污水处理过程综合节能方法

专利名称：污水处理过程综合节能方法
技术领域：
本发明涉及污水环流式曝气方法与立体分布式生物滤池处理方法以及立 体分布式污泥脱水方法，应用于污水曝气生物滤池生化处理和污泥脱水等领 域，也可以推广到水池养殖曝气供氧、物料湿法加气浮选、及纸浆等含水物 的脱水等领域及其它类似的气液之间或固液之间的物理或生化反应领域。
技术背景目前，污水处理等领域一般都采用鼓风机从底层曝气，风机用电是污水 处理运行成本最高的环节，也是最大噪声污染源。其中，生物滤池法的污水 处理工艺正在以其污水处理周期短，出水质量好占地面积小等优势正在被更 多的污水项目采纳，但是生物滤池必须在原生污水投入大量药剂絮凝过滤后 才能正常工作，而且滤床厚度大，滤水阻力大，反冲洗需要较大压力耗电多，一般反冲洗系统比较复杂；膜生物法采用生物膜可以很好隔离与过滤污水， 滤后水可以直接达标，是被普遍看好的工艺，但是投资大而且过滤需要压力 能耗也比较大，反冲洗系统也比较复杂。专门用于曝气的气液混合泵，是采用专门结构叶轮并且在叶轮高速旋转 时使气液深度混合，气泡细密， 一般适合用于小型水处理系统，大型污水^ 目很少用。在污泥等含水物脱水方面先进的离心脱水机虽然脱水效果较好但投资与 耗电都比较大，其它脱水技术要么脱水效果差要么耗电多，缺少脱水效果好 的节能技术与产品。 发明内容本发明的目的采用环流式污水曝气方法取代鼓风机曝气，大幅度节能 降耗；采用立体分布式通流工艺减小生物滤池通流阻力，使生物滤池更适合 环流式曝气，同时简化反冲洗系统；将立体分布式通流方法用于污泥等含水 物的脱水，从而大幅度的实现污水处理全面节能，并将这样的节能技术向其 它相关领域推广。本发明的技术方案所谓旋流式污水曝气方法是指在水泵或转轮等动力 设备的作用下，使水池内产生足够速度的环流，空气通过进气装置先进入靠 近液面的环流中，接着随环流下向流进入深层使整个水池实现曝气。 一般进 气装置采用能产生微小气泡的曝气头，曝气头在液流靠近液面的位置合理布 置后就会因其阻力使液流在其后产生真空抽气，使大量微小气泡进入旋流。 也可以由普通进气通道使空气进入泵入口，由高速叶轮将气泡"搅碎"混合 进入环流曝气。理论上，可以采用任何类型水泵或类似水泵的动力装置， 一般采用普通 轴流泵更合适，也可以是液流推进器、离心叶轮或由多个浆板组成的转轮等 "特殊的水泵"，简单节能。对于普通生物滤池，因为生物滤床的整体滤层不能形成完整的环流状态， 为了实现其节能曝气，这里提出采用立体分布式通流方法的低阻力生物滤池。 一种方案是将一定数量的中空生物菌滤管组成生物滤床，污水从生物滤管外 通过管壁进入管内的过程中完成生化反应，净化后的水在生物菌滤管中汇聚 到排水管排出，或者相反。生物菌滤管的结构是直接用适合附着生物菌膜的 多孔材料制成中空管，或者采用在双层同心滤管的夹层内填充了可附着生物 菌膜的多孔填料。另一种方案是在填满滤料的生物滤床中布置了污水进水滤 管和排水滤管，污水从布满网眼的进水管横向(与管路垂直)穿过生物滤料 层进入排水管，大量的进水管与排水管互相分隔布置后就同样形成新的生物 滤床。这两种方式形成的生物滤池基本原理是一样的，就是通过构成立体分布 通流方式最大程度缩短通流距离，增大通流面积减小通流阻力。举例说明， 如果将同等数量的滤料做成普通生物滤床与立体分布通流方式生物滤床，在生态环境相同的情况下，滤料中分布的生物菌数量基本相同，对污水的处理 能力相同，只是后者因为管道占用空间，整体体积一般要比前者大。可是， 虽然体积增大却为减小通流阻力创造了灵活的条件，因为只要满足强度，同 等处理量的前提下管径设计的越小，滤管就可以布置的越多，间隔的滤料层更薄，通流面积更大流速更小，通流阻力就会以几何级数的规律减小(因为 一般情况流体受到的阻力不仅与流体流通厚度正比与流速的平方成也成正 比)。立体分布通流式生物滤床(或称立体分布式生物滤床)将流通阻力大幅 度减小，不仅方便采用环流式曝气，而且使反冲洗的阻力变小，时间缩短， 更有利于节能设计。将生物滤管换成普通脱水用滤管就可以将立体分布通流式节能原理用于 污泥脱水，也可以用于纸浆等其它含水物料的脱水，节能且反冲洗容易。总之，从污水曝气到生化处理再到污泥脱水，经过本发明的全面实施将 使污水处理整个过程实现大幅度节能降耗，并且其节能原理可以向其它类似 领域推广。本发明的优点1. 环流式污水曝气方法利用了环流消耗很少动力就可以连续循环流 动的特点，将靠近液面"吸入"的大量微小气泡带到池底，并利用气泡从池 底上升时产生上升的环流动力，因此是一种非常节能的曝气方法，相比之下， 目前普遍采用的池底有压气源曝气气压必须克服曝气池静压，同时鼓风机效 率损失很大，电机功率总是很大。2. 可以取代鼓风机曝气，实现大幅度节能与消除噪声污染，虽然维持 环流也需要消耗动力但比起曝气鼓风机的耗电显然要小的多。3. 采用立体分布式生物滤池，使污水通流阻力大幅度减小，使反冲洗 变得更容易，减少设备投资，而且这样的结构既适合于好氧曝气的生化过程， 也适合于厌氧生化过程。4. 采用立体分布式脱水技术使污泥脱水更节能，设备投资更小，并且 可用于其它含水物料的脱水。5. 有利于污水处理全过程的综合节能，甚至有利于将厌氧区布置于曝 气池底部区域节约用地。其原理可以推广到水池养殖曝气供氧、物料湿法加 气浮选、及纸浆等含水物的脱水等领域及其它类似的气液之间或固液之间的物理或生化反应领域，如化工及食品加工。


图1是活性污泥法氧化沟采用环流式曝气方法原理图，动力装置采用轴 流水泵。图中箭头表示环流方向或转轮旋转方向，以下同。图2是动力装置转轮布置在不同位置的两种环流式曝气方法原理图。 图3是采用卧式圆筒或圆槽形曝气池，动力装置采用单转轮与双转轮的 两种情况。图4是三种立式圆筒形氧化沟采用环流式曝气方法原理图，A是以轴流泵 为动力，B是以池底转轮为动力并且中间有导流筒，C是以大型转轮为动力不 需导流筒。图5是生物滤池采用环流式曝气方法原理图。图6与图7是两种不同分布方式的生物菌滤管组成的立体分布式生物滤 池原理图。图8是立体分布式生物滤床滤料中滤管分布图。为直观，图中圆管表示 进水管路方管表示排水管路，箭头表示滤料中水流方向。图9是圆环状的立体分布式生物滤床布置原理图，即进水通道与排水通 道同轴立式筒状布置。图IO是矩形立体分布式生物滤床布置俯视图，即进水通道与排水通道立式并列相隔布置。图11是采用环流式曝气的活性污泥氧化池增设立体分布式生物滤床的原 理图，图12是其平面流程简图。图13是环流式深井曝气系统增加立体分布式生物滤床的原理图。图14是一种采用立体分布式生物滤床结构的转轮，滤后净水由径向导流 管汇集到空心轴管内，由轴管排出。图15是一种立体分布式污泥过滤脱水器。
具体实施方式
实施例1:如附图1所示，污水池采用环流式曝气，工作时电机1带动轴流泵叶轮4转动使液流向下流动，由导流通道5导流，液流经池底从右边上 升到液面，进而回流到轴流泵入口在池内形成一个整体的立体环流。在轴流泵入口处靠近液面的位置装有曝气头3，多个曝气头的组合对轴流泵入口形成 一定的阻力使泵入口产生真空，空气经进气管2再经过曝气头分布的微细孔被吸入泵内，以大量微小气泡的形态进入液流进入整个环流，实现环流式污 水曝气。曝气头布置在靠近液面同吋又是环流下向流的位置有利于环流真空 吸气，有利于将大量微小气泡带入池底。理论上产生环流的轴流泵或液流推进器布置在环流的任何位置都可以， 为了有利气泡随下向流进入池底，下向流通道--般采用较小通流面积以增加 流速， 一般在下向流通道安装轴流泵更合适。另外，对大型氧化沟可并排布 置多个环流曝气系统满足需要。环流式曝气有灵活多样的实施方式，例如附图2是活性污泥法氧化沟采用另一种环流式曝气方法原理图，动力装 置采用转轮6并且布置位置为两种不同的方案。附图3是卧式圆筒或圆槽形动力装置采用单转轮与双转轮的两种情况。这种方案环流损失最小，有的气泡甚至来不及溢出就又进入下一轮循环，有 利于通过控制液面高度适当延长空气在水中停留时间，特别适合氧气曝气。附图4是三种立式圆筒形曝气池采用环流式曝气方法原理图，A是以轴流 泵为动力，环流按圆筒径向立体分布；B是以池底转轮为动力并且中间有导 流筒；C是以大型转轮为动力不需导流筒。B和C的环流表现为复杂的螺旋 流状态，但在中心总是有下向流分速度，在周围也总是有上向流的分速度。 事实上，也可以在曝气池内侧增设导流板(类似于轴流泵的导流叶片)，引导 液流直接向上。另外，将转轮换成离心叶轮，效果基本相同而且离心叶轮的 特点是高转速小体积，但是其产生的高速流增加了流动损失。为了更有利于 减小环流阻力ABC三种方式尤其A还可以采用球壳形水池。必要时，在曝气头布置条件受到限制等原因进气不足时可以用鼓风机直 接给曝气头3通风，这样曝气头的分布可以更灵活在液面下可以布置的更深一些，虽然增加了鼓风机仍然比池底鼓风曝气功耗小的多。实施例2:如附图5所示， 一种采用环流式曝气的生物滤池，整体象"U"型，工作时，污水从进水通道21进入水泵入口，同时空气从进气通道22经曝气头被吸入曝气系统，受水泵叶轮推动气水混合液流经底部进入右边的生物滤池系统，污水经生物滤床23净化后上升到滤床上部经排水通道24溢出。 这样的曝气原理也适合于污水处理中的气浮工艺，也适合于推广到物料 湿法加气浮选领域。例如，在洗煤选煤行业，为了从煤泥中进一步分选出煤 粉，比较先进的设备是浮选柱，将煤泥浆用水泵高压产生射流吸气后，气浆 深度混合进入浮选柱，在浮选剂的辅助作用下密度较小的煤粉随气泡上浮，. 其它灰分大的泥渣下沉实现分选目的。其采用水泵射流吸气的方案使得水泵 耗电量很大，因射流器的磨损维护费也比较大，如果采用这里的环流气浮方 案可以降低水泵功率，节能节省投资。这种方案虽然不能形成封闭的"环流"，但基本具备了同样的节能原理， 这里也统一归为环流式曝气。实施例3:如附图6， 一种立体分布式生物滤池，生物滤床由一定数量生物菌滤管31组成，生物菌滤管由分布满微细孔的材料做成中空结构而成，或 者由直径不同的两个布满网眼的同心滤管的环状夹层内充满生物滤料(如充 满微孔的陶粒)构成。立体分布式生物滤池在工作时，污水从进水通道32进 入生物滤池底部后上升到滤床中，经生物菌滤管31净化后进入滤管内汇流到 排水管33排出。图中箭头表示水流方向，为说明立体分布的生物滤池工作原 理生物菌滤管只显示了很少的几个，在实际应用中滤管可以布置的很密。附图7显示了生物菌滤管横向布置的情况，这说明生物菌滤管有着灵活 的立体布置方式。附图8显示了另外的一种立体分布式生物滤床，滤床整体充满滤料，污 水进水滤管35与净化后的排水滤管36互相间隔布置于滤料中，工作时污水 从生物滤床下部进入布置于滤料中的进水滤管35，进水管顶端封堵，使污水 只能横穿过生物菌滤料层完成生物净化后再进入排水滤管36，排水滤管一端封堵另一端汇集后将净水排出。附图9显示了污水进水滤管，滤料层以及排水滤管同轴布置的立体分布 式生物滤床，图中横纹为污水进水通道斜纹为排水通道，无纹的为滤料层。图IO是矩形立体分布式生物滤床布置图，即进水通道与排水通道立式并 列相隔布置。图中横纹为污水进水通道斜纹为排水通道，无纹的为滤料层。立体分布式生物滤床为生物滤池的推广应用增加了更多灵活性，与环流 式曝气组合成一种高效节能的污水处理模式，它不只适合污水厂的规模处理， 也为家庭餐馆及生活小区等微小型污水处理提供了一种很好的节能模式。实施例4:如附图11，在采用环流式曝气的活性污泥氧化池内布置了立体 分布式生物滤床，轴流泵入口安装了曝气套管42，因曝气套管内径比较小工 作时使管内产生真空，空气经进气管41进入曝气套管后成微小气泡状态进入 泵入口，接着进入曝气液流。附图12表示在池内连续布置了三个立体分布式 生物滤床44的生物氧化池，污水从进水通道43进入池内，按箭头方向到出 口46排出，通过生物滤床净化的出水各自会集到出水管45排出。经过三个 生物滤床的处理后，池内的污水逐渐变浓流量减小。事实上，立体分布式生 物滤床可以小型化模块设计，在较大的系统中可以设置多个模块组合达到处 理规模，运行时可以逐个单独进行反冲洗而不影响其它正常运行，使得反冲 洗对系统连续运行的影响非常小。这样设置可以充分结合活性污泥法与生物滤池法的优势，既加快生物氧 化速度并使出水水质提高，又简化反冲洗。这是因为水泵吸气曝气使池内以 立体旋流状态较快速度流动，使每个生物滤管总是处在快速流动的液流中， 在反冲洗时总是把反冲洗产物快速冲走。而立体分布的生物滤床结构可以将 生物滤管做的很细很薄，这样反冲洗需要的压力小反应快，周期短，为生物 滤池前期处理不釆用絮凝剂絮凝创造了条件。另外，从附图ll可以看出，这样的系统比较方便在池底区域布置脱氮磷 的厌氧区，节约污水处理占地面积。实施例5:如附图13，是深井曝气系统增加了立体分布式生物滤床51的一种处理模式，由轴流泵产生环流动力，进气装置52布置在高速轴流泵入口 管道上，通过真空吸气使空气进入叶轮内被"搅碎"混合后进入环流系统。 而目前深井曝气虽然也是使井内产生立式环流，可是进气方案是由空压机将 压力气源送到深井中下部，环流的动力完全由曝气空气浮力产生，而用压缩 空气做动力的效率总是很低的。因此，这里用轴流泵替代空压机成为环流动 力有明显的节能意义。实施例6:如附图14， 一种采用立体分布式生物滤床结构的转轮，经横向分布的生物菌滤管61滤后净水由径向导流管62汇集到空心轴管63内，由 轴管排出。因为生物滤床的结构灵活多样，所以生物滤床结构的转轮也可以 根据具体需要设计各种结构。类似这样的结构，将生物滤管改成为增大表面积的多层肋片结构，或者 浆板直接采用多孔材料或多孔结构增加表面积，在转轮推动液流转动时浆板 正反两面的压差使浆板的细孔内也有液流流动，通过定时改变转轮的方向可 使细孔得到正反冲洗，这样因肋板或细孔附着的生物菌膜就成为一种可转动 的接触式生化系统。实施例7:如附图15， 一种立体分布式污泥脱水器的基本结构，污泥通 过水泵增压后由入口 71进入脱水器内部，接着进入滤管组72内，滤管管壁 是分布满符合过滤要求的细小通孔。滤管出口 73 口径縮小或采用专门的节流 器如电动阀等，以控制输出阻力维持滤管内的过滤压力，使污泥在经过整个 滤管的过程中完成脱水，滤出的水会集后经出水管74排出。在满足强度要求 的前提下，滤管管径越小在过滤器内分布就越多，过滤阻力就越小，工作压 力就越小消耗功率也越小，反冲洗也越容易。这样的脱水器也可以小型化多 个布置逐个单独反冲洗，使脱水连续运行。因为立体分布方式的灵活性，立体分布式污泥脱水器也可以有多种灵活 的结构，其综合优点是简单节能体积小投资小。显然，这样的脱水器也可以
权利要求
1. 一种环流式液体曝气方法，应用于污水处理、鱼池养殖、物料湿法气浮分选及其它类似的气液之间物理或生化反应领域，其特征是通过水泵或其它动力装置使水池内液体产生环流，气流由进气装置导入液流并且随后进入环流下向流中随环流扩散实现液流曝气。
2. 如权利要求1所述的环流式液体曝气方法，其特征是水泵或转轮是 产生环流的动力设备，在水泵入口或入口通道上布置进气装置或在靠近液面 下向流的位置布置进气装置。
3. 如权利要求1所述的环流式液体曝气方法，其特征是环流的进气方 式为真空吸气。
4. 如权利要求1所述的环流式液体曝气方法，其特征是曝气水池采用 可以减小环流阻力的圆筒形或球壳形或与圆筒形及球壳形近似的形状，顶端 有开口或有排气孔。
5. —种立体分布式生物滤床，应用于污水处理及其它类似的固液之间的 生物或化学领域，其特征是生物滤床采用中空生物菌滤管组合结构，或者 采用进水滤管和排水滤管互相分隔组合并且在管与管之间的空间填充可附着 生物菌膜的多孔填料的结构。
6. 如权利要求6所述的立体分布式生物滤床，其特征是生物菌滤管由 多孔材料做成中空结构而成，或者在双层同心滤管的夹层内填充了可附着生 物菌膜的多孔填料构成。
7. 如权利要求1所述的环流式液体曝气方法，其特征是生物滤床布置 于环流上向流中。
8. 如权利要求3所述的环流式液体曝气方法，其特征是转轮整体为可 转动的立体分布式生物滤床。
9. 如权利要求3所述的环流式液体曝气方法，其特征是转轮的浆板采 用增大表面积的多层肋片结构，或者浆板直接采用多孔材料或增大表面积的 多孔结构。
10. —种立体分布式脱水器，应用于污泥等固液固液混合物脱水领域， 其特征是滤管互相分隔组合装在壳体中，进料管与滤管入口导通，排液管 与壳体内滤管外的空间导通，或者相反。
全文摘要
污水处理过程综合节能方法，涉及的污水环流式曝气方法是指动力设备使水池内产生足够速度的环流，空气从表层进入环流中，接着随环流下向流进入深层实现曝气。涉及的立体分布式生物滤池是指大量中空生物菌滤管组成生物滤床使污水通过管壁时实现低阻力通流的生化反应，可简化反冲洗。涉及的立体分布式污泥脱水器是指大量滤管分布于脱水器内部，通过泵压实现大面积低阻力污泥脱水。整体方案可以取代鼓风机曝气，降低了污水生化与污泥脱水能耗，实现综合节能，可以推广到水池养殖曝气、物料湿法加气浮选及纸浆等含水物脱水等领域。
文档编号C02F1/24GK101274804SQ200710090948
公开日2008年10月1日 申请日期2007年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者张玉良 申请人:张玉良