用于培养好氧颗粒污泥的装置和系统以及培养好氧颗粒污泥的方法与流程

本发明涉及废水处理领域，尤其涉及一种用于培养好氧颗粒污泥的装置和系统以及培养好氧颗粒污泥的方法。

背景技术：

目前，普通的活性污泥法是应用最广泛的废水处理方法。但存在占地面积大，剩余污泥多而且沉降性能差，只能在低的容积负荷下运行，对冲击负荷敏感等缺点。好氧颗粒污泥是普通活性污泥在好氧条件下通过生物，物理以及化学的作用，通过自固定过程形成的生物聚合体，主要是由微生物细胞，胞外聚合物，无机盐和其他沉积物构成。与传统的活性污泥法相比，好氧颗粒污泥具有更密实紧凑的结构，较好的水力强度，更好的污泥沉降性，较高的生物量浓度和众多的生物种类(包括好氧，兼氧和厌氧微生物)，重新启动时间短等优点。致密的结构及较大的颗粒粒径，一方面能使反应器中保持较高的污泥浓度和容积负荷，从而可大大缩小甚至省去污泥二沉池，另一方面，在颗粒内部有传质限制的存在，能使颗粒内部维持一个相对较为稳定的微环境，因此对于冲击负荷以及含有较高浓度的毒性有机物质及较高浓度的重金属废水有高的耐受能力。好氧污泥颗粒化成为近年来应用于生物法处理废水工艺的热点生物技术。目前，好氧颗粒污泥广泛应用于城市污水的脱氮除磷，有毒废水及高浓度的工业废水的处理等等。

然而目前好氧颗粒污泥的培养技术的工程化应用还不成熟，好氧颗粒污泥不易形成，培养时间过长，稳定性差等缺点限制了好氧颗粒污泥在实际中的应用。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种培养好氧颗粒污泥的方法，能有效改善颗粒污泥的稳定性，并有效地去除有机废水中的有机物和氨氮物质，推动好氧颗粒污泥技术的工程化应用。

本发明的第二个目的在于提供一种用于培养好氧颗粒污泥的装置和系统。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种用于培养好氧颗粒污泥的装置，

包括：

反应器，反应器内部设置有用于将反应器内部分隔成升流区和降流区的分隔机构；

曝气机构，曝气机构设置在反应器内，且位于升流区的底部；

循环机构；循环机构包括循环泵和循环导管，循环导管连通于反应器内部，循环泵连接于循环导管，循环导管包括进水端和出水端，进水端和出水端均位于升流区，循环泵被配置成将循环导管的进水端处的液体经过循环导管泵送至出水端；且进水端的进水方向和出水端的出水方向的夹角为钝角。

在本发明较佳的实施例中，

循环导管包括第一导管和第二导管；

第一导管的一端连通于循环泵，第一导管水平延伸至升流区；第一导管的另一端为进水端，且至少位于升流区的部分设置成折角形；

第二导管的一端连通于循环泵，第二导管水平延伸至升流区；第二导管的另一端为出水端，且至少位于升流区的部分设置成折角形。

在本发明较佳的实施例中，

进水端和出水端位于升流区的同一侧；

进水端和出水端上下布置；或者

进水端和出水端中的一者靠近升流区的顶部，另一个靠近升流区的底部。

在本发明较佳的实施例中，

曝气机构包括检测机构、曝气头和气泵，曝气头设置于反应器内部，且曝气头通过管道连接于气泵，检测机构电连接于气泵。

在本发明较佳的实施例中，

用于培养好氧颗粒污泥的装置还包括调温机构，调温机构设置于反应器的外壁上。

一种用于培养好氧颗粒污泥的系统，包括上述的用于培养好氧颗粒污泥的装置；以及

控制机构；曝气机构和循环机构均电连接于控制机构；

其中，控制机构用于控制循环泵的打开或者关闭；以及控制曝气机构的曝气量。

一种采用上述的用于培养好氧颗粒污泥的装置进行培养好氧颗粒污泥的方法，包括曝气步骤，曝气步骤包括：

通过逐级控制曝气装置的曝气量，以逐渐增加进入到反应器内的废水中的溶解氧的浓度；根据溶解氧的浓度在升流区进行强制内循环；其中，当溶解氧的浓度在预设浓度范围内即处于微好氧期时，强制内循环的流量是进水流量的5倍-6倍；保持强制内循环流量不变，直到形成完全颗粒化的好氧颗粒污泥；然后，减小强制内循环的强度。

在本发明较佳的实施例中，

废水进入反应器内时，向反应器内投加强碱性阴离子交换树脂，促进污泥颗粒化。

在本发明较佳的实施例中，

运行周期4-5个小时，每个周期包括进水10-15分钟，曝气222-272分钟，沉降5-8分钟，出水3-5分钟。

在本发明较佳的实施例中，

在微好氧期，控制溶解氧的浓度0.7-0.9mg/l；

形成好氧颗粒污泥后，控制溶解氧至1.2-1.5mg/l；

完全实现颗粒化后，逐级提高溶解氧，且溶解氧的浓度4.0-5.0mg/l。

本发明的技术方案至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的用于培养好氧颗粒污泥的装置，通过设置循环机构，能够实现对反应器内部的升流区的废水进行强制内循环，从而在培养好氧颗粒污泥培养的过程中，与曝气装置相互配合，有利于好氧颗粒污泥的形成。

本发明实施例提供的用于培养好氧颗粒污泥的系统，包括上述的用于培养好氧颗粒污泥的装置以及控制机构。控制机构通过控制曝气机构和循环机构，对反应器内的升流区产生额外的强制内循环；同时通过逐级控制曝气机构的曝气量，实现微好氧-好氧梯度渐进式的曝气模式培养好氧颗粒污泥，有利于好氧颗粒污泥的形成。

本发明实施例提供的培养好氧颗粒污泥的方法，通过逐级控制曝气装置的曝气量，逐渐增加进入到反应器内的废水中的溶解氧的浓度,并根据溶解氧的浓度在升流区进行强制内循环。在微好氧期，控制强制内循环的流量为进水流量的5-6倍。此后，保持强制内循环流量不变，直到形成完全颗粒化的好氧颗粒污泥，然后，减小强制内循环的强度。采用该方法，不仅能够解决现有技术中好氧污泥培养不稳定的问题，提高培养效果；而且能够有效地去除有机废水中的有机物和氨氮物质，从而推动好氧颗粒污泥技术的工程化应用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中需要使用的附图作简单介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，不应被看作是对本发明范围的限制。对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，能够根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例1提供的用于培养好氧颗粒污泥的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的用于培养好氧颗粒污泥的系统的反应器内部循环导管排布示意图；

图3为本发明实施例2提供的用于培养好氧颗粒污泥的系统的反应器内部循环导管排布示意图；

图4为本发明实施例3提供的用于培养好氧颗粒污泥的系统的反应器内部循环导管排布示意图。

图中：100-用于培养好氧颗粒污泥的系统；110-反应器；111-外壁；112-内壁；113-套筒；120-进水口；121-进水蠕动泵；122-进水管；130-曝气机构；131-曝气头；132-气泵；133-气体流量计；140-出水口；141-电磁阀；150-循环机构；151-循环泵；152-循环导管；153-第一导管；154-第二导管；155-弯折部；160-控制机构；170-调温机构；171-水浴锅；172-水浴循环泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例1：

稳定性差是好氧颗粒工业化推广的最主要瓶颈。水力剪切力能够促进胞外聚合物的分泌，使细胞疏水性增强，从而有利于颗粒的聚集，是颗粒污泥形成最关键的影响因素之一。传统的颗粒污泥的粒径控制是通过不断加大曝气量，在曝气过程中靠所激发的液体传动提供高水力剪切力来实现的。但是高的曝气量意味着高的能量消耗，大大地增加了好氧颗粒污泥系统的运行成本,这成为好氧颗粒污泥技术工程化的一个瓶颈。同时，高的曝气量更易刺激细胞进行分解代谢，减少细胞产率，从而导致颗粒污泥的解体，沉降性能下降，出水水质恶化。因此，为了提高好氧颗粒的长期形态和结构的稳定性，进而保持反应器长期稳定的处理效果，需要采用新思路和新方法。

图1为本实施例提供的用于培养好氧颗粒污泥的系统100的结构示意图。请参照图1和图2，用于培养好氧颗粒污泥的系统100包括反应器110、进水口120、曝气机构130、出水口140、循环机构150以及控制机构160。

进一步地，反应器110内设置有用于将反应器110内部分隔成升流区和降流区的分隔机构。

具体地，在本实施例中，上述的分隔机构选择设置为套筒113。进一步地，上述的套筒113通过连接件固定连接于反应器110上。应理解，上述的连接件可以选择本领域常见的能够用于连接的零件。可选地，上述的连接件选择螺栓。进一步地，上述的连接件设置的具体位置是不限定的，可选地，上述的连接件设置在套筒113的外壁的中部位置，从而能够将套筒113固定连接于反应器110上。

应理解，在本发明其他可选的实施例中，上述的分隔机构选择设置为隔板。

进一步地，套筒113的顶端与反应器110顶端、反应器110内壁112均存在间隙。

反应器110是好氧颗粒污泥培养的场所。废水进入到该反应器110内部，好氧颗粒污泥对废水进行处理。

进一步地，进水口120设置在反应器110的底部，进水口120处设置有进水泵。可选地，进水泵选择进水蠕动泵121。进水蠕动泵121电连接于控制机构160。

进一步地，在进水口120处设置进水管122，将废水引入到套筒113内。该区域称为升流区，废水从升流区上升至套筒113顶部，从套筒113与反应器110的内壁112之间的间隙流向反应器110的底部。

通过控制机构160控制进水蠕动泵121的打开或者关闭，能够顺利地将废水池中的废水输送到该反应器110内，并且将上述的进水口120设置在反应器110的底部，使得废水从反应器110的底部进入，不断地向上移动，当到达该反应器110内部的顶端时，废水从反应器110内部的套筒113的顶端下落至反应器110的底部，在进水口120处水流的作用下，再次向反应器110的顶端移动，如此循环。在此过程中，废水在该反应器110内部的套筒113内形成升流区；在套筒113与反应器110的内壁112之间形成降流区。

在本发明一些可选的实施例中，上述的反应器110选择设置为圆筒形状，与该反应器110内部的套筒113形成双套筒结构。进一步优选地，该双套筒结构的高径比在11-15范围内，能够很好地形成好氧污泥颗粒。

在本发明其他可选的实施例中，上述的反应器110也可以选择设置为其他形状结构，可选地，长方体结构。

可选地，控制机构160选择设置为plc。

进一步地，循环机构150包括循环泵151和循环导管152，循环导管152连通于反应器110内部，循环泵151连接于循环导管152，循环导管152包括进水端和出水端，进水端和出水端均位于升流区，循环泵151被配置成将循环导管152的进水端处的液体经过循环导管152泵送至出水端；且进水端的进水方向和出水端的出水方向的夹角为钝角。

进一步地，循环导管152包括第一导管153和第二导管154；第一导管153的一端连通于循环泵151，第一导管153水平延伸至升流区；第一导管153的另一端为进水端，且至少位于升流区的部分设置成折角形；第二导管154的一端连通于循环泵151，第二导管154水平延伸至升流区；第二导管154的另一端为出水端，且至少位于升流区的部分设置成折角形。

进一步地，进水端和出水端位于升流区的同一侧；进水端和出水端上下布置；或者进水端和出水端中的一者靠近升流区的顶部，另一个靠近升流区的底部。

在本实施例中，第一导管153和第二导管154在同一个竖直平面内上下平行设置。且第一导管153和第二导管154位于升流区的部分设置成弯折部155。

通过采用这种外加的循环泵151及配套带折角的循环导管152来进一步增加反应器110内升流区的内循环强度，改变传统的气提式间歇反应器单一地通过曝气，使反应器110内外区形成压力差，导致泥水混合液在反应器110内部发生规则内循环流动，从而持续向颗粒施加液相剪切力的模式。同时，外加循环泵151以及折角形循环导管152也能在反应器110内部产生强度较高的二次流。二次流的形成原因是当次流(在液体流动中，当有使流体流动产生的偏离其主流方向的力，比如离心力，重力时，就会产生偏离流体主流方向的次流)有一定的规律存在于流场的时候。研究证明二次流可以明显增加颗粒的有效碰撞，有机械搅拌引起的恒定二次流场作用下形成的颗粒污泥要比无机械强化条件下形成的颗粒污泥更加密实，更好的沉降性能。

进一步地，曝气机构130设置在反应器110的底端。

进一步地，曝气机构130包括曝气头131和气泵132，气泵132电连接于控制机构160，曝气头131设置于反应器110内部，且曝气头131通过管道连接于气泵132。

进一步地，曝气机构130还包括检测机构，检测机构电连接于控制机构160。其中，检测机构用于检测进入反应器110的氧气含量，并将信息发送至控制机构160。

可选地，检测机构为气体流量计133，气体流量计133连接于气泵132，气泵132电连接于控制机构160。

通过采用控制机构160控制上述的曝气机构130，能够实时准确地监测反应器110的氧气含量，并及时将信息发送至控制机构160。进而，控制机构160能够控制曝气机构130按照预先设定的要求进行曝气，精确控制曝气量。

具体地，在本发明一些实施例中，该用于培养好氧颗粒污泥的系统100采用微好氧-好氧梯度渐进式曝气的模式。考虑到好氧颗粒污泥系统在运行后期颗粒污泥增长过快是造成颗粒污泥难以稳定运行的主要原因，因此在初始的微好氧阶段，配合外加的机械搅动所带来强力的内循环，形成好氧颗粒污泥，然后再逐级抬高曝气量和相应地减少机械作用所带来的内循环，控制好氧颗粒污泥的粒径增长速度的培养方式。这种培养模式能够有效改善颗粒污泥的稳定性，并有效地去除有机废水中的有机物和氨氮物质，推动好氧颗粒污泥技术的工程化应用。

进一步地，出水口140处设置有电控阀。可选地，电控阀选择电磁阀141。电磁阀141电连接于控制机构160。

通过控制机构160控制电磁阀141，进而打开或者关闭出水口140，对反应器110内部处理完成的水进行排放。

需要说明的是，上述的出水口140的个数是不限定的。上述的出水口140的个数可以选择设置为多个，进一步地，上述的多个出水口140的位置也是不限定的，可以根据实际的需要设置在反应器110适应的位置，从而能够更好地进行排水和取样。

进一步地，该用于培养好氧颗粒污泥的系统100还包括调温机构170，调温机构170设置于反应器110的外壁111上。

进一步地，调温机构170包括水浴锅171，水浴循环泵172、设置于反应器110的外壁111上的夹套以及水浴管道，水浴锅171和水浴循环泵172通过水浴管道连接，水浴管道连通于夹套。

进一步地，在本发明一些可选的实施例中，该调温机构170由电机及一台智能仪表共同控制。优选地，温度控制在25±2℃范围之间。从而能够保证培养好氧颗粒污泥所需的温度。

应理解，上述的智能仪表可以选择本领域常见的温度控制仪表。

进一步地，控制机构160控制整个用于培养好氧颗粒污泥的系统100内反应器110的进水，曝气，沉降和排水时间。从而使得整个用于培养好氧颗粒污泥的系统100在预设的时间下，采取按进水-曝气-沉降-排水的方式运行。

在本发明一些可选的实施例中，该用于培养好氧颗粒污泥的系统100的一个初始运行条件为：周期长为5小时，进水时间为15分钟，曝气时间为272分钟，沉降时间为8分钟，排水时间为5分钟。将接种污泥(svi90.3mg/l)投入到反应器110中，同时向反应器110一次性投加15.0g/l的强碱性阴离子交换树脂(d213，天津市津达正通环保科技有限公司)。运行过程中，采用梯度渐进式的曝气运行模式，在运行启动期，通过调节流量控制器将溶解氧控制在0.7-1.0mg/l,同时启动内循环，增加反应器110内水力剪切力，内循环流量是进水流量的5倍-6倍。

采用上述方式，经过17天的培养，反应器110里强碱性阴离子表面树脂颗粒即附着大量的生物膜，开始出现好氧颗粒污泥，然后保持内循环流量不变，提高溶解氧至1.4-1.7mg/l。至第79天，絮状好氧活性污泥全部变成了土黄色，以椭球状为主的好氧颗粒污泥，粒径在0.5-0.7mm,混合液悬浮固体浓度(mlss)为24.5g/l，污泥体积指数(svi)为20.03ml/g,然后，通过调节流量控制器逐级提高溶解氧,同时减少内循环的强度，在第122天，提高溶解氧至2.5-3.0mg/l，内循环流量降至进水流量的1.5倍-2倍，保持内循环流量固定，缓慢提高溶解氧浓度，反应器110运行8个月，溶解氧浓度仅增至4.0-5.0mg/l,颗粒污泥依然稳定存在，对进水cod的去除率稳定在95±3％及对氨氮去除率在96±2.5％之间。

实施例2：

请参照图3，本实施例提供一种用于培养好氧颗粒污泥的系统，其与实施例1提供一种用于培养好氧颗粒污泥的系统的结构基本相同，所不同之处在于，本实施例的循环导管在反应器110的设置方式不同。具体地，第一导管153和第二导管154在反应器110以及套筒113内部前后错开。

实施例3：

请参照图4，本实施例提供一种用于培养好氧颗粒污泥的系统，其与实施例1提供一种用于培养好氧颗粒污泥的系统的结构基本相同，所不同之处在于，本实施例的循环导管在反应器110的设置方式不同。具体地，第一导管153和第二导管154在反应器110以及套筒113内部不在同一竖直面平行。

实施例4：

本实施例提供一种用于培养好氧颗粒污泥的装置，其与实施例1提供一种用于培养好氧颗粒污泥的系统的结构基本相同，所不同之处在于，本实施例没有设置控制机构。曝气机构以及循环机构可以通过手动方式进行打开或者关闭。

实施例5：

本实施例提供一种培养好氧颗粒污泥的方法，包括曝气步骤，曝气步骤包括：

通过逐级控制曝气装置的曝气量，以逐渐增加进入到反应器内的废水中的溶解氧的浓度；根据溶解氧的浓度在升流区进行强制内循环；其中，当溶解氧的浓度在预设浓度范围内即处于微好氧期时，强制内循环的流量是进水流量的5倍-6倍；保持强制内循环流量不变，直到形成完全颗粒化的好氧颗粒污泥；然后，减小强制内循环的强度。

具体地，运行周期4-5个小时，每个周期包括进水10-15分钟，曝气222-272分钟，沉降5-8分钟，出水3-5分钟。用于培养好氧颗粒污泥的装置控制在恒定温度25±2℃范围。

进一步地，在用于培养好氧颗粒污泥的装置的启动时期，向用于培养好氧颗粒污泥的装置内，投加污泥颗粒化促进剂。

具体地，促进剂为强碱性阴离子交换树脂。强碱性阴离子交换树脂相对于传统的金属离子的颗粒污泥促进剂具有较大比表面积。因为细胞表面和胞外聚合物通常带负电荷，强阴离子交换树脂可以起到促进微生物固定化过程的作用。选强碱性阴离子交换树脂能够缩短好氧颗粒污泥的培养周期，降低进一步的后续处理的成本。

进一步地，在初始的微好氧阶段，利用用于培养好氧颗粒污泥的装置外部的机械作用在用于培养好氧颗粒污泥的装置内部的升流区产生额外的强制内循环。

进一步地，通过逐级抬高曝气量、并且减少强制内循环，控制好氧颗粒污泥的粒径增长速度。

具体地，强制内循环时，采用空气曝气，运行前期为微好氧，控制溶解氧的浓度0.7-0.9mg/l，内循环流量是进水流量的5倍-6倍。形成好氧颗粒污泥后，然后保持内循环流量不变，提高溶解氧至1.2-1.5mg/l。完全实现颗粒化后，逐级提高溶解氧,同时减少内循环的强度，反应器运行8个月，溶解氧浓度仅增至4.0-5.0mg/l,颗粒污泥依然稳定存在。

该培养好氧颗粒污泥的方法采用微好氧-好氧梯度渐进式曝气的模式。考虑到好氧颗粒污泥系统在运行后期颗粒污泥增长过快是造成颗粒污泥难以稳定运行的主要原因，因此本发明实施例采取在初始的微好氧阶段，配合外加的机械搅动，所带来强力的内循环，在强碱性阴离子表面树脂上形成好氧颗粒污泥，然后再逐级抬高曝气量和相应地减少机械作用所带来的内循环，控制好氧颗粒污泥的粒径增长速度的培养方式。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。