一种自维护污水处理一体化设备及其污水处理方法

本发明涉及水处理设备技术领域，尤其是涉及一种低能耗的自维护污水处理一体化设备及其污水处理方法。

背景技术：

近年来，随着国家对农村水环境问题的重视，我国农村兴建了大量污水处理设施。一体化设备由于高度集成、占地小、运输方便、基建工期短等优势而被广泛使用。专利202010278347.8公开了一种小型村镇污水处理一体化设备，其包括预处理初沉除杂单元，生化脱氮除磷单元，膜组件深度处理单元，清水池消毒单元等，解决了村镇污水处理效率低，低温环境运行不稳定等问题。这种小型村镇污水处理一体化设备虽然具有良好的处理效果，但由于具有脉冲配水泵，回流泵，反冲洗泵，曝气系统，膜组件系统，消毒装置等多个耗电设备，因此导致整个系统运行费用较高。此外，专利201910771888.1也公开了一种分散式污水处理一体化设备，其包括顺次排列的缺氧箱、好氧箱、沉淀箱三个区域，缺氧池和好氧池兼装有生物填料，其采用曝气气提回流的方式，并将沉淀池进行了简化，具有较好的cod、总氮去除效果，运行成本较低。这种分散式污水处理一体化设备虽然简单，且可以对污水进行处理，但存在以下缺点：一是缺氧池、好氧池、沉淀池独立放置，整体设备空间利用率不高；二是回流需要额外曝气，增加了曝气风机功率；三是此沉淀池分离效果欠佳，可能存在出水ss较高的现象。

当前一体化工艺中，大多只是简单套用城市污水处理工艺，主要是基于高度集成及减少占地与施工成本考量，普遍存在结构复杂，用电设备多(尤其是电器元件设备)，成本高，能耗大，运行及维护要求高等问题。与城市不一样，我国农村居住分散，资金、人才与技术短缺，落后的经济与技术水平不足以支撑现有设备的正常运行。因此，在我国农村一体化设备建成之后，很快被闲置的现象非常普遍。

综上可知，在保证出水达标的前提下，将一体化设备化繁为简，尽量减少用电设备，降低维护要求，以降低运行费用，成为解决农村污水治理的重点与难点。

技术实现要素：

针对我国一体化设备存在的问题，本发明的目的在于提供一种自维护污水处理一体化设备及方法，通过虹吸排水对滤床进行反冲洗，实现滤床的干湿交替运行和自行维护能力；通过三区层层嵌套，提高容积利用率，降低散热，强化低温处理效果；实现了硝化液回流与污泥回流，提高系统抗冲击能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

一种自维护污水处理一体化设备，包括反应器主体，反应器主体内部设有滤床，沿反应器主体侧壁设有伸入滤床下方的进水管和虹吸排水管，进水管连通气提回流管，气提回流管管口端部连通倒锥形罐体，倒锥形罐体将滤床下方的反应器主体上下分隔为沉淀区和好氧区，好氧区内设由缺氧反硝化罐分隔的缺氧区，缺氧反硝化罐上部与进水管连通，底部设缺氧区出水口；反应器主体底部设有排泥管。

作为进一步优选，所述缺氧反硝化罐置于反应器主体底部，缺氧区底部出水口与好氧区连通；所述沉淀区底部与好氧区相通，供沉淀区浓缩污泥自回流至好氧区。

作为进一步优选，所述好氧区内设有悬浮填料和射流曝气泵，射流曝气泵的出水口沿好氧区内筒壁切线方向布置。

作为进一步优选，所述好氧区与沉淀区之间锥形罐体壁上开有小孔，为好氧区出水口。

作为进一步优选，所述气提回流管顶部上方连接空气释放管。

作为进一步优选，所述虹吸排水管包括竖管、横管和u型存水管顺次连接构成，其中竖管通过虹吸套管穿过滤床与沉淀区相连通，u型存水管上端设有气体电磁阀，虹吸套管中装有液位阀，液位阀通过导线与电磁阀连接作为进一步优选，所述虹吸排水管的横管上方设有出水管。

作为进一步优选，连通进水管的气提回流管的横管的高度不低于出水管的高度。

本发明进而给出了一种所述设备的低能耗自维护一体化污水处理方法，包括：

经预处理的污水，在经进水管与来自好氧区的硝化液经气提回流管汇合后，进入缺氧区进行缺氧反硝化；

好氧区出水在沉淀区进行泥水分离，上清液经滤床后外排，浓缩污泥回落至好氧区；

好氧区中剩余泥水混合液经好氧区出水口进入沉淀区，污泥下沉后重新回到好氧区，上清液上升经滤床渗出；

贯穿滤床的虹吸套管水位上升至设定水位，虹吸排水管虹吸排水，滤床水流方向向下，完成反冲洗；

根据进水量及进水cod、氨氮、总氮和总磷浓度，通过调节水气比、气提回流量、污泥龄，去除污水中的cod、氨氮、总氮和总磷。

本发明的有益效果在于：

本发明中，好氧池气体被收集于锥体顶部，用于硝化液的气提回流，此外，沉淀区浓缩污泥可自行回落至好氧区，因此无需外加回流泵，反应器运行过程中，只需一台射流曝气泵，大大降低了系统运行及维修费用。

本发明中，缺氧区、好氧区、沉淀区层层嵌套，外层沉淀区相当于保温层，污水处理中过程中，生化区域产生热量不容易流失，保证了低温处理效果。

本发明中，通过虹吸排水设置，可实现滤床的干湿交替运行，滤床微生物处于好氧-厌氧交替环境，利于废水脱氮。虹吸排水运行方式，对滤池进行反冲洗，降低滤床堵塞。提高系统抗冲击能力，并具有自行维护能力，可实现无人值守。

本发明中，滤床位于反应器内部最上方，通过虹吸排水系统，可实现滤床的自维护，当滤床堵塞后，只需进行简单的人工翻疏即可，维护与更换简单，技术要求低。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的a-a剖面图；

图3是本发明b-b剖面图。

其中：1-反应器主体，2-缺氧区，3-好氧区，4-沉淀区，5-滤床，6-虹吸排水管，7-进水管，8-气提回流管，9-缺氧区进水口，10-缺氧区出水口，11-悬浮填料，12-射流曝气泵，13-空气释放管，14-好氧区出水口，15-虹吸套管，16-液位阀，17-气体电磁阀，18-出水管，19-排泥管，20-缺氧反硝化罐，21-反应器主体支撑架。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此，本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1所示，本发明提供了一种低能耗自维护污水处理一体化设备，该设备包括圆柱形反应器主体1，反应器主体1内部设有滤床5，沿反应器主体1侧壁设有伸入滤床5下方的进水管7和虹吸排水管6，进水管7连通气提回流管8，气提回流管8管口端部连通倒锥形罐体，倒锥形罐体将滤床5下方的反应器主体1分隔为沉淀区4和好氧区3，锥形罐体上设有好氧区出水口14；好氧区3内并设有缺氧反硝化罐20，缺氧反硝化罐20上部与进水管7连通，底部设缺氧区出水口10。

在气提回流管8顶部连通有伸出反应器主体1的空气释放管13；在虹吸排水管6伸入滤床5的管外套有虹吸套管15，虹吸排水管6包括竖管、横管和u型存水管顺次连接构成，其中竖管通过虹吸套管15穿过滤床5与沉淀区4相连通，u型存水管上端设有排空管，排空管上设有气体电磁阀17。虹吸套管15中装有液位阀16。反应器主体1上部设有出水管18，出水管18设在虹吸排水管6的横管上方，进水管7、虹吸排水管6和出水管18分别沿反应器主体1不同方向伸出，如图2所示。并且连通进水管的气提回流管8的横管的高度应不低于出水管18的高度。

如图3结合图1所示，反应器主体1底部设有排泥管19。缺氧反硝化罐20通过缺氧区支撑架固定于反应器主体底部锥形罐体上，反应器主体1通过反应器主体支撑架21放置于地面。好氧区3内设有悬浮填料11和射流曝气泵12，射流曝气泵12的出水口沿好氧区内筒壁水平放置，射流曝气泵12的出水口沿好氧区内筒壁切线方向布置。

反应器主体1自下而上(由内到外)分别为：缺氧区2、好氧区3和沉淀区4。

具体工作流程为：经过简单除渣预处理的污水，在进水管7与来好氧区的硝化液经自气提回流管8汇合后，经缺氧区进水口9进入缺氧区2，进行缺氧反硝化，实现部分总氮去除；沉淀区4将好氧区3出水进行泥水分离，上清液上流经过滤床5最终外排，浓缩污泥回落至好氧区3；好氧区3进行cod、氨氮等污染物的去除；滤床5对沉淀区4出水悬浮物质进行进一步拦截，同时，其滤料附着生物膜对污染物进行进一步降解；虹吸排水管6进行虹吸排水，可对滤床进行反冲洗，同时保证滤床的干湿交替运行，提供滤料生物膜好氧、厌氧交替环境，利于强化脱氮。

之后，废水从缺氧区出水口10流入好氧区3，好氧区3中装有悬浮填料11与射流曝气泵12，悬浮填料11可附着大量微生物，提高污染物去除效率；射流曝气泵12可以将系统外的空气充入好氧区3；同时，由于射流曝气泵12出水口为筒壁切线方向，因此对好氧区3混合液具有搅拌作用，使得填料和污水可以充分接触，有助于污染物去除，好氧区3水流状态可认为是完全混合式。此外，由于好氧区3上方倒锥体结构设置，气体会汇集于倒锥体顶端，并通过气提回流管8继续上升，而上升过程中将带出部分硝化液，气水混合物在达到顶端后，气体从空气释放管13排出，而硝化液则向下自流，与进水原水汇合进入缺氧区2；回流量可通过气提回流管8的管径及横管高度在一定范围内进行调节。

此外，好氧区3中剩余的泥水混合液经好氧区出水口14进入沉淀区4，由于倒锥形罐体结构，沉淀区4横截面面积自下而上不断增大，因此混合液上升速度降低，倒锥形罐体底部不封口，污泥下沉后并重新回到好氧区3，而上清液则上升并经过滤床5渗出。滤床5填充有多孔滤料，对沉淀区4上清液进一步过滤，拦截悬浮物质；同时，由于滤床5中多孔滤料比表面积较大，因此会附着大量微生物，对污染物有进一步去除作用。

运行一段时间后，滤床5可能会堵塞，导致通量下降；此时，贯穿滤床5的虹吸套管15中水位会上升，上升至设定水位时，液位阀16触动与之通过导线相连接的电磁阀17进行短暂开启后再次关闭，虹吸排水管6进行虹吸排水，直至虹吸排水管6的竖管底端露出水面。在排水过程中，滤床5水流方向向下，与正常运行流向相反，完成反冲洗，实现反应器自行维护。

其中虹吸排水的具体过程为：在经过一次排水后，由于虹吸排水管6底部u形存水管存有液体，因此，随着水位上升，虹吸管中气压逐渐增大，形成气阻，即使反应器中水位超过虹吸管最高点，到达出水管18水位，水依然不能从虹吸排水管6排出，只有当电磁阀17开启，将虹吸管中气体放出，沉淀区水便可进入虹吸竖管，并翻越横管靠重力从虹吸管排出系统，此时由于虹吸套管15水面下降，电磁阀17很快关闭，则形成虹吸排水，一直到虹吸竖管底部漏出水面，虹吸排水结束。

本设备中，电磁阀17为气体电磁阀，因此管径很小，功率很低，另外，电磁阀17与液位阀16非持续工作，因此电耗较小，小型电瓶即可满足此二者正常工作需求。

虽然虹吸排水具有反冲洗效果，但如果运行时间过长，滤床5可能存在严重拥堵，由于滤床5位于反应器上端，即使采用地埋放置，仍不会增加更换与维护难度，只需用锄头等工具进行简单的人工翻疏或更换，维护难度和成本较低。

此外，在部分偏远农村地区，可以采用太阳能发电作为射流曝气泵12的动力输入，这样即使存在晚上停电现象，仍能够保持射流曝气泵12的正常运行。并且系统硝化效果较差，可以通过液位阀16高度的调节，将排水方式改为虹吸排水，使得滤床实现好氧-厌氧交替运行，强化滤床硝化效果。

本发明实施例提供的一体化污水处理方法中，在进水cod、氨氮、总氮、总磷浓度分别不高于157.4mg/l、20.1mg/l、20.1mg/l、2.6mg/l的条件下，通过控制水力停留时间12h、气水比为6时，出水cod、氨氮、总氮、总磷浓度分别为13.8mg/l、1.7mg/l、6.2mg/l、0.9mg/l。cod、氨氮、总氮、总磷去除率分别为92％、91.9％、70.2％、67.2％。

系统在无硝化液回流泵条件下，利用无动力气体回流，取得了较好的总氮去除效果；在无污泥回流泵的条件下，利用污泥自回流，维持了好氧池生物量，并保证了出水清澈。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。