CN106865916A - 一种有机污水处理设备及其处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机污水处理设备，及运用该处理设备处理黑臭水体的方法，所述有机污水处理设备包括预处理系统、第一换热器、冰冻分离系统、生物处理系统和热泵系统，预处理系统与第一换热器连接，第一换热器通过热泵系统的蒸发器与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器和生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器和生物处理系统的清水出口连接。本发明公开的设备及其处理方法巧妙的将冷冻法与生物法相互结合、可将黑臭水体变废为宝，将黑臭水体治理变成盈利。

Description

一种有机污水处理设备及其处理方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种有机污水处理设备及其处理方法。
背景技术
各城市的形成基本都是倚河而建，城市中心区大部分又是处在河流两岸。各条河涌流经城市中心区再流向主河流。但随着城市的规模不断扩大，城市人口急剧增加，大量生活污水、工业废水未经处理排入河涌。污染物数量远超过河涌自洁能力时，就形成了黑臭水体。根据中国2222个监测站的统计，在138个城市河段中，超过Ⅴ类水质的占到38％，已成为中国水环境污染中的重灾区。而在我国的大城市黑臭水体更加严重，比如广州市53条监控的河涌中，超过Ⅴ类水质的占到80％～90％。城市黑臭水体损害居民健康，影响城市美观，破坏生态系统，是中国治理水污染问题的最重点部分。
这些黑臭水体的形成主要是两方面：1、有机物(COD)、氨氮、总磷负荷过大，远超过河涌自洁能力；2、底部淤泥的再悬浮。所以黑臭水体的处理主要就是去除污水中的有机物、氨氮和总磷，和去除底部淤泥。现有的河涌整治主要是3方面：1、挖除河底淤泥；2、新建截污工程；3、引水冲洗。上述3方面的整治工程浩大，对周边城市生活、交通影响严重，耗资巨大。2014年，广州市只是对于车陂涌一条河涌整治就投入了8亿元人民币，新建污水管道32公里，河涌清淤30公里，但至2017年初，水质仍为劣Ⅴ类。投资巨大，治理过程对城市负面影响严重，但收效却很不理想。主要原因是车陂涌沿线9个城中村，无法实行拆迁改造建设截污管道。
黑臭水体虽然危害大，但同时也能变废为宝。水体可以作为水源热泵的冷量来源供建筑空调制冷，有机物可以经厌氧反应产生沼气，水经处理后可用于城市绿化、湖体补水、清洗路面等用途。本发明的目的是寻找一种投资小，有常效治理效果，运行成本低的黑臭水体治理技术，将黑臭水体变废为宝，解决我国黑臭水体治理的难题。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的技术问题，提供一种有机污水处理设备及其应用有机处理设备处理黑臭水体的方法。该设备及其处理方法巧妙的将冷冻法与生物法相互结合、可将黑臭水体变废为宝，将黑臭水体治理变成盈利。
本发明通过以下技术方案实现：
一种有机污水处理设备，所述有机污水处理设备包括预处理系统、第一换热器、冰冻分离系统、生物处理系统和热泵系统，预处理系统与第一换热器连接，第一换热器通过热泵系统的蒸发器与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器和生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器和生物处理系统的清水出口连接。
优选地，所述生物处理系统包括厌氧生物处理系统、第二换热器和好氧生物处理系统，所述第一换热器通过所述热泵系统的蒸发器与所述冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器、热泵系统的辅助冷凝器和厌氧生物处理系统连接，厌氧生物处理系统通过第二换热器与好氧生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器、第二换热器与好氧生物处理系统的清水出口连接。
热泵系统的蒸发器给冰冻分离系统提供冰冻处理需要的冷源，同时在热泵系统的辅助冷凝器给厌氧生物处理系统提供中高温厌氧处理需要的热源；冰冻分离系统为厌氧生物处理系统提拱适合厌氧处理的高浓度有机污水，同时为好氧生物处理系统提供将中高温厌氧出水降温到适合好氧处理温度的冷源；厌氧生物处理系统为好氧生物处理系统提供适合好氧处理的低浓度有机污水，同时将好氧生物处理系统产生的剩余污泥消化。
优选地，所述热泵系统包括通依次连接的压缩机、辅助冷凝器、冷凝器、节流阀和蒸发器，所述冰冻分离系统包括依次连接的所述蒸发器、制冰箱和蓄冰箱，制冰箱的低温浓缩污水出口通过所述第一换热器、辅助冷凝器和所述厌氧生物处理系统连接，蓄冰箱与空调冷冻水系统连接并与空调冷冻水系统的冷冻水热交换，蓄冰箱的低温清水出口通过冷凝器、所述第二换热器与所述好氧生物处理系统的出口连接。
优选地，所述预处理系统包括第一预处理系统，第一预处理系统包括第一粗格栅、气浮池和第一细格网，气浮池的浮渣出口与所述厌氧生物处理系统连接。
优选地，所述所述预处理系统还包括第二预处理系统，第二预处理系统包括第二粗格栅、沉砂池和第二细格网，第二细格网的污泥出口与所述厌氧生物处理系统连接。
优选地，所述厌氧生物处理系统包括依次连接的混合器、所述辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器，以及用于收集两个厌氧反应器所产生沼气的沼气储罐；所述好氧生物处理系统包括依次连接的好氧反应器和沉淀池；所述冰冻分离系统的低温浓缩污水出口依次通过所述第一换热器、混合器、辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器、所述第二换热器、好氧反应器和沉淀池连接。
一种有机污水处理设备处理黑臭水体的方法，所述处理方法包括以下步骤，
第一步:河涌污水先经预处理系统预处理后进入冰冻分离系统处理，冰冻分离系统冰冻处理包括以下步骤；
污水原水经过第一换热器降温，将污水原水用热泵系统的蒸发器进行冰冻处理再送入制冰箱，在制冰箱上部冰冻结晶部分形成具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未结晶部分形成低温浓缩污水；将制冰箱上部冰粉送入储冰箱，储冰箱中的冰粉经热泵系统的冷凝器加热成常温清水；
第二步:冰冻分离系统冰冻处理完进入厌氧生物处理系统，厌氧生物处理系统厌氧处理包括以下步骤；
将第一步制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水，常温浓缩污水由第一步热泵系统的辅助冷凝器产生的热量加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入中高温厌氧反应器处理；将厌氧处理完成的厌氧出水排出，将厌氧反应产生的沼气收集；
第三步：厌氧生物处理系统厌氧处理完后进入好氧生物处理系统，好氧生物处理系统好氧处理包括以下步骤；
将第二步厌氧处理产生的厌氧出水，经第一步热泵系统的冷凝器加热成的常温清水在第二换热器中换热降温成好氧生物处理需要的29℃～31℃，再送入好氧反应器处理进一步降低有机物，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，下部排出剩余污泥；
第四步：排出
将第三步沉淀池排出的清水，与第一步冷凝器加热后与厌氧出水换热后的清水混合排出处理器。
优选地，当处理站离居民楼太近，沼气储罐存在安全隐患时，或者处理低浓度有机废水时，所述的制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水后，直接送入好氧反应器处理，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，排出的清水与所述冰粉经冷凝器加热形成的常温清水混合排出处理站。
优选地，所述第一预处理系统包括第一预处理系统和第二预处理系统；
第一预处理系统预处理包括以下步骤：
为提高冰冻结晶提纯水的效果，减少轻质杂质混杂在冰中，污水原水在冰冻前，将污水原水经过第一粗格栅隔渣后，污水原水经气浮池处理，将污水原水中轻质易浮颗粒形成水面浮渣层，将浮渣刮出，送入中高温厌氧反应器处理，气浮池处理后的污水再第一细格网过滤，再经过第一换热器降温；
第二预处理系统预处理包括以下步骤：
将河涌污泥经过设有第二粗格栅的吸泥口吸入处理站，河涌污泥经沉砂池处理，第二细格网过滤，第二细格网过滤的污泥送入中高温厌氧反应器处理。
优选地，所述第一步冰冻处理具体包括以下步骤：
污水经第一换热器降温再进入热泵系统的蒸发器降温成-2℃～-3℃的过冷污水，过冷污水送入制冰箱，经超声波促晶作用，在制冰箱上部污水快速冰冻结晶形成细小的具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未冻结的污水被浓缩形成低温浓缩污水，将制冰箱上部冰粉刮出制冰箱，送入蓄冰箱；在蓄冰箱里，冰粉与空调冷冻水系统的冷冻水换热，冰粉则被融化成低温清水，低温清水再与热泵系统的冷凝器换热，变为常温清水；
所述第二步厌氧生物处理还包括如下步骤；所述气浮池的浮渣和第二细格网过滤的污泥混合与常温浓缩污水一同送入混合器，使污水中COD达到厌氧生物处理的适合浓度后，由第一步热泵系统的辅助冷凝器加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入产酸发酵厌氧反应器进行产酸发酵，产酸发酵后35～36℃℃的出水送入产甲烷厌氧反应器进行产甲烷反应，经产甲烷反应，80％～85％的有机物转化成沼气，将产酸发酵厌氧反应器和产甲烷厌氧反应器产生的沼气收集入沼气储罐，产甲烷反应后排出厌氧出水；
所述第三步好氧生物处理具体包括以下步骤：
厌氧出水经过第二换热器与第一步冰冻处理产生的常温清水进行换热，厌氧出水降温为29℃～31℃，然后送入A/O好氧反应器进行好氧生物反应后，再送入沉淀池去除悬浮物，沉淀池底部产生的剩余污泥定期排出，沉淀池的上部出水；沉淀池下部排出的剩余污泥，一部分剩余污泥回流到中高温厌氧反应器进行厌氧消化，一部分剩余污泥回流到A/O好氧反应器脱氮除磷，一部分剩余污泥外排。
优选地，处理站附近有生活热水需求时，厌氧反应器由厌氧反应产生的沼气燃烧加热保持54℃～57℃进行高温厌氧处理，高温厌氧处理后排出的53℃～55℃的厌氧出水，先作为热源加热自来水供给周边建筑作为生活热水，厌氧出水经自来水换热降温到31℃～32℃，然后再送入A/O好氧反应器处理。
二、本技术的特点。
1、厌氧生物法处理生活污水，能将大部分(85％左右)有机物转化成沼气。COD含量为1kg/m3的污水，可转化为1～1.5m3体积的沼气。沼气中甲烷含量为60％～75％。广州市工商业天然气价格为4.85元/m3。天然气平均甲烷含量为90％，则沼气售价可为3.5元/m3。采用厌氧+好氧的污水处理工艺，小型污水厂处理生活污水的直接成本(不含初期投资及折旧费)大概为0.8元/m3。所以厌氧生物法处理生活污水的运行利润率超过300％，利润可观。另外去除1kg的COD，好氧生物处理大约需消耗0.5～1.0kWh电能，而厌氧生物处理产生的沼气发电大约能产生3.5kWh电能。
反应温度在35℃的中高温厌氧生物处理法是反应温度在25℃的常温厌氧生物处理法处理负荷的2倍。反应温度在55℃的高温厌氧生物处理法是反应温度在35℃的中温厌氧生物处理法处理负荷的1倍。
但厌氧生物法处理生活污水存在的问题，限制了它在生活污水处理领域的应用，主要是：(1)、厌氧生物法需要足够高的有机物浓度才用有理想的处理效果，一般要求COD浓度在1000mg/L以上，市政生活污水的COD浓度一般在200～400mg/L不适合厌氧生物法处理，城市中心区黑臭河涌污水的COD浓度一般在20～120mg/L更不适合厌氧生物法处理。(2)、厌氧生物法的最佳反应温度为35℃和55℃，需要加温耗能。(3)、厌氧生物法对有机物降解不彻底，出水有机物含量一般达不到排放标准，厌氧处理后仍需进行好氧处理，但好氧处理的最佳反应温度为25℃～30℃，厌氧处理后的出水需要降温才能进入好氧处理器。
冰冻法与厌氧生物法结合的有机污水处理方法，恰好能解决厌氧生物法应用的主要问题。(1)、冰冻法将污水冰冻结晶提纯清水的同时，将污水进行了浓缩成高浓度污水，有利于厌氧生物处理。(2)、冰冻法在热泵系统的蒸发器一端将污水降到零度以下冰冻，同时在冷凝器一端会产生超过40℃的热量，能将要处理的污水加热到中高温厌氧生物法需要的35℃。(3)、冰融化后形成的清水可以将厌氧生物处理后35℃的厌氧出水降温到好氧生物法需要的25℃～30℃。(4)、冰冻法结晶提纯的清水，可与好氧生物法处理后的出水混合，进一步降低好氧出水有机物浓度。
2、城市黑臭水体均处在城市中心区，冰冻法产生的冰，能提供给周边公共建筑空调系统作为冷源产生收益。冰冻法处理污水，虽然增加了处理成本，但收益大于成本，反而产生了利润。冰冻法结晶提纯形成的冰粉，杂质含量低，也可部分销售作为冰鲜用冰，收益大于作为冷媒用途。
冰冻法处理污水的过程，实质就是个冰蓄冷水源热泵系统。(1)、水源热泵是目前空调系统中能效比(COP值)最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。因为夏季水体温度比空气温度低，与空气源热泵相比，其运行效率要高出20～30％，运行费用仅为普通中央空调的60～80％。(2)、冰蓄冷中央空调热泵系统，因为可利用电网的错峰电价的波谷电费发电，运行费用只是普通中央空调系统的55％～60％。综合来说，冰蓄冷水源热泵中央空调热泵系统的运行成本只是普通中央空调系统的40％～55％，收益率高。
3、常规污水处理采用好氧生物处理法去除有机物，本发明对有机物主要是采用厌氧生物法，大部分(85％)有机物转化成沼气，剩余污泥量少。而本发明好氧后沉淀池排出的剩余污泥，又送入厌氧生物反应器进行消化，实际排出剩余污泥量很少。剩余污泥量仅为常规生活污水处理厂好氧处理的2％～3％。大大减少了剩余污泥带来的二次污染和污泥处理成本。
4、常规污水处理采用好氧生物处理法去除有机物，本发明对有机物主要是采用中高温厌氧生物法去除有机物。中高温厌氧生物法的有机物容积负荷可以达到好氧生物处理法的12倍以上，也就意味着中高温厌氧处理器所占空间是常规好氧生物处理法的1/10。加上本发明中的冷冻分离系统、厌氧生物处理系统、好氧生物处理系统所占面积，本发明的设备所用空间仅为相同处理规模常规污水处理站的1/5。在现在城市土地寸土寸金的情况下，经济意义重大。
5、这种技术的实质，是解决黑臭水体产生的根源：污染物数量远超过河涌自洁能力。本设备人工的产生水体自洁能力，消耗过量的有机物、氮、磷。这种处理技术，不用挖泥，不用引水，甚至没必要新建截污管网。相对于现有的黑臭水体治理方式，投入少很多。本技术处理河涌污水的同时处理河底污泥，对河涌整治彻底。10：1的水泥处理比例，与河涌实际水泥比例相近。
附图说明
图1为本发明的处理站平面示意图；
图2为本发明的处理站处河涌剖面示意图；
图3为本发明的处理黑臭水体无厌氧流程原理图；
图4为本发明的夏季工况处理黑臭水体流程原理图；
其中：1-处理站，11-主要生活污水排放点，12-拦渣粗格栅，13-河涌，14-拦泥坝，15-吸泥管，16-吸泥支管，17-吸水管，18-排水管，19-吸水口，110-排水口，20-吸水泵，21-气浮池，22-浮渣，23-第一细格网，24-第一换热器，25-蒸发器，26-冰晶传导阻断器，27-超声波发生器，28-制冰箱，29-蓄冰箱，210-空调冷冻水系统，211-压缩机，212-冷凝器，213-节流阀，214-取泥口，215-吸泥泵，216-沉砂池，217-第二细格网，218-混合器，219-辅助冷凝器，220-产酸发酵厌氧反应器，221-产甲烷厌氧反应器，222-沼气储罐，223-第二换热器，224-好氧反应器，225-沉淀池，226-循环泵。
具体实施方式
如图1至4所示，一种有机污水处理设备，包括预处理系统、第一换热器24、冰冻分离系统、生物处理系统和热泵系统，预处理系统与第一换热器24连接，第一换热器24通过热泵系统的蒸发器25与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器24和生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器212和生物处理系统的清水出口连接。
优选地，生物处理系统包括厌氧生物处理系统、第二换热器223和好氧生物处理系统，第一换热器24通过热泵系统的蒸发器25与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器24、热泵系统的辅助冷凝器219和厌氧生物处理系统连接，厌氧生物处理系统通过第二换热器223与好氧生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器212、第二换热器223与好氧生物处理系统的清水出口连接。
热泵系统的蒸发器25给冰冻分离系统提供冰冻处理需要的冷源，同时在热泵系统的辅助冷凝器219给厌氧生物处理系统提供中高温厌氧处理需要的热源；冰冻分离系统为厌氧生物处理系统提拱适合厌氧处理的高浓度有机污水，同时为好氧生物处理系统提供将中高温厌氧出水降温到适合好氧处理温度的冷源；厌氧生物处理系统为好氧生物处理系统提供适合好氧处理的低浓度有机污水，同时将好氧生物处理系统产生的剩余污泥消化。
优选地，热泵系统包括依次连接的压缩机211、辅助冷凝器219、冷凝器212、节流阀213和蒸发器25，冰冻分离系统包括依次连接的蒸发器25、制冰箱28和蓄冰箱29，制冰箱28的低温浓缩污水通过第一换热器24、辅助冷凝器219和厌氧生物处理系统连接，蓄冰箱29与空调冷冻水系统210连接并与空调冷冻水系统210的冷冻水热交换，蓄冰箱29的低温清水出口通过冷凝器212、第二换热器223与好氧生物处理系统的清水出口连接。
优选地，预处理系统包括第一预处理系统，第一预处理系统包括第一粗格栅、气浮池21和第一细格网23；气浮池21的浮渣出口与厌氧生物处理系统连接。
优选地，预处理系统还包括第二预处理系统，第二预处理系统包括第二粗格栅、沉砂池216和第二细格网217，第二细格网217的污泥出口与厌氧生物处理系统连接。
优选地，厌氧生物处理系统包括依次连接的混合器218、辅助冷凝器219、产酸发酵厌氧反应器220、产甲烷厌氧反应器221，以及用于收集两个厌氧反应器所产生沼气的沼气储罐222；好氧生物处理系统包括依次连接的好氧反应器224和沉淀池225，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口依次通过第一换热器24、混合器28、辅助冷凝器219、产酸发酵厌氧反应器220、产甲烷厌氧反应器221、第二换热器223、好氧反应器224和沉淀池225连接。
一种有机污水处理设备处理黑臭水体的方法，处理方法包括以下步骤，
第一步:河涌污水先经预处理系统预处理后进入冰冻分离系统处理，冰冻分离系统冰冻处理包括以下步骤；
污水原水经过第一换热器24降温，将污水原水用热泵系统的蒸发器25进行冰冻处理再送入制冰箱28，在制冰箱28上部冰冻结晶部分形成具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱28下部未结晶部分形成低温浓缩污水，将制冰箱28上部冰粉送入储冰箱29；储冰箱29中的冰粉经热泵系统的冷凝器212加热成常温清水；
第二步:冰冻分离系统冰冻处理完进入厌氧生物处理系统，厌氧生物处理系统厌氧处理包括以下步骤；
将第一步制冰箱28下部低温浓缩污水经第一换热器24与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水，常温浓缩污水由第一步热泵系统的辅助冷凝器219产生的热量加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入中高温厌氧反应器处理；将厌氧处理完成的厌氧出水排出，将厌氧反应产生的沼气收集；
第三步：厌氧生物处理系统厌氧处理完后进入好氧生物处理系统，好氧生物处理系统好氧处理包括以下步骤；
将第二步厌氧处理产生的厌氧出水，经第一步热泵系统的冷凝器212加热成的常温清水在第二换热器213中换热降温成好氧生物处理需要的29℃～31℃，再送入好氧反应器处理进一步降低有机物，然后再送入沉淀池225，沉淀池225上部排出清水，下部排出剩余污泥；
第四步：排出
将第三步沉淀池排出的清水，与第一步冷凝器212加热后与厌氧出水换热后的清水混合排出处理器。
如图3所示，优选地，当处理站离居民楼太近，沼气储罐222存在安全隐患时，制冰箱28下部低温浓缩污水经第一换热器24与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水后，直接送入好氧反应器224处理，然后再送入沉淀池225，沉淀池225上部排出清水，排出的清水与冰粉经冷凝器212加热形成的常温清水混合成常温清水排出处理站。
如图4所示，优选地，第一预处理系统包括第一预处理系统和第二预处理系统；
第一预处理系统预处理包括以下步骤：
为提高冰冻结晶提纯水的效果，减少轻质杂质混杂在冰中，污水原水在冰冻前，将污水原水经过第一粗格栅隔渣后，污水原水经气浮池21处理，污水原水中轻质易浮颗粒形成水面浮渣层，将浮渣22刮出，送入中高温厌氧反应器处理，气浮池21处理后的污水再第一细格网23过滤，再经过第一换热器24降温；
第二预处理系统预处理包括以下步骤：
将河涌污泥经过设有第二粗格栅的吸泥口吸入处理站，河涌污泥经沉砂池216处理，第二细格网217过滤，第二细格网过滤的污泥送入中高温厌氧反应器处理。
优选地，第一步冰冻处理具体包括以下步骤：
污水经第一换热器24降温再进入热泵系统的蒸发器25降温成-2℃～-3℃的过冷污水，过冷污水送入制冰箱28，经超声波促晶作用，在制冰箱28上部污水快速冰冻结晶形成细小的具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱28下部未冻结的污水被浓缩形成低温浓缩污水，将制冰箱28上部冰粉刮出制冰箱28，送入蓄冰箱29；在蓄冰箱29里，冰粉与空调冷冻水系统210的冷冻水换热，冰粉则被融化成低温清水，低温清水再与热泵系统的冷凝器212换热，变为常温清水；
第二步厌氧生物处理还包括如下步骤；气浮池的浮渣22和第二细格网217过滤的污泥混合与常温浓缩污水一同送入混合器218，使污水中COD达到厌氧生物处理的适合浓度后，由第一步热泵系统的辅助冷凝器219产生的热量加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入产酸发酵厌氧反应器220进行产酸发酵，产酸发酵后35℃的出水送入产甲烷厌氧反应器221进行产甲烷反应，经产甲烷反应，80％～85％的有机物转化成沼气，将产酸发酵厌氧反应器220和产甲烷厌氧反应器221产生的沼气收集入沼气储罐222，产甲烷反应后排出厌氧出水；
第三步好氧生物处理具体包括以下步骤：
厌氧出水经过第二换热器223与第一步冰冻处理产生的常温清水进行换热，厌氧出水降温为29℃～31℃，然后送入A/O好氧反应器224进行好氧生物反应后，再送入沉淀池225去除悬浮物，沉淀池225底部产生的剩余污泥定期排出，沉淀池225的上部出水；沉淀池225下部排出的剩余污泥，一部分剩余污泥回流到中高温厌氧反应器进行厌氧消化，一部分剩余污泥回流到A/O好氧反应器224脱氮除磷，一部分剩余污泥外排。
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例以治理广州市的车陂涌为例，介绍本方法在黑臭水体治理领域的实施过程。
1、车陂涌水体情况
车陂涌在广州市中心城区天河区境内。源于龙眼洞筲箕窝，流经广州畜牧场、华南植物园、大丰农场、广州氮肥厂、车陂村、东圃圩，注入珠江。流域面积67.7平方公里，干流长度19.4公里。整个流域内存在9个城中村，初步统计常住人口37.12万人，大量支涌未截污，城中村生活污水长期直接排入车陂涌，造成车陂涌水质黑臭严重，对周边城市居民生活造成严重困扰。
2016年8月，车陂涌入珠江口处水质情况：COD为26.9mg/L；总磷为0.91mg/L；氨氮为9.04mg/L；溶解氧为0.57mg/L；透明度为28cm。
2016年12月，车陂涌入珠江口处水质情况：COD为45.9mg/L；总磷为1.83mg/L；氨氮为16.9mg/L；溶解氧为0.55mg/L；透明度为25cm。
车陂涌河涌底泥的成分：有机碳为0.27％～2.27％；COD为2700mg/L～22700mg/L；含水率35.14％～42.19％；密度0.98～1.45g/cm3；SiSO2为677.68g/kg；Fe2O3为30.78g/kg；AL2O3为142.10g/kg；CaO2为7.51g/kg。因为主要是生活污水排入原因，重金属物质相对较低，主要重金属污染物并未超标。
2、处理站设置，如图1、2所示；
处理站设置在距离主要生活污水排放点(主要是无截污管网的城中村)后150m到200m范围，或者设置在支河涌入主河道口附近。
在河涌13中，距离主要生活污水排放点11后150m到200m范围内设置圆形拦泥坝14。或者河涌入主河道口前设置圆形拦泥坝14。在坝顶离河涌水面0.5m～0.8m。在河道中形成初次沉淀池效应，使大部分固体物在拦泥坝14截留堆集。并于每年的10月底枯水季，对拦泥坝14前的沉淀难分解的固体物质(主要是细小无机固体)河涌底泥进行吸除。
污水吸水口19设置在拦泥坝14前2m～3m。吸水口19在坝顶下，距离坝顶0.3m。
在拦泥坝14前1m米的河涌污泥层中开始放置吸泥管15，吸泥管15上设置有若干吸泥支管16，每条吸泥支管16直径150mm，吸泥支管16上的吸泥口为10mm。每条吸泥管15长为20m，每条吸泥管15间距为1m。完成一河段吸泥后，吸泥管15可移动至下一河段。
在拦泥坝14前100m米处，河涌13设置不锈钢粗格网，格网伸入河床底，格网伸出水面0.3m～0.5m。将大块固体物在粗格网处进行拦截，并定期人工打捞清除。
3、夏季处理程序：
(1)、处理站1在夏季需要空调制冷季节5月中下旬、6月、7月、8月、9月共5.5个月运作。因在10月到次年4月期间拦泥坝14截留，拦泥坝14前的河床上生活污水中的固体物沉淀堆集，此处河涌水污染物较高，约为8月河涌入珠江口处的浓度的1倍，COD约为50mg/L。
沉淀堆集的有机物经过几个月的低氧状态，绝大部分已经完成水解转化成溶解性的单体或者二聚体物质，便于将进行的厌氧生物处理。吸泥口吸入的河涌污泥，为河涌底泥上部，处于悬浮状态的泥水混合物(COD约为4000mg/L，含水率超过95％)，这部分悬浮物中无机固体颗粒很少，主要是已经水解的有机悬浮物，具有很好的流动性，夏季雨量大会把这种河涌污泥不断的带到拦泥坝前。特别注意的是，吸泥口吸入的是污泥，不是河涌底泥(底泥含水率35.14％～42.19％)。
(2)、吸水泵20，将1体积(设污水原水体积为1)的28℃的河涌污水通过有格栅的吸水口19，吸上处理站1。为提高冰冻结晶提纯水的效果，减少轻质杂质混杂在冰中，污水原水在冰冻前，采用气浮池21处理，将污水原水中轻质易浮颗粒形成水面浮渣层，将浮渣22刮出，浮渣22送入中高温厌氧反应器处理。污水经气浮池21处理后经过第一细格网23过滤，再经过第一换热器24降温到18℃。18℃污水进入热泵系统的蒸发器25降温成-2℃的过冷污水。-2℃的过冷污水送入制冰箱28，经冰晶传导阻断器26以及超声波发生器27促晶作用，在制冰箱28上部约0.8体积的污水冰冻结晶形成细小的具有一定洁净度的冰粉(COD约为5mg/L)，在制冰箱28下部约0.2体积的未冻结的污水被浓缩形成高浓度污水(COD约为230mg/L)。
将制冰箱28上部冰粉刮出制冰箱28，送入蓄冰箱29。在蓄冰箱29里，冰粉与空调冷冻水系统210的冷冻水进行换热，将冷冻水由13℃降到7℃。冰粉则被逐渐溶解成约4℃的清水(COD约为5mg/L)。4℃的清水再与热泵系统的冷凝器212换热，变为0.8体积的30℃清水。
实施例1：如图3黑臭水体无厌氧流程原理图所示，当处理站离居民楼太近，沼气储罐222存在安全隐患时。制冰箱28下部低温高浓度污水经第一换热器24与河涌污水原水换热，变成常温高浓度污水后，送入好氧反应器224处理，然后再送入沉淀池225。沉淀池225上部排出0.2体积清水(COD约为34.5mg/L,去除率85％)。排出的清水与冰粉经冷凝器212加热形成的常温清水混合成1体积(COD约为11mg/L)清水排出处理站。
处理后的出水COD约为11mg/L，远好于城市污水处理厂的处理出水(污水处理厂处理后出水排放标准中最高的一级A标准为COD不大于50mg/L)。且满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920)的杂用水水质标准。如果不排回水体，可作为湖体补水、城市绿化、道路清洗等用途。这对夏季节雨水过多，减少河涌排水压力，减少城市内涝起到一定贡献。
实施例2：如图4夏季工况处理黑臭水体流程原理图所示，将制冰箱28下部0℃高浓度污水经第一换热器24与河涌污水原水换热，变成0.2体积的23℃高浓度污水(COD约为230mg/L)，然后送泥水混合器218。泥水混合器218中同时送入0.1体积的27℃的河涌淤泥(COD约为4000mg/L)，河涌污泥先经沉砂池216，再经第二细格网217过滤除去较大不溶固体物。高浓度污水与河涌污泥在泥水混合器218中混合成0.3体积的25℃的泥水混合和物(COD约为1500mg/L)。泥水混合物送入辅助冷凝器219，经热泵系统压缩机211出口40℃的制冷剂加温到36℃，再送入产酸发酵厌氧反应器220进行产酸发酵。产酸发酵后35℃的出水送入产甲烷厌氧反应器221进行产甲烷反应。产甲烷反应后，85％的有机物转化成沼气。将产酸发酵厌氧反应器220和产甲烷厌氧反应器221产生的沼气收集入沼气储罐222。产甲烷反应后34℃的0.3体积出水(COD约为225mg/L，去除率85％)，经过第二换热器223与冷凝器212排出的30℃清水进行换热，厌氧出水降为31℃(30℃清水升温到32℃)，然后送入A/O好氧反应器224进行好氧生物反应，然后送入沉淀池225去除悬浮物。沉淀池225底部产生的剩余污泥定器排出，40％剩余污泥回流到中高温厌氧反应器进行厌氧消化，40％剩余污泥回流到A/O好氧反应器224脱氮除磷，20％剩余污泥外排。沉淀池225的上部出水，85％的COD和70％的氮、磷被去除(COD约为34mg/L)。将0.3体积的30℃沉淀池225出水和0.8体积的32℃清水(COD约为5mg/L)混合，形成1.1体积的31℃的清水(COD约为13mg/L)排出处理站。
由此28℃的1体积(COD约为50mg/L)的河涌污水，和27℃的0.1体积的悬浮污泥(COD约为4000mg/L)经冰冻法和生物法处理后，变成1.1体积的31℃的清水(COD约为13mg/L)。
4、春秋冬季季处理程序：
本发明，在10月到第二年的4月共6.5个月，处理站仍旧工作。主要为防止处理站所在河涌应污染物堆积造成水质恶化，对周边居民生活带来不利影响。同时处理设备停运会造成生物处理的菌种活性大幅降低，生物处理设备重启时间会很长。
考虑春秋冬季雨水量较夏季少很多，同时考虑冰冻过程产生的冰鲜用冰粉的市场需求量。处理站处理量为夏季时的10％。
与夏季处理流程不同的是，处理站在春秋冬季，在蓄冰箱29里的冰粉不与空调冷冻水系统210的冷冻水进行换热。而是将产生50％的冰粉外运销售，作为冰鲜用冰。
5、成本产出分析：
(1)、本技术在夏季，对1m3河涌污水和0.1m3污泥处理的同时，产生了产生6kwh(7℃/12℃)的冷媒，冷媒销售0.73元/kwh，收入4.4元。产生了0.6m3沼气，3.5元/立方米，收入2.1元。合计收入6.5元。
本设备处理的出水水质(COD约13mg/L)远好于城市污水处理厂的处理出水(污水处理厂处理后出水排放标准中最高的一级A标准为COD不大于50mg/L)，满足城市杂用水水质标准，可以作为城市杂用水(作为城市绿化、湖体补水、冲厕、清洗路面等用途)销售，销售价格一般是自来水的1/4，但其固定需求不好把握，销售收入暂不计算。
本技术中的生物法水处理部分，处理污水的直接成本(不含初期投资及折旧费)大概在0.8元/m3，处理0.3m3，运行成本为0.24元。本技术中的冰蓄冷水源热泵冰冻法处理部分，可以申请居民生活峰谷电价，低谷电价0.32元/kwh(8小时)，平谷电价0.61元/kwh(10小时)，峰谷电价0.99元/kwh(6小时)，平均电价0.61元/kwh(商业用电价1.02元/kwh)。本系统冰冻1m3污水(20℃/-2℃)的成本是3.9元。总运行成本为0.24+3.9＝4.14元。
不考虑初期投资及折旧费时的运行利润率为(6.5-4.14)/4.14＝57％。
(2)、本技术在春秋冬季，将冰冻结晶产生的冰粉，50％作为冰鲜用冰销售。市场上冰鲜用冰在不考虑初期投资及折旧费时，平均生产成本为50元/m3。本发明可按此作为销售价格。则处理1m3河涌污水合计收入25+2.1＝27.1元。不考虑初期投资及折旧费时的运行利润率为(10.1-4.14)/4.14＝550％。
(3)、年利润率。设夏季处理量1万立方米，则春秋冬季处理量1千立方米。全年收入6.5X5.5X 10000+27.1X6.5X1000＝357500+176150＝533650，年运行成本4.14X5.5X 10000+4.14X6.5X1000＝227700+26910＝254610，年运行利润率＝(533650-254610)/254610＝110％。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种有机污水处理设备，其特征在于：所述有机污水处理设备包括预处理系统、第一换热器、冰冻分离系统、生物处理系统和热泵系统，预处理系统与第一换热器连接，第一换热器通过热泵系统的蒸发器与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器和生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器和生物处理系统的清水出口连接。
2.根据权利要求1所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述生物处理系统包括厌氧生物处理系统、第二换热器和好氧生物处理系统，所述第一换热器通过所述热泵系统的蒸发器与所述冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器、热泵系统的辅助冷凝器和厌氧生物处理系统连接，厌氧生物处理系统通过第二换热器与好氧生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器、第二换热器与好氧生物处理系统的清水出口连接。
3.根据权利要求2所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述热泵系统包括依次连接的压缩机、辅助冷凝器、冷凝器、节流阀和蒸发器，所述冰冻分离系统包括依次连接的所述蒸发器、制冰箱和蓄冰箱，制冰箱的低温浓缩污水出口通过所述第一换热器、热泵系统的辅助冷凝器和所述厌氧生物处理系统连接，蓄冰箱与空调冷冻水系统连接并与空调冷冻水系统的冷冻水热交换，蓄冰箱的低温清水出口通过冷凝器、所述第二换热器与所述好氧生物处理系统的清水出口连接。
4.根据权利要求2所述的一种有机污水处理设备,其特征在于：所述预处理系统包括第一预处理系统，第一预处理系统包括第一粗格栅、气浮池和第一细格网，气浮池的浮渣出口与所述厌氧生物处理系统连接。
5.根据权利要求4所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述所述预处理系统还包括第二预处理系统，第二预处理系统包括第二粗格栅、沉砂池和第二细格网，第二细格网的污泥出口与所述厌氧生物处理系统连接。
6.根据权利要求2所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述厌氧生物处理系统包括依次连接的混合器、所述辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器，以及用于收集两个厌氧反应器所产生沼气的沼气储罐；所述好氧生物处理系统包括依次连接的好氧反应器和沉淀池；所述冰冻分离系统的低温浓缩污水出口依次通过所述第一换热器、混合器、辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器、所述第二换热器、好氧反应器和沉淀池连接。
7.一种有机污水处理设备处理黑臭水体的方法，其特征在于，所述处理方法包括以下步骤，
第一步:河涌污水先经预处理系统预处理后进入冰冻分离系统处理，冰冻分离系统冰冻处理包括以下步骤；
污水原水经过第一换热器降温，将污水原水用热泵系统的蒸发器进行冰冻处理再送入制冰箱，在制冰箱上部冰冻结晶部分形成具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未结晶部分形成低温浓缩污水；将制冰箱上部冰粉送入储冰箱，储冰箱中的冰粉经热泵系统的冷凝器加热成常温清水；
第二步:冰冻分离系统冰冻处理完进入厌氧生物处理系统，厌氧生物处理系统厌氧处理包括以下步骤；
将第一步制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水，常温浓缩污水由第一步热泵系统的辅助冷凝器产生的热量加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入中高温厌氧反应器处理；将厌氧处理完成的厌氧出水排出，将厌氧反应产生的沼气收集；
第三步：厌氧生物处理系统厌氧处理完后进入好氧生物处理系统，好氧生物处理系统好氧处理包括以下步骤；
将第二步厌氧处理产生的厌氧出水，经第一步热泵系统的冷凝器加热成的常温清水在第二换热器中换热降温成好氧生物处理需要的29℃～31℃，再送入好氧反应器处理进一步降低有机物，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，下部排出剩余污泥；
第四步：排出
将第三步沉淀池排出的清水，与第一步冷凝器加热后与厌氧出水换热后的清水混合排出处理器。
8.根据权利要求7所述的一种处理黑臭水体的方法，其特征在于：当处理站离居民楼太近，沼气储罐存在安全隐患时，或者处理低浓度有机废水时，所述的制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水后，直接送入好氧反应器处理，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，排出的清水与所述冰粉经冷凝器加热形成的常温清水混合排出处理站。
9.根据权利要求7所述的一种处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述第一预处理系统包括第一预处理系统和第二预处理系统；
第一预处理系统预处理包括以下步骤：
将污水原水经过第一粗格栅隔渣后，污水原水经气浮池处理，污水原水中轻质易浮颗粒形成水面浮渣层，将浮渣刮出，送入中高温厌氧反应器处理，气浮池处理后的污水再第一细格网过滤，再经过第一换热器降温；
第二预处理系统预处理包括以下步骤：
将河涌污泥经过设有第二粗格栅的吸泥口吸入处理站，河涌污泥经沉砂池处理，第二细格网过滤，第二细格网过滤的污泥送入中高温厌氧反应器处理。
10.根据权利要求9所述的一种黑臭水体处理方法，其特征在于：所述第一步冰冻处理具体包括以下步骤：
污水经第一换热器降温再进入热泵系统的蒸发器降温成-2℃～-3℃的过冷污水，过冷污水送入制冰箱，经超声波促晶作用，在制冰箱上部污水快速冰冻结晶形成细小的具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未冻结的污水被浓缩形成低温浓缩污水，将制冰箱上部冰粉刮出制冰箱，送入蓄冰箱；在蓄冰箱里，冰粉与空调冷冻水系统换热，冰粉则被融化成低温清水，低温清水再与热泵系统的冷凝器换热，变为常温清水；
所述第二步厌氧生物处理还包括如下步骤；所述气浮池的浮渣和第二细格网过滤的污泥混合与常温浓缩污水一同送入混合器，使污水中COD达到厌氧生物处理的适合浓度后，由第一步热泵系统的辅助冷凝器加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入产酸发酵厌氧反应器进行产酸发酵，产酸发酵后35～36℃℃的出水送入产甲烷厌氧反应器进行产甲烷反应，经产甲烷反应，80％～85％的有机物转化成沼气，将产酸发酵厌氧反应器和产甲烷厌氧反应器产生的沼气收集入沼气储罐，产甲烷反应后排出厌氧出水；
所述第三步好氧生物处理具体包括以下步骤：
厌氧出水经过第二换热器与第一步冰冻处理产生的常温清水进行换热，厌氧出水降温为29℃～31℃，然后送入A/O好氧反应器进行好氧生物反应后，再送入沉淀池去除悬浮物，沉淀池底部产生的剩余污泥定期排出，沉淀池的上部出水；所述沉淀池下部排出的剩余污泥，一部分剩余污泥回流到中高温厌氧反应器进行厌氧消化，一部分剩余污泥回流到A/O好氧反应器脱氮除磷，一部分剩余污泥外排。
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