申请日2013.02.07
公开(公告)日2013.10.16
IPC分类号C02F3/00; C02F3/30; C02F3/12; C02F3/02
摘要
本实用新型涉及一种塔式污水生物处理装置，所述塔式污水生物处理装置包括沉淀室和使用气体提升所述沉淀室中浓缩混合液的气力混合液提升设备。本实用新型的塔式污水生物处理装置能够快速有效地控制沉淀室中上清液与浓缩混合液之间的界面位置，防止或消除沉淀室中的污泥上浮。
权利要求书
1.一种塔式污水生物处理装置，其特征在于所述塔式污水生物处理装置包括沉淀室和使用气体提升所述沉淀室中浓缩混合液的气力混合液提升设备，所述气力混合液提升设备是气力混合液提升管，包括基本竖直的用于汲取所述浓缩混合液的提液管和与所述提液管流体连通的用于将所述气体导入所述提液管的导气管。
2.根据权利要求1的塔式污水生物处理装置，其特征在于所述提液管具有用于汲取所述浓缩混合液的入口和用于排出所述气体和浓缩混合液的出口，所述导气管连接于所述提液管的中部或下部。
3.根据权利要求2的塔式污水生物处理装置，其特征在于所述沉淀室的底部设有集泥槽，所述提液管的入口伸入所述集泥槽。
4.根据权利要求1-3中任一项的塔式污水生物处理装置，还包括用于分离来自所述气力混合液提升装置的浓缩混合液和气体的气液分离槽。
5.根据权利要求4的塔式污水生物处理装置，所述气液分离槽与所述提液管的出口流体连通。
6.根据权利要求1-3中任一项的塔式污水生物处理装置，还包括曝气室，所述曝气室具有用于收集曝气室内曝气气体的集气罩，并且至少部分所述气体是来自所述集气罩的曝气气体。
7.根据权利要求6的塔式污水生物处理装置，其特征在于所述集气罩与所述导气管流体连通。
8.根据权利要求6的塔式污水生物处理装置，其特征在于所述曝气室还具有用于收集曝气室内混合液的集液槽，所述沉淀室与所述集液槽流体连通，并且至少部分所述沉淀室中的浓缩混合液是来自所述集液槽的混合液。
9.根据权利要求6的塔式污水生物处理装置，还包括设置在所述曝气室和所述沉淀室之间的隔板。
10.根据权利要求9的塔式污水生物处理装置，所述集液槽的顶部由部分所述隔板限定，并且所述隔板的该部分设有用于混合液由集液槽进入沉淀室的通孔或管路。
11.根据权利要求6的塔式污水生物处理装置，其特征在于所述气液分离槽与所述曝气室之间设有用于将所述气液分离槽的浓缩混合液送入所述曝气室的第一浓缩混合液回流管。
12.根据权利要求6的塔式污水生物处理装置，还包括设置在所述曝气室下方的厌氧反应室，并且所述气液分离槽与所述厌氧反应室之间设有用于将所述气液分离槽的浓缩混合液送入所述厌氧反应室的第二浓缩混合液回流管。
13.根据权利要求1-3中任一项的塔式污水生物处理装置，还包括设置在所述沉淀室中的污泥块破碎装置。
说明书
塔式污水生物处理装置
技术领域
本实用新型涉及一种塔式污水生物处理装置，特别是一种包括沉淀室和使用气体提 升所述沉淀室中浓缩混合液的气力混合液提升设备的塔式污水处理装置。
背景技术
通常在污水生物处理装置中，经过诸如曝气处理等好氧处理后的混合液需要在沉淀 室中进行泥水分离得到上清液(或称为“出水”)和浓缩混合液(或称为“污泥”)，所述 浓缩混合液的至少部分需要回流返回曝气室(或称为“污泥回流”)与污水进料(或称为 “进水”)混合。污泥回流通常利用污泥回流泵(一般为离心泵)来完成。然而，污泥回 流泵需要消耗额外的能量，并且需要经常维护。此外，用电驱动的污泥回流泵还需要绝 缘处理以防漏电危险。因此，污泥回流泵通常安装在特定位置，限制了工艺布置的灵活 性，并且往往需要大量连接管路，增加了设备投资，减小的整个装置的可靠性。这些问 题在占地较小而高度较大的塔式污水生物处理装置中尤为突出。
中国专利申请CN102372379A公开了一种塔式污水生物处理装置，包括升流式污泥床 反应器、在升流式污泥床反应器上方的好氧反应器和在好氧反应器上部的分离器，所述 分离器具有气液分离筒和固液分离区，来自好氧反应器的曝气气体和曝气混合液一起进 入气液分离筒，分离的混合液然后进入固液分离区分离成上清液和浓缩混合液，浓缩混 合液返回好氧反应器与污水进料混合后曝气形成曝气混合液。
然而，在分离曝气气体和混合液时或在分离混合液形成上清液和浓缩混合液时，现 有技术中分离装置和方法往往难以得到期望的分离效果。特别是在体积和高度有限的塔 式污水生物处理装置中，沉淀室中出水与污泥的分离尤其困难，当分离不充分时，甚至 可能发生污泥上浮现象，使得处理中断。
此外，在污水生物处理中，曝气风机通常是主要的耗能设备，但是曝气气体在完成 曝气处理后通常直接排放到大气中，因此曝气气体中的能量并未得到充分利用，污水生 物处理装置的能耗较高。
因此，仍然需要新的、低能耗、高可靠性和高效率的塔式污水生物处理装置和方法。
发明内容
本实用新型的一个目的是提供一种塔式污水生物处理装置以解决现有技术中的技术 问题。为此，本实用新型的一个方面提供一种塔式污水生物处理装置，包括沉淀室和使 用气体提升所述沉淀室中浓缩混合液的气力混合液提升设备。
根据本实用新型的一些实施方式，所述沉淀室可以是任何能够使曝气处理混合液分 离形成上清液和浓缩混合液的装置。通常，沉淀室可以是沉淀槽或沉淀池，其中可以设 置斜板或斜管以加强分离效果。浓缩混合液通常在沉淀作用下形成于沉淀槽或沉淀池的 下部，其中可以设有集泥槽以加强浓缩混合液的沉降效果。在一些情况下，在沉淀室的 上部设有溢流槽以排出上清液作为出水。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置中，所述气力混合 液提升设备是任意合适的能够利用气体作为动力来提升混合液的设备，优选允许气体与 混合液接触的气力混合液提升设备，例如气力泵或气力混合液提升管。在一些情况下， 气力混合液提升管包括基本竖直的用于汲取所述浓缩混合液的提液管和与所述提液管流 体连通的用于将所述气体导入所述提液管的导气管。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置中，所述提液管具 有用于汲取所述浓缩混合液的入口和用于排出所述气体和浓缩混合液的出口，所述导气 管连接于所述提液管的中部或下部。当所述气体经导气管进入提液管中后，所述气体与 从提液管下部的入口进入的浓缩混合液混合，在气体的压力和上浮作用下，气体和浓缩 混合液在导管中形成气液混合物并且向上流动，从提液管顶部的出口排出，从而利用气 力输送提升了浓缩混合液。在一些情况下，通过利用气体提升沉淀室中的浓缩混合液实 现了整个污水处理装置中的污泥循环。
在一些实施方式中，所述导气管可以与合适的气源流体连通，并通过流量控制阀以 控制进入导气管的气体流量，从而控制提升浓缩混合液的流量。在另一些实施方式中， 所述提液管入口的上游设置流量控制阀以控制进入导管的浓缩混合液的流量。
在一些情况下，所述气体可以来自任何可用的气体来源，例如所述气体可以来自于 空气压缩机、风机、诸如空气、氧气、氮气、惰性气体等气体的储罐。优选所述气体的 压力大于或等于大气压。优选所述气体是含氧气体。在一些情况下，至少部分所述气体 来自曝气气体。曝气气体可以收集自诸如曝气室的曝气装置的任何位置。优选地，曝气 气体是在曝气装置上方收集的从混合液中逸出的曝气气体。通常曝气气体中的氧在曝气 处理中不能全部消耗，因此经过曝气处理后的曝气气体仍然含有氧。在一些情况下，也 可以设置额外的污泥回流泵以提升沉淀室中的浓缩混合液。在一些情况下，也可以利用 所述气体来驱动额外的污泥回流泵。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置中，所述沉淀室的 底部设有集泥槽，所述提液管的入口伸入所述集泥槽。
在一些情况下，可以在所述沉淀室中设置一个或多个气力混合液提升管。在一些情况下， 多个气力混合液提升管的提液管入口可以伸入一个或多个集泥槽。设置多个气力混合液 提升管可以增强气体对浓缩混合液的气力输送效果，提高提升浓缩混合液的效率，同时 也可以增强气体与浓缩混合液之间的接触。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置还包括用于分离来 自所述气力混合液提升装置的浓缩混合液和气体的气液分离槽。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置中，所述气液分离 槽与所述提液管的出口流体连通。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置还包括曝气室，所 述曝气室具有用于收集曝气室内曝气气体的集气罩，并且至少部分所述气体是来自所述 集气罩的曝气气体。根据本实用新型的一些实施方式，曝气室可以是任何能够进行混合 液曝气处理的装置，例如曝气池或曝气槽。曝气室中可以设置曝气器以强化曝气处理， 所述曝气器可以是例如螺旋曝气器、微孔曝气器、板式曝气器、旋混曝气器、管式曝气 器、射流式曝气器等。
在一些情况下，曝气室中的至少部分，优选全部曝气气体经收集后引入所述浓缩混 合液回流设备。在一些情况下，在曝气室中设置气液分离装置以将曝气气体与曝气处理 混合液分离。所述气液分离装置可以是任何能够实现曝气气体与曝气处理混合液分离的 装置。分离后的曝气处理混合液可引入沉淀室，并防止曝气气体进入沉淀室。例如，所 述气液分离装置可以是一个或多个容器或一段或多段管，其顶部设有允许曝气处理混合 液进入所述容器或管的一个或多个开口，并且其底部设有与沉淀室流体连通的管路以允 许所述容器或管中的曝气处理混合液进入沉淀室。在一些情况下，所述容器或管的所述 开口没入曝气室的混合液中以接收曝气处理混合液并防止曝气气体进入沉淀室。
在一些实施方式中，在曝气室中设置集气装置以收集曝气气体。所述导气管与集气 装置流体连通。所述集气装置可以包括设置在曝气装置上方的集气罩。根据本实用新型 的一些实施方式，所述集气罩与所述导气管流体连通。例如，在集气罩的顶部设有导气 管以允许集气罩收集的气体由气体入口进入气力混合液提升装置。在一些实施方式中， 在所述导气管上设有流量控制阀以控制进入所述导管的气体的流量，从而控制浓缩混合 液的流量。在一些情况下，集气罩还可以设有放空管以将集气罩收集的气体的至少部分 排放。在所述放空管上还可以设置控制阀以控制排放气体的流量或比例，进而控制进入 所述导管的气体的流量以控制浓缩混合液的流量。
在一些情况下，集气罩可以设置在曝气室的中部或顶部。集气罩的部分可以向上延 伸凸出曝气室的顶部壁面以形成集气包。至少部分集气罩的壁面可以是限定曝气室的壁 面。在一些情况下，集气罩可以是位于曝气室内部的独立的伞形罩。在另一些情况下， 集气罩由曝气室的顶部以及任选的与顶部相接的侧壁限定。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置中，所述曝气室还 具有用于收集曝气室内混合液的集液槽，所述沉淀室与所述集液槽流体连通，并且至少 部分所述沉淀室中的浓缩混合液来自所述集液槽的混合液。
根据本实用新型的一些实施方式，所述塔式污水生物处理装置还包括设置在所述曝 气室和所述沉淀室之间的隔板。所述隔板可以是平板或锥形板或倒锥形板或折板或任何 其他合适的异形板。锥形板或倒锥形板的顶角可以为约60度至约179度，例如约70至 约150度，约80至约120度，约85至约105度或约90度。采用较小的顶角可以增加沉 淀室的高度，有利于混合液分离形成上清液和浓缩混合液;而较大的顶角有利于曝气室 和沉淀室中各个设备的布置和安装。在一些情况下，所述顶角为约60度、约70度、约 80度、约90度、约100度、约120度等。
根据本实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述集气罩是所述隔板 的一个或多个部分向上突出形成的一个或多个集气罩。根据本实用新型的塔式污水生物 处理装置的一些实施方式，所述集气罩是位于所述隔板边缘的由所述隔板的一个或多个 部分向上突出形成的一个或多个集气罩，或者是由所述倒锥形隔板边缘部分与所述曝气 室内壁限定的环形槽。
根据本实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述集液槽位于所述隔 板的中部。在一些情况下，所述集液槽的开口向上并与所述隔板的下表面之间留有允许 混合液进入集液槽的间隙。这样布置有利于曝气气体与混合液的分离。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置中，所述集液槽的 顶部由部分所述隔板限定，并且所述隔板的该部分设有允许混合液由集液槽进入沉淀室 的通孔。在一些情况下，所述通孔经设置以防止曝气气体通过该通孔进入沉淀室。例如， 用所述集液槽遮挡所述通孔以防曝气气体通过该通孔进入沉淀室。
根据本实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述隔板的中部向下突 出形成所述沉淀室底部的凹槽作为集泥槽。这样，在沉淀室中分离形成的浓缩混合液将 在重力作用下向所述凹槽集中。优选所述提液管的入口伸入所述凹槽。
根据本实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述沉淀室的下部还设 有混合液分布器以便将来自所述集液槽的混合液均匀分布在所述沉淀室的下部。根据本 实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述混合液分布器是具有多个开口 的基本水平放置的环形管，或者是与所述气液分离槽外壁相连的斜向下延伸的裙边与所 述气液分离槽外壁限定的环形槽。这样的混合液分布器能够将来自集液槽的混合液均匀 分布在沉淀室中而基本不影响混合液分离形成上清液和浓缩混合液的过程。
根据本实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述气液分离槽由所述 提液管和与所述提液管基本同心的外部套管所限定。在一些情况下，所述气液分离槽的 下部与曝气室的下部流体连通以便使槽内的浓缩混合液回流进入曝气室的下部。在另一 些实施方式中，所述气液分离槽是独立的槽或管，其上部与所述提液管的顶端流体连通 以允许离开所述提液管的浓缩混合液和曝气气体进入，并且其下部与曝气室的下部流体 连通以便使槽内的浓缩混合液回流进入曝气室的下部。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置中，所述气液分离 槽与所述曝气室之间设有允许所述气液分离槽的浓缩混合液进入所述曝气室的浓缩混合 液回流管。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置还包括设置在所述 曝气室下方的厌氧反应室。
在本实用新型中，所述厌氧反应室可以是任何能够使浓缩混合液和污水进料混合后 形成的混合液经受厌氧处理的装置。根据本实用新型的一些实施方式，所述厌氧反应室 可以是任何能够使污水进料经受厌氧处理的装置。在一些情况下，缺氧处理可以通过在 没有曝气的情况下使混合液缓慢流动的方式实现。合适的厌氧反应室可以是允许混合液 以平流式、竖流式或辐流式等方式流动的池或槽。例如，所述厌氧反应室可以是升流式 厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)反应器，包括位于底部的混合 区、位于顶部的用于收集甲烷气泡的气体收集区以及位于混合区和气体收集区之间的厌 氧反应区。
根据本实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述沉淀室的下部还设 有第二浓缩混合液回流管以将沉淀室中的至少部分浓缩混合液排出沉淀室和曝气室。在 一些情况下，可用泵强制排出沉淀室中的浓缩混合液。在一些情况下，将排出的浓缩混 合液引入设置在曝气室下方的厌氧反应室中，优选厌氧反应室的下部。在沉淀室中的上 清液与浓缩混合液之间的界面位置较高时或者即将或已经形式污泥块发生污泥上浮时， 将部分或全部浓缩混合液排出可以快速有效地降低界面位置，防止或消除污泥块形成和 污泥上浮。
根据本实用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述沉淀室中还设有污 泥块破碎装置。所述污泥块破碎装置是任意合适的能够将沉淀室中的污泥块破碎成易于 沉降的污泥颗粒的装置。在一些情况下，所述污泥块破碎装置是利用机械力破碎污泥块 的装置，例如气力污泥块破碎装置，例如任意合适的曝气器，或者具有向上开口的气体 分布管。在一些情况下，所述污泥块破碎装置活动地连接于所述沉淀室，可以根据需要 进入和离开所述沉淀室。在污水生物处理装置的长期运行过程中，进入沉淀室的少量污 泥可能一直悬浮而未能沉降至沉淀室的下部，这些污泥可能团聚形成污泥块，在沉淀室 的缺氧环境下可能逐渐变得容易上浮，从而可能随出水排出而破坏出水水质。根据本实 用新型的塔式污水生物处理装置的一些实施方式，所述气力污泥块破碎装置可以是设置 在所述沉淀室中任意合适位置的曝气装置，优选设置在所述沉淀室的中部。对这些污泥 块进行间歇性曝气处理，可破碎污泥块，改善其沉降性能，避免其对出水水质的破坏。
根据本实用新型的一些实施方式，在所述塔式污水生物处理装置还包括动力室和换 热器，其中所述换热器利用动力室中动力设备释放的热量加热所述污水生物处理装置中 的混合液。所述动力室和换热器优选设置在所述曝气室和/或所述厌氧反应室内，其中所 述换热器利用动力室中动力设备释放的热量加热厌氧反应室或曝气室或沉淀室中的混合 液。所述换热器是任意合适的换热器，例如可以选自蛇管换热器、直管换热器或其组合。 所述动力设备可以是任何用于塔式污水生物处理装置的动力设备，例如风机、污水进料 泵或真空汲水装置的真空泵及相关控制设备等。这样设置的好处至少是可以减少噪音， 便于布置和安装，以利于在小区等人口众多、空间狭小的地方部署。
根据本实用新型的污水生物处理装置的一些实施方式，所述沉淀室和曝气室和/或厌 氧反应室可以设置在呈塔式布置的同一筒体中。所述筒体可以是圆形筒体或多边形筒体 (优选四、五、六、七、八或更多边筒体)。
在本文中，“向下”是指与重力方向基本同向的方向，包括但不限于与重力方向重合 的方向;“向上”是指与重力方向的反方向基本同向的方向，包括但不限于与重力方向的 反方向重合的方向。
在本文中，“基本”或“基本上”是指被其修饰的术语可以在以该术语的中心值为基 准确定的适当范围内变化，例如该范围可以是由中心值的±20%，优选±10%，更优选± 5%，更优选±1%等所确定的范围。
本实用新型的另一个方面提供一种污水生物处理方法，包括使用气体提升沉淀室中 的浓缩混合液。根据本实用新型的污水生物处理方法，其中至少部分所述气体来自曝气 气体。
根据本实用新型的污水生物处理方法，还包括以下步骤：分别收集曝气室中的混合 液和曝气气体，将混合液在所述沉淀室中进行沉淀处理以得到上清液和浓缩混合液，在 气力混合液提升设备中用曝气气体将浓缩混合液提升。
根据本实用新型的污水生物处理方法，还包括在气液分离槽中将来自气力混合液提 升设备的曝气气体和浓缩混合液分离，以及将至少部分分离的浓缩混合液送入曝气室。
根据本实用新型的污水生物处理方法，还包括：定期或在即将或已经在沉淀室的上 清液中形成污泥块时对沉淀室中的上清液进行曝气处理。进行该曝气处理的时机和持续 时间可以根据污泥块的形成情况或破碎情况或污泥上浮情况任意确定，只要能够避免或 消除污泥块避免污泥上浮即可。通常在进行该曝气处理时，应停止污水进料以避免污泥 进入出水。
根据本实用新型的污水生物处理方法，还包括将至少部分沉淀室中的浓缩混合液排 出并且不送入曝气室，例如可以将该浓缩混合液送入厌氧反应室。所述浓缩混合液可以 在用气体提升之前或之后排出。将沉淀室中部分浓缩混合液送入厌氧反应室的操作可以 间歇或连续地进行。进行该操作的时机和持续时间可以根据上清液和浓缩混合液之间的 界面位置和/或污泥上浮的具体情况任意确定，只要能够将该界面控制在期望的位置即 可。例如，在该界面位置较高时，可将沉淀室中的部分浓缩混合液送入厌氧反应室以降 低该界面的位置，确保出水水质;而在即将或已经发生污泥上浮时，可排出沉淀室中的 浓缩混合液的部分或全部甚至上清液的部分或全部，优选送入厌氧反应室，从而降低所 述界面以及避免或消除污泥上浮。
不受任何理论约束，认为沉淀室中出现污泥上浮的主要原因是：由于缺氧而引起厌 氧分解，产生甲烷及二氧化碳气体，污泥吸附气体而上浮。因此，以间歇方式定期进行 曝气处理，可以抑制厌氧分解，粉碎污泥团块，从而改善污泥的沉降性能，有效地避免 污泥上浮的发生。此外，利用曝气气体通过气力混合液提升管可以实现较大的浓缩混合 液回流量，减少了污泥在沉淀室中的停留时间，有利于避免缺氧引起的厌氧分解以及相 应的污水上浮。
本实用新型的塔式污水生物处理装置将曝气室中的曝气气体和混合液分离后分别引 入沉淀室，曝气气体仅通过气力混合液提升设备提升沉淀室下部的浓缩混合液，基本避 免了曝气气体对沉淀室中混合液分离形成上清液和浓缩混合液的过程的扰动，同时利用 曝气气体以大回流量不断抽出沉淀室下部的浓缩混合液也有利于降低沉淀室中的上清液 与浓缩混合液之间的界面的位置，减少污泥在沉淀室中的停留时间，有利于防止或消除 污泥上浮。
另外，由气力混合液提升管抽出的浓缩混合液通过气液分离槽后直接返回曝气室而 不再进入沉淀室，因此也避免了对混合液分离形成上清液和浓缩混合液的过程的干扰。
再者，设置在沉淀室中的曝气管可以对沉淀室中的上清液定期曝气，或在即将或已 经形成污泥块或发生污泥上浮时对上清液曝气，增加了污泥块周围环境的溶解氧，改善 了污泥的沉降性能，可以抑制污泥块的形成，破碎已形成的污泥块，从而避免了污泥上 浮并保证了沉淀室的分离效果，使得沉淀室能够长期稳定地工作。
此外，将沉淀室中的浓缩混合液的至少部分送入曝气室下方的厌氧反应室中，能够 将该沉淀室中的上清液和浓缩混合液之间的界面控制在期望的位置以确保出水水质，并 且在需要时能够及时避免或消除污泥上浮。
还有，本实用新型的发明人意外地发现，当采用曝气气体提升浓缩混合液时，污水 处理的脱氮效果和/或去除COD的效果得到了意想不到的提高。不受任何理论的约束，可 以认为来自沉淀室的浓缩混合液与含氧气体(优选曝气气体)接触后再与污水进料混合， 增强了反硝化作用，由此实现了更好的脱氮和去除COD的效果。
本实用新型的塔式污泥生物处理装置利用曝气气体实现污泥回流，可以不再使用污 泥回流泵，因此减少了能耗和设备投资，使得装置和工艺的布置更加灵活，并且由于减 少了装置的运动部件和管路连接，提高了装置的可靠性。此外，本实用新型的污水生物 处理装置结构紧凑，减小了整个装置的体积和占地面积。
本实用新型的塔式污水生物处理装置占地面积小，运行稳定可靠，基本无需维护， 适合于置入建筑物中或至少部分埋入地下，或者设置在可移动的平台上，并且尤其适合 于小规模的社区化污水就地处理的需要。
