竖向内外四循环连续流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，具体涉及一种竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的装置，本发明还涉及一种竖向内外四循环连续流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，活性污泥法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％。

传统工艺处理污水如图1所示，城市污水从原水水箱1通过恒流泵21把污水稳定送入有效容积为36L的传统反应池1中，其外连接空气压缩机23，转子流量计24；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，沉淀池3内设有排泥口32，污泥经回流泵33回流至曝气池曝气管附近。

曝气的目的是使曝气池中溶解氧、有机物及活性污泥中的微生物充分混合接触，从而加速污染物的降解过程提高污水处理效率。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。由于曝气器布置位置限制，曝气出口与曝气池底部有15-20cm的距离，水流无法影响到曝气池底部，因此造成曝气池底部积泥，利用率降低。

随着我国人民生活水平的提高，饮食结构的改变，城市污水的污染物组成及比例也有相应的变化，含氮量增加，出现了低碳氮比的情况，传统生物脱氮工艺对废水脱氮起到了重要作用，但仍存在许多问题。如氨氮完全硝化需消耗大量的氧，增加了动力消耗。对低碳氮比的废水，还需外加碳源，工艺流程长，占地面积大，基建投资高等缺点。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的装置，解决了现有技术中反应器脱氮能力低下、难降解有机物不能被去除、曝气池底部积泥等问题。

本发明还提供了一种竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的方法。

本发明所采用的技术方案是，竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的装置，包括依次设置的城市生活污水水箱、竖向内外四循环曝气池和竖流式沉淀池，所述城市生活污水水箱顶部出水口与竖向内外四循环曝气池顶部一侧进水口通过水管连通，所述水管上设置有进水泵且插入至竖向内外四循环曝气池底部，所述竖向内外四循环曝气池另一侧顶部出水口与竖流式沉淀池顶部的进水口相连通，所述竖向内外四循环曝气池内从上到下分别设置有2个横L型的第一导流板和第二导流板，所述第一导流板的竖板位于竖向内外四循环曝气池进水口一侧且竖板尾端朝下，所述第一导流板的横板尾端位于竖向内外四循环曝气池水口一侧，所述第一导流板横板和竖板与竖向内外四循环曝气池两侧内壁之间具有空隙，所述第二导流板的竖板位于竖向内外四循环曝气池水口一侧且竖板尾端朝下，所述第二导流板横板尾端位于竖向内外四循环曝气池进水口一侧，所述第二导流板横板和竖板与竖向内外四循环曝气池两侧内壁之间具有空隙，所述竖向内外四循环曝气池进水口一侧的底部设置有穿孔曝气管，所述穿孔曝气管外延与空气泵连接且穿孔曝气管上设置有气体流量计，所述第一导流板和第二导流板的中心处设有悬挂式填料。

本发明的特征还在于，

进一步地，所述竖流式沉淀池顶部设置有溢流堰，所述竖流式沉淀池底部外接有排泥管，所述竖流式沉淀池底部设置有回流口与竖向内外四循环曝气池进水口一侧的底部通过管道连通，所述管道上设置有污泥回流泵。

进一步地，所述第一导流板和第二导流板的横板长度分别占竖向内外四循环曝气池总长度的3/4，所述第一导流板和第二导流板的竖板高度分别占竖向内外四循环曝气池高度的2/5，所述第一导流板竖板尾端和第二导流板的尾端竖板距竖向内外四循环曝气池底部距离分别为竖向内外四循环曝气池内有效水深的1/2和1/10，所述悬挂式填料的体积为第一导流板和第二导流板之间空间体积的1/5。

进一步地，所述第一导流板和第二导流板的竖板分别与垂直方向成5-15°夹角，所述第一导流板和第二导流板的横板分别与水平方向成5-15°夹角。

进一步地，所述竖向内外四循环曝气池出水口一侧设置有温度和溶解氧探头，所述温度和溶解氧探头插入至导流板横板与竖向内外四循环曝气池内壁间的空隙。

本发明所采用的另一种技术方案是，竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一，配置污泥

竖向内外四循环曝气池内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1-2天后开始进水，进水量每天逐次增加使微生物逐渐适用，至达到设计水量后继续运行1天，启动阶段结束，试验启动运行时间在1周左右；

步骤二，曝气准备

系统运行：连续流运行控制参数，反应池内污泥浓度为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8h，污泥回流比为100％；

步骤三，曝气过程

空气进入竖向内外四循环曝气池后，被穿孔曝气管分割成小气泡并沿着第一导流板竖板进入池体，接着气泡上升到第一导流板横板，受其阻挡，沿水平运动至第一导流板横板边缘，随水流运动部分气泡在导流板以下区域，受器壁的阻挡向下运动，在随着曝气的上升流动，形成顺时针的涡流，即第一个循环区域；该循环区域外围液体与氧气直接接触，因此溶解氧含量较高形成高氧区，随着溶解氧的消耗及向内部扩散速率影响，内部形成中溶解氧区域；余下气泡继续上升到第二导流板，气泡继续上升受第二导流板的阻挡，分成三部分，一部分随水流向下运动，回到第一导流板下部区域，补充曝气上升造成的负压空间，再随气泡上升形成第二个区域循环；由于此部分水流运动缓慢且无高溶解氧扩散，因此形成了低溶解氧循环；另一部分在第一导流板和第二导流板之间做旋流运动，形成逆时针运动的第三个循环，该部分气体由于被第一循环消耗及部分氧气的扩散，氧含量不高，因此形成的循环为中氧区；最后一部分继续上升逸出水面，此过程中少量混合液沿第二导流板背面回到第一导流板下部参与循环，形成第四个循环区域，该部分气体中氧含量最少，因此为低溶解氧区；

在第一导流板与竖向内外四循环曝气池底板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。

本发明的有益效果是：

(1)由于增加了两块导流板，限制了氧气扩散运动的路径，因此创造了更大的厌氧及缺氧环境，污水中的难降解有机物在厌氧环境中被水解成可降解物质，在经过上部循环运动至缺氧环境被进一步分解为易降解的小分子物质，最后经两边的循环流动至底部好氧环境被分解去除。本工艺提高了难降解有机物的去除率，减小出水中有机物含量。

(2)本工艺进一步压缩了好氧区的比例，提高了厌氧区的空间比例，创造了更加有利于硝化反硝化的环境。针对碳氮比例小于5有机物含量较少而氮元素较多的废水，有机物具有充当反硝化碳源的重要作用，因此本工艺合理的利用了曝气池空间，提高了低溶解氧空间；同时通过厌氧缺氧环境对水中难降解有机物的分解，产生的小分子物质直接作为反硝化碳源，加之循环作用输送碳源至反硝化过程，相对传统反应器大大提高了脱氮能力，同时由于在两导流板之间的循环区域设置了悬挂式填料，有利于微生物附着生长，生物膜在填料表面形成，具有膜生物除氮的功能，与传统曝气池相比脱氮能力提高30％。

(3)由曝气器喷出的气泡，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，最后逃逸出水面。所以反应池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，在曝气环境减小的情况下，保证了有机物及氨氮的去除率。

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结构示意图；

图2是本发明竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的装置结构示意图；

图3是本发明竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的方法的竖向内外四循环曝气池反应示意图。

图中，1.城市生活污水水箱，2.竖向内外四循环曝气池，3.竖流式沉淀池；

21.进水泵，22.温度和溶解氧探头，23.第一导流板，24.第二导流板，25.穿孔曝气管26.空气泵，27.气体流量计，28.悬挂式填料；

31.溢流堰，32.排泥口，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。

本发明竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的装置，如图2所示，包括依次设置的城市生活污水水箱1、竖向内外四循环曝气池2和竖流式沉淀池3，所述城市生活污水水箱1顶部出水口与竖向内外四循环曝气池2顶部一侧进水口通过水管连通，所述水管上设置有进水泵21且插入至竖向内外四循环曝气池2底部，所述竖向内外四循环曝气池2另一侧顶部出水口与竖流式沉淀池3顶部的进水口相连通，所述竖向内外四循环曝气池2内从上到下分别设置有2个横L型的第一导流板23和第二导流板24，所述第一导流板23的竖板位于竖向内外四循环曝气池2进水口一侧且竖板尾端朝下，所述第一导流板23的横板尾端位于竖向内外四循环曝气池2出水口一侧，所述第一导流板23横板和竖板与竖向内外四循环曝气池2两侧内壁之间具有空隙，所述第二导流板24的竖板位于竖向内外四循环曝气池2出水口一侧且竖板尾端朝下，所述第二导流板24的横板尾端位于竖向内外四循环曝气池2进水口一侧，所述第二导流板24横板和竖板与竖向内外四循环曝气池2两侧内壁之间具有空隙，所述竖向内外四循环曝气池2进水口一侧的底部设置有穿孔曝气管25，所述穿孔曝气管25向外延与空气泵26连接且穿孔曝气管25上设置有气体流量计27，所述第一导流板23和第二导流板24的中心处设有悬挂式填料28。

所述竖流式沉淀池3顶部设置有溢流堰31，所述竖流式沉淀池3底部外接有排泥管32，所述竖流式沉淀池3底部设置有回流口与竖向内外四循环曝气池2进水口一侧的底部通过管道连通，所述管道上设置有污泥回流泵33。

所述第一导流板23和第二导流板24的横板长度分别占竖向内外四循环曝气池2总长度的3/4，所述第一导流板23和第二导流板24的竖板高度分别占竖向内外四循环曝气池2高度的2/5，所述第一导流板23竖板尾端和第二导流板24的尾端竖板距竖向内外四循环曝气池2底部距离分别为竖向内外四循环曝气池2内有效水深的1/2和1/10，所述悬挂式填料28的体积为第一导流板23和第二导流板24之间空间体积的1/5。所述第一导流板23竖板尾端和第二导流板24的尾端竖板分别与竖向内外四循环曝气池2内壁的空隙长度保证气泡及水流顺利通过，同时各段容积负荷保持相同，以便与微生物能够在不同的溶解氧区域迅速适应。

所述第一导流板23和第二导流板24的竖板分别与垂直方向成5-15°夹角，所述第一导流板23和第二导流板24的横板分别与水平方向成5-15°夹角。

所述竖向内外四循环曝气池2出水口一侧设置有温度和溶解氧探头22，所述温度和溶解氧探头22插入至导流板23横板与竖向内外四循环曝气池2内壁间的空隙。

本发明竖向内外四循环连续流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：

步骤一，配置污泥

竖向内外四循环曝气池内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1-2天后开始进水，进水量每天逐次增加使微生物逐渐适用，至达到设计水量后继续运行1天，启动阶段结束，试验启动运行时间在1周左右；

步骤二，曝气准备

系统运行：连续流运行控制参数，反应池内污泥浓度为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8h，污泥回流比为100％；

步骤三，曝气过程

空气进入竖向内外四循环曝气池2后，被穿孔曝气管25分割成小气泡并沿着第一导流板23竖板进入池体，接着气泡上升到第一导流板23横板，受其阻挡，沿水平运动至第一导流板23横板边缘，随水流运动部分气泡在导流板以下区域，受器壁的阻挡向下运动，在随着曝气的上升流动，形成顺时针的涡流，即第一个循环区域；该循环区域外围液体与氧气直接接触，因此溶解氧含量较高形成高氧区，随着溶解氧的消耗及向内部扩散速率影响，内部形成中溶解氧区域；余下气泡继续上升到第二导流板24，气泡继续上升受第二导流板24的阻挡，分成三部分，一部分随水流向下运动，回到第一导流板23下部区域，补充曝气上升造成的负压空间，再随气泡上升形成第二个区域循环；由于此部分水流运动缓慢且无高溶解氧扩散，因此形成了低溶解氧循环；另一部分在第一导流板23和第二导流板24之间做旋流运动，形成逆时针运动的第三个循环，该部分气体由于被第一循环消耗及部分氧气的扩散，氧含量不高，因此形成的循环为中氧区；最后一部分继续上升逸出水面，此过程中少量混合液沿第二导流板24背面回到第一导流板23下部参与循环，形成第四个循环区域，该部分气体中氧含量最少，因此为低溶解氧区；第一导流板23和第二导流板24之间中心处设有悬挂式填料28，在填料上会形成大量厌氧生物膜；

在第一导流板23与竖向内外四循环曝气池2底板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，同时填料为微生物生长提供了场所，形成生物膜，具有较高的脱氮能力。

本发明竖向内外四循环连续流工艺处理城市污水的方法，城市污水从原水水箱1通过进水泵21把污水中稳定送入竖向内外四循环曝气池2中，其内设有两块导流板第一导流板23和第二导流板24，两块导流板尺寸相同，第一导流板23和第二导流板24竖板与垂直方向有15°倾角，第一导流板23和第二导流板24横板与水平方向有15°倾角。通过温度和溶解氧探头22在线监测变化，同时曝气装置25，其外连接空气泵26和气体流量计27；竖向内外四循环曝气池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，沉淀池3内设有排泥口32，污泥经回流泵33回流至曝气池的曝气管附近。

相对传统曝气池气泡直线上升，竖向内外四循环曝气池2气泡运动距离得到延长，与污水的接触面积增大，部分气泡随污水作循环流动，提高了氧转移效率。污染物与微生物及氧气充分接触，得到快速的去除，提高了处理效率，相应曝气量得以减小，节约了曝气能耗。

由于在第一导流板23和第二导流板24以下区域形成了对反应池底部的水流冲击运动，使反应池底部污泥难易沉积，随着水流方向不断循环运动，因此解决了曝气池底部普遍积泥，池体利用率低的问题。

本发明主要针对小水量即进水量小于10000立方米每天、污水中有机物与总氮比例小于5的废水，解决了现有技术中在进水有机物匮乏的条件下，反应器脱氮能力下降难降解有机物不能被去除、出水不达标等问题。本发明通过增加的第一导流板23和第二导流板24，增加缺氧厌氧环境，提高难降解有机物去除率，并通过循环结构输送碳源至反硝化过程，达到脱氮的目的。

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1所示，竖向四循环反应池由有机玻璃板制成，长0.3m、宽0.3m、高0.5m，有效水深为0.4m，有效容积为36L。

具体运行如下：

1)竖向内外四循环曝气池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8h，污泥龄为18d；

②整个工艺采用连续进水模式，进水流量为4.5L/h，污泥回流量比为80％，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池内污泥浓度。

③实验结果如下表1所示，

运行稳定后，传统反应池出水COD浓度为20-50mg/L，平均去除率为88％；竖向内外四循环曝气池2出水COD浓度为15.0～30.0mg/L、去除率保持在90％以上；两反应池对比NH₄-N去除率分别为81.28％和91.45，TN为去除率分别为89.57％和90.19％、TP去除率均达到90％以上。竖向内外四循环曝气池2污染物去除效率均在90％以上，且高于传统反应池。溶解氧监测结果显示：达到出水溶解氧为2.0mg/l时，竖向内外四循环曝气池2曝气量为0.12L/min，传统反应池曝气量为0.15L/min，竖向内外四循环曝气池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。