CN1569688A - 交替式内循环好氧生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于城市生活污水处理的装置；尤其是对污水进行处理的交替式内循环好氧生物反应器。它包括好氧生物反应池、各个反应池之间的连通孔、每个反应池均设置有进水管以及两侧边池设置有出水堰和出水管，其特征是：所述好氧生物反应池的数量为4个，从左至右依次是1－4号反应池，每个反应池的形状为长条形，4个反应池并排排列；位于两侧的反应池设置有进水管、出水堰和出水管，位于中间的反应池只设置有进水管；在各个反应池之间以设置有连通孔和回流泵；两侧的反应池交替作为曝气池和沉淀池使用，中间两个反应池始终作为曝气池使用。本反应器集曝气系统与沉淀系统于一体，污泥浓度分布均匀，提高池容利用率及处理效率，降低了处理费用。

Description

交替式内循环好氧生物反应器

技术领域

本发明涉及一种用于城市生活污水处理的装置；尤其是对污水进行处理的交替式内循环好氧生物反应器。

背景技术

目前城市污水处理普遍采用的主流工艺有传统活性污泥法、氧化沟工艺和SBR工艺等。

活性污泥工艺作为应用最为广泛的一种好氧生化处理技术，是污水处理技术发展至今最稳定最成熟的工艺之一。其主要由曝气池和二沉池组成，采用微孔曝气，氧利用率高，主要的特点是工艺稳定性高、抗冲击负荷能力强。但由于采用传统的工艺流程，预处理—初沉池—曝气池-二沉池，就不可避免有基建投资和运行处理费用高的缺点。

氧化沟工艺是一种低负荷、延时曝气系统，通过循环水力流动特点，提高了抗冲击负荷能力。但其采用曝气转刷等曝气设备，氧利用率相对较低，同时延时曝气方式增大池容和停留时间，进一步提高了运行能耗。为了降低投资成本，丹麦Kruge公司开发的三沟式氧化沟工艺，就是利用三个并列水力相通的氧化沟在时空上状态转换，省略二沉池节省了一定投资。三沟氧化沟的运行工序原理见图1，该氧化沟运行时，两侧的I、III两池交替用作沉淀池、曝气池，中间的II池则一直维持曝气。进水交替地引入I池、II池或III池，出水交替地从I池或III池引出。三沟式氧化沟工艺一般分为四个阶段。(图1中箭头a表示进水，箭头b表示出水)

阶段A：污水进入I池，澄清出水从III池流出。I池和II池均为好氧状态，进行有机物的降解作用，III池作为沉淀池。

阶段B：为过渡状态，污水进入II池，出水仍然从III池流出，此时I池转刷停止运转，转变为静止沉淀状态，II池仍在好氧条件下运行，III池仍作为沉淀池。

阶段C：污水进入III池，出水经I池流出。此时III池和II池处于好氧状态，曝气转刷运转，I池作为沉淀池。与阶段A的工作状态相类似。

阶段D：与阶段B工作状态相类似，为过渡状态。污水引入II池，出水经I池流出。III池此时处于静止沉淀状态，I池仍作为沉淀池。

这样，三沟式氧化沟四个工序阶段周而复始，交替式连续处理污水。但长时间运行转之后，其存在的致命缺限逐渐就会暴露出来，即I、II和III池的污泥浓度分布大不相同，表现为I池和III池的污泥浓度要远远大于II池，这将导致系统的容积和设备利用率大大降低。

序批式反应器(SBR)具有处理效率高、运行简便灵活的特点。经典SBR工艺投资最少，运行操作灵活简便，但间歇运行方式不能满足连续处理污水和要求。间歇式循环延时曝气活性污泥法(ICEAS工艺)和循环式活性污泥法(CASS工艺)通过在前端增设生物选择区或预反应区来达到连续处理的需要，可它们更多采用延时曝气方式，就损失了SBR工艺高效的特性。需氧池-间歇曝气池串联的工艺(DAT-IAT工艺)将预反应区变为一个连续的活性污泥池，进一步提高容积利用率。随后的改进型SBR(又称MSBR)和交替式工艺UNITANK扩大了连续式反应区容积，采用交替式运行的方式，达到连续处理污水的目的，这在继续增大容积利用率同时，也增加了各池间的污泥分布不均匀性问题。

活性污泥法和氧化沟工艺都有投资和运行费用高的缺点，而改进SBR工艺在基建上省略了二沉池，但其必须有相应的时间来进行沉淀出水，后来交替式运行的三沟式氧化沟和改进SBR工艺通过在时间或空间上转换工作状态达到连续进出水目的，但这种交替式运行转的方式增加了系统污泥浓度分布不均匀性问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是为了解决城市污水处理技术投资高，运行费用高的缺点，对现有交替式运行工艺的池型结构、附属设备及其运转方式进行研究，克服交替式工艺的污泥浓度分布不均匀，容积和设备利用率低等缺点，提高污水处理效率。

实现上述目的的技术方案是：一种交替式内循环好氧生物反应器，包括好氧生物反应池、各个反应池之间的连通孔、每个反应池均设置有进水管以及两侧边池设置有出水堰和出水管，其特征是：

所述好氧生物反应池的数量为4个，从左至右依次是1号反应池、2号反应池、3号反应池和4号反应池，每个好氧生物反应池的形状为长条形，4个好氧生物反应池并排排列；

位于两侧的1号反应池和4号反应池设置有进水管12和15、出水堰17和18、出水管11和16，位于中间的2号反应池和3号反应池只设置有进水管13和14；

在1号反应池和2号反应池之间以及3号反应池和4号反应池之间位于进水管的远端设置有连通孔8和连通孔10，在2号反应池和3号反应池之间位于进水管的近端设置有连通孔9；

在1号反应池和2号反应池之间以及3号反应池和4号反应池之间位于进水管的近端设置有单向回流泵5和单向回流泵7，水流只能由中间反应池向边侧反应池流动；在2号反应池和3号反应池之间位于进水管的远端设置有双向回流泵6，水流可以在2号反应池和3号反应池之间来回流动；

两侧的反应池交替作为曝气池和沉淀池使用，中间两个反应池始终作为曝气池使用。

本发明的有益效果是，本好氧生物反应器集曝气系统与沉淀系统于一体，节省了占地面积，降低了投资基建费用。所采用的内回流系统，提高池容利用率，提高了处理效率，降低了处理费用。运行的稳定性和可靠性增加，出水水质可达到国家一级排放标准。构筑物一体化、单元化，可扩展性较强。

附图说明

图1是现有的三沟式氧化沟运行原理图

图2是本发明的平面结构示意图

图3是本发明的运行原理图

图4是本发明的脱氮原理图

图5是本发明的脱氮除磷原理图

图6是一个周期内各个反应池污泥浓度分布图

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做进一步的说明。

该反应器的结构参见图2，由于前面技术方案部分对其结构已作说明，在此不再描述。

污水首先经格栅、沉砂池，进入集水井泵房，提升后进入好氧处理系统，好氧处理系统由1、2、3和4号四个同等池容的长条形池子组成。1号和4号池交替作为曝气池和沉淀池使用，2号和3号池始终为曝气状态，各池均设有进水管12-15，出水由1、4号池交替进行。图2中5、6和7三处安装有内回流泵，可对相邻两池间的混合液进行回流，形成循环的水力流态。

请参阅图3，本发明的标准运行模式分为四个阶段—A、B、C和D。

阶段A(图3A)：1、2和3号池为曝气状态，池中曝气器开始曝气，4号池为沉淀状态，曝气器停止曝气。1号池进水阀门打开，4号池出水阀门打开。图中回流水泵5、6打开。

污水首先从1号池进入，随着进水水流的推动作用，泥水混合液通过连通孔8，进入2号反应池，再经过连通孔9，通过3号反应池，流经连通孔10，从4号池经出水堰18由出水管16流出。同时在5和6处有一部分混合液分别回流至1号和2号池。这样在1号池与2号池之间、2号池和3号池之间分别形成循环流动的水力特性。

阶段B(图3B)：该阶段为过渡工序。2和3号池为曝气状态，池中曝气器开始曝气，1、4号池为沉淀状态，曝气器停止曝气。1号池进水阀门关闭，2号池进水阀门打开。5和6处的内回流泵关闭。

1号池停止进水，开始静止沉淀30分钟。污水由2号池进入，经连通孔9流至3号池进行降解，最后经连通孔10进入4号池出水，此时内循环系统关闭。

阶段C(图3C)：4、3和2号池为曝气状态，池中曝气器开始曝气；1号池为沉淀状态，曝气器停止曝气。4号池进水阀门打开，1号池出水阀门打开。图中6和7处的回流水泵打开。

2号池停止进水，切换至4号池进水，水流经4号池和连通孔10、3号池和连通孔9、2号池和连通孔8，最后从1号池出水。该阶段进水方向与内循环回流方向均与阶段A正好相反，但作用原理与阶段A完全一致。

阶段D(图3D)：该阶段为过渡工序。3和2号池为曝气状态，池中曝气器开始曝气；4号池和1号池为沉淀状态，曝气器停止曝气。4号池进水阀门关闭，3号池进水阀门打开。图中6和7处的回流水泵关闭。

4号池停止进水，切换至3号池进水，经连通孔9、2号池和连通孔8，由1号池出水。该阶段进水方向与内循环回流方向均与阶段B正好相反。

可见，图3中A和C作为运行的主要阶段，它们的水流方向相反，作用机理相同。阶段B和D为两个方向相反的原理完全相同的过渡工序。阶段A-D为一个标准运行周期，一个标准运行周期结束后，又可以进入下一个标准运行周期，连续对污水进行处理。

本工艺的各工序段的时间也可灵活的调节，一般分为4小时、6小时和8小时运行时序。

上述标准运行模式为有机物降解标准模式。

由于交替式运行工艺同时作为曝气系统和沉淀系统，这样曝气系统的容积、时间、污泥量以及设备利用情况都将反映一个污水处理工艺的综合效率，即池容利用率，如下式所示。

$f_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{si}}{X}_{\mathrm{si}}{t}_{\mathrm{si}}+\underset{i=1}{\overset{n-2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{mi}}{X}_{\mathrm{mi}}{t}_{\mathrm{mi}}}{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{si}}{X}_{\mathrm{si}}t+\underset{i=1}{\overset{n-2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{mi}}{X}_{\mathrm{mi}}t}-----\left(1\right)$

式中，X_mi、X_S1、X_S2—中间曝气池、边池1，2参与反应的平均污泥浓度；t_si、、t_mi—边池和中间曝气池的反应时间，h；V_si—边池的体积，m³；V_mi—中间曝气池的体积，m³。(注：公式1摘自《给水排水》，1999.25(3)，王凯军，曝气、沉淀一体化活性污泥工艺设计方法和问题讨论)

可见，提高工艺的曝气池容、反应时间、污泥量都将会大大提高池容利用率，降低处理能耗。

本发明工艺继承了改进SBR工艺连续进水、连续出水、恒水位和交替式运行的特点，吸取氧化沟工艺循环水力流动特点和活性污泥系统稳定的特性，从根本上克服了UNITANK工艺和三沟式氧化沟中各反应器污泥浓度分配不均匀现象，有效提高了工艺处理效率，最终形成了具有自身特色的交替式内循环好氧生物反应器。

请参阅图2，本发明由1、2、3和4号池四个条形矩形池子组成，2、3号中间池始终为连续曝气池，1、4号两侧边池交替作为曝气池和沉淀池，各池均设有进水装置，出水在两侧边池进行；与三池排列的交替式运行工艺相比(如三沟式氧化沟工艺)，依据公式(1)，假定各池池容、运行时间和污泥浓度均相等，由此计算所得本发明的池容利用率要比三沟式氧化沟工艺的池容利用率提高近10％。

本发明的池型尺寸，首先必须满足1、4号边池作为沉淀系统时的池型要求，其次为了形成有效的内循环系统，需要形成一定的水体推流速度。根据要求，本发明的每个反应池为矩形，其单池长宽比在4～10之间，长深比在6～12之间。

根据循环流动的氧化沟工艺的水力流态可消除单体池内污泥分布不均匀的现象的特点，本发明在5、6和7处增加低扬程、低能耗内循环回流泵，提高相邻池子间的水力循环，弥补因推流作用造成污泥浓度降低的影响，改善系统的污泥分布状况，提高了曝气系统的污泥量，进一步提高池容利用率；本发明在图中5和7处设置内回流比为100％～200％之间，在图中6处回流比为50％～150％。

为了提高了溶解氧的利用效率，本发明各个反应池中的曝气装置采用膜式曝气器。而其它交替式工艺采用曝气转刷或者表曝机，溶解氧的利用率相对较低。

请参阅图4，本发明在前端设置缺氧池19，通过反硝化进行氮源的去除。缺氧池19内设置有搅拌器，保证池内达到缺氧状态。1、2、3和4号池为好氧池，各反应池与缺氧池19之间设置有进水装置，并且各反应池设置有曝气设备，1和4号池另设有出水装置。在2号反应池与3号反应池之间位于进水装置的远端设置有双向回流水泵6，在缺氧池19与2号反应池、3号反应池之间分别设置有单向回流水泵20、21，可同时满足硝化液回流和污泥分布均匀化的作用。本处理装置为脱氮处理模式。

污水首先进入缺氧池19进行反硝化脱氮，同时在20和21处根据不同工序进行好氧池硝化液的回流，随后混合溶液进入好氧池1、2、3和4号池中完成去除有机物和硝化反应的过程，好氧池的运行方式与有机物降解标准模式(图3)相同，也可分为4个运行阶段。运行周期也可灵活调节。

请参阅图5，本发明在反应器前端增设厌氧池22，在1和4号池中分出区域23和24作为缺氧区域，可同时达到脱氮除磷的目的；厌氧池22、缺氧区23和24均安装有搅拌器，负责控制池内缺氧和厌氧状态；1、2、3和4号反应池为好氧池，各反应池与厌氧池22之间设置有进水装置，1和4号池设有出水装置；在1号池与2号池之间、3号池与4号池之间靠近厌氧池的地方安装有单向回流泵25、26，在2号池与3号池之间位于进水装置的远端设置有双向回流泵6，保证好氧系统内形成高效内循环水力流态；在厌氧池22与缺氧区23、24之间各安装有单向水泵27、28，将沉淀池内剩余污泥回流至厌氧池。本处理装置为同步脱氮除磷降解模式。

本处理脱氮除磷标准运行模式分为六个阶段—A、B、C、D、E和F(图5)。

阶段A(图5A)：1、2和3号池开始曝气，4号池开始沉淀。1号池开始进水，4号池出水。图中回流水泵25、6和28打开。

污水首先从1号池进入，流经连通孔8、2号反应池、连通孔9，3号反应池和连通孔10，最后从4号池流出，该过程进行硝化、吸磷和有机物降解的作用。同时在25和6处有部分混合液分别回流至1号反应池和缺氧区23，同时满足缺氧区反硝化脱氮的目的和混合液回流的作用。4号池中剩余污泥回流泵28将4号池的剩余污泥回流至厌氧池22，达到放磷的目的。

阶段B(图5B)：此时1、2和3号池仍然为曝气状态，4号池沉淀状态。1号池停止进水，开始静态沉淀，由2号池进水，4号池出水。与阶段A不同的是，缺氧区23中的搅拌器停止搅拌，开始曝气。回流泵25和6停止工作，剩余污泥回流泵28仍然持续工作。

阶段C(图5C)：该阶段为过渡工序。2和3号池为曝气状态，1、4号池为沉淀状态，曝气器停止曝气。回流泵25和6关闭，剩余污泥回流泵28仍然持续工作。污水由2号池进入，经连通孔9流至3号池降解，最后经连通孔10进入4号池出水。

阶段D(图5D)：4、3和2号池为曝气状态，1号池为沉淀状态。4号池开始进水，1号池开始出水。图中26、6和27处的回流水泵打开。

2号池停止进水，切换至4号池进水，水流经4号池和连通孔10、3号池和连通孔9、2号池和连通孔8，最后从1号池出水。该阶段进水方向与混合液循环回流方向均与阶段A相反，作用原理完全相同。

阶段E(图5E)此时4、3和2号池仍然为曝气状态，1号池沉淀状态。由3号池进水，1号池出水。与阶段A不同的是，缺氧区24中的搅拌器停止搅拌，开始曝气。回流泵26和6停止工作，剩余污泥回流泵27仍然持续工作。

阶段F(图5F)该阶段为过渡工序。3和2号池为曝气状态，4号池和1号池为沉淀状态。图中26和6处的回流水泵关闭，剩余污泥回流泵27仍然持续工作。

污水由3号池进入，经连通孔9、2号池和连通孔8，从1号池出水。该阶段进水方向与内循环回流方向均与阶段C正好相反。

阶段A-F为一个标准运行周期，一个周期结束后，进入下一个周期，这样连续不断地实现污水的连续处理。

上述标准运行模式为脱氮除磷降解标准模式。本处理模式可根据实际情况来调整运行工序时间及增加相应附属工序。

当然，实现对各个进出水阀门和循环水泵的控制，需要一个电气控制系统来操作，在披露清楚本发明的结构以及运行方式的基础上，该领域的技术人员可以不经过创造性劳动即可设计出电气控制系统，因此本文对电气控制部分不再赘述。

下面通过实际污水处理厂测试结果来进一步说明本发明的优点及效果。

测试条件及方法

本工程中采用交替式内循环好氧生物反应器，反应器有效容积15960m³，总停留时间5.3小时，平面尺寸101.2×41.4×4.7m，平均污泥浓度为2.5g/L。运行周期为6小时工序，其中A、C为主工序(2.5h)，B和D工序为次工序(0.5h)，试验期间处理水量为2400m3/h，平均污泥浓度为2192.7mg/L。完全开启内循环系统，对各运行工序情况下进行MLSS取样测定分析。1、2、3和4号池各分布有5个采样点，采样时间间隔15分钟。

测试结果见下表1。

                            表1  半个周期内反应池不同时间的污泥总量和平均污泥浓度

时间	1号池		2号池		3号池		曝气总污泥量(T)
								污泥量(T)	平均污泥浓度(mg/L)	污泥量(T)	平均污泥浓度(mg/L)	污泥量(T)	平均污泥浓度(mg/L)
	0	21.21	5315.72	8.12	2035.76	6.92								1734.71	36.25
15							14.94	3743.90	16.08	4030.66	5.39	1350.50	36.41
	30	9.98	2501.87	15.38	3855.42	8.12								2034.13	33.48
45							10.78	2701.56	10.08	2526.63	12.24	3066.74	33.10
	60	9.44	2366.37	7.62	1909.84	13.52								3387.29	30.58
75							7.42	1859.25	10.93	2738.58	11.53	2890.21	29.88
	90	7.01	1756.18	10.43	2615.26	9.94								2491.55	27.38
105							7.39	1852.48	8.57	2148.95	9.90	2480.47	25.86
	120	7.28	1824.27	7.66	1919.29	9.80								2455.61	24.73
135							6.56	1643.51	7.90	1980.82	9.25	2318.16	23.71
	150	6.56	1643.51	7.90	1980.82	8.93								2237.08	23.39
165							6.56	1643.51	7.90	1980.82	8.32	2086.16	22.78
	180	6.56	1643.51	7.90	1980.82	7.25								1817.16	21.71

根据实验所得，前半个周期(工序A和B)中1、2和3号池的污泥分布与后半个周期(工序C和D)的4、3和2号池的污泥分布完全相同。如图6所示。

在图6中S_1-1表示1号池进水初始时刻污泥浓度，S_1-2表示1号池进水结束时刻污泥浓度，S_1-3表示1号池进水过程的平均浓度。S_2-1表示2号池进水初始时刻污泥浓度，S_2-2表示2号池进水结束时刻污泥浓度，S_2-3表示2号池进水过程的平均浓度。S_3-1表示3号池进水初始时刻污泥浓度，S_3-2表示3号池进水结束时刻污泥浓度，S_3-3表示3号池进水过程的平均浓度。S_4-1表示4号池进水初始时刻污泥浓度，S_4-2表示4号池进水结束时刻污泥浓度，S_4-3表示4号池进水过程的平均浓度。

由图6中可看出，起始时刻污泥浓度分布为S_1-1最大，S_4-1最小，S_2-1和S_3-1基本相等，结束时刻时反应池内污泥浓度分布为S_4-2最大，S_1-2最小，S_2-2和S_3-2基本相同，而各反应池的平均污泥浓度S_1-3、S_2-3、S_3-3和S_4-3是基本相等的。

因此，将计算所得的平均污泥浓度、各反应池运行工序时间及池容代入公式(1)后，得交替式内循环好氧生物反应器的池容利用率达71％。而三沟式氧化沟的池容利用率在50％左右。本污水厂所采用的好氧工艺设计负荷为0.34kgBOD/kgMLSS.d，沉淀池表面负荷为2.2m3/m2·h。所测试污水处理工程吨水造价仅为669元，吨水处理成本为0.34元(包括运行电耗及大修折旧)。上面所述各项参数均优于现有的同类处理污水装置。

Claims (5)

1、一种交替式内循环好氧生物反应器，包括好氧生物反应池、各个反应池之间的连通孔、每个反应池均设置有进水管以及两侧边池设置有出水堰和出水管，并且每个反应池中安装有曝气装置，其特征是：

所述好氧生物反应池的数量为4个，从左至右依次是1号反应池、2号反应池、3号反应池和4号反应池，每个好氧生物反应池的形状为长条形，4个好氧生物反应池并排排列；

位于两侧的1号反应池和4号反应池设置有进水管、出水堰和出水管，位于中间的2号反应池和3号反应池只设置有进水管；

在1号反应池和2号反应池之间以及3号反应池和4号反应池之间位于进水管的远端设置有连通孔(8)和连通孔(10)，在2号反应池和3号反应池之间位于进水管的近端设置有连通孔(9)；

在1号反应池和2号反应池之间以及3号反应池和4号反应池之间位于进水管的近端设置有单向回流泵(5)和单向回流泵(7)，水流只能由中间反应池向边侧反应池流动；在2号反应池和3号反应池之间位于进水管的远端设置有双向回流泵(6)，水流可以在2号反应池和3号反应池之间来回流动；

两侧的反应池交替作为曝气池和沉淀池使用，中间两个反应池始终作为曝气池使用。

2、根据权利要求1所述的交替式内循环好氧生物反应器，其特征是：所述每个反应池为矩形，其单池长宽比在4～10之间，长深比在6～12之间。

3、根据权利要求1所述的交替式内循环好氧生物反应器，其特征是：所述反应池中的曝气装置采用膜式曝气器。

4、根据权利要求1、2或3所述的交替式内循环好氧生物反应器，其特征是：在反应器的前端设置缺氧池(19)，通过反硝化进行氮源的去除；缺氧池(19)内设置有搅拌器，保证池内达到缺氧状态；1、2、3和4号池为好氧池，各反应池与缺氧池(19)之间设置有进水装置，并且各反应池设置有曝气设备，1和4号池另设有出水装置；在2号反应池与3号反应池之间位于进水装置的远端设置有双向回流水泵(6)，在缺氧池(19)与2号反应池、3号反应池之间分别设置有单向回流水泵(20)、(21)，可同时满足硝化液回流和污泥分布均匀化的作用。

5、根据权利要求1、2或3所述的交替式内循环好氧生物反应器，其特征是：在反应器前端增设厌氧池(22)，在1和4号池中分出区域(23)和(24)作为缺氧区域，可同时达到脱氮除磷的目的；厌氧池(22)、缺氧区(23)和(24)均安装有搅拌器，负责控制池内缺氧和厌氧状态；1、2、3和4号反应池为好氧池，各反应池与厌氧池(22)之间设置有进水装置，1和4号池设有出水装置；在1号池与2号池之间、3号池与4号池之间靠近厌氧池的地方安装有单向回流泵(25)、(26)，在2号池与3号池之间位于进水装置的远端设置有双向回流泵(6)，保证好氧系统内形成高效内循环水力流态；在厌氧池(22)与缺氧区(23)、(24)之间各安装有单向水泵(27)、(28)，将沉淀池内剩余污泥回流至厌氧池。

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