公布日：2023.06.30
申請日：2022.12.27
分類號：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
本發(fā)明公開了一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，包括黑水處理單元和灰水處理單元，黑水處理單元包括UBF反應(yīng)器、EGSB反應(yīng)器和厭氧MBR池，厭氧MBR池的內(nèi)部設(shè)有振動MBR膜機構(gòu)，外側(cè)設(shè)有用于MBR膜反洗的外循環(huán)系統(tǒng)；灰水處理單元包括調(diào)節(jié)池和好氧MBBR池。本發(fā)明提出的該系統(tǒng)具有規(guī)模小、投資小、占地小的特點，更加契合于我國大部分農(nóng)村的地域分布情況和經(jīng)濟發(fā)展水平。該系統(tǒng)采用“黑水”與“灰水”源頭分離與處理，可實現(xiàn)“黑水”中能源(沼氣)和氮磷資源(液肥)的有效回收，實現(xiàn)“灰水”處理后穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放和提升其出水回用率。該系統(tǒng)在滿足出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的同時，提高了農(nóng)村污水的資源化利用率。
權(quán)利要求書
1.一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，包括用于處理沖廁水的黑水處理單元和用于處理除沖廁水的其它生活污水的灰水處理單元，其特征在于：所述黑水處理單元包括UBF反應(yīng)器(1)、EGSB反應(yīng)器(2)和厭氧MBR池(3)；所述UBF反應(yīng)器(1)、EGSB反應(yīng)器(2)和厭氧MBR池(3)以先后串聯(lián)的方式連接，所述厭氧MBR池(3)的出水部分回流，與黑水進(jìn)水合流進(jìn)入UBF反應(yīng)器(1)，所述厭氧MBR池(3)的污泥全部回流至EGSB反應(yīng)器(2)，厭氧MBR池(3)排放的出水通過運輸罐車收集，作為液肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；所述厭氧MBR池(3)的內(nèi)部設(shè)有振動MBR膜機構(gòu)，外側(cè)設(shè)有用于緩解MBR膜堵塞的外循環(huán)系統(tǒng)；所述灰水處理單元包括調(diào)節(jié)池(4)和好氧MBBR池(5)；所述調(diào)節(jié)池(4)和好氧MBBR池(5)以先后串聯(lián)的方式連接，調(diào)節(jié)池(4)的出水進(jìn)入好氧MBBR池(5)，所述好氧MBBR池(5)的污泥全部排入所述UBF反應(yīng)器(1)內(nèi)，所述好氧MBBR池(5)的一部分出水儲存入蓄水塔(6)，另一部分通過溢流口排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，其特征在于：在所述黑水處理單元中，所述厭氧MBR池(3)的回流比0.4～0.7，UBF反應(yīng)器(1)HRT為10～12h，EGSB反應(yīng)器(2)HRT為35～40h，產(chǎn)生的沼氣回用于農(nóng)村住宅群落。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，其特征在于：所述UBF反應(yīng)器(1)和EGSB反應(yīng)器(2)均需定期清除底泥，每次清除比例為40％～50％，UBF反應(yīng)器(1)底泥清除周期為3～5月，EGSB反應(yīng)器(2)底泥清除周期為10～12個月。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，其特征在于：所述振動MBR膜機構(gòu)包括振動式MBR膜(31)，與振動式MBR膜(31)相連的抽吸泵(34)，所述振動式MBR膜(31)設(shè)置在厭氧MBR池(3)內(nèi)，振動式MBR膜(31)由高頻振動單元(32)和MBR膜架(33)組成，所述MBR膜架(33)連接有抽吸泵(34)，MBR膜架(33)的膜元件的過濾精度為0.1～0.2μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，其特征在于：所述振動式MBR膜(31)上設(shè)有反洗水管(35)，所述振動式MBR膜(31)通過反洗水管(35)進(jìn)行反洗，振動式MBR膜(31)的運行分為過濾和反洗2個階段，彼此循環(huán)交替運行，高頻振動單元(32)和所述外循環(huán)系統(tǒng)在2個階段持續(xù)運行，抽吸泵(34)在過濾階段運行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，其特征在于：所述外循環(huán)系統(tǒng)包括外循環(huán)泵(36)、外循環(huán)管(37)和穿孔布水管(38)，所述外循環(huán)系統(tǒng)在厭氧MBR池(3)內(nèi)循環(huán)水流方向與MBR膜表面平行，膜表面平均水流速度為0.5～1m/s，且流速在MBR膜表面均勻分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，其特征在于：所述蓄水塔(6)相對于地面的最低液位不低于15m，蓄水塔(6)上連接有管道一(61)、管道二(62)，所述管道一(61)位于出戶端連接管道三(63)，所述管道一(61)、管道二(62)和管道三(63)均通過重力自流方式的方式分別連接在黑水管道出戶端、反洗水管(35)和沖廁入水管道上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，其特征在于：所述黑水管道出戶端與管道一(61)之間，以及所述管道二(62)上設(shè)有電動閥(7)，以控制定時開啟沖洗黑水管道和定時開啟反洗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在大量未經(jīng)處理的農(nóng)村生活污水排放到了土壤、河流、湖泊等自然環(huán)境中，會對飲用水水源造成嚴(yán)重污染，導(dǎo)致多種病原微生物、寄生蟲的繁殖與擴散，嚴(yán)重威脅居民的身體健康。同時，農(nóng)村生活污水中的糞便、食物殘渣、洗滌劑等富含氮磷的物質(zhì)還會造成天然水體的富營養(yǎng)化，對水生生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞的缺點，而提出的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)。該分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)針對我國大部分農(nóng)村的地域分布呈現(xiàn)總體分散，局部相對集中的特點，開發(fā)出適合我國農(nóng)村地區(qū)的小規(guī)模、小投資、小占地的分散式農(nóng)村污水處理系統(tǒng)，提升我國農(nóng)村污水治理率。同時，將“黑灰分離”技術(shù)與分散式農(nóng)村污水處理系統(tǒng)相結(jié)合，提高農(nóng)村污水的資源化利用率。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
設(shè)計一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，該分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)處理水量不超過1000m3/d，該系統(tǒng)生活污水的收集、處理和資源化利用均采用“黑灰分離”的方式，包括用于處理沖廁水的黑水處理單元和用于處理洗漱污水、廚房污水等除沖廁水之外的其它生活污水的灰水處理單元，黑水和灰水通過相互獨立的匯水管道分別進(jìn)入到黑水處理單元和灰水處理單元，并在各自的處理單元中完成處理與資源化利用過程。
所述黑水處理單元包括UBF反應(yīng)器、EGSB反應(yīng)器和厭氧MBR池。所述UBF反應(yīng)器、EGSB反應(yīng)器和厭氧MBR池以先后串聯(lián)的方式連接，所述厭氧MBR池的出水部分回流，與黑水進(jìn)水合流進(jìn)入UBF反應(yīng)器，所述厭氧MBR池的污泥全部回流至EGSB反應(yīng)器，厭氧MBR池排放的出水通過運輸罐車收集，作為液肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；所述厭氧MBR池的內(nèi)部設(shè)有振動MBR膜機構(gòu)，外側(cè)設(shè)有用于緩解MBR膜堵塞的外循環(huán)系統(tǒng)。其中，黑水處理單元的UBF反應(yīng)器承擔(dān)緩沖進(jìn)水負(fù)荷和水解酸化的作用，EGSB反應(yīng)器承擔(dān)專職產(chǎn)甲烷的作用，兩相厭氧反應(yīng)器的設(shè)置使得厭氧發(fā)酵分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個獨立運行的體系，整個系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性均顯著提高。利用UBF反應(yīng)器的過濾截留功能和HRT的控制達(dá)到2個反應(yīng)器相分離的目的，UBF反應(yīng)器中產(chǎn)酸菌占據(jù)絕對優(yōu)勢，EGSB反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷菌占據(jù)絕對優(yōu)勢，UBF反應(yīng)器和EGSB反應(yīng)器能夠各自維持體系最佳的運行工況。2個厭氧反應(yīng)器之間還存在著協(xié)同促進(jìn)作用，一方面，UBF反應(yīng)器的緩沖功能為EGSB反應(yīng)器提供了穩(wěn)定的進(jìn)水條件，這對于EGSB反應(yīng)器維持穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷速率是十分重要的。另一方面，UBF反應(yīng)器的水解酸化過程消耗堿度，EGSB反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生堿度，因此通過厭氧MBR池的出水部分回流，可利用EGSB反應(yīng)器產(chǎn)生的堿度中和UBF反應(yīng)器消耗的堿度，從而防止UBF反應(yīng)器過度酸化抑制產(chǎn)酸過程。
所述灰水處理單元包括調(diào)節(jié)池和好氧MBBR池；所述調(diào)節(jié)池和MBBR池以先后串聯(lián)的方式連接，調(diào)節(jié)池的出水進(jìn)入MBBR池，所述MBBR池的污泥全部排入所述UBF反應(yīng)器內(nèi)，所述MBBR池的出水儲存入蓄水塔，MBBR池上設(shè)有溢流口，多余的水由溢流口排出。灰水由于其負(fù)荷很低，一般僅需要簡單的好氧生物膜工藝即可達(dá)標(biāo)排放或達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)。MBBR工藝即是好氧生物膜工藝的一個典型代表，好氧MBBR工藝具有以下優(yōu)點：1)填料較大的比表面積可以附著大量的微生物，微生物濃度高，污染物去除效率高；2)可以實現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮作用；3)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，易于維護(hù)，運行成本低。將MBBR池的剩余污泥排入UBF反應(yīng)器，不僅能夠減少系統(tǒng)剩余污泥排放，還能夠資源化利用MBBR池剩余污泥中的有機物和氮磷元素。
進(jìn)一步，所述厭氧MBR池的回流比0.4～0.7。
進(jìn)一步，黑水處理單元的UBF反應(yīng)器HRT為10～12h，EGSB反應(yīng)器HRT為35～40h，產(chǎn)生的沼氣回用于農(nóng)村住宅群落。
進(jìn)一步，所述UBF反應(yīng)器和EGSB反應(yīng)器均需定期清除底泥，每次清除比例為40％～50％，UBF反應(yīng)器底泥清除周期為3～5月，EGSB反應(yīng)器底泥清除周期為10～12個月。將活性差的污泥和一些惰性固體物質(zhì)從反應(yīng)器中排除，以保障有效反應(yīng)空間和恢復(fù)反應(yīng)器的微生物活性。
進(jìn)一步，所述振動MBR膜機構(gòu)包括振動式MBR膜，與振動式MBR膜相連的抽吸泵，所述振動式MBR膜設(shè)置在厭氧MBR池內(nèi)，振動式MBR膜由高頻振動單元和MBR膜架組成，所述MBR膜架連接有抽吸泵，MBR膜架的膜元件的過濾精度為0.1～0.2μm。振動式MBR膜承擔(dān)泥水分離的作用，一方面保證出水具備作為液肥回用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合格品質(zhì)，即水質(zhì)清亮、無懸浮或沉淀顆粒物、無異味、去除致病微生物以及保留豐富的可溶性有機質(zhì)和氮磷元素，另一方面，由于EGSB反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷菌世代周期長(幾天到幾十天)，增殖速率很慢，MBR膜100％的污泥截留和MBR池100％的污泥回流則避免了EGSB反應(yīng)器的活性污泥流失，從而保證了EGSB反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷速率。通常細(xì)菌的最小尺寸為0.5μm左右，因此0.1～0.2μm過濾精度的膜元件可滿足充分截留致病菌的要求，進(jìn)一步減小膜元件的孔徑則會增大MBR膜堵塞的風(fēng)險。
進(jìn)一步，所述振動式MBR膜上設(shè)有反洗水管，所述振動式MBR膜通過反洗水管進(jìn)行反洗，振動式MBR膜的運行分為過濾和反洗個階段，彼此循環(huán)交替運行，高頻振動單元和所述外循環(huán)系統(tǒng)在整個階段持續(xù)運行，抽吸泵在過濾階段運行。
進(jìn)一步，所述外循環(huán)系統(tǒng)包括外循環(huán)泵、外循環(huán)管和穿孔布水管，所述外循環(huán)系統(tǒng)在MBR池內(nèi)循環(huán)水流方向與MBR膜表面平行，膜表面平均水流速度為0.5～1m/s，且流速在MBR膜表面均勻分布。
進(jìn)一步，所述存入蓄水塔的中水主要用于3處，分別為農(nóng)村住宅沖廁、疏通黑水管道和振動式MBR膜反洗，均采用重力自流方式運行。所述蓄水塔相對于地面的最低液位不低于15m，蓄水塔上連接有管道一、管道二，所述管道一位于出戶端連接管道三，所述管道一、管道二和管道三均通過重力自流方式的方式分別連接在黑水管道出戶端、反洗水管和沖廁管道上。系統(tǒng)中的黑水由于其流量小、固體物質(zhì)含量高，并且還伴有植物纖維、毛發(fā)以及其它雜物，黑水管道容易因此而堵塞，因此本發(fā)明采取了灰水處理單元出水沖洗的方式疏通黑水管道，防止其堵塞。系統(tǒng)中的農(nóng)村住宅沖廁、疏通黑水管道和MBR膜反洗過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夠為住宅沖廁、疏通黑水管道和MBR膜反洗提供的總水頭的大小，并且其中還扣除了重力自流管道的沿程水頭損失以及局部水頭損失，尤其是疏通黑水管道和MBR膜反洗，蓄水塔提供的總水頭大小直接影響黑水管道的疏通效果和膜反洗效果。
進(jìn)一步的，所述黑水管道出戶端與管道一之間，以及所述管道二上設(shè)有電動閥，以控制定時開啟沖洗黑水管道和定時開啟反洗。
根據(jù)上述，MBR膜的泥水分離是實現(xiàn)黑水處理單元出水作為液肥回用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此MBR膜的維持膜元件穩(wěn)定的過濾能力，防止膜元件堵塞是十分重要的。本發(fā)明解決MBR膜的膜元件堵塞的方式有以下4種：
1)在厭氧工藝后單獨設(shè)置厭氧MBR池(分離式設(shè)計)，而非整體式設(shè)計，UBF反應(yīng)器的過濾截留功能和EGSB反應(yīng)器顆�；勰嗔己玫某恋硇阅埽沟眠M(jìn)入后續(xù)厭氧MBR池的懸浮物(主要為厭氧活性污泥)大大降低，一定程度降低了MBR膜堵塞的風(fēng)險。
2)將高頻振動單元與MBR膜架連接，形成振動式MBR膜，高頻振動可在MBR膜元件表面形成方向和大小瞬變的剪切作用，使膜表面附著物有效剝離，從而緩解MBR膜堵塞。
3)外循環(huán)系統(tǒng)緩解MBR膜堵塞的原理分為2個方面，一方面與振動膜原理相似，在MBR膜表面形成一定的水流速度，從而產(chǎn)生水流剪切作用，使膜表面附著物有效剝離，不過此方法在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頻振動單元；另一方面是將振動式MBR膜在高頻振動作用下剝離的附著物迅速帶離膜元件表面，并沖散膜表面附近的懸浮物積聚層，降低膜堵塞的風(fēng)險。
4)定時對MBR膜反洗，恢復(fù)MBR膜元件通透性。
本發(fā)明提出的一種分散式農(nóng)村污水處理與資源化利用系統(tǒng)，有益效果在于：
(1)、本發(fā)明小規(guī)模、小投資、小占地的分散式農(nóng)村污水處理系統(tǒng)更加契合于我國大部分農(nóng)村的地域分布情況和經(jīng)濟發(fā)展水平，其工程化應(yīng)用潛力巨大。同時，將“黑灰分離”技術(shù)與分散式農(nóng)村污水處理系統(tǒng)相結(jié)合，在滿足出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的同時，提高了農(nóng)村污水處理的資源化利用率。
(2)、本發(fā)明采用兩相厭氧反應(yīng)器的設(shè)置使得厭氧發(fā)酵分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個獨立運行的體系，同時2個反應(yīng)器之間存在協(xié)同促進(jìn)作用，整個系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性均顯著提高。
(3)、本發(fā)明厭氧MBR池的通過膜分離作用保證了出水具備作為液肥回用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合格品質(zhì)，即水質(zhì)清亮、無懸浮或沉淀顆粒物、無異味、去除致病微生物以及保留豐富的可溶性有機質(zhì)和氮磷元素。
(4)、為維持厭氧MBR池的MBR膜的穩(wěn)定的過濾能力，本發(fā)明采用厭氧工藝后單獨設(shè)置厭氧MBR池(分離式設(shè)計)、利用高頻振動單元形成振動式MBR膜、設(shè)置外循環(huán)系統(tǒng)和MBR膜反洗這4種方式解決了厭氧MBR膜易堵塞問題。
(5)、本發(fā)明中EGSB反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷菌世代周期長(幾天到幾十天)，增殖速率很慢，MBR膜100％的污泥截留和厭氧MBR池100％的污泥回流避免了EGSB反應(yīng)器的活性污泥流失，從而保證了EGSB反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷速率。
(6)、本發(fā)明系統(tǒng)中的黑水由于其流量小、固體物質(zhì)含量高，并且還伴有植物纖維、毛發(fā)以及其它雜物，黑水管道容易因此而堵塞，本發(fā)明采取了灰水處理單元出水沖洗的方式疏通黑水管道，可有效防止其堵塞。
(7)、本發(fā)明系統(tǒng)中的農(nóng)村住宅沖廁、疏通黑水管道和MBR膜反洗過程均采用蓄水塔中的蓄水重力自流的方式完成，減少了水泵等設(shè)備投入，降低了能耗，并且通過中水回用節(jié)約了水資源。
（發(fā)明人：朱輝;孫信柏;董畔;王凱;劉愛寶）
