CN112794581B - 一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置及工艺，该污水处理装置包括从内到外依次连通的若干同心圆筒结构，且所述同心圆筒结构沿污水处理方向分别为污泥减量池、污泥沉淀池、缺氧池和好氧池，在好氧池内还布置有浸没在液面下的膜组件，所述膜组件还连接装置出水口。与现有技术相比，本发明可在保证出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918‑2002)一级A标准(以下简称一级A标准)的同时实现污泥显著减量。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置及工艺。
背景技术
由于近年来污水处理厂的数量快速增加以及环保法规的日益严格，利用活性污泥法处理污水的过程中产生的大量剩余污泥已成为限制污水厂进一步发展的主要因素之一。传统的污泥处理处置技术着眼于解决降低污泥含水率，其投资和运行费用巨大，约占城镇污水处理厂的50-65％，己成为城市污水处理厂的沉重经济负担。从技术角度来讲，污泥处理处置存在工艺流程长、运行管理复杂的特点，也存在污泥脱水液难以处理的问题。因此，开发有效的污泥原位减量技术是非常重要和必要的，而在污水处理过程中有效降低污泥产量的污泥过程减量技术逐渐成为目前的研究热点。
在污泥原位减量过程中，通过好氧和厌氧条件之间的交替变换进行解偶联代谢以及微氧池中的污泥衰减是污泥减少的两个主要原因。基于污泥减量的四种机理：溶胞-隐性增长、代谢解偶联，微生物捕食和维持代谢，加热、超声波等物理方法，臭氧氧化、芬顿氧化等化学方法和投加微生物制剂或者解偶联剂等生物方法均被应用污泥过程减量，促进微生物溶胞-隐性生长和解偶联代谢。然而，这些技术的能耗较高，且对设备的要求较高，投资相对较大，还可能会带来二次污染的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置及工艺，以克服较高的剩余污泥产量增加后续污泥处理和处置的成本、污泥处理与处置造成二次污染、侧流污泥减量处理装置占地面积过大等问题。同时，还可以通过后续改进在保证出水水质基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准(以下简称一级A标准)的同时实现污泥显著减量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置，包括从内到外依次连通的若干同心圆筒结构，且所述同心圆筒结构沿污水处理方向分别为污泥减量池、污泥沉淀池、缺氧池和好氧池，在好氧池内还布置有浸没在液面下的膜组件，所述膜组件还连接装置出水口。
进一步的，所述好氧池的下部还设有返回连接所述缺氧池的泥水混合液回流管路，所述污泥沉淀池的底部还安装有返回连接所述污泥减量池的污泥循环管道。
进一步的，所述同心圆筒结构的高度从内到外依次降低。
进一步的，所述污泥减量池的底部设有与外部空气泵连接的曝气管。
进一步的，所述污泥减量池的中心位置还设置中心转轴，在中心转轴上设有搅拌组件，所述中心转轴的底部还连接位于污泥沉淀池的刮泥组件。
进一步的，所述污泥减量池与污泥沉淀池、缺氧池与好氧池之间的连通孔设置在下部位置，所述污泥沉淀池与缺氧池之间的连通孔开设在上部位置。
进一步的，所述的缺氧池内还设有缺氧/好氧切换区。
更进一步的，所述的缺氧池在其与好氧池连接的其中一个连通孔的两侧对称位置设置有隔断板，使得在缺氧池内形成与其余空间隔开的所述缺氧/好氧切换区，在缺氧/好氧切换区的底部还设有独立的曝气组件。优选的，所述的隔断板可沿垂直于缺氧池底部方向上下移动，以实现缺氧/好氧切换区与缺氧池其余空间的隔开或连通，具体为在正常运行时，缺氧/好氧切换区以缺氧池的模式运行，此时，隔断板向上提起，使得缺氧/好氧切换区与缺氧池内其余区域连通，曝气组件不工作，缺氧池的泥水混合液由底部连通孔进入好氧池；当进水负荷过高时，缺氧/好氧切换区切换至好氧池的模式运行，即将隔断板放下，使得缺氧/好氧切换区与缺氧池内其余区域隔开，然后，隔断板打开切换区底部铺设的曝气组件，使切换区的污泥充分曝气，并经由切换区底部的连通孔与好氧池连通。
本发明的技术方案之二提供了一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的污水处理工艺，其采用如上所述的同心圆筒式污水处理装置实施，先将待处理污水打入污泥减量池中处理后，送入污泥沉淀池中进行泥水分离，分离所得污泥返回污泥减量池继续处理，所得上清液依次送入缺氧池和好氧池中处理，处理后的排放水经装置出水口排出。
进一步的，缺氧池的水力停留时间为0.1-10h；
好氧池的水力停留时间为1-20h。
进一步的，污泥减量池中的溶解氧浓度控制为0.05-2.0mg/L，好氧池中的溶解氧浓度控制为1-6mg/L；
污泥减量池中的污泥浓度控制为500-30000mg/L，好氧池中的污泥浓度控制为500-20000mg/L。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)减少占地。本发明将污水处理装置的主体部分设置为同心圆筒，同步实现污泥过程减量与污染物去除，缩短了水力停留时间，减少了占地面积。传统的污水处理装置为分离的单体反应单元，并沿着处理工艺的流程沿线布置，而同心圆筒式反应装置将分体污水处理单元集中布置，在大大减少占地面积的同时方便管理。
(2)污泥减量。在保证出水水质满足一级A标准的同时实现污泥显著减量，污泥产量比传统污水处理工艺减少10％-40％。
(3)操作灵活。同心圆筒式反应装置设有四分之一圆环的缺氧池/好氧池切换区，可根据进水负荷进行切换。同心圆筒式反应装置及配套设施(泵、曝气组件等)设置集中，管理方便，可根据实际情况切换运行模式，操作灵活。
(4)膜污染轻。与传统缺氧/好氧(AO)耦合膜-生物反应器AO-MBR相比，通过前置水解沉淀耦合膜-生物反应器工艺生理生态调控，降解进水中大部分膜污染物，污泥性质改变有利于膜污染的减轻。
附图说明
图1为本发明的污水处理装置的主视示意图；
图2为污水处理装置的左视示意图；
图3为污水处理装置的的俯视示意图；
图4为污水处理装置运行过程中的出水性能图；
图5为污水处理装置中的污泥特性图；
图6为污水处理装置中的膜污染变化情况图；
图中标记说明：
1-进水泵，2-污泥减量池，3-污泥沉淀池，4-缺氧池，5-好氧池，6-膜组件，7-电机调速器，8-搅拌组件，9-空气泵，10-曝气管一，11-刮泥组件，12-排泥阀门，13-曝气管二，14-污泥回流泵，15-混合液回流泵，16-第一出水泵，17-第二出水泵，18-缺氧/好氧切换区，19-连通孔，20-隔断板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面对本发明的同心圆筒式污水处理装置进行说明：
参见图1至图3所示，一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置，包括从内到外依次连通的若干同心圆筒结构，且所述同心圆筒结构沿污水处理方向分别为污泥减量池2、污泥沉淀池3、缺氧池4和好氧池5，在好氧池5内还布置有浸没在液面下的膜组件6，所述膜组件6还连接装置出水口。优选的，膜组件6连接液相出口管，出口管一端连接压力计设备，另一端为装置出水，具体出水时，通过出水泵对膜组件6进行抽吸，以使得出水排出装置。同时，膜组件6可采用平板膜、中空纤维膜、管式膜、环形曲面膜组件6形式。膜组件6的材料可以选用偏聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚偏氟乙烯和偏二氟乙烯等。
在一些实施方式中，所述好氧池5的下部还设有返回连接所述缺氧池4的泥水混合液回流管路，所述污泥沉淀池3的底部还安装有返回连接所述污泥减量池2的污泥循环管道，这样，使得污泥沉淀池3底部的污泥可以循环回流至污泥减量池2，好氧池5底部的污泥混合液则可以回流至缺氧池4，整个系统不排泥，有利于世代时间较长的自养菌的富集，硝化速率提高。同时，待处理水进入污泥减量池2，与污泥沉淀池3回流的污泥混合均匀，保持处于微氧环境，在COD降解、硝化、同步硝化反硝化等生化反应的同时进行污泥减量。
在一些实施方式中，所述同心圆筒结构的高度从内到外依次降低，这样可使得污水从内侧的同心圆筒结构自流至外侧的同心圆筒结构。
在一些实施方式中，所述污泥减量池2的底部设有与外部空气泵9连接的曝气管一10，好氧池5的底部同样设有曝气管二13。
在一些实施方式中，所述污泥减量池2的中心位置还设置与电机调速器7连接的中心转轴，在中心转轴上设有搅拌组件8，使污泥处于完全混合状态，所述中心转轴的底部还连接位于污泥沉淀池3的刮泥组件11，以避免污泥在沉淀池底部粘结。此处的搅拌组件8可以采用本领域常用的搅拌桨等结构，用于对污泥减量池2进行搅拌，而刮泥组件11则可以采用本领域常用的与中心轴相连且贴合污泥沉淀池3底部的刮板，用于刮掉粘附在底部的沉淀污泥，以方便后续返流至污泥减量池2。另外，污泥沉淀池3的底部还设有排泥阀门12，以方便定期清理淤泥。
在一些实施方式中，所述污泥减量池2与污泥沉淀池3、缺氧池4与好氧池5之间的连通孔19设置在下部位置，所述污泥沉淀池3与缺氧池4之间的连通孔19开设在上部位置。
在一些实施方式中，所述的缺氧池4内还设有缺氧/好氧切换区18，即通过在缺氧池和好氧池其中一侧的连通孔19的两侧对称位置加设两块可上下移动的隔断板20，并在此部分区域的底部增设独立的曝气组件，在正常运行时，缺氧/好氧切换区18以缺氧池的模式运行，此时，隔断板20向上提起，使得缺氧/好氧切换区18与缺氧池4内其余区域连通，曝气组件不工作，缺氧池4的泥水混合液由底部连通孔进入好氧池；当进水负荷过高时，缺氧/好氧切换区18切换至好氧池的模式运行，即将隔断板20放下，使得缺氧/好氧切换区18与缺氧池4内其余区域隔开，然后，隔断板20打开切换区底部铺设的曝气组件，使切换区的污泥充分曝气，并经由切换区底部的连通孔19与好氧池连通，增加好氧池体积的同时还创造复杂的切换区环境，有利于微生物多样性的提高。
下面继续对本发明的污水处理工艺进行解释说明：
在一些实施方式中，一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的污水处理工艺，其采用如上所述的同心圆筒式污水处理装置实施，先将待处理污水打入污泥减量池2中处理后，送入污泥沉淀池3中进行泥水分离，分离所得污泥返回污泥减量池2继续处理，所得上清液依次送入缺氧池4和好氧池5中处理，处理后的排放水经装置出水口排出。
更具体的实施方式中，缺氧池4的水力停留时间为0.1-10h；好氧池5的水力停留时间为1-20h。
更具体的实施方式中，污泥减量池2中的溶解氧浓度控制为0.05-2.0mg/L，好氧池5中的溶解氧浓度控制为1-6mg/L。
更具体的实施方式中，污泥减量池2中的污泥浓度控制为500-30000mg/L，好氧池5中的污泥浓度控制为500-20000mg/L。由于污泥减量池2中的污泥浓度较高，抵抗进水冲击的能力强，因此待处理水可以为生活污水和多种类型的工业废水。
通过以下实施例可以更好地理解本发明，提出以下实施例是为了用来示例性说明，而不应当理解为限制本发明。
实施例1：
本实施例具有同步实现污泥减量和污染物高效去除的污水及废水处理技术的具体步骤如下：
将待处理水泵入同心圆筒式污水处理装置进行污水处理，同心圆筒式污水处理装置的结构参见图1至图3所示，按水流方向分为污泥减量池2、污泥沉淀池3、缺氧池4和好氧池5，出水由好氧池5中的膜组件6排出，同步实现污泥过程减量和污水中污染物的去除。污泥减量池2中的泥水混合液由下部的连通孔19进入污泥沉淀池3进行泥水分离，分离的污泥经污泥回流泵14以100％的回流比返回污泥减量池2；泥水分离后的上清液由反应器上部的连通孔19排出并依次进入缺氧池4和好氧池5继续处理。污泥减量池2中设置搅拌组件8，保证进水和回流污泥与污泥减量池2中的泥水混合液混合均匀。好氧池5中泥水混合液经混合液回流泵15以200％的回流比返回缺氧池4。污泥减量池2中设有搅拌组件8，其溶解氧浓度为0.05-0.5mg/L，缺氧池4中的溶解氧浓度为0.2-1.0mg/L，好氧池5中的溶解氧浓度为2-6mg/L。缺氧池4内还设有缺氧/好氧切换区18，即通过在缺氧池和好氧池其中一侧的连通孔19的两侧对称位置加设两块可上下移动的隔断板20，并在此部分区域的底部增设独立的曝气组件。
待处理水中总磷浓度为1.59-5.00mg/L，经过上述处理后，平均出水总磷浓度为1.25mg/L。由于系统长期不排泥，污泥活性低，出水总磷较高，在只依靠生物处理难以达到一级A的排放标准，因此需要在装置后增加化学除磷池。
利用单因素实验筛选最佳控制条件，主要包括药剂类型和最佳投加量。选择无机金属盐药剂聚合氯化铝(PAC)，聚合硫酸铁(PFS)和硫酸铝(Al2(SO4)3)进行最佳药剂类型的筛选。设定搅拌方式为首先快速搅拌1分钟，转速为400-420rpm，然后再慢速搅拌10分钟，转速为100rpm。综合考虑去除率，出水浊度及pH的影响，选择PAC作为工艺的除磷药剂。通过外加磷标准液，使得初始磷浓度在5.0mg/L左右，分别投加0、10、20、30、40和50mg/L的PAC，最终得到PAC的最佳投加量为40mg/L，出水磷去除率超过80％，出水浊度小于0.57NTU。
实施例2
本实施例参照上述实施方式提供了一种可以污泥减量同步实现污染物高效去除的工艺，如图1所示，主要包括污泥减量池2、污泥沉淀池3、缺氧池4、好氧池5以及膜组件6，具体结构组成可以参考实施例1。
本实施例具有同步实现污泥减量和污染物高效去除的污水及废水处理技术，运行装置(SPR-MBR)如下：
待处理生活污水经格栅处理后的化学需氧量(COD)、氨氮、总氮和总磷的平均浓度分别为317.2、35.4、41.0和4.9mg/L，由进水泵1泵入污泥减量池2(微氧环境：0.2～0.5mg/L左右)，与污泥回流泵14回流100％的污泥沉淀池3底部的污泥混合后反应1.5h后由下部开孔19进入污泥沉淀池3沉降3h后，上清液由污泥沉淀池3上部的连通孔19自流进入缺氧池4。污泥减量池2设有搅拌组件8，可保证进水和回流污泥与反应器中的泥水混合液混合均匀。污泥沉淀池3出水由其上部的连通孔19进入缺氧池4，与混合液回流泵15回流200％的好氧池5剩余污泥混合均匀，反应2.3h后由缺氧池4下部的连通孔19进入好氧池5。在好氧池5中，反应时间为6.7h，使得反应单元的溶解氧均匀分布，出水通过膜组件6经第一出水泵16和第二出水泵17进行抽吸出水，膜通量设置为15L/(m2·h)。采用聚偏氟乙烯的环形膜组件6。以此模式连续运行工艺五个月，出水中的COD、氨氮、总氮和总磷的平均浓度分别为7.3、0.1、23.1和2.8mg/L。同时运行一组缺氧/好氧池5(AO-MBR)作为对照，装置运行期间进水、污泥沉淀池3出水和膜出水见附图4，出水总磷不满足一级A的排放标准，因此需要按照实施例1在装置后增加化学除磷池。
同心圆筒式污水处理装置的pH为6.5-8.5。在污泥减量池2中主要利用待处理水中带入的部分溶解性COD作为反硝化和释磷的碳源，在微氧条件下进行反硝化和释磷过程，并利用污泥衰减、水解及微氧条件下富集的相关污泥减量功能菌减少污泥产率，实现污泥减量，污泥产量较常规的AO-MBR污水处理装置减少40％。缺氧池4主要进行反硝化和缺氧吸磷过程，好氧池5主要进行硝化和好氧吸磷过程。污泥减量池2与污泥沉淀池3之间进行污泥循环，缺氧池4与好氧池5之间进行污泥循环，形成双泥系统，污泥减量池2的设置大大减少了待处理水中有机负荷和有毒有害离子对后端系统的冲击。污泥性质得到改善。污泥特性图见附图5，由图知，污泥的比阻和毛细脱水时间在AO-MBR中分别为6.96±0.31×109m/kg和3.17±0.15s，而SPR-MBR中污泥的比阻和毛细脱水时间小于AO-MBR，分别为5.45±0.14×109m/kg和2.73±0.03s，这说明SPR-MBR改善了污泥的沉降脱水性能。相比于SPR-MBR(112.12±0.62μm)，AO-MBR中更小的粒径(99.27±1.93μm)可能会加重膜污染。膜污染变化情况见附图6，由图6以及图5中的粒径结果知，增加了SPR模块的MBR膜污染较AO-MBR轻，污泥性质的改变有利于膜污染的减轻。
实施例3
本实施例具有同步实现污泥减量和污染物高效去除的污水及废水处理技术的具体步骤如下，整个处理装置参考图1至图3所示，与实施例1的装置结构基本一致：
将30％的工业废水与70％生活污水混合均匀后的高COD高氨氮废水作为待处理水，进水COD、氨氮、总氮和总磷分别为1093、584、875和5mg/L。待处理水经过预处理后进入污泥减量池2，污泥浓度为8g/L，水力停留时间为3h，在污泥减量池2中出去部分氮和COD，经过污泥沉淀池3进行泥水分离。分离的污泥经污泥回流泵1415以200％的回流比与待处理水在污泥减量池2混合均匀，水力停留时间为4.5h。分离的上清液由反应器上部的连通孔19自流入缺氧池4。污泥沉淀池3出水的COD、氨氮、总氮和总磷分别为817、459、615和5.5mg/L。为了更好地降解COD以及脱氮除磷，此时，将厌氧/好氧切换区18(厌氧/好氧切换区18设置在缺氧池4内，通过在缺氧池和好氧池其中一侧的连通孔19的两侧对称位置加设两块可上下移动的隔断板20而形成，并在此部分区域的底部增设独立的曝气组件)开启，增加好氧池5的体积，即增加好氧池5的水力停留时间。缺氧池4和好氧池5的水力停留时间分别为3h和10h。为了更好地去除总氮，好氧池5的污泥混合液被混合液回流泵15以250％的回流比回流至缺氧池4并与污泥沉淀池3混合均匀。由于好氧池5较长的水力停留时间，为硝化菌的繁衍提供了保障，此时出水氨氮可以达到一级A的出水标准，氨氮浓度较低，硝态氮浓度相对较高，此时将污泥混合液回流至缺氧池4，反硝化菌可以利用进入缺氧池4中充足的碳源以及污泥混合液回流带来的氮源进行反硝化代谢，以达到降解COD和脱氮的目的。最后出水经好氧池5中膜组件6排出。膜组件6材料采用聚偏氟乙烯。
经过上述模式稳定运行4个月后，出水的COD、氨氮、总氮和总磷分别为35、5、12和0.5mg/L，pH为6.5-8.5，基本满足一级A标准，可考虑增加后续化学除磷措施，如投加无机金属盐药剂等。较常规的AO-MBR污水处理装置，污泥产量可减少30％。
对比例1：
与实施例3相比，除了省去了厌氧/好氧切换区18的设置，其他绝大部分相同。经过此模式稳定运行4个月后，反应器出水的COD、氨氮、总氮和总磷分别为60、12、20和0.4mg/L，污泥产量较常规的AO-MBR污水处理装置减少18％。将厌氧/好氧切换区18设置为好氧区时，延长了好氧池的停留时间，有利于难降解有机物充分被异养微生物利用，且富集了更多的自养硝化菌，有利于氨氮的去除。此外，在由缺氧区切换至好氧区时，会存在一段时间的缺氧/好氧的交替环境，此阶段富集更多类型的微生物种群，有利于氮的去除和污泥减量。
对比例2：
与实施例3相比，除了污泥减量池、污泥沉淀池、缺氧池和好氧池等改为采用等容积且分离的单体反应单元，其余绝大部分相同。经过此模式稳定运行4个月后，COD、氨氮、总氮和总磷分别为38、5、12和0.4mg/L，分离单元的水质与同心圆筒的处理水质接近。但是实施例3的装置可节省至少51％的占地面积(只考虑反应器占地，不考虑设备及管线连接等)，并且同心圆筒式反应装置及配套设施(泵、曝气组件等)设置集中，管理方便，可根据实际情况切换运行模式，操作灵活。
上述的对实施例和对比例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例和对比例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置，其特征在于，包括从内到外依次连通的若干同心圆筒结构，且所述同心圆筒结构沿污水处理方向分别为污泥减量池、污泥沉淀池、缺氧池和好氧池，在好氧池内还布置有浸没在液面下的膜组件，所述膜组件还连接装置出水口；
所述好氧池的下部还设有返回连接所述缺氧池的泥水混合液回流管路，所述污泥沉淀池的底部还安装有返回连接所述污泥减量池的污泥循环管道；
所述污泥减量池与污泥沉淀池、缺氧池与好氧池之间的连通孔设置在下部位置，所述污泥沉淀池与缺氧池之间的连通孔开设在上部位置；
所述的缺氧池内还设有缺氧/好氧切换区。
2.根据权利要求1所述的一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置，其特征在于，所述同心圆筒结构的高度从内到外依次降低。
3.根据权利要求1所述的一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置，其特征在于，所述污泥减量池的底部设有与外部空气泵连接的曝气管。
4.根据权利要求1所述的一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的同心圆筒式污水处理装置，其特征在于，所述污泥减量池的中心位置还设置中心转轴，在中心转轴上设有搅拌组件，所述中心转轴的底部还连接位于污泥沉淀池的刮泥组件。
5.一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的污水处理工艺，其采用如权利要求1-4任一所述的同心圆筒式污水处理装置实施，其特征在于，先将待处理污水打入污泥减量池中处理后，送入污泥沉淀池中进行泥水分离，分离所得污泥返回污泥减量池继续处理，所得上清液依次送入缺氧池和好氧池中处理，处理后的排放水经装置出水口排出。
6.根据权利要求5所述的一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的污水处理工艺，其特征在于，缺氧池的水力停留时间为0.1-10h；好氧池的水力停留时间为1-20h。
7.根据权利要求5所述的一种同步实现污泥原位减量和污染物去除的污水处理工艺，其特征在于，污泥减量池中的溶解氧浓度控制为0.05-2.0mg/L，好氧池中的溶解氧浓度控制为1-6mg/L；
污泥减量池中的污泥浓度控制为500-30000mg/L，好氧池中的污泥浓度控制为500-20000mg/L。
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