申请日2017.04.14
公开(公告)日2017.06.20
IPC分类号C02F9/14; C02F101/30; C02F103/20
摘要
本发明公开了一种有机污水处理设备，及运用该处理设备处理黑臭水体的方法，所述有机污水处理设备包括预处理系统、第一换热器、冰冻分离系统、生物处理系统和热泵系统，预处理系统与第一换热器连接，第一换热器通过热泵系统的蒸发器与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器和生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器和生物处理系统的清水出口连接。本发明公开的设备及其处理方法巧妙的将冷冻法与生物法相互结合、可将黑臭水体变废为宝，将黑臭水体治理变成盈利。
权利要求书
1.一种有机污水处理设备，其特征在于：所述有机污水处理设备包括预处理系统、第一换热器、冰冻分离系统、生物处理系统和热泵系统，预处理系统与第一换热器连接，第一换热器通过热泵系统的蒸发器与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器和生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器和生物处理系统的清水出口连接。
2.根据权利要求1所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述生物处理系统包括厌氧生物处理系统、第二换热器和好氧生物处理系统，所述第一换热器通过所述热泵系统的蒸发器与所述冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器、热泵系统的辅助冷凝器和厌氧生物处理系统连接，厌氧生物处理系统通过第二换热器与好氧生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器、第二换热器与好氧生物处理系统的清水出口连接。
3.根据权利要求2所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述热泵系统包括依次连接的压缩机、辅助冷凝器、冷凝器、节流阀和蒸发器，所述冰冻分离系统包括依次连接的所述蒸发器、制冰箱和蓄冰箱，制冰箱的低温浓缩污水出口通过所述第一换热器、热泵系统的辅助冷凝器和所述厌氧生物处理系统连接，蓄冰箱与空调冷冻水系统连接并与空调冷冻水系统的冷冻水热交换，蓄冰箱的低温清水出口通过冷凝器、所述第二换热器与所述好氧生物处理系统的清水出口连接。
4.根据权利要求2所述的一种有机污水处理设备,其特征在于：所述预处理系统包括第一预处理系统，第一预处理系统包括第一粗格栅、气浮池和第一细格网，气浮池的浮渣出口与所述厌氧生物处理系统连接。
5.根据权利要求4所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述所述预处理系统还包括第二预处理系统，第二预处理系统包括第二粗格栅、沉砂池和第二细格网，第二细格网的污泥出口与所述厌氧生物处理系统连接。
6.根据权利要求2所述的一种有机污水处理设备，其特征在于：所述厌氧生物处理系统包括依次连接的混合器、所述辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器，以及用于收集两个厌氧反应器所产生沼气的沼气储罐;所述好氧生物处理系统包括依次连接的好氧反应器和沉淀池;所述冰冻分离系统的低温浓缩污水出口依次通过所述第一换热器、混合器、辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器、所述第二换热器、好氧反应器和沉淀池连接。
7.一种有机污水处理设备处理黑臭水体的方法，其特征在于，所述处理方法包括以下步骤，
第一步:河涌污水先经预处理系统预处理后进入冰冻分离系统处理，冰冻分离系统冰冻处理包括以下步骤;
污水原水经过第一换热器降温，将污水原水用热泵系统的蒸发器进行冰冻处理再送入制冰箱，在制冰箱上部冰冻结晶部分形成具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未结晶部分形成低温浓缩污水;将制冰箱上部冰粉送入储冰箱，储冰箱中的冰粉经热泵系统的冷凝器加热成常温清水;
第二步:冰冻分离系统冰冻处理完进入厌氧生物处理系统，厌氧生物处理系统厌氧处理包括以下步骤;
将第一步制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水，常温浓缩污水由第一步热泵系统的辅助冷凝器产生的热量加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入中高温厌氧反应器处理;将厌氧处理完成的厌氧出水排出，将厌氧反应产生的沼气收集;
第三步：厌氧生物处理系统厌氧处理完后进入好氧生物处理系统，好氧生物处理系统好氧处理包括以下步骤;
将第二步厌氧处理产生的厌氧出水，经第一步热泵系统的冷凝器加热成的常温清水在第二换热器中换热降温成好氧生物处理需要的29℃～31℃，再送入好氧反应器处理进一步降低有机物，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，下部排出剩余污泥;
第四步：排出
将第三步沉淀池排出的清水，与第一步冷凝器加热后与厌氧出水换热后的清水混合排出处理器。
8.根据权利要求7所述的一种处理黑臭水体的方法，其特征在于：当处理站离居民楼太近，沼气储罐存在安全隐患时，或者处理低浓度有机废水时，所述的制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水后，直接送入好氧反应器处理，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，排出的清水与所述冰粉经冷凝器加热形成的常温清水混合排出处理站。
9.根据权利要求7所述的一种处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述第一预处理系统包括第一预处理系统和第二预处理系统;
第一预处理系统预处理包括以下步骤：
将污水原水经过第一粗格栅隔渣后，污水原水经气浮池处理，污水原水中轻质易浮颗粒形成水面浮渣层，将浮渣刮出，送入中高温厌氧反应器处理，气浮池处理后的污水再第一细格网过滤，再经过第一换热器降温;
第二预处理系统预处理包括以下步骤：
将河涌污泥经过设有第二粗格栅的吸泥口吸入处理站，河涌污泥经沉砂池处理，第二细格网过滤，第二细格网过滤的污泥送入中高温厌氧反应器处理。
10.根据权利要求9所述的一种黑臭水体处理方法，其特征在于：所述第一步冰冻处理具体包括以下步骤：
污水经第一换热器降温再进入热泵系统的蒸发器降温成-2℃～-3℃的过冷污水，过冷污水送入制冰箱，经超声波促晶作用，在制冰箱上部污水快速冰冻结晶形成细小的具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未冻结的污水被浓缩形成低温浓缩污水，将制冰箱上部冰粉刮出制冰箱，送入蓄冰箱;在蓄冰箱里，冰粉与空调冷冻水系统换热，冰粉则被融化成低温清水，低温清水再与热泵系统的冷凝器换热，变为常温清水;
所述第二步厌氧生物处理还包括如下步骤;所述气浮池的浮渣和第二细格网过滤的污泥混合与常温浓缩污水一同送入混合器，使污水中COD达到厌氧生物处理的适合浓度后，由第一步热泵系统的辅助冷凝器加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入产酸发酵厌氧反应器进行产酸发酵，产酸发酵后35～36℃℃的出水送入产甲烷厌氧反应器进行产甲烷反应，经产甲烷反应，80%～85%的有机物转化成沼气，将产酸发酵厌氧反应器和产甲烷厌氧反应器产生的沼气收集入沼气储罐，产甲烷反应后排出厌氧出水;
所述第三步好氧生物处理具体包括以下步骤：
厌氧出水经过第二换热器与第一步冰冻处理产生的常温清水进行换热，厌氧出水降温为29℃～31℃，然后送入A/O好氧反应器进行好氧生物反应后，再送入沉淀池去除悬浮物，沉淀池底部产生的剩余污泥定期排出，沉淀池的上部出水;所述沉淀池下部排出的剩余污泥，一部分剩余污泥回流到中高温厌氧反应器进行厌氧消化，一部分剩余污泥回流到A/O好氧反应器脱氮除磷，一部分剩余污泥外排。
说明书
一种有机污水处理设备及其处理方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种有机污水处理设备及其处理方法。
背景技术
各城市的形成基本都是倚河而建，城市中心区大部分又是处在河流两岸。各条河涌流经城市中心区再流向主河流。但随着城市的规模不断扩大，城市人口急剧增加，大量生活污水、工业废水未经处理排入河涌。污染物数量远超过河涌自洁能力时，就形成了黑臭水体。根据中国2222个监测站的统计，在138个城市河段中，超过Ⅴ类水质的占到38%，已成为中国水环境污染中的重灾区。而在我国的大城市黑臭水体更加严重，比如广州市53条监控的河涌中，超过Ⅴ类水质的占到80%～90%。城市黑臭水体损害居民健康，影响城市美观，破坏生态系统，是中国治理水污染问题的最重点部分。
这些黑臭水体的形成主要是两方面：1、有机物(COD)、氨氮、总磷负荷过大，远超过河涌自洁能力;2、底部淤泥的再悬浮。所以黑臭水体的处理主要就是去除污水中的有机物、氨氮和总磷，和去除底部淤泥。现有的河涌整治主要是3方面：1、挖除河底淤泥;2、新建截污工程;3、引水冲洗。上述3方面的整治工程浩大，对周边城市生活、交通影响严重，耗资巨大。2014年，广州市只是对于车陂涌一条河涌整治就投入了8亿元人民币，新建污水管道32公里，河涌清淤30公里，但至2017年初，水质仍为劣Ⅴ类。投资巨大，治理过程对城市负面影响严重，但收效却很不理想。主要原因是车陂涌沿线9个城中村，无法实行拆迁改造建设截污管道。
黑臭水体虽然危害大，但同时也能变废为宝。水体可以作为水源热泵的冷量来源供建筑空调制冷，有机物可以经厌氧反应产生沼气，水经处理后可用于城市绿化、湖体补水、清洗路面等用途。本发明的目的是寻找一种投资小，有常效治理效果，运行成本低的黑臭水体治理技术，将黑臭水体变废为宝，解决我国黑臭水体治理的难题。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的技术问题，提供一种有机污水处理设备及其应用有机处理设备处理黑臭水体的方法。该设备及其处理方法巧妙的将冷冻法与生物法相互结合、可将黑臭水体变废为宝，将黑臭水体治理变成盈利。
本发明通过以下技术方案实现：
一种有机污水处理设备，所述有机污水处理设备包括预处理系统、第一换热器、冰冻分离系统、生物处理系统和热泵系统，预处理系统与第一换热器连接，第一换热器通过热泵系统的蒸发器与冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器和生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器和生物处理系统的清水出口连接。
优选地，所述生物处理系统包括厌氧生物处理系统、第二换热器和好氧生物处理系统，所述第一换热器通过所述热泵系统的蒸发器与所述冰冻分离系统连接，冰冻分离系统的低温浓缩污水出口通过第一换热器、热泵系统的辅助冷凝器和厌氧生物处理系统连接，厌氧生物处理系统通过第二换热器与好氧生物处理系统连接，冰冻分离系统的低温清水出口通过热泵系统的冷凝器、第二换热器与好氧生物处理系统的清水出口连接。
热泵系统的蒸发器给冰冻分离系统提供冰冻处理需要的冷源，同时在热泵系统的辅助冷凝器给厌氧生物处理系统提供中高温厌氧处理需要的热源;冰冻分离系统为厌氧生物处理系统提拱适合厌氧处理的高浓度有机污水，同时为好氧生物处理系统提供将中高温厌氧出水降温到适合好氧处理温度的冷源;厌氧生物处理系统为好氧生物处理系统提供适合好氧处理的低浓度有机污水，同时将好氧生物处理系统产生的剩余污泥消化。
优选地，所述热泵系统包括通依次连接的压缩机、辅助冷凝器、冷凝器、节流阀和蒸发器，所述冰冻分离系统包括依次连接的所述蒸发器、制冰箱和蓄冰箱，制冰箱的低温浓缩污水出口通过所述第一换热器、辅助冷凝器和所述厌氧生物处理系统连接，蓄冰箱与空调冷冻水系统连接并与空调冷冻水系统的冷冻水热交换，蓄冰箱的低温清水出口通过冷凝器、所述第二换热器与所述好氧生物处理系统的出口连接。
优选地，所述预处理系统包括第一预处理系统，第一预处理系统包括第一粗格栅、气浮池和第一细格网，气浮池的浮渣出口与所述厌氧生物处理系统连接。
优选地，所述所述预处理系统还包括第二预处理系统，第二预处理系统包括第二粗格栅、沉砂池和第二细格网，第二细格网的污泥出口与所述厌氧生物处理系统连接。
优选地，所述厌氧生物处理系统包括依次连接的混合器、所述辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器，以及用于收集两个厌氧反应器所产生沼气的沼气储罐;所述好氧生物处理系统包括依次连接的好氧反应器和沉淀池;所述冰冻分离系统的低温浓缩污水出口依次通过所述第一换热器、混合器、辅助冷凝器、产酸发酵厌氧反应器、产甲烷厌氧反应器、所述第二换热器、好氧反应器和沉淀池连接。
一种有机污水处理设备处理黑臭水体的方法，所述处理方法包括以下步骤，
第一步:河涌污水先经预处理系统预处理后进入冰冻分离系统处理，冰冻分离系统冰冻处理包括以下步骤;
污水原水经过第一换热器降温，将污水原水用热泵系统的蒸发器进行冰冻处理再送入制冰箱，在制冰箱上部冰冻结晶部分形成具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未结晶部分形成低温浓缩污水;将制冰箱上部冰粉送入储冰箱，储冰箱中的冰粉经热泵系统的冷凝器加热成常温清水;
第二步:冰冻分离系统冰冻处理完进入厌氧生物处理系统，厌氧生物处理系统厌氧处理包括以下步骤;
将第一步制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水，常温浓缩污水由第一步热泵系统的辅助冷凝器产生的热量加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入中高温厌氧反应器处理;将厌氧处理完成的厌氧出水排出，将厌氧反应产生的沼气收集;
第三步：厌氧生物处理系统厌氧处理完后进入好氧生物处理系统，好氧生物处理系统好氧处理包括以下步骤;
将第二步厌氧处理产生的厌氧出水，经第一步热泵系统的冷凝器加热成的常温清水在第二换热器中换热降温成好氧生物处理需要的29℃～31℃，再送入好氧反应器处理进一步降低有机物，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，下部排出剩余污泥;
第四步：排出
将第三步沉淀池排出的清水，与第一步冷凝器加热后与厌氧出水换热后的清水混合排出处理器。
优选地，当处理站离居民楼太近，沼气储罐存在安全隐患时，或者处理低浓度有机废水时，所述的制冰箱下部低温浓缩污水经第一换热器与河涌污水原水换热，变成常温浓缩污水后，直接送入好氧反应器处理，然后再送入沉淀池，沉淀池上部排出清水，排出的清水与所述冰粉经冷凝器加热形成的常温清水混合排出处理站。
优选地，所述第一预处理系统包括第一预处理系统和第二预处理系统;
第一预处理系统预处理包括以下步骤：
为提高冰冻结晶提纯水的效果，减少轻质杂质混杂在冰中，污水原水在冰冻前，将污水原水经过第一粗格栅隔渣后，污水原水经气浮池处理，将污水原水中轻质易浮颗粒形成水面浮渣层，将浮渣刮出，送入中高温厌氧反应器处理，气浮池处理后的污水再第一细格网过滤，再经过第一换热器降温;
第二预处理系统预处理包括以下步骤：
将河涌污泥经过设有第二粗格栅的吸泥口吸入处理站，河涌污泥经沉砂池处理，第二细格网过滤，第二细格网过滤的污泥送入中高温厌氧反应器处理。
优选地，所述第一步冰冻处理具体包括以下步骤：
污水经第一换热器降温再进入热泵系统的蒸发器降温成-2℃～-3℃的过冷污水，过冷污水送入制冰箱，经超声波促晶作用，在制冰箱上部污水快速冰冻结晶形成细小的具有一定洁净度的冰粉，在制冰箱下部未冻结的污水被浓缩形成低温浓缩污水，将制冰箱上部冰粉刮出制冰箱，送入蓄冰箱;在蓄冰箱里，冰粉与空调冷冻水系统的冷冻水换热，冰粉则被融化成低温清水，低温清水再与热泵系统的冷凝器换热，变为常温清水;
所述第二步厌氧生物处理还包括如下步骤;所述气浮池的浮渣和第二细格网过滤的污泥混合与常温浓缩污水一同送入混合器，使污水中COD达到厌氧生物处理的适合浓度后，由第一步热泵系统的辅助冷凝器加热到中高温厌氧生物处理需要的35℃～37℃，再送入产酸发酵厌氧反应器进行产酸发酵，产酸发酵后35～36℃℃的出水送入产甲烷厌氧反应器进行产甲烷反应，经产甲烷反应，80%～85%的有机物转化成沼气，将产酸发酵厌氧反应器和产甲烷厌氧反应器产生的沼气收集入沼气储罐，产甲烷反应后排出厌氧出水;
所述第三步好氧生物处理具体包括以下步骤：
厌氧出水经过第二换热器与第一步冰冻处理产生的常温清水进行换热，厌氧出水降温为29℃～31℃，然后送入A/O好氧反应器进行好氧生物反应后，再送入沉淀池去除悬浮物，沉淀池底部产生的剩余污泥定期排出，沉淀池的上部出水;沉淀池下部排出的剩余污泥，一部分剩余污泥回流到中高温厌氧反应器进行厌氧消化，一部分剩余污泥回流到A/O好氧反应器脱氮除磷，一部分剩余污泥外排。
优选地，处理站附近有生活热水需求时，厌氧反应器由厌氧反应产生的沼气燃烧加热保持54℃～57℃进行高温厌氧处理，高温厌氧处理后排出的53℃～55℃的厌氧出水，先作为热源加热自来水供给周边建筑作为生活热水，厌氧出水经自来水换热降温到31℃～32℃，然后再送入A/O好氧反应器处理。
二、本技术的特点。
1、厌氧生物法处理生活污水，能将大部分(85%左右)有机物转化成沼气。COD含量为1kg/m3的污水，可转化为1～1.5m3体积的沼气。沼气中甲烷含量为60%～75%。广州市工商业天然气价格为4.85元/m3。天然气平均甲烷含量为90%，则沼气售价可为3.5元/m3。采用厌氧+好氧的污水处理工艺，小型污水厂处理生活污水的直接成本(不含初期投资及折旧费)大概为0.8元/m3。所以厌氧生物法处理生活污水的运行利润率超过300%，利润可观。另外去除1kg的COD，好氧生物处理大约需消耗0.5～1.0kWh电能，而厌氧生物处理产生的沼气发电大约能产生3.5kWh电能。
反应温度在35℃的中高温厌氧生物处理法是反应温度在25℃的常温厌氧生物处理法处理负荷的2倍。反应温度在55℃的高温厌氧生物处理法是反应温度在35℃的中温厌氧生物处理法处理负荷的1倍。
但厌氧生物法处理生活污水存在的问题，限制了它在生活污水处理领域的应用，主要是：(1)、厌氧生物法需要足够高的有机物浓度才用有理想的处理效果，一般要求COD浓度在1000mg/L以上，市政生活污水的COD浓度一般在200～400mg/L不适合厌氧生物法处理，城市中心区黑臭河涌污水的COD浓度一般在20～120mg/L更不适合厌氧生物法处理。(2)、厌氧生物法的最佳反应温度为35℃和55℃，需要加温耗能。(3)、厌氧生物法对有机物降解不彻底，出水有机物含量一般达不到排放标准，厌氧处理后仍需进行好氧处理，但好氧处理的最佳反应温度为25℃～30℃，厌氧处理后的出水需要降温才能进入好氧处理器。
冰冻法与厌氧生物法结合的有机污水处理方法，恰好能解决厌氧生物法应用的主要问题。(1)、冰冻法将污水冰冻结晶提纯清水的同时，将污水进行了浓缩成高浓度污水，有利于厌氧生物处理。(2)、冰冻法在热泵系统的蒸发器一端将污水降到零度以下冰冻，同时在冷凝器一端会产生超过40℃的热量，能将要处理的污水加热到中高温厌氧生物法需要的35℃。(3)、冰融化后形成的清水可以将厌氧生物处理后35℃的厌氧出水降温到好氧生物法需要的25℃～30℃。(4)、冰冻法结晶提纯的清水，可与好氧生物法处理后的出水混合，进一步降低好氧出水有机物浓度。
2、城市黑臭水体均处在城市中心区，冰冻法产生的冰，能提供给周边公共建筑空调系统作为冷源产生收益。冰冻法处理污水，虽然增加了处理成本，但收益大于成本，反而产生了利润。冰冻法结晶提纯形成的冰粉，杂质含量低，也可部分销售作为冰鲜用冰，收益大于作为冷媒用途。
冰冻法处理污水的过程，实质就是个冰蓄冷水源热泵系统。(1)、水源热泵是目前空调系统中能效比(COP值)最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。因为夏季水体温度比空气温度低，与空气源热泵相比，其运行效率要高出20～30%，运行费用仅为普通中央空调的60～80%。(2)、冰蓄冷中央空调热泵系统，因为可利用电网的错峰电价的波谷电费发电，运行费用只是普通中央空调系统的55%～60%。综合来说，冰蓄冷水源热泵中央空调热泵系统的运行成本只是普通中央空调系统的40%～55%，收益率高。
3、常规污水处理采用好氧生物处理法去除有机物，本发明对有机物主要是采用厌氧生物法，大部分(85%)有机物转化成沼气，剩余污泥量少。而本发明好氧后沉淀池排出的剩余污泥，又送入厌氧生物反应器进行消化，实际排出剩余污泥量很少。剩余污泥量仅为常规生活污水处理厂好氧处理的2%～3%。大大减少了剩余污泥带来的二次污染和污泥处理成本。
4、常规污水处理采用好氧生物处理法去除有机物，本发明对有机物主要是采用中高温厌氧生物法去除有机物。中高温厌氧生物法的有机物容积负荷可以达到好氧生物处理法的12倍以上，也就意味着中高温厌氧处理器所占空间是常规好氧生物处理法的1/10。加上本发明中的冷冻分离系统、厌氧生物处理系统、好氧生物处理系统所占面积，本发明的设备所用空间仅为相同处理规模常规污水处理站的1/5。在现在城市土地寸土寸金的情况下，经济意义重大。
5、这种技术的实质，是解决黑臭水体产生的根源：污染物数量远超过河涌自洁能力。本设备人工的产生水体自洁能力，消耗过量的有机物、氮、磷。这种处理技术，不用挖泥，不用引水，甚至没必要新建截污管网。相对于现有的黑臭水体治理方式，投入少很多。本技术处理河涌污水的同时处理河底污泥，对河涌整治彻底。10：1的水泥处理比例，与河涌实际水泥比例相近。