平垂扰流（PVFL）流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备的制作方法

本发明属污水处理技术领域，提供一种平垂扰流(pvfl)流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备。

背景技术：

污泥是污水处理工艺中的世界难题。污泥处理设备投资占水处理工艺中的46％～60％，但是仍然无法彻底解决污泥的恶臭、有害有毒化学品、重金属和放射性元素等难题，仍然无法彻底解决其排放对自然环境的“二次污染”问题，仍然无法彻底解决污水处理资源高值化再利用问题。

本发明根据平面层流与垂直流动的交错搅动流态pvfl的扰流机理，通过设备的迷宫结构实现了pvfl；结合我国特色食泥菌种的生物水处理技术，可以实现生物菌种在厌氧、喜氧和富氧的“迷宫”中“自养生息”的环境下“愉快”食泥；根据鱼鳃过滤原理，仿生设计功能分子腮的“集水自压”式超滤系统，可以使外排放的水质达到甚至超过“膜”过滤工艺水平，从而实现投资大幅度地降低，使污水处理达到“可饮用”的高标准。目前通过实施环境友好示范工程，预示该项技术在煤化工、页岩油气压裂(钻井)、石油化工、军事野战营地、旅游房车营地和环保污水处理具有广泛的应用市场和很好的经济效益。

技术实现要素：

根据平面层流与垂直流动的交错搅动流态pvfl的扰流机理，本发明提供一种平垂扰流(pvfl)流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备。为实现上述目的，具体技术方案如下：

所述的平垂扰流(pvfl)流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备，其污水生化处理的流态模拟优化技术包括物理模拟实验和数值模拟优化计算方法。具体方法如下：

生化水处理需氧量数学模型

(1)水体中的溶解氧：水有溶解氧气的能力，单位体积水中所溶解氧气的数量(毫克/升，mg/l)称为溶解氧，以do表示(dissolvedoxygen的缩写形式)，它是衡量水质的一个重要参数。在一定温度和压力下水能溶解氧气的最大值称为饱和溶解氧，以cs表示，饱和溶解氧的大小与温度和压力等有关。水温越低，cs越大；在同一温度下，饱和溶解氧随水压力增大而增大。正常大气压下饱和溶解氧可按下式计算：

cs＝14.652-41.0222x10^-4t²-77.77x10^-6t³

其中:t为水温。

当水中溶解氧的实际值低于饱和值时，大气中的氧就会溶于水中。在正常情况下，清洁的地表水中溶解氧接近饱和状态。水中溶解氧是维持水生生态平衡和有机物进行分解的条件。

(2)生化需氧量：所有的污水处理中都有微生物，当有机污染物排入水体时，要被微生物分解为简单的元素，在此过程中要消耗水体中的溶解氧，这种因生物化学降解作用而消耗的溶解氧量称为生化需氧量，以bod(biochemicaloxygendemand)表示。它是测定某一数量有机物对水体潜在污染能力的一个最常用的参数。bod值越高，说明水中有机物含量越多。因此bod值可以反映水体受有机物污染的程度。

各种有机物经过完全的生物化学分解需要的时间一般较长，目前统一规定把20℃水温下通过5天生化作用消耗的氧气作为度量标准，故称5日生化需氧量，以毫克/升计。水体的有机物的生化分解是持续进行的，bod随时间而减少的速率，由大量试验证明可用下式表达为dl/dt＝-k1l，其中：l为任意时刻的bod；k1为耗氧系数。

耗氧系数反映生化分解的速率，其数值随温度增高而加大，温度为t时的耗氧系数kt(t)与温度为20℃时的耗氧系数kt(20)之间的关系为:

kt(t)＝kt(20)x1.047^t-20

pvfl流态物理模拟实验

(1)实验装置

pvfl流态物理模拟实验原理和装置设计见图1。

(2)基于pvfl流态组合的水处理工艺实验

根据示踪剂脉冲响应法试验所取得的试验数据，绘制出c-b的曲线如图2所示，对应的水力特性参数见表1。

示踪试验为清水试验，反应器死区指水力死区，是由于反应器内部结构造成的。从试验结果可以看出，反应器改进前死区率为33.54％和37.42％，改进后死区率明显减小，为7.57％16.19％，再次证明反应器改进对于水力特性的优化作用。从表1还可以看出，改进后，hrt对反应器死区影响显著，死区率随hrt的增加而增加，说明增加水力负荷可以减小反应器内的死区，提高反应器的有效容积。

表1：不同流态下的水力特性参数

pvfl流态数学模型和数值模拟优化计算

实验装置中流体为不可压缩流体，因此反应器的流动模型应选用湍流模型进行模拟。其控制方程组如下:

连续方程：

动量方程：

μeff-有效粘滞系数；

μt-湍流粘滞系数；

其中：μ-层流粘滞系数；

式中：cμ-平均流速梯度产生的湍流动能。

紊动动能k方程

其中，gk为紊动动能的产生项，

紊动能耗散率ε方程

其中，

式中参数eij表示时均应变率。以上方程共同组成了标准k-b模型的封闭方程组，模型中的常用参数取值见表2。

表2：k-b模型中的常数取值

另外，在壁面附近需要采用标准壁函数对近壁面流速进行修正：

式中：

up-近壁网格点p上的速度；

u*-摩阻流速；

yp-p点到避面的距离；

κ-vonkarman常数，常取0.42；

e-经验常数，常取9.8；

δb-糙率涵数，其中cks为粗糙度常数，取0.5；ks⁺为粗糙高度，常取值为0.009。

所述的平垂扰流(pvfl)流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备，其生物喜食泥菌种的培育和筛选标准为生物菌种在厌氧、喜氧和富氧的“迷宫”中“自养生息”的环境下“愉快”食泥，实现该环境的pvfl水处理工艺和流程设计了不同于传统a²o工艺的混合液和污泥回流，其反应流程(图3、4)如下：

(1)污水收集经过预处理阶段后，进入pvfl组合池。

(2)组合池最前端是1区——厌氧、缺氧区(平垂扰流迷宫verticalflowlabyrinth结构)。在这个区内置竖向导流板，将厌氧区和缺氧区隔成若干个串联竖向流的反应室，污水通过重力流从第一格到最后一格上下翻腾流动。污水从1区最后一格上部流入2区。

(3)2区是好氧区，好氧区池底配有膜式微孔曝气器，向池内好氧微生物提供氧气。

(4)3区是沉淀区，在好氧区和沉淀区分隔板的下部设过水缝隙，好氧区的混合液从缝隙进入沉淀区泥斗中部，然后由下向上流动，随着沉淀区面积由下至上越来越大，水流流速渐缓，污泥沉降下来，水穿过下沉的污泥层向上，上清液直至不锈钢排水槽收集后排放。

(5)沉淀区每个泥斗底部都设污泥回流管，沉淀下来的污泥不断通过回流被输送到前面的反应区。

所述平垂扰流(pvfl)流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备，其超滤功能分子腮过滤系统为仿生设计，图5为其原理。该分子腮超滤系统能够使外排水质达到甚至超过“膜”过滤工艺水平，使污水处理达到“可饮用”标准。

所述平垂扰流(pvfl)流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备，为实现平垂扰流pvfl流态，设备的结构为八卦六宫结构设计(见图6)。

如权利要求1所述平垂扰流(pvfl)流态与污水生化处理关键技术和成套工程装备，水处理成套工程装备为机电一体化智能控制系统(见图7)，装备运行能够实现无人值守、远程监控和自动化运行。

附图说明

图1：水处理物理模拟实验原理和装置设计

图2：不同流态生物c-b图

图3：pvfl水处理工池分区和流程示意图(备注：1区-厌氧、缺氧区-垂直流迷流宫结构；2区-好氧区；3区-沉淀区；4-内部循环；5-污泥回流；6-管式微孔曝气器；7-排水槽)

图4：pvfl水处理工艺系统流程

图5：集水自压仿生分子腮超滤系统结构设计(备注：1.集水式圆形过滤器；2一级过滤网:水从过滤网进入砂砾石，再过二级和三级过滤网进入集水箱；3.隔水保温层:内外两层间设保温材料；4.粗砂子，起过滤作用；5.三级过滤网；6.盖子；7.排污阀；8.排气阀；9.合页；10.鳃过滤器；11.进水滤管；12过滤网；13.活动叶；14.支架；15.车由头；16.刷子；17.滤网；18摆动轴；19.固定支架(可仲缩)；20.旋桨；21.转动轴(旋奖带动旋转轴)；22.摇摆轴(可仲缩)；23.出水管连接管；24.排污孔)

图6：pvfl水处理撬装设备的八卦六宫结构设计图

图7：pvfl水处理装备智能控制系统

图8：pvfl水处理撬装设备外观

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

pvfl污水生化处理机电一体化智能装备的远程无人值守自动化控制系统界面见图7。

实施例1：根据pvfl流态模拟优化研究，设计八卦六宫设备结构，研制的设备外形见图8。