申请日2012.05.03
公开(公告)日2012.09.19
IPC分类号C02F9/14
摘要
一种污水处理及再生循环利用装置设有生化系统、电解系统、MBR系统和深度处理系统。一种污水处理及再生循环利用方法包括以下步骤：(1)生化处理(2)电解(3)MBR系统过滤(4)电容脱盐和消毒(5)污泥处理。可克服现有污水再生技术中再生水质量较差、难以满足用水水质要求，且投资大、运行成本高和对环境产生二次污染等缺陷，可减少污水排放，提高水的利用效率的，同时对污泥进行再生利用，消除污泥可能对环境造成的危害。
权利要求书
1.一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于设有生化系统、电解系统、MBR系统和深度处理系统;
所述生化系统用于对污水进行生化处理得到生化出水，生化系统设有截流井、粗格栅、提升泵、细格栅、沉砂池、一级配水井、初沉池、生物处理设备、二级配水井、二沉池和污泥回流泵;截流井的进口通过管道与污水排出口联接，截流井的出口接粗格栅的进口、粗格栅的出口接提升泵的进口，提升泵的出口接细格栅的进口、细格栅的出口接沉砂池的进口，沉砂池的出口接一级配水井的进口，一级配水井的出口接初沉池的进口，初沉池的出口接生物处理设备的进口，生物处理设备的出口接二级配水井的进口，二级配水井的出口接二沉池的进口，二沉池的出水口与电解系统的进口联接，二沉池的污泥出口则一路经污泥回流泵与生物处理设备的进口联接，另一路与污泥处理系统的进口联接;
所述生化系统还包括一个污泥处理系统，污泥处理系统用于将生化系统产生的污泥进行再生循环利用，污泥处理系统设有截止阀、一级污泥泵、电解机、缓冲罐、二级污泥泵、污水泵和污泥脱水装置;截止阀的进口通过管道接二沉池的污泥出口联接，截止阀的出口接一级污泥泵的进口，一级污泥泵的出口接电解机的进口，电解机的出口接缓冲罐的进口，缓冲罐的出水口经污水泵接生物处理设备的进水口，缓冲罐的污泥出口则经二级污泥泵接污泥脱水装置的进口，污泥脱水装置的滤液出口通过管道与二沉池的进水口联接，污泥脱水装置处理所得的泥饼则外运;
所述电解系统用于对生化处理排放污水进行电解处理，电解系统设有截止阀、供水泵和电解机;截止阀的进口外接生化出水排出口，供水泵的进口接截止阀的出口，供水泵的出口接电解机的进口，电解机的出口与MBR系统的进口联接;
所述MBR系统用于将电解系统所得净化污水进行进一步处理，MBR系统设有截止阀、格栅、MBR反应池、MBR膜组件、鼓风机、曝气器、排污泵、出水泵、初级再生水贮罐和MBR清洗系统;所述截止阀的进口接电解系统的电解机的出口，截止阀出口接格栅的进口，格栅的出口接MBR反应池的进口，MBR膜组件浸没在MBR反应池内，通过鼓风机及分布的曝气器对其进行曝气，MBR反应池的滤液出口接出水泵的进口，出水泵的出口接初级再生水贮罐的进口，MBR反应池的污泥出口接排污泵的进口，污泥经过排污泵抽吸至污泥处理系统进行处理;
所述深度处理系统用于将MBR系统处理所得的初级再生水进行电容吸附脱盐、分离，得透析水和浓缩水，透析水进一步通过消毒得到再生水，深度处理系统设有截止阀、提升泵、保安过滤器、供水泵、电容脱盐装置、消毒装置、再生水贮罐和浓缩水增压泵;所述截止阀的进口接MBR系统初级再生水贮罐的出口，截止阀出口接提升泵的进口，提升泵的出口接保安过滤器的进口，保安过滤器的出口接供水泵的进口，供水泵的进口接电容脱盐装置的进口，电容脱盐装置的透析水出口接消毒装置的进口，消毒装置的出口接再生水贮罐的进口;深度处理系统将MBR系统所得初级再生水经保安过滤器后用供水泵泵入电容脱盐装置，经电容脱盐装置处理得透析水和浓缩水，透析水经消毒装置消毒后进入贮罐得再生水;浓缩水则经过浓缩水增压泵回流进入电解净化系统循环使用。
2.如权利要求1所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述生物处理设备为厌氧池、缺氧池、曝气池、氧化沟、序批式反应器(SBR)、生物滤池、生物转盘或生物接触氧化池的一种或两种以上的组合。
3.如权利要求1所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述所述电解机设有电源和电解槽;所述电解槽内的电极材料为石墨、钛、铁、铝、锌、铜、铅、镍、钼、铬、合金和纳米催化惰性材料中的一种。
4.如权利要求3所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述纳米催化惰性电极的表层涂覆有晶粒为10～35nm的金属氧化物惰性催化涂层，所述纳米催化惰性电极的基板为钛板或塑料板。
5.如权利要求1所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述污泥脱水装置为真空过滤脱水装置、压滤脱水装置、离心脱水装置和膜过滤装置中的一种，所述的压滤脱水装置为带式压滤机、板框压滤机二者中的一种，所述膜过滤装置为微滤、超滤二者中的一种。
6.如权利要求5所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于：所述微滤的膜组件为陶瓷膜、金属膜组件二者中的一种，所述超滤的膜组件为陶瓷膜、金属膜组件二者中的一种。
7.如权利要求1所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述MBR膜组件选自聚偏氟乙烯中空纤维膜、聚丙烯中空纤维膜、聚砜中空纤维膜、聚醚砜、聚丙烯腈和聚氯乙烯中空纤维膜中的一种。
8.如权利要求1或7所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述MBR膜组件的膜孔径为0.10～0.2μm，工作压力为-1～-50kPa，工作温度为5～45℃，适用pH为1～14。
9.如权利要求1所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述MBR清洗系统用于清洗MBR膜组件，MBR清洗系统设有清洗液罐、反冲洗泵和截止阀;清洗液罐的出口接反冲洗泵的进口，反冲洗泵的出口接截止阀的进口，截止阀的出口接MBR系统。
10.如权利要求1所述的一种污水处理及再生循环利用装置，其特征在于所述消毒装置为电解机、加氯系统、二氧化氯消毒器、臭氧消毒系统和紫外消毒器中的一种。
11.一种污水处理及再生循环利用方法，其特征在于，使用如权利要求1所述一种污水处理及再生循环利用装置，所述方法包括以下步骤：
1)生化处理：污水经截流井进入生化系统，通过处理降低污水中的油脂、浮渣、SS、COD和BOD等污染物质，使其各项指标达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》三级排放标准，再进入后续处理工序;
2)电解：将生化出水经水泵提取后，输入电解机中进行电解;
3)MBR系统过滤：将经过电解系统处理所得的净化污水经管道流入MBR系统，进行MBR系统处理分离得初级再生水;
4)电容脱盐和消毒：将经过MBR系统过滤所得的初级再生水经过供水泵泵入电容脱盐装置，脱盐分离得透析水和浓缩水，透析水经过消毒装置后进入贮罐得再生水;
5)污泥处理：生化系统产生的污泥进入污泥处理系统，经过电解和接触反应破坏污泥的结构，破解微生物的细胞壁，微生物胞内物质流出，进入水相，使难降解的固体性物质变为易降解的溶解性物质，然后再通过污水泵回流至生物处理设备中，为微生物所循环利用;剩余污泥则进入污泥脱水装置得滤液和泥饼，滤液经管道回流至二沉池，而泥饼则外运。
12.如权利要求11所述的一种污水处理及再生循环利用方法，其特征在于在步骤2)中，所述电解的电解槽的工作电压为2～250V，相邻两个电极间的电压为2～18V，电流密度为3～400mA/cm2。
13.如权利要求11所述的一种污水处理及再生循环利用方法，其特征在于在步骤4)中，所述电容脱盐的操作条件为直流电压110V/m ~2×106V/m。
说明书
一种污水处理及再生循环利用装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理及再生循环利用装置及其方法，属于环境保护领域。
背景技术
水资源与环境污染问题日益受到人类社会的重视，一方面淡水用量不断增加，水资源日益紧缺，另一方面污水排放量日益增多，对环境污染日益严重，因此，污水处理和再生资源化循环利用越来越受到各国的重视。中国是一个水资源严重缺乏的国家，人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一，是世界上最缺水的13个国家之一，目前，在全国600多座城市中，有400多座城市缺水，因此污水再生循环利用成为解决淡水资源不足的关键。但是，我国当前的污水处理多为达标排放，成熟的污水再生循环利用技术不多，应用到工程实践的更是少之又少，每天都有大量的污水经过处理达标后就直接排入江河、湖泊、海域，既造成了水资源的浪费又污染了环境，长此以往必将造成水资源的不可持续发展。据介绍，在我国城市水资源总消耗中，工业用水大约占2/3，如将污水经过再生处理后用于工业用水，在节水方面将有很大的潜力，等于增加了2/3的淡水资源总量。
近年来，我国环境工作者在污水处理，再生循环利用方面作了大量工作，中国专利CN200410024576.8公开了“一种污水抽取再生水的工艺和专用设备”，它是将污水经过酶处理后，再经过滤和臭氧消毒而生产再生水的方法。中国专利CN101108760B公开了经过生化处理后达到排放标准的污水经过连续微滤处理的再生水循环利用方法，它是将生化出水的尾水作为源水，经过旋流混凝反应池、平流多斗沉淀池物化沉淀后进入中间水池，由提升泵送至连续微滤系统进行深度处理而生产再生水的方法。尽管污水再生的方法已有不少，各级政府和广大环境工作者在污水再生循环利用方面也做了大量的工作，但是污水回用量在工业用水中所占比例却不到2%，污水回用的领域也只限于对水质要求不高的行业，如工业冲渣除尘水、冷却水、企业内部绿化、冲厕等杂用，在水质要求较高的生产工艺用水方面则尝试很少。分析其原因，主要因为污水在工业上的循环利用存在如下问题：1、再生水质量不高：首先表现在现有的污水净化再生技术难以去除污水中的残留色度和臭味，再生水中还残留有各种营养物质和细菌、霉菌、藻类等，遇到适宜的温度、光照条件即会迅速繁殖导致水体发黑发臭，并产生难以处理的生物垢，对工艺设备也会造成不良影响，使再生水在工业生产中应用受到很大局限;其次是污水中总溶解盐含量高，并含有大量可以形成水垢的钙镁盐类物质，当其通过管道被输送到用水工艺设备时，会因长期的电化学腐蚀作用，使用水设备受到损坏，随着水中钙镁盐类在用水设备中不断地循环浓缩，进一步形成水垢，会导致用水设备阻塞。2、经济上不合算：生化后经过多级膜处理，虽然能够实现污水再生，但是一次性设备投资大，运行成本高于现行自来水价，从经济合算的标准衡量，仍然不尽如人意，再生水处理循环利用无法实现规模化。3二次污染：传统的再生水回用技术在对污水的净化过程中通常采用加入絮凝剂和杀菌剂对水中微生物、胶体物、固体颗粒进行沉淀后，再经过砂滤过滤、多介质过滤和膜过滤的净化工艺，其缺点是处理过程中要加入絮凝剂和消毒杀菌剂，不仅投资大、运行成本较高，而且加入的絮凝剂和杀菌剂还对环境造成不同程度的污染。由以上问题可知，研究开发适合中国经济现状和发展水平的安全、可靠、高效、低能耗、低投资、低成本的再生水循环利用技术和配套设备，为再生水回用的规模化、产业化发展奠定坚实的基础成为一项迫在眉睫的任务。
发明内容
本发明的目的在于针对现有污水再生循环利用技术存在的问题，提供一种可克服现有污水再生技术中再生水质量较差、难以满足工业生产的生产工艺用水水质要求，且投资大、运行成本高和对环境产生二次污染等缺陷，可减少污水排放，提高水的利用效率的污水处理装置。
本发明的另一目的在于提供一种污水处理及再生循环利用方法。
本发明所述污水处理及再生循环利用装置设有生化系统、电解系统、MBR系统和深度处理系统;
所述生化系统用于对污水进行生化处理得到生化出水，生化系统设有截流井、粗格栅、提升泵、细格栅、沉砂池、一级配水井、初沉池、生物处理设备、二级配水井、二沉池和污泥回流泵;截流井的进口通过管道与污水排出口联接，截流井的出口接粗格栅的进口、粗格栅的出口接提升泵的进口，提升泵的出口接细格栅的进口、细格栅的出口接沉砂池的进口，沉砂池的出口接一级配水井的进口，一级配水井的出口接初沉池的进口，初沉池的出口接生物处理设备的进口，生物处理设备的出口接二级配水井的进口，二级配水井的出口接二沉池的进口，二沉池的出水口与电解系统的进口联接，二沉池的污泥出口则一路经污泥回流泵与生物处理设备的进口联接，另一路与污泥处理系统的进口联接。
所述生化系统还包括一个污泥处理系统，污泥处理系统用于将生化系统产生的污泥进行再生循环利用，污泥处理系统设有截止阀、一级污泥泵、电解机、缓冲罐、二级污泥泵、污水泵和污泥脱水装置;截止阀的进口通过管道接二沉池的污泥出口联接，截止阀的出口接一级污泥泵的进口，一级污泥泵的出口接电解机的进口，电解机的出口接缓冲罐的进口，缓冲罐的出水口经污水泵接生物处理设备的进水口，缓冲罐的的污泥出口则经二级污泥泵接污泥脱水装置的进口，污泥脱水装置的滤液出口通过管道与二沉池的进水口联接，污泥脱水装置处理所得的泥饼则外运。
所述生物处理设备为厌氧池、缺氧池、曝气池、氧化沟、序批式反应器(SBR)、生物滤池、生物转盘或生物接触氧化池的一种或两种以上的组合。
所述电解机设有电源和电解槽，电解槽内的电极为石墨、钛、铁、铝、锌、铜、铅、镍、钼、铬、金属的合金和纳米催化惰性电极等中的一种;所述纳米催化惰性电极的表层涂覆有晶粒为10～35nm的金属氧化物惰性催化涂层，所述纳米催化惰性电极的基板可为钛板或塑料板等，这种电极具有较高的电催化反应活性，可以大幅度降低电解的过电位，减少副反应的发生。
所述污泥脱水装置为真空过滤脱水装置、压滤脱水装置、离心脱水装置和膜过滤装置中的一种，所述的压滤脱水装置为带式压滤机、板框压滤机二者的一种，所述膜过滤装置为微滤、超滤二者中的一种;所述微滤的膜组件为陶瓷膜、金属膜组件二者中的一种，所述超滤的膜组件为陶瓷膜、金属膜组件二者中的一种。
所述电解系统用于对生化处理排放污水进行电解处理，电解系统设有截止阀、供水泵和电解机;截止阀的进口外接生化出水排出口，供水泵的进口接截止阀的出口，供水泵的出口接电解机的进口，电解机的出口与MBR系统的进口联接。
所述MBR系统用于将电解系统所得净化污水进行进一步处理，MBR系统设有截止阀、格栅、MBR反应池、MBR膜组件、鼓风机、曝气器、排污泵、出水泵、初级再生水贮罐和MBR清洗系统;所述截止阀的进口接电解系统的电解机的出口，截止阀出口接格栅的进口，格栅的出口接MBR反应池的进口，MBR膜组件浸没在MBR反应池内，通过鼓风机及分布的曝气器对其进行曝气，MBR反应池的滤液出口接出水泵的进口，出水泵的出口接初级再生水贮罐的进口，MBR反应池的污泥出口接排污泵的进口，污泥经过排污泵抽吸至污泥处理系统进行处理;所述MBR膜组件可选自聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜、聚丙烯(PP)中空纤维膜、聚砜(PS)中空纤维膜、聚醚砜(PES)、聚丙烯腈(PAN)和聚氯乙烯(PVC)中空纤维膜等中的一种，所述MBR膜组件的膜孔径可为0.10～0.2μm，能高效进行固液分离，工作压力为-1～-50kPa，工作温度为5～45℃，适用pH为1～14，出水固定悬浮物可降至1mg/L，浊度可降至1NTU以下。该系统可彻底去除污水中的细菌和大肠杆菌，出水的大肠菌群为0，而菌落总数低于1CFU/mL;所述MBR清洗系统用于清洗MBR膜组件，MBR清洗系统设有清洗液罐、反冲洗泵和截止阀;清洗液罐的出口接反冲洗泵的进口，反冲洗泵的出口接截止阀的进口，截止阀的出口接MBR系统。
所述深度处理系统用于将MBR系统处理所得的初级再生水进行电容吸附脱盐、分离，得透析水和浓缩水，透析水进一步通过消毒得到再生水，深度处理系统设有截止阀、提升泵、保安过滤器、供水泵、电容脱盐装置、消毒装置、再生水贮罐和浓缩水增压泵;所述截止阀的进口接MBR系统初级再生水贮罐的出口，截止阀出口接提升泵的进口，提升泵的出口接保安过滤器的进口，保安过滤器的出口接供水泵的进口，供水泵的进口接电容脱盐装置的进口，电容脱盐装置的透析水出口接消毒装置的进口，消毒装置的出口接再生水贮罐的进口;深度处理系统将MBR系统所得初级再生水经保安过滤器后用供水泵泵入电容脱盐装置，经电容脱盐装置处理得透析水和浓缩水，透析水经消毒装置消毒后进入贮罐得再生水;浓缩水则经过浓缩水增压泵回流进入电解净化系统循环使用;所述消毒装置为电解机、加氯系统、二氧化氯消毒器、臭氧消毒系统和紫外消毒器中的一种;所述电解机设有电源和电解槽;所述加氯系统设有加氯机、接触池、混合设备和氯瓶;所述臭氧消毒装置设有臭氧发生器、臭氧接触池和尾气臭氧分解器。
本发明所述一种污水处理及再生循环利用方法包括以下步骤：
1)生化处理：污水经截流井进入生化系统，通过处理降低污水中的油脂、浮渣、SS、COD和BOD等污染物质，使其各项指标达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》三级排放标准，再进入后续处理工序;
2)电解：将生化出水经水泵提取后，输入电解机中进行电解;
在步骤2)中，所述电解是将生化出水经过电解使之生成初生态的氯[Cl]、羟基[OH]和初生态的氧[O]，用以氧化分解污水中的动植物油、石油类、阴离子表面活性剂、有色物质等有机物和氨氮，并杀灭污水中微生物，同时，在电场作用下使污水中的悬浮物、胶体、带电微粒凝聚形成较大颗粒;所述电解的电解槽的工作电压可为2～250V，相邻两个电极间的电压可为2～18V，相邻两个电极间的最佳电压为3～8V，电流密度可为3～400mA/cm2，最佳为电流密度为50～210mA/cm2，生化出水经过电解后经阀门进入MBR系统。
3)MBR系统过滤：将经过电解系统处理所得的净化污水经管道流入MBR系统，进行MBR系统处理分离得初级再生水;
在步骤2)中，所述MBR系统是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术，它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质进行截留，具有适应性强、生化效率高、抗负荷冲击能力强、占地面积小、处理效果好等优势。
4)电容脱盐和消毒：将经过MBR系统过滤所得的初级再生水经过供水泵泵入电容脱盐装置，脱盐分离得透析水和浓缩水，透析水经过消毒装置后进入贮罐得再生水;
在步骤4)中，所述电容脱盐的操作条件为直流电压110V/m ~2×106V/m。
5)污泥处理：生化系统产生的污泥进入污泥处理系统，经过电解和接触反应破坏污泥的结构，破解微生物的细胞壁，微生物胞内物质流出，进入水相，使难降解的固体性物质变为易降解的溶解性物质，然后再通过污水泵回流至生物处理设备中，为微生物所循环利用;剩余污泥则进入污泥脱水装置得滤液和泥饼，滤液经管道回流至二沉池，而泥饼则外运。
采用本发明对污水进行处理，产生的再生水水质良好，各项指标远优于GB/T19923-2005《城市污水再生利用 工业用水水质》标准，可作为各种行业的工业的生产工艺用水，即直接应用到工业的生产各工序中，达到清洁生产的目的。同时，本发明还可以对污泥进行处理，通过溶解、氧化污泥中有机成分，再回流至生物处理设备进行循环作用，不仅使得污泥中微生物细胞壁被破坏，细胞质溶出，提高了污泥的可生化性，便于后续微生物的降解，从而减少剩余污泥产量，而且溶出的细胞质也可以作为微生物的碳源，补充其营养物质，从而增加生物活性，提高生物处理污水的效率，达到污水、污泥双重处理的功效。
采用该技术路线解决了现有污水处理及再生循环利用技术难题，具有如下优势：
1、本发明采用电解处理污水的方法，具有如下突出效果：(1)在电流作用下电解使使残留于污水中的大分子开环或断链，增强污水的可生化性;(2)电解产生的初生态的氯[Cl]、羟基[OH]和初生态的氧[O]并氧化分解有机物，快速降低COD;(3)氧化分解污水中的氨氮，使残留氨氮进一步氧化，氨氮的脱除率可达80～90%，同时消除水中臭味。(4)大幅度降低污水的色度，经过了生化、物化等多种方法处理后二沉池出水的色度在80～300之间，一般的处理方法很难进一步脱除色度，经过电解可以将污水的色度从80～300之间降低到16～32。(5)使污水中的悬浮物、胶体、带电微粒在电场作用下凝聚形成较大颗粒后，经过后续的MBR系统过滤去除得净化污水。(6)污水中的重金属离子向电解机电解槽的阴极移动，在阴极形成沉淀，从而降低污水中的重金属离子含量。
2、降低污水COD总排放量，大幅提高污水可生化性：传统的生化末端加膜过滤技术，虽然可以实现部分中水回用，但不能降低污水COD的总排放量，本发明电解产生的初生态的氯[Cl]、羟基[OH]和初生态的氧[O]使残留于污水中的大分子开环或断链并迅速氧化分解有机物，不但大幅度降低污水COD的总排放量，而且提高污水的可生化性;
3、回用水率高、成本低：污水的回用率高达70%～90%，排放污水少，能耗低，高纯再生水生产成本低于1元/吨，远低于现行自来水价;
4、回用水质高：采用该技术路线产生的再生水无色、无味，水质主要指标如表1，可以满足各种行业工业用水的水质要求;
表1再生水水质指标
5、本发明采用电解处理污泥具有如下突出效果：(1)破坏污泥结构，在电场的作用下可以使污泥絮体结构发生变化，加快污泥水解;(2)抑制和杀灭污泥中微生物和病毒，电解过程中会产生大量具有强氧化性的自由基，不仅能穿透渗入到微生物的细胞中，阻断微生物的DNA复制，还能氧化分解微生物的细胞壁，破坏微生物的细胞结构，使细胞质进入到污泥中，使得污泥水解，抑制和杀灭微生物;另一方面，污泥中大量的微生物带负电荷，在电场的作用下，这些带负电荷的微生物失去电子而失去生物活性从而死亡后沉降;(3)除臭，电解产生的多种游离基(氯[Cl]、羟基[OH]和氧[O])氧化分解污泥中的发臭基团，去除恶臭，大幅度改善污泥减量处理工艺的整体工作环境;(4)分解污泥中大量有机物，在电流作用下电解使污泥中的大分子开环或断链，使难生物降解的大分子物质分解为小分子物质，将污泥B/C从0.1～0.2提高到0.3～0.6，增强污泥的可生化性，使其更容易为微生物所利用。
6、溶解、氧化污泥中有机成分，使难降解的固体性物质变为易降解的溶解性物质，再返回至生物处理设备进行循环作用，不仅可以为微生物补充碳源，作为其营养物质被微生物代谢再利用，提高生物处理污水的效率;而且可以通过微生物的分解反应，降解由破解细菌产生的溶解性物质，从而达到提高污水处理效果，减少剩余污泥产量的双重目的，实现污泥的再生循环利用。
7、通过污泥的再生利用，降低污泥的总量，一方面可以消除污泥可能对环境造成的危害，另一方面节约运输成本，减少占地，少付填埋费。
