具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步的详述。应当理解,此处所描述的具体实施例,仅仅用于解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
本实用新型首先提供了一种用于污水处理***升级改造的低能耗、智能化立体生态内循环硝化方法,是将污水处理的接触氧化池改造成沉淀池,并在该沉淀池上方设置屋顶太阳能装置,周边设置风力发电机,以发电给整个污水处理***运行;于所述沉淀池池内设置至少一立体生态内循环处理单元,各立体生态内循环处理单元可根据应用场地成行、成列或呈阵列形式排列,各所述立体生态内循环处理单元自上而下分别设置有除臭区和循环硝化反应区,其中循环硝化反应区设置于一循环兼氧箱内,自内而外分为好氧区和兼氧沉降区,同时在好氧区设置曝气元件,并引入控制器控制池内的污水处理时的流量、溶解氧的含量、池内的温度及污泥浓度。当污水通过进水管21引入所述好氧区,通过曝气元件的提升作用使污水由好氧区(上升区)带动上升,流经到接近水面50-500mm时,流化态活性污泥与液体会经设置在好氧区上部的敞开的出水口流向兼氧沉降区(下降区),由于好氧区(上升区)曝气后含有气泡,密度比兼氧沉降区(下降区)低,因而会产生上升区和下降区间的密度差,使二区之间液体从密度高的地方流动到密度低的地方,使兼氧沉降区(下降区)内活性污泥与液体向下流动,从好氧区设置的内循环入水口又进入好氧区(上升区),这时,进入好氧区的活性污泥与液体又通过曝气元件的作用上升,使活性污泥与液体在上升区内再次通过好氧区上部的敞开的出水口重新进入循环兼氧箱内的兼氧沉降区(下降区),开始下一个循环,完成污水生态硝化过程,通过多次循环硝化反应的上清液,最后由所述沉淀池上的出水口流出。这样,通过吸收太阳能和利用自然的风力,为整个污水处理***运行提供了能源,使之不需要外接电源,且资源丰富,既可***,又无需运输,对环境无任何污染,同时,通过控制装置控制池内的污水处理时的流量、溶解氧的含量、池内的温度及污泥浓度,使位于好氧区与兼氧沉降区的污水在不断的流动过程中产生的臭气通过除臭区的填料和植物根茎充分吸附并分解,同时在不断的上、下及内、外循环过程中在好氧区充分供氧和适当温度、营养条件下,使投放于该区域内好氧性微生物大量繁殖,培养硝化细菌,在兼氧沉降区培养反硝化聚磷菌,并利用其将污水中的有机物氧化分解,由此以往,不断使污水进入其内循环,进而可完成污水处理的低能耗、智能化控制的厌氧释磷、好氧硝化和兼氧反硝化聚磷的工艺过程。
上述装置中,所述好氧区与兼氧沉降区的容积比选取1-2.5:0.4-1;在生活污水处理***应用时,其新建工程指标为:工程占地面积为0.3-0.4m2/m3,其运行参数为:好氧区反应时间为4-6h;混合液悬浮固体浓度(MLSS)控制在2500—7000mg/L;好氧区溶解氧(DO)取2—5mg/L,兼氧沉降区溶解氧(DO)取0.3—1.0mg/L,pH值为7—7.8。
参见图1-图3,本实用新型提供的一种新建城市污水厂及城市污水厂处理***升级改造的低能耗、智能化立体生态内循环硝化装置,其包括原污水处理***处理中的接触氧化池改造成沉淀池2,并在该沉淀池2的上方设置屋顶太阳能发电装置50,太阳能发电装置50包括多个太阳能电板501,该沉淀池2周边,还设置风力发电机60,太阳能发电装置50和风力发电机60还通过逆变器控制器80连接一蓄电池组70,可使太阳能发电装置50和风力发电机60产生的直流电经过逆变器控制器80转换成符合电网要求的交流电,并通过蓄电池组70,在有光照时将太阳能电板501所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来,太阳能发电装置50、风力发电机60、逆变器控制器80及蓄电池组70,均通过总控制器90控制;在该沉淀池2内设置有至少一内循环处理单元1,图3、图4所示沉淀池2内横向排列有4个内循环处理单元1,可以在沉淀池2实现污水沉淀和上清液水平方向流出,沉淀池2上设有出水口22。参见图2、图4、图9,各所述处理单元1从上自下分别设置有除臭区A和循环反应区,其中循环反应区设置于一循环兼氧箱104内,循环兼氧箱104于沉淀池2内横向排列布置。所述除臭区A位于循环兼氧箱104上方,栽有水养植物4,水养植物4支撑茎位于除臭区A,其上部的枝叶41显露于沉淀池2内污水上面,其下之根部42置于所述循环兼氧箱104的内部;所述循环反应区分为兼氧沉降区B(下降区)和好氧区C(上升区),其中好氧区C位于循环兼氧箱104中心区域区域,所述循环兼氧箱104设有可与沉淀池2内污水连通的内循环入水口112,下部设有污泥导流管105;于所述好氧区C内,设有内循环入水口112,与进水管21连通,好氧区C还设置有曝气元件108,该曝气元件108设于好氧区C底部,可通过设置于沉淀池2底部的曝气管3为各好氧区C内设置的曝气元件108充氧,曝气管3连接鼓风机400,为曝气元件108提供氧气。上述装置中,各内循环处理单元在不同区域培养硝化细菌和反硝化细菌,并通过曝气动力,将好氧区C(上升区)内的流化态活性污泥与液体在好氧区C带动上升,流经到接近水面50-500mm时,污水处理液117经好氧区C上部的敞开的出水口流向环绕好氧区C周边以外的兼氧沉降区B(下降区)内,由于好氧区C含有气泡,密度比兼氧沉降区B低,形成两区间的密度差,因此,污水处理液117便在该兼氧沉降区B消泡及泥水混合液下降,降至兼氧沉降区B底部区域时,由于好氧区C曝气元件108的卷吸作用,且由于好氧区C密度比兼氧沉降区B低,污水处理液117通过内循环入水口112重新被吸入好氧区C内,再次循环。这样,污水处理液117在各个区域不断从内向外且从上至下循环流动,使泥水混合液实现无限量回流,从而达到脱除有机污染物,脱氮的目的。本实用新型在连续运行状态下,可以在循环兼氧箱104内的好氧区C与兼氧沉降区B实现溶解氧的梯度分布,各单元经内循环硝化处理后的污水在沉淀池2内沉淀,最后通过多次循环硝化反应的上清液106通过沉淀池出水口22流出,兼氧沉降区B内沉淀下来的污泥109由循环兼氧箱104底部的污泥导流管105排出,并通过污泥抽吸泵300导入到缺氧池或污泥浓缩池(见图10、图11)。上述循环过程中,污水通过进水泵200由进水管21导入沉淀池2内,其流量由流量控制器91控制;由溶氧控制器92控制曝气元件108曝气量,以控制污水处理液117中溶解氧的含量,沉淀池2内污水处理液117的温度由温度控制器93控制,沉淀下来排出的污泥109浓度由浓度控制器94控制,形成整个***智能化控制过程。
需要说明的是,上述循环后上清液106还可在总控制器90的控制下,通过循环泵100,重新引入沉淀池2内,再次进行短程硝化、反硝化过程,以彻底保证除臭除磷脱氮及总氮等指标的达标。
下面结合附图对本实用新型中立体生态内循环硝化单元1具体结构做进一步详述。
实施例一:
参见图4,作为本实用新型立体生态内循环硝化单元实施例一结构,所述循环兼氧箱104悬浮设置于沉淀池2内,顶端设有矩形植物篮116,所述水养植物4种植于该植物篮116内。具体参见图5-图8,植物篮116通过植物篮支架115固定,两端设有植物篮提手1161,而植物篮支架115四个角分别设有单元连接卡槽101,可通过连接件将各内处理单元于接触氧化池2中连接于一体,植物篮支架115固定于一悬浮器114上,该悬浮器114是在植物篮支架115底端设置可在水中悬浮的元件,通过压板1141和紧固件1142,使之紧箍于循环兼氧箱104上端的周边,既可用于支承植物篮支架115、植物篮116及种植于该植物篮116内的水养植物4悬浮于沉淀池2水面上,又可使整个循环兼氧箱104悬浮于沉淀池2水中。
具体地,所述的水养植物4可选用根茎发达、具有除磷脱氮效果的挺水植物。植物净光合速率与溶解氧分布、总氮和氨氮去除率显著正相关,而植物蒸腾速率与氨氮去除率显著相关。适当增加植物种植密度有利于提高污水处理工艺中的脱氮效果,但种植过密对提高溶解氧水平和总氮去除率反而不利。植物生长周期与脱氮影响显著,采用不收割植物可使得地上茎既不破坏植物根区微环境。植物的类型对脱氮除磷的效果也有很大的影响。研究发现,种植水烛和灯心草的立体生态装置基质中氮、磷分别比无植物的对照基质中低18%~28%和20%~31%,可见水烛和灯心草吸收利用了污水中部分的氮和磷。通过对照实验本实用新型对污水氮的净化效果,结果发现石菖蒲、灯心草和蝴蝶花3个有植物***的总氮平均去除率为77.7%、71.2%和66.4%,而无植物***的去除率仅为55.8%。对污水磷的净化效果,结果发现3个有植物***的去除率分别为61%、65%和59%,而无植物***的去除率仅为28%。通过研究了8种水生植物净化污水的能力,结果发现:气温高的夏季水生植物去除氮的效果优劣次序为:风眼莲、水浮莲、水鳖、浮萍、槐叶萍、紫萍、水筛;而在气温低的冬季则依次为水鳖、凤眼莲、浮萍、水浮莲、紫萍、槐叶萍、水筛。
本实用新型中所种植的挺水植物具有适合在好氧或少氧条件下生存的结构与特征,包括茎肥大,茎和根的中心具有较大的组织,茎中空,具深根系等。植物的这种特殊结构,有利于氧在其体内的传输并能传递到根区,不仅满足了植物在缺氧环境的呼吸作用,而且还可以促进根区的氧化还原反应与好氧微生物的活动,释放洁净空气去除异味。在光合作用下产生的氧传递到根区,在根区的还原态的介质中形成氧化的微环境,根区有氧区域与缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼氧和厌氧微生物提供了各自的小生境,使不同微生物都能发挥各自的作用。氧在植物根部的释放主要取决于植物内部氧的浓度、周围基质的需氧量以及植物根壁的渗透性。植物通过吸收而在根部释放氧是由其本身的结构所决定的,植物的结构阻止了其在径向的泄露,并努力使释放到根区的氧的损失减少到最小。氧的释放率一般在根的亚顶端区域最高,并随距离根尖的增大而降低。水生植物具有对流型通气组织,其根区和根部都具有较高的内部氧的浓度,这种对流型的气体的流动明显增加了可供氧根的长度,同时还可以通过氧化和脱毒减少根部一些潜在的有害物质。除了根系可以释放氧外,根系还可以释放其它物质。故而所述挺水植物优选为花叶芦竹、海芋、香海芋、马蹄莲、美人蕉、龟背竹、鹤望兰、鹅掌柴、旱金莲、蜘蛛抱蛋、长叶刺葵、薜荔、玉簪、沼泽莎草、水菖蒲等一百多种挺水植物,上述植物收割和整理非常容易。
可以理解地,上述水养植物4还可以是水养的花卉或蔬菜。设于小区的本实用新型可在除臭区A内养殖花卉,既可吸收污水处理时的臭气,给小区提供清新的花卉香气,同时还可对小区进行美化,可谓一举两得。在除臭区A养殖蔬菜,可将设置于污水处理***的本实用新型变成蔬菜的栽种基地,同样可达到多重效果。
在所述植物篮116内,设置有可用于支撑水养植物4的根茎且可吸附、降解微生物、吸附臭气的除臭填料102。进一步地,支撑所述水养植物4根茎的除臭填料102为活性炭、陶粒或光触媒复合新型碳材料。当然,也可以是其他填料。本实用新型优选光触媒复合新型碳材料。所述光触媒复合新型碳材料有棕红色、白色和黑色三种,是由炭、陶土、光触媒剂和高温黏结剂等复合烧制而成。生产中可按需求实现粒径大小、微孔率和吸水率多小进行调整,成品的孔径在0.06-6微米之间,重量可调至0.6-2.7g/cm3之间,比表面积可达1.2×104cm2/g左右。在合成过程中使其孔壁玻璃相和晶体交织生长成高强度机械性能的三重结构,内部微孔极为发达且呈梯度分布,具有良好的吸附和解吸附的能力。与传统的活性炭相比,光触媒复合新型碳材料大大提高了吸附污染颗粒物种类,提高了吸附效率和饱和容量,其吸附效率是普通活性炭的2-4倍,并且克服了使用活性炭会产生粉末和黑色污染的缺点。在环境应用中,因其具有强烈的吸附能力和耐冲刷、抗磨损、耐高温、耐腐蚀等特性可代替活性炭和陶粒用作空气和水净化的高速过滤材料;因其具有超轻体重的悬浮性和耐冲刷、抗磨损、耐高温、耐腐蚀等特性可代替传统填料。用作工业废气净化的高速滤料时,因为光触媒复合新型碳材料的比表面积达到1.2×104cm2/g左右,且内部贯通微孔呈梯度分布,材质超轻,物理和化学性质稳定,耐酸耐碱性能优越,且由于颗粒间的范德华力、库仑力和表面张力使悬浮物或废气迁移并被吸附,吸附能力极强,速度极快,通过专有的紫外光源的光触媒技术,可实现边吸附边分解的功能。
在兼氧沉降区B内设置于植物蓝支架115上的植物蓝116内的水养植物4悬浮于兼氧沉降区B水面,其强大的根茎体系形成生态填料全部悬浮生长在污水中,利用水生植物庞大的根系,和设置于植物蓝116内的支撑根茎和除臭的除臭填料102对废水中微生物及***处理时产生的臭气进行吸附、降解,另一方面在臭气向上溢出时,通过水生植物茂盛的枝叶形成一可吸附臭气、防止臭气向外扩散的隔离层,从而实现废水的脱氮除磷除臭处理。
本实用新型实施例中,还可将支撑根茎的除臭填料102置于植物蓝116中作为载体——类似于植物的土壤,使水养植物4根系42固定于污水中,反应过程中臭气同时与支撑根茎的除臭填料102上的微生物接触,进一步吸附并分解臭气,并通过其强大的根茎体系对废水进行净化。
请再参见图4,本实用新型立体生态内循环硝化单元1实施例一中,所述循环兼氧箱104内设置有生物填料110,通过填料固定架113固定且在循环兼氧箱104中心区域,填料固定架113与植物蓝116相连,且悬浮于循环兼氧箱104中心,形成所述好氧区C。好氧区C中的生物填料110呈环状的空心筒状布置,作为好氧生物载体,悬浮在循环兼氧箱104中,填料内部生长厌氧菌,产生反硝化作用可以脱氮;外部生长好氧菌,可去除有机物,整个处理过程中同时存在硝化与反硝化过程。所述循环兼氧箱104上部,且位于好氧区C上部开口以外的区域,具有多个垂直设置的导流隔板111,各导流隔板111顶端固定在植物篮支架115之底部,下端延伸至兼氧沉降区B。各导流隔板111中,最长的隔板与曝气元件108处于同一水平位置,还可作为填料固定架113的安装构件。循环兼氧箱104下部呈收缩状,便于污泥的109下落,其底部设有污泥导流管105,沉淀下落的污泥109可从该管排出到缺氧池或污泥浓缩池(见图10、图11)。
本实用新型实施例一结构,是在污水处理***中的沉淀池2内,将多个立体生态内循环硝化单元1悬浮于池内,以原污水处理***处理中的沉淀池2增加气提升立体生态内循环硝化处理单元为主,植物净化有机物为辅一种原生态低成本的处理结构。沉淀池2内,因为悬浮器114能承载的排水量达到900公斤,故能将总量为600公斤的循环兼氧箱104、植物篮116、除臭填料102及水养植物4悬浮于沉淀池2内。同时,设置于好氧区C内的曝气元件108中曝气管曝气,将沉淀池2内的流化态污水处理液117在好氧区C带动竖直上升,流经到接近水面50-500mm时,因为遇到除臭区A的阻挡流向由好氧区C上部的开口向外横向流动,进入循环兼氧箱104内之兼氧沉降区B(下降区)内。为了进一步规范流向,循环兼氧箱104内垂直设置的导流隔板111下端延伸至兼氧沉降区B时可与曝气元件108处于同一水平位置,约束流化态活性污水处理液117通过导流隔板111强制进入兼氧沉降区B(下降区),由于好氧区C(上升区)含有气泡,密度比兼氧沉降区B(下降区)低,产生了上升区和下降区间的密度差,使二区之间液体产生循环,同时在曝气后的好氧区C底部,由于存在曝气的卷吸作用,导流下降的兼氧沉降区B的污水处理液117便重新通过好氧区C底部设置的内循环入水口112吸入,再进入好氧区C,上升后通过其上部敞开的口部向外再次进入兼氧沉降区B,因此形成从内到外循环硝化过程,最后通过多次循环硝化反应的兼氧沉降区B上清液106可从位于导流隔板111外部的出水口流向沉淀池2,经沉淀池2沉淀后的上清液由沉淀池出水口22流出。兼氧沉降区B下落的污泥109由循环兼氧箱104下端的污泥导流管105排出。本实施例适应于污水处理***不停车改造。
实施例二:
参见图9,本实施例与实施例一基本相同,所不同的是,所述循环兼氧箱104固定设置于接触氧化池2内,顶端设有矩形植物篮116,所述水养植物4种植于该植物篮116内。同实施例一,植物篮116通过植物篮支架115固定,两端设有植物篮提手1161,而植物篮支架115四个角分别设有单元连接卡槽101,可通过连接件将各内处理单元1于沉淀池池2中连接于一体,植物篮支架115通过支撑板103与循环兼氧箱104连接固定,循环兼氧箱104则通过支撑脚架107固定在沉淀池2内。同实施例一,本实施例是在污水处理***中的沉淀池2内,将多个立体生态内循环硝化单元1固定于池内,以原污水处理***处理中的沉淀池2增加气提升立体生态内循环硝化处理单元为主,植物净化有机物为辅一种原生态低成本的处理结构。沉淀池2内,设置于好氧区C内的曝气元件108曝气,将沉淀池2内的流化态污水处理液117在好氧区C带动上升,流经到接近水面50mm时,因为遇到除臭区A的阻挡流向由好氧区C上部的开口向外横向流动,进入循环兼氧箱104内之兼氧沉降区B(下降区)内。循环兼氧箱104内垂直设置的导流隔板111下端延伸至兼氧沉降区B时可与曝气元件108处于同一水平位置,约束流化态活性污水处理液117通过导流隔板111强制进入兼氧沉降区B(下降区),由于好氧区C(上升区)含有气泡,密度比兼氧沉降区B(下降区)低,产生了上升区和下降区间的密度差,因此,含有气泡的污水在兼氧沉降区消泡后其泥水混合液在二区之间液体产生循环,同时在曝气后的好氧区C底部,由于存在曝气的卷吸作用,导流下降的兼氧沉降区B的污水处理液117便重新通过好氧区C底部设置的内循环入水口112吸入,再进入好氧区C,上升后通过其上部敞开的口部向外再次进入兼氧沉降区B,因此形成从内到外循环硝化过程,最后通过多次循环硝化反应的兼氧沉降区B上清液106可从导流隔板111外部的出水口流向沉淀池2,经沉淀池2沉淀后上清液由沉淀池出水口22流出。兼氧沉降区B下落的污泥109由循环兼氧箱104下端的污泥导流管105排出到缺氧池或污泥浓缩池(见图10、图11)。本实施例适应于污水处理***新建或停车改造。
本实用新型适用于城市污水处理***升级改造,在实际工程应用中采用动力学模型和参数的建立和设计:
立体生态内循环硝化单元1中,兼氧沉降区B的生化动力学模型和参数的建立可根据小试过程的运行和操作方式,确定间歇操作与连续操作的生化动力学中的反应速率、反应时间和反应器有效体积等参数,为今后的实际工程应用提供参考依据。
1.本实用新型应用的总体要求
(1)本实用新型宜用于小型城镇污水和工业废水处理工程,其单套污水处理量宜小于150m3/d,当处理水量大于150m3/d时,宜采用多套立体生态循环硝化装置联合运行的方式。
(2)本实用新型的进水应符合下列条件:
1)水温宜为10℃~37℃、pH宜为6.0~9.0、BOD5/CODCr值宜大于0.3、营养组合比(BOD5:氮:磷)宜为100:5:1、进水CODCr浓度宜低于1000mg/L;
2)有去除氨氮要求时,进水总碱度(以CaCO3计)/氨氮值宜≥7.14,不满足时应补充碱度;
3)有脱除总氮要求时,反硝化要求进水的碳源BOD5/总氮值宜≥4.0,总碱度(以CaCO3计)/氨氮值宜≥3.6,不满足时应补充碳源或碱度;
4)有除磷要求时,污水中的五日生化需氧量(BOD5)/总磷的比值宜大于17:1;
5)要求同时除磷、脱氮时,宜同时满足3)和4)的要求。
(3)本实用新型出水直接排放时,应符合国家或地方排放标准要求;排入下一级处理单元时,应符合下一级处理单元的进水要求。
(4)根据脱氮除磷要求,宜在立体生态循环硝化工艺中前置缺氧池。
(5)当进水水质不符合(2)规定的条件时,应根据进水水质采取适当的前处理和预处理工艺。
(6)酸碱药剂、碳源药剂和除磷药剂储存罐容量应按理论加药量的4d~7d的投加量设计,加药***不宜少于2个,宜采用计量泵投加。
2.应用本实用新型时,城市污水处理宜采用图9所示流程,工业废水处理时宜采用图10所示流程.
3.预处理和前处理(见图10、图11)
1)进水***前应设置格栅。进水泵房及格栅设计应符合GB50014的相关规定。
2)流化床工艺应在格栅后设置沉砂池,沉砂池的设计应符合GB50014的相关规定。
3)当进水悬浮物(SS)高于200mg/L时,宜在循环硝化装置前设置初沉池,初沉池的设计应符合GB50014的相关规定。
4)当水质或水量的日变化最大值为最小值的两倍或两倍以上时,应设置调节池。调节池的设计应满足以下要求:
a)调节池容量应根据废水流量变化曲线确定;没有流量变化曲线时,调节池的停留时间宜为6h~12h;
b)调节池内宜设置搅拌装置,宜采用搅拌机或曝气搅拌方式;
c)调节池出水端应设置去除浮渣装置,池底宜设置除砂和排泥装置。
5)pH调节应符合下列规定:
a)当进水pH<6.0或pH>9.0时,应及时补充适量酸碱药剂;
b)药剂种类、剂量和投加点宜通过现场试验确定;
c)酸碱药剂可采用稀盐酸、稀硫酸、石灰或碳酸钠等;
d)接触酸碱腐蚀性物质的设备和管道应采取防腐蚀措施。
6)碳源调节应符合下列规定:
a)当进水碳源BOD5/总氮值<4.0时,应及时补充适量碳源;
b)药剂种类、剂量和投加点宜通过现场试验确定;
c)碳源药剂可采用甲醇、乙酸或食物酿造厂等排放的高浓度有机废水;
d)存储和使用甲醇作为碳源时,应做相应的防毒保护;
e)接触乙酸腐蚀性物质的设备和管道应采取防腐蚀措施;
f)碳源投加量宜按下式计算:
BOD5=2.86×(N1-N0)×Q…………………………(1)
式中:
BOD5——投加的碳源对应的BOD5量,mg/L;
N1——氨氮达标情况下,未补充碳源时,处理出水的总氮浓度,mg/L;
N0——标准要求的出水总氮浓度,mg/L;
Q——污水设计流量,m3/d。
4.本实用新型的设计参数
(1)好氧反应区容积确定
1)根据循环硝化装置的容积负荷来确定好氧反应区容积时,应按下式计算:
V1=Q(So-SE)/Nv…………………………(2)
式中:
V1——循环硝化装置好氧反应区容积,m3;
Q——污水设计流量,m3/d;
So——循环硝化装置进水化学需氧量,mg/L;
Se——循环硝化装置出水化学需氧量,mg/L;
Nv——容积负荷,kgCOD/(m3·d)。
2)容积负荷(Nv)应根据试验或同类污水的设计参数确定,如无其它资料时,可参考如下经验数据:
a)当废水BOD5/CODCr>0.4时,Nv可取3kgCOD/(m3·d)~5kgCOD/(m3·d);
b)当废水中0.3<BOD5/CODCr<0.4时,Nv可取1kgCOD/(m3·d)~3kgCOD/(m3·d);
c)当废水中BOD5/CODCr<0.3时,应通过预处理和前处理提高BOD5/CODCr的值使其大于0.3。
3)根据水力停留时间θ来确定好氧反应区容积时,应按下式计算:
V1=Q·θ……………………………………………(3)
式中:
V1——循环硝化装置好氧反应区容积,m3;
Q——污水设计流量,m3/d;
θ——水力停留时间,h。
4)对于生活污水,公式(3)中的θ可取4h~6h,对于工业废水可取5h~8h或视其可生化性确定。求出V1后应按公式(2)校核。
(2)兼氧沉降区容积确定
1)好氧反应区与兼氧沉降区的容积比设计为(1~2.5):0.4~1。
2)缺氧反应区容积应按下式计算:
式中:
V2——缺氧反应区容积,m3;V1——循环硝化装置好氧反应区容积,m3;
D1——循环硝化装置面积,m2;D2——缺氧反应区面积,m2。
(3)立体生态循环硝化装置的供氧量的确定
1)立体生态循环硝化装置采用鼓风曝气供氧,曝气器应设在正对升流区的循环硝化装置底部,宜采用均布的中微孔曝气头或穿孔管曝气。污水需氧量应按下式计算:
O2=0.001aQ(So-Se)-cΔXvss+b[0.001Q(Nk-Nke)-0.12ΔXvss]-0.62b[0.001Q(Nt-Nte-Noe)-0.12ΔXvss]……………(5)
式中:
O2——污水需氧量,kgO2/d;Q——污水设计流量,m3/d;
So——进水五日生化需氧量,mg/L;Se——出水五日生化需氧量,mg/L;
ΔXvss——排出***的微生物量,kg/d;Nk——进水总凯氏氮浓度,mg/L;
Nke——出水总凯氏氮浓度,mg/L;Nt——进水总氮浓度,mg/L;
Nte——出水总氮浓度,mg/L;Noe——出水硝态氮浓度,mg/L;
a——碳的氧当量,当含碳物质以五日生化需氧量计时,取1.47;
b——氧化每公斤氨氮所需氧量(kgO2/kgN),取4.57;
c——细菌细胞的氧当量,取1.42。
2)去除含碳污染物时,循环硝化装置污水需氧量宜取0.7kgO2/kgBOD5~1.2kgO2/kgBOD5。
3)立体生态循环硝化工艺选用鼓风曝气装置和设备时,应根据不同的鼓风设备、曝气装置、位于水面下的深度、水温、在污水中氧总转移特性、当地的海拔高度以及预期生物流化床中溶解氧浓度等因素,将计算的污水需氧量换算为标准状态下污水需氧量。
4)标准状态(0.1MPa,20℃)下污水需氧量应按下式计算:
Os=Ko·O2……………………(6)
Pb=P+9.8×103H…………………………(9)
式中:
OS——标准状态下污水需氧量,kgO2/d;
Ko——需氧量修正系数;
O2——污水需氧量,kgO2/d;
CS(20)——标准条件下清水中饱和溶解氧浓度,取9.2mg/L;
CSb(T)——在T℃、大气压条件下,循环硝化装置内混合液饱和溶解氧浓度的平均值,mg/L;
CS(T)——在T℃、大气压条件下,清水表面饱和溶解氧浓度值,mg/L;
Co——混合液剩余溶解氧,一般取2mg/L;
α——混合液中总传氧系数与清水中总传氧系数之比,一般取0.8~0.85;
β——混合液的饱和溶解氧值与清水中的饱和溶解氧值之比,一般取0.9~0.97;
F——曝气扩散设备堵塞系数,一般取0.65~0.9;
ρ——压力修正系数;
P1——所在地区实际压力,Pa;
T——设计水温,℃;
Pb——空气扩散装置出口处的绝对压力,Pa;
H——空气扩散装置的安装深度,m;
P——大气压力,P=1.013×105Pa;
EA——空气扩散装置的氧利用率,一般由厂商提供;
Ot——曝气后本实用新型水面逸出气体中氧的体积百分比。
5)标准状态下鼓风曝气供气量按下式计算:
S=Gs×0.21×1.331=0.28Gs………(13)
式中:
EA——空气扩散装置的氧利用率,一般由厂商提供;
Os——标准状态下污水需氧量,kgO2/d;
S——供氧量,kgO2/h;
0.21——氧在空气中所占百分比;
1.331——20℃时,氧的密度,kg/m3;
Gs——标准状态下的供气量,m3/h。
6)本实用新型宜设置一套备用的鼓风曝气设备。
7)应选用低噪声的鼓风机,鼓风机房应采取隔音降噪措施,并符合GB12523的规定。
8)单级高速曝气离心鼓风机应符合HJ/T278的规定;罗茨鼓风机应符合HJ/T251的规定;微孔曝气器应符合HJ/T252的规定。
5.间歇进水的本实用新型生化动力学中的反应速率
小试的本实用新型中兼氧沉降区内的活性污泥为分批培养物。分批培养物的细菌不能连续不断地增殖。当细菌平衡生长时,其化学组成是恒定的。这简化了细菌培养物增殖率的测定工作,因为测定细菌培养物中任何一种成分的增长率就足以代表细菌的增殖率。
因此,平衡生长的细菌培养物的增殖率可以用下式来表示:
式中,μ——增殖率常数,或称比增殖率,h-1;
x——细菌浓度,mg/L。
t——反应时间,h。
采用混合液的固体浓度MLSS来代替上式中的活细菌浓度x,并用大写
X表示,单位为mg/L。即:
此外,细菌的增殖率公式满足Monod方程:
式中,μmax——最大增殖率常数,或称最大比增殖率,h-1;
C——有机物浓度,mg/L。
从式(17)可得出,当营养物浓度很低时,μ值降低,因而细菌的生长速率随之下降。随营养物浓度的增加,μ值增大,生长速率也就上升,并得到更大的菌体量。但细菌的生长速率也缓慢下来。小试结果表明,在温度约为30。C时,本实用新型中兼氧沉降区的最低总有机物浓度,即营养物浓度,为150mg/L左右。在指数生长阶段,细菌的增殖速率dX/dt与限制营养物的减少速率dC/dt之间存在下列正比例关系:
式中,Y为产率因数(yield factor),它的涵义在下式中表出:
从上式看出,Y代表每克营养物所产生的细菌质量。
将式(17)代入式(18),可得:
式中,rc一生化动力学中的反应速率,mg/(L.h)。
当基质浓度很小时:
设常数(单位为L/(mg.h)),则可得到低浓度生活污水条件下的本实用新型中兼氧沉降区内的生化反应速率rC表达式:
(2)反应时间的确定
对本实用新型做物料衡算时,应掌握其两个主要特征:一是在反应进行过程中无物料的输入和输出;二是由于气流搅拌的作用,好氧区内物料充分混合,浓度均一,而且反应物系的浓度仅随反应时间而变化。因此可以对整个装置做物料平衡。
对生化反应,衡算的组分可选底物和产物,也可以做细菌的衡算。如对反应基质和产物做物料衡算,其基本关系式为:
【组分进入该体积单元的量】=【组分流出该体积单元的量】+【体积单元内组分转化的量】+【体积单元内组分累积量】
根据上式,对间歇操作的立体生态循环硝化装置,其物料衡算式应为:
反应组分转化速率=反应组分的累积速率
即
由上式可得:
式中,VR——反应器有效体积,L;
NC——基质的量,mg。
对液相反应:
若令t=O,C=Co;t=t,C=Ct,由式(24)分离变量积分,得到:
将式(21)代入式(25),可得到低浓度生活污水条件下的立体生态循环硝化装置的反应时间t的表达式:
由小试的装置模型的反应时间T=24,可分别求得不同温度下反应器处理生活污水的k值:温度为11℃时,K=5.3×10-5L/mg.h,温度为30℃时,K=1.3×10-4L/mg.h。
上述数据表明:在进水基质浓度低的条件下,温度对小试反应装置模型内的兼氧生物的动力学速率有较大影响。温度越高,生化反应速率越快。
(3)本实用新型有效体积
对间歇操作的本实用新型,反应物要达到一定的反应程度,或细菌要达到一定浓度所需要的反应时间,仅与过程的速率有关,而与装置大小无关。对间歇操作的本实用新型,其有效体积大小是由反应物料的处理量来确定的。设间歇操作本实用新型的一个操作周期的时间为T,则有:
T=t+tb………………………………(27)
式中,t——反应时间,h;
tb——辅助操作时间,h。
根据规定的生产任务,要求该装置在单位时间内所应处理的物料体积为Vo,单位为L/h,则该装置的有效体积为:
VR=V0(t+tb)………………………………(28)
式中,VR——装置有效体积,L。
故,应考虑辅助操作时间tb的大小,进而更加合理地确定装置的有效体积。
6.连续操作的本实用新型反应速率
(1)装置的水力停留时间
对基质(有机物)做衡算,则有:输入+循环=消耗+输出
即:
QC0+RQCt=VReC+Q(1+R)Ct………………………………(29)
式中,Q——反应液的流量,m;
R——回流比,即物料循环比或体积比;
Co——进水中基质的浓度,mg/L;
Ct——回流液和出水中基质的浓度,mg/L;
VR——装置的有效体积,L:
rc——生化动力学中的反应速率,mg/(L.h)。
由上式可得:
若令水力停留时间(HRT)为
式中的T只代表物料在装置内的水力停留时间,而不代表某一微元体的真实停留时间,单位为h,将式(21)代入式(30),可得到装置的水力停留时间T的表达式:
(2)装置有效体积
由式(30)和式(21)可得本实用新型有效体积VR为:
式中,VR——装置有效体积,L。
(3)回流比
设回流比为R,则回流污泥流量为RQ。在稳态条件下,对装置做细菌的衡算:
输入量+循环量+生长量=输出量
即:
QX0+RQXr=Q(1+R)Xt………………………………(33)
式中,Q——反应液流量,L;
XO——进水中细菌浓度,mg/L;
Xr——回流液中细菌浓度,mg/L;
R——细菌生长速率,mg/(L.h);
X1——装置出水中细菌浓度,mg/L。
可见,装置内细菌浓度(污泥浓度)与回流比、有效容积和污泥浓缩系数的取值密切相关。故在设计过程中选取合适的回流比至关重要。
7.本实用新型应用于同步脱氮脱磷试验中
循环硝化反应区B在运行参数为反应时间为4-6h,MLSS控制在2500—7000mg/L的范围内,好氧区C(上升区)DO处于2—5mg/L,兼氧沉降区(下降区)DO处于0.3—1.0mg/L,循环硝化反应区B之pH值为7—7.8,回流比为2.5-5。基本实现了对有机污染物、氨氮和磷的脱除。
其特性为:循环硝化反应区B在运行参数为反应时间为4-6h运行条件下连续进水运行,(1)当进水COD为300mg/L左右时,出水的COD可以降低到13mg/L,COD的去除率可以达到95%左右,(2)当进水的氨氮为118.7mg/L时,出水的氨氮浓度为5-15mg/L,氨氮的去除率达到93%以上;(3)当进水的磷酸盐浓度为10.5mg/L左右时时,出水的磷酸盐浓度也在2.7mg/L左右,磷酸盐去除率平均为73.8%。分别采用SEM和光学显微镜对***中生物颗粒和悬浮微生物进行生物相观察,发现***中的微生物组分复杂且长势良好,多种微生物相互共存。厌氧区存在大量的链球菌、短杆菌和少量的丝状菌,好氧区存在大量的长杆菌,丝状菌和少量的球菌,在悬浮污泥中还有不少的纤毛虫、线虫等原生动物后生动物存在。
本实用新型对SS、BOD5、CODcr、氨氮、总氮和磷的去除:
(1)SS的去除
污水厂出水中悬浮物浓度不仅涉及到出水SS指标,出水中的BOD5、CODCr、TP等指标也与之有关。因为组成出水悬浮物的主要成分是活性污泥絮体,其本身的有机成份就高,而有机物本身含磷,因此较高的出水悬浮物含量会使得出水的BOD5、CODCr和TP增加。故而控制污水厂出水的SS指标是最基本的,也是很关键的。在处理方案选用恰当、工艺参数取值合理和优化单体构筑物设计的条件下,完全能够使出水SS指标满足国家标准的要求。本实用新型以植物强大的根茎体系及生态填料完成废水的除臭除磷脱氮处理,静止沉淀相比连续沉淀的方式,可保证更低浓度出水的SS。
(2)BOD5的去除
污水中BOD5的去除是靠微生物的吸附作用和代谢作用,对BOD5降解,利用BOD5合成新细胞,然后对污泥与水进行分离,从而完成BOD5的去除。活性污泥中的微生物在有氧的条件下,将污水中的一部分有机物用于合成新的细胞,将另一部分有机物进行分解代谢以便获得细胞合成所需的能量,其最终产物是CO2和H2O等稳定物质。在合成代谢与分解代谢过程中,溶解性有机物(如低分子有机酸等)直接进入细胞内部被利用,而非溶解有机物则首先被吸附在微生物表面,然后被胞外酶水解后进入细胞内部被利用。由此可见,微生物的好氧代谢作用对污水中的溶解性有机物和非溶解性有机物都起作用,并且代谢产物是无害的稳定物质,因此,可以使处理后污水中的残余BOD5浓度很低。
本实用新型中,通过活性生物菌群消化有机污染物质,提高了自然净化能力,以达到净化水质的目的。除了在传统活性污泥***中所发现的细菌外,还接种有其它2000-3000种植物、动物和微生物。所接种的有机体具有自我合成和吸收太阳能的能力,这种能力保证了污染物得到最大限度的生物降解。
(3)CODcr的去除
污水中CODcr去除的原理与BOD5基本相同。
污水厂CODcr的去除率,取决于进水的可生化性,它污水的组成有关。对于生活污水,其BOD5/CODcr≥0.5,污水的可生化性较好,出水CODcr值可以控制在较低的水平,能够满足要求。
本实用新型处理的污水主要以生活污水为主,其BOD5/CODcr值为0.5,污水具有较好的可生化性,采用二级处理工艺能满足要求。
(4)氨氮的去除
污水去除氨氮方法主要有物理化学法和生物法两大类,在生活污水处理行业中生物法去除氨氮是主流,也是生活污水处理中经济和常用的方法。
氮是蛋白质不可缺少的组成部分,因此广泛存在于生活污水之中。在原污水中,氮以NH4+-N及有机氮的形式存在,这两种形式的氮合在一起称之为凯氏氮,用TKN表示。而原污水中的NOx-N(包括亚硝酸盐和硝酸盐在内)含量很少,几乎为零。这些不同形式的氮统称为总氮(TN)。
氮也是构成微生物的元素之一,一部分进入细胞体内的氮将随剩余污泥—起从水中去除。这部分氮量约为所去除的BOD5的5%,为微生物重量的12%,约占污水处理***剩余活性污泥量的4%。
在有机物被氧化的同时,污水中的有机氮也被氧化成氨氮,在溶解氧充足、负荷较低、泥龄较长的情况下,进一步被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐,通常称之为硝化过程。其反应方程式如下:
NH4 ++1.5O2→NO2 -+2H++H2O
N O2 -+0.5O2→N03 -
第一步反应靠亚硝酸菌完成,第二步反应靠硝化菌完成,总的反应为:
NH4 ++2O2→NO3 -+2H++H2O
因此,采用发达根茎的植物吸收氨氮,去除率极高。
(5)总氮的去除
废水中的氨氮经过硝化作用被氧化成硝酸盐,尽管氨氮的浓度降低,但废水中的总氮被没有降低,为降低总氮,就必须去除废水中的硝酸盐氮。目前最成熟的工艺是反硝化,即在缺氧条件下,在兼性脱氮菌(反硝化菌)的作用下,将硝酸盐氮还原成氮气逸出,从而降低废水中的总氮。以甲醇作碳源为例,其反应方程式如下:
6NO3-+2CH3OH→6NO2-+2CO2+4H2O
6NO3-+3CH3OH→3N2+3CO2+3H2O+6OH-
本实用新型通过在接触氧化池2中设置多组水养植物4,以植物发达根茎吸收氨氮,从而提高总氮的去除率。
(6)磷的去除
生物除磷是污水中的聚磷菌在厌氧条件下,受到压抑而释放出体内的磷酸盐,产生能量用以吸收快速降解有机物,并转化为PHB(聚β羟丁酸)储存起来。当这些聚磷菌进入好氧条件下时就降解体内储存的PHB产生能量,用于细胞的合成和吸磷,形成高浓度的含磷污泥,随剩余污泥一起排出***,从而达到除磷的目的。
本实用新型利用水养植物4发达的根茎吸收磷,运行过程中无电能消耗,完全避免化学物质的使用,维护费用仅为植物的养护费用和破碎填料的更换添加费用。
若对污泥脱水间进行封闭除臭,会增加投资,且管理也不方便。因本实用新型不设初沉池,没有生污泥,污泥在污泥池内停留时间短,且进行好氧消化,并封闭处理,散发的臭味会有所减弱。污泥脱水间和运泥间单独设置,平时注意加强管理,产生的污泥及时压干外运,臭味的影响可以控制在承受的范围内。若能采用封闭式的离心式脱水机,则更会减弱臭味的散发。
本实用新型中,通过植物作用脱臭效果明显,且可改善景观效果。通过除臭区A处理后的污水臭味大大降低。
采用本实用新型改造或新建的污水处理***外型景观漂亮。外部还可建有温室,温室采用轻钢骨架结构玻璃室;***内为生态景观,内置立体生态外循环硝化装置除臭;温室可以确保植物和其它有机物在适宜环境温度下保持旺盛的活力,这一生态污水处理设施,可不必建在偏远地区,可应用于要求严格的高档社区,且对各社区环保具有积极意义。
8.污水处理***升级改造中应用本实用新型与传统工艺的比较
参见表1,本实用新型与MBR工艺、接触氧化工艺比较,无论是出水水质、出水水质稳定性、脱氮除磷效果、除臭减碳效果、剩余污泥指标还是其他相关指标,运行费用,都优于另外两种工艺。由此可见,采用本实用新型处理后的废水出水水质好,可稳定达到国家一级A标准,满足绿化、冲厕等中水回用要求,也可作为生态景观补充水。同时,特别是具有极优的脱氮效果,出水氨氮可达到地表水Ⅱ类要求,克服了其他工艺脱氮效果低的缺陷。其具有良好生态净化环境,耐负荷冲击能力强,出水水质稳定,剩余污泥少。而且,不仅出水水质好,而且外型景观漂亮,操作自动化程度高,基本可实现无人值守。
本实用新型采用集成技术,设施布置紧凑,可根据需要选择合适的单元数量来布局占地面积,由于集成设置,工程投资和运行管理费用较低。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。