本实用新型属于污水处理领域，尤其是涉及一种包括填料的污水处理系统。
背景技术：
随着人口的增长和经济的发展，对水资源需求逐渐增加，同时污水排放量也越来越大，中国的水资源形势岌岌可危。通过分析水质发现化学需氧量、“三氮” (亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和氨氮)、五日生化需氧量以及总磷等污染指标超标严重，虽然越来越多的企业开始运用绿色技术，尽量减少废物产生，提高水质质量，但效果仍未太明显，为了使得水资源能够可持续发展，废水处理技术则显得非常重要，尤其现在就地处理废水技术太少，不能使得废水及时有效得以处理，从而使得水污染日益增重。
废水主要来源于生活废水、工业废水、畜禽养殖场废水及农业废水等，废水的主要指标为化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、氨氮以及总磷等，其中含有能致病的大量病原体微生物、能促进水生植物生长的各种营养物质以及可能致癌或基因突变的有毒化合物，因此，从保护人类健康和保护环境角度出发，必须使得废水在重新利用或直接排入环境之前进行处理。废水的处理方法很多，按其作用原理可分为物理法、化学法、物理化学法、生物法四种，处理废水时可同时运用这些方法，其中生物法是最经济有效的处理方法。目前，大部分传统废水处理厂生物处理技术采用的是活性污泥法，比如氧化沟活性污泥法、A-B活性污泥法、SBR序批式活性污泥法、投料式活性污泥法等，虽然处理效果能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，但这些方法有机负荷低，微生物浓度低，耐冲击负荷能力弱，剩余污泥产量大，易产生污泥膨胀，造成处理效率低，能耗高，还得处理大量剩余污泥。因此需要一种更加高效、节能的污水处理技术。同时传统的活性污泥法的系统体积大，占用空间多，在处理污水前还需要配置大规模的管网将污水收集起来，基建费用高，并且无法移动，但一些偏远地区，人口密集度低的地方，小型场所或者不适宜建设大规模管网、大型污水处理厂的地方，还有一些能使用空间较小的地方等等，这些地方无法使用传统的废水处理系统，需要一种建设和运行成本低且可移动的小型化污水处理系统。
为使小型化污水处理系统体积小同时具有较高的微生物浓度，可在这些小型化污水处理系统内添加填料，填料可为微生物提供附着生长之处。常用的填料包含板式填料、蜂窝状或者不同形状的管式填料，微生物中存在一种黏菌容易在这些填料内壁生长，导致污泥沉降下滑性能减弱，从而造成这些填料的通道变窄，最终导致填料被部分或全部堵塞。在气液固流化系统内，为使进入系统的气体分布更加均匀，需要布置气体分布器，常见的气体分布器为布风板式，但是传统的气体分布器容易被污泥堵塞，影响系统的稳定运转。
针对填料和气体分布器的缺点，有必要研究一种不易堵塞，容易沉降污泥的填料，同时该不易被堵塞的填料可用作气体分布器。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种包含一种填料的污水处理系统。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种包括填料的污水处理系统，其特征在于：包括至少一层填料层，每层所述填料层包括若干通道单元，所述通道单元内壁具备携带微生物的能力。
本实用新型的包括填料的污水处理系统采用的填料不易堵塞，容易沉降污泥，甚至还可用作气体分布器。此外，将该填料放置在液固两相区或/和气液固三相区内，与固相颗粒共同作用，有助于高效处理废水。
附图说明
图1(a)-1(c)为本实用新型一个实施例中填料通道单元的横截面分布示意图；
图2为填料通道单元的横截面实例示意图；
图3(a)-图3(c)为填料通道边壁示意图；
图4为具有填料的气、液、轻颗粒接触器一个实施方式；
图5为具有填料的气、液、轻颗粒接触器另一个实施方式；
图6为具有填料的气、液、颗粒接触器的另一个实施方式；
图7为具有填料并包含轻颗粒污水处理系统示意图；
图8为具有填料并包含轻重颗粒污水处理系统示意图；
其中：
1.填料；2.曝气装置；3.轻颗粒；4.气体；5.液体；6.重颗粒；7.接触器一；8. 接触器二；9.污水；10.一级处理后出水；11.二级处理后出水；12.循环水；13. 回流水。
具体实施方式
在一个实施例中，本实用新型提供了一种用于污水处理的包含填料的污水处理系统，该系统至少包含一层填料层，每层填料层包含若干个单元通道，所述通道单元内壁具备携带微生物的能力。
对于该实施例而言，该填料层可为微生物提供附着的场所，有利于提高污水中微生物的浓度，进而可提高污水处理效率。由于通道单元内壁具备携带微生物的能力，同时颗粒较大的比表面积为微生物的生长提供足够的空间。这能够促使微生物在通道单元内壁及颗粒表面生长、繁殖，极大地增加微生物的浓度，从而提高其处理效率。具体的，微生物能够附着于所述通道单元的内壁以及颗粒的表面产生生物膜，所述生物膜可以是异养性细菌，也可以是自养性细菌，以有利于污水处理为准。当上述系统用于污水处理时，由于微生物在通道单元内壁以及颗粒表面生长与脱落，不断更新，从而很容易对有机污染物进行代谢降解反应，和 /或对氨氮进行硝化反硝化反应，和/或对磷进行释放磷和吸收磷的反应。根据具体污水的特点，可以对应的选择微生物。
更特别的，在另一个实施例中，所述通道单元内壁还可以包括一个或多个微孔，预先或在污水处理过程中在微孔中富集微生物。更进一步的，所述通道单元还可以在包括微孔的同时，包括一个或多个与微孔连通的空腔，空腔内部预先富集微生物，并在污水处理过程中通过微孔与污水接触、传质。所述微生物可以是处理污水前由通道单元预先携带的，也可以是处理污水时富集、携带自污水中本身存在的。
在另一个实施例中，当所述填料层的层数大于1时，每层所述填料层错流排列，所述错流排列是指，每层所述通道单元的俯视正投影不完全重合。
参见图1，图1(a)-1(c)所示为单元通道的截面图，图3(a)-图3(c)所示为单元通道剖面图。微生物具有附着表面生长的特性，该填料层放置在污水处理系统内后，微生物可附着生长在填料层的通道单元的内壁面上。
如上所述，该填料至少包含一层填料层，当填料层大于1时，每一层填料之间可以错流排列，如图1(a)-1(c)所示为两层填料排列示例，实线表示第一层填料，虚线表示第二层填料，从图中可以看出，下层相邻通道单元的相交线与上层通道单元的中心线可重合也可不重合，重合的情况下排列比较规整，不重合的情况也可达到相应的效果(第二层填料通道单元间的交点可位于第一层填料单元的中心点处)填料层的错流排列一定程度上增大了停留时间，提高了污水与填料表面微生物接触时间，有利于提高污水处理效率。同时，错流排列还有利于污泥的沉降，利于污水与污泥的分离，可有效地避免污泥堵塞。
在另一个实施例中，该填料的通道单元的截面可为多种形式，可以为三角形、四边形、六边形、圆形或多边形，可以为上述形式的其中一种或其组合形式。例如，图1(a)-1(c)所示为通道单元的截面分别为圆形、四边形和六边形，图中所示为两层填料错流排列。图2所示为实际使用的该填料的截面示意图。从图中可看出，该填料截面为多边形，为使得不同单元之间的连接更加牢固，不同单元之间连接处为平面，这样可大大提高单元之间的接触面积。
在另一个实施例中，所述通道单元的侧壁非竖直设置。
对于该实施例而言，该填料的通道边壁不是垂直的，边壁的边缘线最好为不规则的曲线，可以为波浪形、八字形或倒置八字形，所述波浪形为若干曲线的组合。如图3(a)-图3(c)所示所述通道单元的剖面图，阴影部分为通道单元的边壁，图3(a)为波浪形，图3(b)为八字形或倒置八字形，图3(c)为波浪形与八字形或倒置八字形的组合。不规则的曲线的通道单元的边壁与垂直的边壁相比，不规则曲线的边壁延长了通道长度，可增大污水的停留时间，使污水与通道边壁处的微生物充分接触，提高污水处理的效率。不规则的边壁可有效地提高污泥分离的效率，与垂直的边壁相比，分离后的污泥有更长的通道，使污泥中的水分更少，减少了污泥产量。垂直的通道单元边壁容易导致污泥堵塞通道，使污水处理系统无法稳定运行，而不规则的通道边壁不易被污泥堵塞，采用该填料的污水处理系统可长期稳定运行。
在另一个实施例中：所述系统还包括接触器，所述填料层位于所述接触器内，所述接触器内包括液固两相区，所述液固两相区包括液相和固相，所述液相为连续相，所述固相包括轻颗粒或/和重颗粒。
在另一个实施例中：所述系统还包括接触器，所述填料层位于所述接触器内，所述接触器内包括气液固三相区，所述气液固三相区包括气相、液相和固相，所述液相为连续相，所述固相包括轻颗粒或/和重颗粒。
对于该实施例而言，其中液相为连续相，气相可为空气，液相可为污水，固相可为颗粒。颗粒可为轻颗粒、重颗粒或轻重颗粒混合颗粒，所述轻颗粒是指颗粒的密度低于液体密度，所述重颗粒是指颗粒的密度高于液体密度。容易理解，所述混合颗粒既包含轻颗粒也包含重颗粒。
进一步的，所述轻颗粒的密度可均一也可不均一，所述轻颗粒的尺寸可均一也可不均一。所述重颗粒的密度可均一也可不均一，重颗粒的尺寸可均一也可不均一。可以理解的是，以上所述颗粒的密度是指其骨架密度，即所使用的材料的密度。
在另一个实施例中，当接触器内的颗粒为轻颗粒时，该轻颗粒至少包含两种密度或尺寸。
对于该实施例而言，所述颗粒，可以是轻颗粒、或重颗粒，或所述轻颗粒与重颗粒的混合颗粒。轻颗粒的密度小于其所处液相环境中的液体密度，可在液体中通入气体(例如自下而上通入气体)，从而成为气液混合体，此时气液混合体的密度将小于所述的液体密度。
更优的，通过改变气体进入量使得颗粒能够悬浮于气液混合体中。重颗粒的颗粒密度大于液体密度，可通过液体或者气体流动推动颗粒悬浮于液体中，也可通过气液共同作用使得轻颗粒悬浮的同时重颗粒也可悬浮。
混合颗粒包含轻颗粒和重颗粒两种颗粒，除了兼有轻颗粒的优点外，重颗粒也可以被较低的气速或液速从底部带起，使得颗粒在垂直方向上达到一定的颗粒分布，充分的利用空间。重颗粒也可以同轻颗粒那样来具备携带微生物的能力。
此外，所述的颗粒的选择尺寸可大可小，颗粒的材料和形状各式各样，优选比表面积大，形状类似球形，密度接近于液体，导液体性好的颗粒，尽量选择表面适合微生物生长的颗粒。
示例性的，图4所示为具有填料的气、液、轻颗粒接触器，填料层可放置在接触器下部，也可放置在上部，放置在上部时可起到布液的作用，使流入的液体分布更加均匀。接触器内布置有曝气装置，曝气装置出气口可与填料通道单元对应。在初始情况下，由于颗粒密度低于液相密度，轻颗粒悬浮于液体上部，此时，颗粒仅仅与上部液体接触，不利于颗粒表面的微生物与液相的充分接触，如图 4左部所示。为了使颗粒表面的微生物与液相的充分接触，需要采取措施使轻颗粒向下运动并流化起来，进一步的使轻颗粒表面微生物与液体的充分接触。此时，开启曝气装置，气体通过填料的通道向上运动，气泡进入液相内后，使得上部的轻颗粒向下运动而悬浮，从而与气相和液相充分接触，提高污水处理的效果。
在另一个实施例中：所述轻颗粒的密度大于等于所述液相密度的80％且小于所述液相密度，所述轻颗粒的总体积在所述气液固三相区中的体积分数小于等于30％。
选择轻颗粒考虑颗粒直径因素时，首选轻颗粒直径小于10mm的轻颗粒，优先选择轻颗粒直径小于5mm的轻颗粒，若所选择的颗粒直径过大，则颗粒的比表面积越小，不利于气液固三相充分接触传质。
对于该实施例而言，轻颗粒的密度低于液相的密度，轻颗粒的密度越低，越不容易被流化，不利于颗粒表面微生物与液相的接触，会增大接触器的操作难度。实用新型人的研究发现，优选的，轻颗粒的密度大于等于所述液相密度的80％且小于所述液相密度，轻颗粒的密度越接近于液相密度越有利于接触器内的操作。若轻颗粒的密度低于所述液相密度的80％，同等体积下所述轻颗粒与所述液相密度差过大，需要更大的动力才能克服轻颗粒本身的浮力，能耗过大，轻颗粒的密度与所述液相密度越接近，越容易在所述液相中悬浮。如果不在乎能耗，那么此处轻颗粒的密度可以放宽要求。
在另一个实施例中，当接触器内的颗粒为重颗粒时，该重颗粒至少包含两种密度或尺寸。图5所示为具有填料的气、液、重颗粒接触器，填料层可放置在接触器下部，使流入的气体和液体分布更加均匀。接触器内布置有曝气装置，曝气装置出气口可与填料通道单元对应。在初始情况下，由于颗粒密度高于液相密度，重颗粒堆积在接触器下部，此时，颗粒仅仅与接触器底部液体接触，不利于颗粒表面的微生物与液相的充分接触，如图5左部所示。为了使颗粒表面的微生物与液相的充分接触，需要采取措施使重颗粒向上运动，使其流化起来，进而促使重颗粒表面微生物与液体充分接触。此时，从接触器下部通入液体，液体通过填料的通道后分布更加均匀，随着液速的增加，当重颗粒受到液体向上的曳力大于重颗粒自身的重力时，重颗粒将会向上运动而流化起来。优选的，液体速度应大于颗粒的最小流化液速且小于颗粒的最小带出速度。所谓的颗粒的最小带出速度是床层由流化床向输送床转变的速度。所述曝气装置可选择性地放置在接触器上部或下部，在包含重颗粒的接触器内，曝气装置可布置在接触器下部也可布置在接触器上部。
在另一个实施例中：所述重颗粒的密度大于所述液相密度且小于等于所述液相密度的120％，所述重颗粒的总体积在所述气液固三相区中的体积分数小于等于30％。若重颗粒的密度大于所述液相密度的120％，同等体积下所述重颗粒与所述液相密度差过大，需要更大的动力才能克服重颗粒本身的重力，能耗过大，重颗粒的密度与所述液相密度越接近，越容易在所述液相中悬浮。实用新型人的研究发现，较优的重颗粒密度小于等于所述液相密度的120％，优先选择小于所述液相密度110％的重颗粒。
选择重颗粒考虑颗粒直径因素时，首选颗粒直径小于10mm的重颗粒，优先选择颗粒直径小于5mm的重颗粒，若所选择的颗粒直径越大，则颗粒的比表面积越小，同等密度下所需的最小流化速度越大，既不利于气液固三相充分接触又消耗更大能量。
当接触器内的颗粒为混合颗粒时，即颗粒相既包括轻颗粒也包括重颗粒。在另一个实施例中，如图6所示的具有填料的气、液、混合颗粒接触器，填料层可放置在接触器下部，使流入的气体和液体分布更加均匀。接触器内布置有曝气装置，曝气装置出气口可与填料通道单元对应。在初始情况下，重颗粒堆积在接触器下部，轻颗粒悬浮于接触器上部，此时，重颗粒仅仅与接触器底部液体接触，轻颗粒仅仅与上部的液体接触，接触器中间部分液体无法与颗粒表面接触，如图 6左部所示。
更进一步的，为了使颗粒表面的微生物与液相充分接触，需要采取措施使重颗粒向上运动，轻颗粒向下运动，使混合颗粒充分流化起来，进而使颗粒表面的微生物与液相充分接触。此时，液相可连续或间歇地从系统上部或下部加入到系统中，若要保持液位恒定，可增设溢流堰或采用其他可实施性方案；同时开启曝气装置，向上运动的气体通过填料的通道，气体分布更加均匀，气相进入液相后，使得气液混合流体的密度下降且增加了液体的扰动。随着气速的增大，当气速达到第一临界气速时，上层的轻颗粒向下膨胀处于悬浮状态，当气速达到第二临界气速时，下层的重颗粒受到向上气体的曳力的作用，向上膨胀处于悬浮状态。所述第一临界气速为所述轻颗粒在所述系统中形成部分悬浮的表观气速；所述第二临界气速为所述重颗粒在所述系统中形成部分悬浮的表观气速。第一临界气速和第二临界气速没有大小区分。在包含混合颗粒的接触器内，曝气装置可布置在接触器下部也可布置在接触器上部。
接触器内颗粒相越多，颗粒表面附着的微生物越多，则接触器内反应强度越大，但是颗粒相体积分数增大会增大颗粒流化的难度。实用新型人的研究发现，优选的，所述轻颗粒和所述重颗粒的总体积在所述气液固三相区中的体积分数小于等于30％。若加入颗粒量越多，相对的，气液两相所占的体积分率也会降低，颗粒越不容易被完全悬浮，不利于气液固三相充分接触、传质。在另一些情况下，气液两相体积分率的减少会导致没有足够的气液相与颗粒接触，影响三相间的传质效率。
更优选的，在所述气液固三相区中，所述气相的体积分率小于等于25％。对于该实施例而言，若所述的气相体积分率过大，气泡容易在体系中聚并形成大气泡，容易造成颗粒分散不均，从而影响三相接触反应效率。
在选择所述固相颗粒时，不仅需要考虑颗粒的密度、粒径，而且需要考虑颗粒的材质、形状、表面性能等等影响因素。所述的轻颗粒可以是塑料颗粒(如：聚乙烯、聚丙烯、发泡的聚苯乙烯等等)也可以是中空的玻璃球等等；重颗粒可以是塑料颗粒、火山岩、沸石等等。所述轻、重颗粒的形状多种多样，可以是球形，椭球形，柱状形，也可以是不规则多边形等等。颗粒选择时应优先选择比表面积大，类似球形、密度与液体接近的颗粒，既易于流化节能又具有较高的传质效率。
优选的，在另一个实施例中，所述填料还用作气体分布器。由于该填料不易堵塞，将该填料放置在气液固三相区内，与轻和/或重颗粒的固相共同作用，能够用作气体分布器，相对于仅用填料和仅用颗粒的系统具有更高的处理效率，达到高效处理废水的目的。
综上，本实用新型颗粒的加入可提供很大的表面积，有益于大量微生物附着于颗粒表面，进而提高污水处理的效果。
与现有技术对比，表1为市场上常见的用于污水处理的填料以及颗粒的比表面积汇总。实用新型人主要考察了单位体积总比表面积，从表中可以看出，总比表面积最大的填料(5#流化床填料)与直径为5mm的颗粒(实际使用的颗粒直径更小，颗粒直径越小比表面积越大)相比也相差两个数量级，且该流化床填料包含很多孔径较小的孔，在实际应用中很容易堵塞。而采用颗粒不仅大大提高了比表面积，而且可有效避免堵塞的问题。
表1常见填料比表面积汇总
在另一个实施例中，如图7所示，此系统包括两个接触器，每个接触器内都包含填料以及轻颗粒。第一接触器7和第二接触器8均为生物反应区，接触器一为缺氧区，其尺寸为1m×1m×6m(长×宽×高)，接触器二为好氧区，其尺寸为 2m×1m×6m(长×宽×高)。第一接触器和第二接触器均布置填料层1，且放置在接触器下部，既可以为微生物提供附着场所也有利于气体分布更加均匀。在接触器下部布置有曝气管通入气体4，缺氧区内的曝气量小于好氧区，在第二接触器内的曝气管数量多于第一接触器，所使用的气体为空气，曝气管是微孔型皮管，皮管口径10厘米。第一接触器和第二接触器内均加入了轻颗粒，轻颗粒的密度为930kg/m3，当量直径为2.5mm。
污水9进入第一接触器7，第一接触器7内曝气量较小，发生反硝化等缺氧反应，为使第一接触器7内轻颗粒流化状态更好，在第一接触器7内加入内循环即第一接触器7底部抽取部分水至顶部，这样可改善缺氧区内污水处理效果。经过第一接触器7处理后的处理后的废水经10流入第二接触器8内，第二接触器8 内曝气量较大，发生好氧反应，第二接触器8部分回流至第一接触器7，经第二接触器内硝化反应生成的NO3-N和NO2-N回流到第一接触器7内发生反硝化反应。第二接触器8排出的水达到相应的排放标准即可排出。
采用该系统进行污水处理实验，每天的处理量为120吨，在运行期内，进水平均COD为220g/m3，生物可降解部分为130g/m3，平均NH4-N为35g/m3，总氮为37g/m3，总磷为2g/m3。经过2.0小时的水力停留时间后，可去除87％COD， 96％总氮和85％总磷，出水达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类水标准。
在另一个实施例中，如图8所示，此系统包括两个接触器，每个接触器内都包含填料1，第一接触器7内的颗粒为重颗粒，第二接触器8内的颗粒为轻颗粒。第一接触器7和第二接触器8均为生物反应区，第一接触器7为缺氧区，其尺寸为1m×1m×6m(长×宽×高)，第二接触器8为好氧区，其尺寸为2m×1m×6m (长×宽×高)。第一接触器7和第二接触器8均布置填料层，且放置在接触器下部，既可以为微生物提供附着场所也有利于气体分布更加均匀。在接触器下部布置有曝气管通入气体4，缺氧区内的曝气量小于好氧区，在第二接触器8内的曝气管数量多于第一接触器7，所使用的气体为空气，曝气管是微孔型皮管，皮管口径10厘米。第一接触器7内加入重颗粒，重颗粒的密度为1200kg/m3，当量直径为1.8mm。第二接触器8内加入轻颗粒，轻颗粒的密度为930kg/m3，当量直径为2.5mm。
污水9从第一接触器7底部进入生物反应区，第一接触器7为缺氧区，曝气量较小，主要发生反硝化等缺氧反应。重颗粒在液体和气体的作用下向上运动，为改善缺氧区内污水处理效果，第一接触器7设计内循环，一部分水从接触器顶部返回至接触器底部。经过第一接触器7处理后的废水流入第二接触器 8内，第二接触器8内曝气量较大，发生好氧反应，第二接触器8部分回流至第一接触器7，经第二接触器内硝化反应生成的NO3-N和NO2-N回流到第一接触器7内发生反硝化反应。第二接触器8排出的水达到相应的排放标准即可排出。
采用该系统进行污水处理实验，每天的处理量为120吨，在运行期内，进水平均COD为208g/m3，生物可降解部分为110g/m3，平均NH4-N为30g/m3，总氮为32g/m3，总磷为2g/m3。经过2.0小时的水力停留时间后，可去除86％COD， 98％总氮和85％总磷，出水达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类水标准。
虽然以上的描述是针对工业过程的，但并不应该认为所述系统的应用范围仅仅限于颗粒工业过程，特别是不仅仅限于所描述的过程中。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改，等同替换和改进，均应包含在本实用新型技术方案的保护范围之内。