公布日：2022.09.06
申请日：2022.05.27
分类号：C02F9/14(2006.01)I;C02F1/52(2006.01)I;C02F1/66(2006.01)I;C02F1/461(2006.01)I;C02F1/70(2006.01)I;C02F3/28(2006.01)I;
C02F11/00(2006.01)I;C02F101/16(2006.01)N;C02F101/10(2006.01)N;C02F101/38(2006.01)N
摘要
本发明属于环保领域，公开了一种光电互补一体化污水资源化循环利用系统及其净化方法，该系统由可以吊装的集装箱、集成于集装箱内的污水净化资源化循环利用装置和安装在集装箱顶部及周围的光伏供电装置组成，污水净化资源化循环利用装置由混凝沉淀装置、离子催化电解脱氮、反硝化装置构成。采用本发明的移动式光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统对小水量污水或微小污染水体进行处理净化后其出水的CODCr≤20mg/L、BOD5≤4mg/L、氨氮≤1mg/L，总氮≤1mg/L，总磷≤0.2mg/L，色度≤5，pH为6～9之间，其他污染物指标符合《地表水环境质量标准》(GB3838‑2002)表1的Ⅲ类水质指标。
权利要求书
1.一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统，其特征在于，其由自由吊装的集装箱、集成于集装箱内的污水净化资源化循环利用装置和安装于集装顶部及周围的光伏发电装置组成，所述集成于集装箱内的污水净化资源化循环利用装置包括：混凝沉淀装置、离子催化电解脱氮装置、还原装置和反硝化装置，其中：(1)混凝沉淀装置：所述混凝沉淀装置由pH调节池、混凝池、助凝池、沉淀池、中间水池和污泥浓缩池构成，所述pH调节池的出水口与混凝池的进水口连接，所述混凝池的出水口与助凝池的进水口连接，所述助凝池的出水口与沉淀池的进水口连接，所述沉淀池的出水口与中间水池的进水口连接，所述沉淀池的污泥出口与污泥浓缩池的进口连接，所述中间水池的出水口连接离子催化电解脱净化装置；(2)离子催化电解脱氮装置：所述离子催化电解脱氮装置包括电解机、直流电源、脱气罐、离子催化剂投加装置和电极清洗装置；所述电解机的进水口与混凝沉淀装置的中间水池的出水口相连；所述电解机的出水口与脱气罐的进水口连接；所述中间水池与电解机连接的管路中还安装有用于混合离子催化剂的管道混合器；所述离子催化剂投加装置的出水与电解机的进水管连接，安装在电解机进水管的管道混合器之前；所述脱气罐的出水口设置于离脱气罐顶部500-1000mm处；所述离子催化电解脱氮装置的脱气罐的进水口与位于所述脱气罐底部的布水器连接，所述脱气罐上部的出水口与还原装置的进水管相连，所述还原装置的出水管与反硝化深床滤池的进水口连接，所述脱气罐的顶部还设有刮渣器和气泡浮渣收集槽；所述脱气罐的出水口与还原装置的进水管相连，在离脱气罐的出水口500-1000mm部位还设有污水循环口，并通过循环水泵、水管与电解机的进水管连接；所述电极清洗装置由酸洗溶液贮罐和酸洗溶液输送泵构成，所述酸洗溶液贮罐的出口与电解机的出水口连接且酸洗溶液输送泵设置在两者的连接管路上，所述酸洗溶液贮罐的进口与电解机的进水口连接；(3)还原装置：所述还原装置包括进水管、安装在进水管上的管道混合器、布水器、还原剂溶液贮罐、还原剂溶液计量输送泵和还原池，所述还原池套在所述脱气池内，所述进水管与所述脱气池的出水口连接，所述进水管由上至下与布设在所述还原池池底的布水器连接，所述还原剂溶液贮罐通过所述还原剂溶液计量输送泵与所述进水管连通，所述还原剂溶液贮罐安装在所述管道混合器之前，所述还原装置的出水口与反硝化深床滤池的进水口连接；(4)反硝化装置：所述反硝化深床滤池由反硝化深床滤池、反洗系统、曝气系统构成；所述反洗系统由反洗清水槽、反洗水泵、反洗水供水管、反洗曝气风机、反洗曝气管和反洗废水水槽构成；所述曝气系统由曝气风机和曝气风管构成；所述反硝化深床滤池由池体、进水管、滤砖、滤料支撑层、滤料、曝气风机、风管、出水槽构成，所述反硝化深床滤池的进水口与还原池的出水口连通，所述反硝化滤池的出水口与所述消毒池的进水口连通，所述反硝化进水管安装在滤池底部的管沟内；所述反硝化深床滤池的曝气主风管安装在滤池底部的一侧，所述曝气支风管安装在滤池底部的滤砖或滤板下面。
2.根据权利要求1所述的一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统，其特征在于，所述光伏发电装置由若干太阳能板、汇流箱、逆变器和光伏发电专用双向电表构成；所述太阳能板为单晶硅板或多晶硅板；所述逆变器分别连接用电器和通过双向电表的连接的电网。
3.根据权利要求1所述的一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统，其特征在于，所述pH调节池、混凝池、助凝池分别设置有pH调节剂、混凝剂、助凝剂投加装置；所述pH调节剂、混凝剂、助凝剂投加装置分别由pH调节剂储罐、混凝剂储罐、助凝剂储罐和加药泵构成；所述pH调节剂能够直接定量加入安装有管道混合器的输水管道中。
4.根据权利要求1所述的一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统，其特征在于，所述混凝沉淀装置的中间水池上还包括氯离子催化剂溶液投加装置，用于投加氯化钠或次氯酸钠，补充作为催化剂之用的氯离子。
5.根据权利要求1所述一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统，其特征在于，所述离子催化电解脱氮装置还包括电解主机酸洗系统，其由酸洗溶液配制罐、酸洗溶液输送泵构成。
6.根据权利要求1所述一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统，其特征在于，所述光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统的进水口安装有CODCr、氨氮、总氮和总磷的在线监测仪的一种或多种，出水口还安装有余氯在线监测仪、CODCr、氨氮、总氮和总磷的在线监测仪的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统，其特征在于，所述光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统的反硝化深床滤池设有传统反硝化深床滤池的碳源投加系统。
8.一种光电互补一体化污水净化资源化循环利用方法，其特征在于，利用权利要求1所述的一种光电互补污水净化资源化利用系统对污水进行净化处理，包括如下步骤：(1)混凝沉淀：所述混凝沉淀是将污水从污水调节池中定量泵至pH调节池中，开启搅拌机，按20-50g/m3加入氢氧化钠，搅拌混合1-2分钟，将污水的pH调节至8-9，再利用液位差将污水流入混凝池中，按80-150g/m3加入混凝剂，搅拌混合2-5分钟，再利用液位差将污水从混凝池流入助凝池中，按1-1.5g/m3加入PAM作为助凝剂，搅拌混合1-2分钟后流入沉淀池中沉淀15-60分钟，使沉淀池的上清液流入中间水池，将沉淀池的底部污泥泵入污泥浓缩池，所述的混凝沉淀主要用于去除污水中大量的SS、CODCr、BOD5、总磷、石油类、动植物油和各种重金属离子，经过混凝沉淀处理后，SS被去除95％以上，CODCr、BOD5被去除70-90％以上，总磷被去除95％以上，各种重金属离子被去除95％以上；(2)离子催化电解脱氮：经过步骤(1)混凝沉淀并储存于中间水池中的出水按300-800ml/m3加入10-12％次氯酸钠或按80-150g/m3投加氯化钠，混匀后泵入电解机中电解脱氮，所述电解机的工作电压为5-100V，电流10-20000A，电解后的出水进入脱气罐中进行气液分离，上部的气泡经过刮渣器刮入气泡收集槽中，清液经过循环泵再次泵入电解机进一步电解至氨氮、总氮、CODCr、BOD5合格后排入曝气池，经过曝气池曝气脱除次氯酸钠残余后排入排水口；所述离子催化电解脱氮主要用于去除氨氮和总氮等主要污染物，同时兼顾去除混凝沉淀处理后污水中残余的CODCr、BOD5、总磷、SS，经过离子催化电解脱氮后的出水满足如下指标：COD≤50mg/L、BOD5≤20mg/L、氨氮≤2mg/L、总氮≤3mg/L、总磷≤0.4mg/L、SS≤10mg/L、色度小于5；(3)还原：将经过步骤(2)离子催化电解脱氮后的水体流入还原池，向所述还原池中定量加入5-20％的亚硫酸钠溶液或从中间水池泵取五分之一到三分之一的混凝沉淀出水中和催化脱氮净化残余的次氯酸钠，使水体得到复原；(4)反硝化：将经过步骤(3)还原所得水体泵入反硝化深床滤池，经过反硝化处理去除水体中的硝态氮和亚硝态氮及CODCr、BOD5，经过反硝化处理后的出水，其主要污染物指标为：COD≤20mg/L、BOD5≤4mg/L、氨氮≤1mg/L、总氮≤1mg/L、总磷≤
0.2mg/L、SS≤6mg/L、色度小于5，其他污染物指标其他污染物符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表1的Ⅲ类水对应的指标要求；(5)污泥处理：将混凝沉淀和离子催化电解脱氮装置的污泥分别输送至污泥浓缩池内，定期由移动式污泥脱水设备处理。
9.根据权利要求8所述的一种光电互补污水净化资源化循环利用方法，其特征在于，所述离子催化电解脱氮的离子催化剂为氯离子，污水中氯离子的浓度应为100-150mg/L，当污水中的氯离子浓度低于100mg/L时，加入氯化钠或次氯酸钠补充氯离子。
10.根据权利要求8所述的一种光电互补污水净化资源化循环利用方法，其特征在于，所述混凝剂是三氯化铁、聚合铁、硫酸铁、硫酸铝、聚合氯化铝或其二者混合物的一种；所述助凝剂是聚丙烯酰胺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有污水处理技术和设施存在的等缺陷，提供一种适于小微污染水体处理和污水处理应急工程建设需要、出水水质高、节能环保、建设安装时间短的污水净化资源化利用装置和污水净化资源化利用方法，它是通过采用太阳能发电为主、光电互补供电，混凝沉淀、离子催化电解脱氮、还原和反硝化处理相结合，取长补短，从而形成的一种针对小微污染污水体处理或污水应急处理工程的光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统和污水净化资源化循环利用方法。
具体地，本发明提供的光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统由自由吊装的集装箱、集成于集装箱内的污水净化资源化循环利用装置和安装于集装顶部及周围的光伏发电装置组成，所述集成于集装箱内的污水净化资源化循环利用装置包括混凝沉淀装置、离子催化电解脱氮装置、还原装置和反硝化装置，其中：
(1)混凝沉淀装置：所述混凝沉淀装置由pH调节池、混凝池、助凝池、沉淀池、中间水池和污泥浓缩池构成，所述pH调节池的出水口与混凝池的进水口连接，所述混凝池的出水口与助凝池的进水口连接，所述助凝池的出水口与沉淀池的进水口连接，所述沉淀池的出水口与中间水池的进水口连接，所述沉淀池的污泥出口与污泥浓缩池的进口连接，所述中间水池的出水口连接离子催化电解脱净化装置；
(2)离子催化电解脱氮装置：所述离子催化电解脱氮装置包括电解机、直流电源、脱气罐、离子催化剂投加装置和电极清洗装置；所述电解机的进水口与混凝沉淀装置的中间水池的出水口相连；所述电解机的出水口与脱气罐的进水口连接；所述中间水池与电解机连接的管路中还安装有用于混合离子催化剂的管道混合器；所述离子催化剂投加装置的出水与电解机的进水管连接，安装在电解机进水管的管道混合器之前；所述脱气罐的出水口设置于离脱气罐顶部500-1000mm处；所述离子催化电解脱氮装置的脱气罐的进水口与位于所述脱气罐底部的布水器连接，所述脱气罐上部的出水口与还原装置的进水管相连，所述还原装置的出水管与反硝化深床滤池的进水口连接，所述脱气罐的顶部还设有刮渣器和气泡浮渣收集槽；所述脱气罐的出水口与还原装置的进水管相连，离脱气罐的出水口500-1000mm处还设有污水循环口，并通过循环水泵、水管与电解机的进水管连接；所述电极清洗装置由酸洗溶液贮罐和酸洗溶液输送泵构成，所述酸洗溶液贮罐的出口与电解机的出水口连接且酸洗溶液输送泵设置在两者的连接管路上，所述酸洗溶液贮罐的进口与电解机的进水口连接；
(3)还原装置：所述还原池包括进水管、安装在进水管上的管道混合器、布水器、还原剂溶液贮罐和还原剂溶液计量输送泵，所述还原池套在所述脱气池内，所述进水管与所述脱气池的出水口连接，所述进水管由上至下与布设在所述还原池池底的布水器连接，所述还原剂溶液贮罐通过所述还原剂溶液计量输送泵与所述进水管连通，所述还原剂溶液贮罐安装在所述管道混合器之前，所述的进水管上还安装有一条与中间水池连接的水管；
(4)反硝化装置：所述反硝化深床滤池由反硝化深床滤池、反洗系统、曝气系统构成；所述反洗系统由反洗清水槽、反洗水泵、反洗水供水管、反洗曝气风机、反洗曝气管和反洗废水水槽构成；所述曝气系统由曝气风机和曝气风管构成；所述反硝化深床滤池由池体、进水管、滤砖、滤料支撑层、滤料、曝气风机、风管、出水槽和消毒池构成，所述反硝化深床滤池的进水口与还原池的出水口连通，所述反硝化滤池的出水口与所述消毒池的进水口连通，所述反硝化进水管安装在滤池底部的管沟内；所述反硝化深床滤池的曝气主风管安装在滤池底部的一侧，所述曝气支风管安装在滤池底部的滤砖或滤板下面。
进一步的，所述光电发电装置由若干太阳能板、汇流箱、逆变器和光伏发电专用双向电表构成；所述太阳能板为单晶硅板或多晶硅板；所述逆变器分别连接用电器和通过双向电表的连接的电网。
进一步的，当光伏发电的电量多于用电器的使用电量时，光伏发电通过逆变器和双向电表向电网供电；反之，当光伏发电的电量小于用电器的使用电量时，则通过电表和逆变器由电网向用电器供电。
进一步的，所述pH调节池、混凝池、助凝池分别设置有pH调节剂、混凝剂、助凝剂投加装置；所述pH调节剂、混凝剂、助凝剂投加装置分别由pH调节剂储罐、混凝剂储罐、助凝剂储罐和加药泵构成。
进一步的，所述pH调节剂能够直接定量加入安装有管道混合器的输水管道中。
进一步的，所述混凝沉淀装置采用碳钢板在集装箱内直接按设计分割焊接而成。
进一步的，所述催化电解脱氮装置的脱气罐的进水口与位于所述脱气罐底部的布水器连接，所述脱气罐上部的出水口与曝气池的进水管相连，曝气池的出水管与清水排水口连接。
进一步的，所述脱气罐的顶部还设有刮渣器和气泡浮渣收集槽。
进一步的，所述气泡浮渣收集槽上部还安装有喷淋装置。
进一步的，所述电解净化装置的中间水池上还包括氯离子催化剂溶液投加装置，用于投加氯化钠或次氯酸钠，作为离子催化之用的氯离子。
进一步的，所述催化电解电解脱氮装置还包括电解主机酸洗系统，其由酸洗溶液配制罐、酸洗溶液输送泵构成。
进一步的，所述光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统的进水口安装有CODCr、氨氮、总氮和总磷的在线监测仪的一种或多种，出水口还安装有余氯在线监测仪、CODCr、氨氮、总氮和总磷的在线监测仪的一种或多种。
进一步的，所述光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统的反硝化深床滤池设有传统反硝化深床滤池的碳源投加系统。
本发明提供的光电互补一体化污水净化资源化循环利用方法利用上述的光电互补一体化污水净化资源化循环利用系统对污水进行处理，包括如下步骤：
(1)混凝沉淀：所述混凝沉淀是将污水从污水调节池中定量泵至pH调节池中，开启搅拌机，按20-50g/m3加入氢氧化钠，搅拌混合1-2分钟，将污水的pH调节至8-9，再利用液位差将污水流入混凝池中，按80-150g/m3加入混凝剂，搅拌混合2-5分钟，再利用液位差将污水从混凝池流入助凝池中，按1-1.5g/m3加入PAM作为助凝剂，搅拌混合1-2分钟后流入沉淀池中沉淀15-60分钟，使沉淀池的上清液流入中间水池，将沉淀池的底部污泥泵入污泥浓缩池，所述的混凝沉淀主要用于去除污水中大量的SS、CODCr、BOD5、总磷、石油类、动植物油和各种重金属离子，经过混凝沉淀处理后，SS被去除95％以上，CODCr、BOD5被去除70-90％以上，总磷被去除95％以上，各种重金属离子被去除95％以上；
(2)离子催化电解脱氮：经过步骤(1)混凝并储存于中间水池中的出水按300-800ml/m3加入10-12％次氯酸钠或按80-150g/m3投加氯化钠作为氯离子催化剂，混匀后泵入离子催化电解机中进行电解脱氮，所述电解机的工作电压为5-100V，电流10-2000A，电解后的出水进入脱气罐中进行气液分离，上部的气泡经过刮渣器刮入气泡收集槽中，清液经过循环泵再次泵入电解机进一步电解至氨氮、总氮、CODCr、BOD5合格后排入曝气池，经过曝气池曝气脱除次氯酸钠残余后排入排水口；所述离子催化电解脱氮主要用于去除混凝沉淀处理后污水中残余的氨氮和总氮等主要污染物，同时辅助去除污水中的CODCr、BOD5、总磷、SS；经过离子催化电解脱氮后的出水满足如下指标：COD≤50mg/L、BOD≤20mg/L、氨氮≤2mg/L、总氮≤3mg/L、总磷≤0.4mg/L、SS≤10mg/L、色度小于5；
(3)还原：将经过步骤(2)离子催化电解脱氮后的污水流入还原池，向所述还原池中定量加入5-20％的亚硫酸钠溶液或从中间水池泵取五分之一到四分之一的混凝沉淀出水中和催化电解脱氮净化残余的次氯酸钠，使水体得到复原；
(4)反硝化：将经过步骤(3)还原所得水体泵入反硝化深床滤池，经过反硝化处理去除水体中的硝态氮和亚硝态氮及CODCr、BOD5，经过反硝化处理后的出水，其主要污染物指标为：COD≤20mg/L、BOD5≤4mg/L、氨氮≤1mg/L、总氮≤1mg/L、总磷≤0.2mg/L、SS≤6mg/L、色度小于5，出水其余污染物指标符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表1的Ⅲ类水对应的指标要求；
(5)污泥处理：将混凝沉淀和离子催化电解脱氮装置的污泥分别输送至污泥浓缩池内，定期用移动式污泥处理装置进行处理。
进一步的，所述混凝剂是三氯化铁、聚合铁、硫酸铁、硫酸铝、聚合氯化铝或其二者混合物的一种；所述的助凝剂是聚丙烯酰胺(简称PAM)。
进一步的，所述三氯化铁、聚合铁、硫酸铁、硫酸铝、聚合氯化铝或其二者混合物等混凝剂，在使用时，先配制成10-15％的溶液。
本发明与现有技术比较，具有以下明显优势：
1、设备可以根据污水处理的需要，灵活移动，适合20-1000吨/日规模的污水处理，出水主要污染物指标达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表1的Ⅲ类水对应的指标要求，解决了现有小微水体和小型污水处理站的设备和技术的难题；
2、采用本污水净化资源化循环利用系统净化污水时，受氨氮、总氮、CODCr、总磷的浓度变化影响较小，出水的主要污染物可以符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表1对应的Ⅲ水类水质指标要求。
3、采用光电互补发电，且以太阳能主，设备在太阳能充足时运行，其他时间不运行，污水储存于调节池中，有太阳能后再运行，能耗低，单位运行成本比现有技术和设备低一半以上。
4、设备设计时，适当预留用电负荷，当水体中的CODCr、BOD5、总氮或污水流量等负荷变化大时，通过调整用电量，就可以满足负荷冲击，保证水质，抗负荷冲击力强。
5、目前，生物法是污水处理主流工艺。但是，生物法调试速度慢，一个调试周期少则几周，多则几个月。此外，生物法不仅要控制加药量，风量、温度等，缺点较多。采用本发明的光电互补污水净化资源化利用系统，只要控制用电量，就可以控制出水水质，且调试时间只要几个小时，当天调试，当天达标。因此，开关灵活，有水需要处理就开，无水不需要就关。同时，可以根据需要去除污染物的多少，随时调整电流，开大开小灵活，要去除的污染物多，就开大，要去除的少，就开小，不需要就关，节省成本，反应速度快，操作简单，易于自动控制。
6、100吨/日一体化的污水处理设备占地约30-50平方米，占地面积仅为传统工艺的五分之一。
7、本法只有“混凝+催化电解脱氮+还原+反硝化”四个工序，生产工艺流程短，操作控制时只需要控制pH、混凝剂加药量和电流，控制因素少，操作简便。
8、与生化法不同，生化法处理污水，由于有厌氧和缺氧工序，调试期长达几个月，而本移动式一体化催化电解污水处理设备只有混凝、催化电解脱氮、还原和反硝化四个工序，从开机到出水合格的调试时间仅几个小时，当天开机，当天合格。因此，调试期短。
9、设备是定型设备，在生产车间已生产调试完毕，需要时，只需将现场场地硬化，调运到到现场一周内就可以完成安装调试。因此，建设速度快。
10、采用本设备对现有污水处理站进行提标改造时，利用现有用地即可，不需新增用地。
11、设备处理污水过程中，产生氧气，使处理后的再生水溶解氧大幅度增加，溶解氧含量在5mg/L以上。
（发明人：聂晓燕;钟晓琴;宋娜）