综合处理生活污水和有机垃圾的方法及其设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种综合处理生活污水和有机垃圾的方法，包括多相分离、堆沤、沼气发生和生物脱氮除磷步骤，可将生活污水和有机垃圾转化成为可以直接排放的清水、沼气、有机肥和砂渣。本发明还提供了一种综合处理生活污水和有机垃圾的设备，包括多相分离装置、堆沤装置、沼气发生装置和生物脱氮除磷装置。可以同时高效、环保地处理生活污水和有机垃圾，从而实现最小污染排放的目标。
【专利说明】综合处理生活污水和有机垃圾的方法及其设备
[0001]本发明申请是申请日为2010年11月4日、申请号为201080003429.6、发明名称为
“综合处理生活污水和有机垃圾的方法及其设备”的发明申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明提供了一种综合处理生活污水和有机垃圾的方法以及综合处理生活污水和有机垃圾的设备，可以同时高效、环保地处理生活污水和有机垃圾，从而实现低污染排放的目标。
【背景技术】
[0003]城市垃圾处理以及污水排放问题已经成为当今世界环保领域中的一项重大研究课题。随着世界各地城市的迅猛发展，城市垃圾和污水的数量在全球范围内迅速增长，其中的有害成分对大气、水体、土壤等造成严重危害，影响城市生态环境，危害人民群众身体健康，已成为世界公害。我国大部分城市也已处于垃圾和污水包围之中，垃圾和污水处理成了世界关注的难题。目前，垃圾和污水的处理仍通常采取分开处理的方式。
[0004]填埋和焚烧是常规的垃圾处理方法。但由于垃圾填埋不仅占地大、选址难、难以回收其中的有用资源，而且填埋过程中的渗滤液、恶臭和填埋气更会对周围环境造成危害；同时，随着环保标准的不断提高，填埋初期投资和运行费用也越来越高。垃圾焚烧虽可最大程度地实现减量化和无害化，但由于初期投资和运行成本过高、焚烧尾气的二次污染，且其对原料热值和含水率有较高要求，因此也不宜用于处理有机垃圾。
[0005]粪便污水的处理主要采用自然排放法直接将粪便污水排放到河道中，或者采用化粪池将沉淀分离后排入下水管道，再有就是采用好氧生物曝气工艺或A2/0污水处理工艺`， 污水处理厂占地面积大、空气污染严重、污泥排放问题难以解决。此外，垃圾回收利用不当， 实际上造成了对资源的浪费。
[0006]为了针对上述种种环境污染、垃圾处理不当、资源浪费等问题，人们进行了大量的研究。
[0007]中国发明专利公布CN1314313A公开了一种将粪便污水、有机垃圾综合处理的装置，是将人类粪便污水在粪水分离罐中用浮选法分理出粪便，用溢流法分离出污水，分离出的粪便溢流入储存罐中，有机垃圾经粉碎机粉碎，经输送管入储存罐中，然后储存罐中的粪便和有机垃圾进入消化罐加热发酵，产生沼气。该方法主要是利用了将分离粉碎的粪便垃圾直接进行厌氧消化，反应时间长，效率低，尤其对一些难于在厌氧条件下进行消化的物质，需要更长的消化时间。此外，经沼气发酵之后仍存在一些污染物，不宜直接排出。
[0008]中国发明专利公布CN101191116A公开了一种组合式发酵池，由内部装有热交换器的堆怄池和内循环式沼气反应器构成。将例如秸杆、青草、加工后的果渣、加工后的药材渣等具有固体形态或粘稠状的原料直接倒入堆怄池进行堆怄，发酵产生的酸化液体通过堆怄池底部的格栅经出料管进入沼气反应器中进行厌氧发酵产生沼气。该组合发酵池占地面积大，反应时间长，与外界体系接触，不适用于日常生活垃圾污水的处理。堆怄池与沼气反应器始终相通，不利于沼气反应器发生厌氧消化反应，难于控制，产气效率较低。此外，如上所述，经沼气发酵之后仍存在一些污染物，不宜直接排出。
[0009]因此，希望一种更加有效的方法和设备，可以同时高效、环保地处理生活污水和有机垃圾，从而实现低污染、甚至基本无污染排放的目标。
【发明内容】
[0010]本发明提供一种综合处理生活污水和有机垃圾的方法和设备，其可以同时高效、 环保地处理生活污水和有机垃圾，从而实现低污染排放、甚至基本无污染排放的目标。
[0011]一方面，本发明提供了一种综合处理生活污水和有机垃圾的方法，包括步骤:
[0012]a.多相分离:生活污水经多相分离成上清液，上浮液，沉渣液、格栅分离物和废气，上浮液、格栅分离物与有机垃圾进行混合粉碎之后与沉渣液混合成为高浓度污水；
[0013]b.堆怄:对经多相分离产生的高浓度污水进行堆怄消化，产生堆怄熟料；
[0014]c.沼气发生:用生活污水的上清液和堆怄熟料进行沼气发生，生成并排出沼气；
[0015]d.任选的生物脱氮除磷:对来自沼气发生步骤的水和/或步骤a的上清液进行生物脱氮除磷处理，排出清水和有机肥。
[0016]在本发明的一些实施方式中，堆怄消化为并联堆怄消化，采用至少三个并联的堆怄消化单元。
[0017]在本发明的特定的实施方式中，在沼气发生和脱氮除磷过程中难以消化的浮渣和 /或污泥重新送回堆怄步骤进行回怄。
[0018]另一方面，本发明还提供了用于一种综合处理处理生物污水和有机垃圾的设备， 包括串联的多相分离装置、堆怄装置、沼气发生装置和任选的生物脱氮除磷装置。
[0019]又另一方面，本发明提供了一种用于分离生活污水的多相分离装置，包括生活污水进水口、砂石分离室、砂石排出口、由异形格栅和分离耙组成的自动分离格栅机、格栅分离物出口、上浮液室和上清液室。
[0020]又另一方面，本发明提供了一种多相分离生活污水的方法，包括步骤:
[0021]a.利用斜坡法将生活污水中的砂石分离开；
[0022]b.经异形格栅分离出格栅分离物；
[0023]c.污水垂直下流，利用微气泡发生装置产生的微小气泡吸附悬浮物质，使之上升， 并排出上浮液，或利用污泥调节，吸附有机污染物，加速沉淀，比重较轻有机污染物形成上浮液，分离上升并排出上浮液；
[0024]d.污水继续下行，在上浮液室和上清液室之间的垂直隔板下端改变方向向上行， 进入上清液室，沉渣物留在底部，排出沉渣液；
[0025]e.污水上行形成上清液,排出上清液。
[0026]本发明的综合处理生活污水和有机垃圾的方法和设备应用广泛。本发明的方法是全生物技术的工艺，采用工厂化生产的全套设备、全封闭运行、无泄露、无二次污染的创新发明工艺。
[0027]附图简述
[0028]图1为综合处理生活污水和有机垃圾的方法的流程图。
[0029]图2为多相分离装置-工艺流程图。[0030]图3为自动格栅装置及砂石分离原理示意图。
[0031]图4为多相分离装置功能示意图。
[0032]图5为并联堆怄消化装置-工艺流程图。
[0033]图6为强力气体搅拌器示意图。
[0034]图7为堆怄期生物活动表现示意图。
[0035]图8为并联堆怄消化装置功能示意图。
[0036]图9为高效沼气发生装置-工艺流程图。
[0037]图10为高效沼气发生装置功能示意图。
[0038]图11为生物脱氮除磷组合装置-工艺流程图。
[0039]图12为生物脱氮除磷组合装置示意图。
[0040]图13显示分离的上清液、上浮液和沉渣液的水样。
[0041]图14显示上清液的显微镜照片。
[0042]图15显示上浮液的显微镜照片。
[0043]图16显示沉渣液的显微镜照片。
[0044]图17为双罐串联脱氮除磷的工艺流程图。
[0045]图18为综合处理生活污 水和有机垃圾的设备和方法流程图。
[0046]图19为综合处理生活污水和有机垃圾的设备示意图。
【具体实施方式】
[0047]此处所述的生活污水是指任何人类生活过程中产生的污水，是水体的主要污染源之一。生活污水例如是粪便污水和/或洗涤污水。生活污水中含有大量有机物，如纤维素、 淀粉、糖类、脂肪和蛋白质等。也常含有病原菌、病毒和寄生虫卵；无机盐类如氯化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐和钠、钾、钙、镁等。总的特点是含氮、含硫和含磷高，在厌氧细菌作用下，易生恶臭物质。
[0048]此处所述的有机垃圾，泛指主要由有机物构成的生活垃圾，主要是纸、纤维、竹木、 厨房垃圾等。其中厨房垃圾是由家庭、饭店、单位食堂等产生的食品残余物，由含水率高、易腐败的可降解有机物组成。城市生活垃圾中50%以上为有机垃圾，且逐年增长。
[0049]本发明的综合处理生活污水和有机垃圾的方法包括多相分离、堆怄、沼气发生和生物脱氮除磷四个步骤(见图1)。本发明的生活污水和有机垃圾处理方法是全生物技术的工艺，采用工厂化生产的全套设备、全封闭运行、无泄露、无二次污染。
[0050]1.多相分离
[0051]装置
[0052]本发明的多相分离装置包括前处理设备罐1、前处理设备罐I1、混合粉碎机、高压废气储气罐和配料输送装置(见图2)。前处理设备罐I和罐II之间无连接，高压废气储气罐和配料输送装置之间无连接。前处理设备罐I/罐II分别与混合粉碎机、高压废气储气罐和配料输送装置相连，混合粉碎机和配料输送装置相连。其中，前处理设备罐I和罐II为分离装置，分别进行粪便污水和洗涤污水的分离处理。前处理设备罐I和罐II上分别设置有粪便/洗涤污水入口、粪便/洗涤污水废气出口、粪便/污水上清液出口、粪便/洗涤污水上浮液出口、粪便/洗涤污水格栅分离物出口和粪便/洗涤污水沉渣液出口。混合粉碎机上设置有机垃圾喂料口、粪便/洗涤污水上浮液入口、粪便/洗涤污水格栅分离物入口和混合粉碎物出口。高压废气储气罐上设置粪便/洗涤污水废气入口、高压废气上出口 I和高压废气上出口 2。配料输送装置内有混合装置，配料输送装置上设置有粪便/洗涤污水沉渣液入口、混合粉碎物入口和高浓度污水出口。
[0053]前处理设备罐内配置有砂石分离装置和自动格栅分离装置，包括生活污水进水口、砂石分离室、砂石排出口、异形格栅、格栅分离物出口、上浮液室和上清液室(参见图 3)。进水口位于砂石分离室的上部，砂石排出口位于砂石分离室的下部，用于分离砂石的斜坡与水平成一定角度。在本发明的实施方式中，斜坡与水平的角度不小于30度。在本发明的优选实施方式中，斜坡与水平的角度为30度。本发明的自动格栅分离装置由异形格栅构成，考虑到异形格栅制造工艺复杂，生产成本高，本发明使用的自动格栅机可采用工程塑料模压成型工艺生产，从而节约成本。上浮液室和上清液室位于前处理设备罐下部，由一垂直隔板将二室分隔，上清液室的容积应不小于上浮液室的容积。在本发明的一种实施方式中， 上清液室的容积是上浮液室的3倍。上浮液室的中部设置有一微气泡发生装置。在本发明另一实施方式中，作为微气泡发生装置的替代或其补充，在上浮液室的中部设置污泥调节释放器，其例如将用泵例如尼可尼泵输入的来自沼气发生的厌氧底泥和底液释放以进行厌氧污泥调节处理，微气泡发生装置本身可用作污泥调节释放器。
[0054]本发明的砂石分离装置还可与提砂机一起使用，提砂机可采用汽提原理设计，操作方便。
[0055]在本发明的另一实施方式中，在前处理设备罐之前增设辅助罐，辅助罐内设置有砂石分离装置和自动格栅分离装置，而前处理设备罐省略砂石分离装置和自动格栅分离装置。该设计可使液相分离后水位损失减小。
[0056]混合粉碎机包括3组轧辊和并列2组高速旋转刀尖。第I组轧辊由平面轧辊组成， 第2组轧辊是由径向轧辊组成，第3组轧辊是由径向轧辊组成。混合粉碎机还包括一个高速旋转刀粉碎装置。
[0057]在本发明的另一实施方式中，本发明的多相分离前处理设备还包括一个或多个上清液水量调节罐，上清液水量调节罐与上清液室相连。每个上清液水量调节罐的容积为例如25立方米，其吸收排污高峰值为平均水量的例如3倍，并调节至低谷供水。该上清液水量调节罐的调节时段可达例如4小时，满足系统要求。
`[0058]在本发明的另一实施方式中，在前处理设备罐和高压废气储气罐之间还设置有风机例如罗茨风机(参见图2)，使整个系统无异味气体逸出，效果明显。
[0059]方法
[0060]在本发明的多相分离过程中，前处理设备罐I和罐II均采用自动格栅分离装置对污水进行初步固液气相分离。更具体而言，罐I将粪便污水分离成粪便污水废气、上清液、 上浮液、沉渣液和格栅分离物，罐II将洗涤污水分离成洗涤污水废气、上清液、上浮液、沉渣液和格栅分离物。更具体而言，本发明的多相分离技术由以下部分组成(参见图3):
[0061]污水进入设备时，利用砂石的比重最大的原理，采用斜坡法，先将砂石分离。砂石进入系统会对设备造成损害。斜坡法可以把大于2_直径以上的砂石分离出来，然后经螺杆提升装置将分离的砂石排出系统。
[0062]除砂后的污水经自动分离格栅机分离。所述格栅分离机包括竖直段、圆弧段和倾斜段组成的异形格栅和由机械带动作圆周运动的分离耙。分离耙不断把分离物由竖直段前方耙向圆弧段上方，经倾斜段输送至分离物输出口。将格栅分离物经管道，输送到粉碎装置。格栅机连续工作，格栅间隙可小于4mm。上述除砂和格栅分离两项中的污水是在前处理设备罐的上方横向流动。
[0063]污水经格栅后，垂直向下流动至上浮液室(也叫做气浮室)，上浮液室中有一组微气泡发生装置。该装置利用压缩后的废气作气源，在一个由多孔壁组成的圆形腔体内作斜向喷气，使腔内的水体与气体混合做高速旋转运动，利用孔壁把离心的水和气同时进行剪切和离心输出，形成微小气泡。利用微小气泡，吸附污水的悬浮物质，使之上升至斜坡式集渣处，排出上浮液。微气泡发生装置安在上浮液室中间位置，经气浮处理后的污水继续下行。
[0064]污水下行至前处理设备罐底部时，由于上浮液室和上清液室之间存在一垂直隔板使流速突然减慢，并改变方向上行进入上清液室，沉渣物就留在罐的底部，由底部出口输出沉渣液。
[0065]污水上行到上部，作为上清液排出，污水下行或上行的行程大于5m的距离能更有效分离出上清液。上清液的COD (化学耗氧量，CODcr,简称C0D，单位为mg/L)、T/P (总磷污染物通用缩写，单位为mg/L)、SS (总水体悬浮颗粒的简称，单位为mg/L)指标大幅降低。
[0066]上浮液和上清液是由隔板分开的，所以出口高度可以相同。多相分离前处理设备的优点是高效利用水体上下运动的原理，故对静置时间的要求极低。而且除沉渣液由底部输出之外,极大部分的污水量的排出口，仅低于水入口约200mm，水位损失极小。对于后处理出现的污水水位的提升费用会大大减少。
[0067]由于在后续的有机垃圾混合过程中需要上浮液的量大于上浮液的产出量，所以下行至底部的污水很容易分离成沉渣液，并不易上升，沉渣液也是连续输出的。这就保证了上清液的质量。而且整个液体分离过程中不需要任何添加剂。
[0068]将上浮液和沉渣液的混合液的水量设为a，上清液水量设为b，则总水量为a+b。优选上浮液和沉渣液的混合液的水量a与总水量(a+b)的比值不超过5%。
[0069]有机垃圾经喂料口进入混合粉碎机。前处理设备罐I和罐II分离出的粪便污水和洗涤污水格栅分离物进入混合粉碎机。混合粉碎机的3组轧辊和并列2组高速旋转刀尖先将有机垃圾和格栅分离物进行初粉碎。第I组轧辊使可能的细小砂石粉碎，并将固体物轧平。第2组轧辊将固体物轧平形成细小条形。第3组轧辊`使条形固体物形成分散的微粒固体物。然后与经粉碎机的入水口自动流入的上浮液合并，进入高速旋转刀粉碎装置的腔室内进行液态的高速粉碎，并经50目过滤网输出料液。粉碎是在液体中进行的。粉碎后的料液与两罐分离出的沉渣液合并进入输送装置。由输送装置的流量阀来控制料液和沉渣液的配比。称重法测定含固率(即有机污染物)不超过40%，便于螺杆泵输出高浓度污水。
[0070]前处理设备罐I和罐II中的废气经排气口排出，作为气泵的气源。经气泵，单向阀将废气压缩送至高度大于4米的储气罐。储气罐是垂直安装的，含有污水和微粒物质的气体会聚集在储气罐下方。储气罐分上、下两个出气口，相对洁净的上口气源用于脱氮除磷设备的好氧搅拌，下口气源用于堆怄初期的增氧搅拌，或前处理微气泡发生器气源直接回流至前处理上浮液室。
[0071]前处理设备罐I和罐II的排气口经格栅分离物通道与粉碎机内腔连通，因而粉碎机喂料口处于负压状态，喂料口不存在泄露异味气体的问题。
[0072]气泵运转采用变频电机由压力传感器控制运行，使气泵始终处于连续运转的状态，从而使前处理的废气排出口始终有气源输出，使喂料口处于负压(进气)状态。采用的方法是当压力传感器的压力值高到一定值时，输出压力信号调节变频器的电源输出频率。 压力降低时，变频电机运转速度减慢，气泵处于连续运转状态。
[0073]多相分离装置的操作除了人工喂入有机垃圾以外，其余操作是自动的工艺流程。
[0074]在进一步的实施方式中，从沼气发生设备回流的厌氧生物泥(底泥)和底液可对污水实施厌氧污泥调节调节，以改善前处理分离。
[0075]在本发明的实施方式中，生活有机垃圾、洗涤污水和粪便污水经多相分离装置处理成为洗涤污水上清液、粪便污水上清液、高浓度污水、高压废气I和高压废气2 (见图4)。
[0076]前处理微气泡发生装置引入不同介质的试验:前处理上浮液室中部安装微气泡发生装置，直接引入压力空气，产生微气泡，增强上浮液室分离的能力。测定上清液COD值，在 400mg/L左右。SS值在300mg/L左右。说明不加絮凝剂的气浮作用有限。在本发明的另一实施方式中，在微气泡发生装置入口加装一台流量0.5-2m3/h,扬程15m的尼克尼泵，引入二次沉淀罐的底泥和底液，或引入沼气发生罐的底泥和底液。在两个不同实验中，每个实验经4小时后再测定上清液的COD值和SS值。对比后发现，引入二次沉淀罐的底泥和底液作为污泥搅拌调节(称为好氧污泥调节)时，上清液的COD可降至320mg/L左右，SS可降至 240mg/L左右。另外，氮类和磷类的污染指标也有所下降。其原因在于好氧污泥中的硝化菌和聚磷菌起作用。但是发现上清液中有少量的漂泥现象，引起SS下降作用不大。当引入沼气发生罐的底泥和底液(称为厌氧污泥调节)时，此时上清液的COD值维持在200mg/L以下，SS值维持在160mg/L以下。但是对氮类污染物分离作用不明显。而沉渣液的COD明显高于上浮液的C0D。其原因在于厌氧污泥具有胶质外衣的吸附作用，优于好氧污泥，且厌氧污泥的沉降性能优于好氧污泥。但是厌氧污泥调节对原水中分散性油滴的吸附分离作用不大。本实验优选厌氧污泥调节，其对改善前处理的分离效果最明显。
[0077]2.堆怄
[0078]装置
[0079]在一个优选实施方案中，本发明的堆怄装置是由堆怄消化罐和七组配置构成(见图5)。7组配置分别为高浓度污水进料配置A、浮渣回流配置B、气体搅拌配置C、污泥回怄配置D、其内包含一个储气罐的分解气体输出配置E、熟料输出配置F和温度控制配置G。7 组配置分别包含阀A、B、C、D、E、F和G。7组配置分别与堆怄消化罐相连，7组配置之间无连接关系。7组配置中的高浓度污水进料配置A、浮渣回流配置B、气体搅拌配置C、污泥回怄配置D和温度控制配置G为输入配置，分别将高浓度污水、沼气罐浮渣、前处理废气下口气体(高压废气2)、沼气罐污泥/脱氮除磷罐污泥和热媒源传输到堆怄消化罐中。另外两组配置分解气体输出配置E和熟料输出配置F为输出配置，分别将消化罐中产生的分解气体和熟料输出到后续步骤中。此外，堆怄消化罐还可以包括一个热媒回流口，将堆怄产生的热量经热媒回流用于后续步骤中。堆怄消化罐下部还设有排砂口，排出有机物含量极低的砂渣。
[0080]堆怄消化罐的数量决定了并联的方式。本发明的并联堆怄装置包括至少3个堆怄消化罐。7组配置的阀的数量与堆怄消化罐的数量匹配。因此，7组配置内也分别包含至少3个阀。并联堆怄消化罐的数量由污水量和污水浓度决定。为使得整体设备保持连续运行状态，在满足堆怄时间2至3天的同时还要使得有罐为进料状态、有罐为出料状态。如果增加罐的数量，相应输入、输出装置中并联阀的数量也要增加。
[0081]在本发明的一个【具体实施方式】中，堆怄消化装置采用3个并联堆怄消化罐1、11和
III。此时，7组配置内包括分别对应于消化罐1、11和III的三组阀，即高浓度污水进料配置A的阀A1、A2和A3、浮渣回流配置B的阀B1、B2和B3、气体搅拌配置C的阀C1、C2和C3、 污泥回怄配置D的阀Dl、D2和D3、分解气体输出配置E的阀El、E2和E3、熟料输出配置F 的阀F1、F2和F3以及温度控制配置G的阀G1、G2和G3。
[0082]本发明的堆怄消化罐内安装有强力气体搅拌器，安装于堆怄消化罐的中底部，用于堆怄初期进行的增氧搅拌(见图6)。强力气体搅拌器是利用喷气使孔壁离心出微气泡的原理制成。喷气口的大小取决于堆怄消化罐的圆筒腔的直径。圆筒型腔的直径大些，喷气口也应更大些。本领域技术人员知道如何根据圆筒形直径的大小确定喷气口的大小。圆筒的底部加设斜扇形板。喷气时，不但会使孔壁离心出微气泡，达到低耗氧增氧的目的，又可以将罐的污泥卷起，从圆筒上口排出，达到搅拌的目的。强力气体搅拌器的卷起面积可达 6m2。
[0083]方法
[0084]在并联堆怄过程中，多相分离步骤中分离产生的高浓度污水经高浓度污水进料配置A进入堆怄消化罐进行堆怄消化。打开气体搅拌配置C的阀C，引入经多相分离步骤中分离的废气，使用强力气体搅拌器进行增氧搅拌，参见上述强力气体搅拌器部分。堆怄初期好氧生物吸附，水解氧化时间仅为I小时即可。此时发生的反应为有氧堆怄消化反应:
[0085]好氧生物+有机物+02=H2+C02+NH3+能量(生物分解反应)
[0086]好氧生物+有机物+O2+能量=新生物细胞+O2 (生物合成反应)
[0087]随后关闭阀C，则体系内的氧气逐渐被消耗掉。上述生物反应直至氧气耗尽，70% 以上有机物被好氧生物吸附、水解、氧化。生物在缺氧状态中，兼氧生物依赖内源呼吸替代好氧生物进一步分解有机物，生成co2、h2o、nh3和多糖类物质。当生物环境逐渐有利厌氧生物时，有以下为主的生物反应及产物:`[0088]厌氧生物+有机物=有机酸+醇类+H2+C02+NH3+H2S+能量(生物分解反应)
[0089]厌氧生物+有机物=新生细胞(生物合成反应)
[0090]因此，在堆怄消化罐中发生的反应实际上包括好氧生物活跃期发生的吸附反应、 好氧生物过渡为兼氧生物活跃期发生的水解/氧化反应以及兼氧生物过渡为厌氧生物活跃期发生的酸化/降解反应(见图7)。
[0091]体系内有氧反应时间的长短取决于阀C打开的时间，阀C打开的时间越长，发生有氧堆怄消化的反应时间也越长。因此，增氧搅拌的时间长短可根据污水量和污水浓度决定进行调节。在本发明的优选实施方式中，阀C打开I个小时之后关闭。
[0092]在自然界的有氧堆怄过程中，不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量使温度上升，温度可达15~40°C。然后耐高温细菌迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至60~70V。当有机物基本降解完，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止。 堆怄的温度逐渐下降，当温度稳定在40°C，堆怄基本达到稳定，形成腐植质。[0093]在本发明的堆怄过程中，可使用自然堆怄，优选自然堆怄的堆怄温度为35°C以上。 堆怄搅拌可缩短堆怄时间。也可使用温度控制装置对堆怄消化罐进行加热，优选加热至 55°C。加热过程中，温度由常温升至55°C约需时I天。好氧生物有氧消化反应的最佳温度为17-25°C，其活跃期正好与加热初期的温度相对应。堆怄的主要时段是I天后的厌氧生物活跃期，即最佳温度为55°C。加热至55°C时，温控电磁阀自动关闭，利用堆怄自发热原理， 继续进行高温发酵反应。温度可高达70°C。
[0094]堆怄反应中产生的气体经单向阀进入储气罐，以供下一步沼气发生使用。在堆怄反应中，有机物消化分解产生的气体在堆怄中积聚逐渐形成一定的压力，由于堆怄罐到储气罐再到沼气发生罐的气体搅拌器之间由单向阀联通，保证了气体不可逆向输送，而沼气发生罐的沼气是排向燃烧器具(例如沼气锅炉、沼气发电机等)的。所以沼气罐的气体搅拌器出气门槛压力罐中液体的压力约为0.07Mpa。为了让分解气体在沼气罐中的合成反应能有条不紊地进行，储气罐作为缓冲装置而设。其压力在0.07-0.1Mpa0
[0095]本领域技术人员可以根据污水量和污水浓度来确定堆怄反应的时间。在本发明的实施方式中，厌氧高温消化时间为3天。
[0096]在本发明的优选实施方式中，堆怄装置包含至少三个堆怄消化罐，因此在同一时刻可以存在三种不同的运行状态，以满足在堆怄时间2至3天的要求下，能够使整个设备保持连续的运行状态。三种运行状态分别为:堆怄状态、出料状态和进料状态。在本发明的一个实施方式中，堆怄消化装置采用3个并联堆怄消化罐1、II和III，具体装置参见上面具体实施例中的3个并联堆怄消化罐的构造。在本发明的一个特定实施方式中，堆怄消化罐I 为堆怄状态，堆怄消化罐II为出料状态，堆怄消化罐III为进料状态。对于特定的三个堆怄消化罐的操作工艺如下所述:
[0097]堆怄消化罐1:
[0098]关闭阀Al、B1、D1、E1、Fl
[0099]开启阀Cl，一小时后关闭，初怄的增氧搅拌功能完成。
[0100]开启阀G1，热媒源进入加热，升温至55°C时温控电磁阀自动关闭，此时可关闭阀 Gl，因堆怄自发热的原理罐内温度会继续升高，可达温度70°C。
[0101]堆怄消化罐I1:`[0102]由堆怄状态切换为出料状态。
[0103]开启阀E2、F2 (阀E为气压平衡阀，由进料罐内气体压向出料罐达到平衡)，此时， 堆怄料液顺利排出。
[0104]堆怄消化罐II1:
[0105]由出料状态切换为进料状态。
[0106]关闭阀F3
[0107]开启阀B3、D3，观察上窥视窗，液位达到要求时关闭阀B3、D3
[0108]开启阀A3，观察上窥视窗，液位达到要求时关闭A3、E3。此时，进料完成，可以切换为堆怄状态。
[0109]排砂:堆怄罐下部设有排砂口，砂渣在堆怄后排出改变了传统工艺在污水处理前进行沉砂和排砂的方法。使排出的砂渣的有机物含量极低，这也是本工艺的不存在二次污染的一个方面。[0110]普通的堆怄工艺操作中是由人工完成进料、堆怄、出料程序的切换。难免造成短暂的不连续性，由于本工艺设计中多相分离前处理装置分离的上清液是直接进入下一处理程序，对整个设备有缓冲作用，不影响整个设备的连续性。而多组并联堆怄装置也极大地提高了整个设备的效率以及操作上的灵活性，同时也极大改善了厌氧生物消化需时的问题。
[0111]在本发明的实施方式中，使用高压废气2进行初始增氧搅拌。在本发明的一个优选实施方式中，后续沼气发生步骤产生的浮渣和沼气罐污泥以及脱氮除磷步骤产生的污泥返回到堆怄罐中进行回怄，最终将物料消化成为分解气体和熟料。初始堆怄消化反应的加热使用外来热媒源，后续产生的热量进行热媒回流(见图8)。
[0112]3.沼气发生
[0113]装置
[0114]本发明的沼气发生装置是由配料输送装置和沼气发生罐串联构成的(见图9)，其运行是连续、自动的。配料输送装置内包含用于混合经多相分离装置分离的粪便污水上清液和堆怄熟料的预混合装置。配料输送装置上设置有堆怄分解压力气体输送管、粪便污水上清液入口、堆怄熟料入口和粪便污水上清液和堆怄熟料的混合料出口。沼气发生罐上可以设置有堆怄分解压力气体入口、粪便污水上清液和堆怄熟料的混合料入口、热媒输入口、 脱水沼气出口、沼气罐出水口、浮渣回怄出口、热媒回流出口、污泥调节出口和污泥回怄出口，其中，污泥调节出口和污泥回怄出口可为同一出口。
[0115]方法
[0116]在本发明的沼气发生过程中，首先配料输送装置将堆怄熟料和多相分离装置分离出的粪便上清液按照配比混合并由离心泵将混合料输入沼气发生罐，由厌氧生物合成甲烷。经堆怄消化后的熟料是已被水解、酸化生产沼气的原料液。粪便上清液也是易被厌氧生物吸收的生产沼气的原料液，两者的配比不影响沼气生产的有机负荷率。本发明的一个【具体实施方式】中，每天一个堆怄消化罐的熟料出料约为25m3，而粪便上清液每天约为80m3， 其配比约为1: 3.2。粪便上清液起到降低熟料温度和稀释熟料浓度的作用。粪便上清液中含有溶解性碳水化合物、氨基酸、单糖等物质，易被厌氧生物吸收、消化并生成甲烷和二氧化碳。堆怄分解气体储气罐的气压超过罐内液体水压的门槛压力时，分解气体自动经单向阀、气体搅拌器在罐内完成搅拌功能。该气体主要含有H2、CO2, NH3和H2S。
[0117]沼气发生罐设备的有机物厌氧消化反应和产物如下所示。
[0118]继续进行生物的分解代谢和合成代谢活动:
[0119]厌氧生物+可溶性碳水化合物、氨基酸、单糖=有机酸+醇类+H2+C02+NH3+能量 (生物分解反应)
[0120]厌氧生物+有机酸=新生物细胞(生物合成反应)
[0121]由醇和二氧化碳形成甲烷:
[0122]2CH3CH20H+C02 — 2CH3C00H+CH4
[0123]4CH3C00H — C02+H20+3CH4
[0124]由挥发酸形成甲烷:
[0125]2CH3CH2CH2C00H+2H20+C02 — 4CH3C00H+CH4
[0126]CH3COOH — C02+CH4
[0127]由二氧化碳被氢还原成甲烷:[0128]C02+4H2 — 2H20+CH4
[0129]温度是影响厌氧消化的重要因素之一。温度主要影响微生物的生化反应速度，因而与有机物的分解速率有关。一般使用的中温消化温度为30~38°C (优选33~35°C )； 高温消化温度为50~55°C。在本发明的一个实施方式中，使用35°C进行沼气发生反应。此外，厌氧消化要求温度比较稳定，例如日变化小于±2°C。温度突变幅度太大，会招致设备的停止产气。在本发明的实施方式中，恒温的方法是引入加热的热媒装置并由温度控制仪实现自动化控制，控制精度在±1°C之内。
[0130]由膨胀冷凝式脱水器对产出沼气进行脱水后排出。处理水自动流入下一程序进行脱氮除磷处理。
[0131]沼气发生罐装置操作工艺是自动的、连续的。因为前道堆怄工艺程序已经完成了污染物的降解工作，沼气发生罐装置能承受很大的水力负荷，处理后的水质有机物含量低， 沼气产出率也得到提高。
[0132]根据化学工业出版社《沼气技术及其应用》的一书记载，关于粪便原料沼气池的产期率，按照评价体积计算为0.28m3/m3 ? d。在本发明的一个【具体实施方式】中，输入的原料为已预处理和已预反应的生物物质-粪便上清液和堆怄熟料，其合并后为稀薄的原料液，每天总量平均为850m3，每天产沼气平均为260m3，沼气发生罐有效体积为30m3。按照进料体积计算，产气率为0.3mVm3 ? do按照沼气罐反应体积计算产气率为8.6mVm3 ? d。
[0133]回沤
[0134]浮渣回怄:难以消化或需时消化的污`染物，大部分会以浮渣的形式在沼气发生罐中出现，及时排出进行回怄可以改善沼气产出的条件，又对不易消化的污染物进行反复循环消化，最终得到基本完全处理。回怄工艺是在设备内实现的。
[0135]生物污泥回怄:沼气发生罐设备的剩余的污泥全部输往堆怄程序中进行回怄。一方面补充堆怄对生物量的需要，一方面创造了厌氧生物自我驯化的环境，使沼气发生罐内的生物以甲烷菌为主，并且菌龄短有利提高沼气产出的效率。利用好氧生物有很强的吸附能力和氧化、水解能力，把大量好氧生物污泥进行回怄，并在堆怄初期引入有氧气体搅拌， 加速堆怄初期吸附、水解、氧化进程。堆怄进入厌氧期引入大量的厌氧生物污泥发生作用使被处理污水快速完成酸化、降解，好氧生物和厌氧生物在回怄过程中相互提供养料和生成发育环境，并得到消化和驯化，使总的污泥排出量减少。
`[0136]底泥和底液回流
[0137]在进一步的实施方式中，如上文针对多相分离所述的，底泥及底液可由例如尼可尼泵回输至多相分离前处理罐，作为厌氧泥水对污水进行厌氧污泥调节以改善前处理分离。其沉降性使污泥成为沉渣液组分部分，再次进入堆怄工艺实现回怄。
[0138]在本发明的实施方式中，在沼气发生步骤中，使用堆怄分解气体进行厌氧搅拌，经堆怄产生的熟料和多相分离装置分离出的粪便上清液进行混合，经高效沼气发生反应生成可以排放的无水沼气、沼气罐处理水，浮渣和污泥进行回怄处理，沼气发生反应使用热媒源，产生的热量进行热媒回流(见图10)。
[0139]4.生物脱氮除磷
[0140]装置
[0141]脱氮除磷装置包括配置装置和脱氮除磷设备(见图11)。配置装置内包含用于混合经多相分离装置分离的洗涤污水上清液和沼气罐处理水的预混合装置，还包括高压废气 I的流过通道。配置装置上设置有沼气罐处理水入口、洗涤污水上清液入口、高压废气I入口，以及沼气罐处理水和洗涤污水上清液混合液出口和前处理废气上口气体出口。脱氮除磷设备包括一个罐，或者包括串联的两个或多个罐，例如罐I和罐2，其上设置有沼气罐处理水和洗涤污水上清液混合液入口、高压废气I入口、氮气放空出口、清水排放出口、有机肥回收出口和污泥回怄出口。
[0142]在本发明的一个实施方式中，脱氮除磷设备包括罐I和罐2。其中，罐I由隔板垂直分割成3个室组成，包括浮游生物室、生物膜装置室和初淀滗水室。
[0143]浮游生物室体积为15m3，其中放入5m3的IcmX IcmX Icm方形泡沫塑料，下部安装强力气体搅拌器，并与生物膜装置室下部联通。上部与释放脱氮气体的装置联通，脱氮气体经放空管排空，方形泡沫塑料作为好氧生物在悬浮室中的载体，是浮游生物的浓度大大提高，比普通分散型浮游生物量提高8-10倍，约20-35g/L。而且在强力气体搅拌作用下，在室内作上下翻滚运动，与水体充分接触能均匀获得水中的溶解氧，使生物处理的效率得到提闻。
[0144]二次沉淀罐是脱氮除磷组合设备中的一个部件。脱氮除磷罐的出水含有一定量的 SS和漂浮污泥，必须经过二次沉淀后才能达到排放水力国家一级A的指标。
[0145]在本发明的一个实施方式中，采用与脱氮除磷罐相同规格的罐体设计成二次沉淀罐。罐体内有二隔板，分别形成二侧面为下沉室，中间为上升室，下沉室与上升室底部相通。 上升室的截面积为下沉室的4倍，二侧面下沉室上部为两个进水口，与脱氮除磷罐两个出水口相连。上升室上部为出水口，经沉淀后的出水自此排放。当水流缓慢下行到达底部时， 两段水流合并成一股水流开始向上流动，此时上升室内上升水流的速度，流速明显减慢，有利于沉淀。上升水流又经过采用一组半圆形管状反置而成的挡泥层，促使泥水分离。清水经半圆形管状挡泥层的间隙继续上升，污泥自由自重落下底部。水深设计超过
4.5米，泥水沉淀分离得到改善。半圆形管状挡泥层对来自上方部分继续沉淀的污泥，经半圆外部光滑圆弧面会自行下滑至底部。二次沉淀罐底部有一出口，用泵回流1/10进水量， 回流底泥和底液，与沼气发生罐输出的沼液合并进入脱氮除磷罐进行循环再处理。此时在底部出现两种相反流向，两种不同流速的现象。在本发明的一个实施方式中，上升室的截面为1.9M2，流量为Q上=Q-1/10Q。流速V上=Q x9/10xl/l.9=0.47Q ;底部向下出口 DN50截面为 0.002M2，经泵输出流量 Qs=IzlOQr1^OlVs=Q xl/10x 1/0.002=50Q。很明显，底部两种流速成100倍的关系，形成了一种新的动态分离沉淀设计。污泥的比重大于清水，会自行朝向流速高的方向流出。动态二次沉淀的方法，革新了传统的二次沉淀池的设计需要水体停留时间的要求，大大 缩小了二次沉淀设备的占地面积。同时彻底解决了二次沉淀中出现聚磷菌泥在水底停留时间长、因厌氧而再次释磷的问题。
[0146]方法
[0147]沼气罐处理水和洗涤污水上清液经配置装置的预混合装置混合后，进入脱氮除磷设备中，多相分离装置分离出的相对清洁的高压废气I用于脱氮处理的有氧搅拌。
[0148]处理水由上入口进入到浮游生物室，经底部向上行进入到生物膜装置室，生物膜装置室下部也安装一台强力气体搅拌器。由于生物膜载体的阻挡作用，此时的搅拌器产生的带超细气泡的水流只能向上运动。在生物膜表面形成切割作用的水力，并把氧带给生物膜。由于能有效通过生物膜，夹带气泡的水力，使生物膜脱落并向上排出，改善了生物新生代谢的环境，并允许生物膜载体的间距减小至10mm。生物膜载体由经编尼龙布制成垂直安装在可组装的单元箱体内，在现场将箱体安装在罐内，水体接触的生物膜表面的有效面积达到1800m2，其生物浓度可达250-300g/L，而且在处理过程中不会出现阻塞现象。好氧生物在反应过程中，吸氧生物反应实现主要依靠与水体接触的生物表面部分，其内部生物可以忽略不计。根据上述设计参数，在本发明的一日处理2000吨生活污水的实施方式中，2个强力气体搅拌器，采用1.5M3/小时的用气量，实际测量的处理后水的残余溶氧量> lppm。
[0149]脱氮除磷的好氧生物反应最佳温度为17_25°C，由于本发明的前置沼气发生罐输出的处理水温达35°C，与洗涤污水上清液合并的比例为1: 1.5，上清液水温变化范围与常温有关，约9-20°C，故合并后水温约在19-26°C之间变化，强力气体搅拌有使水温下降的作用，实际上正好满足了脱氮除磷反应的最佳温度。
[0150]经生物膜装置室处理后的水由上部溢出，进入初淀滗水室。吸附尚未消化的有机物的生物污泥沉在室底部，上口的清水由齿形滗水后流入二次沉淀罐，再次完成沉淀，向系统外排放。
[0151]罐2的剩余生物污泥经回怄途径输往堆怄罐，一方面，满足堆怄需要好氧生物量， 另一方面，即时把吸附的有机物一同带往堆怄，完成再次循环处理，降低了这些污染物在脱氮除磷和二次沉淀的工艺中停留时间。出水的品质化学好氧指标(CODcr)和生活耗氧量指标(BODs)可以达到CODcr ( 50mg/L,B0Ds ( 5mg/L,满足排放要求。脱氮除磷罐的好氧生物主要是兼氧反硝化菌和好氧聚磷菌为主的生物群组成。反硝化菌在好氧条件下还原硝酸盐氮，达到脱氮的目的。聚磷菌利用氧化自身碳源储存聚B-羟丁酸盐成污水中简单有机物 (如乙酸)获得能量从而摄取水中的磷酸盐，通过排出污泥方法将磷从水中除去。
[0152]当设备安装完成后，可由从正在运行污水处理厂采集新鲜的好氧污泥对脱氮除磷设备进行接种。接种后将设备的排除水接至进水口，进行循环运行，并予以气体搅拌，增加氧含量，以后逐步注入污水，排出清水，进行培养和挂膜。10-15天后，将污水进水接至沼气发生罐，并向沼气发生罐接种脱氮除磷产出的污泥，闷罐5天，然后把这个系统开启为正常运行状态。由于生物具有自我驯化、变异和繁殖能力，系统在运转2-3月之后达到完全正
堂
巾o`[0153]经过脱氮除磷步骤，沼气罐出水和洗涤污水上清液被彻底净化成为清水、有机肥和氮气排出(见图12)。
[0154]回沤
[0155]好氧生物具有较强的吸附能力，因此污泥中存在大量的好氧生物，将污泥的极大部分回怄，可以满足堆怄初期对于好氧生物量的需求，加速堆怄初期吸附效率，同时聚磷生物携带正磷酸盐物质在设备里循环可以络合重金属离子和有毒元素，把这些污染物带出设备。采用好氧生物污泥回怄工艺使污水处理效果好，污泥量少，磷循环利用可帮助有毒有害物质得到清除。
[0156]底泥回流
[0157]由于脱氮除磷工艺用双罐(A罐和B罐)串联，并通过回流水形成OAAO循环处理方法(由前置好氧生物处理、兼氧(缺氧)生物处理、厌氧生物处理及后置好氧生物处理组成的循环处理系统，缩写为0AA0，参见图17)，水流携带污泥引起A罐的底泥全部被带到B罐底部富集，一方面有大量的硝化菌出现在B罐好氧段，阻碍了 B罐聚磷菌的正常活动， 俗称硝化、反硝化与释磷、聚磷争夺碳源的现象出现；另一方面，在B罐排泥，实现除磷的同时，会连带排出相当数量的硝化和反硝化菌。为了改善这一状况，采用将B罐底泥和底液合并回流至A罐底部的方法。在本发明的一个实施方式中，回泥量设定为0.5T/h。经测定，实施回泥方式后，出水总氮指标甚至为0值。除磷的效果也得到了提高。说明实施回泥方式后菌种可以在不同区域里各司其职。在A罐区域里，回泥量帮助缺氧状态下，改善反硝化脱氮。回泥量中的聚磷菌在循环过程中，会多次交替在B罐的厌氧段和好氧段，完成释磷和聚磷，从而使除磷效果得到提高。
[0158]实施例
[0159]本领域普通技术人员知道，以下实施例仅是非限制性的，并不意图局限本发明。
[0160]综合处理生活污水和有机垃圾的试验选址、原污水来源和试验设备等
[0161]综合处理生活污水和有机垃圾的方法及其设备的试验的选址在上海市金山区亭林镇亭枫公路1918号，试验用原污水为附近企业生活污水，主要由食堂排放污水和厕所化粪池排放污水组成。水量为200-250T/d，原污水特性为:高C0D，高T/P，高SS。试验设备处理能力设计为300T/d，本发明的设备采用缩小型方式设计，罐体直径为2.2M，占地面积为 17m x8m。组成系统的设备配置见表1。
[0162]表1
[0163]
【权利要求】
1.一种用于分离生活污水的多相分离装置，其特征在于包括生活污水进水口、砂石分离室、砂石排出口、由异形格栅和分离耙组成的自动分离格栅机、格栅分离物出口、上浮液室和上清液室，以及任选的上清液水量调节罐，所述上清液水量调节罐与上清液室相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述砂石分离室包括一斜坡。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述斜坡与水平的夹角不小于30度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述上浮液室的中部设置有微气泡发生装置和/或污泥调节释放器。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述上浮液室和上清液室之间由一垂直隔板将二室分隔，二室底部相通。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述上清液室的容积不小于上浮液室的容积。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述上清液室是上浮液室容积的3倍。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述异形格栅包括竖直段、圆弧段和倾斜段。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述格栅间隙小于4mm。
10.一种多相分离生活污水的方法，包括步骤:a.利用斜坡法将生活污水中的砂石分离开；b.经异形格栅分离出格栅分离物；c.污水垂直下流，利用微气泡发生装置产生的微小气泡吸附悬浮物质，使之上升，并排出上浮液，和/或利用污泥调节，吸附有机污染物，加速沉淀，比重较轻有机污染物形成上浮液，分离上升并排出上浮液；d.污水继续下行，在上浮液室和上清液室之间的垂直隔板下端改变方向向上行，进入上清液室，沉渣物留在底部，排出沉渣液；e.污水上行形成上清液，排出上清液。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，污水下行或上行的行程大于5米。
【文档编号】C02F9/08GK103496823SQ201310444457
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2010年11月4日 优先权日:2009年11月4日
【发明者】陆铭 申请人:大亚有限公司