本发明属于污水深度处理领域，涉及一种改善生化及污水深度处理的系统及方法，具体涉及一种采用生物活性炭(pact)与浸没式超滤膜分离相结合的改善生化及污水深度处理的系统及方法。
背景技术：
市政污水具有悬浮物含量高、cod浓度高、氨氮含量高、总磷含量高等特点，常规的二级生化处理及化学沉淀法处理后，出水cod等指标仍然难以达到国家地表水标准，需采用深度处理技术进一步处理。高级氧化如臭氧氧化脱色效果好，但cod去除效果差；芬顿氧化脱色能力强、cod去除效果佳，但污泥量大，处置费用高；膜分离技术普遍存在膜污染及浓水处置问题，而且单纯使用膜生物反应器，并不能使出水稳定达到cod低于20mg/l,超滤膜对于水中溶解性的有机物无法截留，针对污水中难以生化降解的物质去除率很低。
粉末活性炭比表面积大，具有优良的吸附性能，广泛应用工业生产、污水深度处理及自来水净化，具有广泛吸附性和脱色除臭特性。据调研在上海、浙江江苏等地区的自来水厂已广泛采用粉末活性炭用于净化微污染的水源，但单纯的投加粉末活性炭不容易回收。
关于粉末活性炭和水分离的技术，常用的有混凝沉淀过滤、微孔过滤、滤布过滤、填料过滤等一系列传统工艺。传统的分离工艺虽然技术成熟，但仍存在很多不足。如：过滤精度不高，导致对粉末活性炭的截留率较低；容易堵塞，反洗频率高且反洗水量大，导致运行能耗大；出水悬浮物含量和浊度较高；对于来水波动较大的情况，系统不耐冲击造成出水水质不稳定。
采用超滤膜工艺对炭水进行分离，膜孔径较小，膜组件可完全将炭粉截留在膜池内，出水效果好，系统耐冲击，粉末活性炭和超滤膜结合，发挥各自优势，可提高出水水质，减缓膜污染，是一种技术可行的深度处理工艺。目前，国内已有成功案例：宁波自来水厂采用20万吨浸没式超滤膜分离升级传统水厂，其膜池中投加粉末活性炭用来吸附污染物以净化水质，实现了稳定出水。
采用现有的“二级生化出水+粉末活性炭+浸没式超滤膜分离”的工艺虽然具有上述优点，但仍存在许多问题：生化池出水毒性较高，氨氮含量高且超滤膜无法有效去除氨氮，运行时粉末活性炭投加量较大，对于来水cod浓度较低的情况，存在粉末活性炭未吸附饱和就排出膜池造成资源浪费的问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种利用粉末活性炭改善生化及深度处理污水的系统及方法。
本发明的系统所采用的技术方案是：一种利用粉末活性炭改善生化及深度处理污水的系统，其特征在于：包括预处理设备、生化池、二沉池、高密度沉淀池、浸没式超滤膜分离子系统；
污水经过预处理设备处理后进入生化池，然后送入二沉池，经二沉池泥水分离，出水进入高密度沉淀池进行沉淀；高密度沉淀池的污泥一部分回流至高密度沉淀池，一部分排至污泥浓缩池；高密度沉淀池的出水输入浸没式超滤膜分离子系统内，在浸没式超滤膜分离子系统内与活性炭混合分离；浸没式超滤膜分离子系统内的炭浆循环回流，一部分回流至生化池内，另一部分回流至浸没式超滤膜分离子系统内；浸没式超滤膜分离子系统内的出水，部分达标排放或回用，另一部分输送至清水池内用于浸没式超滤膜分离子系统的反洗。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种利用粉末活性炭改善生化及深度处理污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：生化处理；
浸没式超滤膜分离子系统内的粉末活性炭浆液部分回流至生化池；污水经过预处理设备处理后进入生化池，在炭浆和生化污泥的共同作用下形成生物载体，污水分别通过厌氧、缺氧、好氧三阶段进行生化降解，并通过缺氧段设置的药剂投加系统向生化池内投加乙酸钠，经生化降解的污水进入的二沉池，泥水由此分离；
步骤2：物化处理；
二沉池出水进入高密度沉淀池进行沉淀，并通过高密度沉淀池设置的药剂投加系统投加聚合氯化铝、聚丙烯酰胺进行絮凝反应，大颗粒物形成絮体，经过斜管填料的沉淀作用，进行固液分离，净水流入的浸没式超滤膜分离子系统；
步骤3：投加粉末活性炭；
通过配炭罐，采用粉末活性炭射流吸入与水混合，在炭水预混合池内配置一定浓度的炭浆，再送入浸没式超滤膜分离池中；
步骤4：炭水预混合；
高密度沉淀池出水流入炭水预混合池内，与从浸没式超滤膜分离池内通过回流管回流的炭浆进行充分混合；
步骤5：活性炭吸附及炭水分离；
浸没式超滤膜分离池内设置有外压式浸没式膜，污水透过膜丝完成深度处理过程，被截留的炭浆分别回流至生化池和炭水预混合池。
本发明具有如下的特点和有益效果：
(1)本工艺将曝气增氧、微生物生化、活性炭吸附、超滤过滤功能通过粉末活性炭耦合浸没式膜工艺的一体化污水深度处理工艺实现，用类似膜生物反应器(mbr)的工艺，利用粉末活性炭吸附加上微生物氧化氨氮、吸附降解cod、增加出水溶解氧，系统具有活性炭吸附特性也具备好氧状态下微生物的生化特性，经浸没式超滤膜分离后出水透明、溶解氧含量5mg/l以上。
(2)膜池内粉末活性炭除了吸附水中难生化降解有机物，并附着微生物具备生物炭的特性，逐步累积到30000mg/l的高浓度炭浆，有利于形成快速达到吸附平衡增强系统应对水质和水量冲击的稳定性。由于膜池内有机物浓度低，活性炭于低浓度污水中达到吸附平衡后在高浓度污水中仍有吸附性能，炭浆浓度稳定后逐步将炭浆排入生化池中，形成生物活性炭(pact)工艺。
(3)pact工艺具有以下优点：①改善污泥沉淀性能，降低了svi；②提高了不易降解cod的去除率，特别是能有效地去除纺织、造纸制浆和染料废水的色度和臭味，减少曝气池的发泡现象，这主要得益于粉末活性炭的吸附作用；③改善污泥絮体的形成，这是由于活性炭与絮体结合后，絮体密度增大再加上活性炭的多孔性，絮体与之结合更充分；④增加了无机物的去除率，增加了对重金属冲击负荷的适应性,炭吸附与金属相络合的有机物，在含硫量较高时在炭表面形成硫化沉淀析出，重金属随生物絮体共沉析；⑤降低了生物处理出水的毒性，减轻了出水对鱼类的毒害；⑥减少了对异养微生物或硝化微生物的抑制，有脱氮作用；⑦降低了vocs向气相的转移，在活性污泥系统中考虑voc控制，pact工艺会有一定的效果；⑧提高系统总的污染物去除效率，大大改善出水水质，pact法优于传统的活性污泥法；
(4)pact池中饱和炭浆与生物污泥定期收集进行脱水处理，因含有粉末活性炭的污泥自身絮体比较松散，脱水过程中可大大减少加药量，脱水更快，有效缩短了工作周期，降低了能耗。
(5)本工艺可根据调整超滤膜池内的粉末活性炭投加量(50—600mg/l)，从而达到地表水标准或更高级别的出水水质标准。
(6)本工艺可根据来水水质特点，投加硝化菌及特定微生物菌种以降低氨氮值和其他难降解的污染物。
(7)本工艺具有自动化程度高，操作及运行管理简单，大规模工程化采用模块化组件，维护更换便利，大规模工程实施应用简单。
附图说明
图1：本发明实施例的系统结构图；
图2：本发明实施例的方法原理图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种利用粉末活性炭改善生化及深度处理污水系统，包括传统预处理设备、生化池、二沉池、高密度沉淀池、浸没式超滤膜分离子系统、加药间；
污水经过传统预处理设备处理后进入生化池，生化池由厌氧池、缺氧池、好氧池组成，缺氧池设置有药剂投加系统，通过加药管向池内投加乙酸钠；污水通过厌氧、缺氧、好氧作用，经二沉池泥水分离，出水进入高密度沉淀池，高密度沉淀池设置有药剂投加系统，通过加药管向池内投加pac(聚合氯化铝)、pam(聚丙烯酰胺)絮凝沉淀，污泥一部分回流至高密度沉淀池的加药池，一部分排至污泥浓缩池，出水进入浸没式超滤膜分离子系统内；浸没式超滤膜分离子系统由炭水预混合池和浸没式超滤膜分离池组成，炭水预混合池设置有配炭罐，配炭罐通过加炭管投加粉末活性炭并在炭水预混合池内进行炭水混合，浸没式超滤膜分离池内设置多组外压式浸没式超滤膜，外压式浸没式超滤膜采用中空纤维增强膜丝，膜的孔径为0.01～0.1微米，膜丝材质为聚偏氟乙烯(pvdf)。浸没式超滤膜分离子系统配置有鼓风机，为炭水预混合池和浸没式超滤膜分离池提供搅拌所用的空气源。采用浸没式超滤膜分离炭水，出水经消毒后排放浸没式超滤膜分离池内的炭浆循环回流，一部分回流至生化池内形成pact(生物活性炭)工艺，改善生化池内污泥的生化作用、吸附污染物，生化池配有独立的风机房，为回流的粉末活性炭浆液和生化污泥好氧曝气提供所用的空气源。系统还可根据来水水质特点，向浸没式超滤膜分离池内投加硝化菌或特定微生物菌种用于脱氮或其它用途。饱和废炭液与生化污泥在生化池内积累并定期排至污泥浓缩池。为维持浸没式超滤膜池内稳定的炭浓度，定期排放少量的炭至污泥浓缩池，所有污泥集中处置。经浸没式超滤膜分离池分离出的清水流入消毒池消毒，一部分达标排放或回用，另一部分输送至清水池内用于超滤膜的反洗。加药间用于乙酸钠、pac(聚合氯化铝)、pam(聚丙烯酰胺)、粉末活性炭、硝化菌或特定微生物菌种等药品的储存、配制和输送。
本发明的技术原理为：
本发明结合了“粉末活性炭+生化法”(pact工艺)、“粉末活性炭+特种微生物菌种+浸没式膜分离反应器”相结合的深度处理污水技术，具体技术原理如下：
采用高浓度粉末活性炭与污水充分混合吸附水中污染物，采用外压式中空纤维增强丝超滤膜来分离水中的粉末活性炭，并且通过加药管道向膜分离池内投加硝化菌或特定微生物菌种，用于脱氮或降解其它难降解的污染物。膜组件下布置穿孔管曝气，气流带动水流强烈扰动可使粉末活性炭与污水充分接触反应及更新膜表面。产水利用自吸泵形成负压抽出清水。整个运行周期含产水、静置、反冲洗过程，由自动控制设备灵活设定。
粉末活性炭吸附+浸没式超滤膜分离子系统粉末活性炭累积浓度高达30000mg/l，活性炭层持续更新，为维持稳定的炭浓度，除了回流至炭水预混合池内，膜池内拟定期排放少量的活性炭浆至生化池从而形成pact(生物活性炭)工艺。生化池分为厌氧-缺氧-好氧三个区域，缺氧池内设置曝气搅拌机，并投加乙酸钠作为碳源，进行硝化-反硝化反应，去除氨氮。好氧区底部布置穿孔管曝气，可使粉末活性炭、活性污泥与污水充分接触，强化生化作用，降解污染物，降低出水毒性，有效提高cod的去除率。
浸没式超滤膜分离池前设置一个炭水预混合池，从膜池内回流高浓度炭浆与进水混合，水力停留时间约30～40min，预混合池底部布置穿孔管曝气，可使粉末活性炭与污水充分接触反应。
同时可根据调整超滤膜池内的粉末活性炭投加量，从而达到地表水标准或更高级别的出水水质标准。
请见图2，本发明提供的一种利用粉末活性炭改善生化及深度处理污水方法，具体实现包括以下步骤：
步骤1：生化处理；
污水经过传统预处理设备处理后进入生化池，浸没式超滤膜分离池内的粉末活性炭浆液部分回流至生化池形成pact(生物活性炭)工艺，在炭浆和生化污泥的共同作用下形成生物载体，有效控制污泥膨胀，污水分别通过厌氧、缺氧、好氧三阶段进行生化降解，并在缺氧段设置药剂投加系统，通过加药管向池内投加乙酸钠，生化池内的生化作用得到了改善和加强，经生化降解的污水进入二沉池，泥水由此分离。
步骤2：物化处理；
二沉池出水进入高密度沉淀池，投加pac(聚合氯化铝)、pam(聚丙烯酰胺)进行絮凝反应，大颗粒物形成絮体，经过斜管填料的沉淀作用，进行固液分离，净水流入浸没式超滤膜分离子系统。
步骤3：投加粉末活性炭；
向粉末炭配炭罐投加一定计量的粉末活性炭，采用粉末活性炭射流吸入与水混合，配置一定浓度的炭浆，再由隔膜计量泵打入浸没式超滤膜分离池中；
步骤4：炭水预混合；
高密度沉淀池出水流入炭水预混合池内，与从浸没式超滤膜分离池内通过回流管回流的炭浆进行充分混合；
步骤5：活性炭吸附及炭水分离；
浸没式超滤膜分离池内设置有外压式浸没式膜，污水透过膜丝完成深度处理过程，被截留的炭浆分别回流至生化池和预混合池；
步骤6：特定生物菌种的投加；
根据前端来水的水质特点，向浸没式超滤膜分离池内投加硝化菌或特定微生物菌种，可进行脱氮或去除其它难降解污染物，更进一步改善水质。
本发明均是通过自动控制设备控制运行，下面通过一个实施例来进一步阐述本发明。
某大型市政污水处理厂的一期工程3万吨/天，采用“旋流沉砂池+倒置a2o氧化沟+高密度沉淀池+紫外消毒”工艺，氧化沟生化出水经二沉池沉淀、高密度沉淀池物化处理后，再经紫外消毒后排放，针对排放尾水做深度处理提标工程，中试规模500m3/d。进水codcr值：60mg/l,悬浮物：20mg/l,氨氮：8mg/l。其工艺设备选型参数如下：
(1)乙酸钠投加量：日均加药量约为20～50mg/l，日投加总药量为10～25kg/天。
(2)系统调试时，向a2o生化池内一次性投加的粉末活性炭为62.5kg，相当于a2o生化池池容(v＝250m3,水力停留时间12h)的0.5‰，充分混合后池内粉末活性炭的浓度逐步提升至为2.5g/l。
(3)系统调试时，向浸没式超滤膜分离池内一次性投加的粉末活性炭为105kg，相当于浸没式超滤膜池池容(v＝42m3,水力停留时间2h)的5‰，充分混合后池内粉末活性炭的浓度逐步提升约为50g/l。
(4)日常运行时，向浸没式超滤膜分离池内日常投加的粉末活性炭的加药量为500mg/l(以小时处理流量21m3/h计算)，配制成的炭浆浓度为5％左右，待中试系统运行稳定后，膜池内的炭浓度大约在10000mg/l。
(5)日常运行时，从浸没式超滤膜分离池内回流至a2o生化池内的炭浆流量是进入膜池配制5％炭浆流量的50％～200％。
(6)从浸没式超滤膜分离池内回流的炭浆流量是流入炭水预混合池内进水流量的1.5倍，混合时间为40min，曝气时间为80min。
(7)产水压力及产水量：粉末活性炭+浸没式超滤膜分离子系统采用自吸泵产水，产水流量控制为21～25m3/h，自吸泵抽吸压力为20～25米，根据长期运行记录进行分析，跨膜压差变化值较小，说明膜污染堵塞情况极小，稳定性高。
(8)反洗压力及反洗水量：反洗压力为0.05mpa～0.15mpa,反洗水流量为出水流量的1.5～2倍，每个周期反洗时间为15s，反洗水量约占产水量的5％。
(9)特种微生物菌种投加量：以硝化菌为例，为了去除有效氨氮，硝化菌日均加药量为0.5～5.0mg/l，日投加总药量为0.25～2.5kg/天。其它特定微生物菌种的加药量可视来水水质情况而定。
(10)运行周期：粉末活性炭+浸没式超滤膜分离子系统的运行周期为10分钟一个周期，具体运行周期为：运行8分钟，停机1分45秒，反洗15秒。
(11)倒置a2o氧化沟的溶解氧do含量：缺氧池0.5mg/l,好氧池2～4mg/l。
采取以上工艺处理后，结果如下，达到地表水三类标准，且水质稳定。本实施例结果如下表1所示。
表1处理后出水水质参数
本发明结合了“粉末活性炭+生化法”(pact工艺)、“粉末活性炭+特种微生物菌种+浸没式膜分离反应器”相结合的深度处理污水技术，实现工艺流程简单、自控程度高、处理效果稳定、活性炭无需再生避免二次污染，具有强化生化作用，有效控制污泥膨胀，生化出水毒性更低，对大分子显色物质去除效果更好，对cod的强化去除率(相比于传统a2/o)提升超过10％，并可有效脱氮及去除特定污染物的污水处理工艺。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。