一种一体化中水回用设备.pdf

一种一体化中水回用设备，属于环保水处理技术，包括有生化反应池、水平悬浮滤膜系统和单板机自动控制系统，其特点呈生化反应池包括有生物选择区、缺氧区和好氧区，水平悬浮滤膜系统设置在生化反应池的好氧区内，包括有水平悬浮滤膜组件、膜组件悬浮球、膜组件集水管路框架、框架滑轨和塑料耐压软管，单片机自动控制系统包括有单片机控制部分、输入通道、输出通道及控制面板。本发明具有设备结构紧凑、运行成本较低、出水水质好、占地面积小、剩余污泥产量低，污泥处理费用少、易于实现自动控制和操作管理方便等特点，在城市污水处理与回用、中水回用、生活污水、高浓度工业废水等处理中将得到广泛的应用。

1.  一种一体化中水回用设备，包括有生化反应池、水平悬浮滤膜系统和单板机自动控制系统，其特征在于
所述的生化反应池包括有生物选择区、缺氧区和好氧区，生物选择区在生化反应池的一侧，生物选择区之后为缺氧区，好氧区在生化反应池的另一侧，生物选择区、缺氧区和好氧区的体积比为1∶5∶30；
所述的水平悬浮滤膜系统设置在生化反应池的好氧区内，包括有水平悬浮滤膜组件、膜组件悬浮球、膜组件集水管路框架、框架滑轨和塑料耐压软管，其中水平悬浮滤膜组件为偏氟聚乙烯中空纤维膜组件，膜组件悬浮球由PVC塑料制成，呈半球状，悬浮球内充满空气，均匀分布在膜组件塑料框架上，膜组件集水管路框架由U-PVC塑料管连接而成，并将多层水平放置的膜组件固定为一体；框架滑轨由两条相对的、嵌入池体的“L”型不锈钢钢条制成，内形成倒“T”字槽，连接在膜组件集水管路框架上的“T”字型不锈钢体在其中滑动，塑料耐压软管连接在集水管路框架上，并随着集水管路框架的升降而自由伸缩；
所述的单片机自动控制系统包括有单片机控制部分、输入通道、输出通道及控制面板，其中单片机控制部分由8031芯片、2732芯片、74L373芯片和晶振电路组成，2732芯片构成4KB的外扩展程序存储器，74L373芯片作为地址锁存器，输入通道由超声波液位探测器和自制液位探测器构成，输出通道由光电耦合器和继电器构成。

2.  根据权利要求1所述的一种一体化中水回用设备，其特征在于所述的偏氟聚乙烯中空纤维膜组件的公称孔径为0.2μm。

3.  根据权利要求1所述的一种一体化中水回用设备，其特征在于所述的水平悬浮滤膜系统通过分布在其两侧的可自由伸缩的塑料耐压软管出水。

4.  根据权利要求1所述的一种一体化中水回用设备，其特征在于所述的水平悬浮滤膜系统通过膜组件悬浮球产生的浮力悬浮于混合液面下的保护高度。

5.  根据权利要求1所述的一种一体化中水回用设备，其特征在于所述的水平悬浮滤膜系统的膜组件为水平方式。

6.  根据权利要求1所述的一种一体化中水回用设备，其特征在于所述的水平悬浮滤膜系统通过框架滑轨随混合液液面做上下移动。

一种一体化中水回用设备
技术领域
本发明涉及一种污水处理设备，特别是涉及一种一体化中水回用设备，属于环保水处理技术，适于城市在处理生活污水时使用。
背景技术
随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已成为一个全球化的问题，而我国的缺水形势更为严峻。与此同时，水环境污染日趋严重。全国7大重点流域地表水有机物污染普遍，特别是流经城市的河段有机物污染严重，主要湖泊富营养化问题突出。水资源短缺和环境污染已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。
水环境质量的恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代发展的污水资源化技术，以缓解水资源的短缺状况。因此，近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)组合工艺在废水处理重的应用格外引人注目。该工艺与传统废水处理技术相比，具有出水水质好，出水可直接回用，设备占地面积小，活性污泥浓度高，剩余污泥浓度低和便于自动控制等优点。虽然目前能耗还很高，但随着膜技术的发展和膜制造成本的下降以及新型膜组件和膜生物反应器的开发，膜生物反应器技术在废水处理中会得到更多的应用。
膜生物反应器是膜技术和生物处理技术相结合的废水处理新工艺，其产生和发展是这两种技术应用和发展的必然结果。膜技术和生物处理技术的学科交叉、结合，开辟了污水处理技术研究和应用的新领域。
虽然膜生物反应器具有传统活性污泥法所不能比拟的特点，但在实际中却没能得到大规模的广泛应用，这主要是因为膜生物反应器有其缺点即膜组件造价高和膜生物反应器运转费用高。但其能耗偏高，吨水处理成本高，使这项技术的大规模推广应用受到限制。
据研究计算，维持膜生物反应器的有效运行，其运转费用有96％以上用于鼓风机的的能耗。这是由于膜生物反应器必须有足够的爆气强度来维持较高的膜面流速，从而减少膜污染和膜堵塞，维持较高的膜通量。所以，为促使膜生物反应器得以广泛应用，除了完善制膜工艺，降低膜造价以外，最重要地措施就是在膜生物反应器的运行过程中，尽量减少膜污染和膜堵塞，减缓膜通量的降低，尽量提高和维持膜通量。
目前序批式活性污泥法设备大部分是采用滗水器出水，滗水器有垂直升降式滗水器、螺杆旋转式滗水器和浮筒式滗水器等。多数生化主体反应器采用负荷法、曝气时间内负荷法、动力学设计法进行设计。上述各种滗水器动力消耗高，而且自动化要求较高，实际生产中的滗水器往往很难完全达到设计的要求，而且出水浊度较高，经常带有悬浮物质，出水水质不能保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，通过研究改进，给出一种设备结构紧凑、运行成本较低、全自动控制的新型污水处理工艺及一体化中水回用设备。该设备具有结构紧凑、运行成本较低和全自动控制的特点，在城市污水处理与回用、中水回用、生活污水、医院废水、屠宰场废水、高浓度工业废水等处理中将得到广泛的应用，既可缓解水资源短缺所引起的矛盾，又保护了环境，促进经济的可持续性发展。
本发明给出的技术解决方案是：这种一体化中水回用设备包括有生化反应池、水平悬浮滤膜系统和单板机自动控制系统，其特点是
所述的生化反应池包括有生物选择区、缺氧区和好氧区，其中生物选择区在生化反应池的一侧，生物选择区之后为缺氧区，好氧区在生化反应池的另一侧，待处理的污水先进入生物选择区，缺氧区在生物选择区之后，最后由提升泵将污水提升至好氧区，其体积比为1∶5∶30。生物选择区为微生物创造高浓度、高负荷的竞争环境，选择出适应该环境的微生物，活性污泥快速吸附有机污染物，对难降解的有机物水解。缺氧区辅助生物选择区的缓冲作用，释放磷，强化反硝化。好氧区设计采用总污泥量综合设计法，以提供反应池好氧区一定的活性污泥量为前提，并满足适合的SVI条件，保证在沉降阶段历时和排水阶段历时内的沉降距离和沉淀面积，据此推算出最低水深下的最小污泥沉降所需的体积，然后根据最大周期进水量求算贮水容积，两者之和即为所求生化池容。并由此验算曝气时间内的活性污泥浓度及最低水深下的污泥浓度，以判别计算结果的合理性。
所述的水平悬浮滤膜系统设置在生化反应池的好氧区内，包括有水平悬浮滤膜组件、膜组件悬浮球、膜组件集水管路框架、框架滑轨和塑料耐压软管。其中水平悬浮滤膜组件为偏氟聚乙烯中空纤维膜组件，主要是起到截留上清液中的悬浮物，过滤出水的作用，中空纤维膜丝较细，有较好的柔韧性，能保持较长的寿命，即使有膜丝破损的现象发生，由于膜丝内径仅为270μm，可被污泥迅速堵住，对处理水质完全没有影响；膜组件悬浮球一般由PVC塑料制成，呈半球状，悬浮球内充满空气，产生一定的浮力，均匀分布在膜组件塑料框架上，使水平悬浮滤膜组件始终保持在保护高度(距水面0.3～0.5m)的液面以下；膜组件集水管路框架由U-PVC塑料管连接而成，它把多层水平放置的膜组件固定为一体，并且膜滤出水通过此管路由泵吸出；框架滑轨由两条相对的、嵌入池体的“L”型不锈钢钢条制成，内形成倒“T”字槽，连接在膜组件集水管路框架上的“T”字型不锈钢体在其中滑动；塑料耐压软管是连接在集水管路框架上的输水管，可随着集水管路框架的升降而自由伸缩。
所述的单片机自动控制系统包括有单片机控制部分、输入通道、输出通道及控制面板，其中单片机控制部分由8031芯片、2732芯片、74L373芯片和晶振电路组成，2732芯片构成4KB的外扩展程序存储器，74L373芯片作为地址锁存器；输入通道由超声波液位探测器和自制液位探测器构成，输出通道由光电耦合器和继电器构成，超声波液位探测器实时监控上清液高度、沉淀污泥层高度和混合液的高度，自制液位探测器实时监控膜组件在混合液中的位置，当膜组件露出水面后，自制液位探测器断开并发出警报，系统停止运行。
为更好地实现本发明的目的，所述的水平悬浮滤膜系统中的偏氟聚乙烯中空纤维膜组件，其膜组件公称孔径为0.2μm，是悬浮固体、胶体等的有效屏障。
为更好地实现本发明的目的，所述的水平悬浮滤膜系统作为生化反应池的出水装置，即水平悬浮滤膜系统通过分布在其两侧的可自由伸缩的塑料耐压软管出水。
为更好地实现本发明的目的，所述的水平悬浮滤膜系统通过膜组件悬浮球产生的浮力悬浮于混合液面下的保护高度。
为更好地实现本发明的目的，所述的水平悬浮滤膜系统的膜组件为水平方式。
为更好地实现本发明的目的，所述的水平悬浮滤膜系统通过框架滑轨随混合液液面上下运动。
以上单片机控制部分、输入通道、输出通道、输出通道、及控制面板等电子设备和电子元件在市场上均可购得。
本发明的设备尺寸随着日处理量的不同而不同。主体反应池采用污泥总量法设计，保证污泥的沉降性能。水平悬浮滤膜组件的独特结构保证了出水的回用要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.设备结构紧凑，制造方便。
2.运行成本较低，实现全自动控制。
3.设备出水水质好，出水浊度可到ONTU，达到建设部中水回用标准。
4.生物反应器内能维持高浓度的微生物量，使处理装置容积负荷提高，占地面积大幅度减小。
5.膜的截留可以延长增殖速度缓慢的微生物如硝化细菌在反应器中的停留时间，有利于提高系统硝化效率。同时，还可以延长一些难降解有机物在系统中的停留时间，有利于提高难降解有机物的降解效率。
6.剩余污泥产量低，污泥处理费用少。
7.耐冲击负荷，易于扩容。
8.易于实现自动控制，操作管理方便。
附图说明
图1是一体化中水回用设备的反应池平面图；
图2是一体化水回用设备的反应池I-I剖面图；
图3是一体化中水回用设备的反应池IV-IV剖面图；
图4是一体化中水回用设备的反应池好氧区II-II剖面图；
图5是一体化中水回用设备的反应池缺氧区III-III剖面图；
图6是一体化中水回用设备的反应池及水管路框架与框架滑轨连接图；
图7是一体化中水回用设备的控制系统原理框图；
图8是一体化中水回用设备的自动控制流程图；
图9是COD，NH₃-N系统去除率示意图；
图10是膜阻力的变化情况示意图。
图中标记为：1为膜组件，2为微孔曝气头，3为止水套管，4为蝶阀，5为提升泵，6为闸阀，7为止回阀，8为膜组件悬浮球，9为膜组件集水管路框架，10为框架滑轨。11为自制液位探测器，12为超声波液位探测器，13为塑料耐压软管，14为生物选择区，15为缺氧区，16为好氧区，17为污泥回流管道。
具体实施方式
如图1～图3所示，本发明给出的这种一体化中水回用设备包括有生化反应池、水平悬浮滤膜系统和单板机自动控制系统，其中的生化反应池包括有生物选择区14、缺氧区15和好氧区16，待处理的污水先进入生物选择区14，缺氧区15在生物选择区14之后，最后由提升泵5将污水提升至好氧区16，其体积比为1∶5∶30。其中膜组件1和超声波液位探测器12位于好氧区16中。图1还包括I-I剖面图即图2，II-II剖面图即图4，III-III剖面图即图5。在图2中微孔曝气头2平铺于好氧区16底部，止水套管3位于缺氧区15和好氧区16之间，提升泵5位于缺氧区15，起到提升污水至好氧区16的作用，膜组件悬浮球8位于好氧区16上部，随膜组件1上下运动，膜组件集水管路框架9位于膜组件悬浮球8之下，起到支撑膜组件的作用，框架滑轨10位于好氧区16的两侧池壁，供膜组件1上下运动之用，自制液位探测器11位于膜组件集水管路框架9上，图2还包括IV-IV剖面图即图3。图3为一体化中水回用设备反应池的平面图，包括生物选择区14，缺氧区15和好氧区16的平面图。
如图4所示，图4是一体化中水回用设备的反应池好氧区II-II剖面图。(8)膜组件悬浮球，(9)膜组件集水管路框架，(10)框架滑轨，三者组成一体，位于好氧区的末端。
如图5所示，图5是一体化中水回用设备的反应池缺氧区III-III剖面图。(5)提升泵位于缺氧区。
如图6所示，图6是一体化中水回用设备的反应池及水管路框架与框架滑轨连接图。位于(16)好氧区的池壁上。
现以处理量为10t/d的一体化中水回用设备为例对图7～图10进行说明。其中图7和图8是控制系统的原理框图和流程图，图9和图10则是根据实验数值绘制而成的COD，NH₃-N系统去除率示意图和膜阻力的变化情况示意图。
该实施例的运行过程为：紧接着上一个运行周期的最后一道工序，出水阶段结束后，自动控制系统自动开启进水提升泵5和空气压缩机，初始化开始。进水和反应池内的活性污泥在曝气的作用下充分混合，超声波探测器12实时传送混合液深度，当反应器内混合液深度大于设定值H₁＝3.3m时，提升泵5停止工作。反应器的活性污泥在曝气的条件下进行生物降解作用，经过水力停留时间T₁＝3h，混合液中的有机污染物被分解，污水得以净化。自动控制系统发出信号，停止曝气。经过沉淀时间T₂＝0.5h后，反应池中混合液在重力的作用下泥水分离，池体上部为上清液，上清液水深H₂＝2.3m，池体下部为因重力沉淀压缩的活性污泥，其沉淀厚度为H₃＝0.8m。此时由超声波探测器12对反应池内上清液的高度进行探测，并向自动控制系统发出信号，自动控制系统接受信号后，发出启动出水泵的信号，出水泵在自动控制系统控制下开启，抽取反应池内的上清液。水平悬浮滤膜系统随着水位的下降而沿滑轨下滑，分布在膜组件集水管路框架的塑料耐压软管沿出水方向伸长。当排水高度达到H₂-h＝2.3-0.5＝1.8m(h为保护高度)，超声波探测器12向自动控制系统传输关闭出水泵的信号，自动控制系统接受信号后，发出停止出水泵的信号，出水泵在自动控制系统控制下停止抽水。同时自动控制系统发出启动空气压缩机和提升泵的信号，反应池内开始曝气并且同时进水，开始下一周期的动作。
试验平均进水的COD为378.5mg/L，平均进水的NH₃-N为33.28mg/L，平均出水的COD为29.31mg/L，平均出水NH₃-N为4.25mg/L，从图9可以看出本发明表现出良好的去除率。由图10可以看出，膜污染程度很小，膜阻力上升速率缓慢，保持较高的膜通量。而本发明在保持一定的膜通量时的膜传递压差(TMP)为4.0×10-2MPa，远远小于膜设计极限传递压差10.0×10-2MPa。
故障处理：
1.出水过程中单片机通过超声波液面探测器监控当前时刻和设定时刻t前的上清液液面的变化情况，若无变化停止出水，并发出警报。
2.进水过程中单片机通过超声波液面探测器监控当前时刻和设定时刻t后的上清液液面的变化情况，若无变化停止进水，并发出警报。
3.静止沉淀后，超声波液面探测器检测上清液深度，若该值小于设定值发出警报。
4.自制液位探测器断开发出警报后，实施人工干预，调节水平悬浮滤膜组件在反应池的位置，使之保持在液面以下保护高度h。