一种多宫格氧化沟活性污泥法污水处理方法

技术领域：

一种多宫格氧化沟活性污泥法污水处理方法(以下简称“多宫格氧化沟法”)，属于水处理领域。

背景技术：

根据国家环境保护标准HJ-578-2010，氧化沟活性污泥法污水处理方法(以下简称“氧化沟法”)指反应池呈封闭无终端循环流渠布置，池内配备充氧和推流的活性污泥法污水处理方法。显然，它是一种通过连续空间循环实现AAO的方法。

氧化沟法整体结构和控制简单，但要求流渠内的污水达到一定的流速(一般要求不低于0.3米/秒)，以防止污泥沉淀，并且要求在一个封闭流渠循环内完成至少1个AO或者AAO工艺循环。因此，要求整个流渠有相当的长度和长宽比。根据经验，在一个敞开式的封闭流渠中，污水要完成一个AO溶氧过程大概需要5～10分钟左右时间，按此计算，一个氧化沟的沟渠长度至少应为90～180米。按此，一般氧化沟都无法设计大型工程。

传统的氧化沟都是平面式的，即整个流渠布置在相同的高程，整个流渠中只需要很小的动力就可以实现推流，一般是用表曝机来同时提供曝气和推流动力。它结构简单，但占地面积大，并且往往流渠断面尺寸大，同一断面的流速呈现较大的梯度，容易形成结构性沉淀。一般流渠采用混凝土结构，适应大型污水处理工程，不适合一体化污水处理器。

我公司在202020388695.6等专利中提出一种跃层式氧化沟活性污泥法和设备，它将流渠分成上、下两个明显水位阶段，用一台泵实现从低水位高程向高水位高程的提升和循环。跃层式氧化沟法有利于配置零动力零排放的过滤，可以用混凝土结构也可以用钢结构实现，可以做成一体化污水处理器，但结构较为复杂，运行的单位功耗较大。

我国存在大量分散和小型一体化污水项目需求，这些项目来水量往往变化很大，甚至晚上出现断流。目前，我们农村分散和小型一体化污水处理设备需求越来越大，迫切需要研制出一种既可以避免上述问题，又可以根据来水量自动开启和关停，降低实际吨水功耗的氧化沟法工艺和设备。

发明内容：

本发明专利提出了一种多宫格氧化沟法，包括调节池、反应池和二沉池，反应池内配备充氧和推流装置，其特征是：反应池、调节池和二沉池由多个两两相邻的垂直宫格组成，二沉池采用上部限速自流出水方式，各垂直宫格在二沉池出水口以上部分为调节池，以下部分为反应池和二沉池；反应池内各垂直宫格采用下向流和上向流多次交替方式，形成封闭无终端的循环流渠。

采用本专利的垂直多宫格形反应池，反应池内各垂直宫格两两相邻，并且分别交替在上部或者底部开有联通孔，使污水采用上向流与下向流(或者下向流与向上流)多次交替方式，形成封闭无终端的循环流渠。污水流经的流渠长度相当于反应池内各垂直宫格的高度之和，一般单个垂直宫格的高宽比都比较大，因此，这种设计可以使反应池具有很大的“长”宽比，可以使反应池中的污水整体处于推流状态。

由于多宫格的横截面长宽尺寸都比较小，并且钢、塑料等结构性材料的亲水性一般都比混凝土差很大(由于结构孔隙、材质等原因)，因此污水在横截面上的流速梯度会非常小。据了解，有关技术规范中，规定的氧化沟流渠中的平均流速0.3米/秒是根据大型混凝土结构下防止污泥沉淀的水力学试验得出的，称之为冲淤流速。在采用钢、塑料等结构性材料，并且横截面非常小的情况下，这个平均流速可以小得多(据中国水利水电科学院水力专家分析，这个平均流速可以降为0.1米/秒以下)，因此对整个氧化沟流渠的长度要求也小得多。

如，我国目前最小的潜污泵370W，其扬程1.5米带水射器下的流量3立方/小时。如果我们采用市场上现有的九宫格PVC管，其每宫格的横截面尺寸为5X5cm，则其流速为3/3600/(5*5/10^4)＝0.32米/秒，高于要求的0.1米/秒流速。按循环周期为10分钟计算，则所需要的流渠长＝10*60*0.32＝192米；按每宫格管反应池高1.5米计算，则需要128格。由此计算多宫格管的体积为128*5*5/10^4*1.5＝0.48立方米。从这个角度看，多宫格氧化沟法可以用于几乎500升/天的污水处理器。即采用此多宫格氧化沟法，理论上可以设计的最小污水处理器为500升/天。如果将循环周期成倍放大，如20、30分钟等，采用多个曝气点方式，则其处理量会相应放大，其适应的处理量没有上限。

从另一角度看，其循环次数(指循环流量与平均进水流量之比)为3*1000/500*24＝144，高于一般设计要求。如果按水射曝气的体积加气量为30％计算，则每循环一次的气水比为0.3，循环144次的气水比达到43.2，而一般氧化沟的气水比为4～8，因此，循环泵可以采用间歇开启和关停方式，并且开停时长比可达1∶(5～10)。为了保证水泵的间歇运行工况，其间歇开启时的停歇时间不低于30分钟，则循环泵的相应的运行时长可以设置为3～6分钟。

对大一些的设备，也可以采用钢制多宫格。由于钢制多宫格需要考虑焊接和油漆，因此每个宫格的横截面尺寸一般较大。在这种情况下，要求每个宫格内的循环流速均大于冲淤流速是很困难的。如，为了进行多宫格的焊接和上漆，每个宫格的截面尺寸一般不宜小于50*50厘米，即使按0.1米/秒的冲淤流速计算，其循环流量＝0.5*0.5*0.1*3600＝90吨/小时。

实际上，为了达到防止污泥淤积的目的，可以将以上要求分解成两个方面：(1)循环水在宫格内的上、下流速不低于污泥沉降速度6米/小时，以便污泥除水流移动；(2)循环水在通过宫格底部联通孔时速度不低于冲淤速度，以防止沉降在宫格底部的污泥长期沉淀。如果按此要求，所需要的循环流量就要小得多。

假设通过底部联通孔的冲淤流速为0.3米/秒，则宫格之间的水头差h≥v2/2g＝0.3^2/2/9.8*1000＝4.6mm；如果有20个宫格，则循环所需要的水头差只有不到100mm。因为循环泵的运行水头要求非常低，采用一般的潜水泵(扬程一般不低于7米)就很浪费，可以选用污泥回流泵。污泥回流泵是最近研制出来的超低扬程、大流量的污泥泵。

一般二沉池采用高位出水方式。二沉池的自流出水方式一般分为自由自流出水和限量自流出水两种，前者出水口径不小于污水处理器的进水口径，污水处理器一般进水流量与出水流量相同。后者将二沉池的出水设定为一定流量，如污水处理器的平均流量。本专利采用后者，即采用上部限速自流出水方式。

当一段时间内进入反应池的污水流量高于该设定流量时，就会使各垂直宫格内的污水水位抬高，污水会自动进入各垂直宫格的调节池区域。因此，可以根据调节池内的水位来控制曝气和推流动力装置的开启和关停。

当一段时间内进入反应池的污水流量低于设定流量甚至停止进水时，反应池内水位会保持稳定，污水不会进入调节区内。虽然的化沟反应池的进水混合比非常大，并且一般将反应池的进水口与出水口保持尽可能大的距离，新进入的污水对其出水影响很小，但当持续时间达到反应池的总水力停留时间的接近50％，就有可能新进污水到达出水口。为此，需要设定一个曝气和推流动力装置停止运行的最长期限，当这个时间到达时，即使水位开关没有开启，也要启动曝气和推流动力装置的运行。显然，这个时间与设定的出水流量有关，一般当出水流量设定为污水处理器的平均流量情况下，这个时间不宜超过反应池的总水力停留时间的1/4。实际上，设定这种最长停机时限也有利于反应池内菌种的保持，也相当于一种保种运行。

由于二沉池所需要的水力停留时间较长，一般大于一个垂直宫格的水力停留时间，因此，二沉池可以采用多个垂直宫格，或者相当于多个垂直宫格的空间。为了便于二沉池内底部污泥抽取，一般以采用一个相当于多个垂直宫格的空间为宜。

曝气和推流动力装置可以污泥潜水泵加水射曝气方式，将潜水泵直接布置在其个垂直宫格中。也可以采用表曝机形式，只是目前市场上还没有这么小的表曝机。还可以采用曝气风机和循环泵方式，将曝气功能与循环推流功能分享；采用这种方式时，还可以在必要时，在安装有曝气装置的充氧段安装MBR膜，进一步提高出水水质；而在不需要安装MBR膜时，也不强求将曝气装置安装在宫格的底部，这样可以降低对曝气风机的压力要求。

传统的平面式氧化沟顶部都是敞开的，污水在循环过程中不断与空气混合，因此传统的氧化沟都难以形成厌氧段；需要除磷时，需要采用化学除磷或者前置厌氧池并配置污泥回流。多宫格氧化沟可以方便采用顶部封闭或局部密封方式，因此可在氧化沟内形成厌氧段，从而在整个氧化沟循环中实现AAO循环。因此与传统氧化沟相比，多宫格氧化沟只需要适当增加氧化沟渠的循环时间就可以增加除磷效果，其除磷成本比传统氧化沟低得多。

一般来讲，氧化沟对进水要求不高，不需要前置初沉池；所需要的曝气气水比也比较低。采用多宫格氧化沟还可以自带一定的调节池，因此适合于地面安装时提升泵供水，或地埋安装时，自动调节来水流量。还可以省掉AAO法前面的调节池和格栅池(可以在多宫格氧化沟的进水宫格设计成粗格栅池)，因此多宫格氧化沟可以大大节省配套设施的投资和占地面积。另一方面，多宫格氧化沟的高宽比大，特别对不需要加MBR膜时，可以采用更高的结构，从而减少氧化沟本身所需要的占地面积。总的来看，多宫格氧化沟比传统氧化沟和AAO的占地面积都要节省得多。

综合来看，采用本发明专利的多宫格氧化沟法，可以将氧化沟法推广应用到最小500升/天的污水处理器，大大降低了氧化沟法的应用领域，为农村分散污水处理提供了一种新途径。多宫格氧化沟可以大大降低配套设施的投资，大大降低污水处理的除磷成本，且可以根据来水流量自动间歇开启和关停，有助于降低运行费用。

附图说明：

附图1、2和3是一种多宫格氧化沟法的实施例几个示意图。其中附图1是无盖俯视图，附图2是外部正视图，附图3是各垂直宫格顺水流方向剖视图的汇总图。

具体实施方式：

如附图所示实施例，一体化污水处理器的处理能力为500升/天，总体尺寸为71*71*14.5厘米，其中反应池高12厘米，容积为588升，进水混合比为28.2；二沉池沉淀时间为3.1小时，调节时间5.9小时；循环流渠横截面尺寸为8.5*8.5厘米流渠总长54米；配370W污泥潜水泵作为循环泵，在1.5米水压下配水射器后的流量为3立方吨/小时左右，流渠平均流速为0.115米/秒，循环一周的时间为7.8分钟，平均水力循环次数为217.1次；采用水射曝气体积流量约循环水量的30％，全时气水比为65；循环泵采用开启10分钟停止30分钟的间歇式开启和关停方式，实际气水比为16.3，实际循环次数为54.2次。最大连续停留时间为4小时。

实际例多宫格氧化沟法一体化污水处理器由1～13个垂直宫格(组)组成。其中第1垂直宫格和2～12垂直宫格组围成一圈，中间围成第13垂直宫格；为了提高水流速度避免污泥淤积，第2～12垂直宫格组又分成4个，每个尺寸横截面约为8.5*8.5厘米；第13垂直宫格的面积相当于4个其它垂直宫格，因此作为二沉池30；二沉池30的出水口15设置在第13垂直宫格的上部位置，并且有手动阀16来设定其出水流量。第1垂直宫格内放置循环污泥泵20；第2～12垂直宫格组的下部是反应池25，第1～13垂直宫格(组)的上部均是调节池27，水位浮球开关28安装在第13垂直宫格上部的调节池27内。

整个装置集成在桶体17内，桶体的顶部设置有检修孔18和检修孔盖19。

各垂直宫格组2～12内各垂直宫格之间通过上部联通孔26或底部联通孔22交替相通，使污水在各垂直宫格之间内交替成型下向流与上向流交替流向(如图中箭头31所示)。整体上，各垂直宫格(组)1～13之间形成如33所示流向。其中，为了保证第13垂直宫格的二沉池30从底部进水，在12垂直宫格组最后出水处增加一下弯管32将二沉池30的进水导向底部。

污水从进水口14进入，在第1垂直宫格内下向流再经过循环泵20、水射曝气装置21进入第2垂直宫格组的上部，水射曝气装置21通过进气口23加入空气；污水在第2垂直宫格组内的4个垂直宫格内先向流后再上向流，2次反复后进入第3垂直宫格组；......依此类推，最后从第12垂直宫格组最后一垂直宫格内分成两部分，主要部分进入第1垂直宫格上部，形成封闭无终端的流渠；少量部分通过下弯管32进入二沉池30底部；经过二沉池30沉淀后，从出水口15排出。

在第1～12垂直宫格(组)的反应池内，污水先后经过了上向流与下向流22次次循环交替，并且各垂直宫格的高宽比很大，使污水在整个反应池25内呈现出几乎完全推流状态。

整个污水处理装置的循环泵20根据水位开关28的水位控制，并且水位开关开启后采用间歇开启方式运行，水位开关连续不开启时间超过4小时，开启间歇运行方式2小时。如通过手动阀16将出水流量调整为污水处理装置的平均流量，当进水流量超过此设定流量时，整个桶体内的水位会上涨，污水会进入调节池27内，水位开关28开启。由于反应池25的容积足够大，进水混合比达到28.2，因此即使循环泵20短时不开启，进入二沉池30内的污水中，新进水的比例仍是非常低的，对出水水质整体影响不太大。

当进水流量低于或等于设定排水流量时，整个桶体内的水位保持在出水口15高程，水位开关不开启；当这种状态连续持续时间超过4小时，曝气风机(略)也会开启并按循环AAO方式运行2小时，以保证这种低流量进水得到有效处理，或者未有进水时，菌种得以保持。

以上设计符合国家环境保护标准HJ-578-2010和有关经验，出水稳定为国家城镇生活污水排放标准的一级B。而吨水功耗＝370/1000*10/40*24/0.5/4＝0.555KWh/吨水(考虑采用加氯片消毒)，大大低于国家城建部门颁布“户用生活污水处理装置”(CJ/T441-2013)中有关规定(2.4KWh/吨水)，并且可以根据来水量自动开启和关停，即吨水功耗基本不受实际来水量影响和变化。