一种用于污水处理的轻颗粒系统的制作方法

本实用新型属于污水处理领域，尤其是涉及一种用于污水处理的轻颗粒系统。

背景技术：

随着人口的增长和经济的发展，我国对水资源的需求会越来越大，废水排放量也随之增加，这些造成了我国的水资源形势岌岌可危。目前，越来越多的企业开始运用绿色技术，尽量减少废物产生，以此来提高水质质量，但其效果仍未太明显。为了使得水资源能够可持续发展，必须对排放的废水进行处理，将废水变为可用水，由此可见，废水处理技术是非常重要的，尤其现今的就地废水处理技术太少，不能使得废水及时有效地被处理，从而使得水污染日益增重，水质质量逐渐降低。

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，其中含有能促进水生植物生长的各种营养物质、能致病的病原体微生物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，在废水重新利用或直接排入环境之前，必须对其进行处理。处理废水的方法有很多，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，因而被广泛采用。

固体流态化技术是一种新型的污水处理工艺，它将传统的活性污泥法和生物膜法有机结合并引入化工流态化技术，具有高负荷、高效率等特点。固体颗粒上附着微生物，通过流态手段使固体颗粒悬浮于污水系统中，由于颗粒具有较大的比表面积可有效地提高系统中微生物的浓度，从而提高水处理效率，整个体系中污泥产量低，有机负荷高。在流态化应用中，固体颗粒的选择是影响污水处理效率的关键因素之一，传统的固体流态化体系一般选用密度大于水的重颗粒作为固相，若要维持重颗粒的流化需要消耗较多的能量，液体回流比大。因此现今需要找到合适的固体颗粒应用到流态化污水处理中，从而节约能量。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种用于污水处理的轻颗粒系统，以克服现有技术的不足。在污水处理系统中通入气体，使气液混合流体的平均比重下降，当混合流体的平均比重与轻颗粒接近或相当时，气体流动的少许搅动，即可使轻颗粒被分散在液相中，利于气液固三相充分接触，且节省能耗。

为达到上述目的，本实用新型公开了如下技术方案：

一种用于污水处理的轻颗粒系统，其特征在于：包括接触器，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，所述固相为轻颗粒，所述轻颗粒至少能够通过其表面携带微生物，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：在液相中通入气体，通过降低气液两相流体的混合密度，使轻颗粒分散在液相中，轻颗粒较大的比表面积，为微生物附着提供足够的空间，有利于微生物充分与污水接触，促进生化反应的进行。其含有的轻颗粒系统应用于污水处理不仅能够使微生物浓度得到极大的提高，耐冲击负荷增强，剩余污泥产量小，无污泥膨胀，而且通过气液共同作用使得轻颗粒悬浮的方式可以更多的降低能耗。因此该系统具有效率高、能耗低的特点。

附图说明

图1为本实用新型的轻颗粒悬浮系统结构示意图；

图2-4为本实用新型的轻颗粒污水处理系统示意图。

具体实施方式

为了更好的理解此箱笼式颗粒分布小系统，下面结合实施例进行阐述该装置。

在一个实施例中，本实用新型公开了一种用于污水处理的轻颗粒系统，包括接触器，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，所述固相为轻颗粒，所述轻颗粒至少能够通过其表面携带微生物，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度。

容易理解，所述系统用于污水处理时，所述接触器与所述轻颗粒悬浮系统所作用的污水存在接触，以便实施污水处理。对于该实施例而言，其创造性的结合了气液固三相的充分接触、轻颗粒容易在液相中悬浮、以及轻颗粒能够至少通过其表面携带微生物这三者的特点，使得：当系统用于污水处理时，颗粒较大的比表面积为微生物附着提供足够的空间，由于微生物在悬浮颗粒介质的表面生长与脱落，不断更新，可有效地提高系统中微生物的浓度，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，从而提高污水处理效率。此外，该实施例可以根据具体污水的特点，对应的选择微生物。

上述系统中通入气体或液体(容易理解的，也可以是气体和液体两者都有)，系统内的轻颗粒在液体或气液混合相流体的作用下，更易于处于流态化，从而均匀分散在系统中。与此伴随的，颗粒上覆载的微生物随着颗粒的运动各处游走从而处理周围的污水。容易理解，此处的气体或液体是主要用来使得所述颗粒流动，所述液体可以是待处理的污水，也可以是待处理的污水之外的其他液体，只要该液体不妨碍或者没有不利于污水处理即可。如果微生物含量越高、且系统越容易被控制的话，那么就越容易提高系统处理污水的能力。

此外，对于轻颗粒的密度而言，同等体积下所述轻颗粒与所述液相密度差太大，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。鉴于实用新型人所发现的这一点，所述的轻颗粒的尺寸可大可小，颗粒的材料和形状各式各样，如聚乙烯、聚丙烯、发泡的聚苯乙烯、中空玻璃球等等不排除其他颗粒，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，应用于污水处理时则尽量选择表面适合微生物生长的颗粒。

更特别的，所述轻颗粒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，所述轻颗粒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颗粒预先携带的，也可以是处理污水时富集、携带自污水中本身存在的。

进一步的，在另一个实施例中，若要维持系统内的颗粒处于悬浮状态，系统内流体的速度需大于颗粒的最小流化速度且小于颗粒的最小带出速度。此处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。

在另一个实施例中，所述接触器的环境为厌氧环境、缺氧环境或好氧环境。不同的环境下可以处理不同的污染物。如果能够组合厌氧环境、缺氧环境，以及好氧环境，那么也可以将本系统应用于不同组合的环境中。

在另一个实施例中，所述接触器内还包括液固区，所述液固区包括液相和固相。由于可能面临气液固三相体系会出现没有气相的情形，在该实施例中，所述接触器还包括液固区。特别是当污水处理针对厌氧环境和/或缺氧环镜时，或者所述气体并非连续供应，而是采用间歇曝气或不曝气，那么参照前述实施例那样，该实施例所述液固区的固相同样可以为轻颗粒，此处轻颗粒外表面同样载有微生物，此处轻颗粒的密度同样小于所述液相密度。

在另一个实施例中，所述气相连续或间歇地自下而上流动。对于该实施例而言，这使得气相和液相混合后的流体密度降低，从而所述轻颗粒尽可能的分散于所述液相中。轻颗粒分散于所述液相中，有利于微生物充分与污水接触，促进生化反应的进行。气相连续或间歇地通入系统中，可根据污水处理系统的需氧情况进行曝气，节省能耗，提高反应效率。

进一步的，在所述的一种用于污水处理的轻颗粒系统中，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。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。

优选的，轻颗粒的体积在所述气液固三相区中的体积分率首选小于等于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。

更优的，在另一个实施例中：在所述气液固三相区中，所述气相的体积分率小于等于25％。若所述的气相体积分率过大，克服气相对固相颗粒的曳力占很大的能耗，另外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。

可选择的，所述气液固三相区之中的任何部位皆可设置一个或多个气体分布器，所述的气体分布器在设备中的排列多种多样，优选将气体分布器设置在三相区的下部，所述气体分布器用于均匀分布气体。

在另一个实施例中，所述设置在三相区下部的气体分布器，可以在系统横截面上均匀分布，也可以集中设置在一个或者多个横截面区域内。当多个所述气体分布器在系统横截面上均匀分布排列时，可以形成均匀上升的气流，有利于轻颗粒的自由悬浮；当所述多个分布器集中设置于某些区域时，可以带动所述的气相自下而上优先从该区域通过，从而促使形成局部集中的气体上升，导致更多液体在其它区域向下流动，从而更有效地悬浮轻颗粒。

在另一个实施例中，所述设置在三相区中的气体分布器，可以在一个或者多个相同的横截面位置上，沿系统高度形成两个或多个分布器的上下垂直排列。气体分布器沿系统高度垂直排列的这种方式导致所述的气相自下而上优先从所述区域通过，从而促使形成局部集中的气体上升，导致更多液体在其它区域向下流动，从而更有效地悬浮轻颗粒。

在另一个实施例中，所述的气相自下而上流动，部分或者全部通过系统内置或者外置的管道来完成，所述管道优选垂直设置或者主体为垂直设置的管道。内置管道可以是全封闭式、并封闭式、全开放式管道。另外无论是内置管道不是外置管道，气体分布器可设置在管道下端附近或直接分布在管道中，这样可使得气泡向上运动的过程中带动管道内或周围的液体向上流动，从而液体在其它区域向下流动，更有效地悬浮轻颗粒。所述的气体分布器可为低效气体分布器或高效气体分布器，在好氧环境下优选高效型，如微孔型气体分布器，这样才能使气泡均匀分布在反应区内，让颗粒更好的悬浮，亦可提高溶氧量。而在缺氧或厌氧环境中则优选低效型，如管式分布器，这样才能诱导大气泡的产生，从而加强液体自循环量，亦可降低溶氧量。

在另一个实施例中，在所述的一种用于污水处理的轻颗粒系统中，所述接触器的形状可以是规则壳体或不规则壳体，优选的，规则壳体为长方壳体，所述的长方壳体的上端面全封闭、部分封闭或全部开放。容易理解，该接触器可以随具体应用场景的需求而自由选择较适宜的形状。

进一步的，在所述的一种用于污水处理的轻颗粒系统中，所述接触器内还设有微通道，所述微通道包括若干层填料，每层所述填料包括若干通道单元，每层的所述通道单元交错设置。优选的，所述微通道设置在接触器的下部。这些微通道可使流体进入气液固三相体系之前得到均匀的分布，有利于后续的各相之间的接触、传质。

进一步的，所述通道单元为立方体形通道、长方体形通道，或其它类型的通道。对于该实施例而言，其揭示了通道单元的具体选型，原则上，规则形的通道，例如立方体形或长方体形，可以作为优选的通道选型，这有利于降低分布过程中不必要的能耗。

此外，在另一个实施例中，本实用新型还公开了一种利用所述轻颗粒系统处理污水的方法，污水通入所述轻颗粒系统中，处理后的污水从所述轻颗粒系统中排出。依赖该方法，水循环系统可连续地处理污水。

在另一个实施例中，轻颗粒污水处理的流程可以详细示例如下：在污水体系中装有一定体积的、前文所述的、载有微生物的轻颗粒系统，污水从系统的上部或下部间歇或连续地流入到系统中，气体从装置的底部通入，通过曝气装置后进入系统中，随着气速的加大，使得气、液混合流体的平均密度下降，当气、液混合流体的平均密度降低到接近或等于液相水的密度(或具体情形下的污水密度)时，气体或液体稍微的扰动便可使位于上部的轻颗粒向下进行流化。进一步增加到合适的气速，系统中的轻颗粒在气、液流体的共同作用下均匀地分散在体系中，在此过程中，附着固体上的微生物对污水进行处理，处理完的水从系统中排出。优选的，为了提高水力停留时间，系统中可以额外设置水的自循环装置。

进一步的，使用多个所述轻颗粒系统，其中，任意一个所述轻颗粒系统与至少一个其他的轻颗粒系统之间设有液体流通管路。就该实施例而言，多个所述轻颗粒系统共同使用，可以增强污水处理的能力。此外，当多个所述轻颗粒系统共同使用时，所述接触器的环境可为厌氧环境、缺氧环境或好氧环境或其组合。

在另一个实施例中，在所述轻颗粒系统中，所述轻颗粒被连续或间歇地加入和取出。就该实施例而言，轻颗粒被连续或间歇地加入到所述系统中并连续或间歇地从该轻颗粒系统中取出，易于使颗粒循环。若所述轻颗粒连续地加入到所述系统中，并从所述系统中连续取出，这样有利于所述固相颗粒的循环使用，便于工业连续生产；若所述轻颗粒间歇地加入到所述系统中并从所述系统中间歇取出，这样可用于间歇反应以及不常更换固相的化工过程。

进一步的，在另一个实施例中，在所述轻颗粒系统中，所述液相被连续或间歇地加入和取出，可选择性的，所述液相从所述气液固三相区的上方被加入。

进一步的，当所述接触器内环境为厌氧环境或缺氧环境时，所述气相间歇曝气，当所述接触器内环境为好氧环境时，所述气相间歇曝气或连续曝气。根据生物环境需氧量，通过不同的曝气方式可有效地控制体系中的氧含量，为微生物的生长提供最佳的需氧环境。

在另一个实施例中，如图1所示，本实用新型的轻颗粒悬浮系统包括气液固三相区，所述的三相区包括气相、液相和固相。液相为所处理的污水；气相为空气，空气一则为系统提供足够的氧气，二则提供动力使颗粒得到充分的混合。

如图2所示为本实用新型的轻颗粒污水处理系统示意图，此装置包括两个接触器。接触器1和接触器2均为生物反应区，接触器1为缺氧区，其尺寸为0.5m×1m×6m(长×宽×高)，接触器2为好氧区，其尺寸为1m×1m×6m(长×宽×高)。3为高效填料，接触器1和接触器2均布置高效填料层，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4，曝气管在系统横截面上采用均匀排列的方式，缺氧区内的曝气量小于好氧区，在接触器2内的曝气管数量多于接触器1，所使用的气体为空气6，曝气管是微孔型皮管，皮管口径10厘米。接触器1和接触器2内均加入了轻颗粒5，轻颗粒的密度为930kg/m³，当量直径为2.5mm(也可是直径小于5mm，密度800-1000kg/m³之间的轻颗粒)。

污水7进入接触器1，接触器1内曝气量较小，发生反硝化等缺氧反应，为使接触器1内轻颗粒流化状态更好，在接触器1内加入内循环即在接触器1底部抽取部分水经管线10至项部，这样可改善缺氧区内污水处理效果。经过接触器1处理后的废水经管线8流入接触器2内，接触器2内曝气量较大，发生好氧反应，经过接触器2的废水达到相应的排放标准即可经管线9排出。

采用该装置进行污水处理实验，每天的处理量为70吨，在运行期内，进水平均COD为250g/m³，平均NH₄-N为30g/m³，总氮为36g/m³，总磷为1.8g/m³。经过2.0小时的水力停留时间后，可去除90％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3所示为本实用新型的轻颗粒污水处理系统示意图，此装置包括两个生物反应区。所述两个生物反应区分别为缺氧区和好氧区。整套设备为碳钢材料钢板制成，缺氧区有效尺寸为1m×1m×5m(长×宽×高)，好氧区有效尺寸为2m×1m×5m，缺氧区和好氧区之间的隔板厚度为10mm，好氧区内的隔板厚度为5mm，高度为1.2m。缺氧区和好氧区内均加入了轻颗粒，轻颗粒的密度为950kg/m³，当量直径为3.0mm，轻颗粒外表面可携带微生物。

在缺氧区内气体分布器集中设置于设备底部(也可设置在其他高度部位)，气体分部器优选低效型分布器，如管式分布器，这样才能诱导大气泡的产生，促使形成局部集中的气体，带动附近的液体向上运动，导致更多液体在其它区域向下流动，从而更有效地悬浮轻颗粒，且大气泡上升速度快传质效率低亦可降低溶氧量，适用于缺氧区。

在好氧区内系统横截面上隔板两侧皆均匀设置多个气体分布器，采用的气体分布器是是微孔型皮管，皮管口径10cm，这种微孔型皮管曝气产生的气泡小，曝气效率高，增加系统内的溶氧量，利于微生物的生长繁殖，且气体量的增加使得系统内气、液混合流体的平均密度下降，气体对液体的作用造成对颗粒的扰动更利于轻颗粒的悬浮。

污水从缺氧区的上部进入，缺氧区内曝气量小，发生反硝化等缺氧反应，为使缺氧区内轻颗粒流化状态更好，在缺氧区内可设置水的自循环，这样可改善缺氧区内污水处理效果。缺氧区处理后的废水经下部相连的孔道流入右侧好氧区，好氧区内曝气量较大，发生好氧反应，与缺氧区相似为了更好的流化轻颗粒，好氧区也可设置水的自循环，经过好氧区处理后的废水达到相应的排放标准即可从装置的底部经上升管道排出。

采用该装置进行污水处理实验，每天的处理量为150吨，在运行期内，进水平均COD为260g/m³，平均NH₄-N为30g/m³，总氮为38g/m³，总磷为1.7g/m³。经过2.0小时的水力停留时间后，可去除91％COD，95％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4所示为本实用新型的轻颗粒污水处理系统示意图，此装置包括两个生物反应区。所述两个生物反应区分别为缺氧区和好氧区。整套设备为碳钢材料钢板制成，缺氧区有效尺寸为1m×1m×8m(长×宽×高)，好氧区有效尺寸为1m×2m×8m。缺氧区和好氧区内均加入了轻颗粒，轻颗粒的密度为960kg/m³，当量直径为2.8mm，轻颗粒外表面可携带微生物。

在缺氧区内气体分布器设置于内置管道内部(也可设置外置管道)，气体分部器优选低效型分布器，如孔板式分布器，气体在液体中形成上升的大气泡，这些大气泡沿着管道上升的过程中带动管内的液体向上流动到达系统的上部，从而导致系统上部的液体沿管道周围向下流动，从而更有效地悬浮轻颗粒，且大气泡上升速度快传质效率低亦可降低溶氧量，适用于缺氧区。

在好氧区内，气体分布器设置在多个不同的横截面位置上，并沿系统高度形成多个分布器的上下垂直排列，具体如图4所示，采用的气体分布器是是微孔曝气头，这种微孔曝气头产生的气泡小，曝气效率高，可增加系统内的溶氧量，利于微生物的生长繁殖，且气体量的增加一方面使得系统内气、液混合流体的平均密度下降，另一方面气体对液体的作用造成对颗粒的扰动增加，有利于轻颗粒的悬浮。

污水从缺氧区的上部进入，缺氧区内曝气量小，发生反硝化等缺氧反应，为使缺氧区内轻颗粒流化状态更好，在缺氧区内可设置水的自循环，这样可改善缺氧区内污水处理效果。缺氧区处理后的废水经下部相连的孔道流入右侧好氧区，好氧区内曝气量较大，发生好氧反应，与缺氧区相似为了更好的流化轻颗粒，好氧区也可设置水的自循环，经过好氧区处理后的废水达到相应的排放标准即可从装置的底部经上升管道排出。

采用该装置进行污水处理实验，每天的处理量为200吨，在运行期内，进水平均COD为255g/m³，平均NH₄-N为32g/m³，总氮为39g/m³，总磷为1.8g/m³。经过2.0小时的水力停留时间后，可去除90％COD，93％总氮和84％总磷，出水达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类水标准。

综上，本实用新型提供了一种用于污水处理的轻颗粒系统，使用该系统进行污水处理，可有效提高微生物浓度，具有处理效率高，能量消耗少，污泥产量低，有机负荷小等优点。

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。