申请日2018.05.16
公开(公告)日2018.10.19
IPC分类号C02F9/14; C02F101/10; C02F101/16; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种基于光伏驱动的污水处理系统及处理方法和应用。该污水处理系统包括顺次连接的：厌氧处理单元，所述厌氧处理单元包括填料型折流板厌氧反应器;絮凝沉淀单元;电化学反应单元;过滤单元;所述污水处理系统还包括光伏电源驱动单元。由于采用的是可再生光伏能源提供电力，又无需额外投加化学试剂，因而处理成本大大降低;效率高、运行稳定，且能在短时间内改善水质，较好地克服了传统集中式和分散式处理方法的不足，非常适合我国农村村落众多、零散分布的家庭生活污水的治理。
翻译权利要求书
1.一种基于光伏驱动的污水处理系统，其特征在于，该污水处理系统包括顺次连接的：
厌氧处理单元，所述厌氧处理单元包括填料型折流板厌氧反应器;
絮凝沉淀单元;
电化学反应单元;
过滤单元;
所述污水处理系统还包括光伏电源驱动单元。
2.根据权利要求1所述的污水处理系统，其中，所述填料型折流板厌氧反应器通过依次设置的上下挡板分隔为多个工作区间，每个区间内形成一个向下导流室和一个向上流反应室;所述向下导流室和向上流反应室沿长度方向的距离比为1:5-7;上挡板的底部设置有导流板。
3.根据权利要求1所述的污水处理系统，其中，
所述絮凝沉淀单元包括设置有多个阳极板I、多个阴极板I及多级过滤网框架的絮凝沉淀池，第一个阳极板I紧靠絮凝沉淀池进水口端设置，所述阳极板I和阴极板I交替排列，靠近出水口端方向设置有多级过滤网框架;
所述电化学反应单元包括设置有多个阳极板II和多个阴极板II的电化学反应池，其中一个阳极板II紧靠电化学反应池进水口端设置，所述阳极板II和阴极板II交替排列。
4.根据权利要求3所述的污水处理系统，其中，
所述阳极板I采用铝板、铁板或铸铁板金属电极;
所述阳极板II采用Ti/RuO2-IrO2或Ti/RuO2-IrO2-SnO2涂层电极;
所述阴极板I、阴极板II采用石墨电极或钛板电极。
5.根据权利要求1所述的污水处理系统，其中，所述过滤单元包括过滤池，所述过滤池中设置有由不同粒径范围的滤料分别构成的多个滤料单元，沿水流方向滤料的粒径由大至小设置。
6.根据权利要求5所述的污水处理系统，其中，所述多个滤料单元包括粗滤料单元、中等滤料单元、细滤料单元;
所述粗滤料单元包括粒径为2.5-5mm的石灰石颗粒，厚度为150-250mm，空隙率为45-55%;
所述中等滤料单元包括粒径为1.5-3mm的生物碳，厚度为200-300mm，空隙率为52-58%;
所述细滤料单元包括粒径为0.8-1.6mm的生物碳，厚度为250-350mm，空隙率为47-55%。
7.根据权利要求1所述的污水处理系统，其中，所述光伏电源驱动单元包括光伏板组件、光伏控制器、DC-DC模块、蓄电池组、光控开关、滑动变阻器和电流表。
8.采用权利要求1-7中任意一项所述的污水处理系统的处理方法，其特征在于，该处理方法包括：
在填料型折流板厌氧反应器内接种污泥后，将废水依次通过厌氧处理单元、絮凝沉淀单元、电化学反应单元和过滤单元。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其中，水力停留时间为4～7d，容积负荷为3～6kgCODCr/(m3·d)。
10.权利要求1-7中任意一项所述的污水处理系统在处理农村分散式家庭生活污水中的应用。
说明书
一种基于光伏驱动的污水处理系统及处理方法和应用
技术领域
本发明属于地表水污染水体处理技术领域，更具体地，涉及一种基于光伏驱动的污水处理系统及处理方法和应用。
背景技术
在我国广大农村，随着劳动条件的明显改善和农村经济的快速发展，人们的生活方式发生显著变化，生活水平也大幅提高，然而，人们在追求高质量生活的同时，一些生活方式也给农村的生态环境带来严重的威胁，在一些地方人们生活所产生的废物已成为当地主要的污染物之一。如洗衣机的广泛使用，盆浴变为淋浴，旱厕改为冲洗厕所等，这些高质量生活方式让人们享受美好生活的同时，也产生了大量的生活污水。由于村落分散，房屋的排水与污水处理设施尚未形成，导致村民所排放的污水未经处理就直接排放到附近的小溪、池塘、河流中，若长期肆意排放又不及时治理，将严重污染当地的生态环境，甚至威胁到村民的饮用水安全，大大影响到社会主义新农村的村容村貌建设，也阻碍了乡村振兴战略的实施。为此，必须对日益排放的生活污水加以治理。
当前，针对农村排放的生活污水主要采取管理手段和工程措施来予以解决。管理手段主要是结合社会主义新农村建设和乡村振兴战略的实施，倡导节约用水、循环用水的环保意识，从源头上减少污水的排放。工程措施主要是采取工艺措施来对污水进行治理，为最有效的方式，常见的处理方式有集中式和分散式两种治理形式。然而，对广大农村地区来说，由于村落众多，分布零散，加之投入治理经费有限，很难新建、推广集中式的污水处理设施。因此，分散式污水处理技术在一些地方现已成为农村污水处理主要手段并引起环保工作者的关注。目前，传统的分散式污水处理有氧化塘、化粪池、土地处理系统。氧化塘对有机物和氮的去除有限且处理时间较长，运行不好会影响村容村貌;化粪池，常作为污水预处理系统，其出水仍具有较高浓度的悬浮物、BOD5、氮、磷和致病菌，不能直接排入水体，故不能单独使用;人工湿地系统是模拟土地处理系统原理而形成的新型生态系统，通过基质、植物及微生物协同，经物理、化学和生物作用来降解水中的污染物，其投资少、运行成本低，能较好地去除氮、磷，然而处理速度慢、受季节影响明显、运行不当会造成地下水污染。此外，结合生活污水的水质特点，一些集中式工艺中常见的处理单元(如絮凝处理单元)效果良好，非常适合治理农村排放的生活污水，然而运行成本制约了这些处理单元的使用，为此探索适合农村分散式家庭生活污水处理方法也一直是环保工作者关注的焦点。
发明内容
本发明的目的是针对我国农村村落众多、零散分布的家庭生活污水传统处理方法不足而提出的高效处理方法。本方法通过厌氧处理单元、絮凝沉淀单元、电化学反应单元和过滤单元，实现对农村分散式家庭生活污水中的有机物、SS、氮、磷高效去除;运行时既不需额外添加化学物质，也较少使用化石能源，运行成本极低，非常适合农村分散式单个家庭或集中式多个家庭生活污水的治理。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种基于光伏驱动的污水处理系统，该污水处理系统包括顺次连接的：
厌氧处理单元，所述厌氧处理单元包括填料型折流板厌氧反应器;
絮凝沉淀单元;
电化学反应单元;
过滤单元;
所述污水处理系统还包括光伏电源驱动单元。
作为本发明优选的实施方式，所述填料型折流板厌氧反应器通过依次设置的上下挡板分隔为多个工作区间，更优选为3-5个工作区间，每个区间内形成一个向下导流室和一个向上流反应室;
所述向下导流室和向上流反应室沿长度方向的距离比为1:5-7，所述长度方向指的是所述填料型折流板厌氧反应器沿水流水平流向;
上挡板的底部设置有导流板，上挡板与导流板之间的夹角优选为 130-140°。
作为本发明优选的实施方式，填料型折流板厌氧反应器的出水口设置一沉淀池，产生的沼气通过池顶管道集中排出。
填料型折流板厌氧反应器可以看作是多个升流式厌氧污泥床(UASB) 的简单串联，家庭生活污水在上下挡板的引导下，上下折流前进，在依次穿过各污泥床层时与微生物充分接触，使水体中的有机物、氮、磷以及SS 得以大幅去除，由于混合效果良好，其运行稳定、处理效率高、耐冲击负荷能力强。经厌氧处理后的生活污水通过光伏水泵，经流量计调节流量后，流入絮凝沉淀单元，以待进一步治理。
作为本发明优选的实施方式，所述絮凝沉淀单元包括设置有多个阳极板I、多个阴极板I及多级过滤网框架的絮凝沉淀池，第一个阳极板I紧靠絮凝沉淀池进水口端设置，所述阳极板I和阴极板I交替排列，靠近出水口端方向设置有多级过滤网框架;
根据本发明，实际运行过程中，所述絮凝沉淀单元主要由阴极板I、阳极板I和两级过滤框架组成。其中，阳极板I紧靠反应器的进水口，再以一定间距交替平行插入阴极板I和阳极板I;并在其后，依次设置粗、细两级过滤框架。
两级过滤网框架主要采用粗、细两种过滤网加工而成的倾斜插入型框架。粗过滤网框架28采用三层250目的尼龙滤网布加工而成;细过滤网框架采用三层400目的尼龙滤网布加工而成。两过滤网框架均可快速更换，冲洗后可循环使用，使用时其间距为50～80mm。
通过调节电流，阳极板I原位释放出的金属离子经水解、聚合作用形成多种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物，并以此凝聚、吸附水体中的有机物、氮、磷、SS;同时，电极板产生的气体进一步将凝聚、吸附的污染物絮体气浮到水面，再通过两级过滤框架过滤，从而水体中有机物、磷、氮、SS得以高效去除;此外阳极释放的金属离子也可直接与磷酸盐反应，进一步提高磷的去除效率，经絮凝沉淀单元处理后其所含的磷、SS可达标排放，氮和有机物仍有超标的可能。
作为本发明优选的实施方式，所述电化学反应单元包括设置有多个阳极板II和多个阴极板II的电化学反应池，其中一个阳极板II紧靠电化学反应池进水口端设置，所述阳极板II和阴极板II交替排列。过滤框架过滤后的废水依次流经阳极板II、阴极板II时，水体中残留氮在阳极表面发生反应生成氮气而得以去除，残留有机物也可在电极表面发生反应并进一步去除。
作为本发明优选的实施方式，
所述阳极板I采用铝板、铁板或铸铁板金属电极;
所述阳极板II采用Ti/RuO2-IrO2或Ti/RuO2-IrO2-SnO2涂层电极;
所述阴极板I、阴极板II采用石墨电极或钛板电极。
根据本发明，实际运行过程中，在絮凝沉淀单元中，阳极板I紧靠反应器的进水口，插入后再交替插入阴极板I和阳极板I，其平行间距为30～ 50mm，通过调节滑动变阻器I使阴极板I和阳极板I两电极间的电流密度为5.6～33.0mA/cm2。在电化学反应单元中，阳极板II紧随细过滤网框架之后，待其插入后再交替插入阴极板II和阳极板II，并维持其平行间距为 20～40mm，通过调节滑动变阻器II使阴极板II和阳极板II两电极间的电流密度为8.3～41.7mA/cm2。
作为本发明优选的实施方式，所述过滤单元包括过滤池，所述过滤池中设置有由不同粒径范围的滤料分别构成的多个滤料单元，沿水流方向滤料的粒径由大至小设置。
作为本发明优选的实施方式，所述多个滤料单元包括粗滤料单元、中等滤料单元、细滤料单元;
所述粗滤料单元包括粒径为2.5-5mm的石灰石颗粒，厚度为 150-250mm，空隙率为45-55%;
所述中等滤料单元包括粒径为1.5-3mm的生物碳，厚度为 200-300mm，空隙率为52-58%;
所述细滤料单元包括粒径为0.8-1.6mm的生物碳，厚度为 250-350mm，空隙率为47-55%。
经过生物碳的吸附、拦截作用，不仅能进一步治理各污染物，还可控制因电极溶解残留在水中的金属离子。为便于更换，所有石灰石、生物碳分别放置在滤料单元后再使用。
经上述处理后的污水自流到过滤单元的底部，水体中残留的絮体、SS 在流经粗滤料单元、中等滤料单元、细滤料单元时，被上述各层滤料吸附、拦截而进一步得以清除。此外，水体中电极溶解残留的金属离子在流经上述滤料层时，也会经上述滤料层过滤、吸附与拦截，从而避免水体中的金属含量超标。
作为本发明优选的实施方式，所述光伏电源驱动单元包括光伏板组件、光伏控制器、DC-DC模块、蓄电池组、光控开关、滑动变阻器和电流表。
光伏板组件输出直流电压电流受光照条件而波动，为此经DC-DC模块稳压或稳流后向处理单元供电。为保障夜间和弱光线下该系统能正常工作，采用光伏控制器和蓄电池组将剩余的电能储存起来，并通过光控开关实现蓄电池组在夜间和弱光线下向处理单元提供电能。经两滑动变阻器调节后，实现光伏电源驱动单元同时向絮凝沉淀单元和电化学反应单元同时供电。
根据本发明，实际运行过程中，所述光伏板组件由4～8块250W光伏板并联而成，其参数为：工作电压34.9V、工作电流6.0～7.8A;分两路与光伏控制器、DC-DC模块相连。所述光伏控制器主要是保障蓄电池组正常的充放电功能，具有防止蓄电池组过充、过放、开路、过载、防反充，输出短路保护功能;防止太阳能板接反、蓄电池组接反保护功能;均衡充电，温度补偿等功能，其参数为：太阳能板电压≤50V，额定工作电压12/24V，额定工作电流50～60A。所述DC-DC模块主要是将光伏板输出的随光变化的直流电压或电流变成稳定的直流电压或电流，其参数为：输入电压7～36V，输出电压2～30V，输出电流0～8A。所述蓄电池组由2～4 只容量为12V、150～250AH的免维护铅酸电池串并联构成，主要是将剩余电能储存起来，实现夜间和弱光线下向处理单元供电。所述光控开关具有：在强光时，自动切断蓄电池组向处理单元供电;而夜间和弱光线(低于80～130W/m2)下，光伏板不能通过DC-DC模块向处理单元提供能量时自动恢复蓄电池组提供电能;其参数为：工作电压24V，额定电流10～20A。
本发明的第二方面提供所述的污水处理系统的处理方法，该处理方法包括：
在填料型折流板厌氧反应器内接种污泥后，将废水依次通过厌氧处理单元、絮凝沉淀单元、电化学反应单元和过滤单元。
作为本发明优选的实施方式，水力停留时间为4～7d，容积负荷为3～ 6kg CODCr/(m3·d)。
本发明的第三方面提供所述的污水处理系统在处理农村分散式家庭生活污水中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)由于采用的是可再生光伏能源提供电力，又无需额外投加化学试剂，因而处理成本大大降低;效率高、运行稳定，且能在短时间内改善水质，较好地克服了传统集中式和分散式处理方法的不足，非常适合我国农村村落众多、零散分布的家庭生活污水的治理;
2)填料型折流板厌氧反应器的使用，使水体中的有机物、氮、磷以及 SS得以大幅去除，且运行稳定、处理效率高、耐冲击负荷能力强，能耗更低;在絮凝沉淀单元中，电极溶解形成的金属离子原位产生且能源源不断地向污水中释放，金属离子利用效率高，产生的污泥少;在电化学反应单元中，有机物和氮进一步得到治理，且无污泥产生。蓄电池组白天充电与夜间或弱光线时对外供电均自动进行;过滤框架可快速更换，冲洗后可循环使用，过滤材料采用模块化装卸，使得操作运行维护非常方便。
3)石灰石、生物碳滤料的使用，较好避免有机物、氮、磷、SS去除后水体中的金属离子含量超标和水体pH值显著变化。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
