筑物，在城市和农村都广泛存在。
2.分散式生活污水的治理日益成为环保工作的重点。目前集中式的生活污水处理工艺复杂、反应流程长、操作复杂、能耗偏高，不适合用来处理广大农村等地区的分散式生活污水。
3.现有的化粪池虽然可以对这种分散的生活污水进行处理，但处理效果不佳，增加了后续处理的难度和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种易于改造、成本低且处理效果好的一种用于生活污水预处理的太阳能化粪池装置及处理工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于生活污水预处理的太阳能化粪池装置，包括太阳能系统以及化粪池，其特征在于：所述化粪池包括由第一隔板和第二隔板分隔开的第一格室、第二格室以及第三格室，其中第一隔板位于第一格室和第二格室之间，第二隔板位于第二格室和第三格室之间，所述第一格室为进水格室，第二格室为过渡格室，第三格室为过滤格室；在所述第一格室内靠近第二格室的一侧沿高度方向设置有多层加热板，在每层加热板上开设有至少一圈小孔，所述太阳能系统通过一温控开关与所述加热板电连接，在所述第一格室内远离第二格室的一侧设置有一底部进水管；在所述第一隔板的上端设置有将第一格室和第二格室连通的第一进水口，在所述第二格室内设置有一导流板，在所述第二隔板的上端设置有将第二格室和第三格室连通的第二进水口，在所述第三格栅上设置有一进水管和一过滤层，所述进水管的入水口连接在所述第二进水口上，所述进水管的出水口位于所述过滤层的下端。
所述第一格室占所述化粪池总容积50％～60％，第二格室占总容积20％～30％，第三格室占总容积20％～30％。第一格室作为进水格室要起到静置调节和预热的作用，其体积占比要大于后两格，在污水量不大时(小于10m3/天)适用于十几户生活污水预处理时宜采用上述体积比。
所述加热板为圆形孔板，圆形孔板直径接近第一反应格室的宽度。等周长下圆形孔板接触面积大，通过圆型孔板传热效果更好，且圆形板面上能够以圆盘为中心形成一个沿着圆面径向分布的温度梯度场。作为热源体的孔板能够吸附污水中的有机质，孔板上负载有微生物，在圆形孔板上能够形成一个大分子吸附，微生物降解吸收，孔板再吸附这样一个循环的过程。
加热板上小孔的孔径大小为20mm-30mm，孔板厚度5-10mm；所述加热板之间的间距在60mm-100mm，所述加热板孔口上下对齐保持开孔孔径在一条线上。水流经过孔板时能形成湍流，水力实验证明加热板孔径在20mm-30mm的范围内，孔板间距在60-100mm时能使污水穿过孔板上的小孔形成较强湍流。无开孔或孔板开孔孔径过大时水力死区较大，水流状态不加。孔板之间间距过小，湍流面域小，小孔对水流起到的剪切作用不完整，垂直面上的湍流路径过短；而孔板间距过大，一条轴线上的开孔对水流的剪切难以衔接，垂直方向上难以形成较长的湍流路径。与此同时当孔板作为热传质其垂直方向上形成的温度场对水流状态起到促进作用，进一步增强了湍流强度。孔板传热形成的温度场有利于产甲烷菌的生长，使产甲烷菌成为优势菌种，并提高了产甲烷菌的生物反应速率；根据厌氧消化反应理论，混合和搅拌是影响厌氧消化反应的一个重要因素，湍流的强度的增加，无需额外增加搅拌器而使污水的反混程度提高，有利于污水中的基质与微生物发生传质作用，有助于厌氧消化反应的进行。在上述二者协同作用下的极大促进了污水中BOD和硝态氮的降解。
第一进水管距第一格室底部的距离应占第一格室高度的四分之一到三分之一，进水端末端呈弧形，且弧度角介于30°-60°之间。进水管的延伸能改变流态，将传统化粪池的水平流变为垂直上升流，增强了污水在第一格室内部与底部污泥之间的接触，从而使孔板的设置在垂直方向上能起到对水流的优化作用。进水口距底部保持一定的距离且进水口末端呈弧形可防止污水中涌入大量的悬浮物在进水口下方过度积累造成堵塞。
所述第一进水管与加热板之间的间距在200mm-300mm。进水管与加热板之间的保持200mm-300mm间距，能使水流在内部流动通过传热孔板时形成较强的湍流，减小第一格室内的水力死区体积，增强基质与微生物之间的传质过程，有利于有机污染物的降解。
所述加热板设置的数量与反应器高度成正比。加热孔板在轴向上均匀分布，加热板的实际数量增加根据第一格室高度而定，有利于对污水进行更好的预热。每日污水量在10m3以下时，设置三个加热板。
所述过滤层为陶粒填料层。
所述导流板为一将所述第二格室划分为下流区和上流区的折流板。
所述太阳能系统包括太阳能电池板、太阳能蓄电池、外电路、温控开关以及能够导热的孔板。本发明化粪池从左到右被隔板分成三个格室。第一个格室内部左侧为进水设置管，靠近右侧设置孔板，孔板直接外连太阳能装置，与外电路构成回路，外设温控开关，通过孔板把电能转化为内能，通过圆盘外表面与污水进行大面积的接触预热；第二格室内设置折流板将格室分为上流区和下流区，延长污水流动路径从而增加污水与污泥之间的接触；第三格内设置陶粒填料，通过L型过水管在底部均匀布水后，使水流污水经过陶粒填料层，达到去除部分氨氮，总磷的效果。
一种用于生活污水预处理的的处理工艺，包括如下步骤：
1)生活污水进入化粪池的第一格室，通过第一进水管的延伸使其内部流态由传统的水平流变为垂直上升流；通过太阳能外电路装置与内部的加热板形成回路，在具有小孔的加热板上形成一个均匀分布的用以预热污水的温度梯度场；同时设置孔板的区域在垂直方向上形成的温度场对水流起到了加强作用，孔板本身对水流起到剪切作用，在小孔的导流作用下水流沿着孔板上的小孔流动，垂直方向温度梯度场的存在进一步加强了孔板间的湍流，使水流在轴向上反混程度增加，使污水中基质与微生物之间的传质作用加强，有利于第一格室内的厌氧消化反应的进行，实现对有机污染物质的降解能力的提升；
2)生活污水经第一进水孔流入第二格室，经过折流板的引流，折流板左侧为下流区域，右侧为上流区域。折流板的设置一定程度上减小了第二格室的水力死区，在第一格室后，为预热后污水的提供一个污水与污泥之间的接触场所，对部分硝态氮起到去除作用；
折流板的设置，使第二格室内形成了良好的水利混合条件，上下流区域分布不同的菌种，下流区域主要发生产酸反应，上流区域适宜产脱氮菌以及产甲烷菌的生长；进一步实现有机物质及硝态氮的去除。
3)生活污水经第二进水孔进入第三格室，通过陶粒填料的过滤层，使污水中不易在厌氧条件下去除的氨氮、总磷得到一定程度的削减。
从整个化粪池来看，厌氧第一格室、缺氧沉淀第二格室、厌氧过滤第三格室构成的组合，相较于传统化粪池，在第一格室内通过孔板的设置和孔板传热优化了内部水流状态，增强了污水中基质与微生物的传质作用，保持在适宜的中温厌氧或者高温厌氧条件下，适宜产甲烷菌和和脱氮菌的生长，BOD和总氮的去除率均有提升；第二格室的设置为预热后污水的提供一个与污泥接触的反应场所，折流板的设置，使第二格室内形成了良好的水利混合条件，上下流区域分布不同的菌种，下流区域主要发生产酸反应，上流区域适宜产脱氮菌以及产甲烷菌的生长；在缺氧条件下能够进一步实现对水中的有机物质包括总氮的降解；第三格室为厌氧过滤格式通过陶粒填料的吸附和过滤对氮磷起到进一步的去除作用。
所述加热板，开孔均匀，开孔孔径20mm-30mm，孔板之间的间距在60mm左右，进水口距孔板距离在200mm-300mm，实验表明在这个条件下，孔板间能够形成较强的湍流，增强了污水中基质与微生物之间的传质作用，且整个反应器第一格室内部死区占比面积最小，仅为6％左右。不设置孔板时或当孔径大于30mm时第一格室内水力死区占比达到了15％-25％。
所述化粪池第一格内加热孔板通过外接电路与太阳能电池板连接，通过温控开关对污水的预热，使温度调节范围能达到20℃-60℃，在加热孔板表面上形成径向温度场的分布，将温度场控制在高温厌氧消化(50℃-53℃)或者中温厌氧消化(30℃-36℃)的范围内。同时设置孔板的区域在垂直方向上也形成一个温度场对水流起到了加强作用，孔板本身对水流起到剪切作用，在小孔的导流作用下水流沿着孔板上的小孔流动，垂直方向温度场的存在进一步加强了孔板间的湍流，使水流在轴向上反混程度增加，使污水中基质与微生物之间的传质作用加强。上述条件下适宜产甲烷菌跟脱氮菌的生长，其生物的反应速率增加，有利于有机物质的降解，达到水质净化的目的。
太阳能电池板是将光能转化成电能储存起来，再将电能运用。目前成品的太阳能集热器、太阳能加热装置等已经在污水处理工艺当中得以应用，这种节省能耗无需外在驱动力且减少人工管理的太阳能装置适用于农村地区分散式的生活污水处理。
厌氧生物在处理的低浓度生活污水时，对温度较为敏感。温度会影响微生物的活性、对污水的处理效率也有很大影响。当温度低于20℃时，有机物的水解会受到抑制，尤其可溶性有机物的降解会受到影响；当温度低于7℃—13℃时，厌氧反应器可能无法正常启动。经过太阳能预热的污水，可以使水温达到20℃以上，确保厌氧反应的正常进行。
本发明充分应用太阳能转化为热能的原理，利用现有成熟的太阳能板及太阳能蓄电池装置收集能量供热，应用于生活污水的处理，无需外加动力、无需专人管理、尤其适用于农村地区的分散式生活污水处理。本发明与传统的生活污水处理装置相比，不受环境温度影响限制，通过温度场和流场的调控增强了厌氧消化的作用，提高了微生物的降解能力及污染物的去除效率。
附图说明
图1为发明太阳能化粪池装置的示意图；
图2是第一格室内传热孔板的截面图；
图3是第一格室内传热孔板的温度场分布图；
图4孔径大小与整个反应器的死区体积的关系示意图；
图5为第一格室内设置孔板未加热时的流速分布图，图中左侧为流速区间与灰度的对应关系；
图6为第一格室内设置孔板加热时的流速分布图，图中左侧为流速区间与灰度的对应关系；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一格室，2、第二格室，3、第三格室，4、太阳能装置，5、进水管，6、孔板，7、折流板，8、陶粒填料层，9、L型连接管，10、过水口，11、温控开关，12、出水管。
具体实施方式
为使对发明的结构特征及功效有更进一步的了解和认识，用实施例以及结合下面的附图进行详细说明。
如图1所示，一种用于生活污水预处理的太阳能化粪池装置，包括太阳能系统和化粪池，在化粪池内部设有多个隔板，将化粪池分为多个格室。最左侧的第一格室1、位于中间的第二格室2和最右侧的第三格室3，其中第一格室1为进水格室，第二格室2为过渡格室，第三格室为过滤格室。
第一格室1体积最大，内置可传热的孔板保证厌氧消化所需要的适宜温度，在第一格室1内形成中温厌氧消化或者高温厌氧消化降解大分子有机物；第二格室2通过折流板延长了水流路径加大了污水与污泥之间的接触与反应；第三格室3通过陶粒滤料对总氮以及总磷起到去除效果。
化粪池内的分隔板上设有过水孔或者L型过水管联通相邻格室。第一格室1通过进水管5与外界联通，第一格室1与第二格室2通过水口连通，第二格室2与第三格室3之间的隔板上设有L型过水管9进行连通。
第一格室1内进水管道5向下延伸尾端有一定弧度，靠近第一格室左壁；第一格室右侧内设置加热板，加热板优选圆形的孔板6，靠近第一格室右测，孔板6通过立柱固定。孔板外连太阳能系统4，对污水起到预热作用。
附图2和附图3是第一格室内孔板的截面图和其温度场分布图，孔板6开孔均匀，开孔孔径20mm-30mm，孔板之间的间距在60mm左右。孔板上由中心向边缘形成一个由高到底的温度场，圆形孔板的横截面能够间接的将热量传递给污水，孔板与污水之间接触面积大，能实现均匀传热，通过温控开关使其控制在中温厌氧消化(30℃-36℃)或者高温厌氧消化(50℃-53℃)的范围内，孔板的大小要适宜反应器本身的大小并保持与进水管之间保持200mm-300mm的间距。
附图4是实验所得的数据，随着传热圆形孔板上开孔孔径的变化，反应器内的死区体积占比也随之变化，可以看出随着孔径的增大死区占比呈现上升的趋势，此时反应器内随着孔径增大水流状态由反混流向平推流靠近，返混程度减小，在图4中可以看出来，孔径大小维持在20-30mm左右整个第一格室的死区体积最小，仅为6％左右，第一格室利用率最高。不设置孔板时或当孔径大于30mm时第一格室内水力死区占比达到了15％-25％。
附图5是第一格室内设置孔板但未加热时的水流状态流速分布图，通过软件fluent对设定好的实验参数等进行软件模拟，孔板孔径为20mm，孔板与进水管的间距为200mm，可以看到反应器内各点流速在0-0.017m/s范围内，且流速相对均匀分布，流速分布图上在开孔处颜色较深，尤其在下部两个孔板的开孔处颜色较深流速在0.015m/s，在水流在经过孔板时其流速有着较大的提升，表明在设置孔板的区域，水流的湍流作用得到了加强，增加了污水内基质与微生物之间的传质作用，从而达到有机物的降解作用。
附图6是第一格室设置孔板并利用孔板传热时的流速分布图，可以看到对比图5，在利用孔板传热后，孔板之间的水流其湍流程度有着较明显的加强。流速图上水流在开孔处附近颜色较深、流速较大，且流线延长贯穿纵向上的三个孔口。相较于图5，湍流作用在加热条件下有了明显提升，能够进一步增强污水中基质与微生物之间的传质作用，从而进一步提高有机污染物的去除率。
第二格室2内设置有折流板7，使第二格室分为下流上流两个区域，水流在其中下上迂回流动，第二格室右侧隔板上接L型过水管引流到第三格室的底部均匀布水。
第三格室3内中部设置填料层，L型进水管9进水口与第二格室2相连通，L型进水管9的出水口位于填料层的下端，使第三格室3底部能够均匀进水后通过填料层。
孔板6连接外置太阳能系统4，通过太阳能系统收集能量置于太阳能电池板中，通过外电路连接内部的孔板6，在化粪池第一格室内的孔板的表面形成温度场，通过污水与圆盘面的接触对污水起到预热作用。
实施例
运用本发明预处理装置处理苏南地区某农村生活污水，水量为4.5m3/d，污水在化粪池内第一格水力停留时间为24h。该废水进入化粪池进行预处理，化粪池的有效体积为5.2m3；第一格室的容积1.65×1.32×1.20(长宽高，单位：米)，第二、三格室的容积为0.825×1.32×1.20(长宽高，单位：米)。化粪池第一格室内进水管距底部500mm，加热圆盘的直径为600mm，开孔孔径为20mm，设置三块加热板，加热孔板之间的距离为60mm，进水管与加热板之间的距离为200mm。
根据预热的水温水量以及时间的计算，太阳能电池板所能提供的功率要在13.4kw以上，使污水在化粪池内处于中、高温厌氧反应状态，处理后的水质数据见下表。
表1孔板加热与不加热第一格室出水对比
| 指标 | 原水 | 设孔板第一格室出水 | 孔板加热第一格室出水 |
| 总氮(mg/L) | 73.8 | 62.3 | 52.2 |
| COD(mg/L) | 390 | 177 | 130 |
| BOD(mg/L) | 188 | 121 | 87 |
表2是采用本发明工艺下三格室的出水水质
| 指标 | 原水 | 第一格室出水 | 第二格室出水 | 第三格室出水 |
| 总氮(mg/L) | 73.8 | 52.2 | 49.3 | 40.2 |
| COD(mg/L) | 390 | 130 | 97 | 69 |
| BOD(mg/L) | 188 | 87 | 42 | 28 |
COD原水为390mg/L时，孔板加热时其COD，BOD，总氮的去除率均有较为明显的提高，COD去除率提升了12.1％，BOD去除率提升了18.1％，总氮去除率提升了13.6％
在化粪池正常运行下；其COD去除率达到了82.5％；总氮去除率达到了45％，BOD去除率达到了85.1％，最终出水，COD符合国家一级排放标准；BOD符合国家二级排放标准，总氮的去除率也有了较大提升，作为一个生活污水的预处理装置，为后处理装置减轻了负担与能耗。
Claims (10)
1.一种用于生活污水预处理的太阳能化粪池装置，包括太阳能系统以及化粪池，其特征在于：所述化粪池包括由第一隔板和第二隔板分隔开的第一格室、第二格室以及第三格室，其中第一隔板位于第一格室和第二格室之间，第二隔板位于第二格室和第三格室之间，所述第一格室为进水格室，第二格室为过渡格室，第三格室为过滤格室；在所述第一格室内靠近第二格室的一侧沿高度方向设置有多层加热板，在每层加热板上开设有至少一圈均布的小孔，所述太阳能系统通过一温控开关与所述加热板电连接，在所述第一格室内远离第二格室的一侧设置有一底部进水的第一进水管；在所述第一隔板的上端设置有将第一格室和第二格室连通的第一进水口，在所述第二格室内设置有一导流板，在所述第二隔板的上端设置有将第二格室和第三格室连通的第二进水口，在所述第三格室上设置有一第二进水管和一过滤层，所述第二进水管的入水口连接在所述第二进水口上，所述第二进水管的出水口位于所述过滤层的下端。
2.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于：所述第一格室占所述化粪池总容积50%~60%，第二格室占总容积20%~30%，第三格室占总容积20%~30%。
3.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于：所述加热板为圆形孔板，圆形孔板直径接近第一反应格室的宽度。
4.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于：加热板上小孔的孔径大小为20mm-30mm，孔板厚度5-10mm；所述加热板之间的间距在60mm-100mm，所述加热板孔口上下对齐保持开孔孔径在一条线上。
5.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于，第一进水管距第一格室底部的距离应占第一格室高度的四分之一到三分之一，进水端末端呈弧形，且弧度角介于30°-60°之间。
6.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于：所述第一进水管与加热板之间的间距在200mm-300mm。
7.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于：所述加热板设置的数量与反应器高度成正比。
8.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于：所述过滤层为陶粒填料层。
9.根据权利要求1所述的太阳能化粪池装置，其特征在于：所述导流板为一将所述第二格室划分为下流区和上流区的折流板。
10.一种基于权利要求1至9任一所述太阳能化粪池装置的处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)生活污水进入化粪池的第一格室，通过第一进水管的延伸使其内部流态由传统的水平流变为垂直上升流；通过太阳能外电路装置与内部的加热板形成回路，在具有小孔的加热板上形成一个均匀分布的用以预热污水的温度梯度场，通过温控开关对污水预热，使温度调节范围达到20℃-60℃ ，在加热孔板表面上形成径向温度场的分布，将温度场控制在温度为50℃-53℃的高温厌氧消化或者温度为30℃-36℃的中温厌氧消化范围内；同时多层加热板在垂直面上形成一个在垂直方向上对水流运动起到加强作用的垂直温度梯度场；
2)生活污水经第一进水口流入第二格室，经过折流板的引流，折流板左侧为下流区域，右侧为上流区域；折流板的设置一定程度上减小了第二格室的水力死区，在第一格室后，为预热后污水的提供一个污水与污泥之间的接触场所，对部分硝态氮起到去除作用；
3)生活污水经第二进水口进入第三格室，通过陶粒填料的过滤层，使污水中不易在厌氧条件下去除的氨氮、总磷得到一定程度的削减。
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