一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床的制作方法

本发明属于污水处理领域，尤其涉及一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床。

背景技术：

目前，环境污染越来越严重，水源污染问题也较突出。根据对我国七大水系断面监测，达到三类水质可以进入自来水厂的最低要求的仅占29.5％，而劣五类水质却高达44％；随着人口增多，工业和经济的发展，地表水系受到的污染日益严重，工厂排污、生活污水使得全国优质水源不断减少；地下水污染更加触目惊心，垃圾填埋、化粪池、矿场污染、工厂的地下排污，使得全国近60％的地下水水质为“差”。而目前大多数的自来水厂工艺落后，大多数水厂还是传统的“混凝—沉淀—过滤—消毒”，只能去除水中的胶体，不能去除重金属、不能去除溶解性的有机污染(或只能去除一小部分)。而这样的微污染水源的处理也无法使用污水处理的工艺进行处理。

我国也是一个缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。水利部预测，2030年中国人口将达到16亿，届时人均水资源量仅有1750立方米。在充分考虑节水情况下，预计用水总量为7000亿至8000亿立方米，要求供水能力比增长1300亿至2300亿立方米，全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限，水资源开发难度极大。因此，提高水资源的利用率，减少水资源的浪费就非常必要了。有效节水的关键在于污水回用，即将城市污水、工业污水通过曝气生物滤池、膜生物反应器等设备处理之后，将其用于绿化、冲洗、补充观赏水体等非饮用目的，而将清洁水用于饮用等高水质要求的用途。城市污水、工业污水就近可得，可免去长距离输水，而实现就近处理实现水资源的充分利用，同时污水经过就近处理，也可防止污水在长距离输送过程中造成污水渗漏，导致污染地下水源，实现水资源重复利用。

目前大多数污水处理厂的排水都执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中的一级B标准或一级A标准，污染物浓度相对已经比较低，现有污水处理工艺大多采用生化处理为主，剩余的污染物很难被进一步降解，所以污水深度净化再生回用就比较困难。而使用传统的污水深度净化处理工艺及再生水工艺能耗高，工艺复杂，运行维护成本高。针对这些问题，目前也有一些工艺可以实现。如曝气生物滤池和膜生物反应器。

曝气生物滤池是80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺，于90年代初得到较大发展。该工艺具有去除SS、COD、BOD、硝化、脱氮、除磷、去除AOX(有害物质)的作用，曝气生物滤池集生物氧化和截留悬浮固体一体，节省了后续沉淀池(二沉池)，具有容积负荷、水力负荷大、水力停留时间短、处理效果好、缓冲容量大和安全环保等优点。但是，现有技术中的曝气生物滤池在运行时，随着运行时间的增加，滤料层内生物膜逐渐增长且悬浮固体不断累积，这样曝气生物滤池的设计流量将得不到保证，此时就需要对曝气生物滤池进行反冲洗，大量的反冲洗水通过滤层，冲洗掉悬浮固体的同时也会带走冲下许多生物膜，造成微生物大量的流失。实际应用的曝气生物滤池出水中仍然有一定的悬浮物，而且往往在10mg/L以上，更高的甚至可达到30mg/L以上，悬浮物不仅影响感官效果，也在一定程度上影响了出水的COD、总磷值和消毒效果。而且曝气生物滤池出水中“载气”问题，会对系统中的构筑物产生“气蚀”的影响，破坏整个系统的稳定性。

膜生物反应器为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用膜分离设备截留水中的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥(MLSS)浓度可提升至8000～10,000mg/L，甚至更高；污泥龄(SRT)可延长至30天以上。但是，膜生物反应器系统需氧量大、能耗高；难生物降解物质的积累容易造成微生物的毒害和膜的污染；而且膜组件价格昂贵、寿命短，膜组件更换周期短；系统水头损失大，运行维护费用高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床，采用“先吸附—后降解”的方式，更好的适应现如今微污染水源的处理，并能有效的克服现污水深度净化工艺中残留有机物难降解的困难。解决现有曝气生物滤池技术中生物膜易脱落、抗冲击能力差、水力停留时间长、处理量小及出水SS高等问题。解决膜生物反应器需氧量大、能耗高、水头损失大，运行费用高，膜组件价格高、寿命短，微生物毒害和膜污染等问题。实现处理流量大、阻力低、污泥负荷高、占地小和连续运行的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床，包括滤池本体，所述的滤池本体包括活性污泥反应区和过滤区，所述的活性污泥反应区设置于过滤区的下部，所述的活性污泥反应区和过滤区中间设置三相分离器。

所述的活性污泥反应区内部设有填料，所述的活性污泥反应区下部设有曝气设施，所述的活性污泥反应区和曝气设施之间设有进水管和剩余污泥排放口；所述的过滤区上侧设有格栅板II，所述的过滤区下侧设有格栅板I，所述的过滤区内部设有滤料，所述的过滤区内部靠下位置设有搅拌器；所述的有格栅板II的上部设有清洗水排放口，所述的清洗水排放口的上部设有出水集水堰。

进一步的，所述的搅拌器由电机驱动。

进一步的，所述的电机安装于滤池本体的顶部。

进一步的，所述的填料为纤维填料，此填料有很高的比表面积。微生物由原来的悬浮生长改为固定生长方式，通过附着与生长，容易积聚数量多密度大的一层生物膜。在水中有机物浓度较低的情况下，滤料上的生物膜的微生物主要是一种贫养微生物(柄杆菌属、生丝微菌属、无色菌属、孤菌属、螺菌属、假单胞菌属和不动细菌属)。这种微生物具有很大的比表面积，很小的最大微生物比增大速率、很低的内源呼吸速率常数和很小的半速度常数，对水中的微量有机物具有很大的亲和力。这种生物膜是分层的，上层生物膜中的微生物吸附水中的大分子有机物，将其水解为小分子有机物，同时吸收溶解有机物和经水解的水分子有机物进入体内，并氧化分解之，微生物利用吸收的营养构建自身细胞。上一层生物膜的代谢产物流向下层，被下一层生物膜生物吸收，进一步被氧化分解为CO₂和H₂O。

根据Lawrence-McCarty公式，降解速率不仅与微生物浓度有关，还与有机污染物浓度有关。

$r_{su}=-\frac{kXS}{K_s+S}---\left(1\right)$

其中，r_su：有机污染物的降解速率，g/m³·d；

S：有机污染物的浓度，g/m³；

k：单位微生物最高底物利用速率；

K_s：半速度系数；

X：反应器内微生物浓度。

有机物最大降解速率发生在高有机物浓度条件下，因此，当有机物浓度下降至某一临界值时，-r_su值也几乎呈线性关系减小。当有机物以最大速率被利用时，微生物会以最大比生长速率增殖，微生物生长速率由下式表示：

r_g＝Yr_su+k_dX (2)

将公式(1)代入公式(2)得：

$r_g=Y\frac{kXS}{K_s+S}-k_{d}X---\left(3\right)$

r_g：微生物净生长速率，gVSS/m³·d；

Y：合成产量，gVSS/g bsCOD；

k_d：内源代谢系数，gVSS/g VSS·d。

由上式可见，滤池中的有机物浓度不能低于某一最低值，低于这一最低值时滤池内生物膜的损失将超过其增长速率，生物膜将会逐渐消亡，生物膜量将不能的到稳定维持。污水深度净化的来水一般为已经过生化处理的水，水中的有机物浓度低而且很难被进一步生化降解。本发明将原来的“接触—降解”改为“吸附—降解”的方式降解水中的有机物，使其在生物膜周边形成相对有机物浓度较高的范围，从而提高有机物的降解速率，并保证生物膜量的稳定维持并增长。

老化的微生物随水被带出，悬浮污泥会使系统出水水质变差，本发明通过科学的设置过滤区，解决了因悬浮污泥导致的出水水质差的问题。

进一步的，所述的滤料为合成树脂纤维滤料，此滤料比重小于水(0.7～0.9)且可悬浮，水自下而上将滤料浮起压密形成过滤层，经过滤层过滤，再通过出水集水堰收集出水。此滤料的空隙率大，纳污量大，压力损失小，可实现快速过滤并能够得到稳定水质的处理水。但是由于滤池本体下部为活性污泥反应区，曝气会使得水的密度减小，对过滤区的滤料产生影响，导致其可能无法浮起，因此，在活性污泥反应区与过滤区之间设置三相分离器，三相分离器既可以有效地将经过生物处理后的水中的空气分离出去，又将脱落的生物膜分离使其下落至活性污泥反应区底部作为剩余污泥被排出滤池，避免脱落的生物膜进入过滤区被滤料截留，微生物的富集生长，造成生物污堵。当过滤层污堵严重时，可在持续进水的情况下开启清洗搅拌器，利用搅拌器强制水流搅拌(类似洗衣机原理)对滤料进行快速洗涤，清洗水由清洗水排放口排出，使滤层恢复良好的过滤状态。

进一步的，主要包括以下运行步骤：

(1)正常运行：污水从进水管进入滤池本体，通过活性污泥反应区进行好氧、厌氧生物处理，然后通过过滤区，水自下而上将滤料浮起压密形成过滤层，污水经过滤层过滤，再通过出水集水堰收集出水；同时，空气由曝气设施的入口进入，通过曝气设施对活性污泥反应区进行曝气，然后通过三相分离器将空气分离出去，剩余污泥由剩余污泥排放口排出；

(2)滤料清洗：持续进水，持续曝气，开启搅拌器，利用搅拌器强制水流搅拌对滤料进行快速洗涤；空气通过活性污泥反应区进入三相分离器，由三相分离器分离出去，水通过过滤区，对滤料进行清洗，然后由清洗排水口排放；

(3)正洗运行：关闭搅拌器，水从进水管进入，通过活性污泥反应区、过滤区，由清洗水排放口排出正洗水，正洗3-5分钟后关闭清洗排水口，滤池本体进入正常运行状态。

本发明的有益效果：

(1)活性污泥反应区安装挂膜用的纤维填料，高的比表面积为微生物栖息提供了巨大的空间，使得大量微生物得以附着生长，因而可维持滤池内较高浓度的生物量，并可吸附水中有机物，使生物膜周边形成较高有机物浓度的环境；

(2)由于过滤滤料为比重小于水的可漂浮的合成树脂纤维滤料，在活性污泥反应区和过滤区之间设置三相分离器将空气分离出去，避免空气进入过滤区对滤料造成影响，并可分离脱落的生物膜，避免微生物进入过滤区造成微生物在过滤滤料上生长繁殖形成生物污堵；

(3)将传统的活性污泥法和过滤进行整合，增加三相分离器和滤料清洗机构，活性污泥区填料采用新型产品，从而实现占地小，高负荷，低能耗，易维护，低成本。

附图说明

图1为有机物随可生物降解的可溶性COD浓度的变化速率图；

图2为一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床的结构示意图；

图3为一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床的正常运行工序图；

图4为一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床的清洗工序图；

图5为一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床的正洗工序图；

其中，1-滤池本体，2-进水管，3-曝气设施，4-剩余污泥排放口，5-填料，6-三相分离器，7-格栅板I，8-滤料，9-搅拌器，10-格栅板II，11-出水集水堰，12-清洗水排放口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图2所示，一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床，包括滤池本体1，所述的滤池本体1包括活性污泥反应区和过滤区，所述的活性污泥反应区设置于过滤区的下部，所述的活性污泥反应区和过滤区中间设置三相分离器6。

所述的活性污泥反应区内部设有填料5，所述的填料5为纤维填料，所述的活性污泥反应区下部设有曝气设施3，所述的活性污泥反应区和曝气设施3之间设有进水管2和剩余污泥排放口4；所述的过滤区上侧设有格栅板II10，所述的过滤区下侧设有格栅板I7，所述的过滤区内部设有滤料8，所述的滤料8为合成树脂纤维滤料，所述的过滤区内部靠下位置设有搅拌器9；所述的有格栅板II10的上部设有清洗水排放口12，所述的清洗水排放口12的上部设有出水集水堰11。

进一步的，所述的搅拌器9由电机驱动。

进一步的，所述的电机安装于滤池本体1的顶部。

进一步的，所述的填料5为纤维填料，此填料有很高的比表面积。微生物由原来的悬浮生长改为固定生长方式，通过附着与生长，容易积聚数量多密度大的一层生物膜。在水中有机物浓度较低的情况下，滤料上的生物膜的微生物主要是一种贫养微生物(柄杆菌属、生丝微菌属、无色菌属、孤菌属、螺菌属、假单胞菌属和不动细菌属)。这种微生物具有很大的比表面积，很小的最大微生物比增大速率、很低的内源呼吸速率常数和很小的半速度常数，对水中的微量有机物具有很大的亲和力。这种生物膜是分层的，上层生物膜中的微生物吸附水中的大分子有机物，将其水解为小分子有机物，同时吸收溶解有机物和经水解的水分子有机物进入体内，并氧化分解之，微生物利用吸收的营养构建自身细胞。上一层生物膜的代谢产物流向下层，被下一层生物膜生物吸收，进一步被氧化分解为CO₂和H₂O。

根据Lawrence-McCarty公式，降解速率不仅与微生物浓度有关，还与有机污染物浓度有关。

$r_{su}=-\frac{kXS}{K_s+S}---\left(1\right)$

其中，r_su：有机污染物的降解速率，g/m³·d；

S：有机污染物的浓度，g/m³；

k：单位微生物最高底物利用速率；

K_s：半速度系数；

X：反应器内微生物浓度。

有机污染物的降解速率r_su随有机物浓度变化的关系曲线如图1所示。有机物最大降解速率发生在高有机物浓度条件下，因此，当有机物浓度下降至某一临界值时，-r_su值也几乎呈线性关系减小。当有机物以最大速率被利用时，微生物会以最大比生长速率增殖，微生物生长速率由下式表示：

r_g＝Yr_su+k_dX (2)

将公式(1)代入公式(2)得：

$r_g=Y\frac{kXS}{K_s+S}-k_{d}X---\left(3\right)$

r_g：微生物净生长速率，gVSS/m³·d；

Y：合成产量，gVSS/g bsCOD；

k_d：内源代谢系数，gVSS/g VSS·d。

由上式可见，滤池中的有机物浓度不能低于某一最低值，低于这一最低值时滤池内生物膜的损失将超过其增长速率，生物膜将会逐渐消亡，生物膜量将不能的到稳定维持。污水深度净化的来水一般为已经过生化处理的水，水中的有机物浓度低而且很难被进一步生化降解。本发明将原来的“接触—降解”改为“吸附—降解”的方式降解水中的有机物，使其在生物膜周边形成相对有机物浓度较高的范围，从而提高有机物的降解速率，并保证生物膜量的稳定维持并增长。

老化的微生物随水被带出，悬浮污泥会使系统出水水质变差，本发明通过科学的设置过滤区，解决了因悬浮污泥导致的出水水质差的问题。

进一步的，所述的滤料8为合成树脂纤维滤料，此滤料比重小于水(0.7～0.9)且可悬浮，水自下而上将滤料浮起压密形成过滤层，经过滤层过滤，再通过出水集水堰收集出水。此滤料的空隙率大，纳污量大，压力损失小，可实现快速过滤并能够得到稳定水质的处理水。但是由于滤池本体下部为活性污泥反应区，曝气会使得水的密度减小，对过滤区的滤料产生影响，导致其可能无法浮起，因此，在活性污泥反应区与过滤区之间设置三相分离器，三相分离器既可以有效地将经过生物处理后的水中的空气分离出去，又将脱落的生物膜分离使其下落至活性污泥反应区底部作为剩余污泥被排出滤池，避免脱落的生物膜进入过滤区被滤料截留，微生物的富集生长，造成生物污堵。当过滤层污堵严重时，可在持续进水的情况下开启清洗搅拌器，利用搅拌器强制水流搅拌(类似洗衣机原理)对滤料进行快速洗涤，清洗水由清洗水排放口排出，使滤层恢复良好的过滤状态。

如图3-5所示，一种用于污水深度净化及地表水源处理的自清洗连续流活性污泥滤床主要包括以下运行步骤：

(1)正常运行：污水从进水管2进入滤池本体1，通过活性污泥反应区进行好氧、厌氧生物处理，然后通过过滤区，水自下而上将滤料8浮起压密形成过滤层，污水经过滤层过滤，再通过出水集水堰11收集出水；同时，空气由曝气设施3的入口进入，通过曝气设施3对活性污泥反应区进行曝气，然后通过三相分离器6将空气分离出去，剩余污泥由剩余污泥排放口4排出；

(2)滤料清洗：持续进水，持续曝气，开启搅拌器9，利用搅拌器9强制水流搅拌对滤料8进行快速洗涤；空气通过活性污泥反应区进入三相分离器6，由三相分离器6分离出去，水通过过滤区，对滤料8进行清洗，然后由清洗排水口12排放；

(3)正洗运行：关闭搅拌器9，水从进水管2进入，通过活性污泥反应区、过滤区，由清洗水排放口12排出正洗水，正洗3-5分钟后关闭清洗排水口12，滤池本体1进入正常运行状态。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。