一种分散式污水处理及深度净化罐与控制方法

1.本发明属于废水处理设备技术领域，尤其涉及一种分散式污水处理及深度净化罐与控制方法。


背景技术：

2.目前：处理农村地区生活污水及小作坊式工厂工业废水是水环境保护领域的重点和难点。目前，膜生物反应器(mbr)、序批式反应器(sbr)、厌氧/好氧(a/o)工艺、生物接触氧化等污水处理工艺技术已在农村地区广泛应用，但存在出水水质不稳定、脱氮或除磷效果差、运行成本高及维护管理难度大等问题。此外，流离生化技术具有出水水质好、处理效果稳定、占地面积小、污泥产量低、处理成本低、维护管理简单等优点，但存在建设投资成本高、除磷效果差等不足，限制了其在农村地区的推广应用。流离生化反应器常采用长方体结构，以碳钢、不锈钢、玻璃钢、pvc板等为材料制作，材料及加工成本高，投资成本大。另一方面，小型污水处理系统设计与运行中磷的去除一直存在难点：生物除磷技术存在管路复杂、污泥产量大、运行效率低及稳定性差等问题，而化学除磷技术存在化学污泥产量大、化学/生物混合污泥处理难度大等问题。铁碳微电解技术具有水质适应性强、处理效果好、除磷性能好、处理能耗低、运行维护简单、污泥产量低(明显低于化学除磷技术)等特点，可用于工业废水预处理与污水(废水)深度处理。但是，铁碳微电解技术采用商品化电解材料价格高，且存在电解材料板结和堵塞的问题，制约了其在污水(废水)深度处理中的应用。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
4.(1)现有的废水处理装置出水水质不稳定、脱氮或除磷效果差、运行成本高及维护管理难度大。
5.(2)现有的流离生化反应器存在建设投资成本高、除磷效果差等不足，限制了其在农村地区的推广应用。
6.(3)现有的铁碳微电解技术采用商品化电解材料价格高，且存在电解材料板结和堵塞的问题，制约了其在污水深度处理中的应用。
7.解决以上问题及缺陷的难度为：流离生化反应器一般采用长方体结构，使其在水力学上具有良好推流特征，宜采用碳钢、不锈钢或大厚度玻璃钢、pvc板作为反应器材料以保证其侧向刚度的要求，但材料成本和加工成本高；流离生化反应器几乎不产生剩余污泥，无生物除磷性能，铁碳微电解技术能有效去除污水中的磷，与流离生化技术具有互补性，但商品化电解材料价格高且存在电解材料板结和堵塞的问题。
8.本发明采用2组同中心轴结构将罐体分隔为多个区域，保持推流式反应器的特征，并大幅度降低罐体侧向刚度的要求，进而降低流离生化反应器的材料和加工成本(如，聚乙烯(pe)罐)，便于流离生化技术在小型污水或废水处理系统中的推广和应用；其中，流离微电解区创新性融合微电解与流离分离技术，不仅能经济有效除磷，而且有效地解决了微电解技术应用于废水处理及深度处理中的板结和堵塞问题。
9.解决以上问题及缺陷的意义为：在简单罐体内高效复合生物降解/转化、流离分
离、化学吸附/沉淀、电化学氧化/还原、截留/过滤等作用，在宏观水力学上形成推流式反应器特征，在罐体不同区域形成适宜污水生物处理与电化学深度处理的微观反应条件。该分散式污水处理及深度净化罐具有结构紧凑、处理高效、运行稳定、维护简单等优点，能实现无人值守，适于农村与边远地区的分散式生活污水处理及深度净化，亦可作为小作坊式工厂工业废水处理的重要单元。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分散式污水处理及深度净化罐与控制方法。
11.本发明是这样实现的，一种分散式污水处理及深度净化罐设置有：
12.罐体；
13.所述罐体内部设置有流离生化装置与深度净化装置，所述流离生化装置设置有同中心轴布置的预反应区和主反应区，所述预反应区套设在主反应区内侧，所述深度净化装置设置有同中心轴布置的流离微电解区和出水区，所述出水区套设在流离微电解区内侧；
14.所述预反应区、主反应区、流离微电解区、出水区依次连接，预反应区和主反应区通过预反应区过水孔眼相连通，主反应区和流离微电解区通过流离微电解区过水孔眼相连通，流离微电解区和出水区通过出水区过水孔眼相连通；
15.所述预反应区填料区上部连通有进水管，罐体侧面下端设置有与主反应区连通的排泥管，罐体另一侧上端设置有与出水区连通的出水管。
16.进一步，所述预反应区和主反应区底部均设置有环状曝气管以及与环状曝气管连通的曝气器。
17.进一步，所述预反应区内部由上至下依次设置有预反应区填料区、预反应区布水板和预反应区集水区；
18.所述预反应区填料区和主反应区内分别装填有流离球，流离球直径为8-25cm，所述流离球的球面呈网格状，球壳内装填填料。
19.进一步，所述流离微电解区内部由上至下依次设置有流离微电解区填料区、流离微电解区布水板和流离微电解区集水区；
20.所述流离微电解区填料区装填有流离微电解区流离球，流离微电解区流离球直径为3-8cm，球面呈网格状，球壳内装填有填料。
21.进一步，所述出水区内部由下至上依次设置有出水区布水区、出水区布水板、出水区填料区和清水区；
22.所述出水区填料区装填有填料，填料采用框架式安装于布水板上。
23.进一步，所述预反应区集水区外壁开有第一过水孔眼，底部开有第一排泥孔眼。
24.进一步，所述流离微电解区外壁上部开有第二过水孔眼和第一出水管穿壁孔眼，底部开有第二排泥孔眼。
25.进一步，所述出水区外壁开有第三过水孔眼和第二出水管穿壁孔眼，底部开有第三排泥孔眼。
26.进一步，所述罐体上端两侧分别固定有气泵和控制柜，所述气泵与曝气管连接。
27.本发明的目的在于提供一种所述分散式污水处理及深度净化罐的结构和技术特
征，所述结构和技术特征包括：分散式污水处理及深度净化罐采用两组同中心轴结构，由流离生化单元的预反应区、主反应区和深度净化单元的流离微电解区、出水区共四部分组成，其有效容积之比为2-6：8-24：1-3：1-3；流离生化单元的预反应区和主反应区构成折流变速反应器，其中预反应区为高负荷区，主反应器为低负荷区，预反应区和主反应区均填充流离球，流离球中装填火山岩、石灰石和多面空心球等不同类型的复合填料，形成具有良好同步硝化反硝化脱氮功能的微生物生境与群落结构，在将含磷化合物大部分转化为磷酸盐的同时吸附/化学沉淀去除部分磷酸盐。深度净化单元的流离微电解区创新性融合微电解与流离分离技术，采用廉价的铁屑和颗粒活性炭作为电极材料，构成许多细小原电池和惯性分离微区，不仅能氧化/还原去除cod，而且能有效去除水中的磷酸盐；最后，出水区填料区具有深度净化功能，如ss、cod和总磷，使出水水质满足排放或回用要求。
28.本发明的目的在于提供一种所述分散式污水处理及深度净化罐的控制方法，所述控制方法包括：当进水氨氮浓度≥100mg/l或cod浓度≥1000mg/l时，宜采用两级串联罐，其中第1级取消深度处理单元，装填多介质填料流离球，作为主反应区的一部分；当需要提高脱氮效果时可将出水区的处理水回流到预反应区提高脱氮效果，且预反应区不设置曝气器，出水回流比为100％-300％：当需要提高除磷效果时宜在流离微电解区集水区设置曝气管与曝气器，促进微电解反应，若不设置曝气管与曝气器时主反应区上部液层的溶解氧(do)浓度宜≥4.0mg/l，使后续微电解反应具有较充足的do；该污水处理及深度净化罐仅需气泵(鼓风机)、水泵和简单仪器仪表，其控制系统采用但不限于触摸屏可编程控制器，其中进水泵的启/停包含但不限于采用浮球阀、液位继电器等提供控制信号；气泵(鼓风机)及回流泵根据气水比和回流比，结合水泵运行时间，采用延时关模式，满足气体供应量和出水回流量的要求。
29.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明投资成本与运行成本低，采用两组同中心轴结构，整体结构紧凑，罐体及预反应区与深度净化单元的筒体及其内部结构均可采用聚乙烯为主要材料，批量加工，流离微电解区流离球中的填料采用廉价的铁屑和(柱状)颗粒活性炭，且运行过程的电耗主要来源于气泵(鼓风机)和水泵，材料及加工成本低、运行能耗低，适于处理农村地区生活污水及小作坊式工厂工业废水。
30.本发明水质适应性强、运行稳定性好，该污水处理及深度净化罐整体上具有推流式反应器特征，同时预反应区和主反应区具有强烈的混合作用，并且该污水处理及深度净化罐包含生物降解/转化、流离分离、化学吸附/沉淀、电化学氧化/还原、截留/过滤等复合作用，能承受较大的水质、水量波动，抵御低、中浓度的有毒有机物，适用于农村地区生活污水及小作坊式工厂工业废水。
31.本发明剩余污泥和化学污泥产量低，长期的工程实践表明，长水力停留时间的流离生化过程几乎无剩余污泥排放，深度处理单元中的流离微电解区产生铁离子和氢氧化铁等电解产物能有效结合/吸附磷酸盐，化学污泥产量低，且流离微电解区集水区和出水区布水区累积的化学污泥(定期排放)具有吸附/过滤功能，能提高出水水质。
32.本发明维护管理简单，流离生化区域与流离微电解区域无堵塞之虞，且该污水处理及深度净化罐仅需气泵(鼓风机)、水泵、简单仪器仪表及自动控制系统，无化学加药与沉淀分离，仅需定期排放化学污泥，能实现无人值守。
33.本发明的污染物去除效果好、出水水质稳定，ss去除率＞90％，cod去除率＞90％，tp去除率＞80％，tn去除率＞65％，该污水处理及深度净化罐处理生活污水的出水水质能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级b标准；当流离微电解区曝气充氧时ss去除率＞95％，cod去除率＞95％，tp去除率＞95％，且当处理水部分回流时tn去除能提高约10％-25％，出水水质能满足一级a标准或回用作农、林、牧业用水标准。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明实施例提供的分散式污水处理及深度净化罐结构示意图。
36.图2是本发明实施例提供的预反应区布水板结构示意图。
37.图3是本发明实施例提供的预反应区外壁结构示意图。
38.图4是本发明实施例提供的流离微电解区外壁结构示意图。
39.图5是本发明实施例提供的出水区外壁结构示意图。
40.图中：1、进水管；2、预反应区；3、预反应区填料区；4、预反应区布水板；5、预反应区集水区；6、预反应区过水孔眼；7、曝气器；8、主反应区流离球；9、主反应区；10、流离微电解区；11、流离微电解区进水孔眼；12、流离微电解区填料区；13、流离微电解区布水板；14、流离微电解区集水区；15、出水区过水孔眼；16、出水区；17、出水区布水区；18、出水区布水板；19出水区填料区；20、出水管；21、曝气管；22、气泵；23、控制柜；24、排泥管；25、第一过水孔眼；26、第一排泥孔眼；27、第二过水孔眼；28、第二排泥孔眼；29、第一出水管安装孔眼；30、第三过水孔眼；31、第三排泥孔眼；32、第二出水管安装孔眼。
41.图6是本发明实施例提供的对cod去除效果示意图。
42.图7是本发明实施例提供的ss去除效果示意图。
43.图8是本发明实施例提供的tn去除效果示意图。
44.图9是本发明实施例提供的tp去除效果示意图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分散式污水处理及深度净化罐与控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
47.如图1所示，本发明实施例提供的分散式污水处理及深度净化罐包括：进水管1、预反应区2、预反应区填料区3、预反应区布水板4、预反应区集水区5、预反应区过水孔眼6、曝气器7、主反应区流离球8、主反应区9、流离微电解区10、流离微电解区进水孔眼11、流离微电解区填料区12、流离微电解区布水板13、流离微电解区集水区14、出水区过水孔眼15、出水区16、出水区布水区17、出水区布水板18、出水区填料区19、出水管20、曝气管21、气泵22、
控制柜23、排泥管24。
48.流离生化装置由预反应区1和主反应区2组成，深度净化装置由流离微电解区10和出水区16组成，均分别采用同中心轴结构。
49.预反应区2、主反应区9、流离微电解区10、出水区16依次连接，预反应区2和主反应区9通过预反应区过水孔眼6相连通，主反应区9和流离微电解区10通过流离微电解区过水孔眼11相连通，流离微电解区10和出水区16通过出水区过水孔眼15相连通。
50.预反应区2的顶部设有进水管，处理后出水从出水区16上部的出水管20流出。主反应区9底部安装有排泥管24，分散式污水处理及深度净化罐内沉降的剩余污泥定期通过排泥管24外排。
51.预反应区填料区3装填流离球，流离球直径为8-25cm，球壳为pe注塑而成，球面呈网格状，球壳内装填填料，填料种类包括但不局限于火山岩、石灰石、沸石、活性炭、悬浮球、空心球等。预反应区集水区5安装有环状曝气管以及曝气器。
52.主反应区9装填流离球，流离球直径为8-25cm，球壳为pe注塑而成，球面呈网格状，球壳内装填填料，填料种类包括但不局限于火山岩、石灰石、沸石、活性炭、悬浮球、空心球等。主反应区底部安装有环状曝气管以及曝气器。
53.流离微电解区填料区12装填流离球，流离球直径为3-8cm，球壳为pe注塑而成，球面呈网格状，球壳内装填填料，例如由铁屑、活性炭、石英砂混合而成的组合填料。
54.出水区填料区16装填有填料，填料宜采用框架式安装于布水板上，填料种类包括但不限于弹性填料、软性填料和半软性填料等。
55.如图3所示，预反应区集水区外壁开有第一过水孔眼25，底部开有第一排泥孔眼26。
56.如图4所示，流离微电解区外壁上部开有第二过水孔眼27和第一出水管安装孔眼29，底部开有第二排泥孔眼28。
57.如图5所示，出水区外壁开有第三过水孔眼30和第二出水管安装孔眼32，底部开有第三排泥孔眼31。
58.化粪池或污水(废水)收集池的污水(废水)由污水泵提升或重力自流依次进入流离生化装置的预反应区和主反应区及深度净化装置的流离微电解区和出水区。预反应区和主反应区中的流离球、多介质填料及微生物(生物膜和悬浮污泥)，具有良好的惯性分离、气体分散和生物降解作用，能有效去除污水(废水)中的悬浮颗粒和有机物(如，codcr)。特别是，多介质填料(如，火山岩、石灰石和多面空心球等复合装填)具有比表面积大、微生物生境丰富、调节与缓冲弱碱性环境(ph)性能好、缓慢释放钙离子(ca
2+
)等特点，不仅有机污染物容积负荷大，能吸附去除部分磷酸盐，而且具有良好同步硝化反硝化、异养硝化和好氧反硝化性能的微生物群落结构；主反应区出水溶解氧(do)≥3.5mg/l时流离生化装置的氨氮(nh
3-n)去除率≥95.0％且总氮(tn)去除率≥60％，表现出良好的脱氮效果；将部分出水回流到预反应区，能作为优选提高tn去除率。流离微电解区创新性融合微电解与流离分离技术，将廉价的铁屑和(柱状)颗粒活性炭填充在流离球，利用金属腐蚀原理产生fe
2+
、fe
3+
、feooh、fe(oh)3等氧化产物，化学沉淀或吸附/离子交换去除污水(废水)中的磷酸盐，同时氧化降解或吸附/混凝去除部分残留有机物；并且，流离球及其填料提供了有效水力半径差异明显的两种流道，产生惯性分离、水力混合/剥离作用，能有效避免铁屑板结和堵塞问题；
若在流离微电解区的集水区底部设置曝气管与曝气器进行充氧，能促进金属腐蚀反应，冲刷微电解材料的氧化产物，提高磷酸盐和有机物的去除效果。最后，出水区填料区中缓慢生长的生物膜作为优选截留/吸附细小悬浮颗粒，并部分去除出水中的残留有机物和含氮化合物，使出水水质满足排放或回用要求。
59.作为优选，分散式污水处理及深度净化罐的进水宜来自化粪池或污水(废水)收集池。
60.作为优选，分散式污水处理及深度净化罐进水的氨氮浓度大于≥100mg/l或cod浓度≥1000mg/l时，采用两级串联罐，其中第1级取消深度处理装置，将其作为主反应区的一部分。
61.作为优选，分散式污水处理及深度净化罐出水区的处理水回流到预反应区时可提高脱氮效果，出水回流比为100％-300％，且预反应区可不设置曝气器，成为前置缺氧区。
62.作为优选，流离生化装置总水力停留时间≮12h且宜≥16h。
63.作为优选，流离生化装置预反应区和主反应区的流离球直径为5-20cm，球壳为有机材料(如，聚乙烯)，球面呈网格状。流离球内装填的多介质填料，包括但不限于火山岩、沸石、陶粒、石灰石、(柱状)颗粒活性炭以及有机材质的鲍尔环、阶梯环、多面空心球等，一般包含火山岩、石灰石和多面空心球三种填料。
64.作为优选，预反应区布水板的孔洞面积占布水板面积的5％-25％，孔洞均匀分布，其形状一般为圆形，直径宜≥1cm且≯2/3的流离球直径。
65.作为优选，预反应区集水区高度一般为15-30cm，预反应区集水区池壁上开设孔洞连通预反应区与主反应区，孔洞面积占集水区池壁面积的3％-20％，孔洞形状包括但不限于圆形、正方形、长方形等。
66.作为优选，主反应区装填的流离球高度低于液位高度，流离球层顶部高度与液位高度差值约等于预反应区集水区高度，使主反应区与预反应区的曝气阻力接近。
67.作为优选，流离生化装置预反应区和主反应区底部的曝气管环状布置，曝气管上安装的曝气器形式包括但不限于盘式曝气器、板式曝气器、管式曝气器、穿孔管等；当采用穿孔管曝气时，面向池底开孔，两孔间夹角为60℃-120℃，且两两对称开设。
68.作为优选，流离微电解区填料区外壁上端等高均匀设置过水孔，连通流离微电解区与主反应区，过水孔总面积占流离微电解区外壁总面积的1％-10％，过水孔直径一般≮2cm，且过水孔位于填料区上。
69.作为优选，深度净化装置流离微电解区填料区，装填直径为3-8cm的流离球，球壳为有机材料(如，聚乙烯)，球面呈网格状。球壳内装填有铁屑和颗粒活性炭，铁：碳质量比为(0.5-30)：1；铁屑装填前，宜采用表面活性剂(如，十二烷基苯磺酸钠)和/或稀碱(如，naoh)清洗去除油脂，采用稀酸(如，hcl)清洗去除铁锈。
70.作为优选，流离微电解区布水板均匀开设孔洞，孔洞总面积占布水板面积的5％-25％，开设孔洞包含但不限于圆形；当为圆形时，其直径宜≥1cm且≯2/3的流离球直径。
71.作为优选，流离微电解区集水区的高度一般为15-30cm，设置曝气管与曝气器时促进微电解反应，提高除磷效果；当不设置曝气管与曝气器时主反应区上部液层的do浓度宜≥4.0mg/l，使后续微电解反应具有较充足的do。
72.作为优选，出水区布水区的高度一般为15-30cm，其外壁等高均匀设置过水孔，连
通流离微电解区集水区与出水区布水区；过水孔总面积占出水区布水区池壁面积的3％-20％，孔洞形状包括但不限于圆形、正方形、长方形等；过水孔为圆形时，其直径宜≮2cm。
73.作为优选，出水区布水板上均匀开设孔洞，孔洞总面积占布水板面积的5％-25％，孔洞形状包含但不限于圆形；孔洞为圆形时，其直径宜＞1cm，且数量≮3个；该布水板与流离微电解区布水板宜为同一板材加工。
74.作为优选，出水区填料区的填料宜采用框架式安装于布水板上，填料种类包括但不限于弹性填料、软性填料和半软性填料等。
75.作为优选，出水区清水层的高度宜≥10cm，且设置出水管，其管道规格宜为≥dn32的型号。
76.作为优选，分散式污水处理及深度净化罐的控制系统采用但不限于触摸屏可编程控制器；其中，进水泵的启/停包含但不限于采用浮球阀、液位继电器等提供控制信号，气泵(鼓风机)及回流泵可间歇运行。
77.作为优选，分散式污水处理及深度净化罐的罐体采用有机材料(如，聚乙烯)，可降低材料及加工成本；其中，预反应区与深度净化装置的筒体及其内部结构包括但不限于有机材质(如，聚乙烯和聚氯乙烯等)；罐体宜采用模具加工，预反应区与深度净化装置的筒体及其内部结构包括但不限于模具加工。
78.本发明的工作原理：分散式污水处理及深度净化罐采用两组同中心轴结构，由流离生化单元的预反应区、主反应区和深度净化单元的流离微电解区、出水区共四部分组成，其有效容积之比为(2-6)：(8-24)：(1-3)：(1-3)，反应罐整体流态呈现良好的推流态，有助于提高出水水质；流离生化单元的预反应区和主反应区构成折流变速反应器，其中预反应区为高负荷区，主反应器为低负荷区，能达到稳定高效的污染物去除效果，如cod和ss；预反应区和主反应区均填充流离球，流离球中装填火山岩、石灰石和多面空心球等三种以上类型的复合填料，形成具有良好同步硝化反硝化脱氮功能的微生物生境与群落结构，在将含磷化合物大部分转化为磷酸盐的同时吸附/化学沉淀去除部分磷酸盐。深度净化单元的流离微电解区创新性融合微电解与流离分离技术，采用廉价的铁屑和(柱状)颗粒活性炭作为电极材料，构成许多细小原电池和惯性分离微区，不仅能氧化/还原去除cod，而且能有效去除水中的磷酸盐；出水区的填料区具有深度净化功能，如ss、cod和总磷，使出水水质满足排放或回用要求；当进水的氨氮浓度大于≥100mg/l或cod浓度≥1000mg/l时，采用两级串联罐，并且为提高tn去除效果，可将出水区的处理水部分回流到预反应区。
79.本发明在简单罐体内高效复合生物降解/转化、流离分离、化学吸附/沉淀、电化学氧化/还原、截留/过滤等作用，在宏观水力学上形成推流式反应器特征，在罐体不同区域形成适宜污水生物处理与电化学深度处理的微观反应条件。该分散式污水处理及深度净化罐具有结构紧凑、处理高效、运行稳定、维护简单等优点，能实现无人值守，适于农村与边远地区的分散式生活污水处理及深度净化，亦可作为小作坊式工厂工业废水处理的重要单元。
80.如图6-图9所示，设计处理能力1m3/d污水处理及深度净化罐(单级，无出水回流)处理实际生活污水稳定运行期间的进水水质及对cod、ss、tn和tp的去除效果。
81.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
82.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。