CN113387445B - 一种水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水解酸化‑太阳能供电‑微藻曝气‑耦合回流供氧微氧污泥床组合装置及其应用。该装置包括水解酸化处理单元、微氧处理单元、外循环微藻复氧沉淀一体池、太阳能电池组件和补光灯；水解酸化处理单元包括水解酸化污泥床、微孔曝气装置、连接管、三相分离器、气体输送管、水解酸化剩余污泥排放管；微氧处理单元包括微氧污泥床、复氧水回流管与回流泵；微氧污泥床内设有微氧污泥填料；所述微氧污泥床通过出水管与外循环微藻复氧沉淀一体池相连接，外循环微藻复氧沉淀一体池能与多个微氧处理单元相连；所述补光灯通过蓄电池和充电控制器与太阳能电池组件相连接；该装置可应用于废水处理。

Description

一种水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污 泥床组合装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置及其在废水处理中的应用，属于污水处理技术领域。
背景技术
城市污水处理厂大多采用厌氧和好氧活性污泥法为核心的污水处理方式，该方式在废水有机物降解、脱氮除磷方面起到了一定作用，但仍存在很多问题。如：污水处理过程中产生的二氧化碳气体加剧温室效应；将脱氮的硝化、反硝化过程在时间或空间上分开，增加了水力停留时间和占地面积；鼓风曝气电耗占污水厂总能耗的40%-50%，反应能耗高；有机物的矿化作用导致反硝化过程碳源不足，需要外加碳源作为反硝化反应的电子供体；污泥产量大，污泥处置费用高等缺点。水解酸化-微氧组合处理工艺可降低原水中有机碳源进入到后续活性污泥处理阶段的比例，使后续生化曝气过程的能耗降至最低。微氧反应是在单一反应器中将溶解氧控制在0.3-1.0 mg/L，使活性污泥形成外层好氧、内层兼氧的微环境，为好氧菌、厌氧菌、兼性菌提供互生环境，利于中间产物和电子链的传递，协同去除水中污染物，存在短程硝化反硝化，厌氧氨氧化，异养反硝化，自养反硝化等多种反应，实现碳氮磷的同步去除。在微氧生物处理系统中，由于以无机物为电子受体的微生物氧化还原产能低，因此降低了微生物自身合成速率，与好氧处理系统去除单位COD的污泥产量[以挥发性悬浮固体（VSS）计]高达0.42～0.45 g VSS/g COD相比，微氧处理系统在处理负荷相同时，污泥产量仅为0.06～0.11 g VSS/g COD，从而导致污泥产率下降。另外，微氧污泥床装置采用菌藻分离系统，微氧污泥床出水经过后续外循环微藻复氧沉淀一体池中的微藻进一步去除剩余氮磷，是一种有前景的污水处理工艺。
目前，厌氧技术或水解酸化技术产生的二氧化碳大多直接排入大气增加了温室效应，微藻利用二氧化碳的途径被忽视；另外微氧技术和菌藻共生系统中采用的复氧方式为鼓风曝气方式，微藻通过光合作用产氧的方式也被忽视。
发明内容
本发明旨在提供一种水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置及其废水处理方法。
本发明首次将微藻复氧和水解酸化-微氧活性污泥技术相结合，以水解酸化产生的CO2作为微藻光合作用的碳源，微藻光合作用产氧作为微氧反应装置供氧方式，夜间以太阳能电池储存的能量为微藻光合作用供电，构建水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床工艺，通过控制外循环微藻复氧沉淀一体池的回流比可有效控制微氧污泥床水中的溶解氧浓度，微氧污泥床出水中的氮磷污染物进一步被外循环微藻复氧沉淀一体池中的藻类去除，提高污水处理中污染物的去除效率，在污水处理实际应用中有重要的现实意义。
本发明提供了一种水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，包括水解酸化处理单元、微氧处理单元、外循环微藻复氧沉淀一体池、太阳能电池组件和补光灯；
水解酸化处理单元包括水解酸化污泥床、微孔曝气装置、连接管、三相分离器、气体输送管、水解酸化剩余污泥排放管；水解酸化污泥床底部连接废水池，废水池的废水通过水泵和管道抽入到水解酸化污泥床底部的进水口。
微氧处理单元包括微氧污泥床、微氧污泥填料、复氧水回流管（将复氧水从外循环微藻复氧沉淀一体池回流到微氧污泥床中）、回流泵、出水管与微氧剩余污泥排放管；微氧污泥床内设有微氧污泥填料；所述微氧污泥床通过出水管与外循环微藻复氧沉淀一体池相连接，外循环微藻复氧沉淀一体池能与多个微氧处理单元相连；
所述水解酸化污泥床顶部出水口与微氧污泥床底部进水口通过连接管连接；所述水解酸化污泥床顶部设三相分离器，经三相分离器分离的二氧化碳气体通过气体输送管充入外循环微藻复氧沉淀一体池；所述外循环微藻复氧沉淀一体池顶部开口，设溢流堰，外循环微藻复氧沉淀一体池为圆柱筒结构，设置在长方体结构的清水池内，清水池底部设出水排放管，外循环微藻复氧沉淀一体池的水通过顶部溢流堰溢流到清水池，再通过清水池的出水排放管排放；所述外循环微藻复氧沉淀一体池内设置拦截网截留微藻，其拦截网以上、顶部液面下设有微藻复氧水回流管，复氧水回流管通过回流泵与微氧污泥床相连，微氧污泥床底部为倒锥形，底部设有污泥排放口；
所述补光灯通过蓄电池和充电控制器与太阳能电池组件相连接；补光灯设置光照强度调节器；太阳能电池组件设有开关。
上述装置进一步说明如下：
所述微氧污泥床与外循环微藻复氧沉淀一体池的容积比为1:1~0.1:1。
所述连接管上设置U形管段，以防气体通过连接管进入微氧污泥床。
所述外循环微藻复氧沉淀一体池内的拦截网孔径小于1cm。复氧水回流管管口处设在外循环微藻复氧沉淀一体池溢流堰液面下方与拦截网之间，且复氧水回流管管口与溢流堰液面及拦截网的距离均大于3cm。
所述补光灯数量根据光照强度确定，补光灯可安装在外循环微藻复氧沉淀一体池内部中央部位或环绕内壁一圈，也可安装在外部且环绕外壁一圈。进一步地，当外循环微藻复氧沉淀一体池采用透明玻璃材质时，外循环微藻复氧沉淀一体池内部或外壁安装若干补光灯，当外循环微藻复氧沉淀一体池采用混凝土或者钢铁等不透光材料时，补光灯安装在外循环微藻复氧沉淀一体池内部。
所述水解酸化污泥床采用上部为柱体、下部为圆锥体的构筑物，微氧污泥床采用上部为柱体、下部为圆锥体的构筑物。
本发明提供了上述水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置在处理废水中的应用。
上述的应用，包括以下步骤：
废水通过进水管从水解酸化污泥床的底部进水口处进入，在水解菌群和产酸菌群的作用下降解废水中的有机物，产生的气体经三相分离器分离后通过气体输送管充入外循环微藻复氧沉淀一体池为微藻光合作用提供碳源；所述水解酸化污泥床底部的剩余污泥通过水解酸化剩余污泥排放管排出；
经过水解菌群和产酸菌群处理的废水从水解酸化污泥床顶部出水口通过连接管进入微氧污泥床底部进水口，由微氧污泥床内的氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、自养和异养反硝化菌、厌氧氨氧化菌等菌群处理废水中的污染物，经过处理的废水从微氧污泥床的出口通过出水管流入外循环微藻复氧沉淀一体池，通过外循环微藻复氧沉淀一体池内微藻的光合作用产生氧气实现水体复氧过程，部分复氧后的废水经过复氧水回流管由回流泵加压回流至微氧污泥床内为菌群提供氧气，回流比为1：1~30：1，其余部分复氧后的废水通过外循环微藻复氧沉淀一体池的溢流堰排放，得到合格出水，所述微氧污泥床底部的剩余污泥通过微氧剩余污泥排放管排出。
上述方法中，所述水解酸化污泥床的溶解氧控制在0.2~0.3mg/L，氧化还原电位控制在-50~+20mV，水力停留时间控制在2~8h，以防止水解酸化污泥床中的反应进入产甲烷阶段。
上述方法中，当光照强度低于5000 lux，打开补光灯。
上述方法中，微藻含量大于6×107cells/mL。
上述方法中，可通过外循环微藻复氧沉淀一体池中的微藻进一步脱氮除磷。
上述方法中，所述回流泵，可通过复氧水回流比进而控制微氧污泥床内的溶解氧浓度。
本发明提供的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置中，水解酸化污泥床中的水解菌群和产酸菌群将废水中的大分子有机物降解成小分子有机物和二氧化碳气体，为微藻生长提供碳源；反过来，外循环微藻复氧沉淀一体池中的微藻光合作用产生氧气通过回流该池中的复氧水为微氧污泥床中的需氧菌提供氧气。细菌和微藻的协调作用可以促进微藻生长，提高废水中氮磷的去除效果，节省曝气操作，节约运行成本。此外，有机物降解所产生的二氧化碳被微藻吸收，减少温室气体排放，缓解采用传统活性污泥法的污水处理厂作为温室气体排放大户的大气污染状况。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用藻菌分离技术，更好的控制藻类与细菌的数量关系，降低两者的相互影响，避免细菌与藻类在同一空间内由于藻类光合作用，从而影响污泥床内部的溶解氧浓度稳定性。
（2）本发明可实现藻菌的互利共生，藻类置于微氧污泥床后，避免废水中高氮磷浓度对藻类的抑制作用，同时水解酸化-微氧组合装置的出水中剩余的氮磷可以被藻类进一步去除，发挥两者间的偶联关系，实现高效脱氮除磷。
（3）本发明以回流藻类光合作用复氧水至微氧污泥床中作为微氧污泥床内的需氧菌供氧的方式，通过调节复氧水回流比调控微氧污泥床内溶解氧浓度，控制精度高，节省曝气设备，避免因曝气设备堵塞带来的维修问题，耗电成本低。
（4）本发明将水解酸化污泥床中的反应控制在产酸产CO2阶段，而不是产甲烷阶段，实现以水解酸化污泥床内有机物降解产生的二氧化碳气体作为藻类光合作用的碳源，同时缓解采用传统活性污泥法的污水处理厂作为温室气体排放大户的大气污染状况。
（5）本发明日间通过太阳能电池组件蓄电，夜间以太阳能电池组件为藻类光合作用供电，耗电成本低。
（6）本发明的外循环微藻复氧沉淀一体池以藻类光合作用复氧，可实现外循环微藻复氧沉淀一体池内的水体溶解氧过饱和现象，常温常压下水中溶解度可达到12mg/L，降低复氧水回流比比例，能耗低。
（7）本发明对所处理废水的碳氮比无限制，即使处理低碳氮比废水，也无需外加碳源。
附图说明
图1为本发明所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置的结构示意图。
图中：1、水解酸化污泥床，2、微孔曝气装置，3、连接管，4、三相分离器，5、气体输送管，6、水解酸化剩余污泥排放管，7、微氧污泥床，8、微氧污泥填料，9、外循环微藻复氧沉淀一体池，10、太阳能电池组件，11、蓄电池，12、充电控制器，13、补光灯，14、复氧水回流管，15、回流泵，16、出水管，17、出水排放管，18、微氧剩余污泥排放管，19、拦截网，20、清水池。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，一种水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，包括水解酸化处理单元、微氧处理单元、外循环微藻复氧沉淀一体池、太阳能电池组件和补光灯；
水解酸化处理单元包括水解酸化污泥床1、微孔曝气装置2、连接管3、三相分离器4、气体输送管5、水解酸化剩余污泥排放管6；水解酸化污泥床1底部连接废水池，废水池的废水通过水泵和管道抽入到水解酸化污泥床1底部的进水口。
微氧处理单元包括微氧污泥床7、微氧污泥填料8、复氧水回流管14，复氧水回流管14将复氧水从外循环微藻复氧沉淀一体池9通过回流泵15回流到微氧污泥床7中，微氧污泥床7侧面设有出水管16、底部设有微氧剩余污泥排放管18；微氧污泥床7内设有微氧污泥填料8；出水管16通往外循环微藻复氧沉淀一体池9底部，所述微氧污泥床7通过出水管16与外循环微藻复氧沉淀一体池9相连接，外循环微藻复氧沉淀一体池9能与多个微氧处理单元相连；
所述水解酸化污泥床1顶部出水口与微氧污泥床7底部进水口通过连接管3连接；所述水解酸化污泥床顶部设三相分离器4，经三相分离器4分离的二氧化碳气体通过气体输送管5充入外循环微藻复氧沉淀一体池9底部；所述外循环微藻复氧沉淀一体池9顶部开口，设溢流堰，外循环微藻复氧沉淀一体池9为圆柱筒结构，设置在长方体结构的清水池20内，清水池20底部设出水排放管17，外循环微藻复氧沉淀一体池9的水通过顶部溢流堰溢流到清水池20，再通过清水池20的出水排放管17排放；所述外循环微藻复氧沉淀一体池9内设置拦截网19截留微藻，其拦截网19以上、顶部液面下设有微藻复氧水回流管14的管口，复氧水回流管通过回流泵15与微氧污泥床7相连，微氧污泥床7底部为倒锥形，底部设有污泥排放口；
所述补光灯13通过蓄电池11和充电控制器12与太阳能电池组件10相连接；补光灯13设置光照强度调节器；太阳能电池组件10设有开关。
上述装置进一步说明如下：
所述微氧污泥床7与外循环微藻复氧沉淀一体池9的容积比为1:1~0.1:1。
所述连接管3上设置U形管段，以防气体通过连接管3进入水解酸化污泥床1。
所述外循环微藻复氧沉淀一体池9内的拦截网19孔径小于1cm。复氧水回流管14管口处设在外循环微藻复氧沉淀一体池9溢流堰液面下方与拦截网19之间，且复氧水回流管14管口与溢流堰液面及拦截网距离均大于3cm。
所述补光灯数量根据光照强度确定，补光灯可安装在外循环微藻复氧沉淀一体池9内部中央部位或环绕内壁一圈，也可安装在外部且环绕外壁一圈。进一步地，当外循环微藻复氧沉淀一体池9采用透明玻璃材质时，外循环微藻复氧沉淀一体池9内部或外壁安装若干补光灯13，当外循环微藻复氧沉淀一体池9采用混凝土或者钢铁等不透光材料时，补光灯13安装在外循环微藻复氧沉淀一体池9内部。
所述水解酸化污泥床1采用上部为柱体、下部为圆锥体的构筑物，微氧污泥床7采用上部为柱体、下部为圆锥体的构筑物。
本发明提供了上述水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置在处理废水中的应用。
上述的应用，包括以下步骤：
以COD、NH4 +-N和TN（总氮）平均浓度分别为2000、430和480 mg/L的干清粪养猪废水为例，将废水通过进水管从水解酸化污泥床的底部进水口处进入，在水解菌群和产酸菌群的作用下降解废水中的有机物，产生的气体经三相分离器分离后通过气体输送管充入外循环微藻复氧沉淀一体池为微藻光合作用提供碳源；所述水解酸化污泥床底部的剩余污泥通过水解酸化剩余污泥排放管排出；
经过水解菌群和产酸菌群处理的废水COD、NH4 +-N和TN平均浓度分别为1200、460和490mg/L，该废水从水解酸化污泥床顶部出水口通过连接管进入微氧污泥床底部进水口，由微氧污泥床内的氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、自养和异养反硝化菌、厌氧氨氧化菌等菌群处理废水中的污染物，经过处理的废水从微氧污泥床的出口通过出水管流入外循环微藻复氧沉淀一体池，通过外循环微藻复氧沉淀一体池内微藻的光合作用产生氧气实现水体复氧过程，部分复氧后的废水经过复氧水回流管由回流泵加压回流至微氧污泥床内为菌群提供氧气，回流比为30：1，回流后使微氧污泥床内的溶解氧浓度为0.52 mg/L，其余部分复氧后的废水通过外循环微藻复氧沉淀一体池的溢流堰排放，得到合格出水，所述微氧污泥床底部的剩余污泥通过微氧剩余污泥排放管排出。
上述方法中，所述水解酸化污泥床1的溶解氧控制在0.20mg/L，氧化还原电位控制在-20mV，水力停留时间控制在5h，以防止水解酸化污泥床1中的反应进入产甲烷阶段。
上述方法中，当光照强度低于5000 lux，打开补光灯13。
上述方法中，微藻含量大于6×107cells/mL。
上述方法中，可通过外循环微藻复氧沉淀一体池9中的微藻进一步脱氮除磷。
上述方法中，所述回流泵15，可通过复氧水回流比进而控制微氧污泥床7内的溶解氧浓度。

Claims (10)

1.一种水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，其特征在于：包括水解酸化处理单元、微氧处理单元、外循环微藻复氧沉淀一体池、太阳能电池组件和补光灯；
水解酸化处理单元包括水解酸化污泥床、微孔曝气装置、连接管、三相分离器、气体输送管、水解酸化剩余污泥排放管；水解酸化污泥床底部连接废水池，废水池的废水通过水泵和管道抽入到水解酸化污泥床底部的进水口；
微氧处理单元包括微氧污泥床、微氧污泥填料、复氧水回流管、回流泵、出水管与微氧剩余污泥排放管；微氧污泥床内设有微氧污泥填料；所述微氧污泥床通过出水管与外循环微藻复氧沉淀一体池相连接，外循环微藻复氧沉淀一体池能与多个微氧处理单元相连；
所述水解酸化污泥床顶部出水口与微氧污泥床底部进水口通过连接管连接；所述水解酸化污泥床顶部设三相分离器，经三相分离器分离的二氧化碳气体通过气体输送管充入外循环微藻复氧沉淀一体池；所述外循环微藻复氧沉淀一体池顶部开口，设溢流堰，外循环微藻复氧沉淀一体池为圆柱筒结构，设置在长方体结构的清水池内，清水池底部设出水排放管，外循环微藻复氧沉淀一体池的水通过顶部溢流堰溢流到清水池，再通过清水池的出水排放管排放；所述外循环微藻复氧沉淀一体池内设置拦截网截留微藻，其拦截网以上、顶部液面下设有微藻复氧水回流管，复氧水回流管通过回流泵与微氧污泥床相连，微氧污泥床底部为倒锥形，底部设有污泥排放口；
所述补光灯通过蓄电池和充电控制器与太阳能电池组件相连接；补光灯设置光照强度调节器；太阳能电池组件设有开关；
上述装置用于处理废水时，废水通过进水管从水解酸化污泥床的底部进水口处进入，在水解菌群和产酸菌群的作用下降解废水中的有机物，产生的气体经三相分离器分离后通过气体输送管充入外循环微藻复氧沉淀一体池为微藻光合作用提供碳源；所述水解酸化污泥床底部的剩余污泥通过水解酸化剩余污泥排放管排出。
2.根据权利要求1所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，其特征在于：所述微氧污泥床与外循环微藻复氧沉淀一体池的容积比为1:1~0.1:1。
3.根据权利要求1所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，其特征在于：所述连接管上设置U形管段，以防外部气体通过连接管进入水解酸化污泥床。
4.根据权利要求1所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，其特征在于：所述外循环微藻复氧沉淀一体池内的拦截网孔径小于1cm；复氧水回流管管口处设在外循环微藻复氧沉淀一体池溢流堰液面下方与拦截网之间，且复氧水回流管管口与溢流堰液面及拦截网的距离均大于3cm。
5.根据权利要求1所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，其特征在于：所述补光灯数量根据光照强度确定，补光灯安装在外循环微藻复氧沉淀一体池内部中央部位或环绕内壁一圈，或者安装在外循环微藻复氧沉淀一体池的外部且环绕外壁一圈。
6.根据权利要求5所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，其特征在于：当外循环微藻复氧沉淀一体池采用透明玻璃材质时，外循环微藻复氧沉淀一体池内部或外壁安装若干补光灯，当外循环微藻复氧沉淀一体池采用不透光材料时，补光灯安装在外循环微藻复氧沉淀一体池内部。
7.根据权利要求1所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置，其特征在于：所述水解酸化污泥床采用上部为柱体、下部为圆锥体的构筑物，微氧污泥床采用上部为柱体、下部为圆锥体的构筑物。
8.一种权利要求1~7任一项所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置在处理废水中的应用，其特征在于包括以下步骤：
废水通过进水管从水解酸化污泥床的底部进水口处进入，在水解菌群和产酸菌群的作用下降解废水中的有机物，产生的气体经三相分离器分离后通过气体输送管充入外循环微藻复氧沉淀一体池为微藻光合作用提供碳源；所述水解酸化污泥床底部的剩余污泥通过水解酸化剩余污泥排放管排出；
经过水解菌群和产酸菌群处理的废水从水解酸化污泥床顶部出水口通过连接管进入微氧污泥床底部进水口，由微氧污泥床内的氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、自养和异养反硝化菌、厌氧氨氧化菌菌群处理废水中的污染物，经过处理的废水从微氧污泥床的出口通过出水管流入外循环微藻复氧沉淀一体池，通过外循环微藻复氧沉淀一体池内微藻的光合作用产生氧气实现水体复氧过程，部分复氧后的废水经过复氧水回流管由回流泵加压回流至微氧污泥床内为微氧菌群提供氧气，回流比为1：1~30：1，其余部分复氧后的废水通过外循环微藻复氧沉淀一体池的溢流堰排放，得到合格出水，所述微氧污泥床底部的剩余污泥通过微氧剩余污泥排放管排出。
9.根据权利要求8所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置在处理废水中的应用，其特征在于：所述水解酸化污泥床的溶解氧控制在0.2~0.3mg/L，氧化还原电位控制在-50~+20mV，水力停留时间控制在2~8h，以防止水解酸化污泥床中的反应进入产甲烷阶段；微藻含量大于6×107cells/mL；当光照强度低于5000 lux时，打开补光灯。
10.根据权利要求8所述的水解酸化-太阳能供电-微藻曝气-耦合回流供氧微氧污泥床组合装置在处理废水中的应用，其特征在于：进入水解酸化池处理的废水水质COD≤4000mg/L，氨氮≤150 mg/L。
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