推流式竖向三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三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三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。因此存在厌氧缺氧环境空间不足，曝气池底部积泥、曝气池脱氮能力较低的问题。

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三循环工艺处理城市污水的装置，解决了现有技术中厌氧缺氧环境空间不足，曝气池底部积泥、曝气池脱氮能力较低的问题。

本发明还提供了一种推流式竖向三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，推流式竖向三循环工艺处理城市污水的装置，包括依次连接的城市生活污水水箱、推流式竖向三循环曝气池和竖流式沉淀池，所述城市生活污水水箱出水口通过管道与推流式竖向三循环曝气池一侧底部的进水口连通，所述推流式竖向三循环曝气池另一侧顶部的出水口通过管道与竖流式沉淀池连通，所述竖流式沉淀池底部通过污泥回流泵与推流式竖向三循环曝气池进水口处连通，所述推流式竖向三循环曝气池进水口一侧的底部水平设置有2个或2个以上的穿孔曝气管，每个所述穿孔曝气管外延至推流式竖向三循环曝气池外部且通过气体流量计与空气泵连接，所述推流式竖向三循环曝气池的内部从上到下依次设置有水平的第一导流板和第二导流板，所述第一导流板和第二导流板均一端与推流式竖向三循环曝气池内壁相接另一端与推流式竖向三循环曝气池内壁具有空隙，所述第一导流板和第二导流板空隙所在端方向相反，所述推流式竖向三循环曝气池底部出水口一侧设置有射流布水器。。

本发明的特征还在于，

进一步地，所述空隙长度为推流式竖向三循环曝气池池体总长度的1/7，所述第一导流板设置高度为推流式竖向三循环曝气池内有效水深的1/3，所述第二导流板设置高度为推流式竖向三循环曝气池内有效水深的2/3，所述第一导流板和第二导流板下表面与多个穿孔曝气管相对应的位置分别设置有多个三角状的凹槽。

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设置有排泥口。

进一步地，所述推流式竖向三循环曝气池出水口处设置有温度和溶解氧探头。

进一步地，所述射流布水器包括水箱和在水箱外表面设置的多个喷水嘴。

本发明所采用的另一种技术方案是，推流式竖向三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

推流式竖向三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，准备时间在1周左右；

步骤2，曝气准备

连续流运行控制参数，推流式竖向三循环曝气池内污泥浓度为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12h，污泥回流比为100％；

步骤3，曝气过程

空气进入推流式竖向三循环曝气池后，被穿孔曝气管分割成小气泡开始上升，遇第二导流板阻挡沿着第二导流板运动，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；气泡上升至第一导流板区域，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中氧区，中心及下部区域为低氧区；气泡运动至末端后沿竖直方向上升，受到推流式竖向三循环曝气池顶部盖板的阻挡，同样沿着盖板运动，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；气体通过第一导流板和第二导流板三角状凹槽收集并进入到下一循环区域中，气体相对集中，具有较大的动力，不会由于第一导流板和第二导流板的阻挡及大比重污泥，造成动力不足，搅拌不均匀等现象发生；

在上述气泡运动过程中，同时推流式竖向三循环曝气池进水口一侧进水，水流呈推流形式向推流式竖向三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，在切面上受第一导流板和第二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，构成了推流式竖向三循环反应器，其中在第二导流板的末端下方设置的射流布水器，以保证液体具有相当的推动力进入到下一循环当中；气泡在推流式竖向三循环曝气池内的滞留时间和运动距离进一步延长，氧气的利用率进一步提高，不仅可以提高处理效率，同时减少曝气量，节约能源消耗；污水连续经过两个中氧区和低溶解氧区，使微生物更好的适应厌氧环境，提高厌氧微生物的活性，延长反硝化时间，强化了污水的脱氮能力，提高出水水质；

在第二导流板与推流式竖向三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，竖向内外三循环工艺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三循环曝气池底部进入，沿水流运动方向单侧曝气，气泡受第一导流板和第二导流板的阻挡形成水流循环，同时气泡受进水推流作用，沿推流式竖向三循环曝气池出水方向水平运动运动，形成循环推流运动。推流式竖向三循环曝气池内微生物种类丰富，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，依靠推流式竖向三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)针对碳氮比例为5-6的污水有机物含量相对较小，氮元素含量较高的特点，本工艺将曝气池均分为上中下3个循环区域，压缩高溶解氧区域空间，增加中低溶解氧区域空间体积，为微生物脱氮提供更有利的空间环境。循环结构能够在微生物反硝化过程中，不断提供有机物作为反硝化碳源，保证反硝化过程的正常进行。总氮去除率较传统反应器提高30％以上。

(3)形成的三循环结构。使气泡在推流式竖向三循环曝气池内的滞留时间和运动距离进一步延长，氧气的利用率进一步提高，同时厌氧缺氧有利于分解难降解有机物，提高难降解有机物去除效率，提高有机物处理效率5％-10％，反应器底部污泥受水流循环流动的冲击，不能沉积到反应器底部形成死区，而是参与到整个反应过程中，射流布水器在曝气池底部从不同的方向喷水，防止污泥堆积，提高了曝气池有效利用率，减少了基建投资。

(4)三角状凹槽收集气体的设计，避免了三重循环造成动力不足或搅动不均现象的发生，保证了液体循环结构的实现。

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三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三循环工艺处理城市污水的装置的纵向剖面示意图。

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.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.射流布水器；

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。

第一部分：

本发明推流式竖向三循环工艺处理城市污水的装置，如图2所示，包括依次连接的城市生活污水水箱1、推流式竖向三循环曝气池2和竖流式沉淀池3，所述城市生活污水水箱1出水口通过管道与推流式竖向三循环曝气池2一侧底部的进水口连通，所述推流式竖向三循环曝气池2另一侧顶部的出水口通过管道与竖流式沉淀池3连通，所述竖流式沉淀池3底部通过污泥回流泵33与推流式竖向三循环曝气池2进水口处连通，所述推流式竖向三循环曝气池2进水口一侧的底部水平设置有2个或2个以上的穿孔曝气管25，每个所述穿孔曝气管25外延至推流式竖向三循环曝气池2外部且通过气体流量计27与空气泵26连接，所述推流式竖向三循环曝气池2的内部从上到下依次设置有水平的第一导流板23和第二导流板24，所述第一导流板23和第二导流板24均一端与推流式竖向三循环曝气池2内壁相接另一端与推流式竖向三循环曝气池2内壁具有空隙，所述第一导流板23和第二导流板24空隙所在端方向相反，所述推流式竖向三循环曝气池2底部出水口一侧设置有射流布水器28。

所述空隙长度为推流式竖向三循环曝气池2池体总长度的1/7，以保证气泡及水流顺利通过，所述第一导流板23设置高度为推流式竖向三循环曝气池2内有效水深的1/3，所述第二导流板24设置高度为推流式竖向三循环曝气池2内有效水深的2/3，以达到各级均匀分配。所述第一导流板23和第二导流板24下表面与多个穿孔曝气管25相对应的位置分别设置有多个三角状的凹槽。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底部设置有排泥口32。所述推流式竖向三循环曝气池2出水口处设置有温度和溶解氧探头22。所述射流布水器28包括水箱和在水箱外表面设置的多个喷水嘴。

本发明推流式竖向三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

推流式竖向三循环曝气池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，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

连续流运行控制参数，推流式竖向三循环曝气池2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三循环曝气池2后，被穿孔曝气管25分割成小气泡开始上升，遇第二导流板24阻挡沿着第二导流板24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；气泡上升至第一导流板23区域，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中氧区，中心及下部区域为低氧区；气泡运动至末端后沿竖直方向上升，受到推流式竖向三循环曝气池2顶部盖板的阻挡，同样沿着盖板运动，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，气体通过第一导流板23和第二导流板24三角状凹槽收集并进入到下一循环区域中，气体相对集中，具有较大的动力，不会由于第一导流板23和第二导流板24的阻挡及大比重污泥，造成动力不足，搅拌不均匀等现象发生；

在上述气泡运动过程中，同时推流式竖向三循环曝气池2进水口一侧进水，水流呈推流形式向推流式竖向三循环曝气池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，在切面上受第一导流板23和第二导流板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，构成了推流式竖向三循环反应器，其中在第二导流板24的末端下方设置的射流布水器28，以保证液体具有相当的推动力进入到下一循环当中；气泡在推流式竖向三循环曝气池2内的滞留时间和运动距离进一步延长，氧气的利用率进一步提高，不仅可以提高处理效率，同时减少曝气量，节约能源消耗；污水连续经过两个中氧区和低溶解氧区，使微生物更好的适应厌氧环境，提高厌氧微生物的活性，延长反硝化时间，强化了污水的脱氮能力，提高出水水质；

在第二导流板24与推流式竖向三循环曝气池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，竖向内外三循环工艺提高了曝气池同步硝化反硝化效率。

本发明推流式竖向三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把污水中稳定送入有效容积为128L的推流式竖向双循环曝气池2中，其内设有第一导流板23和第二导流板24，第一导流板23和第二导流板24导流板沿曝气池水流方向，通过温度和溶解氧探头22在线监测变化，同时第二导流板24下方有穿孔曝气管25，其外连接空气压缩机2.6，转子流量计2.7；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，沉淀池内设有排泥口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；射流布水器28包括水箱和在水箱外表面设置的多个喷水嘴，可以对提供喷水，从不同的方向射向推流式竖向三循环曝气池2底部喷水，使得曝气池底部的污泥与污水充分混合、搅拌起来，不产生死角，保证了配水的均匀和反应的充分。

本发明主要针对大水量即进水量大于10000立方米每天、城镇污水中有机物与总氮比例为5-6的废水，解决了现有技术中厌氧缺氧环境空间不足、曝气池脱氮能力较低等问题。在碳源不足时，能够通过循环作用补充所需碳源，达到脱氮的目的。

所述第一导流板23和第二导流板24可采用具有一定强度的合成塑料板，要求耐腐蚀、抗水流冲击，并具有一定的机械强度。

实验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。推流式竖向三循环曝气池2由有机玻璃板制成，长0.6m、宽0.5m、高0.43m，有效水深为0.4m，有效容积为128L。

具体运行如下：

1)推流式竖向三循环曝气池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推流式竖向三循环曝气池2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20-50mg/L，平均去除率为80.85％；推流式竖向三循环曝气池2出水COD浓度为15.0～30.0mg/L、去除率保持在90％以上；两者对比NH₄-N去除率分别为83.14％和92.39％，TN为去除率分别为55.54％和90.50％、TP去除率均达到90％以上。推流式竖向三循环曝气池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，推流式竖向三循环曝气池2曝气量为0.13L/min，传统曝气池曝气量为0.15L/min，推流式竖向三循环曝气池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。