申请日2014.08.08
公开(公告)日2015.01.28
IPC分类号C02F3/34; C02F3/30
摘要
一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，包括进水管、曝气系统与排泥穿孔管，圆柱形池体，圆柱形池体中心设有锥形反应筒，锥形反应筒外围设有圆筒形隔板，锥形反应筒体为第一反应室，锥形反应筒与圆筒形隔板之间的空间为第二反应室，圆筒形隔板与圆柱形池体之间的空间为第三反应室;各反应室设有水平布置的多层网板，锥形反应筒底端设有水气混合短管，水气混合短管连接有进气管，水气混合短管下端设有圆台形进水腔，进水管出口水平设置且位于圆台形进水腔，进水管出口安装有喷嘴，圆柱形池体下端设有锥体，锥体底部与排泥穿孔管连接，圆柱形池体内壁上沿设有出水槽。本发明构造简单、便于施工、占地少、运行方便、出水水质好、造价低及运行成本低。
权利要求书
1.一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，包括进水管、曝气系统与排泥穿孔管，其特征在于：还包括圆柱形池体(1)，圆柱形池体(1)中心设有锥形反应筒(2)，锥形反应筒(2)外围设有圆筒形隔板(3)，锥形反应筒体(2)为第一反应室(4)，锥形反应筒(2)与圆筒形隔板(3)之间的空间为第二反应室(5)，圆筒形隔板(3)与圆柱形池体(1)之间的空间为第三反应室(6);锥形反应筒(2)内设有水平布置的多层反应筒网板(7)，第二反应室(5)设有水平布置的多层隔板网板(16)，第三反应室(6)设有水平布置的多层池体网板(17)，隔板网板(16)与池体网板(17)下面分别设置曝气系统(8)，圆筒形隔板(3)底端与圆柱形池体(1)之间设有环形进水缝(18)，锥形反应筒(2)底端设有水气混合短管(11)，水气混合短管(11)连接有进气管(12)，水气混合短管(11)下端设有圆台形进水腔(19)，进水管(9)的出口水平设置且位于圆台形进水腔(19)，进水管(9)出口安装有进水喷嘴(10)，圆柱形池体(1)下端设有锥体积泥区(13)，锥体积泥区(13)底部与排泥穿孔管(14)连接，圆柱形池体(1)内壁上沿设有出水槽(15)。
2.如权利要求1所述的一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，其特征在于：第一反应室(4)：第二反应室(5)：第三反应室(6)的容积比为1:3:7。
3.如权利要求1或2所述的一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，其特征在于：反应筒网板(7)、多层隔板网板(16)与池体网板(17)的网孔面积为100×100mm2。
4.如权利要求3所述的一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，其特征在于：过流网板网孔边长与制作网板的网绳直径之比为5～7，网板间距为100～200mm。
5.一种好氧颗粒污泥一体化污水处理方法，包括运行前活性污泥接种和优势菌种的培育与连续运行处理，其特征在于：
第一，运行前活性污泥接种和优势菌种的培育
在生化器连续运行之前完成活性污泥接种和优势菌种的培育，以双污泥短程硝化的氨氧化菌和反硝化聚磷菌(DPAOs)为优势菌种，培育期内反应器曝气量控制在0.18～0.21m3/h;采用高负荷接种培育，闷爆1～2天，然后连续进水，连续曝气，当池中MLSS接近设计值2.5～4.0g/L之间，污泥指数SVI为70～100时，沉降比SV为20～30%，即培育成功;
第二，连续运行处理
使用设施为连续进、出水的一体化污水处理设施，水从圆柱形池体底部以进水喷嘴方式并使进水与吸入空气相混合;进水喷嘴进水压力控制在2.5～3.0kg/cm2,进水量0.1～0.2L/s，池内水流流速为0.2～0.3m/s;当带有一定压力的污水以高速通过进水喷嘴时，在水气混合短管周围将形成负压，从而将数倍于进水的活性污泥100～200%进行回流，向上流入第一反应室并通过多层水平网板，自上向下折流入第二反应室，在二反应室下部进行充分的第一次泥水分离，分离出的污泥部分通过进水喷嘴回流，剩余污泥沉积在较大容积的积泥区，通过排泥穿孔管排除池外;来自第二反应室的上清液，自下而上进入第三反应室，污水第三次通过多层网板最后流入出水集水槽;根据污水生化处理的机理和工况需要，通过调控空压机曝气量，在池内实现各反应室生化反应所需的溶解氧(DO)值在反应池内的分配;厌氧为0.01m3/h，相当于DO为0.1mg/L，缺氧量为0.05m3/h，相当DO为0.5mg/L，好氧为0.2～0.3m3/h，相当DO为2～3mg/L。
说明书
好氧颗粒污泥一体化污水处理设施与方法
技术领域
本发明属于城市污水处理和工业废水处理技术领域，具体涉及一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，本发明还涉及好氧颗粒污泥一体化污水处理方法。
背景技术
传统的活性污泥污水处理工艺虽已被国内外广泛应用，但该工艺导致的生物量和细菌种群数量较少，其主要菌种之间对污水中有机负荷和碳源的利用以及泥龄的需求等方面都存在竞争与矛盾，从而导致能量相互抑制和干扰，影响了净化效果。
此外，传统工艺或强化传统工艺都存在工艺流程较长，净化构筑物和污泥回流设施较多等问题，导致了运行能耗较高、占地面积较大和管理不便等问题。
随着污水排放水质标准的不断提高和能耗指标要求的进一步降低，目前国内外对污水处理技术的重点研究主要集中以下两方面：一是在满足进一步高效除磷脱氮要求的前提下，尽可能减少过多的净化构筑物和泥、水回流设施，从而实现在工艺系统中，通过工艺参数的优化和调控，合理的进出流方式，完成污水高效低能耗除磷脱氮的任务。据此，具有硝化和除磷功能的同步短程硝化技术、反硝化除磷技术、硝化脱氮除磷技术等成为了热点技术。二是为克服各类优势菌种在泥龄和碳源利用上的矛盾，同时为增多反应池中污泥微生物种群和生物量并改进其传质功能，以固定生物膜法体和悬浮活性污泥法为主的复合生化工艺，在污水处理领域开始研发与应用。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，本发明的另一目的是提供一种好氧颗粒污泥一体化污水处理方法;以解决现有技术存在的工艺流程长、净化构筑物和污泥回流设施多、运行能耗较高、占地面积较大和管理不便等问题。
本发明解决上述第一技术问题采取的技术方案如下：一种好氧颗粒污泥一体化污水处理设施，包括进水管、曝气系统与排泥穿孔管，其特征在于还包括圆柱形池体，圆柱形池体中心设有锥形反应筒，锥形反应筒外围设有圆筒形隔板，锥形反应筒体为第一反应室，锥形反应筒与圆筒形隔板之间的空间为第二反应室，圆筒形隔板与圆柱形池体之间的空间为第三反应室;第一反应室设有水平布置的多层反应筒网板，第二反应室设有水平布置的多层隔板网板，第三反应室设有水平布置的多层池体网板，隔板网板与池体网板下面分别设置曝气系统，圆筒形隔板底端与圆柱形池体之间设有环形进水缝，锥形反应筒底端设有水气混合短管，水气混合短管连接有进气管，水气混合短管下端设有圆台形进水腔，进水管出口水平设置且位于圆台形进水腔，进水管出口安装有喷嘴，圆柱形池体下端设有锥体，锥体底部与排泥穿孔管连接，圆柱形池体内壁上沿设有出水槽。
本发明污水处理设施为一连续进出水的一体化生化装置，它的三个反应室为一个同心的三个环状圆柱或圆锥体体结构，具有构造简单、便于施工、占地少、运行方便、出水水质好、造价低及运行成本低等优点。
本发明解决上述第二技术问题采取的技术方案是：一种好氧颗粒污泥一体化污水处理方法，包括运行前活性污泥接种和优势菌种的培育与连续运行处理，其特征在于：
第一，运行前活性污泥接种和优势菌种的培育
在生化器连续运行之前完成活性污泥接种和优势菌种的培育，以双污泥短程硝化的氨氧化菌和反硝化聚磷菌(DPAOs)为优势菌种，培育期内反应器曝气量控制在0.18～0.21m3/h;采用高负荷接种培育，闷爆1～2天，然后连续进水，连续曝气，当池中MLSS接近设计值2.5～4.0g/L之间，污泥指数SVI为70～100时，沉降比SV为20～30%，即培育成功;
第二，连续运行处理
使用设施为连续进、出水的一体化污水处理设施，水从圆柱形池体底部以进水喷嘴方式并使进水与吸入空气相混合;进水喷嘴进水压力控制在2.5～3.0kg/cm2,进水量0.1～0.2L/s，池内水流流速为0.2～0.3m/s;当带有一定压力的污水以高速通过进水喷嘴时，在水气混合短管周围将形成负压，从而将数倍于进水的活性污泥100～200%进行回流，向上流入第一反应室并通过多层水平网板，自上向下折流入第二反应室，在二反应室下部进行充分的第一次泥水分离，分离出的污泥部分通过进水喷嘴回流，剩余污泥沉积在较大容积的积泥区，通过排泥穿孔管排除池外;来自第二反应室的上清液，自下而上进入第三反应室，污水第三次通过多层网板最后流入出水集水槽;根据污水生化处理的机理和工况需要，通过调控空压机曝气量，在池内实现各反应室生化反应所需的溶解氧(DO)值在反应池内的分配;厌氧为0.01m3/h，相当于DO为0.1mg/L，缺氧量为0.05m3/h，相当DO为0.5mg/L，好氧为0.2～0.3m3/h，相当DO为2～3mg/L。
本发明以好氧颗粒污泥为净化主体，以颗粒污泥、生物膜和活性污泥的三相结合的多相复合净化方式，采用了双膜、双污泥同步消化除磷脱氮一体化的一种新型污水净化构筑物。
本发明依据改善絮凝动力，创造有利颗粒污泥快速形成的水力条件和流态环境，从优化运行工况和反应器的构型以及水流控制等方面入手，独创出颗粒污泥在低能耗、快速形成的同时，反应器具备同步、短程硝化除磷脱氮的功能。使硝化菌独立于反硝化菌单独存在于双膜中，从而实现对碳源的有效利用，解决了多菌种对泥龄的矛盾和回流污泥对脱氮功能干扰的难题。
国内外上述污水处理技术，因其自身能耗和运行稳定性等技术仍未解决，目前还处于室内试验阶段。本发明技术，重点解决了上述影响该技术产业化推广的关键，使该项新技术尽快在生产实践中应用，兹分述如下：
1、微生物优势种群的培育
颗粒污泥是微生物在一定水力条件和剪切力的作用下，通过分泌胞外聚合物聚结而成的并具有沉降快、生物量高、抗冲击能力强的密实三维结构球体。被富集的各类细菌根据自身生长的需求有规律地分布在最适合生长的特定微环境中。也由于好氧颗粒污泥的多菌种结构，且基质和氧的传质阻力随颗粒污泥粒径的增大而增加，颗粒的空隙率也随着颗粒的深度而减小，因而在好氧颗粒污泥内部形成了多种微环境，可满足净化污水所需的好氧，缺氧和厌氧条件。同时，好氧颗粒污泥对磷的去除，除了传统的生物除磷外，还有一部分是由于磷在颗粒污泥内部的化学沉淀而被去除。
本发明设施为一连续进出水的一体化生化装置，根据污水生化处理的机理，通过调控空压机空气量在池内曝气量的分布为厌氧区为0.01m3/h，相当DO为0.1mg/L，缺氧区为0.05m3/h，相当DO为0.5mg/L，好氧区为0.2～0.3m3/h,相当DO为2～3mg/L。该生化器连续运行之前应完成活性污泥接种和优势菌种的培育，由于双污泥短程硝化的氨氧化菌和反硝化聚磷菌(DPAOs)为优势菌种，培育期内反应器底部曝气区曝气量控制在0.18～0.21m3/h。可采用高负荷接种培育，闷爆1～2天，然后连续进水，连续曝气，当池中MLSS接近设计值2.5～4.0g/L之间，污泥指数SVI为70～100时，沉降比SV为20～30%，即培育成功。
由于本发明设施为连续进出水运行，进水以一倒置圆锥体，水从底部以喷嘴方式并使进水与吸入空气相混合。喷嘴进水压力控制在2.5～3.0kg/cm2,进水量0.1～0.2L/s，池内水流流速为0.2～0.3m/s。
当带有一定压力的污水以高速通过进水喷嘴时，在水气混合短管周围将形成负压，从而将数倍于进水的活性污泥100～200%进行回流。
生化器在运行中溶解氧DO的调控系统通过调节空压机和空气吸入管的进气量来完成，本发明设施充分利用了喷嘴吸气装置，从而节省了空压机的负荷。
本发明的好氧颗粒污泥快速形成发生器正是从培育优势菌种，改善水流环境和水力条件，优化运行工况和参数控制等方面入手，为低能耗快速形成好氧颗粒污泥创造有利条件。
2、生物絮凝的动力学条件
污水中微生物菌体可通过在特定水流环境下互相接触、碰撞，能生成絮体和进一步结成颗粒状污泥。本发明系在发明者多年研发成果的基础上，在反应器垂直过水断面上，安装多层柔性网板，在过网水流中产生湍流流态的微涡体。微生物在涡旋能量的推动下，互相接触碰撞。接触后的微生物被胞外多聚物胶连成初生絮体并在网板后的涡流流场作用下，不断成长变大，最后形成颗粒污泥。而在此过程中污水中的优化培育菌种，如氨硝化菌、反硝化聚磷菌等极易连结成颗粒状。同时，过网水流所形成强化和均匀分布的切应力，更会促使初始颗粒污泥进一步压缩与密实。
此外，该反应器内所构成的具有固定生物膜、颗粒污泥和悬浮活性污泥三结合的复合工艺，在可调控曝气量和改变污水溶解氧的条件下，不但能改善其运行工况;如：厌氧、缺氧和好氧状态，还可进一步促使气、液、载体三相的蠕动和气泡切割，这不但直接增加了氧的利用率，节约了能耗。同时还由于载体表面生物膜的不断积叠促使网孔过流断面逐渐缩小，过流流速加大，断面水流剪切力增强。进一步强化了柔性网绳的不断震动，生物膜不断从网上脱落后，构成了颗粒污泥的凝聚核心，促使新生好氧颗粒污泥快速增多的良性循环。
3、反应器进出水方式
本发明新型高效生化反应器为圆型一体化构筑物，如图1所示：污水自反应器中心底部以喷嘴形式上向流入第一反应室，在此可调控曝气量和吸入空气量，完成不同工况的污水生化DO需求的第一步。第一反应室上向流通过多层网板进入第二反应室，水流在第二反应室自上而下通过网板后流速逐渐变缓，完成第一次泥水分离。污水通过底部环形进水缝上向进入容积较大的第三反应室后再次通过网板，净化后污水自反应器上端经环形集水槽出流。
本反应器的技术特点，还在于三个反应室均设在同一构筑物内，实现了池内泥水封闭循环，从而避免了传统净化工艺中，回流污泥压力输运系统对颗粒污泥的破坏。同时，又防止了传统工艺中因为回流污泥将大量NH3-N带入缺氧池而影响出水氨氮浓度的不良后果。由于垂直过流柔性网格的作用，网格水平表面产生横向激动力，进一步强化了网绳的空间三维摆动，更有益于生物膜的更新，加快膜的脱落和颗粒污泥的快速形成。
4、双膜、双污泥内回流一体化除磷脱氮技术
如上所述，由于该反应器结构和装备特点，决定了在单池内可同时完成同步硝化和反硝化除磷脱氮的可能。同时由于存在网板上的固定生物膜和颗粒污泥流动生物膜相结合的双膜工艺特点，促使硝化菌独立于反硝化聚磷菌单独存在上述两种生物膜载体中，从而实现了对污水中有机碳源的有效利用，解决了硝化菌的反硝化菌泥龄的矛盾问题。由于在同一反应器内，可实现污泥和上清液的内循环自动回流。反应器更好完成双污泥系统的短程硝化反硝化除磷脱氮，实现了节约碳源，降低能耗，缩短水力停留时间和高效净化等优势效应。
5、进水方式
反应器的进水方式直接影响着微生物的生命活动，也关系着优良菌种能否得到保护性培育。在进水点有机物浓度较大，聚磷菌可在第一反应室厌氧环境下，将污水中易降解有机质转化为聚β羟基丁酸脂(PHB)，并在后面第二、三反应室好氧或缺氧条件下分解PHB来强化代谢，从而形成优势种群。与此同时，其他竞争性异养菌，包括丝状菌则处于劣势，并控制了其增殖发展，从而改善了颗粒污泥的沉降性能，增大了该反应器的容积交换比。
本发明效益分析如下：
第一、在反应器中加设柔性网板本身具有蠕动生物膜载体的效应，又强化了颗粒污泥的快速稳定形成。实现了生物膜、好氧颗粒污泥与活性污泥三结合的污水生化处理优势。在摆动的固定生物载体和颗粒污泥流动生物载体的共同作用下，使气、液、膜得到充分掺混接触与交换，除反应器内具有厌氧、好氧的有利各种优势菌种生长环境外，生物膜、颗粒污泥本身也具有从表面到内层微环境的变化，从而保证了各种优化微生物菌群择地而生存的繁殖。反应器内的优势菌种，也保持了良好的活性和空隙的可变性。而在运行过程中，气体在污水三维流动的带动下，互相碰撞并处于蠕动状态，被颗粒污泥不断切割成小的气泡，增加了氧的利用率，减少了曝气量，达到节能的目的。
此外，网板设计模拟了网后形成与颗粒污泥处于同一数量级尺度涡体的水流环境，进一步加速了颗粒污泥的快速形成。同时也强化了生物膜在污水生化处理中实现两种优势菌种在同一反应器内独立存在的双膜、双污泥同步硝化脱氮和反硝化除磷的新工艺。
第二、从污水生化处理技术发展分析，当前研究的重点技术内容，还是集中在如何在提高净化效率的前提下，尽可能做到减少曝气和回流所耗费的能源，达到污泥产量低和各种菌群独立培育和反应，并实现短流程和易控制的目的。本发明一体化双膜、双污泥生化反应器，正是由于对其结构和流态的优化设计，具有高效培育好氧颗粒污泥的特点以及通过调控运行，实现“双污泥”和“一碳两用”的最大优势。
反应器可借助进水喷嘴的作用，将来自第二、三反应室并含有反硝化聚磷菌(DPAOS)的回流污泥返回第一反应室，利用反硝化聚磷菌进行脱氮除磷。本发明不但省去传统工艺的中间沉淀池，仍然保留了双污泥特点和优势。生物膜和颗粒污泥的有机复合，增大了微生物种群和生物量，提高了污水净化效率，缩短了水力停留时间，不需另建二沉池。与传统污水处理工艺相比，在溶解氧饱和度较低(如40～60%)情况下，仍能顺利形成颗粒污泥的同步硝化反硝化除磷脱氮，从而能节约碳源，降低能耗10～20%，节约土地占用面积20～30%，降低工程造价10～20%。