申请日2005.04.28
公开(公告)日2005.11.09
IPC分类号C02F9/14; C02F3/02; C02F3/28
摘要
一种三段法有机污水处理方法及其装置，该方法分为三段依次进行：I段，相态调整段，由前室1和后室2两部分构成，有机污水首先经过前室1预处理，溢入按缺氧结构设计的后室2，然后进入由一级和二级共两级厌氧反应装置构成的II段厌氧反应段，最后进入III段膜生物反应段，经过膜生物反应器8处理后，一部分为达标水，另一部分为仍然含有有机质的污水，回流到I段后室2继续参与反应。其装置由相态调整、厌氧反应、膜生物反应三部分构成：相态调整由前室1和后室2构成，厌氧反应由一级和二级共两级厌氧反应装置构成膜生物反应部分由带有入口和达标水出口的膜生物反应器8构成。
権利要求書
1、一种三段法有机污水处理方法，其特征是：该方法分为三段依次进行， 即：
I段，相态调整段：该段由前室(1)和后室(2)两部分构成，有机污水 首先经过前室(1)预处理，除去泥砂及杂物后成为有机污水中间体A，中间体 A溢入按缺氧结构设计的后室(2)，使中间体A中的固相有机物变为分散态，形 成中间体B;
II段，厌氧反应段：该段由一级和二级共两级厌氧反应装置构成：
经过相态调整后的中间体B流入由厌氧生物滤池(6)构成的一级厌氧反应 装置，主要完成水解酸化反应，产生H2，H2S等生物气和中间体C;
经过一级厌氧反应装置水解酸化反应后的中间体C流入由厌氧污泥床(7) 构成的二级厌氧反应装置，中间体C经过二级厌氧反应产生以CH4为主的生物气 和中间体D;
III段，膜生物反应段：该段由膜组件与曝气装置构成膜生物反应器(8)，从 二级厌氧反应装置溢出的中间体D经过膜生物反应器(8)处理后分为两部分， 一部分为可直接利用的达标水;另一部分为膜截留下的仍然含有有机质的中间 体E，中间体E回流到I段后室(2)继续参与反应。
2、根据权利要求1所述的三段法有机污水处理方法，其特征是：当中间体 A的PH值小于5.5或大于8.5时，可通过加碱性物或酸性物将中间体A的PH值 调整到5.5-8.5，当中间体A中的氮、磷缺乏时，可投加氮素、磷素将碳、氮、 磷的比例调整为(100-300)∶5∶1。
3、根据权利要求1所述的三段法有机污水处理方法，其特征是：厌氧污泥 床(7)内置PH值监测仪，运行时投加多孔载体料入内。
4、根据权利要求1所述的三段法有机污水处理方法，其特征是：在厌氧生 物滤池(6)的底部或者在厌氧污泥床(7)的底部设有污泥出口(12)，污泥出 口(12)排出的污泥置入厌氧消化罐(14)进行厌氧消化反应，生成大量以甲 烷为主的生物气进入脱硫净化装置(16)进行净化，剩下的消化污泥进入混合 消毒脱水装置(18)进行处理，混合消毒脱水装置(18)脱出的水回流至I段 后室(2)继续进行反应，混合消毒脱水装置(18)脱水后的固体物即为高效农 肥。
5、根据权利要求1所述的三段法有机污水处理方法，其特征是：厌氧生物 滤池(6)和在厌氧污泥床(7)中产生的生物气分别送入脱硫净化装置(16) 进行脱硫净化，分别回收H2和CH4。
6、一种用于如权利要求1所述的三段法有机污水处理方法的装置，其特征 是：该装置由相态调整部分、厌氧反应部分、膜生物反应部分三部分构成：其 中：
相态调整部分由前室(1)和后室(2)构成：前室(1)顶部为带有机污水 入口(3)的敞口结构，底部设有排污口(4)，在前室(1)侧壁上开有堰口(5); 堰口(5)连通按缺氧结构设计的后室(2)的入口，后室(2)底部开有出口;
厌氧反应部分由一级和二级共两级厌氧反应装置构成：一级厌氧反应装置 为底部带有入口顶部带有出口的厌氧生物滤池结构(6)，后室(2)底部的出口 与厌氧生物滤池结构(6)的入口连通;二级厌氧反应装置为底部带有入口顶部 带有出口的厌氧污泥床结构(7)，厌氧生物滤池结构(6)顶部的出口与厌氧 污泥床结构(7)底部的入口连通;
膜生物反应部分由带有入口和达标水出口的膜生物反应器(8)构成，膜生 物反应器(8)的入口与厌氧污泥床结构(7)顶部的出口连通，在膜生物反应 器(8)与后室(2)之间装有回流管(9)，在回流管(9)装有抽吸泵(10)。
7、根据权利要求6所述的用于三段法有机污水处理方法的装置，其特征是： 前室(1)的有机污水入口处装有曝气装置(11)。
8、根据权利要求6所述的用于三段法有机污水处理方法的装置，其特征是： 在厌氧生物滤池结构(6)的底部或者在厌氧污泥床结构(7)的底部设有污泥 出口(12)。
9、根据权利要求6所述的用于三段法有机污水处理方法的装置，其特征是： 污泥出口(12)通过管路(13)与一厌氧消化罐(14)的入口连通，厌氧消化 罐(14)顶部通过气管(15)与一脱硫净化装置(16)连通，厌氧消化罐(14) 底部通过水管(17)与一混合消毒脱水装置(18)连通，混合消毒脱水装置(18) 与后室(2)之间装有回流水管(19)，混合消毒脱水装置(18)上还设有脱水 后的固体物出口(20)。
10、根据权利要求6所述的用于三段法有机污水处理方法的装置，其特征 是：在厌氧生物滤池结构(6)顶部和在厌氧污泥床结构(7)顶部通过气管(15) 与一脱硫净化装置(16)连通。
说明书
三段法有机污水处理方法及其装置
一、技术领域
本发明涉及一种三段法有机污水处理方法及其装置。
二、背景技术
水不仅是生命之源，更是人们生产生活必不可少的资源。我国不仅是 能源短缺国，也是世界贫水国。人均占有量进为世界人均占有量的四分之 一，已被联合国列为13个贫水过之一。更为严重的是大量城市生活污水、 工业和养殖业的有机废水已将水体污染得十分严重。COD的污染质量负荷比 已达到99.5%。水污染已殃及海域，近海“赤潮”与内湖水体富营养产生的 “水华”已让我国付出了高昂而沉重的代价。国家为此每年损失300亿以 上，更为严重的是长期用污水农灌和养殖不仅造成减产，而且污染物质通 过食物大量迁入人体，造成多种疾病发生，同时每年耗资数千亿资金来建 设城市污水处理厂。而城市污水厂当前的工艺技术不仅能耗大，无回收利 用物，还排出废气、废渣和污泥等二次污染物。
当前有机污水处理技术工艺众多，化学处理法因投资及运行费用都高， 又有二次污染物产生，一般未采用。主要采用生物法处理，其中土地与塘 法和人工湿地法都因占地大而受制约，一般用得少，大量运用并有代表性 的是活性污泥法，生物接触氧化法，生物膜法、生物滤池法及生物转盘法， 厌氧消化法等技术工艺，但都不能全部回收水及其中的生物质，都是为治 污而处理，工艺单一，不仅能耗高、投资大，而且有废渣、废气等二次污 染物产生，是对废水资源的巨大浪费。
三、发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，研制一种可实现有机污水全利 用的三段法有机污水处理方法及其相应的装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种三段法有机污水处理方法，其特征是：该方法分为三段依次进行， 即：
I段，相态调整段：该段由前室和后室两部分构成，有机污水首先经 过前室预处理，除去泥砂及杂物后成为有机污水中间体A，中间体A溢入按 缺氧结构设计的后室，使中间体A中的固相有机物变为分散态，形成中间 体B;
II段，厌氧反应段：该段由一级和二级共两级厌氧反应装置构成：
经过相态调整后的中间体B流入由厌氧生物滤池构成的一级厌氧反应 装置，主要完成水解酸化反应，产生H2，H2S等生物气和中间体C;
经过一级厌氧反应装置水解酸化反应后的中间体C流入由厌氧污泥床 构成的二级厌氧反应装置，中间体C经过二级厌氧反应产生以CH4为主的生 物气和中间体D;
III段，膜生物反应段：该段由膜组件与曝气装置构成膜生物反应器，从 二级厌氧反应装置溢出的中间体D经过膜生物反应器处理后分为两部分， 一部分为可直接利用的达标水;另一部分为膜截留下的仍然含有有机质的 中间体E，中间体E回流到I段后室继续参与反应。
在前室即预处理室的有机污水进水口可设一曝气装置如文丘里自然充 氧结构或其它现有类似结构，其作用是氧化降解包括死细胞在内的悬浮有 机固相物，同时保证下段的水解酸化高效顺利进行。
如果原污水中含有高浓度的重金属，则还可在该室投放一些微生物， 如细菌、真菌、藻类，利用微生物高效吸附去除重金属，具体办法可见冯 玉杰主编化学工业出版社2004年3月出版的《现代生物技术在环境工程中 的运用》P134～136;或在该室上装高梯度磁分离机快速分离重金属，具体 办法可见张林生主编化学工业出版社2004年5月出版的《水的深度处理与 回用技术》P126～127。
如果原污水中重金属及木质纤维素、链式不饱和物、复杂芳烃及苯、 酚类、甲基叔丁醚等难生化处理的有机物及硫化物、氰(腈)化物等对生 化反应毒害大的物质浓度都高，则可在该室上装以高效产生自由羟基(·OH) 的装置来实现高级氧化预处理。如：(1)臭氧发生器直接氧化装置;(2)辐射 电子束装置，具体方法可参见王宝贞、王林主编的由科学出版社2004年1 月出版的《水污染治理新技术》P298～302;(3)超声波/臭氧装置，具体可 参见王宝贞、王林主编的由科学出版社2004年1月出版的《水污染治理新 技术》P271;(4)TiO2光催化，以及光氧化剂联合装置，如UV/H2O2，H2O2 /O3，UV/O3，UV/H2O2/O3等装置，详见王宝贞、王林主编的由科学出版 社2004年1月《水污染治理新技术》P260-270;(5)辉光发电(GDE)等离 子装置，具体方法可参见邝生鲁主编的由化学工业出版社2003年3月出版 的《化学工程师技术全书》P923-924或其它现有方法。不能生化或难能生 化降解的有机物在强磁场、强声场、强电场、强辐射的作用或交替作用下 进行高级氧化反应，其不可降解或难降解有机物的生化性发生了根本变化， 成为可生化降解的有机物。同时有机质固相也发生变化，均匀地分散到水 中，成为中间体A，这是下段厌氧反应能高效顺利进行的重要因素之一。
也可不加上述装置，直接将污水除去砂石及杂物后加水稀释处理成为 中间体A，以后稀释采用达标回流水。城市污水只需氧化沉砂除杂物即可成 为中间体A。本室排出的污泥和以稀释处理重金属含量特高的有机产生的污 泥应单独处理或另行回收污泥中的重金属，或做建材，或燃烧发电，也可 填埋。
后室主要完成PH值和碳、氮、磷及微量元素的最佳比例调整，在工业 有机污水中，当中间体A的PH值小于5.5或大于8.5时，可通过加碱性物 或酸性物如重碳酸盐和盐酸等将中间体A的PH值调整到5.5-8.5，当中间体 A中的氮、磷缺乏时，可投加氮素、磷素如硝酸铵和磷矿粉等将碳、氮、磷 的比例调整为为(100-300)∶(4-6)∶1。
后室还将前室及第III段回流水的固相有机物变为分散态，进一步完成 III段回流液的脱氮除磷，同时也保证了II段反应的顺利进行。若污水中悬 浮物过多，则在该室上装超声波发生器或其它搅拌装置将污水中的有机质 进一步均化分散到水中，成为中间体B，确保后段厌氧反应顺利进行。总之， 从本室流出的污水已具备快速发生厌氧反应的条件。
该室少量污泥排入厌氧消化罐进行厌氧消化反应，进一步分解纤维质， 并生成甲烷气。最终剩下的污泥与脱硫净化吸收饱和液混合搅拌消毒脱水 后即为高效农肥。污泥脱出的水回到I段后室继续参与闭路循环反应。其 厌氧消化污泥回收甲烷并制肥料的技术已有成功应用，具体可见陈国华编 著的由化学工业出版社2003年9月出版的《环境污染治理方法原理与工艺》 P110-111，或其它现有方法。
在II段二级厌氧反应装置内可置PH值监测仪，让PH值保持在6.5-7.8， 若PH值小于6.5，则在厌氧生物滤池的出口加入经过严格脱氧处理的碱性 物，使PH值保持在7.8以下。运行时可投加多孔载体料入内，以增大接触 面积，固定厌氧菌，提高厌氧反应效率，提高产气率，可详见王宝贞、王 林主编的由科学出版社2004年1月《水污染治理新技术》P337。
在II段二级厌氧反应装置上部可以设置气固液三相分离装置，以保证 多孔载体料不被溢出，以主要成分为CH4的生物气得以排出。
在II段一级厌氧反应装置的底部或者在II段二级厌氧反应装置的底部 设有污泥出口。污泥出口排出的污泥置入厌氧消化罐进行厌氧消化反应， 生成大量以甲烷为主的生物气进入脱硫净化装置进行净化，剩下的消化污 泥进入混合消毒脱水装置进行处理，混合消毒脱水装置脱出的水回流至I 段后室继续进行反应，混合消毒脱水装置脱水后的固体物即为高效农肥。 厌氧消化污泥回收甲烷并制肥料的技术已有成功应用，具体可见陈国华编 著的由化学工业出版社2003年9月出版的《环境污染治理方法原理与工艺》 P110-111，或其它现有方法。
在II段一级厌氧反应装置和在II段二级厌氧反应装置中产生的生物气 可分别送入脱硫净化装置进行脱硫净化，分别回收H2和CH4。
所述的厌氧污泥床可以为膨胀颗粒污泥床(EGSB)。
一种专用于上述三段法有机污水处理方法的装置，其特征是：该装置 由相态调整部分、厌氧反应部分、膜生物反应部分三部分构成：其中：
相态调整部分由前室和后室构成：前室顶部为带有机污水入口的敞口 结构，底部设有排污口，在前室侧壁上开有堰口;堰口连通按缺氧结构设 计的后室的入口，后室底部开有出口;
厌氧反应部分由一级和二级共两级厌氧反应装置构成：一级厌氧反应 装置为底部带有入口顶部带有出口的厌氧生物滤池结构，后室顶部的出口 与厌氧污泥床结构的入口连通;二级厌氧反应装置为底部带有入口顶部带 有出口的厌氧污泥床结构;
膜生物反应部分由带有入口和达标水出口的膜生物反应器构成，膜生 物反应器的入口与厌氧污泥床结构顶部的出口连通，在膜生物反应器与后 室之间装有回流管，在回流管上装有抽吸泵。
在前室的有机污水入口处装有曝气装置。
在厌氧生物滤池结构的底部或者在厌氧污泥床结构的底部设有污泥出 口。污泥出口通过管路与一厌氧消化罐的入口连通，厌氧消化罐顶部通过 气管与一脱硫净化装置连通，厌氧消化罐底部通过水管与一混合消毒脱水 装置连通，混合消毒脱水装置与后室之间装有回流水管，混合消毒脱水装 置上还设有脱水后的固体物出口。
在厌氧生物滤池结构顶部和在厌氧污泥床结构顶部通过气管与一脱硫 净化装置连通。
总之，在本发明中，有机废水经三段一体化技术工艺闭路循环流程即可 达到全部处理并全部回收利用的目的。其余为回收物处理附属设施，与三 段设施构成完善的整体一体化技术工艺。
一级厌氧主要完成水解酸化反应。在厌氧生物滤池构成的一级厌氧反 应装置内装有生物膜填料，为提高反应效率可设计为大高径比结构，也可 根据污水性质，设计为目前成熟的任何厌氧反应器结构形式，不加生物膜 填料也可，只要能满足截留固相有机物和高效水解酸化反应就行。本级反 应生成以挥发性脂肪酸为主的中间体C和以H2为主并含H2S的生物气。这 就排除了H2、H2S等气体对甲烷菌的毒害，提高下段稳定的甲烷产气率。 生物膜填料不仅能提高该级厌氧水解酸化反应的速率，还能截留大量的悬 浮质，其形状可以是蜂窝状、束状、筒状、列管状、板状、网状、盾状、 圆环辐射状以及不规则的粒状等，其性状可以是硬性、软性、半软性等， 材质可以是塑料、玻璃钢、纤维等。不管怎样应满足如下的性能要求：1. 良好的水力特性：比表面积大，空隙率高，水流畅通，主力小，流速均一。 2.良好的生物膜附着性能。3.优良的化学与生物稳定性：经久耐用，不溶 出有害物质，不产生二次污染。同时还要求价格低，便于安装。
二级厌氧为产甲烷反应。污水里的有机物在酶、厌氧菌、氨化菌、兼 氧菌、聚磷菌及硝化菌、纤维分解菌等菌群的作用下发生水解、氧化和合 成反应，生成以甲烷为主的生物气和水、NH3-N及磷释放物等物质组成的中 间体D。厌氧污泥床可设计为改进型膨胀颗粒污泥床(EGSB)结构，该装置 不仅反应时间短、效率高，而且对低温低浓度有机污水、有害物及高浓度 有机污水均有很好的处理效果。详见王宝贞、王林主编的由科学出版社2004 年1月《水污染治理新技术》P342-346。也可设计为当前成熟的任何厌氧 污泥床反应器的结构形式，如内循环厌氧反应器IC结构工艺，升流式厌氧 污泥床(UASB)等，只要能满足高、中、低温度下高、中、低浓度及有毒 废水都能高效发生厌氧产甲烷反应均可。该段反应已将废水中90%以上的 有机质分解为CH4，H2为主的生物气和水，残留物和水成为中间体D。
一级厌氧反应产生的生物气以H2为主，另含H2S、CO2、CO等气体，二级 厌氧反应的生物气主要成分为CH4，另含有少量H2S、CO2、CO、H2等气体， 用氨水或碱液吸收除去H2S，CO2、CO后分别回收到高浓度的H2和CH4、H2这 样的高价值清洁能源质，可作重要的化工原料直接利用。吸收H2S，CO2、CO的吸收剂选择以及具体方法可见熊振湖等主编的由机械工业出版社2003年 7月出版的《大气污染防治技术及工程应用》P230-232和P256-257或其它 现有方法。其饱和吸收液含大量的硫酸盐和碳酸盐，直接与消化后的污泥 渣混合脱水消毒后即为高效农肥。如重金属含量较高又在第一段采用稀释 的办法产生的污泥不能做农肥，可排入一段前室的污泥收集池一起单独处 理。
III段：膜生物反应段。由生物膜或超(纳)滤膜与曝气装置组成，具 体方法可见王宝贞、王林主编的由科学出版社2004年1月《水污染治理新 技术》P121-130页介绍的方法或其它现有方法。利用空气、生物膜或超(纳) 滤膜来进一步处理II段排出水中残余的有机质，并实现同步脱氮除磷。为 节约投资和运行费用，根据回用水的水质要求确立采用膜的形式，但无论 采用何种膜，该段中的水除达标排出回用外，被膜反应或截留下的物质成 为中间体E回流到一段后室，参与系统反应，既可与其构成更彻底的同步脱 氮除磷系统，又保证了II段厌氧反应的水流速度，并将三段连为一个完整 的闭路循环反应系统。
废水中的氮和磷经过氧化反应(I段前室)→缺氧反应(I段后室) →厌氧反应(II段一级厌氧)→厌氧反应(II段二级厌氧)→氧化反应(III 段)→氧化反应(I段前室)这样的闭路循环反应系统后得以充分同步去 除。
如出水回用为渔业用水或生活饮用水，则采用超滤膜组件组成一体式 膜生物反应器，让高速气流冲刷膜面，防膜污堵，从膜中透出的水可将细 菌乃至病毒都滤出了，成为优质水，可作鱼业养殖水直接回用，再经过沙 滤、超滤、纳滤及消毒就可直接作生活饮用水。如回用水为生活杂用水、 回灌地下水、市政杂用水和城市景观用水时，则采用微滤膜组件组成一体 式膜生物反应器即可。一体式膜生物反应器参见王宝贞、王林主编的由科 学出版社2004年1月出版的《水污染治理新技术》P122-123。再如，回用 水为农灌或达标直排时，则采用生物膜曝气即可。如果二段出水水质好， 也可不要生物膜，直接曝气沉淀即可达标排放。
至此污水全部实现了资源化，变成了“能源库”、“清水库”和“农肥 厂”。
本发明的优点是：本发明是将有机恶臭污水变为“清水库”和“再生 清洁能源库”的一体化工艺技术。有机污水利用该技术工艺处理后全部被 利用，不仅回收大量的甲烷和氢这类清洁能源质，重要的化工原料，全部 水以及高效生物农肥，而且无二次污染物排放，彻底实现变废为宝，产生 了巨大的经济、环保和社会效益。推进国家和社会可持续发展和现代化进 程。该工艺技术与现有的有机废水处理工艺相比，其最大优点是：高效率 的三段一体化技术流程就能够彻底处理有机废水并将其全部利用，让有机 废水变成氢和甲烷“清洁能源库”和“清水水库”以及高效生物农肥工厂 的资源。不仅投资省，占地少，而且能耗和运行成本低，回报巨大。通过 调整首尾两段附属装置即可实现对不同性质的有机废水的处理并满足不同 回用水性质的功能要求，应用范围十分广泛，可适用当前整个有机废水领 域。同时还可模块化组合，处理量可大可小，产生出巨大的环保、能源、 资源、经济这样的良性产业循环效果。