申请日2020.03.13
公开（公告）日2021.02.26
IPC分类号C02F9/14
摘要
本专利提出了一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，它包括厌氧池、跃层式氧化沟、二沉池等工艺单元。跃层式氧化沟的反应池分为上、下多层反应池，各层反应池通过管路首尾相连，循环泵通过循环管路将底层反应池污水供到顶层反应池，从而构成以反应池为主体的封闭无终端环流渠形布置，并实现充氧和推流。二沉池底部的污泥虹吸自流无动力地回流到厌氧池；循环泵根据厌氧池的水位消落自动开启和关停。过滤池虹吸自动反洗并将反洗水排入厌氧池或低层反应池中，形成零排放、零动力的过滤池。按照本专利，可以大大降低传统氧化沟工艺的反应池长度，可研制生产带零动力、零排放过滤池，可自动抽肥，可将全部设备和工艺单元高度集成在一个桶体内。
权利要求书
1.一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，它包括厌氧池、跃层式氧化沟、二沉池工艺单元，其特征是：跃层式氧化沟的反应池分为上、下2层以上多层反应池，各层反应池通过管路首末相连，循环泵将底层反应池末端水通过循环管路供到顶层反应池首端，形成以渠道为主体的封闭无终端环流形布置，并实现充氧和推流；二沉池的水位低于顶层反应池，但高于厌氧池，二沉池底部的污泥虹吸自流回流到厌氧池；将全部跃层式氧化沟的工艺单元和主要设备和管路集成在一个桶体内。
2.如权利要求1所述的一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，其特征是：在二沉池后设置过滤池和反洗水蓄水池，反洗水蓄水池的水位低于二沉池，高于厌氧池，过滤池采用虹吸自动反洗，反洗水排入厌氧池或低层反应池。
3.如权利要求2所述的一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，其特征是：过滤池采用双滤一体过滤器。
4.如权利要求1或2或3所述的一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，其特征是：在顶层反应池前增加设置水深较深的曝气池，曝气池的水位高于顶层反应池，循环泵出水先在曝气池曝气后再自流进入顶层反应池。
5.如权利要求4所述的一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，其特征是：在曝气池顶部增设除油池。
6.如权利要求1或2或3或5所述的一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，其特征是：跃层式氧化沟用循环泵的动力进行水射曝气。
说明书
一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器
技术领域：
一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，属于水处理领域。
背景技术：
根据国家环境保护标准HJ-578-2010的定义，氧化沟活性污泥法是指其反应池呈封闭无终端循环流渠形布置，其池内完成充氧和推流的活性污泥法污水处理方法，简称氧化沟法或OD法。与AAO 法明确区分缺氧区、好氧区不同，而氧化沟法则将好氧、缺氧(甚至厌氧和沉淀)都集中在反应池内完成。氧化沟法也有多的变种。
目前已经投产的氧化沟法基本上都是大中型污水处理工程，它们基本上是用混凝土浇筑成首尾相连的沟渠；没有氧化沟法的一体化污水处理器。一般氧化沟+二沉池可以达到城镇生活污水排放的二级B标准；如果要求达到出水一级A，则需要增加MBR膜等深度处理工艺。
氧化沟法有很多的优点，如出水水质好、脱氮除磷效率高、结构、设备和控制简单，出水稳定、耐冲击能力强等。这些优点使它很适合户用和小微型生活污水的水量、水质变化大，要求设备和控制简单的特点。但传统的氧化沟法的反应池都布置在一个平面高程上，占地面积大、总水力停留时间长、以及害怕含油量大的污水等缺点。特别是，为了防止沉淀，要求污水在反应池中的流速达到0.3 米/秒，而又要求在整个反应池中要存在好氧段与缺氧段。由于从好氧段溶氧＞2mg/L降为缺氧段0.2～0.5mg/L的溶氧需要至少几分钟到十多分钟的时间，因此，这就要求氧化沟的反应池非常长。如果按氧化沟的反应池循环一圈的时间为10分钟计算，则需要的反应池长度至少应为10*60*0.3＝180米！这些大大限制了氧化沟的使用范围，使其非常难以设备化，更难以小型化。
实用新型内容：
本实用新型专利提出了一种跃层式氧化沟法一体化污水处理器，它包括厌氧池、跃层式氧化沟、二沉池工艺单元，其特征是：跃层式氧化沟的反应池分为上、下2层以上多层反应池，各层反应池通过管路首末相连，循环泵将底层反应池末端水通过循环管路供到顶层反应池首端，形成以渠道为主体的封闭无终端环流形布置，并实现充氧和推流；二沉池的水位低于顶层反应池，但高于厌氧池，二沉池底部的污泥虹吸自流回流到厌氧池；将全部跃层式氧化沟的工艺单元和主要设备和管路集成在一个桶体内。
传统氧化沟工艺的反应池都基本布置在同一高程上，整体反应池的首末端相边形成封闭无终端的环流渠形布置，充氧和推流装置布置的环形渠中；厌氧池、反应池、二沉池也都基本上布置在同一高程上，污水从厌氧池、反应池、再到二沉池，水位都是从高到低；它的污泥回流需要用回流泵，整个布置占地面积非常大。难以小形化和设备化。
本专利提出的跃层式氧化沟法的反应池分为上、下多层(2层及以上)，各反应池成沟渠形，长宽比很大；上、下层反应池通过管道首末端相连，连接方式可以是溢流管道，也可以虹吸管组件；循环泵通过循环管路将底层反应池末端水供应到顶层反应池的首端，构成以反应池为主体的封闭无终端环流形式，并在其间充氧曝气，用循环泵的水流在反应池中形成推流。
曝气方式可以采用传统的氧化沟充氧曝气方式，如风机底部曝气，也可以是借用循环泵的动力进行水射曝气。由于一般污水泵的扬程都较大，高于多个反应池的水深，利用其高扬程进行水射曝气可以更好地节能。另一方面，氧化沟一般要求曝气与推流同步进行，而借用循环泵的动力实行水射曝气正好具有这一特点。水射曝气也有两种，一种是将水射器安装在循环管路上吸气曝气，另一种是将水射曝气装置安装在池底曝气。
二沉池的水位低于顶层反应池，高于厌氧池水位。长期稳定运行后，跃层式氧化沟循环比都很高，其中的污水都经过多次循环，部分污水从顶层反应池自流进入二沉池沉淀，沉淀后的污水排出或者进入下一道工艺。污泥沉淀汇集在二沉池的底部。因为二沉池的水位高于厌氧池，只要水位保证足够的落差，就可以采用虹吸办法将二沉池底部的高龄污泥自动回流到厌氧池形成污泥回流。污泥虹吸可以由自己溢流引导产生，也可以由其它动力吸气引导产生。虹吸产生后，二沉池的水位会快速下降，当水位下降到设定的破坏口时，虹吸会自动破坏。污泥回流量可以根据虹吸管径、污泥虹吸持续时间来共同确定，调整破坏管口的高程或虹吸回流管径(通过阀门)就可以调整污泥回流量。
由于曝气效果与曝气水深正相关，因此应尽可能采用深的曝气池。上、下多层反应池结构使每次反应池的深度降低，为此可以在顶层反应池之前增加设置一个曝气池。曝气池的深度不受单层反应池深度的限制，如可以将上、下多层反应池都分隔出一段然后上、下连通形成一个垂直分隔仓作为曝气池，其水深是多层反应池的深度之和。曝气池的水位高出顶层反应池，循环泵的出水先在曝气池曝气后再自流进入顶层反应池。为防止曝气池内出现大量沉淀淤积，曝气池可以采用底部曝气方式。
增加单独的曝气池后，可以在曝气池的中上部给顶层反应池供水，在曝气池顶部附近留下一个长时间曝气的气浮除油池，再加设除油装置除油。
氧化沟-二沉池后的出水一般只能达到一级B。为了提高出水水质，可在二沉池后增加深度处理，如MBR生物膜、加絮凝剂絮凝沉淀后过滤等。跃层式氧化沟法还可以在二沉池后增设过滤池和反洗水蓄水池。反洗水蓄水池一般在过滤池的上面，其水位低于二沉池，高于厌氧池和部分低层反应池。二沉池的出水自流进入过滤池过滤后储存在反洗水蓄水池内，反洗水蓄水池的水位上升到一定高程后排出。过滤池采用虹吸自动反洗，反洗排水直接排入厌氧池或低层反应池中，形成零动力、零排放。
还可以将过滤池设计成带慢滤池(指过滤速度低于0.3米/小时) 的双滤一体过滤池(又称“双滤一体过滤器”)。根据中国水利水电科学研究院的有关研究(《保障农村饮水安全的生物慢滤水处理技术》，课题编号环0120012007，2010年国家科技部应用一等奖)，“研究结果表明：生物慢滤对细菌、病毒、有机污染物、嗅味及色度等污染物有很好的去除效果。①对大肠杆菌的去除率高达100％；细菌总数去除率在97％以上。②对氨氮的去除率高达98.5％。③对浊度的去除率达99％以上。④对重金属的去除效果也很好，铜、镉、铁的去除率在95％以上，锰、铅、锌的去除率在60％～88％之间。⑤对有机物CODMn、TOC的去除分别稳定在28.1％～37.1％和31％～36％。”可见，生物慢滤不仅可以将30～50NTU处理成1NTU，而且对有机污染有显著的祛除效果。结合我公司的专利“一种可对慢滤池滤料进行循环分层反洗的快慢滤一体净水器”(专利号ZL2014 0489268.1) 技术，可以采用一个虹吸反洗装置对同轴的快滤和慢滤两级过滤器进行虹吸反洗；因此，只要采用事带慢滤的双滤一体过滤器，就可以大大提升出水水质；只要AAO-二沉池出水足够好(稍高于一级B 的标准)，再经过双滤一体过滤器后，出水就可以达一级A的标准。由于采用跃层式AAO法后，可以将反洗水排入厌氧池或低层反应池中，实现零排放，这就为一级B出水提升到一级A提供了一条零排放、零动力的技术路径。
循环泵的运行控制也可以多种，如果来水量稳定均匀，循环泵的运行可以24小时运行；也可以用流量开关采集来水自动控制循环泵的开启和关停。如果厌氧池留有一定的调节容积，也可以根据厌氧池的水位来控制循环泵的开启和关停；当厌氧池水位处于高位时，循环泵开启；而当厌氧池水位处于低位时，循环泵停止运行，以防止循环泵无水运行，其控制非常简单。
目前最小的污水泵180W，1.5米扬程时流量约10吨/小时；如果采用风机曝气，则一天连续循环水量为240吨/天；按循环次数 30次考虑，则日处理能力约8吨/天。采用水射曝气，其流量可能降为2吨/小时左右，自然吸气气水比约为0.4～0.5升/升。如果按曝气气水比10升/升计算，则需要水流循环次数＝10/(0.4～0.5)＝20～25 次，即氧化沟的平均进水流量约为2*1000/(20～25)＝80～100升/ 小时，相当于处理能力为2吨/天以上。
氧化沟工艺一般要求污水循环一圈要经过好氧段、缺氧段，并且缺氧段与好氧段时长比要保持一定的比例范围(一般认为应为 40～60％为最适宜)；另一方面，要求反应池中污水要保持一定的流速(国内规范中为不小于0.3米/秒，国外多为0.25～0.35米/秒)防止污泥沉淀。这两项要求氧化沟工艺的反应池长度非常长。
设反应池总长为L，设循环泵稳定运行时，好氧段长度为LO，缺氧段长度为LA，L＝L0+LA。如果循环泵采用间歇方式运行，运行周期为T，运行T开时间后再停止T停时间，T＝T开+T停；循环泵运行停止后ΔT(＜T停)时间内，好氧段全部匀速转化成缺氧段，则：
在循环泵连续运行时段内，缺氧占比μ开＝LA/L
在循环泵停止运行后ΔT时段内，缺氧占比μΔ＝(LA+L0/2)/L＝ (1+μ开)/2
当循环泵停止运行ΔT时段以后，缺氧占比μ停＝1
综合加权后的缺氧占比：
μ＝T开/T*μ开+ΔT/T*μΔ+(T停-ΔT)/T*1
＝μ开+(T停/T+ΔT/2T)(1-μ开)
如果反应池总长度比较短，在循环泵持续运行期间，整个氧化沟都变成好氧段，即LA＝0，μ开＝0，则综合加权后的缺氧占比：
μ＝T停/T-ΔT/2T
假设T＝60分钟，T停＝25分钟，ΔT＝12分钟，则μ＝33.3％，相当于缺/好氧比为50％。对一种设备配置，ΔT是基本确定的，如果T也确定，那就只需要调整循环泵的开机时间T开就可以得到相应的缺/好氧比。T开越长，缺/好氧比就越小。
对180W水泵带水射曝气方案，如果进一步采取间歇运行方式，则其适应处理的水量就可以进一步降低。就可以用于设计生产户用一体化污水处理器。
对跃层式氧化沟法，还可以将正常运行流速与冲淤流速分开，正常运行流速可以低一些，运行时允许反应池内有一定的沉淀；但每隔一段时间采用冲淤流速对反应池进行冲洗，冲淤流速应达到设计规范的要求。这样就可以将反应池的长度降下来。对采用水射曝气的氧化沟，由于水射器本身存在很大的阻力，流速越大阻力越大；阻力越大流量越小。实验证明，180W潜水泵在1.5米扬程下正常流量可达130升/分钟左右，而带上水射器后，流量降到25升/分钟左右。如果在水射器前的循环管路上旁流联接一个不带水射器的管路，即冲淤管路，将冲淤管路出口直接接在顶层反应池的首端，冲淤管路上设置阀门控制冲淤管路的开闭。正常运行时，污水经过水射器充氧曝气，但每隔一定时间打开冲淤管路上的阀门进行冲淤。采用这种办法可以大大降低正常运行流速，为缩短反应池长度创造条件。
总之，循环泵采用间歇运行和间歇冲淤的办法，就可以较大地降低反应池的总长度。实际上，当采用水射曝气方式时，由于加气量与循环泵的流量成正比，因此一段时间内的气水比就与循环泵的运行时间成正比，通过调整循环泵的运行时间T开也就同时调整了气水比。综合来看，可以设计成让用户自己调整T开来适应不同的来水水质，以使跃层式氧化沟具有更好的原水普适性。
与传统氧化沟法比较，跃层式氧化沟法有以下明显的优点：
(1)采用无泵自动污泥回流，只需要1台泵，如果采用水射曝气，还可以不用风机。投资和运行成本都更低，整体可靠性更高。
(2)可带零动力、零排放的过滤池：本专利的跃层式循环AAO 法可在二沉池后配过滤池，只要过滤池和反洗蓄水池最低水位仍高于厌氧池水位，则过滤池就可以采用自动虹吸反洗并将反洗排水排入厌氧池中，形成零排放、零动力的过滤！增加了过滤池，排水质量更高、更可靠。
(3)可带双滤(快滤和慢滤)一体式过滤池，实现零动力、零排放地将排水从一级B提升到一级A。
(4)循环泵可以根据用户实际来水量自动开启和关停：这样不仅可以省掉复杂的控制装置，而且使吨水电耗不随来水量而改变，更好地适应农村家庭来水量多变的实际情况。
(5)自带调节容量，可以更好适应变化水量。
(6)循环泵可采用间歇运行方式，用户还可以通过调整循环泵的运行时间(如时间继电器)长短来适应不同来水水质变化，以满足不同的出水标准，以选择最优运行时间，降低运行成本。
(7)可采用旁流冲淤管路方式，降低正常运行流速，缩短反应池的长度。
(8)可带曝气池和气浮除油池，进步拓展了污水的普适性，使跃层式氧化沟法可以处理含油污水。
(9)控制更简单可靠：整个一体化污水处理器只需要一台水泵和一台风机，大大降低了设备数量和控制难度。
总之，通过以上改进，可以大大降低反应池长度、简化设备和控制，为研制户用和小微型跃层式氧化法一体化污水处理器开辟了新途径。采用水射器曝气后，设备进一步减化，甚至可以将所有设备和处理单元全部布置在一个桶体内，实现用户可自己安装。
当然，跃层式氧化沟法也带来了一些新问题，主要是(1)多层反应池上、下叠放，要求每层承重强度高，增加了结构上困难。(2) 为了防止污泥沉淀，要求流速快，反应池截面积小而长，给生产工艺带来很大的挑战，焊接生产工作量非常大。针对这上问题，我们公司已经研制出分层注塑、多层热熔的加工工艺，已另外申请了专利。采用这个工艺就可以完成解决这些结构上问题。
（发明人：孙长贵;姚中贵;孙中一;姚驰）
