CN111792731A - 一种污水处理装置及处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种污水处理装置及处理工艺。污水处理装置包括装置本体以及设置在所述装置本体内的污水处理单元，其中污水处理单元包含水热碳化陶粒；污水处理单元包括填料单元和设置于填料单元下方的孔板，填料单元包含水热碳化陶粒。该污水处理装置可根据工作需要，变换为特定的功能性装置，如水解酸化装置、硝化装置、反硝化装置或碳化装置，各个装置独立运行或者多个装置联合运行，能够实现生物膜污水处理、曝气、厌氧和/或好氧等多种污水处理方式。该装置适用于生活污水、工业污水等的处理，处理效率高，处理后的水至少达到中水级别，处理成本低。当本发明的污水处理装置的水体循环时，可有效提高传质效果，同时可延长反冲洗周期的时间。

Description

一种污水处理装置及处理工艺

本申请要求享有2019年11月4日向中国国家知识产权局提交的专利申请号为201911067307.2，发明名称为“一种污水处理装置及处理工艺”的在先申请的优先权。所述在先申请的全文通过引用的方式结合于本申请中。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种污水处理装置及处理工艺。

背景技术

污水处理是使污水达到排水某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程，污水处理被广泛应用于建筑、农业、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。污水处理装置，是一种能有效处理城区的生活污水、工业废水等的工业设备，避免污水及污染物直接流入水域，对改善生态环境、提升城市品位和促进经济发展具有重要意义。

现有的污水处理成本能耗情况，存在高能耗\低效率等缺陷，且处理能力和处理后的水质情况较难让人满意。

发明内容

本发明提供一种污水处理装置，其包括装置本体以及设置在所述装置本体内的污水处理单元，其中所述污水处理单元包含水热碳化陶粒。

根据本发明的实施方案，所述污水处理单元包括填料单元和设置于填料单元下方的孔板。优选地，所述填料单元包含水热碳化陶粒。

根据本发明的实施方案，在所述填料单元中，水热碳化陶粒在填料中的质量百分含量可以为30-100％，例如50-90％，例如60-85％，如70-80％，示例性的实例为75％。

根据本发明的实施方案，除水热碳化陶粒外，所述填料还可以包含海绵铁、沸石、缓释碳源和除水热碳化陶粒之外其他陶粒中的至少一种。其中，所述缓释碳源可以选自例如玉米芯、秸秆、可生物降解的聚合物等中的至少一种。

根据本发明的实施方案，至少一部分的所述填料的至少一部分外表面还可以附着有生物膜。优选地，至少一部分的水热碳化陶粒外表面的至少一部分覆盖有生物膜，优选至少一部分水热碳化陶粒的外表面被生物膜覆盖50％以上，例如60％、70％、80％、90％或100％。更优选地，外表面被生物膜覆盖的水热碳化陶粒与全部水热碳化陶粒的重量百分比可以为50％以上，例如60％、70％、80％、90％或100％。

根据本发明的实施方案，所述生物膜的厚度可以为1-5mm，例如2-3mm。

根据本发明的实施方案，所述生物膜可以包含厌氧层和/或好氧层。

根据本发明的实施方案，所述填料的填充量可以为所述装置自本体顶部至孔板之间体积的30-95％，例如60-85％，例如65-80％，如68-75％，示例性的实例为80％。

根据本发明的实施方案，所述装置可以设置进水口和出水口。优选地，所述进水口与装置外的进水管道连接，所述出水口与装置外的出水管道连接。其中，所述进水管道与出水管道在装置外任选地连通或不连通，优选可以根据需要连通，以实现水体循环。

根据本发明示例性的实施方案，所述进水口的位置可以高于填料的上表面，优选高于生物膜的上表面；所述出水口的位置可以低于填料的下表面。例如，所述进水口位于所述装置本体的顶部，所述出水口设置在所述装置本体的底部。

根据本发明的实施方案，所述装置本体上还可以任选地设置曝气口。当存在时，所述曝气口优选设置在所述污水处理单元的下方，更优选设置在孔板的下方。或者在所述进水管道与出水管道的连通管道上可以任选地设置曝气口，以实现在线曝气的功能。

根据本发明的实施方案，所述装置本体上还可以任选地设置有溢流口。当存在时，所述溢流口优选设置在所述装置本体的上部；更优选地，所述溢流口所在的水平面高于进水口所在的水平面。

根据本发明的实施方案，所述装置本体上还可以任选地设置反冲进口和/或排污口。优选地，所述反冲进口和/或排污口可以独立地分别设置在所述装置本体的侧壁或底表面。例如，所述反冲进口和/或排污口所在的水平面可以独立地分别高于或低于出水口所在的水平面。

根据本发明的实施方案，反冲进口用于通入反冲水，以释放污水处理单元截留的悬浮物和/或更新填料上的生物膜。

根据本发明的实施方案，排污口可以用于排出截留的悬浮物，或者作为备用的出水口。例如，排污口还可以和排污管道连接。或者，当排污口作为备用的出水口时，其也可以和上述与出水口相连的出水管道连接。作为实例，排污管道也可以根据需要与进水管道在装置本体外连通。

根据本发明的实施方案，所述装置本体上还可以任选地设置出水检测口，所述出水检测口设置在所述装置本体的下部。例如，所述装置本体可以通过所述出水检测口与出水检测管路连接。

根据本发明的实施方案，所述装置本体上还可以任选地设置菌种接入口。

根据本发明的实施方案，所述装置还可以包括温度控制元件。该温度控制元件优选用于控制装置内的温度，使装置内的温度适于菌种和/或生物膜层中微生物的存活、生长和/或保持活性。

根据本发明的实施方案，所述装置可以实现不同的功能或用途，例如可以作为厌氧处理装置，例如水解酸化装置或反硝化装置；或者可以作为好氧处理装置，例如硝化装置或碳化装置。在本文中，将实现相同功能或用途的装置称为“同种装置”，将实现不同功能或用途的装置称为“不同种装置”。

本领域技术人员应当理解，当所述装置用于实现不同的功能或用途时，其可以接入不同的菌种，和/或可以设置为不同的条件，和/或可以包含不同的试剂。例如，当其作为水解酸化装置时，可接入的菌种可以为水解酸化菌、梭菌属、乳球菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属等中的至少一种；当其作为反硝化装置时，可接入的菌种为反硝化细菌，例如可以选自假单胞菌、产碱杆菌属、胶德克斯菌、脱氮副球菌、色杆菌属、脱氮硫杆菌、微球菌属等中的至少一种；当其作为硝化装置时，可接入的菌种可以包括氨氧化细菌和/或亚硝酸氧化细菌，其中所述氨氧化细菌可以选自例如亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化叶菌属、亚硝化弧菌属、亚硝化球菌属等中的至少一种；所述亚硝酸氧化细菌可以选自例如硝化杆菌属、硝化刺菌属、硝化球菌属、硝化螺菌属等中的至少一种；当其作为碳化装置时，可接入的菌种为好氧碳化菌。

根据本发明的实施方案，所述孔板可设置一个或多个。当存在多个孔板时，不同孔板的孔径可以相同或不同，优选不同。例如，当存在一个孔板时，其与所述填料的下表面接触，用以支撑填料和实现过滤的作用；或者，当存在两个或更多个孔板时，与填料下表面的距离相对更近的孔板的孔径可以小于距离相对更远的孔板的孔径。

根据本发明的实施方案，当存在一个孔板时，其孔径小于至少一部分填料的粒径，优选小于至少一部分水热碳化陶粒的粒径，更优选小于填料的D₁₀粒径；当存在两个或更多个孔板时，其中至少一个孔板的孔径小于至少一部分填料的粒径，优选小于至少一部分水热碳化陶粒的粒径，更优选小于填料的D₁₀粒径；优选地，与填料下表面的距离相对更近的孔板的孔径小于至少一部分填料的粒径，优选小于至少一部分水热碳化陶粒的粒径，更优选小于填料的D₁₀粒径。其中，D₁₀粒径是指填料中小于该D₁₀粒径的颗粒体积含量占全部填料颗粒的10％。应当理解的是，尽管所述孔板的孔径优选小于全部填料的最小粒径，但某些情况下并非绝对必要，特别是粒径最小的填料在全部填料中的含量极低(例如<1体积％，或者<0.1体积％甚至<0.01体积％)的时候更是如此。

根据本发明示例性的实施方案，所述水热碳化陶粒的平均粒径为3-5mm。与填料下表面的距离相对更近的孔板孔径可以大于等于2mm且小于3mm，例如孔径为2.2mm、2.5mm、2.7mm。根据本发明的实施方案，相对与填料下表面的距离相对更远的孔板孔径可以大于2mm，例如2.5-6mm、3-5.5mm。

根据本发明的实施方案，所述孔板可以为平面孔板或者弧形孔板，优选为弧形孔板。当所述孔板选自弧形孔板时，优选将所述弧形孔板呈凹形的一侧面向填料。

根据本发明的实施方案，所述装置本体内还可以设置一个、两个或更多个布水器，所述进水口和/或反冲进口各自独立地与布水器连接。例如，所述布水器可以包括第一布水器和第二布水器，所述第一布水器与进水口连接，所述第二布水器与反冲进口连接。进一步地，所述第一布水器设置在所述污水处理单元的上方。进一步地，所述第二布水器设置在所述污水处理单元的下方。

根据本发明的实施方案，所述装置本体可以为适宜形状的容器，例如为圆柱形容器。

根据本发明的实施方案，所述装置本体的材质为有机玻璃或其它可适用的材质。

根据本发明的实施方案，所述装置还可以任选地包括膜层处理单元。例如，所述膜层处理单元任选设置在所述污水处理单元的上方或下方，优选上方。

根据本发明的实施方案，所述膜层处理单元可以由一层或多层膜构成，所述膜的材质为本领域已知可吸附有毒物质(例如金属离子(如重金属离子)、酚、氰等对微生物活性有影响的物质)的材质。

根据本发明的实施方案，所述出水检测管路可以包括丝网孔管和检测传感器。其中，所述丝网孔管设置在所述出水检测管路的端部，且位于所述装置本体内。所述检测传感器可以选自以下传感器中的至少一种：溶解氧传感器、pH传感器、温度传感器、浊度传感器等。

根据本发明的实施方案，所述出水检测管路上可以设置支路，所述支路上优选设置流量计和/或变频泵。优选地，支路口可以设置在所述检测传感器之后，以将检测合格的水通过支路排出；和/或，所述出水检测管路还可以与所述进水口连接，以根据需要将出水返回装置中继续处理。

根据本发明的实施方案，所述装置还包括用于固定和承载所述装置本体的基座。

根据本发明的实施方案，所述装置还包括至少一个阀门和/或流量计，本领域技术人员可以根据需要，例如在进水口、溢流口、曝气口、排污口、出水口、反冲进口、出水检测管路等任选一个或多个位置处设置阀门和/或流量计。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化陶粒包括以重量份计的如下组分：

水热碳化材料 20-100份；

粘结材料 5-60份；

轻质材料 0-20份。

根据本发明的实施方案，所述水热碳材料的用量可以为30-90份、40-80份、45-75份，如50-70份，例如55-65份。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化材料可以是颗粒、粉体或其他形态，优选为粉体，更优选为粒径均一的粉体。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化材料可以具有絮状片层状结构和多孔结构。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化材料的比表面积为4-60m²/g，例如10-50m²/g，如20-40m²/g。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化材料可以包含含氧官能团，所述含氧官能团包括但不限于选自羟基、羧基、醚键等中的一种或多种。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化材料中有机质的含量占其重量的30-40％，例如31-39％、32-38％、33-37％、34-36％。其中，所述有机质包括但不限于腐植酸。优选地，所述腐植酸的含量占所述污泥水热碳化材料重量的5-25％，例如7.5-23％、9-21％、10-20％、12-18％、14-16％。

根据本发明的实施方案，所述粘结材料的用量可以为10-50份、15-45份、20-40份或25-35份，其实例可以是25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50份。。

根据本发明的实施方案，所述粘结材料可以选自本领域已知的粘结组分和/或凝胶组分。例如，所述粘结材料可以选自水泥(如硅酸盐水泥)、熟料、石膏、水玻璃等中的一种、两种或更多种。进一步地，当粘结材料由至少两种组分构成时，所述粘结材料可以包括硅酸盐水泥、石膏和水玻璃。

根据本发明的实施方案，当粘结材料由至少两种组分构成时，各组分可以为在较宽的范围内选择。例如，水泥、石膏、水玻璃的重量比可以为(20-45):(1-5):(1-20)，只要其总重量份满足上文所述的范围即可。作为实例，所述粘结材料包括水泥43.5份、石膏2份、水玻璃1.5份；或水泥23.8份、石膏1.2份、水玻璃10份。

根据本发明的实施方案，所述轻质材料的用量可以为0-20份，如0.1-20份、2-20份、3-15份、5-10份、7-9份，如8份。优选地，所述轻质材料的用量可以为0。

根据本发明的实施方案，所述轻质材料可以选自本领域已知的组分，例如所述轻质材料可以选自珍珠岩、硅微粉等中的一种、两种或更多种。进一步地，当轻质材料由至少两种组分构成时，各组分可以为任意配比。

根据本发明的实施方案，所述粘结材料和轻质材料各自独立地为粉体材料。

根据本发明的实施方案，所述陶粒的比表面积在10m²/g以上，例如11m²/g、12m²/g、13m²/g、14m²/g、15m²/g、16m²/g、17m²/g、18m²/g、19m²/g或20m²/g以上。

根据本发明的实施方案，所述陶粒的筒压强度＞3.5MPa，例如筒压强度＞4MPa、4.5MPa。

根据本发明的实施方案，所述陶粒含有腐殖酸。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化材料是以污泥为原料制备的。

优选地，作为原料的污泥的含水量为80-95wt％。优选地，作为原料的污泥可以无需进行干燥脱水化处理。作为实例，所述污泥的来源可以选自生活污泥，如城市污水处理厂剩余污泥。

根据本发明的实施方案，所述污泥水热碳化材料是污泥经水热碳化处理后得到的材料。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化处理可以在300℃以下的温度下进行，所述温度可以为180-220℃，例如190-210℃，示例性的实例可以为195℃、200℃、或205℃。

根据本发明的实施方案，在所述水热碳化处理可以在添加水的条件下进行。例如，作为原料的污泥的干重与水的重量比为(1-5):(10-100)，例如(1-4):(10-80)、(2-3):(20-60)。示例性地，污泥的干重与水的重量比为1:10。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化处理可以在搅拌下进行。例如，搅拌的转速可以为500-1000rpm，例如600-900rpm，如800rpm。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化处理中，所述污泥和水的混合物的pH值可在3-11之间，优选7-10，例如为9。

根据本发明优选的实施方案，所述水热碳化处理可以在向污泥和水的混合物中添加碱的条件下进行。所述碱可以选自无机碱，例如碱金属或碱土金属的氢氧化物，如KOH和/或NaOH等。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化处理的反应时间可以为0.5-6h，例如1-5h，如3h。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化处理还包括进一步的后处理。所述后处理可包括将水热碳化反应得到的混合物固液分离，随后洗涤所得固体，得到水热碳化材料。作为实例，所述固液分离可使用本领域已知的操作，例如采用离心或真空抽滤的方式实现。进一步地，固液分离脱水后的污泥水热碳化材料的含水量为50-70wt％，优选55-65wt％，例如为60wt％。进一步地，后处理还可以包括对得到的固体进行多次洗涤和烘干。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化材料的制备方法包括：将污泥和水混合，在上述条件下进行水热反应，反应完成后冷却至室温，以及经过后处理得到所述的水热碳化材料。

根据本发明的实施方案，所述水热碳化陶粒为污泥水热碳化陶粒。

根据本发明的实施方案，所述污泥水热碳化陶粒包括以重量份计的如下组分：

根据本发明的实施方案，所述水的用量可以为35-45份，例如30份。

优选地，所述污泥水热碳化材料、粘结材料和轻质材料具有如上文所述的含义。

应当理解，本说明书上下文中记载的数值范围包括该数值范围的端点值和该数值范围内的每一个数值。例如，对于重量份的数值范围20-100份、5-60份、2-20份，应当分别被理解为至少记载了端点值20、100、5、60、2或20份，上述各范围内的每一个整数值，和上述各整数值各自独立地与0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的和，只要所述的和没有超出相应的数值范围。作为实例，20-100份应当被理解为20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、……90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100，以及20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、……90、91、92、93、94、95、96、97、98、99各自独立第与0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的和。

优选地，所述水热碳化陶粒的制备方法包括：将水热碳化材料、粘结材料、轻质材料和水混合，造粒，过筛，干燥，得到所述的水热碳化陶粒。

优选地，所述制备方法还包括将过筛后的产物进行室温养护和蒸汽养护，干燥，得到所述污泥水热陶粒。

根据本发明的实施方案，所述造粒在造粒机中进行。进一步地，所述颗粒的平均粒径为1-5mm，例如2-4.5mm、3-4mm。

根据本发明的实施方案，所述室温养护的条件包括：室温下湿纱布养护20-30h，例如22-28h，示例性地，养护24h；所述室温为15-40℃，例如20-30℃，示例性地，室温为25℃。所述蒸汽养护的条件包括：于蒸压釜中进行养护，温度50-90℃，养护12-20小时；例如60-80℃，养护10-20小时。

根据本发明的实施方案，所述干燥的温度为室温-115℃，例如室温-110℃、室温-100℃、室温-80℃或室温-40℃，示例性地，温度为105℃。所述干燥的时间为24-48h，例如30-40h，示例性地，时间为36h。进一步地，所述室温对应的温度范围为15-25℃。

本发明提供上述污水处理装置的使用方法，包括将至少一种所述装置用于污水处理。应当理解，当使用同种装置时，也可以使用一个、两个或更多个所述的同种装置，且所述两个或更多个所述的同种装置可以以并联或串联的方式使用；或者，当使用两种或更多种不同种装置时，不同种装置之间可以以并联、串联或混联的方式使用。

应当理解，对于使用两个或更多个同种装置，或者使用两种或更多种不同种装置的情况，本发明还提供一种污水处理联合装置，所述联合装置包括两个或更多个同种装置，或者包括两种或更多种不同种装置。作为选择，所述联合装置还可以包含额外的其他水处理或污水处理装置。

本发明还提供包含上述一种污水处理系统，包括上述污水处理装置或污水处理联合装置。

根据本发明的实施方案，所述污水处理系统可以包括厌氧处理装置、好氧处理装置、曝气处理装置或其他生物处理装置等中的至少一种。优选地，其中厌氧处理装置、好氧处理装置、曝气处理装置或其他生物处理装置中的至少一种可以选自或包括上述污水处理装置或污水处理联合装置。

本发明还提供一种污水处理方法，包括使用上述污水处理装置或联合装置处理污水。优选地，在所述方法中，至少一个所述污水处理装置的进水管道与出水管道在装置外连通，以实现水体循环。

根据本发明的实施方案，本文中的“循环”意指每个装置在运行过程中，经污水处理装置处理后的水体流出装置本体后，再次通过管道进入进水口的运行方式。

根据本发明的实施方案，所述污水处理装置的数量为至少一个。当该装置的数量为2以上时，可以串联、并联或混联运行；例如，可以将水解酸化装置、硝化装置、反硝化装置和碳化装置中的任意两个或多个装置串联、并联或混联运行。

根据本发明的实施方案，所述污水处理装置中循环水体的流量可以为40-500L/h。例如，水解酸化装置中循环水体的流量可以为50-200L/h，优选70-150L/h，示例性为100L/h。例如，硝化装置中循环水体的流量可以为60-500L/h，优选100-300L/h，示例性为60L/h、150L/h、250L/h、400L/h。例如，反硝化装置中循环水体的流量可以为40-150L/h，优选50-130L/h，示例性为100L/h。例如，碳化装置中循环水体的流量可以为60-500L/h，优选100-300L/h，示例性为400L/h。

根据本发明的实施方案，每个装置循环运行的时间可以为0.3-2h，例如0.5-1.5h，示例性的实例为0.5h、1.0h。

根据本发明的实施方案污水处理的温度为20-40℃，例如25-35℃、26-32℃，示例性的实例可以为25℃、30℃、35℃。

根据本发明的实施方案，污水处理时，在线曝气量可以为10-80L/min，例如15-70L/min、30-60L/min，示例性为16L/min、50L/min、60L/min。

根据本发明的实施方案，在反硝化处理时，可以通过外加方式向反硝化装置中补加碳源(如甲醇、乙醇、淀粉、葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、氨基酸、甲酸、乙酸、和乙酸钠等有机物中的至少一种)，或者在固体填料的底部填加缓释碳源(如玉米芯、秸秆、可生物降解的聚合物等中的至少一种)。

根据本发明示例性的实施方案，所述污水处理方法包括：将污水依次经过水解酸化装置、硝化装置、反硝化装置和碳化装置处理，各个装置在运行时内部水体循环；所述水解酸化装置、硝化装置、反硝化装置和碳化装置串联。进一步地，污水从上一个装置进入下一个装置时，可以全部进入或部分进入，例如1/2至3/4体积(如2/3体积)的水进入下一个装置。

根据本发明示例性的实施方案，所述污水处理方法包括：将污水依次经过硝化装置和反硝化装置处理，各个装置在运行时内部水体循环；所述硝化装置和反硝化装置串联。进一步地，污水从上一个装置进入下一个装置时，可以全部进入或部分进入，例如1/2至3/4体积(如2/3至3/4体积)的水进入下一个装置。

根据本发明示例性的实施方案，所述污水处理方法包括：将污水经过碳化、硝化或反硝化装置处理后，直接出水；或者污水依次经过碳化装置、硝化和反硝化装置处理，所述碳化装置、硝化装置和反硝化装置串联，各个装置在运行时内部水体循环。进一步地，污水从上一个装置进入下一个装置时，可以全部进入或部分进入，例如1/2-3/4体积的水进入下一个装置。

根据本发明的实施方案，所述污水可以为生活污水、工业废水、商业污水等中的至少一种，例如为生活污水。进一步地，所述污水中的COD为100-300mg/L(如200-250mg/L)、氨氮为50-100mg/L(如60-90mg/L)，例如COD为220-280mg/L、氨氮为60-80mg/L，示例性地，污水中的COD为250mg/L、氨氮为60mg/L。

本发明的有益效果：

本发明提供的污水处理装置可以根据工作需要，变换为特定的功能性装置，如水解酸化装置、硝化装置、反硝化装置或碳化装置，各个装置可以独立运行或者多个装置联合运行，能够实现生物膜污水处理、曝气、厌氧和/或好氧等多种污水处理方式。该装置适用于生活污水、工业污水等的处理，处理效率高，处理后的水至少达到中水级别，处理成本低。

并且，当本发明的污水处理装置的水体循环时，可有效提高传质效果，较高的流速使得填料不容易堵塞；进一步地，循环还可以使水体中的溶氧分布更为均匀，提高底部溶氧量。对反硝化装置碳源的补给，也不同于传统的回流。其不仅为反硝化装置提供必须的碳源，还提高了处理效率。另外，采用水解酸化装置可以进一步降解污水中的大分子，有利于碳化装置降解，增加了系统的抗冲击能力。

附图说明

图1是实施例1所述污水处理装置的结构示意图。

图2是实施例1所述污水处理装置的结构示意图。

附图标记：1-进水口，2-固体填料，3-第一孔板，4-第二孔板，5-布水器，6-出水口，7-基座，8-装置本体。

图3是实施例4不同循环流量对硝态氮转化率影响效果图，其中每时间点的柱状图自左至右依次为60L/H、150L/H、250L/H、400L/H。

图4是实施例4不同循环流量对氨氮去除影响效果图，其中1h处的端点自下而上分别对应为60L/H、250L/H、150L/H、400L/H的曲线。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例所用的污泥水热碳化陶粒的制备工艺：

1.混料：将所有材料磨细干燥后，按照以下配比：

水热碳化材料45份，粘结材料(水泥43.5份、水玻璃1.5份、石膏2份)，轻质材料(膨胀珍珠岩)8份，每100g原料加水40mL，混合均匀；

2.成型：往步骤1混匀后的粉体加入水，在造粒机中进行造粒，过筛，得到粒径大小2-3mm～3-5mm的颗粒；

3.养护：上述颗粒在室温下湿纱布养护24小时，放入蒸压釜中进行养护，60℃养护12小时；

4.干燥：室温条件下自然干燥，得到污泥水热碳化陶粒。

其中，污泥水热碳化材料的制备过程：按照污泥干重与水的重量比1:10，将未干燥脱水处理的污泥和水置于水热反应釜中，加氢氧化钠调剂体系的pH值为9，反应温度为200℃，搅拌速度800rpm，反应时间为3h。反应完成后，冷却至室温，水热碳化液经3000r/min下进行离心进行固液分离，随后对固体产物进行数次水洗干燥后获得污泥水热碳化材料。经测试，污泥水热碳化材料具有絮状片层结构和多孔结构，其比表面积为45m²/g，包含含氧官能团(包括羟基、羧基、醚键)的质量含量为30-40％，腐植酸的质量含量为5-25％。

污泥水热碳化陶粒的物理性状：比表面积≥10m²/g，筒压强度>3.5Mpa。

实施例1

如图1所示的污水处理装置，其包括装置本体8以及设置在装置本体1内的污水填料处理单元；装置本体8为圆柱形容器，其材质为有机玻璃。

污水填料处理单元包括固体填料2、第一孔板3和第二孔板4，第一孔板3和第二孔板均设置在固体填料2的下方，固体填料2包括污泥水热碳化陶粒(陶粒粒径为3-5mm)，固体填料2的填充量为装置本体1高度的80％。

第一孔板3与固体填料2相接触，用于支撑固体填料，以及过滤污水，第一孔板3的孔径为2mm，第二孔板4的孔径为3mm。第一孔板3和第二孔板4均为弧形板。

装置本体8上设置进水口1和出水口6，进水口1位于装置本体8的顶部，出水口6设置在装置本体8的底部，进水口1和出水口6连通。装置本体8内设置布水器5，进水口1和布水器5连接，布水器5设置在污水填料处理单元的上方。

该装置在使用过程中，污泥水热碳化陶粒表层会形成生物膜，生物膜层的厚度为2-3mm，生物膜层包含厌氧层和好氧层。

污水由进水口进入装置本体，经分布器均匀喷洒在固体填料上。

本实施例的装置可以作为反硝化装置或水解酸化装置。

其中，反硝化装置和水解酸化装置中的固体填料均包括质量比为3:1的污泥水热碳化陶粒和海绵铁，海绵铁的粒径为3-5mm。

实施例2

如图2所示，本实施例污水处理装置与实施例1的区别在于：进水口1和出水口6的连接管路上设置在线曝气口，从曝气口通入的空气与污水接触后，从进水口1返回装置本体内，再经固体填料与循环水中的有机污染物进行充分接触反应，实现有机污染物的降解。

固体填料包括：质量比为3:1的污泥水热碳化陶粒和沸石。

本实施例的装置可以作为硝化装置或碳化装置。

实施例3

与实施例1的区别在于：装置上设置加热部件，使装置内的温度适于菌种、生物膜层中微生物的存活、生长和保持高活性。

实施例4

不同装置的污水处理方法如下：

(1)水解酸化装置：向装置内注入原水(生活污水，其中的COD为250mg/L，氨氮为60mg/L)，装置运行1h，运行时装置内部水体循环(循环流量为100L/h)，直接出水或者进入碳化装置；处理温度30℃；

(2)硝化装置：向装置内注入原水(生活污水，其中的COD为250mg/L，氨氮为60mg/L)，装置运行1h，运行时装置内部水体循环(循环流量为250L/h)，同时在线曝气(气体流量为60L/min)，出水；处理温度30℃；

(3)反硝化装置：向反硝化装置内注入硝化出水，同时添加外加碳源(其中的硝态氮为30mg/L，通过补充碳源COD为120mg/L)，运行1h，运行时内部水体循环(循环流量为100L/h)，出水，处理温度35℃；

(4)碳化装置：向装置内注入原水(生活污水，其中的COD为250mg/L，氨氮为60mg/L)或者水解酸化出水，装置运行1h，运行时内部自循环(循环流量为400L/h)，同时在线曝气(气体流量为60L/min)，出水。

其中，水解酸化装置为实施例1中的装置，接入的菌种为：水解酸化菌；

硝化装置为实施例2中的装置，接入的菌种为：亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属；

反硝化装置为实施例1中的装置，接入的菌种为：假单胞菌；

碳化装置为实施例2中的装置，接入的菌种为：好氧碳化菌。

单个装置水质处理结果：

水解酸化装置：与碳化装置联用可提高碳化装置的COD去除率20％；

硝化装置：氨氮的平均处理量为0.4kg/m³·d(单位时间单位有效体积处理效率)；

反硝化装置：硝态氮的平均处理量为0.2kg/m³·d(单位时间单位有效体积处理效率)；

碳化装置：以原水进水计，COD平均处理量为1kg/m³·d(单位时间单位有效体积处理效率)；

(一)其中，硝化装置运行时：

(a)不同气体流量对氨氮去除影响如表1所示：

表1

表1说明，曝气气体流量增加能够显著提高氨氮去除率。

(b)不同循环流量对硝态氮转化率影响如表2和图3所示：

表2

通过表2和图3可以看出，在循环水体流量为60-250L/h的区间内，循环流量的增加可以提高硝态氮的积累浓度。但是超过250L/h的流量后，硝态氮积累并不明显，反而有所下降，以250L/h为硝化装置的固定循环流量为优。

(c)不同循环流量对氨氮去除影响如表3和图4所示：

表3

通过表3和图4可以看出，循环流量的增加大体呈现可提高氨氮的去除率的趋势。

(d)循环流量对溶氧度的影响情况如表4所示：

表4

从表4可以看出，循环流量的增加可以大幅提升出水的溶解氧含量，促进装置内的硝化作用。

(二)其中，反硝化装置运行时：

不同循环流量对硝态氮去除效率的影响如表5所示：

表5

循环流量(L/h)	40	70	100	130
					硝态氮去除率	66.6％	77.5％	91.5％	66.4％

由表5可见，循环流量在一定范围内增大，可促进对硝态氮的去除，当流速为100L/h，去除效果最佳，去除率大于90％。

实施例5

三个装置串联污水处理方法包括如下步骤：

(1)碳化装置：向装置内注入原水，装置运行1h，运行时内部水体循环(循环流量为400L/h)，同时在线曝气(气体流量60L/min)，全部出水进入硝化装置；

(2)硝化装置：步骤(1)的全部出水进入反硝化装置，原水进水补充，运行时内部水体循环(循环流量为250L/h)，同时在线曝气(气体流量60L/min)，处理温度30℃；

(3)反硝化装置：通过外加方式向反硝化装置内加入碳源，运行1h，运行时内部水体循环(循环流量为100L/h)，处理温度35℃，出水。

本实施例串联装置的水质处理结果(进水COD 250mg/L，氨氮90mg/L，碳源添加量为COD 50-60mg/L)：

污水处理量：2.83吨/m³·d(单位时间单位有效体积处理效率)；

COD平均处理量为0.57kg/m³·d(单位时间单位有效体积处理效率)；

氨氮平均处理量为0.16kg/m³·d(单位时间单位有效体积处理效率)；

总氮平均处理量为0.15kg/m³·d(单位时间单位有效体积处理效率)。

以上，对本发明的实施方案进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种污水处理装置，其特征在于，所述污水处理装置包括装置本体以及设置在所述装置本体内的污水处理单元，其中所述污水处理单元包含水热碳化陶粒；

优选地，所述污水处理单元包括填料单元和设置于填料单元下方的孔板；

优选地，所述填料单元包含水热碳化陶粒。

2.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，在所述填料单元中，水热碳化陶粒在填料中的质量百分含量为30-100％；

优选地，除水热碳化陶粒外，所述填料还包含海绵铁、沸石、缓释碳源和除水热碳化陶粒之外其他陶粒中的至少一种；

优选地，至少一部分的所述填料的至少一部分外表面附着有生物膜；

优选地，所述填料的填充量为所述装置自本体顶部至孔板之间体积的30-95％。

3.根据权利要求1或2所述的污水处理装置，其特征在于，所述装置设置进水口和出水口；优选地，所述进水口与装置外的进水管道连接，所述出水口与装置外的出水管道连接；其中，所述进水管道与出水管道在装置外任选地连通或不连通，优选根据需要连通，以实现水体循环；

优选地，所述装置本体上还任选地设置曝气口；

优选地，在所述进水管道与出水管道的连通管道上任选地设置曝气口；

优选地，所述装置本体上还任选地设置有溢流口；

优选地，所述装置本体上还任选地设置反冲进口和/或排污口；

优选地，所述装置本体上还任选地设置出水检测口；

优选地，所述装置本体上还任选地设置菌种接入口；

优选地，所述装置还包括温度控制元件。

4.根据权利要求1-3任一项所述的污水处理装置，其特征在于，所述装置能够实现不同的功能或用途，例如作为厌氧处理装置，优选水解酸化装置或反硝化装置；或者作为好氧处理装置，优选硝化装置或碳化装置；

优选地，当其作为水解酸化装置时，接入的菌种为水解酸化菌、梭菌属、乳球菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属中的至少一种；

优选地，当其作为为反硝化装置时，接入的菌种为反硝化细菌，优选为假单胞菌、产碱杆菌属、胶德克斯菌、脱氮副球菌、色杆菌属、脱氮硫杆菌、微球菌属中的至少一种；

优选地，当其作为硝化装置时，接入的菌种包括氨氧化细菌和/或亚硝酸氧化细菌；

优选地，当其作为碳化装置时，接入的菌种为好氧碳化菌。

5.根据权利要求1-4任一项所述的污水处理装置，其特征在于，所述孔板可设置一个或多个；当存在多个孔板时，不同孔板的孔径相同或不同，优选不同；

优选地，所述孔板为平面孔板或者弧形孔板；

优选地，所述装置本体内还设置一个、两个或更多个布水器，所述进水口和/或反冲进口各自独立地与布水器连接；

优选地，所述装置还任选地包括膜层处理单元；

优选地，所述膜的材质为本领域已知可吸附有毒物质的材质。

6.根据权利要求1-5任一项所述的污水处理装置，其特征在于，所述水热碳化陶粒包括以重量份计的如下组分：

水热碳化材料 20-100份；

粘结材料 5-60份；

轻质材料 0-20份。

优选地，所述水热碳化陶粒的制备方法包括：将水热碳化材料、粘结材料、轻质材料和水混合，造粒，过筛，干燥，得到所述的水热碳化陶粒；优选地，所述制备方法还包括将过筛后的产物进行室温养护和蒸汽养护，干燥，得到所述污泥水热陶粒。

7.一种污水处理装置的使用方法，其特征在于，包括将至少一种权利要求1-6任一项所述装置用于污水处理。

8.一种污水处理联合装置，其特征在于，所述联合装置包括两个或更多个同种如权利要求1-6任一项所述的装置，或者包括两种或更多种不同种如权利要求1-6任一项所述的装置；

优选地，所述联合装置还包含额外的其他水处理或污水处理装置。

9.一种污水处理系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-6任一项所述污水处理装置或权利要求8所述污水处理联合装置。

10.一种污水处理方法，其特征在于，包括使用权利要求1-6任一项所述污水处理装置或权利要求8所述联合装置处理污水；

优选地，在所述方法中，至少一个所述污水处理装置的进水管道与出水管道在装置外连通，以实现水体循环。

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