推流式竖向双循环工艺处理城市污水的装置及方法与流程

本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种推流式竖向双循环工艺处理城市污水的装置，本发明还涉及一种推流式竖向双循环工艺处理城市污水的方法。

背景技术：

随着社会发展和城市化进程的加快，城市污水排放量日益增加。据统计，仅2014年一季度我国城镇污水处理厂累计建成3622座，日处理污水能力1.53×10⁸m³，运行负荷率达79.9％。而城市污水处理是一个高耗能产业，资料显示城市污水处理厂平均电耗值达到0.285kWh/m³，总电量消耗占据污水厂运行费用的60％，所以降低污水处理能耗可以有效减少污水处理厂的运营成本，提高资金的利用效率。

国内外的城市污水处理主要采用活性污泥法，针对污水中氮磷含量高，污水处理厂多数采用A²/O工艺，其核心是厌氧反应池、缺氧反应池、好氧反应池，占地面积较大。其中好氧反应池需要大量的曝气，以供好氧微生物降解水中的有机物。据统计，污水厂中核心生化处理单元耗电量占整个工艺的50％-70％，主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵上，此处的内外回流泵作用是回流硝化液和污泥。活性污泥法中，曝气能耗约占总能耗的55.6％。

传统连续流工艺处理城市污水的流程如图1所示，城市污水从原水水箱1通过恒流泵2.1把污水稳定送入有效容积为168L的传统反应器1中，其外连接空气压缩机2.6，转子流量计2.7；曝气池出水依靠高度差进入竖流式沉淀池3，沉淀后出水经溢流堰3.1流出，沉淀池内设有排泥口3.2，污泥经回流泵3.3回流至曝气池曝气头2.4附近。

传统曝气方式多采用水平布置，曝气器分散在曝气池底部，气泡由曝气器出口开始上升，上升高度即为曝气器与水面的距离，路程相对较短，与污水接触的时间有限。因此存在氧转移效率较低，污水与气泡接触不充分等限制，同时流程较为复杂、内循环系统较多、投资和运行费用高，处理后的污水中氨氮等含量仍然较高。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种推流式竖向双循环工艺处理城市污水的装置，解决了现有技术中流程复杂、氨氮含量高、曝气能耗高的问题。

本发明还提供了一种推流式竖向双循环工艺处理城市污水的方法。

本发明所采用的技术方案是，推流式竖向双循环工艺处理城市污水的装置，包括依次连接设置的城市生活污水水箱、推流式竖向双循环曝气池、竖流式沉淀池，所述推流式竖向双循环曝气池出水口通过管道与竖流式沉淀池顶部中心进水口相连接，所述城市生活污水水箱与推流式竖向双循环曝气池的底部进水口相连接，所述城市生活污水水箱与推流式竖向双循环曝气池的底部进水口之间设置有进水泵所述推流式竖向双循环曝气池底部进水口设置有进水管，所述进水管一侧设置有污泥回流管，所述污泥回流管与竖流式沉淀池底部连通且污泥回流管上设置有污泥回流泵，所述推流式竖向双循环曝气池底部均匀设置有多个曝气管，多个所述曝气管尾端延伸至推流式竖向双循环曝气池外与空气泵连接，多个所述曝气管与空气泵之间设置有气体流量计，所述推流式竖向双循环曝气池中部设置有水平的导流板，所述导流板位于进水口一侧的前端封闭，所述导流板位于出水口一侧的末端与推流式竖向双循环曝气池内壁之间具有空隙，所述空隙内插有温度和溶解氧探头，所述温度和溶解氧探头延伸至推流式竖向双循环曝气池顶部外。

本发明的特征还在于，

进一步地，所述竖流式沉淀池上方一侧设置有溢流堰，所述竖流式沉淀池底部设置有排泥管。

进一步地，所述导流板的下表面设置有多个向上的三角形凹槽。

进一步地，所述空隙长度为推流式竖向双循环曝气池总长度的1/7。

本发明所采用的另一种技术方案是，推流式竖向双循环工艺处理城市污水的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，配置污泥

推流式竖向双循环曝气池污泥来源于城市污水处理厂曝气池，配制污泥浓度在3000-4000mg/L的污泥进行接种，闷曝2天后开始进水，进水量每天逐次增加使微生物逐渐适用，启动阶段结束，试验启动运行时间在1周左右；

步骤2，曝气准备

连续流运行控制参数，反应器内污泥浓度为3000-4000mg/L，同时开始连续曝气，溶解氧浓度控制在2.0-3.0mg/L，水力停留时间为12h，污泥回流比为100％；

步骤3，曝气过程

空气进入推流式竖向双循环曝气池后，被曝气管分割成小气泡开始上升，遇导流板阻挡沿着导流板横向运动，此时气泡带动液体上升，受阻挡后反射先下运动，进而形成循环流动，液体与气泡接触充分区域形成高氧区，中心及下部区域为低氧区；气泡运动至导流板末端后从空隙沿竖直方向上升，受到推流式竖向双循环曝气池顶部盖板的阻挡，同样沿着盖板横向运动，带动水流与固体填料区充分接触，因此形成了外围溶解氧浓度相对较高的中氧区及中心和底部的低氧区，最后气体从出口逃逸出水面；

在上述气泡运动过程中，同时开始推流式竖向双循环曝气池的进水口一侧进水，水流呈推流形式向推流式竖向双循环曝气池末端运动，因此，气泡在水平面上受到液体推流的带动作用，在切面上受导流板的阻挡形成上下两个方向的循环流动作用，在此两个方向上的共同作用下，构成了推流式竖向双循环反应；

在导流板与推流式竖向双循环曝气池底部之间溶解氧浓度自中心向外围逐渐升高，有机物降解主要发生在高氧区域，对于小分子有机物可以直接在此氧化成二氧化碳和水；对于分子结构复杂、难于生物降解的有机物可以在中氧或低氧区域完成酸化水解后被输送至此，继续完成氧化过程；缺氧和中氧区域的存在，为微生物反硝化提供了有利的条件，硝态氮和亚硝态氮可以在缺氧和中氧区域被反硝化去除，提高了曝气池同步硝化反硝化效率。

本发明的有益效果是：

(1)城市污水通过推流式竖向双循环曝气池底部进入，沿水流运动方向单侧曝气，气泡受挡板的阻挡形成水流循环，在结构上形成底部导流板以下区域，中心为低溶解氧，外围高氧区；两导流板之间区域为低溶解氧区，外侧为中溶解氧区。在同一推流式竖向双循环曝气池中形成的二个低溶解氧区，一个中氧区和一个高氧区。同时气泡受进水推流作用，沿推流式竖向双循环曝气池水平方向，向出水方向运动，形成了循环推流运动。推流式竖向双循环曝气池内微生物种类丰富，底部污泥受水流循环流动的冲击，提高了反应池的利用率5％-10％，减少了反应池的数量，减小反应池占地面积，降低了能源消耗，依靠推流式竖向双循环曝气池内水流流动进行搅拌，大大缩减了基建费用和运行费用。

(2)由曝气管喷出的气泡，经第一个导流板阻挡，先竖向运动再横向运动，溢出后再受第二块导流板的阻挡，再经过一次竖向运动和横向运动，同时在进水推流的作用下沿反应器水平方向运动，最后逃逸出水面。所以反应器的结构使气泡在污水中的滞留时间较长，行程增长，这使好氧微生物得到了更多的氧量，加大了氧的利用率，有机物去除率提高5％-10％，氨氮去除率提高10％-20％，总氮去除率提高20％-30％。

(3)普通的活性污泥法在曝气池内全程硝化反硝化较低，由于在曝气池内存在多个不同溶解氧梯度的区域，因此创造了一定的全程同步硝化反硝化条件，强化了污水中的有机物、氮、磷等的同步去除能力，相比传统曝气池同步硝化反硝化率提高10％-20％，同时无需硝化液回流过程，减少了基建投资和运行费用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统连续流工艺处理城市污水的流程图；

图2是本发明推流式竖向双循环工艺处理城市污水的装置结构示意图；

图3是本发明推流式竖向双循环工艺处理城市污水的装置的纵向示意图。

图中，1.城市生活污水水箱，2.推流式竖向双循环曝气池，3.竖流式沉淀池；

21.进水泵，22.进水管，23.温度和溶解氧探头，24.导流板，25.曝气管，26.污泥回流管，27.空气泵，28.气体流量计；

31.溢流堰，32.排泥管，33.污泥回流泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明推流式竖向双循环工艺处理城市污水的装置，如图2所示，包括依次连接设置的城市生活污水水箱1、推流式竖向双循环曝气池2、竖流式沉淀池3，所述推流式竖向双循环曝气池2顶部出水口通过管道与竖流式沉淀池3顶部中心进水口相连接，所述城市生活污水水箱1与推流式竖向双循环曝气池2的底部进水口相连接，所述城市生活污水水箱1与推流式竖向双循环曝气池2的底部进水口之间设置有进水泵21所述推流式竖向双循环曝气池2底部进水口设置有进水管22，所述进水管22一侧设置有污泥回流管26，所述污泥回流管26与竖流式沉淀池3底部连通且污泥回流管26上设置有污泥回流泵33，所述推流式竖向双循环曝气池2底部均匀设置有多个曝气管25，多个所述曝气管25尾端延伸至推流式竖向双循环曝气池2外与空气泵27连接，多个所述曝气管25与空气泵27之间设置有气体流量计28，所述推流式竖向双循环曝气池2中部设置有水平的导流板24，所述导流板24位于进水口一侧的前端封闭，所述导流板24位于出水口一侧的末端与推流式竖向双循环曝气池2内壁之间具有空隙，空隙长度根据实际曝气量设定，要求满足上升气泡及水流能够从空隙处流畅运动，不存在集气现象。所述空隙内插有温度和溶解氧探头23，所述温度和溶解氧探头23延伸至推流式竖向双循环曝气池2顶部外。

所述竖流式沉淀池3上方一侧设置有溢流堰31，所述竖流式沉淀池3底部设置有排泥管32。

所述导流板24的下表面设置有多个向上的三角形凹槽。

所述空隙长度为推流式竖向双循环曝气池2总长度的1/7。

本发明推流式竖向双循环工艺处理城市污水的方法，如图3所示，具体按照以下步骤进行：

步骤1，配置污泥

推流式竖向双循环曝气池2污泥来源于城市污水处理厂曝气池，配制污泥浓度在3000-4000mg/L的污泥进行接种，接近现有污水厂曝气池污泥浓度，便于进行升级改造,闷曝2天后开始进水，进水量每天逐次增加使微生物逐渐适用，准备时间在1周左右；

步骤2，曝气准备

推流式竖向双循环曝气池2内污泥浓度为3000-4000mg/L后，同时开始连续曝气，溶解氧浓度控制在2.0-3.0mg/L，水力停留时间为12h，污泥回流比为100％；

步骤3，曝气过程

空气进入推流式竖向双循环曝气池2后，被曝气管25分割成小气泡开始上升，遇导流板24阻挡沿着导流板横向运动，此时气泡带动液体上升，受阻挡后反射先下运动，进而形成循环流动，液体与气泡接触充分区域形成高氧区，中心及下部区域为低氧区；气泡运动至导流板24末端后从空隙沿竖直方向上升，受到推流式竖向双循环曝气池2顶部盖板的阻挡，同样沿着盖板横向运动，带动水流与固体填料区29充分接触，因此形成了外围溶解氧浓度相对较高的中氧区及中心和底部的低氧区，最后气体从出口逃逸出水面；

在上述气泡运动过程中，同时开始推流式竖向双循环曝气池2的进水口一侧进水，水流呈推流形式向推流式竖向双循环曝气池2末端运动，因此，气泡在水平面上受到液体推流的带动作用，在切面上受导流板24的阻挡形成上下两个方向的循环流动作用，在此两个方向上的共同作用下，构成了推流式竖向双循环反应；

在导流板24与推流式竖向双循环曝气池2底部之间溶解氧浓度自中心向外围逐渐升高，有机物降解主要发生在高氧区域，对于小分子有机物可以直接在此氧化成二氧化碳和水；对于分子结构复杂、难于生物降解的有机物可以在中氧或低氧区域完成酸化水解后被输送至此，继续完成氧化过程；缺氧和中氧区域的存在，为微生物反硝化提供了有利的条件，硝态氮和亚硝态氮可以在缺氧和中氧区域被反硝化去除，提高了曝气池同步硝化反硝化效率。

本发明推流式竖向双循环工艺处理城市污水的方法，城市污水从城市生活污水水箱1通过进水泵21、进水管22把污水中稳定送入有效容积为168L的推流式竖向双循环曝气池2中，推流式竖向双循环曝气池2内设有一块导流板24，导流板24沿曝气池水流方向，前段封闭，末端距壁面长度为推流式竖向双循环曝气池2总长度的1/7，导流板24水平放置，导流板2上设置有三角形的凹槽，以保证气泡被完全收集并导入导流板24上方空间；通过温度和溶解氧探头23在线监测变化水流变化，同时导流板24内侧有曝气管25，曝气管25外接空气泵27和气体流量计28；推流式竖向双循环曝气池2出水依靠高度差进入竖流式沉淀池3，沉淀后出水经溢流堰31流出，竖流式沉淀池3内设有排泥口32，污泥经回流泵33回流至推流式竖向双循环曝气池2前段。

本发明针对大中型城市即进水量大于10000立方米每天、污水碳氮比例大于6的废水，解决了现有技术中同步硝化反硝化能力低的问题，另设回流装置增加投资等问题，同时提高氧气利用率，降低曝气能耗。

实施例采用城市生活污水为原水，具体水质如下：COD浓度为200～300mg/L、NH₄-N浓度为12～15mg/L、TN浓度为15～20mg/L、TP浓度为4～6mg/L。实验系统如图2所示，推流式竖向双循环反应器由有机玻璃板制成，长0.7m、宽0.6m、高0.42m，有效水深为0.4m，有效容积为168L。

具体运行如下：

1)推流式竖向双循环曝气池2污泥来源于城市污水处理厂曝气池，配成污泥浓度为4000mg/L，试验正式运行前，把污泥培养1周，恢复其活性。

2)正常运行阶段：

①每天水力停留时间为12h，污泥龄为18d；

②整个工艺采用连续进水模式，进水流量为14L/h，污泥回流量比为100％，进水曝气同时进行，溶解氧控制在2.0mg/L，采用定期瞬时排泥控制反应器内污泥浓度。

③实验结果如下表1所示，

运行稳定后，传统曝气池出水COD浓度为20-40mg/L，平均去除率为86.25％；推流式竖向双循环曝气池2出水COD浓度为15.0～25.0mg/L、去除率保持在90％以上；两者对比NH₄-N去除率分别为80.14％和92.39％，TN为去除率分别为80.54％和90.50％、TP去除率均达到90％以上。推流式竖向双循环曝气池2污染物去除效率均在90％以上，且高于传统曝气池。溶解氧监测结果显示：达到出水溶解氧为2.0mg/l时，推流式竖向双循环曝气池2曝气量为0.13L/min，传统曝气池曝气量为0.15L/min，推流式竖向双循环曝气池2节约了曝气能耗。

表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。