CN111925044B - 一种生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生活污水序批式生物膜‑电解处理与回用设备及方法，通过生物膜与电解系统的耦合，本发明设备具有除磷脱氮效能高、工艺流程短、造价低、成本低、占地小、运行维护简便的特点。本发明设备包括进水管、生物膜‑电解耦合反应区、过滤区、出水管；其中，生物膜‑电解耦合反应区包括：生物填料、曝气系统、电解系统、可开闭电源；过滤区包括组合的滤料层、出水管。处理出水可达标排放或回用。本发明适合小规模生活污水的处理与回用。

Description

一种生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备及方法

技术领域

本发明涉及污水处理及环境保护技术领域，具体是一种生活污水的序批式生物膜-电解耦合处理与回用设备及方法。

背景技术

目前，我国小规模城镇污水的排放量达到污水总量的50%以上，乡镇、农村的污水处理率远低于城市污水处理率，大量分散排放的污水对水环境形成严重威胁。由于分散的小规模污水处理水质水量变化大，高效低成本处理成为难点。

对于小规模污水处理，为了实现高效低成本处理，将不同功能的工艺单元进行集成形成一体化装备，主要有基于A/O、A/A/O、MBR及生物转盘、生物接触氧化工艺等装备，该类装备解决了小规模污水处理工程建设周期长、投资高的问题，但该类一体化装备由多个工艺单元组合而成，存在工艺流程长、占地大、脱氮效能低的问题；加之化学除磷药剂的配制及投加导致运行管理复杂的问题突出。

近年来，用于污水分散式处理的一体化装备逐渐成为研究热点。例如中国专利文献先后公开的CN109052871A“一种分散式生物流化床一体化污水处理设备”CN109052867A“一种基于改性活性载体的分散生活污水EGA处理装置及处理工艺”；CN106365390B“一种利用太阳能的分散式污水处理方法”；CN109879514A“一种用于分散式污水处理设备有效除磷的装置”；CN209161785U“一种分散式户用型一体化污水处理装置”；CN209397092U“一种微动力一体化污水处理设备”CN110272150A“一种絮凝旋流沉淀过滤一体化的污水处理设备”；CN209226607U“一种带有无动力消毒装置的分散式污水处理设备”等，上述污水处理设备存在结构复杂、工艺流程长、占地面积大、成本高、运行维护复杂等问题。

发明内容

本发明的技术方案为：

本发明涉及一种生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备及方法，通过生物膜与电解系统的耦合，本发明设备具有除磷脱氮效能高、工艺流程短、造价低、成本低、占地小、运行维护简便的特点。

本发明设备包括依次设置的进水管、生物膜-电解耦合反应区、过滤区、排水管；

所述生物膜-电解耦合反应区内设置有：生物填料和电极系统，通过曝气系统向所述生物膜-电解耦合反应区内进行曝气；所述生物膜-电解耦合反应区通过出水管和所述过滤区连通；

所述过滤区内设置有滤料层；

所述电极系统包括：由金属制成的阳极和由具有导电作用的金属或惰性物质制成的阴极；所述阳极连接至可开闭电源的正极，所述阴极连接至可开闭电源的负极。

进一步地，所述生物膜-电解耦合反应区采用序批式运行工况进行运行，具体为：进水-第一次缺氧2h~4h-好氧6h~10h-第二次缺氧4h~8h-沉淀1h-出水，通过在进水泵、鼓风曝气机、出水电磁阀和可开闭电源处设置定时开关实现序批式运行工况的自控运行。

进一步地，所述生物膜-电解耦合反应区内，电极系统的阳极和阴极呈柱状设置，阳极由具有导电作用和在失去电子后能够与磷酸盐发生作用的金属制成；

所述生物膜-电解耦合反应区内布置有平行设置的多组电极，每组电极由1个阳极与4个阴极组成，阴极与阳极之间的间距2~10cm；各组电极的阳极之间的间距300~500cm。

进一步地，所述生物膜-电解耦合反应区内，各组电极之间填充有所述生物填料，所述生物填料为天然纤维填料，填充密度为30%至50%；

进一步地，所述生物膜-电解耦合反应区的底部设有排泥管及电磁阀，通过电磁阀开闭控制，定期排除剩余污泥。

进一步地，所述生物膜-电解耦合反应区的曝气系统包括：鼓风曝气机、空气管、微孔扩散器；空气管连通鼓风曝气机和微孔扩散器；微孔扩散器设于所述生物膜-电解耦合反应区的底部。

进一步地，所述过滤区内的滤料层为由聚氨酯泡沫滤料和砾石滤料组成，且所述聚氨酯泡沫滤料设置在所述砾石滤料的上层；聚氨酯泡沫滤料的尺寸为：1cm×1cm×1cm，砾石滤料的粒径为2~4mm。

本发明还提供了一种生活污水序批式生物膜-电解耦合处理与回用方法，应用于上述的生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备，包括：

步骤S1，将待处理污水通过进水管进入所述生物膜-电解耦合反应区内，并关闭连通生物膜-电解耦合反应区和过滤区的出水管上的电磁阀；

步骤S2：关闭可开闭电源和鼓风曝气机，使生物膜-电解耦合反应区进行缺氧反硝化脱氮，HRT为2h~4h；

步骤S3，开启鼓风曝气机，向生物膜-电解耦合反应区内进行曝气供氧；生物膜-电解耦合反应区内的溶解氧DO控制为4~6 mg/L，进行氨氮好氧硝化处理，HRT为8h~10h；

步骤S4：关闭鼓风曝气机，开启可开闭电源，使生物膜-电解耦合反应区内进行电解反应；其中，电极系统的阳极在电解作用下失去电子，再与污水中的磷酸盐、胶体有机物反应产生沉淀，对污水中的磷、悬浮物、胶体状态有机物的进行电絮凝去除；同时，阴极在电解作用下产生氢气，在生物填料上富集到氢自养反硝化菌，在无碳源条件下进行自养脱氮，HRT为4h~8h；

步骤S5：关闭可开闭电源，进行沉淀后，开启连通生物膜-电解耦合反应区和过滤区的出水管上的电磁阀，出水进入过滤区，经过滤料层吸附、截留去除污水中的悬浮物；

步骤S6：过滤区的出水通过出水管排放或回用。

本发明是技术优势特征为：

①生物与电解耦合，除磷脱氮效能高

一方面，生物膜-电解耦合反应区的中天然纤维填料生物亲和性好，天然纤维填料对微生物的富集能力强；硝化及反硝化功能菌属丰度高；同时，氧在天然纤维填料内的传质效率高，有利于微生物对氧的充分利用，硝化效率高、能耗低。另一方面，生物膜-电解耦合反应区中设置的电解系统，其金属阳极在电解作用下产生的金属离子，可与污水中的磷酸盐结合产生沉淀，实现磷的高效去除，并且可去除部分胶体和悬浮状态的有机物和SS；同时，阴极产生的氢气有利于氢自养反硝化菌在填料上的富集，使硝态氮在无碳源条件下得到有效去除，无需投加碳源，对低碳氮比污水具有高效脱氮的脱氮能力。

②过滤区组合滤料悬浮物截留效能高，有利于污水回用

在生物膜-电解耦合反应区经过电絮凝处理后的污水，在过滤区通过聚氨酯泡沫滤料与石英砂滤料的双重截留作用，可使污水中的悬浮物实现高效去除，使出水达到回用水标准。

③处理成本低、运行灵活、维护简便

本发明所采用的电解系统电压小，电流密度小，且供电时间短，整个处理过程耗电量低，可强化氮磷去除效能，省去除磷药剂和碳源投加系统，处理成本降低。生物膜-电解耦合反应区采用序批式运行模式，可以根据进水水质变化调整运行工况，设备运行灵活；同时，进水、缺氧、好氧、缺氧-电解、沉淀、排水等过程均可实现自动控制，维护简便。

④工艺流程简短、占地面积小、投资低

本发明的生活污水的序批式生物膜-电解耦合处理设备，集生物处理、电化学处理、沉淀、过滤等功能于一体，省去了现有一体化装备的化学除磷、沉淀工艺单元和污泥及混合液回流系统，具有工艺流程简短、占地面积小、易于维护和管理、工程投资低等优点。

附图说明

图1为本发明的设备的结构示意图；

图2为本发明中的设备的平面示意图；

附图标记说明:1、可开闭电源；2、反应池；3、鼓风曝气机；4、微孔扩散器；21、生物膜-电解耦合反应区；211、阳极；212、阴极；213、生物填料层；22、过滤区；221、聚氨酯泡沫滤料层；222、砾石滤料层；5、进水泵；6、进水管；7、出水管；8、排水管；9、排泥管；10、空气管；11、出水电磁阀；12、定时开关；14、电磁阀。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种生活污水的序批式生物膜-电解耦合处理与回用设备，该设备将生物膜技术与电解技术进行耦合集成，具有除磷脱氮效能高、工艺流程短、设备造价低、处理低成本、占地小、运行维护简便的特点，处理出水指标可达到《城镇污水厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定的一级A标准和《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB18920-2002）规定的标准。

参照图1至图2，本发明设备包括依次设置的进水管6、生物膜-电解耦合反应区21、过滤区22、排水管8，进水管6向生物膜-电解耦合反应区21提供进水，进水管6的进水端设置有控制进水的进水泵5，在进水泵5处设置有定时开关12，对进水泵5的开闭时间进行定时；排水管8连通过滤区22，对过滤区22过滤后的出水进行排放。所述生物膜-电解耦合反应区21内设生物填料213和电极系统，通过曝气系统3向生物膜-电解耦合反应区21内进行曝气；生物膜-电解耦合反应区21通过出水管7和过滤区22连通。

所述生物膜-电解耦合反应区21采用的序批式运行工况为进水-第一次缺氧2h~4h-好氧6h~8h-第二次缺氧4h~8h-沉淀1h-出水，在进水管6的进水端设置的进水泵5、曝气系统的鼓风曝气机3、出水管7上设置的出水电磁阀11、可开闭电源1处均设置定时开关12实现序批式运行的自控运行；所述电极系统的阳极211、阴极212呈柱状设置，阳极211由具有导电作用和在失去电子后能够与磷酸盐发生作用的金属制成；每组电极由1个阳极与4个阴极组成，阴极与阳极之间的间距为2~10cm；各组电极的阳极之间的间距为300~500cm，电解系统间歇式的运行；所述生物膜-电解耦合反应区21内，各组电极之间填充生物填料213，生物填料213为天然纤维填料，填充密度为30%至50%；所述生物膜-电解耦合反应区21的曝气系统包括：鼓风曝气机3、空气管10、微孔扩散器4，空气管10将鼓风曝气机3和微孔扩散器4连通，鼓风曝气机3设置在反应池2外围，用于在生物膜-电解耦合反应区21处于好氧阶段时通过空气管10向设于反应池2内的微孔扩散器4进行供氧。所述生物膜-电解耦合反应区21的底部设置有排泥管9及电磁阀14，电磁阀14安装在排泥管9上，通过控制电磁阀14的开闭，定期排除剩余污泥，污泥通过排泥管9排出。所述过滤区22内设滤料层；滤料层22为由聚氨酯泡沫滤料221和砾石滤料222组成，且所述聚氨酯泡沫滤料221设置在所述砾石滤料222的上层。生物膜-电解耦合反应区21和过滤区22通过中间池体中间设置的墙壁分隔开。

进水泵5将待处理污水从调节池中抽出，通过该进水管6进入到生物膜-电解耦合反应区21中，通过生物和电解耦合作用去除有机物、氮、磷，处理出水经出水管7进入过滤区22，通过滤料层吸附、截留去除悬浮物SS后，从设于过滤区22下部的排水管8排出。

本发明还提供了一种生活污水序批式生物膜-电解耦合处理与回用方法，应用于上述的生活污水序批式生物膜-电解耦合处理设备，包括：

步骤S1，将待处理污水通过进水管6进入所述生物膜-电解耦合反应区21内，并关闭连通生物膜-电解耦合反应区21和过滤区22的出水管7上的出水电磁阀11；

步骤S2：关闭可开闭电源1和鼓风曝气机3，使生物膜-电解耦合反应区21进行缺氧反硝化脱氮，HRT为2h~4h；

步骤S3，开启鼓风曝气机3，向生物膜-电解耦合反应区21内进行曝气供氧；生物膜-电解耦合反应区21内的溶解氧DO控制为4~6 mg/L，进行好氧硝化处理，HRT为6h~10h；

步骤S4：关闭鼓风曝气机3，开启可开闭电源1，使生物膜-电解耦合反应区21内进行电解反应；其中，金属阳极211在电解作用下失去电子，再与污水中的磷酸盐、胶体有机物反应产生沉淀，对污水中的磷、悬浮物、胶体状态有机物的进行电絮凝去除；同时，电解作用下在阴极212产生氢气，在生物填料213上富集到氢自养反硝化菌，在无碳源条件下进行自养脱氮，HRT为4h~8h；

步骤S5：关闭可开闭电源1，进行沉淀后，开启连通生物膜-电解耦合反应区21和过滤区22的出水管7上的出水电磁阀11，出水进入过滤区22，经过过滤填料层221、222吸附、截留去除污水中的悬浮物。

步骤S6：过滤区22的出水通过出水管8排放或回用。

用上述生活污水处理与回用的序批式生物膜-电解耦合设备，可使处理后的出水指标达到《城镇污水厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定的一级A类标准和《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB18920-2002）规定的标准，实现污水的高效低成本处理。

与现有技术比较，本发明具有以下特点：

①生物与电解耦合，除磷脱氮效能高

一方面，生物膜-电解耦合反应区的中天然纤维填料生物亲和性好，天然纤维填料对微生物的富集能力强；硝化及反硝化功能菌属丰度高；同时，氧在天然纤维填料内的传质效率高，有利于微生物对氧的充分利用，硝化效率高、能耗低。另一方面，生物膜-电解耦合反应区中设置的电解系统，其金属阳极在电解作用下产生的金属离子，可与污水中的磷酸盐结合产生沉淀，实现磷的高效去除，并且可去除部分胶体和悬浮状态的有机物和SS；同时，阴极产生的氢气有利于氢自养反硝化菌在填料上的富集，使硝态氮在无碳源条件下得到有效去除，无需投加碳源，对低碳氮比污水具有高效脱氮的脱氮能力。

②过滤区组合填料悬浮物截留效能高，有利于污水回用

在生物膜-电解耦合反应区经过电絮凝处理后的污水，在过滤区通过聚氨酯泡沫滤料与石英砂填料的双重截留作用，可使污水中的悬浮物实现高效去除，使出水达到回用水标准。

③处理成本低、运行灵活、维护简便

本发明所采用的电解系统电压小，电流密度小，且供电时间短，整个处理过程耗电量低，强化氮磷去除效能，省去除磷药剂和碳源投加系统，处理成本降低。生物膜-电解耦合反应区采用序批式运行模式，可以根据进水水质变化调整运行工况，设备运行灵活；同时，进水、缺氧、好氧、缺氧-电解、沉淀、排水等过程均可实现自动控制，维护简便。

④工艺流程简短、占地面积小、投资低

本发明的生活污水的序批式生物膜-电解耦合处理设备，集生物处理、电化学处理、沉淀、过滤等功能于一体，省去了现有一体化装备的化学除磷、沉淀工艺单元和污泥及混合液回流系统，具有工艺流程简短、占地面积小、易于维护和管理、工程投资低等优点。综上所述，本发明用于生活污水处理与回用的序批式生物膜-电解耦合设备及方法，集生物处理、电化学处理、沉淀、过滤等功能于一体，具有除磷脱氮效能高、工艺流程短、占地面积小、处理成本及工程投资低、管理简便的优势。

上述实施例只对其中一些本发明的一个或多个实施例进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (7)

1.一种生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备，其特征在于，包括：依次设置的进水管（6）、生物膜-电解耦合反应区（21）、过滤区（22）、排水管（8）；

所述生物膜-电解耦合反应区（21）内设置有：生物填料（213）和电极系统，通过曝气系统向所述生物膜-电解耦合反应区（21）内进行曝气；所述生物膜-电解耦合反应区（21）通过出水管（7）和所述过滤区（22）连通；

所述过滤区（22）内设置有滤料层（221、222）；

所述电极系统包括：由金属制成的阳极（211）和由具有导电作用的金属或惰性物质制成的阴极（212）；所述阳极（211）连接至可开闭电源（1）的正极，所述阴极（212）连接至可开闭电源（1）的负极；所述生物膜-电解耦合反应区(21)采用序批式运行工况进行运行，具体为：进水-第一次缺氧2h~4h-好氧6h~10h-第二次缺氧4h~8h-沉淀1h-出水；

通过在进水泵（5）、鼓风曝气机（3）、可开闭电源（1）、出水电磁阀（11）处设置定时开关（12）实现序批式运行工况的自控运行；

第一次缺氧2h~4h的过程为：关闭可开闭电源（1）和鼓风曝气机（3），使生物膜-电解耦合反应区（21）进行缺氧反硝化脱氮，去除有机物和硝氮，HRT为2h~4h；

好氧6h~10h的过程为：开启鼓风曝气机（3），向生物膜-电解耦合反应区（21）内进行曝气供氧；生物膜-电解耦合反应区（21）内的溶解氧DO控制为4~6 mg/L，进行好氧硝化处理去除氨氮，HRT为6h~10h；

第二次缺氧4h~8h的过程为：关闭鼓风曝气机（3），开启可开闭电源（1），使生物膜-电解耦合反应区（21）内进行电解反应；其中，电极系统的阳极（211）在电解作用下失去电子，再与污水中的磷酸盐、胶体有机物反应产生沉淀，对污水中的磷、悬浮物、胶体状态有机物的进行电絮凝去除；同时，阴极（212）在电解作用下产生氢气，在生物填料（213）上富集到氢自养反硝化菌，在低碳源条件下进行自养脱氮，HRT为4h~8h。

2.根据权利要求1所述的生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备，其特征在于，所述生物膜-电解耦合反应区（21）内，电极系统的阳极（211）和阴极（212）呈柱状设置，阳极（211）由具有导电作用和在失去电子后能够与磷酸盐发生作用的金属制成；

所述生物膜-电解耦合反应区（21）内布置有平行设置的多组电极，每组电极由1个阳极（211）与4个阴极（212）组成，阴极（212）与阳极（211）之间的间距2~10cm；各组电极的阳极（211）之间的间距300~500cm。

3.根据权利要求2所述的生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备，其特征在于，所述生物膜-电解耦合反应区（21）内，各组电极之间填充有所述生物填料（213）；所述生物填料（213）为天然纤维填料，填充密度为30%至50%。

4.根据权利要求1所述的生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备，其特征在于，所述生物膜-电解耦合反应区（21）的曝气系统包括：鼓风曝气机（3）、空气管（10）、微孔扩散器（4）；空气管（10）连通鼓风曝气机（3）和微孔扩散器（4）；微孔扩散器（4）设于所述生物膜-电解耦合反应区（21）的底部。

5.根据权利要求1所述的生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备，其特征在于，所述生物膜-电解耦合反应区（21）的底部设有排泥管（9）及电磁阀（14），通过电磁阀（14 ）开闭控制，定期排除剩余污泥。

6.根据权利要求1所述的生活污水序批式生物膜-电解处理与回用设备，其特征在于，所述过滤区（22）内的滤料层由聚氨酯泡沫滤料（221）和砾石滤料（222）组成，且所述聚氨酯泡沫滤料（221）设置在所述砾石滤料（222）的上层；聚氨酯泡沫滤料（221）的尺寸为：1cm×1cm×1cm，砾石滤料（222）的粒径为2~4mm。

7.一种生活污水序批式生物膜-电解耦合处理与回用方法，应用于权利要求1至6任一项所述的生活污水序批式生物膜-电解处理与回用 设备，其特征在于，包括：

步骤S1，将待处理污水通过进水管（6）进入所述生物膜-电解耦合反应区（21）内，并关闭连通生物膜-电解耦合反应区（21）和过滤区（22）的出水管（7）上的电磁阀（11）；

步骤S2，关闭可开闭电源（1）和鼓风曝气机（3），使生物膜-电解耦合反应区（21）进行缺氧反硝化脱氮，去除有机物和硝氮，HRT为2h~4h；

步骤S3，开启鼓风曝气机（3），向生物膜-电解耦合反应区（21）内进行曝气供氧；生物膜-电解耦合反应区（21）内的溶解氧DO控制为4~6 mg/L，进行好氧硝化处理去除氨氮，HRT为6h~10h；

步骤S4：关闭鼓风曝气机（3），开启可开闭电源（1），使生物膜-电解耦合反应区（21）内进行电解反应；其中，电极系统的阳极（211）在电解作用下失去电子，再与污水中的磷酸盐、胶体有机物反应产生沉淀，对污水中的磷、悬浮物、胶体状态有机物的进行电絮凝去除；同时，阴极（212）在电解作用下产生氢气，在生物填料（213）上富集到氢自养反硝化菌，在低碳源条件下进行自养脱氮，HRT为4h~8h；

步骤S5：关闭可开闭电源（1），进行沉淀后，开启连通生物膜-电解耦合反应区（21）和过滤区（22）的出水管（7）上的电磁阀（11），出水进入过滤区（22），经过滤料层（221、222）吸附、截留去除污水中的悬浮物；

步骤S6：过滤区（22）出水通过排 水管（8）排放或回用。

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