申请日2010.03.03
公开(公告)日2011.04.20
IPC分类号C02F9/14; C02F3/34; C02F1/66; C02F1/52; C02F3/30
摘要
本发明涉及一种污水生物净化的方法和装置，由预处理单元、微生物生长单元、循环单元、测控单元和后处理单元组成，其结构见附图。本发明的净化过程和机理是：待净化的污水引入预处理单元中的初沉池，经物理方法进行预处理后，在测控单元的控制下，泵送到布水器，通过布水器滴溅进入微生物生长单元A区，再通过压力布水管到达B区。在循环单元的作用下，污水在微生物生长单元A区与B区间反复循环流动，此时，污水中的溶解氧始终重复高浓度-极低浓度的状态，污水中的污染物与微生物重复好氧-厌氧-兼氧反应过程，从而达到对污水的净化目的。本发明与现有技术相比，具有适应范围广、净化效果好两个方面的优点。 
权利要求书
1.循环附着-悬浮微生物污水净化系统，由预处理单元、微生物生长单元、循环单元、测控单元和后处理单元组成。
2.根据权力要求1所述循环附着-悬浮微生物 污水净化系统，其特征在于微生物生长单元用隔墙分隔成A、B两个区域，并通过隔墙下的压力布水管连通。
3.根据权力要求2所述微生物生长单元，其特征在于A区中俯视方向顺序布置好氧生物膜、厌氧生物膜及厌氧活性污泥，B区中俯视方向顺序布置兼氧生物膜、厌氧生物膜及厌氧活性污泥。
4.根据权力要求2所述微生物生长单元，其特征在于微生物固定化载体采用表面改性泡沫陶瓷，即所有好氧、厌氧和兼氧生物膜都附着在表面改性泡沫陶瓷比表面上，附着方式为吸附-交联。
5.根据权力要求1所述循环附着-悬浮微生物污水净化系统，其特征在于待净化的污水引入预处理单元中的初沉池，经物理方法预处理后，在测控单元的控制下，泵送到布水器，通过布水器滴溅进入微生物生长单元A区，再通过压力布水管到达B区。在循环单元的作用下，污水在微生物生长单元A区与B区反复循环流动。
6.根据权力要求1所述循环附着-悬浮微生物污水净化系统，其特征在于测控单元对后处理单元排放堰槽进行水质监测，远程接口将监测数据传送至环保部门监测数据管理平台。
说明书
循环附着-悬浮微生物污水净化系统
技术领域：
本发明涉及一种用生物的方法净化污水的方法和装置，进一步的说是涉及一种循环附着-悬浮微生物污水净化系统。
背景技术：
微生物繁多的种类、复杂的营养类型、极大的代谢能力以及高度的变异性和适应性，使之在利用各种污染物、去除有害物质甚至废物资源化方面显示巨大的潜力。利用微生物对污染物的降解能力来净化污水已广泛地应用，与物理和化学的方法相比，其投资少、成本低、工艺简单、环境友好，既能彻底降解污染物又不产生二次污染。在长期的工程实践中，人们就活性污泥法(Activated Sludge Process)开发了多种工艺，活性污泥法中的微生物是随着活性污泥在污水中悬浮生长的。此后，人们也开发了生物膜法(BiomembranceProcess)来净化污水，生物膜法中微生物是附着在固定化载体上生长的。
在活性污泥方法的各种工艺里，均采用曝气及搅动污泥的方式来强化微生物的趋化性，使得污染物及时降解;而在生物膜法中则是采用污水通过载体上生长的生物膜的方法来强化微生物的趋化性。因此，将以上两种方法结合起来的复合工艺比单一方法处理工艺有更好的净化效果。专利文件200610054496.6公开了一种活性污泥-生物膜复合式一体化污水处理方法和装置，首先将待处理污水引入缺氧区，不停搅动以便待处理污水与活性污泥充分混合;然后将上述处理后的污水引入设置有填料的曝气区，将微生物悬浮生长的活性污泥和固定生长的生物膜结合起来，通过连续曝气或间歇曝气对进入曝气区的污水进行曝气处理;最后将处理后的污水引入沉淀区，自然沉淀实现泥水分离，沉淀后 形成的净水从沉淀区上部引出，沉淀后形成的污泥混合液回流到缺氧区，剩余污泥直接排出。该方法和装置比较适合中小城镇的污水处理。
专利文件200810196853.1公开了一种活性污泥和生物膜复合型A2/O改良工艺，该工艺由厌氧、缺氧、好氧三段工艺组成，其特征是在好氧反应器中投加多个纤毛状生物填料，用超声波处理装置对二沉池中剩余污泥进行空化分解成液态溶解性的有机物，并将这部分污泥回流至缺氧反应器的前端。该工艺利用纤毛状生物填料固定了大量世代繁殖时间长的硝化菌，提高了硝化反应速度，减少了泥龄变化对硝化菌群的影响;利用超声波处置装置处理剩余污泥，使剩余污泥所包含的高效有用物质得到利用，同时解决了A2/O工艺过程中碳源不足的问题，使A2/O工艺系统同时保持较高的脱氮除磷效果。该工艺较适合用于城市污水的二级处理。
通过分析以上两个专利文件所述工艺方法和装置，不难看出其有以下明显缺陷：
1、只在好氧阶段使用生物膜，虽然强化了硝化作用，但反硝化作用仍然较弱，因此，对污水的净化有很大的局限性;
2、只能对城镇污水进行二级处理，对与组分复杂的工业污水不可能净化至达标排放;
3、不能对污水进行深度处理，妨碍了处理后的污水的资源化利用;
4、出水水质不稳定，这是由于引入的污水中各类污染物的浓度是变化的，且环境条件(主要是环境温度)是不断变化的，在相同运行条件下，出水水质是不同的。因此会出现水质不达标的情况下排放了。
发明内容：
本发明的目的是为弥补现有活性污泥-生物膜复合型方法中存在的诸多缺陷，提供一种循环附着-悬浮微生物污水净化系统。该系统由预处理单元、微生物生长单元、循环单元、测控单元和后处理单元等五个单元组成。
1、预处理单元包括初沉池、泵送系统和布水器等。待净化污水引入初沉池，进行简单的物理和化学处理后使之处于较为稳定的状态，经泵送系统进入布水器，布水器为底板带网眼的槽形结构。布水器结构示意图见附图1(a)，带网眼的地板结构示意图见图1(b)。
2、微生物生长单元包括池体、压力布水管、微生物固定化载体、活性污泥。用隔墙将池体分隔成A、B两个区域，压力布水管穿过隔墙从A区向B区布水，使两个区域连通。布水器安装在A区上端。A区按俯视方向顺序布置好氧微生物载体、厌氧微生物载体、厌氧活性污泥;B区按俯视方向顺序布置兼氧微生物载体、厌氧微生物载体、厌氧活性污泥。布水器中的污水滴溅进入A区，再经压力布水管进入B区，微生物生长单元其结构如图2所示。本单元中，附着在固定化载体上生长的微生物以生物膜的形态出现，而悬浮在活性污泥中生长的微生物以菌胶团的形式出现。本单元设计有三个关键点：1)微生物固定化载体不采用普通填料，而是使用表面改性泡沫陶瓷。表面改性泡沫陶瓷是在普通泡沫陶瓷比表面上用冷气动力喷涂技术粘结过渡金属氧化物粉末颗粒，并做亲水处理而成。含水的过渡金属氧化物中的羟基可以被细胞的适当配位体取代形成共价键。对原核生物和真菌的细胞而言，由于细胞壁上会有大量多糖，可以通过螯合作用与泡沫陶瓷筋络交联，对于原生生物和微型后生动物而言，细胞质膜上镶嵌有大量蛋白质，蛋白质的肽链上的氨基酸残基可与含水的过渡 金属氧化物中的羟基形成共价键，这种交联作用几乎不影响细胞的生物活性。表面改性泡沫陶瓷载体内部筋络比表面有一层含水的过渡金属氧化物离子，非常有利于固定微生物时螯合反应的进行，从而使其比表面用吸附-交联的复合方式对微生物进行固定化，所形成的生物膜中微生物负荷大、生物膜机械强度大。2)厌氧微生物固定化载体垂直方向上表面距池底1300mm左右，出水管距池底1600mm左右;3)设计泥面高度300-400mm，压力布水管距池底500mm。
3、循环单元包括循环水池和循环管泵。循环水池容量很小，并预先储存用于循环的水。用于循环的水管的上弧顶端开若干孔洞，以使在管中循环的污水吸收空气中的氧气增加其溶解氧。当污水在微生物生长单元池体中达到控制水位高度时，即停止进水，启动循环泵，从循环水池中提水进入布水器，进入A区后，由于压力作用，污水向下顺序流经好氧生物膜、厌氧生物膜，到达底部与厌氧活性污泥接触反应;通过压力布水管，到达B区底部与厌氧活性污泥接触，然后向上流经厌氧生物膜、兼氧生物膜，并再次进入循环水管流入循环水池，开始下一个循环。
4、测控单元由特征污染物连续在线监测仪、工控机、泥位监测仪、Ph计、流量计、编程器及应用软件等集成而成。它有六个方面的功能：1)控制从初沉池到微生物生长单元的进水，当进水到达控制水位时，停止泵送;2)然后启动循环泵，使污水在微生物生长单元A、B两区反复循环流动;3)监测循环流动中的污水特征污染物浓度值，并与相应的目标值比对，当所有监测到的浓度值小于目标值时，停止循环;4)循环停止后，控制出水阀经出水管出水至后处理单元中的沉淀池，并在出水完毕后再次启动送水泵从初沉池送水到布水器，开始下一净化过程;5)泥位控制，是使泥位值保持在某一区间，即泥位到达某一高度时排泥，当泥位降至要求高度时，停止排泥;6)对后处理单元 排放堰槽进行水质监测，远程接口将监测到数据传送至环保部门监测数据管理平台。
本发明提出了一种全新的污水净化方法及其装置，其净化过程和机理如下：待净化污水引入初沉池后经物理方法进行预处理后，测控单元控制泵送到布水器，通过布水器滴溅进入A区，首先向下流经好氧生物膜。布水器的作用是增加污水中溶解氧的含量，以便污水流经好氧生物膜时，污水中的污染物与好氧微生物发生较为强烈的生化反应。由于好氧微生物的有氧呼吸作用，污水流过好氧生物膜后，溶解氧几乎全部消耗，再向下流经厌氧生物膜，到达底部与厌氧活性污泥接触，进行厌氧消化反应，然后经压力布水管进入B区底部与厌氧活性污泥接触，并向上流经厌氧生物膜，再次进行厌氧消化反应，然后上流通过B区上端的兼氧生物膜，进行兼氧反应，最后进入循环水管，流入循环水池，再由循环泵送入布水器进行下一个循环。循环水管的上弧端开有若干孔 洞，由于流动的作用，使空气中的氧气溶入污水中。在不断地循环中，污水中溶解氧始终重复高浓度-极低浓度的状态，污水中的污染物与微生物重复好氧-厌氧-兼氧反应过程。测控单元对污水中的特征污染物的浓度进行监测，当监测值全部小于各自设定的标准值时，停止循环，并从微生物生化单元出水至后处理单元。出水完成后的微生物生长单元池体水位保持在1.6m左右，此时，A、B两区上端的好氧生物膜和兼氧生物膜暴露在大气中，生物膜中的微生物可以充分复氧，而下端的厌氧生物膜及厌氧活性污泥保持与大气隔离，维持厌氧状态。出水完成后，测控单元控制进水泵再次从初沉池中送水至布水器，开始下一个净化过程。
本发明与现有的技术相比，有以下两个方面的突破：
1、待净化污水通过本系统可以反复进行硝化与反硝化反应，除磷脱氮完全，对其它污染物也能完全降解，不仅适用城镇污水的净化处理，而且对各种组分复杂的工业污水的净化也完全适用，且出水水质稳态达标;
2、可在测控单元中设定特征(目标)污染物范围及其所要达到的净化后的标准值，对污水直接进行深度处理。这对污水的资源化利用有重要意义。
具体实施方式
在上文(发明内容部分)已对循环附着-悬浮微生物污水净化系统的组成、结构、净化过程及机理作了明确的阐述。本领域技术人员可以领会到：这些明确的阐述实际上已将本发明的实施方式道出。下面以湖北某磷化工厂含磷废水净化处理为例来说明这一点。
实施例
湖北某磷化工厂含磷废水主要由以下生产过程产生：①黄磷生产过程的精 制槽、泥磷池、冷凝塔产生的含磷废水;②热法磷酸压磷工序产生的含磷废水;③食品磷酸滤布洗涤产生的含磷废水;④三聚磷酸钠高压泵含磷冷却水。含磷废水产生量为1050545t/a。另外水膜除尘产生废水量为21600t/a，生活污水量为10200t/a。
含磷废水主要污染物为固体悬浮物、化学需氧量、总氰化物、硫化物、总磷、总氮、氨氮、氟化物等，主要特点是PH值较低(2-3)，含磷较大。若水实行全封闭循环，势必会使水循环系统的水质不断恶化，污染物的含量不断累积升高，除给系统中的设备造成损害外，炉渣水淬时还会向大气中无组织超标排放氟化物、五氧化二磷、氰化物等污染物。因此，含磷废水要经净化处理达标后，才能循环回用和排放。
根据废水产生量和初期雨水量确定该厂含磷废水处理站的建设规模为150m3/h。现有工艺方法无法净化处理含磷废水，应用本发明则可以使含磷废水净化处理后达标排放和回用，其主要参数和调试方法如下：
1、预处理单元，建设两座园柱形、容积为3600m3的调节池，沿调节池上端外壁建环形水渠，深200mm，环形带宽200mm，调节池上安装高100mm的环状格栅，调节池2比调节池1水平高度低250mm。合磷废水接入调节池1的环形水渠，通过环状格栅，沿池壁跌溅进入调节池1，然后通过连接管进入调池2的环状水渠，再次通过环状格栅跌溅进入调节池2，两个调节池的作用是对水质水量进行调节，拦截悬浮物，对温度进行调节(调节废水的温度到30-35℃)，在调节池2中投加NaHCO3调节废水的ph值至6～8。
槽形结构布水器尺寸7500×7500×500mm，底板网眼孔径10mm，间距15mm。
2、微生物生长单元池体尺寸15000×15000×6160mm，进水管2连接调 节池2与布水器，其尺寸φ100mm，压力布水管30根，压力布水管上布水孔孔径15mm。表面改性泡沫陶筑孔径20mm，孔隙率91%，抗压强度1.25MPa，矩形形状，布置在钢架上，吊装进入A、B两个区域。用隔墙将微生物生产单元池体隔开的A、B两个区域大小相同，厌氧微生物载体垂直方向距地底1300mm，好氧(兼氧)微生物载体距池体上端160mm，出水管7距池底1600mm，厌氧活性污泥设计高度400mm，压力布水管距池底500mm。
3、循环水池尺寸2000×2000×2000mm，依微生物生长单元池体而建，水平高度一致，潜水泵(循环泵)安装在池底，循环水管尺寸φ150mm，上端开孔孔子径20mm，间距10mm。
4、测控单元：在线监测仪(COD、总氰化物、硫化物、总氮、总磷、氨氮、氟化物、ph)、泥位监测仪、数据传输器、工控机及集成软件，所有监测仪探头安装在B区域。特征污染物标准值按黄磷工业污染物特别排放标准设定为：ph8.0，COD50、总氰化物0.5，硫化物1.0，总磷0.5，总氮10，氨氮5、氟化物8(除ph值外，其它单位为mg/L)。
5、后处理单元：沉淀池为地下结构，尺寸20000×2000×4000mm，接排放堰槽，堰槽安装在线监测仪探头。
6、调节方法
(1)厌氧活性污泥接种培养
取当地城市污水处理厂厌氧活性污泥放入微生物生长单元池体A、B两个区域底部，泥位高度320mm，加入清水至1300mm，投加C、N、P(按比例100∶5∶1)、FeCL2·4H2O、CuCL2等营养物质，每3天一次，第12天开始每天加入7m3含磷废水，10天后水位升至1600mm，其后的30天中，每天向池体加入50m3含磷废水。
(2)厌氧生物膜的生长形成
在厌氧活性污泥接种培养、驯化的过程中，A、B两个区域中的表面改性泡沫陶瓷载体上吸附-交联的微生物逐渐生长、繁殖，形成较为成熟的生物膜。
(3)好氧(兼氧)生物膜的生长形成
首先利用当地城市污水处理厂好氧活性污泥接种培养出好氧降解菌，再用含磷废水进行驯化培养，并放大培养得到该工程使用的菌液。在厌氧活性污泥接种培养的第1天到第22天，每天用喷雾器向好氧(兼氧)微生物载体喷洒含磷废水，一天3次，保持载体湿润，让载体比表面吸附含磷废水中的污染物，从第23天开始用喷雾向好氧(兼氧)微生物载体喷洒菌液，每天两次，连续10天，此后20天每天喷洒含磷废水和营养物的混合液(废水的浓度比例逐步增加)。在厌氧活性污泥接种培养基本完成和厌氧生物膜生长形成的同时，好氧(兼氧)生物膜也生长形成。
(4)试运行
正式启动测控单元，试运行一个多月后，系统净化速度和出水水质均达到该磷化工厂对含磷废水进行净化处理的要求。
