CN114751511B - 一种基于涡流分离的污水处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于涡流分离的污水处理系统及方法，包括生化池、离心分离装置、二沉池以及引流装置，离心分离装置用于将引流装置导入的物料离心分离成轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒，污泥颗粒的粒径分布在50‑500um，离心分离装置包括旋转驱动部、旋转连接件、曲面离心叶片以及具有筒内腔的旋流筒体，旋转连接件的第一端伸入至旋流筒体内与曲面离心叶片的第一侧连接，旋转连接件的第二端与旋转驱动部连接连接。本发明的基于涡流分离的污水处理系统，在二沉池前端截留了污泥颗粒，提高了生化池的微生物量；避免了全部的污泥颗粒进入二沉池内，降低了二沉池的实际运行负荷，提高了二沉池的处理能力，对污泥颗粒进行回收利用，提高了功能载体的循环利用率。

Description

一种基于涡流分离的污水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及环境技术领域，尤其涉及一种基于涡流分离的污水处理系统及方法。

背景技术

随着环境容量以及水环境问题的日益突出，对环境保护的要求不断提高。现有污水处理厂均面临着将出水水质从一级B标准提升至一级A标准甚至更高标准的要求。目前常用的污水生物处理方法分为两类：

（1）一类为活性污泥方法，特点是处理污水的微生物在生物反应器中处于悬浮状态；

（2）第二类为污水处理微生物附着生长法，微生物附着于某种形式的载体表面固定化生长。

上述两类污水生物处理方法从发明至今已有超过一百年的历史，经过一系列的改进和完善给人类的用水带来了极大的保障，但目前两类方法受技术本身的限制发展已陷入瓶颈。活性污泥法受限制因素主要包括：

（1）受限于悬浮生长特性，微生物多样性不完善，影响深度处理效果；

（2）受限于污水处理工艺过程参数，部分关键微生物的生长周期受限；

（3）受限于进水的水质变化，微生物生长营养要素供给波动，影响生物活性及实际处理效果。要进一步稳步提升生物处理出水排放标准，必须进行不同生物处理技术组合，强化氮磷的脱除。

目前根据活性污泥法和微生物附着生长法已开始构建，高浓度复合粉末载体生物流化床技术（HPB）（对应专利号：CN 110577285 B）是基于污水生物处理原理，利用向生化池中投加复合粉末载体，不仅提高生化池混合液浓度，同时构建了悬浮生长和附着生长“双泥”共生的微生物系统，通过二沉池进行固液分离；并对排放剩余污泥中的复合粉末载体进行回收及循环，实现了双泥龄 ，克服了脱氮除磷菌污泥龄矛盾，同步强化了生物脱氮除磷的效果 。HPB技术具有实现生化池原池处理水量的翻倍，节约占地，投资低等优势。

为了提高生化池的污水处理效率，往往通过投加粉末载体将生化池污泥浓度控制在较高水平，导致出现进入二沉池的污泥浓度过高、二沉池易出现超固体负荷运行等问题；此外，生化池大量附着微生物的粉末载体（污泥颗粒）进入二沉池，污泥颗粒未完全被生化处理利用，与活性污泥结合，分离难度大导致分离回收难度大，污泥颗粒易随活性污泥流失。

有鉴于此，提出了一种基于涡流分离的污水处理系统及方以解决或至少缓解上述缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于涡流分离的污水处理系统及方法，旨在解决现有技术中生化池处理后的污泥颗粒和活性污泥难以分离，导致污泥颗粒容易流失且二沉池沉淀处理难度大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于涡流分离的污水处理系统，包括生化池、离心分离装置、二沉池以及引流装置，引流装置用于将生化池内的物料导入至离心分离装置内，离心分离装置用于将引流装置导入的物料离心分离成轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒，污泥颗粒的粒径分布在50-500 um，离心分离装置包括旋转驱动部、旋转连接件、曲面离心叶片以及具有筒内腔的旋流筒体，曲面离心叶片设于旋流筒体内，旋流筒体上设有与筒内腔连通的进料槽，进料槽通过引流装置与生化池的输出口连通，旋转连接件的第一端伸入至旋流筒体内与曲面离心叶片的第一侧连接，曲面离心叶片的第二侧向外延伸并与旋流筒体的内壁面之间留有径向间隙，旋转连接件的第二端与旋转驱动部连接，通过旋转驱动部驱动旋转连接件转动进而带动曲面离心叶片绕中轴线旋转，以使进入旋流筒体内的物料离心分离，旋流筒体上设有轻物料出口和重物料出口，轻物料出口通过排流装置与二沉池的输入口连通，重物料出口通过回流装置与生化池的第一回流口连通。

进一步地，离心分离装置还包括设于曲面离心叶片的底部的导流筒，导流筒的圆周导流面沿顶部朝向底部的方向逐渐向外倾斜设置，曲面离心叶片的径向截面线段为渐开线线段，曲面离心叶片包括沿轴向从底部朝向顶部的方向依次排布的截面渐扩段、等截面段和截面减缩段，截面减扩段的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐外扩设置，等截面段的第一侧边缘沿轴向延伸设置，截面减缩段的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐收缩设置，导流筒的圆周外壁面与截面渐扩段的第一侧边缘固定连接，导流筒的圆周外壁面上还设有用于使导流筒的内腔和导流筒的外部连通的排气孔。

进一步地，渐开线线段满足关系式：X_t=r*(t*sin(t)+cos(t))；Y_t=r*(sin(t)-t*cos(t))，其中，t为定点与圆心连线和X轴间的夹角，π≤t≥2π，r为0.75~0.95倍旋流筒体的内径。

进一步地，旋流筒体包括从顶部朝向底部的方向依次排布且相互连通的圆柱筒体和圆锥筒体，圆锥筒体的径向尺寸沿顶部朝向底部的方向逐渐收缩设置，轻物料出口设于圆柱筒体的顶部，重物料出口设于圆锥筒体的底部，进料槽沿轴向贯穿圆柱筒体的顶面设置，进料槽处于轻物料出口朝向圆柱筒体的外边缘的一侧，曲面离心叶片通过旋转连接件设于圆柱筒体内。

进一步地，旋转连接件包括旋转支承轴、第一旋转支承件和第二旋转支承件，第一旋转支承件和第二旋转支承件相对地设于圆柱筒体的两端，第一旋转支承件绕中轴线可转动地设于圆柱筒体上，第二旋转支承件绕中轴线可转动地设于圆柱筒体上，旋转支承轴沿轴向定位装配在第一旋转支承件和第二旋转支承件之间，曲面离心叶片设于旋转支承轴上且处于第一旋转支承件和第二旋转支承件之间，旋转驱动部用于驱动第一旋转支承件和/或第二支撑件绕中轴线转动。

进一步地，等截面段可拆卸地设于旋转支承轴上，等截面段的一侧设有插装凸台，旋转支承轴的圆周壁面上设有与插装凸台配合的插装凹槽，通过插装凸台与插装凹槽配合以使曲面离心叶片周向定位装配于旋转支承轴上。

进一步地，旋转连接件包括吊设在旋转驱动部的输出端上的旋转轴，旋转轴的第二端与旋转驱动部连接，旋转轴的第一端沿竖向向下延伸并伸入至筒内腔内，曲面离心叶片设于旋转轴的第一端上。

进一步地，排流装置包括排流驱动器和排流管道，排流管道的一端从圆柱筒体的顶部伸入至轻物料出口内，排流管道的另一端与二沉池的输入口连通。

进一步地，基于涡流分离的污水处理系统还包括设于二沉池下游的水力旋流器，水力旋流器的顶部设有排泥口，水力旋流器的侧壁面上设有沿其切向布设的进料口，水力旋流器的底部设有排泄口，二沉池组件的污泥出口包括第一输送支路和第二输送支路，第一输送支路通过外回流的方式将经二沉池浓缩后的部分污泥返回生化池的第二回流口，第二输送支路将经二沉池浓缩后的部分污泥输送至水力旋流器的进料口，水力旋流器的排泄口通过第三输送支路与生化池的第二回流口连通。

本发明还提供一种基于涡流分离的污水处理方法，采用上述的基于涡流分离的污水处理系统，包括如下步骤：

在生化池内投加功能载体，其中，功能载体的粒径分布在50 -100 um，功能载体在生化池内培养形成污泥颗粒，污泥颗粒的粒径分布在50-500 um；

将生化池内的物料通过引流装置从旋流筒体的顶部引入至筒内腔内，在离心分离装置的曲面离心叶片的作用下，将导入的物料离心分离成轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒，其中，曲面离心叶片绕中轴线旋转的转速为10-40 rpm/min；

通过回流装置将从重物料出口排出的大比重的污泥颗粒回流至生化池内，通过排流装置将从轻物料出口排出的轻比重的活性污泥排出至二沉池内，轻比重的活性污泥质量占比为送入离心分离装置总物料质量的25%-40%；

第一输送支路通过外回流的方式将经二沉池浓缩后的部分污泥回流至生化池；第二输送支路将经二沉池浓缩后的部分剩余污泥输送至水力旋流器的进料口；

通过水力旋流器将剩余污泥分离，并通过第三输送支路将分离后得到的剩余污泥颗粒和功能载体的复合物回流至生化池内，同时将分离后得到的污泥排出至水力旋流器。

在本发明的基于涡流分离的污水处理系统，包括生化池、离心分离装置、二沉池以及引流装置，离心分离装置设于引流装置的下游和二沉池的上游之间，用于对引流装置导出的且进入二沉池之前的物料进行分离处理；通过离心分离装置包括旋转驱动部、旋转连接件、曲面离心叶片以及旋流筒体，旋流筒体内有旋流空间(筒内腔)，通过旋转驱动部驱动旋转连接件转动进而带动曲面离心叶片绕中轴线旋转，物料通过进料槽进入筒内腔后大比重的污泥颗粒在在离心力和重力等作用下向桨叶外缘富集，轻比重的活性污泥在强制涡流作用下向中轴线区域富集，实现了轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒；最后通过排流装置将活性污泥通过轻物料出口排入二沉池内沉淀，通过回流装置将污泥颗粒回流至生化池内，创新性地提出了污泥颗粒的回收利用，提高了功能载体的循环利用率。本发明的基于涡流分离的污水处理系统，投加的粉末载体将生化池污泥浓度控制在较高水平，保证了生化池的处理能力的同时，同时对污泥颗粒进行回收利用，避免了的全部的污泥颗粒进入二沉池内，避免了二沉池内的污泥浓度过高，二沉池的沉降性能好；同时对污泥颗粒进行回收利用，提高了功能载体的循环利用率。

附图说明

图1为本发明一实施例中的基于涡流分离的污水处理系统的结构示意图；

图2为图1中的一离心分离装置的立体结构示意图；

图3为图2中的离心分离装置的爆炸图；

图4为图1中的另一离心分离装置的立体结构示意图；

图5为图4中的离心分离装置的剖视图；

图6为图4中的离心分离装置的爆炸图之一；

图7为图4中的离心分离装置的爆炸图之二；

图8为图4中的离心分离装置的曲面离心叶片的结构示意图；

图9为本发明一实施例中的基于涡流分离的污水处理系统的离心分离装置的原理示意图。

附图标号说明：

100、基于涡流分离的污水处理系统；10、生化池；20、离心分离装置；21、旋转驱动部；22、旋转连接件；221、旋转支承轴；222、第一支承件；223、第二支承件；224、旋转轴；23、曲面离心叶片；231、截面渐扩段；232、等截面段；233、截面减缩段；234、渐开线线段；24、旋流筒体；241、圆柱筒体；242、圆锥筒体；25、导流筒；30、二沉池；40、引流装置；50、排流装置；60、回流装置；70、水力旋流器。

其中，箭头表示流向。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参考图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8以及图9，本发明提供一种基于涡流分离的污水处理系统100，包括生化池10、离心分离装置20、二沉池30以及引流装置40，引流装置40用于将生化池10内的物料导入至离心分离装置20内，离心分离装置20用于将引流装置40导入的物料离心分离成轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒，污泥颗粒的粒径分布在50-500 um，离心分离装置20包括旋转驱动部21、旋转连接件22、曲面离心叶片23以及具有筒内腔的旋流筒体24，曲面离心叶片23设于旋流筒体24内，旋流筒体24上设有与筒内腔连通的进料槽，进料槽通过引流装置40与生化池10的输出口连通，旋转连接件22的第一端伸入至旋流筒体24内与曲面离心叶片23的第一侧连接，曲面离心叶片23的第二侧向外延伸并与旋流筒体24的内壁面之间留有径向间隙，旋转连接件22的第二端与旋转驱动部21连接，通过旋转驱动部21驱动旋转连接件22转动进而带动曲面离心叶片23绕中轴线旋转，以使进入旋流筒体24内的物料离心分离，旋流筒体24上设有轻物料出口和重物料出口，轻物料出口通过排流装置50与二沉池30的输入口连通，重物料出口通过回流装置60与生化池10的第一回流口连通。

本发明提供的基于涡流分离的污水处理系统100，包括生化池10、离心分离装置20、二沉池30以及引流装置40，离心分离装置20设于引流装置40的下游和二沉池30的上游之间，用于对引流装置40导出的且进入二沉池30之前的物料进行分离处理；通过离心分离装置20包括旋转驱动部21、旋转连接件22、曲面离心叶片23以及旋流筒体24，旋流筒体24内有旋流空间(筒内腔)，通过旋转驱动部21驱动旋转连接件22转动进而带动曲面离心叶片23绕中轴线旋转，物料通过进料槽进入筒内腔后，大比重的污泥颗粒在在离心力和重力等作用下向桨叶(曲面离心叶片23)外缘富集，轻比重的活性污泥在强制涡流作用下向中轴线区域富集，实现了轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒；最后通过排流装置50将活性污泥通过轻物料出口排入二沉池30内沉淀，通过回流装置60将污泥颗粒回流至生化池10内，创新性地提出了污泥颗粒的回收利用，提高了功能载体的循环利用率。本发明的基于涡流分离的污水处理系统100，在二沉池30前端截留了污泥颗粒，提高了生化池10的微生物量；同时避免了全部的污泥颗粒进入二沉池30内，降低了二沉池30的实际运行负荷，提高了二沉池30的处理能力，同时对污泥颗粒进行回收利用，提高了功能载体的循环利用率。

可选地，污泥颗粒的粒径分布在50-500 um，其中，大部分（百分之八十五以上）的污泥颗粒的粒径分布在80-480um。可以理解地，本发明中的旋流筒体24可以是采用钢结构板材制成，也可以通过混凝土浇筑形成，还可以是通过砌砖砌筑形成；在本发明中，轻物料出口设于旋流筒体24的顶面上，轻物料出口处于旋流筒体24的中部区域，重物料出口设于旋流筒体24的底部，物料通过进料槽进入筒内腔后在离心力、旋涡吸力等作用下，轻比重的活性污泥向旋流空间的上部移动，大比重的污泥颗粒朝向旋流空间的下部移动。

可以理解地，生化池10沿污水流向依次划分为厌氧区、缺氧区以及好氧区，污水进入基于涡流分离的污水处理系统100的生化池10后，需逐步导入适量复合粉末载体与池内活性污泥混合，提高池内的混合液浓度，同时提供更多附着微生物生长载体，增加活性污泥中的生物多样性，实现水中污染物的高效去除。为此，采用加料器对厌氧区、缺氧区和好氧区中的任意单元格投加复合粉末载体，有利于硝化菌和反硝化菌的生长，使该系统具有污水生物处理深度除磷脱氮的能力。具体地，缺氧区设有第一回流口，厌氧区设有第二回流口。

可选地，旋转连接件22的一端与旋转驱动部21连接，旋转连接件22的另一端伸入至旋流筒体24内与曲面离心叶片23连接，进而在曲面离心叶片23转动时使旋流筒体24的筒内腔产生涡流，以将物料离心分离成轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒，且轻比重的活性污泥靠近中轴线向上部移动。

进一步地，离心分离装置20还包括设于曲面离心叶片23的底部的导流筒25，导流筒25的圆周导流面沿顶部朝向底部的方向逐渐向外倾斜设置，曲面离心叶片23的径向截面线段为渐开线线段234，曲面离心叶片23包括沿轴向从底部朝向顶部的方向依次排布的截面渐扩段231、等截面段232和截面减缩段233，截面减扩段的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐外扩设置，等截面段232的第一侧边缘沿轴向延伸设置，截面减缩段233的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐收缩设置，导流筒25的圆周外壁面与截面渐扩段231的第一侧边缘固定连接，导流筒25的圆周外壁面上还设有用于使导流筒25的内腔和导流筒25的外部连通的排气孔。本发明中，通过设置离心分离装置20包括旋转驱动部21、旋转连接件22、曲面离心叶片23、旋流筒体24以及导流筒25，曲面离心叶片23包括沿轴向从底部朝向顶部的方向依次排布的截面渐扩段231、等截面段232和截面减缩段233，截面减扩段的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐外扩设置，等截面段232的第一侧边缘沿轴向延伸设置，截面减缩段233的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐收缩设置，导流筒25的圆周外壁面与截面渐扩段231的第一侧边缘固定连接，导流筒25的圆周外壁面上还设有用于使导流筒25的内腔和导流筒25的外部连通的排气孔，在分离过程中，大比重的污泥颗粒沿朝向旋流筒体24的外边缘的方向移动，大比重的污泥颗粒向下移动至导流筒25的圆周外壁面上，在导流筒25的圆周外壁面的引导下进一步移动，直至从导流筒25的外边缘掉入圆锥筒体242内，轻比重的活性污泥由于截面减缩段233旋转产生的涡流吸力在导流筒25的中部向上移动，便于将轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒分离并分别导出。

请参考图9，可选地，截面渐扩段231的第一侧边缘为倾斜角度为45度至60度的直线段，截面减缩段233的第一侧边缘为逐渐收缩的曲线段。

具体地，导流筒25的形状圆台状，导流筒25的顶面与旋转支承轴221的底面固定连接，导流筒25的圆周外壁面与截面渐扩段231的第一侧边缘固定连接，导流筒25的大径端的圆与旋流筒体24的中心圆重合设置，导流筒25用于将大比重的污泥颗粒引导至旋流筒体24的中心圆的位置处，导流筒25上的通气孔用于放气，避免气泡在离心叶片的底部沉积。

具体地，导流锥的锥底面与曲面离心叶片23的底面平齐布设，所有的截面减缩段233围合形成的顶部开口的出流锥腔与轻物料出口连通布设。

进一步地，渐开线线段234满足关系式：X_t=r*(t*sin(t)+cos(t))；Y_t=r*(sin(t)-t*cos(t))，其中，t为定点与圆心连线和X轴间的夹角，π≤t≥2π，r为0.75~0.95倍旋流筒体的内径。通过设置渐开线线段234满足上述关系式，在通过曲面离心叶片绕中轴线旋转进行离心分离时，分离效率高。

进一步地，旋流筒体24包括从顶部朝向底部的方向依次排布且相互连通的圆柱筒体241和圆锥筒体242，圆锥筒体242的径向尺寸沿顶部朝向底部的方向逐渐收缩设置，轻物料出口设于圆柱筒体241的顶部，重物料出口设于圆锥筒体242的底部，进料槽沿轴向贯穿圆柱筒体241的顶面设置，进料槽处于轻物料出口朝向圆柱筒体241的外边缘的一侧，曲面离心叶片23通过旋转连接件22设于圆柱筒体241内。

可选地，r为0.75~0.95倍圆柱筒体241的内径。更优地，r为0.9倍圆柱筒体241的内径，进而保证离心分离的效率。

进一步地，圆柱筒体241与圆锥筒体242的高度之比为：4-8:1圆锥筒体242的底部锥角为90度至120度。

进一步地，重物料出口设于圆锥筒体242的底部，轻物料出口处于截面减缩段233绕中轴线旋转所形成锥腔内。

请参考图3和图4，进一步地，旋转连接件22包括旋转支承轴221、第一旋转支承件和第二旋转支承件，第一旋转支承件和第二旋转支承件相对地设于圆柱筒体241的两端，第一旋转支承件绕中轴线可转动地设于圆柱筒体241上，第二旋转支承件绕中轴线可转动地设于圆柱筒体241上，旋转支承轴221沿轴向定位装配在第一旋转支承件和第二旋转支承件之间，曲面离心叶片23设于旋转支承轴221上且处于第一旋转支承件和第二旋转支承件之间，旋转驱动部用于驱动第一旋转支承件和/或第二支撑件绕中轴线转动。在本实施例中，通过砌筑或浇筑形成旋流筒体24，在旋流筒体24的内壁面上沿径向向内凹设有支承槽体，第一旋转支承件和第二旋转支承件可转动地支承在对应的支撑槽体内，通过旋转驱动部用于驱动第一旋转支承件和/或第二支撑件转动，进而驱动旋转支承轴221带动曲面离心叶片23绕中轴线转动，便于工业化处理。具体地，旋转驱动部21连接设于旋流筒体24的上方，旋转驱动部21的输出端与第二旋转支承件配合连接进而驱动第二旋转支承件绕轴线旋转。

进一步地，为了便于检修或更换曲面离心叶片23，等截面段232可拆卸地设于旋转支承轴221上，等截面段232的一侧设有插装凸台，旋转支承轴221的圆周壁面上设有与插装凸台配合的插装凹槽，通过插装凸台与插装凹槽配合以使曲面离心叶片23周向定位装配于旋转支承轴221上。

进一步地，为了便于根据实际情况调整曲面离心叶片23的安装数量，插装凹槽的数量为多个，多个插装凹槽沿旋转支承轴221的周向均匀间隔排布，至少两个曲面离心叶片23沿旋转支承轴221的周向均匀间隔设置。

进一步地，在另一实施例中，采用钢板支撑旋流筒体24，旋转连接件22包括吊设在旋转驱动部21的输出端上的旋转轴224，旋转轴224的第一端沿竖向向下延伸并伸入至筒内腔内，旋转轴224的第二端与旋转驱动部21连接，曲面离心叶片23设于旋转轴224的第一端上。具体地，旋转驱动部21连接设于旋流筒体24的上方，旋转轴224吊装在旋转驱动部21的输出端上且沿竖向向下延伸至筒内腔内。

进一步地，排流装置50包括排流驱动器和排流管道，排流管道的一端从圆柱筒体241的顶部伸入至轻物料出口内，排流管道的另一端与二沉池30的输入口连通。

进一步地，排流驱动器采用抽吸泵或虹吸控制器。

进一步地，基于涡流分离的污水处理系统100还包括设于二沉池30下游的水力旋流器70，水力旋流器70的顶部设有排泥口，水力旋流器70的侧壁面上设有沿其切向布设的进料口，水力旋流器70的底部设有排泄口，二沉池30组件的污泥出口包括第一输送支路和第二输送支路，第一输送支路通过外回流的方式将经二沉池30浓缩后的部分污泥返回生化池10的第二回流口，第二输送支路将经二沉池30浓缩后的部分污泥输送至水力旋流器70的进料口，水力旋流器70的排泄口通过第三输送支路与生化池10的第二回流口连通。

进一步地，基于涡流分离的污水处理系统100还包括设于排流装置50的上游用于投加功能载体的加料机构。

进一步地，回流装置60包括用于将出料槽与第一回流口连通的回流管以及用于提供泵送压力的回流泵。

本发明还提供一种基于涡流分离的污水处理方法，用于上述的基于涡流分离的污水处理系统100，包括如下步骤：

在生化池10内投加功能载体，其中，功能载体的粒径分布在50 -100 um，功能载体在生化池10内培养形成污泥颗粒，污泥颗粒的粒径分布在50-500 um；

将生化池10内的物料通过引流装置40从旋流筒体24的顶部引入至筒内腔内，在离心分离装置的曲面离心叶片23的作用下，在曲面离心叶片上形成过渡区、轻质物料区和浓缩区，大比重的污泥颗粒在离心力和重力等作用下向桨叶外缘富集，轻比重的活性污泥在强制涡流作用下向中轴线区域富集，实现了轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒的分离，其中，旋转驱动部的转速控制在10-40 rpm/min(曲面离心叶片绕中轴线旋转的转速为10-40 rpm/min)，使曲面离心叶片产生的向外离心推力与混合液重力相协调，避免分离物料产生返混；

通过回流装置60将从重物料出口排出的大比重的污泥颗粒回流至生化池10内，通过排流装置50将从轻物料出口排出的轻比重的活性污泥排出至二沉池30内，轻比重的活性污泥质量占比为送入离心分离装置20总物料质量的25%-40%；

第一输送支路通过外回流的方式将经二沉池30浓缩后的部分污泥回流至生化池10；第二输送支路将经二沉池30浓缩后的部分剩余污泥输送至水力旋流器70的进料口；

通过水力旋流器70将剩余污泥分离，并通过第三输送支路将分离后得到的剩余污泥颗粒和功能载体的复合物回流至生化池10内，同时将分离后得到的污泥排出至水力旋流器70。

在具体操作时，控制旋转驱动部的转速控制在20 rpm/min，控制水力旋流器70的进口压力为0.2 MPa，控制回流量为进入离心分离装置的进水流量的60%。

本发明提供一具体实施方式如下：进水取自城镇污水处理厂细格栅出水，水质特征如下：COD为200～424 mg/L；氨氮（NH₄ ⁺-N)浓度为32.3～48.6 mg/L；总氮(TN)浓度为35.6～52.7 mg/L；总磷(TP)浓度为3.29～6.12 mg/L；pH为6.9～7.7；接种污泥取自好氧池末端的活性污泥，接种污泥浓度为3000 mg/L，功能载体由膨胀珍珠岩和硫铁矿粉复合而成，粒径分布在50-100 um之间，投加量为8 g/L；接种污泥、功能载体和污水在生化池10内充分混合，水力停留时间控制5 h，好氧区溶解氧控制在2 mg/L，培养驯化20 d后，微生物在功能载体上完成挂膜，形成粒径分布在80-450 um的污泥颗粒；将完成生化反应后的污泥颗粒和活性污泥通过引流装置40从旋流筒体24的顶部引入至筒内腔内，请再次参考图9，在离心分离装置的曲面离心叶片23的作用下，在曲面离心叶片上形成过渡区、轻质物料区和浓缩区，大比重的污泥颗粒在离心力和重力等作用下向桨叶外缘富集，轻比重的活性污泥在强制涡流作用下向中轴线区域富集，实现了轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒的分离。在离心分离装置20作用下，70%的主体为污泥颗粒的比重较大物料从离心分离装置20下口返回生化池10，剩余30%主体为活性污泥的轻质物料从导流管22排出至二沉池30；污泥龄控制在20d，排泥过程中二沉池30浓缩后的部分剩余污泥输送至水力旋流器70的进料口，在水力旋流器70的作用下，将进入二沉池30污泥颗粒进行回收，回收效率可达95-99%；每周向系统内补充1次功能载体，补充量为1 mg/L；稳定运行过程中，连续跟踪检测30 d出水水质，其中COD为10～21 mg/L；氨氮（NH₄ ⁺-N)量浓度为0.18～0.57 mg/L；总氮(TN)质量浓度为6.1～8.3mg/L；总磷(TP)质量浓度为0.18～0.36 mg/L。

本发明的一种基于涡流分离的污水处理方法，具有如下有益效果：在现有技术的基础上，通过在生化池10中投加粒径分布集中的功能载体，形成密度和粒径与活性污泥存在明显差异的污泥颗粒，进而通过离心分离装置20，将80%以上的污泥颗粒进行分离截留，以内回流的方式的返回生化池10，提高生化池10的污泥浓度和生物量，进而提高生化池10的污水处理效率；同时可降低二沉池30的实际运行负荷，在城镇污水处理过程中，可实现生化池10与二沉池30的同步提量；通过在生化池10投加功能载体形成污泥颗粒，粒径和密度均大于活性污泥，可强化沉降性能，提高污水处理量；污泥颗粒的形成，可在生物处理好氧区形成缺氧/好氧的微环境，为同步硝化反硝化脱氮创造有利条件；污泥颗粒与活性污泥的差异性，可通过水力旋流器70实现高效分离，减少功能载体的投加量，节约运行成本。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于涡流分离的污水处理系统，其特征在于，

包括生化池、离心分离装置、二沉池以及引流装置，所述引流装置用于将所述生化池内的物料导入至所述离心分离装置内，所述离心分离装置用于将所述引流装置导入的物料离心分离成轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒，所述污泥颗粒的粒径分布在50-500 um，

所述离心分离装置包括旋转驱动部、旋转连接件、曲面离心叶片以及具有筒内腔的旋流筒体，所述曲面离心叶片设于所述旋流筒体内，所述旋流筒体上设有与所述筒内腔连通的进料槽，所述进料槽通过所述引流装置与所述生化池的输出口连通，所述旋转连接件的第一端伸入至所述旋流筒体内与所述曲面离心叶片的第一侧连接，所述曲面离心叶片的第二侧向外延伸并与所述旋流筒体的内壁面之间留有径向间隙，所述旋转连接件的第二端与所述旋转驱动部连接，通过所述旋转驱动部驱动所述旋转连接件转动进而带动所述曲面离心叶片绕中轴线旋转，以使进入所述旋流筒体内的物料离心分离，

所述旋流筒体上设有轻物料出口和重物料出口，所述轻物料出口通过排流装置与所述二沉池的输入口连通，所述重物料出口通过回流装置与所述生化池的第一回流口连通；

所述离心分离装置还包括设于所述曲面离心叶片的底部的导流筒，所述导流筒的圆周导流面沿顶部朝向底部的方向逐渐向外倾斜设置，所述曲面离心叶片的径向截面线段为渐开线线段，所述曲面离心叶片包括沿轴向从底部朝向顶部的方向依次排布的截面渐扩段、等截面段和截面减缩段，所述截面减扩段的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐外扩设置，所述等截面段的第一侧边缘沿轴向延伸设置，所述截面减缩段的第一侧边缘沿底部朝向顶部的方向逐渐收缩设置，所述导流筒的圆周外壁面与所述截面渐扩段的第一侧边缘固定连接，所述导流筒的圆周外壁面上还设有用于使所述导流筒的内腔和所述导流筒的外部连通的排气孔；

轻物料出口设于旋流筒体的顶面上，轻物料出口处于旋流筒体的中部区域，重物料出口设于旋流筒体的底部，物料通过进料槽进入筒内腔后在离心力、旋涡吸力等作用下，轻比重的活性污泥向旋流空间的上部移动，大比重的污泥颗粒朝向旋流空间的下部移动；

所述渐开线线段满足关系式：X_t=r*(t*sin(t)+cos(t))；Y_t=r*(sin(t)-t*cos(t))，其中，t为定点与圆心连线和X轴间的夹角，π≤t≥2π，r为0.75~0.95倍所述旋流筒体的内径；

所述旋流筒体包括从顶部朝向底部的方向依次排布且相互连通的圆柱筒体和圆锥筒体，所述圆锥筒体的径向尺寸沿顶部朝向底部的方向逐渐收缩设置，所述轻物料出口设于所述圆柱筒体的顶部，所述重物料出口设于所述圆锥筒体的底部，所述进料槽沿轴向贯穿所述圆柱筒体的顶面设置，所述进料槽处于所述轻物料出口朝向所述圆柱筒体的外边缘的一侧，所述曲面离心叶片通过所述旋转连接件设于所述圆柱筒体内；

通过回流装置将从重物料出口排出的大比重的污泥颗粒回流至所述生化池内，通过排流装置将从轻物料出口排出的轻比重的活性污泥排出至二沉池内，所述轻比重的活性污泥质量占比为送入离心分离装置总物料质量的25%-40%。

2.根据权利要求1所述的基于涡流分离的污水处理系统，其特征在于，

所述旋转连接件包括旋转支承轴、第一旋转支承件和第二旋转支承件，所述第一旋转支承件和所述第二旋转支承件相对地设于所述圆柱筒体的两端，所述第一旋转支承件绕中轴线可转动地设于所述圆柱筒体上，所述第二旋转支承件绕中轴线可转动地设于所述圆柱筒体上，所述旋转支承轴沿轴向定位装配在所述第一旋转支承件和第二旋转支承件之间，所述曲面离心叶片设于所述旋转支承轴上且处于所述第一旋转支承件和所述第二旋转支承件之间，

所述旋转驱动部用于驱动所述第一旋转支承件和/或所述第二旋转 支承 件绕中轴线转动。

3.根据权利要求2所述的基于涡流分离的污水处理系统，其特征在于，

所述等截面段可拆卸地设于所述旋转支承轴上，

所述等截面段的一侧设有插装凸台，所述旋转支承轴的圆周壁面上设有与所述插装凸台配合的插装凹槽，通过所述插装凸台与所述插装凹槽配合以使所述曲面离心叶片周向定位装配于所述旋转支承轴上。

4.根据权利要求1所述的基于涡流分离的污水处理系统，其特征在于，

所述旋转连接件包括吊设在所述旋转驱动部的输出端上的旋转轴，所述旋转轴的第二端与所述旋转驱动部连接，所述旋转轴的第一端沿竖向向下延伸并伸入至所述筒内腔内，

所述曲面离心叶片设于所述旋转轴的第一端上。

5.根据权利要求1所述的基于涡流分离的污水处理系统，其特征在于，

所述排流装置包括排流驱动器和排流管道，所述排流管道的一端从所述圆柱筒体的顶部伸入至所述轻物料出口内，所述排流管道的另一端与所述二沉池的输入口连通。

6.根据权利要求1所述的基于涡流分离的污水处理系统，其特征在于，

所述基于涡流分离的污水处理系统还包括设于所述二沉池下游的水力旋流器，所述水力旋流器的顶部设有排泥口，所述水力旋流器的侧壁面上设有沿其切向布设的进料口，所述水力旋流器的底部设有排泄口，

所述二沉池组件的污泥出口包括第一输送支路和第二输送支路，所述第一输送支路通过外回流的方式将经所述二沉池浓缩后的部分污泥返回所述生化池的第二回流口，所述第二输送支路将经所述二沉池浓缩后的部分污泥输送至所述水力旋流器的进料口，

所述水力旋流器的排泄口通过第三输送支路与所述生化池的第二回流口连通。

7.一种基于涡流分离的污水处理方法，其特征在于，用于如权利要求1至6任一项所述的基于涡流分离的污水处理系统，包括如下步骤：

在生化池内投加功能载体，其中，所述功能载体的粒径分布在50 -100 um，所述功能载体在所述生化池内培养形成污泥颗粒，所述污泥颗粒的粒径分布在50-500 um；

将生化池内的物料通过引流装置从旋流筒体的顶部引入至筒内腔内，在离心分离装置的曲面离心叶片的作用下，将导入的物料离心分离成轻比重的活性污泥和大比重的污泥颗粒，其中，曲面离心叶片绕中轴线旋转的转速为10-40 rpm/min；

通过回流装置将从重物料出口排出的大比重的污泥颗粒回流至所述生化池内，通过排流装置将从轻物料出口排出的轻比重的活性污泥排出至二沉池内，所述轻比重的活性污泥质量占比为送入离心分离装置总物料质量的25%-40%；

第一输送支路通过外回流的方式将经所述二沉池浓缩后的部分污泥回流至所述生化池；第二输送支路将经所述二沉池浓缩后的部分剩余污泥输送至水力旋流器的进料口；

通过水力旋流器将剩余污泥分离，并通过第三输送支路将分离后得到的剩余污泥颗粒和功能载体的复合物回流至所述生化池内，同时将分离后得到的污泥排出至所述水力旋流器。

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