公布日：2023.06.30
申请日：2022.12.27
分类号：C02F3/30(2023.01)I;C02F3/28(2023.01)I;C02F3/12(2023.01)I;B01D65/02(2006.01)I;C02F101/10(2006.01)N;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，涉及污水处理技术领域，包括黑水处理单元和灰水处理单元，黑水处理单元包括UBF反应器、EGSB反应器和厌氧MBR池，厌氧MBR池的内部设有振动MBR膜机构，外侧设有用于MBR膜反洗的外循环系统；灰水处理单元包括调节池和好氧MBBR池。本发明提出的该系统具有规模小、投资小、占地小的特点，更加契合于我国大部分农村的地域分布情况和经济发展水平。该系统采用“黑水”与“灰水”源头分离与处理，可实现“黑水”中能源(沼气)和氮磷资源(液肥)的有效回收，实现“灰水”处理后稳定达标排放和提升其出水回用率。该系统在满足出水稳定达标排放的同时，提高了农村污水的资源化利用率。
权利要求书
1.一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，包括用于处理冲厕水的黑水处理单元和用于处理除冲厕水的其它生活污水的灰水处理单元，其特征在于：所述黑水处理单元包括UBF反应器(1)、EGSB反应器(2)和厌氧MBR池(3)；所述UBF反应器(1)、EGSB反应器(2)和厌氧MBR池(3)以先后串联的方式连接，所述厌氧MBR池(3)的出水部分回流，与黑水进水合流进入UBF反应器(1)，所述厌氧MBR池(3)的污泥全部回流至EGSB反应器(2)，厌氧MBR池(3)排放的出水通过运输罐车收集，作为液肥用于农业生产；所述厌氧MBR池(3)的内部设有振动MBR膜机构，外侧设有用于缓解MBR膜堵塞的外循环系统；所述灰水处理单元包括调节池(4)和好氧MBBR池(5)；所述调节池(4)和好氧MBBR池(5)以先后串联的方式连接，调节池(4)的出水进入好氧MBBR池(5)，所述好氧MBBR池(5)的污泥全部排入所述UBF反应器(1)内，所述好氧MBBR池(5)的一部分出水储存入蓄水塔(6)，另一部分通过溢流口排出。
2.根据权利要求1所述的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，其特征在于：在所述黑水处理单元中，所述厌氧MBR池(3)的回流比0.4～0.7，UBF反应器(1)HRT为10～12h，EGSB反应器(2)HRT为35～40h，产生的沼气回用于农村住宅群落。
3.根据权利要求1或2所述的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，其特征在于：所述UBF反应器(1)和EGSB反应器(2)均需定期清除底泥，每次清除比例为40％～50％，UBF反应器(1)底泥清除周期为3～5月，EGSB反应器(2)底泥清除周期为10～12个月。
4.根据权利要求1所述的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，其特征在于：所述振动MBR膜机构包括振动式MBR膜(31)，与振动式MBR膜(31)相连的抽吸泵(34)，所述振动式MBR膜(31)设置在厌氧MBR池(3)内，振动式MBR膜(31)由高频振动单元(32)和MBR膜架(33)组成，所述MBR膜架(33)连接有抽吸泵(34)，MBR膜架(33)的膜元件的过滤精度为0.1～0.2μm。
5.根据权利要求4所述的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，其特征在于：所述振动式MBR膜(31)上设有反洗水管(35)，所述振动式MBR膜(31)通过反洗水管(35)进行反洗，振动式MBR膜(31)的运行分为过滤和反洗2个阶段，彼此循环交替运行，高频振动单元(32)和所述外循环系统在2个阶段持续运行，抽吸泵(34)在过滤阶段运行。
6.根据权利要求1所述的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，其特征在于：所述外循环系统包括外循环泵(36)、外循环管(37)和穿孔布水管(38)，所述外循环系统在厌氧MBR池(3)内循环水流方向与MBR膜表面平行，膜表面平均水流速度为0.5～1m/s，且流速在MBR膜表面均匀分布。
7.根据权利要求1所述的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，其特征在于：所述蓄水塔(6)相对于地面的最低液位不低于15m，蓄水塔(6)上连接有管道一(61)、管道二(62)，所述管道一(61)位于出户端连接管道三(63)，所述管道一(61)、管道二(62)和管道三(63)均通过重力自流方式的方式分别连接在黑水管道出户端、反洗水管(35)和冲厕入水管道上。
8.根据权利要求7所述的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，其特征在于：所述黑水管道出户端与管道一(61)之间，以及所述管道二(62)上设有电动阀(7)，以控制定时开启冲洗黑水管道和定时开启反洗。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在大量未经处理的农村生活污水排放到了土壤、河流、湖泊等自然环境中，会对饮用水水源造成严重污染，导致多种病原微生物、寄生虫的繁殖与扩散，严重威胁居民的身体健康。同时，农村生活污水中的粪便、食物残渣、洗涤剂等富含氮磷的物质还会造成天然水体的富营养化，对水生生态环境造成巨大破坏的缺点，而提出的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统。该分散式农村污水处理与资源化利用系统针对我国大部分农村的地域分布呈现总体分散，局部相对集中的特点，开发出适合我国农村地区的小规模、小投资、小占地的分散式农村污水处理系统，提升我国农村污水治理率。同时，将“黑灰分离”技术与分散式农村污水处理系统相结合，提高农村污水的资源化利用率。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，该分散式农村污水处理与资源化利用系统处理水量不超过1000m3/d，该系统生活污水的收集、处理和资源化利用均采用“黑灰分离”的方式，包括用于处理冲厕水的黑水处理单元和用于处理洗漱污水、厨房污水等除冲厕水之外的其它生活污水的灰水处理单元，黑水和灰水通过相互独立的汇水管道分别进入到黑水处理单元和灰水处理单元，并在各自的处理单元中完成处理与资源化利用过程。
所述黑水处理单元包括UBF反应器、EGSB反应器和厌氧MBR池。所述UBF反应器、EGSB反应器和厌氧MBR池以先后串联的方式连接，所述厌氧MBR池的出水部分回流，与黑水进水合流进入UBF反应器，所述厌氧MBR池的污泥全部回流至EGSB反应器，厌氧MBR池排放的出水通过运输罐车收集，作为液肥用于农业生产；所述厌氧MBR池的内部设有振动MBR膜机构，外侧设有用于缓解MBR膜堵塞的外循环系统。其中，黑水处理单元的UBF反应器承担缓冲进水负荷和水解酸化的作用，EGSB反应器承担专职产甲烷的作用，两相厌氧反应器的设置使得厌氧发酵分为产酸和产甲烷两个独立运行的体系，整个系统的运行效率和稳定性均显著提高。利用UBF反应器的过滤截留功能和HRT的控制达到2个反应器相分离的目的，UBF反应器中产酸菌占据绝对优势，EGSB反应器中产甲烷菌占据绝对优势，UBF反应器和EGSB反应器能够各自维持体系最佳的运行工况。2个厌氧反应器之间还存在着协同促进作用，一方面，UBF反应器的缓冲功能为EGSB反应器提供了稳定的进水条件，这对于EGSB反应器维持稳定的产甲烷速率是十分重要的。另一方面，UBF反应器的水解酸化过程消耗碱度，EGSB反应器的产甲烷过程产生碱度，因此通过厌氧MBR池的出水部分回流，可利用EGSB反应器产生的碱度中和UBF反应器消耗的碱度，从而防止UBF反应器过度酸化抑制产酸过程。
所述灰水处理单元包括调节池和好氧MBBR池；所述调节池和MBBR池以先后串联的方式连接，调节池的出水进入MBBR池，所述MBBR池的污泥全部排入所述UBF反应器内，所述MBBR池的出水储存入蓄水塔，MBBR池上设有溢流口，多余的水由溢流口排出。灰水由于其负荷很低，一般仅需要简单的好氧生物膜工艺即可达标排放或达到中水回用标准。MBBR工艺即是好氧生物膜工艺的一个典型代表，好氧MBBR工艺具有以下优点：1)填料较大的比表面积可以附着大量的微生物，微生物浓度高，污染物去除效率高；2)可以实现同步硝化反硝化脱氮作用；3)结构简单，稳定性好，易于维护，运行成本低。将MBBR池的剩余污泥排入UBF反应器，不仅能够减少系统剩余污泥排放，还能够资源化利用MBBR池剩余污泥中的有机物和氮磷元素。
进一步，所述厌氧MBR池的回流比0.4～0.7。
进一步，黑水处理单元的UBF反应器HRT为10～12h，EGSB反应器HRT为35～40h，产生的沼气回用于农村住宅群落。
进一步，所述UBF反应器和EGSB反应器均需定期清除底泥，每次清除比例为40％～50％，UBF反应器底泥清除周期为3～5月，EGSB反应器底泥清除周期为10～12个月。将活性差的污泥和一些惰性固体物质从反应器中排除，以保障有效反应空间和恢复反应器的微生物活性。
进一步，所述振动MBR膜机构包括振动式MBR膜，与振动式MBR膜相连的抽吸泵，所述振动式MBR膜设置在厌氧MBR池内，振动式MBR膜由高频振动单元和MBR膜架组成，所述MBR膜架连接有抽吸泵，MBR膜架的膜元件的过滤精度为0.1～0.2μm。振动式MBR膜承担泥水分离的作用，一方面保证出水具备作为液肥回用于农业生产的合格品质，即水质清亮、无悬浮或沉淀颗粒物、无异味、去除致病微生物以及保留丰富的可溶性有机质和氮磷元素，另一方面，由于EGSB反应器的产甲烷菌世代周期长(几天到几十天)，增殖速率很慢，MBR膜100％的污泥截留和MBR池100％的污泥回流则避免了EGSB反应器的活性污泥流失，从而保证了EGSB反应器的产甲烷速率。通常细菌的最小尺寸为0.5μm左右，因此0.1～0.2μm过滤精度的膜元件可满足充分截留致病菌的要求，进一步减小膜元件的孔径则会增大MBR膜堵塞的风险。
进一步，所述振动式MBR膜上设有反洗水管，所述振动式MBR膜通过反洗水管进行反洗，振动式MBR膜的运行分为过滤和反洗个阶段，彼此循环交替运行，高频振动单元和所述外循环系统在整个阶段持续运行，抽吸泵在过滤阶段运行。
进一步，所述外循环系统包括外循环泵、外循环管和穿孔布水管，所述外循环系统在MBR池内循环水流方向与MBR膜表面平行，膜表面平均水流速度为0.5～1m/s，且流速在MBR膜表面均匀分布。
进一步，所述存入蓄水塔的中水主要用于3处，分别为农村住宅冲厕、疏通黑水管道和振动式MBR膜反洗，均采用重力自流方式运行。所述蓄水塔相对于地面的最低液位不低于15m，蓄水塔上连接有管道一、管道二，所述管道一位于出户端连接管道三，所述管道一、管道二和管道三均通过重力自流方式的方式分别连接在黑水管道出户端、反洗水管和冲厕管道上。系统中的黑水由于其流量小、固体物质含量高，并且还伴有植物纤维、毛发以及其它杂物，黑水管道容易因此而堵塞，因此本发明采取了灰水处理单元出水冲洗的方式疏通黑水管道，防止其堵塞。系统中的农村住宅冲厕、疏通黑水管道和MBR膜反洗过程均采用蓄水塔中蓄水重力自流的方式完成，因此蓄水塔的液位代表其能够为住宅冲厕、疏通黑水管道和MBR膜反洗提供的总水头的大小，并且其中还扣除了重力自流管道的沿程水头损失以及局部水头损失，尤其是疏通黑水管道和MBR膜反洗，蓄水塔提供的总水头大小直接影响黑水管道的疏通效果和膜反洗效果。
进一步的，所述黑水管道出户端与管道一之间，以及所述管道二上设有电动阀，以控制定时开启冲洗黑水管道和定时开启反洗。
根据上述，MBR膜的泥水分离是实现黑水处理单元出水作为液肥回用的关键环节，因此MBR膜的维持膜元件稳定的过滤能力，防止膜元件堵塞是十分重要的。本发明解决MBR膜的膜元件堵塞的方式有以下4种：
1)在厌氧工艺后单独设置厌氧MBR池(分离式设计)，而非整体式设计，UBF反应器的过滤截留功能和EGSB反应器颗粒化污泥良好的沉淀性能，使得进入后续厌氧MBR池的悬浮物(主要为厌氧活性污泥)大大降低，一定程度降低了MBR膜堵塞的风险。
2)将高频振动单元与MBR膜架连接，形成振动式MBR膜，高频振动可在MBR膜元件表面形成方向和大小瞬变的剪切作用，使膜表面附着物有效剥离，从而缓解MBR膜堵塞。
3)外循环系统缓解MBR膜堵塞的原理分为2个方面，一方面与振动膜原理相似，在MBR膜表面形成一定的水流速度，从而产生水流剪切作用，使膜表面附着物有效剥离，不过此方法在MBR膜表面形成的水流剪切力方向和大小均是恒定的，因此其抗堵塞效果要弱于高频振动单元；另一方面是将振动式MBR膜在高频振动作用下剥离的附着物迅速带离膜元件表面，并冲散膜表面附近的悬浮物积聚层，降低膜堵塞的风险。
4)定时对MBR膜反洗，恢复MBR膜元件通透性。
本发明提出的一种分散式农村污水处理与资源化利用系统，有益效果在于：
(1)、本发明小规模、小投资、小占地的分散式农村污水处理系统更加契合于我国大部分农村的地域分布情况和经济发展水平，其工程化应用潜力巨大。同时，将“黑灰分离”技术与分散式农村污水处理系统相结合，在满足出水稳定达标排放的同时，提高了农村污水处理的资源化利用率。
(2)、本发明采用两相厌氧反应器的设置使得厌氧发酵分为产酸和产甲烷两个独立运行的体系，同时2个反应器之间存在协同促进作用，整个系统的运行效率和稳定性均显著提高。
(3)、本发明厌氧MBR池的通过膜分离作用保证了出水具备作为液肥回用于农业生产的合格品质，即水质清亮、无悬浮或沉淀颗粒物、无异味、去除致病微生物以及保留丰富的可溶性有机质和氮磷元素。
(4)、为维持厌氧MBR池的MBR膜的稳定的过滤能力，本发明采用厌氧工艺后单独设置厌氧MBR池(分离式设计)、利用高频振动单元形成振动式MBR膜、设置外循环系统和MBR膜反洗这4种方式解决了厌氧MBR膜易堵塞问题。
(5)、本发明中EGSB反应器的产甲烷菌世代周期长(几天到几十天)，增殖速率很慢，MBR膜100％的污泥截留和厌氧MBR池100％的污泥回流避免了EGSB反应器的活性污泥流失，从而保证了EGSB反应器的产甲烷速率。
(6)、本发明系统中的黑水由于其流量小、固体物质含量高，并且还伴有植物纤维、毛发以及其它杂物，黑水管道容易因此而堵塞，本发明采取了灰水处理单元出水冲洗的方式疏通黑水管道，可有效防止其堵塞。
(7)、本发明系统中的农村住宅冲厕、疏通黑水管道和MBR膜反洗过程均采用蓄水塔中的蓄水重力自流的方式完成，减少了水泵等设备投入，降低了能耗，并且通过中水回用节约了水资源。
（发明人：朱辉;孙信柏;董畔;王凯;刘爱宝）
