一种污泥分层装置及其污水处理工艺的制作方法

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种新型的简易污泥分层装置及利用其进行污水处理的工艺。

背景技术：

活性污泥污水处理工艺，是利用活性污泥在污水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除污水中有机污染物的一种污水处理方法。自1912年英国的克拉克和盖奇于曼彻斯特的劳伦斯污水试验站发明并应用以来，活性污泥法目前已基本成熟并发展衍生出许多改良的工艺，其作为污水处理系统的主要二级处理方法，在世界范围内广泛应用于工业有机污水和城市生活污水的处理。

无论是传统的活性污泥法，还是改良的方法如氧化沟工艺、a/o工艺、sbr工艺、a2/o工艺等，其核心在于活性污泥的管控。活性污泥是污水中具有生命力的多种微生物类群组成的肉眼可见的絮绒物，主体生物是好氧微生物，其中又以细菌为主，同时还有酵母菌、霉菌、放线菌以及原生动物和后生动物等，它们共同构成一个平衡的生态系统，它可以将污水中的酚、氰等有机物进行吸附，然后进行氧化分解，把有机物最终转化成二氧化碳和水。典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成，其基本流程如图1如示：污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。从空气压缩机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，还使混合液处于剧烈搅动的状态，形悬浮状态。溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行：第一阶段，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物；第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供给自身的增殖繁衍。活性污泥反应的结果是，污水中有机污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中大部分作为接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度；增殖的微生物从系统中排出，称为“剩余污泥”。

活性污泥法的运行条件是：①废水中含有足够的可溶性易降解有机物；②混合液含有足够的溶解氧；③活性污泥在池内呈悬浮状态；④活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥，使混合液保持一定浓度的活性污泥；⑤无有毒有害的物质流入。

诸如中国专利文献cn103880169a中记载了一种利用提纯凹凸棒载体培养脱氮好氧颗粒污泥的方法，将城市污水处理厂好氧池的活性污泥作为种泥装入sbr中，反应器启动初期向sbr中一次性投加提纯凹凸棒，sbr反应器的运行方式为：进水—曝气—沉淀—排水，进行周期运行。此方案用于好氧脱氮颗粒污泥的培养和驯化。

中国专利文献cn104211179a中记载了一种生活污水处理装置，包括用于与化粪池排污口连接的进水阀，与进水阀连接的高位调节池，与高位调节池连接的跌水槽，位于跌水槽下方的集水槽，位于集水槽下方的兼氧反应池，与兼氧反应池连接的出水口；此方案利用水位落差自然完成生活污水跌水曝气增氧过程和搅拌功能；通过活性污泥厌氧、好氧菌群的分层悬浮载体固定，形成连续的厌氧-好氧反应体系，同步去除生活污水中的多种污染物。

中国专利文献cn201545741u中记载了一种间歇式外循环好氧颗粒污泥流化床，它包括形状为空心圆柱体的升流管(8)及圆筒状的降流管(9)，升流管(8)的内径大于降流管(9)的内径，降流管(9)的上下两端分别经连接管与升流管(8)的上部及下部相连通，升流管(8)的底部安装有微孔曝气器(5)，升流管(8)的外侧接有进水泵(1)和排水管(17)，其内腔有与排水管(17)相接的滗水器(12)。

中国专利文献cn202729878u中记载了一种活性污泥床反应处理装置，该装置包括三相分离器、气室观察窗、泥水界面计、泥水界面观察窗、溶解氧测定仪、污泥观察窗、微孔曝气管、气体流量计、气泵等。所述装置本体(5)内的底部设有进水管(6)、污泥回流管(17)、布水管(9)和微孔曝气管(10)，所述进水管(6)与污泥回流管(17)相互由外向内的平行对接与布水管(9)的立管垂直连接，所述进水管(6)上依次连接进水阀(6-1)、废水流量计(7)、泵出水阀(6-2)及废水提升泵(8)，所述回流管(17)上依次连接回流阀(17-1)、回流流量计(18)、泵出泥阀(17-2)及污泥回流泵(19)出口，所述布水管(9)之下方设有微孔曝气管(10)。

然而诸如专利文献中所记载的现有技术中公开的这些活性污泥法一般都容易出现如下缺陷：

1、污泥膨胀，即污泥含水量极高，不易沉降。这将造成污泥随水流出沉淀池，破坏水质，同时，污泥的流失使曝气池中污泥减少，整个过程逐渐失效;

2、增殖的微生物即剩余污泥需要从系统中不断的排出，处理成本大增;

3、污泥需要不断的大规模的回流循环，增加了能源消耗。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，为克服目前活性污泥法的上述种种缺陷，本发明人创造性地研制出一种污泥分层装置和污水处理工艺，将经曝气池处理后的含活性污泥颗粒的水引入其中进行清水与污泥、老化污泥与活性污泥的静置分离，上层的比重小的清水和老化污泥排至二沉池，下层的活性污泥直接排至曝气池。采用本发明的技术方案，可实现活性污泥不需助力的自行循环，并对活性污泥进行了有效的分离筛选，同时减少了污泥流失，也不产生大量剩余污泥需要处理。

具体的，本发明提供一种污泥分层装置，其特征在于：所述污泥分层装置的上部为一容器，容器下接一锥体，锥顶朝下，锥顶接一u型弯，该u型弯另一端形成为开口作为排泥口，在所述容器底部与所述锥体连接处设有进水口，在所述容器上部设有出水口，其中，污水连同污泥从所述进水口进入所述污泥分层装置，污泥颗粒沉降至所述锥体后经由所述u型弯从所述排泥口排出，静置分离后澄清的污水经由所述容器上部的出水口排出。

根据上述的污泥分层装置，其特征在于：所述容器可为任一形状的容器，优选方形或圆形筒体或其组合形状，最优选圆形筒体。

根据上述的污泥分层装置，其特征在于：所述锥体可为圆锥体或三角锥体，优选为圆锥体。

根据上述的污泥分层装置，其特征在于，本发明的污泥分层装置可安装于曝气池与二沉池之间，也可以安装在曝气池或二沉池内，做为优先方案，安装于曝气池中。

进一步地，本发明还提供一种利用本发明的污泥分层装置进行污水处理的工艺，其特征在于，将污水引入本发明所述的污泥分层装置中进行清水和污泥的分离，清水和比重较轻的老化污泥从所述出水口排出，而污泥经由所述u型弯从所述排泥口排出。

根据上述的污水处理的工艺，其特征在于，所述污水事先通过物理处理、调节池处理、厌氧池处理、曝气池等步骤处理后，引入本发明所述的污泥分层装置中。

根据上述的污水处理的工艺，其特征在于，本发明的污泥分层装置可安装于曝气池与二沉池之间，也可以安装在曝气池或二沉池内，做为优先方案，安装于曝气池中。

根据本发明，为使活性污泥颗粒能在本装置以及污水处理工艺中充分沉降，所述的污泥分层装置的各项尺寸参数指标优选达到如下设计要求：

1．通过测量，获得如下相关数据：

未曝气状态下（即该污泥分层装置内部）泥水混合物的密度ρ1；

曝气状态下（即该污泥分层装置外部）泥水混合物的密度ρ曝气；

沉淀状态下泥水混合物的密度ρ3；

沉淀状态下澄清污水密度ρ2；

活性污泥颗粒的密度ρp，粒径dp;

2．计算相关数据：

设容器上部出口流量为q2；正常运行时，所述污泥分层装置外液面比所述污泥分层装置内液面的高度差为h。分步计算：

2．1计算颗粒沉降速度（ut）

假设活性污泥颗粒沉降符合斯托克斯定律的层流区，则其颗粒沉降速度（ut）可按下式计算得出：

ut=dp^２（ρp－ρ1）g／１８μ

式中：dp、ρp、ρ1的定义如前文所述，g为重力常数，μ取值１.００５×１０^－３pa·s；

然后按下式反算雷诺数（ret）：

ret=dpρ1ut／μ（式中dp、ρ1的定义如前文所述，ut为活性污泥颗粒的沉降速度，μ取值１.００５×１０^－３pa·s）；

如果ret<2，处于层流区，则满足假设；

2．2计算分层装置进口流量（q1）和下部u型弯排泥出口流量（q3）：

按重力势能公式mgh=1/2mv²，(m为污泥质量、g为重力常数、v为进水口水流速度、h如前文所述)，计算得进水口水流速度v，然后进一步计算出进口流量（q1）和污泥口流量（q3）：

q1=v*a1，式中v为进水口水流速度、a1为分层装置进水口的截面积；

q3=q1-q2，式中q1为进口流量、q2为出口流量；

2．3计算分层装置尺寸

上层容器内水流速度v1=q2/a2，式中q2为出口流量、a2为分层装置上层容器的截面积；

为满足上层容器内的活性污泥颗粒能完全沉降，则上层容器内活性污泥颗粒的实际沉降速度ut-v1≥0，计算得出分层装置上层容器的截面积a2≥q2/ut;

取上层容器高度为h1，锥体高度取h2，

那么：要想从该装置底部的u型弯顺利出泥，至少需满足

ρ1g（h1+h2）+ρ3gh3=ρ曝气g（h1+h2+h3+h）关系式

其中：

ρ1——未曝气状态下（即该装置内部），泥水混合物的密度；

ρ3——u型弯内泥水混合物的密度；

ρ曝气——曝气状态下（即该装置外部），泥水混合物的密度；

h1——上层容器高度；

h2——椎体段高度；

h3——u型弯高度；

h——装置内外液面高度差；

计算得h3。

根据本发明，通过测量未曝气状态下该污泥分层装置内部的泥水混合物的密度ρ1、曝气状态下该污泥分层装置外部的泥水混合物的密度ρ曝气、沉淀状态下泥水混合物的密度ρ3、沉淀状态下澄清污水密度ρ2、活性污泥颗粒的密度ρp、粒径dp、该污泥分层装置内外液面高度差h、容器上部出水口流量q2，计算颗粒沉降速度ut、该污泥分层装置进口流量q1和下部u型弯出水口即排泥口流量q3，从而计算出该污泥分层装置尺寸，以确定活性污泥颗粒能够充分沉降。

根据本发明，取所述污泥分层装置上部的容器的直筒段高度为h1，锥体高度取h2，至少需满足关系式ρ1g（h1+h2）+ρ3gh3=ρ曝气g（h1+h2+h3+h），以确保从该污泥分层装置底部的u型弯顺利出泥，其中，ρ3为u型弯内泥水混合物的密度，h3为u型弯高度，h3由所述关系式计算得到。

由此可以看出，根据本发明，通过测量和计算得出该污泥分层装置尺寸参数，能够使得活性污泥颗粒在所述污泥分层装置中充分沉降，该尺寸参数的选择是本发明的进一步的发明要点之一，这些尺寸参数在该分层装置以及处理工艺的基础上进行精密计算和反复试验得出。如果不如此选择参数，沉降的效果将大打折扣，也可能导致装置不能顺利出泥，也就是说，这些参数的选择是依附于本申请所创造性的开发出的装置和工艺而做出，并非本领域的公知常识，更不是本领域技术人员很容易想到的尺寸参数，本领域技术人员应该懂得这一点。

如上所述，本发明的技术方案简单实用，具有很好的效果：

根据本发明，可以对老化污泥和活性污泥进行有效的分离筛选，污泥膨胀现象大大减轻，保证了活性污泥的质量。

根据本发明，实现活性污泥不需助力的自行循环，无需如现有技术中需要大规模的回流循环，节约了大量的能源。

根据本发明，活性污泥相当于实现了在曝气池中的内循环，减少了污泥流失。

根据本发明，不产生大量剩余污泥需要处理，无需将增殖的微生物即剩余污泥从系统中不断的排出，节省了处理费用。

附图说明

图1为活性污泥法基本流程图；

图2为示出本发明的污泥分层装置的示意图。

具体实施方式

本发明下面将参照附图结合具体实施例作进一步详细说明。本领域技术人员应当懂得，本申请并不仅限于该具体实施例中，以下实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明的限定。

图2为示出本发明的污泥分层装置的示意图。

本发明所述污泥分层装置包括位于上部的容器2，容器下接一锥体4，锥顶朝下，锥顶接一u型弯，该u型弯另一端形成为开口作为排泥口5，在所述容器底部与所述锥体连接处设有进水口1，在所述容器上部设有出水口3，其中，污水连同污泥从所述进水口1进入所述污泥分层装置，污泥颗粒沉降至所述锥体4后经由所述u型弯从所述排泥口5排出，静置分离后澄清的污水经由所述容器上部的出水口3排出。

其中，所述容器2可为任一形状的容器，优选方形或圆形筒体或其组合形状，最优选圆形筒体。

其中，所述锥体4可为圆锥体或三角锥体，优选为圆锥体。

其中，本发明的污泥分层装置可安装于曝气池与二沉池之间，也可以安装在曝气池或二沉池内，做为优先方案，安装于曝气池中。

操作时，所述污水连同活性污泥一起，事先通过常规的物理处理、调节池处理、厌氧池处理、曝气池等步骤处理后，引入本发明所述的污泥分层装置中，将污水引入本发明所述的污泥分层装置中进行清水和污泥的分离，清水和比重较轻的老化污泥从所述出水口排出至二沉池，而污泥经由所述u型弯从所述排泥口重新排出至曝气池中。

实施例

湖北鸿鑫化工有限公司50m3/d污水处理系统采用如下改进方法，此前未采用本发明的污泥分层装置，曝气池处理污水直接经滗水槽排至二沉池，二沉池污泥经泵与曝气池循环，多余污泥排至污泥池处理。

本实施例的污泥分层装置，上部为一圆形筒体，圆形筒体下接一圆锥体，筒体内径d=1400mm，直筒段高度h1=1m，锥体高度h2=1m。圆锥顶接一u型弯，u型弯高度h3=1m。在圆形筒体底部与圆锥体连接处设有进水口，在圆形筒体上部设有出水口。筒体进水口和上部出水口为dn100管道，u型弯为dn150管道。

该污泥分层装置置于曝气池中，其外液面比内液面高h=0.02m，筒体上部出口流量q2=3.25m3/h。将曝气池的滗水槽隔断，分为二部，分别连接本装置的筒体进水口和上部出水口。

操作时，污水连同活性污泥的混合液一起从圆筒体进水口进入；污水进入该装置后，由于该装置内部未曝气，活性污泥颗粒开始沉降至锥体后经u型弯重新排入曝气池中；澄清的污水经由圆筒体上部排出至二沉池。

实施本发明前后污水处理效果对比数据：

从上表的对比数据可以看出，采用本申请的污泥分层装置和污水处理工艺之后，污水处理效率基本相同。然而，采用本发明的技术方案后却明显得到较好的如下效果：可以对老化污泥和活性污泥进行有效的分离筛选，保证了活性污泥的质量；实现活性污泥不需助力的自行循环，节约了大量的能源；活性污泥相当于实现了在曝气池中的内循环，减少了污泥流失；不产生大量剩余污泥需要处理，节省了处理费用。

需要强调的是，尺寸参数如此设置，能够使得活性污泥颗粒在所述污泥分层装置中充分沉降，该尺寸参数的选择是本发明的进一步的发明要点之一，这些尺寸参数是本申请团队通过刻苦钻研在创造性设计出该分层装置以及处理工艺的基础上进行精密计算而反复试验得出。本领域技术人员懂得，这些参数的选择并非一蹴而就，而是花费巨大的精力和身体上的代价所得到的优选参数，如果不如此选择参数，沉降的效果将大打折扣，也就是说，这些参数的选择是依附于本申请所创造性的开发出的装置和工艺而做出，并非本领域的公知常识，更不是本领域技术人员很容易想到的尺寸参数。

综上所述，参照附图结合具体实施例对本申请作出了详细的说明，然而这些说明是示例性的，本领域技术人员能够在其教导下作出各种修饰和变更，应当懂得，只要不脱离本发明宗旨和精神的各种修饰和变更均应当落入本申请的范围之内，本申请的保护范围由所附权利要求书限定。