一种市政溢流污水处理装置及方法与流程

本发明涉及一种污水处理装置，特别涉及一种市政溢流污水处理装置及方法。

背景技术：

近些年来，城镇化的快速发展引起了市政污水收集处理能力的不足，产生了溢流污水直排水体的现象，导致了水体环境持续恶化。市政溢流污水是指在雨雪天气下、雨水径流流入城市市政排水管网时，冲刷污水的流量超过排水管网系统的承载负荷，除了部分输送至污水处理厂外，其余大量冲刷污水将被未经过处理，直接经管道溢流进入地表水体从而造成水体污染。此外，市政污水排水管网特殊情况下（如暴雨初期雨污溢流、管线切割移位和爆管修复等）或污水处理厂过渡期（技改、维修等）容量受限无法输送至污水处理厂而产生的市政溢流污水。

市政溢流污水按成因分析，大致有四个因素：一是污水处理规模设计能力不足，超负荷运行；二是污水管网外部水渗入；三是合流制管网降雨径流排放导致的外排；四是由于突发事件造成实际上的污水溢流。

国外对市政溢流污水的治理着重从源头采取截留、处理等综合措施进行，如设置沉淀池和处理装置。国内相关处理技术的研究处于起步阶段，一些城市也认识到市政溢流污水的污染问题，进行了相关研究并提出工程措施，如设置调蓄设施。对初期雨水或溢流污水进行收集，将污染物浓度相对较高的污水进行调蓄，在降雨结束后，输送至城市污水处理厂进行深度处理，从而避免这部分污水进入受纳水体。但是这种调蓄工程对投资成本、建设周期、土地征用等要求较高，并不适合大范围推广应用。

调研发现，国内对市政溢流污水进行中间应急处理和未端净化处理的报道较少。由于市政溢流污水中悬浮颗粒物浓度较高、浊度较大、组分较复杂，并且多在雨天产生，故其排放具有间歇性、突发性和随机性等特点，同时突发现场多不具备电源条件，这也增加了对其的处理难度。因此，如何提供一种无动力市政溢流污水的旁路应急处理或未端净化处理的方法和装置具有现实意义。

技术实现要素：

本发明提供一种无动力的市政溢流污水处理装置，该装置利用旋流和磁絮凝分离技术初步处理市政溢流污水，有效去除污水中的砂粒和悬浮颗粒物等杂质，有效降低浊度，部分去除化学需氧量和总磷等污染物质，实现市政溢流污水的旁路应急净化处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种市政溢流污水处理装置，该装置包括外壳、旋流絮凝器、旋流分离器、磁分离器和刮泥器，外壳侧面设有污水进水口、磁种进料口、清水出水口、污泥排出口和排气口；污水进水口和磁种进料口通过管路连接至旋流絮凝器内的上部；旋流絮凝器包括旋转轴和一底部开口顶部封闭的筒体，旋转轴固定于筒体内，旋转轴上自上而下设驱动叶片、导流叶片、旋流反射锥和水平支架，其中驱动叶片和导流叶片位于筒体内，旋流反射锥位于筒体下方，水平支架设于旋转轴底端；导流叶片、旋流反射锥和水平支架在驱动叶片带动下差速旋转；旋流分离器包括设于筒体外侧底部的旋流圆锥套筒；磁分离器设于外壳底部外侧；刮泥器通过水平支架布设且位于外壳底部内侧。本发明利用旋流和磁场原理，可实现市政溢流污水的无动力应急旁路处理，有效去除市政溢流污水中的砂粒和悬浮颗粒物等杂质，有效降低浊度、部分化学需氧量和总磷等污染物质，减少溢流污水对水体环境的影响。

作为优选，旋流絮凝器的筒体将装置内部空间分隔为进料区、旋流絮凝区、旋流分离区、磁分离区、污泥区和清水区，所述筒体内的上部为进料区，下部为旋流絮凝区；所述筒体外的上部为清水区，下部为旋流分离区；所述旋流絮凝器下方为磁分离区，所述磁分离器下方为污泥区。

作为优选，污水进水口通过波纹管与旋流絮凝器内部连通；所述驱动叶片对称平衡固定于旋转轴顶部，且与波纹管的出水口相邻，导流叶片通过旋转套筒与旋转轴相连，导流叶片在旋转套筒外壁上交错分布；所述旋转套筒和旋转轴以轴承连接。波纹管能加强混凝剂与污水的混合，有利于后续的絮凝反应。所述旋转套筒和旋转轴优选以差速轴承连接。

作为优选，所述旋流反射锥和水平支架分别中心固定在旋转轴上，旋流反射锥的锥顶朝向筒体开口且旋流反射锥的锥面与筒体底部留有间隙。

作为优选，旋流圆锥套筒由多个圆锥板连接而成，各圆锥板间距为50~100mm，倾角55~65°，高度为300~600mm；所述旋流圆锥套筒最内层圆锥板底端与旋流絮凝器的筒体底端形成涡流封闭角。涡流封闭角设置的意义：在旋流分离器内的水流方向是由上而下，而出了筒体底部后水流方向就变为由下而上，为了避免在水流方向改变处发生湍流或涡流，影响水体流动稳定性，提高后续的旋流分离效果，故设置该封闭角，水流方向改变就比较顺畅。

作为优选，旋流反射锥的锥面倾角为β=15~30°。锥面倾角设置为15~30°的目的在于提高水流方向改变的效果，减小局部水头损失。作为优选，旋流反射锥的顶部距离旋流圆锥套筒32最底端的距离一般控制在15~20cm范围内为最佳。

作为优选，外壳底部为锥型污泥斗，污泥区设置在该锥型污泥斗内，锥斗角度为45~55°；刮泥器为沿锥型污泥斗的锥底斜面平行布置的刮条，刮条至少为两个，刮条在锥面上的倾角为α=20~30°。锥斗角度是指泥斗斜面与水平面之间组成的锐角，即水平夹角。

作为优选，磁分离器为沿锥型污泥斗的锥底均匀布置固定的磁条。

作为优选，磁种进料口通过磁种投加管与旋流絮凝器内部连通。

一种采用所述装置进行市政溢流污水应急旁路无动力处理的方法，该方法包括以下步骤：

①市政溢流污水经格栅除去大颗粒漂浮物和毛发等杂质后，将其经由污水进水口泵入所述装置内部，絮凝药剂和磁种分别经波纹管和磁种投加管注入所述装置内部；通过进水压力对驱动叶片的冲击驱动和惯性，带动旋转轴上相连导流叶片、旋流反射锥、水平支架和刮条的转动；旋转轴上安装的轴承可实现差速旋转；

②污水、絮凝剂和磁种分别经波纹管涡流、叶片冲击和旋流混合后，形成密实絮凝体，这些絮凝体伴随悬浮颗粒物杂质在旋流絮凝器（下向旋流）和旋流分离器（上向旋流）中，利用离心力被聚集在器壁后沉降分离；在磁分离区中利用重力和磁力被快速沉淀分离；

③附着于污泥斗表面的絮体和颗粒物杂质被刮条旋转刮除后，汇聚在污泥区中，经污泥排出口重力排出；含磁种污泥在外部实现磁种的回收循环利用；

④清水区中清水经清水排出口排出，装置顶部气体经排气口排出。

市政溢流污水整个净化处理过程在旋流絮凝器和旋流分离器中通过离心力和重力完成，在磁分离器中通过磁力和重力完成，无需额外动力。该方法利用旋流和磁絮凝分离技术，对市政溢流污水进行净化处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明可显著去除市政溢流污水中的砂粒、悬浮颗粒物（ss）和浊度、部分化学需氧量（cod）和总磷（tp）等污染物质，比传统混凝技术对ss、浊度、cod和tp的去除率分别提高20~30%，30~40%，10~15%和10~20%。

（2）本发明絮凝反应形成的絮体密实度高，泥水分离效果提高20~30%，采用无动力旋转刮条刮除污泥，排出系统的污泥含水率<93%，便于后续污泥处理。

（3）本发明中磁分离器发挥了磁场与重力场的叠加效应，比常规沉淀法提高分离效率35~45%。

（4）本发明中利用进水压力对驱动叶片的冲击力和惯性力，实现无动力处理，解决污水溢流突发现场无电源问题；

（5）本发明中旋流反射锥和旋流圆锥套筒的特定几何尺寸设计，可实现旋流絮凝器的下向旋流向旋流分离器的上向旋流的低能耗变向，同时旋流圆锥套筒最内层锥板底端与旋流絮凝器筒体底端形成封闭区域可避免涡流产生，减少能耗。

（6）本发明采用罐式设计，可整体吊装、搬运和就位，与内部接出管道可实现快速活动连接，便于应急情况下的旁路连接，实现临时地点应急处理的快速就位。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图；

图2为本发明市政溢流污水处理装置的结构示意图；

图3为图2a-a向的剖视图；

图4为本发明市政溢流污水处理装置的刮条倾角示意图；

图中：外壳1，污水进水口11，波纹管12，磁种进料口13，磁种投加管14；驱动叶片21，旋转轴22，旋转套筒23，轴承24，导流叶片25，旋流反射锥26，筒体27；涡流封闭角31，旋流圆锥套筒32；刮泥器41，磁分离器42，水平支架43；污泥排出口51；清水出水口61，排气口62，

a—进料区；b—旋流絮凝区；c—旋流分离区；d—磁分离区；e—污泥区；f—清水区。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

如图2和图3所示的一种市政溢流污水处理装置，该装置包括外壳1、旋流絮凝器、旋流分离器、磁分离器42和刮泥器41，外壳1侧面设有污水进水口11、磁种进料口13、清水出水口61、污泥排出口51和排气口62；污水进水口通过波纹管12与旋流絮凝器内部连通，磁种进料口13通过磁种投加管14与旋流絮凝器内部连通。

旋流絮凝器包括旋转轴22和一底部开口顶部封闭的筒体27，旋转轴固定于筒体内，旋转轴上自上而下设驱动叶片21、导流叶片25、旋流反射锥26和水平支架43，其中驱动叶片和导流叶片位于筒体内，旋流反射锥位于筒体下方，水平支架设于旋转轴底端。驱动叶片21对称平衡固定于旋转轴22顶部，且与波纹管12的出水口相邻，导流叶片25通过旋转套筒23与旋转轴相连，导流叶片在旋转套筒外壁上交错分布；所述旋转套筒和旋转轴以轴承24连接，轴承24为差速轴承。旋流反射锥26和水平支架43分别中心固定在旋转轴上，旋流反射锥的锥顶朝向筒体开口且旋流反射锥的锥面与筒体底部留有间隙。旋流反射锥的锥面倾角为β=15~30°。

旋流分离器包括设于筒体外侧底部的旋流圆锥套筒32。旋流圆锥套筒32由多个圆锥板连接而成，各圆锥板间距为50~100mm，倾角55~65°，高度为300~600mm；所述旋流圆锥套筒最内层圆锥板底端与旋流絮凝器的筒体底端形成涡流封闭角31。旋流圆锥套筒是由不同半径大小的圆锥壳（类似于冰淇淋蛋筒去掉尖角底部一样）通过上下底面的焊接条焊接而成，不同半径的圆锥壳之间的空隙可以通过旋转水流，保证层与层内的水流充分旋转，加强离心分离效果。

磁分离器42设于外壳底部外侧。磁分离器由多个沿锥型污泥斗的锥底平行布置固定的磁条42构成，磁条均匀布置在锥形底部用于形成磁分离区的磁场。

刮泥器41通过水平支架43布设且位于外壳底部内侧。刮泥器为沿锥型污泥斗的锥底斜面平行布置的刮条，刮条至少为两个，刮条在锥面上的倾角为α=20~30°。

旋流絮凝器的筒体27将装置内部空间分隔为进料区a、旋流絮凝区b、旋流分离区c、磁分离区d、污泥区e和清水区f，所述筒体内的上部为进料区，下部为旋流絮凝区；所述筒体外的上部为清水区，下部为旋流分离区；所述旋流絮凝器下方为磁分离区，所述磁分离器下方为污泥区。磁分离区由众多磁条组成的磁场系构成，在磁场系中的颗粒受磁场作用力下沉。这个磁场力受磁条种类、磁条布置和磁场强度等因素影响。

外壳底部为锥型污泥斗，污泥区e设置在该锥型污泥斗内，锥斗角度为45~55°。

如图2所示，旋流圆锥套筒32由5个圆锥壳焊接而成，本实施例中圆锥板间距为50mm，倾角65°，高度为300mm；本实施例中锥型污泥斗的锥斗角度为45°；旋流反射锥26的锥面倾角为β=15°。如图4所示，本实施例中刮条在锥面上的倾角为α=30°。旋流反射锥的顶部距离旋流圆锥套筒32最底端的距离为15cm（一般控制在15~20cm范围内为最佳）。

一种如图1所示的采用本装置进行市政溢流污水无动力处理方法是：

①市政溢流污水经格栅除去大颗粒漂浮物和毛发等杂质后，将其经由污水进水口11泵入所述装置内部，絮凝药剂和磁种分别经波纹管12和磁种投加管14注入所述装置内部；通过进水压力对驱动叶片21的冲击驱动和惯性，带动旋转轴22上相连导流叶片25、旋流反射锥26、水平支架43和刮条41的转动；旋转轴22上安装的轴承24可实现差速旋转。

②污水、絮凝剂和磁种分别经波纹管12涡流、叶片冲击和旋流混合后，形成密实絮凝体，这些絮凝体伴随悬浮颗粒物杂质在旋流絮凝器（下向旋流）和旋流分离器（上向旋流）中，利用离心力被聚集在器壁后沉降分离；在磁分离区d中利用重力和磁力被快速沉淀分离；

③附着于污泥斗表面的絮体和颗粒物杂质被刮条41旋转刮除后，汇聚在污泥区e中，经污泥排出口51重力排出；

④清水区f中清水经清水排出口61排出，装置顶部气体经排气口62排出。

应用本实施例，市政溢流污水处理前水质如下：悬浮颗粒物浓度（ss）110mg/l，浊度85ntu，化学需氧量（codcr）95mg/l，总磷（tp）3.2mg/l。装置稳定后的处理后出水水质如下：悬浮颗粒物浓度（ss）12mg/l，浊度8.1ntu，化学需氧量（codcr）45mg/l，总磷（tp）1.2mg/l。去除率分别为ηss=89%，η浊度=91%，ηcodcr=53%和η总磷=63%。具有良好的处理净化效果。

本实施例实现了对市政溢流污水的旁路应急无动力处理，简化了传统污水处理流程，减轻了暴雨情况下市政管网的运行负荷，一定程度上削弱了市政溢流污水对水体环境的影响。同时节省了针对市政溢流污水污染控制的工程措施投入，获得较好的社会和环境效益。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。