一种混合床生化处理装置及污水处理方法与流程

本发明涉及污水处理技术领域，更具体地说，它涉及一种混合床生化处理装置及污水处理方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，废水排放量随之与日俱增，对我国生态环境和水资源的破坏也日渐显现。为了进一步保护生态环境和水资源，我国的环保法规日趋严格，对各大小污水处理厂（站）的cod、氨氮、总氮和总磷等目标污染物的控制要求也越来越高。生化法是各大小污水处理厂（站）中最常用的公认的相对经济的主要处理方法，主要包括，以ao、a2o工艺及其改良工艺，氧化沟，cass工艺，sbr工艺等为代表的传统活性污泥法，和以曝气生物滤池（简称baf）、生物接触氧化法及移动床生物膜反应器（简称mbbr）为代表的生物膜法，以及以膜生物反应器（简称mbr）为代表的高浓度活性污泥法。

为了提高处理效率和稳定性，普遍的思路是提高生化池的容积负荷，而提高生化池容积负荷的有效做法通常是提高污泥浓度或微生物量。对于现有传统活性污泥法提高污泥浓度后，对其后续沉淀环节的正常运行存在着很大的考验，一般难以持续的稳定运行；对于现有生物膜法，一般较高的填料填充率通常为30%左右，为了进一步提高微生物量，一方面依靠提高悬浮污泥浓度，会产生与传统活性污泥法相同的问题，另一方面则依靠改进填料，不断地追求增大填料的比表面积，但是增大的比表面积的有效利用率其实并不高，很容易被生物膜堵塞，影响传质，使得后期的实际效率受到影响；对于mbr工艺，虽然可以做到较高的污泥浓度，但是其自身回流的特点决定了其缺氧区的污泥浓度要低于好氧区的污泥浓度，要进一步提高缺氧区的污泥浓度，就必须进一步提高好氧区的污泥浓度，更高的好氧区污泥浓度又会增加膜污堵的风险，缩短化学清洗周期，甚至出现过早更换膜组件的问题。

技术实现要素：

综合现有生化工艺方法的优缺点，本发明人根据多年从事水处理的生产设计经验，开发出一种混合床生化处理装置及污水处理方法，其能够更加有效地提高生化池的污泥浓度和微生物总量，从而可以大大减小生化反应器的容积和停留时间，并有效降低运行能耗和提高稳定性，同时节约占地和投资；而且，可以针对进水水质特点和出水排放要求，灵活地有针对性的提高缺氧区和好氧区的污泥浓度和微生物量，并使两个功能分区的污泥浓度和微生物量不存在依赖关系，相互独立。

具体地，本发明提供了如下技术方案：一种混合床生化处理装置，包括壳体，所述壳体下部连通有进水管，顶部连通有出水管；所述壳体内部设有污水处理区，壳体的上部连通有排泥管；所述污水处理区内自下而上设有第一处理单元和第二处理单元，第一处理单元包括至少一个缺氧区或者包括至少一个缺氧区和至少一个厌氧区，所述第二处理单元包括至少一个好氧区；所述污水处理区的第一处理单元、第二处理单元内分别设有第一分散式微重填料和第二分散式微轻填料，所述污水处理区的顶部设置有用于分离填料的分离筛网；所述第一处理单元内底部设有用于冲洗的第一充气装置，所述第二处理单元底部设有在污水处理时用于曝气的第二充气装置。

进一步，所述第一分散式微重填料的密度为污水密度的1.00~1.65倍，所述第二分散式微轻填料的密度为污水密度的0.65~1.00倍。

进一步，所述第一分散式微重填料和第二分散式微轻填料分别为均一、规则形状的实体，最大直线尺寸不小于5mm，例如可以为5～300mm；，比表面积不小于300m²/m³，例如可以为300～2000m²/m³；所述第二分散式微轻填料的填充量使得在污水流过时所述第二分散式微轻填料分散到第二处理单元时所占体积总和不低于所述第二处理单元容积的30%，所述第一分散式微重填料的填充量使得在污水流过时第一分散式微重填料堆叠到第一处理单元时所占体积总和不低于所述第一处理单元容积的50%，且第一分散式微重填料和第二分散式微轻填料的填充体积总和不高于污水处理区总容积的90%。

所述壳体的任意横截面为圆形，或者正n边形且n≥4，或者矩形。

进一步，所述壳体内设有将壳体内部分隔形成所述污水处理区以及位于污水处理区上部外围的沉淀池的喇叭形隔离筒，喇叭形隔离筒底端外缘与壳体内壁相连，喇叭形隔离筒的喇叭口朝向壳体底部；分离筛网设在喇叭形隔离筒内且其边缘与喇叭形隔离筒内壁相连。

更进一步，喇叭形隔离筒上部同轴线套设有喇叭形导流筒，所述喇叭形导流筒的喇叭口朝向壳体底部，所述喇叭形导流筒顶端高于所述喇叭形隔离筒的顶端，所述喇叭形导流筒底端高于沉淀池的底部；所述喇叭形导流筒内壁与所述喇叭形隔离筒外壁之间形成环形流道；所述喇叭形隔离筒和所述喇叭形导流筒的任意横截面分别为圆形，或者正n边形且n≥4，或者矩形。

进一步，所述沉淀池上部设有出水收集槽，所述出水收集槽与出水管连通；排泥管连接在沉淀池的底部；沉淀池的底部还连通有与进水管连通的回流管。

进一步，所述壳体对应于所述沉淀池底部以上部分的截面几何尺寸大于其对应于所述沉淀池底部的截面几何尺寸。

本发明提供的污水处理方法，包括以下步骤：

使污水通过进水管自所述第一处理单元底部进入污水处理区，向上先后流经由所述第一分散式微重填料堆叠于第一处理单元所形成的床层及由所述第二分散式微轻填料悬浮于第二处理单元所形成的床层，期间，开启第二充气装置，关闭第一充气装置；使经过好氧区床层生化、过滤处理后的污水自所述第二处理单元顶部流出，等进水量的污水由壳体顶部的所述出水管排出，另一部分污水通过回流管与进水管中的污水混合后返回污水处理区；当需要排泥时，关闭第二充气装置，开启第一充气装置，冲洗堆叠于第一处理单元内的第一分散式微重填料和悬浮于第二处理单元内的第二分散式微轻填料，使所述污水处理区呈流化状态，使所述第一分散式微重填料和第二分散式微轻填料上的生物膜经磨擦部分脱落，同时使第一分散式微重填料和第二分散式微轻填料间隙内的絮体活性污泥随污水流过污水处理区并由所述排泥管排出。

进一步地，所述第一充气装置的曝气强度不低于3m³/（m²·h），优选为4~10m³/（m²·h），使得第一、二处理单元内的第一分散式微重填料、第二分散式微轻填料达到流化状态。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本方案采用两种密度不同的第一分散式微重填料和第二分散式微轻填料，相比于传统方法，填料的总填充量增大，而且在运行过程中不同比重的填料可以有针对性地自动置于好氧区和缺氧区或厌氧区，使得每个功能分区都具有相对较高的填料填充量，有效提高每个功能分区的比表面积和床层空隙，有利于强化每个功能分区的处理功能。

2、采用本方案进行的污水处理方法兼具活性污泥与生物膜法两者的优点，而且污泥浓度高、微生物量大、生物相丰富，而且能够保证微生物的活性，具备同池去碳、脱氮、除磷的优质环境，出水更加优质、稳定、可靠。

3、由于污泥浓度和微生物量大，可以大大提高生化反应器的容积负荷，进而减小装置的容积，所以能够大大降低基建成本。

4、结构布置上，由于厌氧、缺氧、好氧和沉淀区域在同一壳体内竖向布置，可大大节省占地面积，提高土地使用率。

5、好氧区所形成的漂浮床层，可以大大延长气泡在水中的停留时间，进而提高了曝气风量中氧的利用率，所以能够有效减少曝气风量，降低运行成本。

6、由于床层空隙率高，所以床层的阻力损失小，不易堵塞。

7、由于污水处理区的第一、二处理单元分别采用第一分散式微重填料和第二分散式微轻填料，所以在反洗时，需要的能耗低，而且反洗能够使整个床层流化起来，反洗效果彻底。

8、由于床层的存在，水流在床层空隙内不断改变方向，惯性碰撞活性污泥和生物膜，这样的水力条件更有利于污染物的传质。

9、由于第一处理单元内床层的立体支撑作用，使得活性污泥絮体沉淀在上面，而不会沉积在池底因被压实脱水而失去活性，所以即使污泥浓度高，仍然可以保持污泥活性。

10、由于床层污泥浓度高、微生物量大，能够有效降低污泥的有机负荷，使得整个反应器的抗冲击性比传统工艺强很多。

11、由于床层污泥浓度高、微生物量大，污泥负荷的降低，能够使得反应器的污泥产量大大降低，节约后续污泥处理处置的费用，甚至出现污泥自身水解提供碳源的现象。

附图说明

图1是本发明提供的一种混合床生化处理装置的实施例1的结构示意图；

图2是本发明提供的一种混合床生化处理装置的实施例2的结构示意图；

图3是本发明提供的一种混合床生化处理装置的实施例3的结构示意图。

附图标记：

1、第一处理单元；2、第二处理单元；3、沉淀池；10、缺氧区；11、布水装置；12、第一充气装置；13、进水管；14、第一进气管道；15、放空管；16、第一分散式微重填料；20、好氧区；21、喇叭形隔离筒；211、分离筛网；22、第二充气装置；23、第二进气管道；24、第二分散式微轻填料；31、喇叭形导流筒；311、圆筒部；312、扩口部；32、环形流道；33、出水收集装置；34、出水管；35、回流管；36、排泥管；361、排泥收集装置；310、回流泵；100、壳体；200、污水处理区。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提供的一种混合床生化处理装置包括壳体100，壳体100内设置有污水处理区200。

本发明中，所述壳体100的横截面可以为圆形，或者正n边形，且n≥4，或者矩形。实施例中均以壳体100的横截面为圆形来说明本发明，但这不构成对本发明的限制。

所述壳体100下部连通有进水管13，污水处理区200内下部设有与进水管13连通的布水装置11，如常用的布水器。壳体100顶部设置有出水收集装置33，出水收集装置33连通有出水管34。

为实现不同的处理效果，污水处理区200内可设置不同的污水处理单元。本实施例中，污水处理区200内自下而上设有第一处理单元1和第二处理单元2。第一处理单元1内可以包括至少一个缺氧区10，或者包括至少一个缺氧区10和至少一个厌氧区（未示出），所述第二处理单元2包括至少一个好氧区20。相应地，所述第二处理单元2底部设有在污水处理时用于曝气的第二充气装置22，而在所述第一处理单元1内底部设有用于冲洗的第一充气装置12，其在污水处理时处于关闭状态。

第一充气装置12包括与壳体100底部连通的第一进气管道14，第二充气装置22包括与壳体100中部侧面连通的第二进气管道23，同时，壳体100底部连通有放空管15。

为提高装置内的污泥浓度和微生物量，在污水处理区200的第一处理单元1内填充有在流体流过时能够自行流化分散的第一分散式微重填料16，第二处理单元2内填充有在流体流过时能够自行流化分散的第二分散式微轻填料24，所述污水处理区200的上部设置有用于防止填料流失的分离筛网211。在实际运行过程中，由于相对密度的问题，由所述第一分散式微重填料16堆叠而成的床层会沉落于所述第一处理单元1中下部，由所述第二分散式微轻填料24悬浮而成的床层会悬浮于所述第二处理单元2中上部。

在优选的实施方案中，所述第一分散式微重填料16的密度为污水密度的1.00~1.65倍，所述第二分散式微轻填料24的密度为污水密度的0.65~1.00倍。所述第一分散式微重填料16和第二分散式微轻填料24可以分别为规则形状的实体，如现有mbbr填料中的k型填料或类似产品的形状，最大直线尺寸不小于5mm，例如可以为5～300mm；比表面积不小于300m²/m³，例如可以为300～2000m²/m³。

在优选的实施方案中，所述第二分散式微轻填料24的填充量使得在污水流过时所述第二分散式微轻填料24分散到第二处理单元2时所占体积总和不低于所述第二处理单元2容积的30%，所述第一分散式微重填料16的填充量使得在污水流过时第一分散式微重填料16分散到第一处理单元1时所占体积总和不低于所述第一处理单元1容积的50%，且第一分散式微重填料16和第二分散式微轻填料24的填充体积总和不高于污水处理区200总容积的90%。

本实施例未设置沉淀池，其适用于进水的污水各污染物浓度较低时且出水悬浮物浓度要求不高的工况。在实施例1的这种结构中，经过好氧区床层生化、过滤处理后的污水流过分离筛网211后，可直接进入出水收集装置33。

本实施例在分离筛网211的顶部设置排泥收集装置361，排泥收集装置361连接有排泥管36，排泥管36的排泥端可以向下穿过第二处理单元2并延伸到壳体100外。在进行冲洗时，污水处理区200的污泥向上流出，并自排泥收集装置361顶部进入，进而通过排泥管36排出壳体100外。

本实施例中，采用适用的回流工艺，如内部回流或外部回流方式，使经过好氧区20处理的混合液回流至壳体100底部的第一处理单元1的缺氧区10中，利用进水中的碳源循环进行充分的反硝化，有效去除总氮。例如，可在壳体100的位于污水处理区200上部的位置设置与进水管13连通的回流管35，且在回流管35上设置回流泵310和调节阀门。

采用本装置进行污水处理的工作过程为：污水与回流管35内的混合液从壳体100底部的进水管13进入所述布水装置11，经所述布水装置11均匀分布在所述第一处理单元1的横截面上，向上先后流经由所述第一分散式微重填料16堆叠于第一处理单元1而形成的床层和所述第二分散式微轻填料24悬浮于第二处理单元2而形成的床层，期间，开启第二充气装置22，关闭第一充气装置12；然后经好氧处理后的污水穿过分离筛网211的网孔并从所述好氧区20顶部流出，等进水量的污水由出水收集装置33收集后经出水管34排出，另一部分污水经回流管35最终回流到第一处理单元1的底部，利用进水中的碳源在第一处理单元1内循环进行充分的反硝化，以去除总氮。

当需要排泥时，关闭第二充气装置22，开启第一充气装置12，冲洗堆叠于第一处理单元1内的第一分散式微重填料16及悬浮于第二处理单元2内的第二分散式微轻填料24，使所述污水处理区200呈流化状态，使所述第一分散式微重填料16和第二分散式微轻填料24上的生物膜经磨擦部分脱落，同时使第一分散式微重填料16、第二分散式微轻填料24间隙内的絮体活性污泥随污水流过污水处理区200并由所述排泥管36排出；

排泥完毕后，关闭第一充气装置12，继续处理污水。

在污水处理过程中，污水中的各种污染物在第一处理单元1中与回流液和微生物充分混合，其中的反硝化细菌利用污水中的碳源进行反硝化以去除硝态氮，并去除部分含碳污染物。当在所述污水处理区200中设置厌氧区域的前提下，协同生物膜内的厌氧环境，聚磷菌完成释磷作用，反硝化细菌继续利用污水中的碳源进行反硝化以去除硝态氮，在此过程中污水中的凯氏氮完成氨化作用形成氨氮，与剩余的含碳污染物进入好氧区20，在好氧区20内进行好氧处理，通过好氧细菌被转化成硝化氮和二氧化碳和水，硝态氮再随回流液回至所述第一处理单元1完成反硝化，使得总氮不断的被循环去除；释放了磷的聚磷菌在好氧环境下会在好氧区20内吸附过量的磷，可以通过排放富磷剩余污泥，完成对污水总磷的去除。

与传统的各种活性污泥法相比，首先，本方案填充了高容积率的第一分散式微重填料16和第二分散式微轻填料24，其具有较大的比表面和较高的空隙率，不仅易于形成丰富的生物膜，而且在高达到75%以上空隙率的立体空隙内能够拦截、沉淀、过滤了大量的活性污泥絮体，可以使污泥浓度达到传统活性污泥法的3倍以上，即使如此，由于填料的支撑作用，也不会因为曝气强度或搅拌强度低而沉积、压实在池底失去活性，依然能够保持很高的污泥活性，大大提高了容积负荷，池容可以设计的更小，占地更小，从而节省建设投资；其次，由于床层的拦截、沉淀、过滤作用，使得进入沉淀区域的泥水混合液浓度并不高，甚至会比传统活性污泥法的低，大大减轻了后续沉淀区域的固体负荷，保证了泥水分离的效果；最后，由于床层的拦截作用，会大大延长曝气气泡在水中的停留时间，增加气水接触时间，因此可以大大提高曝气过程中氧的利用率，从而大大减少曝气量，节约运行能耗。

与传统曝气生物滤池技术相比，首先，本方案填充的第一分散式微重填料16和第二分散式微轻填料24，比表面积大，高达300m²/m³以上，空隙率高，高达75%以上，因此不易堵塞，生物膜更加丰富；其次，本方案填充的第一分散式微重填料16和第二分散式微轻填料24比重小，冲洗更容易达到流化状态，一方面可以降低冲洗能耗，另一方面流化状态加强了冲洗效果，更容易排出老化的生物膜，冲洗彻底；再次，在结构与性能方面，本装置比传统曝气生物滤池的结构更加简单，可以同时布置厌氧区、缺氧区和好氧区，可以实现同池内的去碳、脱氮、除磷等功能；最后，由于第一分散式微重填料16和第二分散式微轻填料24的密度远小于曝气生物滤池填料的密度，减轻了对池底的压力，因此可以减小对土建结构的承载力要求，进一步减少建设成本。

与生物接触氧化技术相比，首先，本方案的填料比表面积大，因此生物膜量更大；其次，在结构上无需设计填料固定支架，结构简单，降低了反应器的制作成本；最后，本方案的填料为分散式结构，而且容易实现流化状态下的磨擦清洗，更容易实现新生、成熟与老化生物膜的更新交替运行，稳定性更高，效果更优。

与mbbr技术相比，首先，本方案的填料填充率是现有mbbr技术的2倍以上，在达到相同数量的生物膜的条件下，池容也可缩小至1/2以下，从而减少占地和投资；其次，在运行中，不用担心填料堆积在死区，无需保证足够的曝气强度，使填料达到流化状态，从而可以节约曝气风量，降低运行成本；最后，本方案中还存在有大量的活性污泥絮体，因此出水更加优质和稳定可靠。

与mbr技术相比，首先，本方案的污泥浓度与微生物量可以达到甚至超过mbr工艺中的10g/l的浓度，可见效率更高；其次，在运行中，不需要膜擦洗风机，不需要抽水泵，所以在能耗方面，mbr无法与之相比；最后，不存在膜污堵、需要化学清洗及更换新膜的烦恼。

实施例2

如图2所示，实施例2提供的装置与实施例1不同之处在于，壳体100中内设有底端外缘与壳体100内壁相连的喇叭形隔离筒21，喇叭形隔离筒21的喇叭口朝向壳体100底部，所述喇叭形隔离筒21将壳体100内部空间分隔成位于喇叭形隔离筒21外围的沉淀池3和位于喇叭形隔离筒21内部并延伸到壳体100底部的污水处理区200。在这种结构中，可将出水收集槽33设在沉淀池3内部或外部，排泥管36连通在沉淀池3的底部，分离筛网211可设置在喇叭形隔离筒21内顶部。本方案通过设置独立的沉淀池3，因此出水更加可靠稳定。

本实施例中，在壳体100内位于喇叭形隔离筒21的外围设有用于引导自喇叭形隔离筒21顶部流出的处理后污水流向沉淀池3底部的导流装置。

导流装置可以包括一个同轴线套设在喇叭形隔离筒21上部的喇叭形导流筒31，喇叭形导流筒31的喇叭口同样朝向壳体100底部，这样使得喇叭形导流筒31内壁与所述喇叭形隔离筒21外壁之间形成一个环形流道32。

本发明中，对喇叭形隔离筒21和喇叭形导流筒31的具体结构不作特别限制，可根据实际需要设置其结构。喇叭形隔离筒21和喇叭形导流筒31的任意横截面可以为圆形，或者正n边形，且n≥4，或者矩形。实施例中均以喇叭形隔离筒21和喇叭形导流筒31的横截面为圆形来说明，但这不构成对本发明的限制。

此外，本发明中要保证喇叭形导流筒31顶端高于所述喇叭形隔离筒21的顶端，其可以与壳体100顶部齐平，以阻止污水自沉淀池3上部直接进入沉淀池3；并且，要保证所述喇叭形导流筒31底端高于沉淀池3的底部，优选地，所述喇叭形导流筒31包括圆筒部311及与其相连的扩口部312，实践中，圆筒部311和扩口部312的连接处约对应于沉淀池3中悬浮污泥层所在位置处，以便在沉淀池3的底部预留一个稳定的污泥存储区。

采用本装置进行污水处理的工作过程为：污水与回流管35内的硝化液和污泥混合液从壳体100底部的进水管13进入所述布水装置11，经所述布水装置11均匀分布在所述第一处理单元1的横截面上，向上先后流经由所述第一分散式微重填料16堆叠而成的床层和所述第二分散式微轻填料24悬浮而成的床层，然后从所述好氧区20顶部流出并穿过喇叭形隔离筒21顶部的分离筛网211的网孔，并通过环形流道32进入所述沉淀池3的底部，经沉淀后，清水由所述沉淀池3顶部的出水收集装置33收集后，由所述出水管34排出，沉淀污泥大部分经由所述回流管35与进水管13的污水混合后重新回到所述第一处理单元1底部参与生化反应，只有少量的剩余污泥在排泥反洗阶段经所述排泥管36排出装置。需要排泥时，参考实施例1的方式进行。

实施例3

如图3所示，实施例3与实施例2的不同之处在于，壳体100的对应于沉淀池3底部向上部分的截面几何尺寸大于其对应于沉淀池3底部的截面几何尺寸。因本实施例中壳体100横截面为圆形，所述的截面几何尺寸即壳体100的内径（如图3所示）。

实际上，本领域技术人员可根据本实施例的构思做出各种变形，从而使得壳体100的内径自喇叭形隔离筒21与壳体100连接处或靠近该连接处的上、下位置处起向上增大。

采用这种结构，可使壳体100对应于沉淀池3底部以上部分的内径大于其对应于沉淀池3底部的内径，即通过使沉淀池3底部或靠近底部上、下附近位置处的流通面积增大，可以降低沉淀池3的表面负荷，增加污泥沉降时间，提高泥水分离效果。

本发明的实施方式中，在泥水沉淀的区域，如实施例1中分离筛网211上部的区域，或者实施例2、3的沉淀池3中，也可以采用其他能够促进泥水分离的装置，如斜板或斜管沉淀装置，这都在本发明权利要求请求保护的范围之内。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。