一种废水处理和污泥减量稳定化的装置及其废水处理方法

摘要

本发明公开了一种废水处理和污泥减量稳定化的装置及其废水处理方法，属于污水处理的设备及方法领域。它包括淹没式生物填料床和蚯蚓生态滤池，所述的淹没式生物填料床通过支撑架承接在所述的蚯蚓生态滤池的上方，淹没式生物填料床的底部设置有上层污泥集聚区，上层污泥集聚区的底部设置有一号排泥阀；所述蚯蚓生态滤池位于所述上层污泥集聚区的正下方，蚯蚓生态滤池的底部设置有下层污泥集聚区，下层污泥集聚区的底部设置有二号排泥阀。本发明提出的废水处理和污泥减量化装置及其废水处理方法，构造淹没式生物填料床和蚯蚓生态滤池两级结构，进行污水的交替运行，在低运行成本前提下实现了废水中有机物和营养物质的高效去除。

说明书

技术领域

本发明属于污水处理的设备及方法领域，更具体地说，涉及一种结合淹没式生物填料床 和蚯蚓生态滤池的废水处理和污泥减量稳定化的装置及其废水处理方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的飞速发展，生活小区和畜牧业养殖厂数量激增，由此产生大量 的生活和畜禽养殖废水，给赖以生存的环境带来了一定的负面影响，例如导致水体生态系统 多样性的急剧下降和频现的河湖富营养化等问题，因此急需构建适合单独生活区或畜禽养殖 污水特点的废水处理系统。如何高效去除其中的有机物和营养物质成为科研工作者面临的一 项重要课题。近年来发展起来的小型污水处理工艺，按照处理方式的不同分为两类：一种是 传统的污水处理方式，包括A/O工艺、生物接触氧化法等，这类工艺出水稳定、基建费用低、 占地面积小，但运行费用偏高，操作管理复杂；第二种是土地处理方法，例如人工湿地、生 物塘等，出水效果好、运行管理简单、运行费用低，但缺点是占地面积大，基建费用相对较 高。

在污水处理运行过程中会产生大量的剩余污泥，污泥中存在的重金属、病原菌以及有机 污染物，对人类的生产生活带来危害。传统的污泥处理处置方式有填埋、土地利用和焚烧， 上述方法简便易行，但填埋选址或运行不当会污染地下水环境，土地利用会对周围的土地产 生环境扰动，焚烧成本过高；文献中报道的新技术有利用微生物、超声波或者电离辐射处置 污泥，上述技术对污泥的减量化和无害化起到一定作用，但是运行成本过高，有些技术还处 于探索阶段。

研制管理简单、运行成本低，对废水和污泥高效处理的一体化系统势在必行。曝气生物 滤池和蚯蚓生态滤池是近年来发展起来的污水处理工艺，与普通活性污泥法相比两工艺具有 有机负荷高、占地面积小、投资省和不会产生污泥膨胀等优点，后一技术还可通过微生物和 蚯蚓的协同作用，在污水处理同时实现污泥的减量化和稳定化。经对现有技术的检索发现， 已有利用曝气生物滤池处理污水的技术如中国发明专利（公开号CN102963981A）提供了一 种一体化曝气生物滤池深度脱氮的方法，整个装置由进水系统、一体化曝气生物滤池、碳源 投加系统和反冲洗系统组成，该系统对污水中的氨氮和总氮有较高的去除率；中国发明专利： 一种用于污水深度处理回用的方法（公开号CN103172216A），采用的曝气生物滤池的生化装 置由进水管、反洗进水管、反洗进气管、曝气管、反洗排水管、出水管、布水器、承托填料、 陶瓷滤料、池体和滤板构成。对蚯蚓生物滤池的检索发现，中国发明专利（公开号 CN102674555A）涉及一种木质填料蚯蚓生物滤池及其处理村镇剩余污泥的方法，来自生物反 应池后的二次沉淀中的剩余污泥进入污泥调节池中稀释后，由蠕动泵泵入锥形布水器，均匀 分布后，进入滤床反应器，经赤子爱胜蚓摄食消化和微生物分解等作用，实现剩余污泥的减 量化和稳定化处理；生活污水的微生物-蚯蚓生态滤池水处理系统（中国发明专利公开号 CN1320568A）由格栅、曝气沉砂池、微生物-蚯蚓滤池和布水装置组成，此装置能在生产性 条件下长期连续工作不会发生堵塞，不会产生二次污染，剩余污泥产生量少。

上述两种技术在实际应用中存在以下局限和不足：

1.曝气生物滤池长时间运行后污水中的悬浮固体易堵塞滤料造成水头损失和去除率下 降，需定期反冲洗保证正常运行，管理复杂且运行成本较高，同时污水处理过程中产生的污 泥减量化和无害化效果不明显；

2.单一蚯蚓生态滤池对污水中营养物质特别是总氮去除率较低，影响出水水质；

3.曝气生物滤池或蚯蚓生态滤池与其它技术的组合工艺存在运行成本偏高，有些占地面 积大，同时集成技术只针对污水或者污泥，未能对两者都高效处理。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对各种现有的生活或畜禽养殖废水小型处理系统不能兼具运行成本低廉、污水和污泥 高效处理的问题，本发明提供了一种废水处理和污泥减量稳定化的装置及其废水处理方法， 充分发挥填料和蚯蚓协同作用机制，实现了占地面积小、运行费用省、高效去除污水中有机 物和营养物质以及减少污泥危害的目的。

2.技术方案

本发明的原理：利用淹没式生物滤池和蚯蚓生态滤池滤料上的微生物功能菌和蚯蚓的共 同作用去除污水中的有机物和营养物质，配以合适的运行工艺达到对滤料高效利用的目的； 同时借助蚯蚓行为及自身生命活动特征，提升污水处理效果的同时对污泥减量稳定化发挥重 要作用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种废水处理和污泥减量稳定化的装置，它包括淹没式生物填料床和蚯蚓生态滤池，所 述的淹没式生物填料床通过支撑架承接在所述的蚯蚓生态滤池的上方，淹没式生物填料床的 底部设置有上层污泥集聚区，上层污泥集聚区的底部设置有一号排泥阀；所述蚯蚓生态滤池 位于所述上层污泥集聚区的正下方，蚯蚓生态滤池的底部设置有下层污泥集聚区，下层污泥 集聚区的底部设置有二号排泥阀；

所述淹没式生物填料床的上部设置有导流板，淹没式生物填料床的外围设置有沉淀区， 所述沉淀区与导流板之间设置有回流泵，沉淀区底部与所述上层污泥集聚区连通；所述的淹 没式生物填料床包括嵌设在淹没式生物填料床内部起支撑作用的水平层状支架，悬挂式填料 悬挂于支架上，淹没式生物填料床的顶部中心设置有旋转电机，所述支架可在所述旋转电机 的转轴带动下在水平面内转动，支架的底部设置有与鼓风机相连接的曝气扩散器；所述的蚯 蚓生态滤池内的滤料自上而下为蚯蚓生态滤池滤料和鹅卵石，蚯蚓生态滤池的滤料下方为下 层污泥集聚区；

它还包括连通管和布水管，所述的布水管位于所述的上层污泥集聚区和所述的蚯蚓生态 滤池之间，所述的连通管的上端接入所述的沉淀区，下端与布水管的进水口相连。

优选地，该装置还包括进水管和出水管，所述的进水管设置在淹没式生物填料床上端， 所述的出水管设置在所述的蚯蚓生态滤池的滤料底部。

一种废水处理和污泥减量稳定化的装置的废水处理方法，其步骤为：

（1）搭建所述的装置，关闭一号排泥阀和二号排泥阀，污水通过进水管沿导流板进入淹 没式生物填料床内，旋转电机带动支架转动，同时利用鼓风机通过曝气扩散器对污水充氧；

（2）曝气后的污水溢流进入沉淀区，经沉淀后的污水通过连通管流入布水管，同时一部 分沉淀区污水通过回流泵沿导流板再次进入淹没式生物填料床，污水进入蚯蚓生态滤池进一 步处理，处理后的污水通过出水管排出；

（3）沉淀区产生的污泥在上层污泥集聚区汇集，开启一号排泥阀，污泥排入蚯蚓生态滤 池表面，污泥经蚯蚓生态滤池处理后汇集到下层污泥集聚区，最终处理后的污泥由二号排泥 阀排出。

优选地，进水有机负荷为1～6g COD/m²·d，进水流速为0.8～6.2L/min，淹没式生物填 料床中悬挂填料的支架旋转速率为2～5圈/min，淹没式生物填料床内溶解氧浓度范围是4.0～ 5.0mg/L，回流泵的污水回流量占进水量的比例为50%～100%。

优选地，所述装置的水力停留时间为0.5～1.5h，排泥周期为7～15天，蚯蚓添加密度： 每升填料添加10.0～15.0g蚯蚓。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明提出的废水处理和污泥减量化装置及其废水处理方法，构造淹没式生物填料 床和蚯蚓生态滤池两级结构，进行污水的交替运行，在低运行成本前提下实现了废水中有机 物和营养物质的高效去除；

（2）本发明的装置和方法利用污水回流补充了进水中的碳源，增加了污水与填料接触反 应的时间，上述措施保证了足够的碳源进行反硝化脱氮，使得废水中的总氮得到更加充分的 处理；

（3）本发明设置了上下两层装置，并在上、下两层装置的下方分别设置了污泥集聚区， 定期排泥，使得淹没式生物填料床产生的污泥能被下层蚯蚓生态滤池中蚯蚓利用，强化了污 泥处理能力，增强了污泥减量化和稳定化效果；

（4）本发明所提供的一种废水处理和污泥减量稳定化装置的废水处理方法，无需设置反 冲洗设备和专门污泥处理构筑物，基建成本和运行成本低，克服了普通曝气生物滤池长时间 运行后因水头损失造成去除率下降的问题，尤其适合小型居住区生活污水和小规模畜禽养殖 污水处理，具有较大的市场前景和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、进水管；2、导流板；3、旋转电机；4、淹没式生物填料床；5、支架；6、悬 挂式填料；7、沉淀区；8、鼓风机；9、曝气扩散器；10、回流泵；11、连通管；12、上层污 泥集聚区；13、一号排泥阀；14、布水管；15、蚯蚓生态滤池；16、蚯蚓；17、蚯蚓生态滤 池滤料；18、鹅卵石；19、下层污泥集聚区；20、二号排泥阀；21、支撑架；22、出水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：对某小区生活污水进行处理

如图1，淹没式生物填料床4通过支撑架21架设在蚯蚓生态滤池15上方，淹没式生物 填料床4为圆柱形，高1m，直径1.1m，淹没式生物填料床4和蚯蚓生态滤池15的底部分别 设置有锥形的上层污泥集聚区12和下层污泥集聚区19。

淹没式生物填料床4上部设置导流板2，外围设置沉淀区7，沉淀区7与导流板2之间安 装有回流泵10；淹没式生物填料床4内部嵌有设水平层状支架5，悬挂式填料6悬挂于支架 5上，支架5上端设置有旋转电机3，支架5的底部安装鼓风机8和曝气扩散器9；上层污泥 集聚区12的底部安装有一号排泥阀13，一号排泥阀13位于蚯蚓生态滤池15的正上方10cm 处。

淹没式生物填料床4还包括连通管11和进水管1。进水管1设置在淹没式生物填料床4 上端，连通管11连接沉淀区7和蚯蚓生态滤池15上方的布水管14，蚯蚓生态滤池15底部 安装出水管22；蚯蚓生态滤池15内的滤料自上而下为蚯蚓生态滤池滤料17和鹅卵石18，高 度分别为60cm和8cm，蚯蚓（赤子爱胜蚓）16添加密度为11.3g（蚯蚓）/L（填料），下层 污泥集聚区19底部设置二号排泥阀20。

上述悬挂式填料6选用商业性半软性填料，填料床介质孔隙率和体积分别为99%和 1.12ml/g；进水管1、导流板2、连通管11、沉淀区7、上层污泥集聚区12、下层污泥集聚区 19、布水管14、出水管22，以及淹没式生物填料床4和蚯蚓生态滤池15主体结构用PVC材 料制成。

该系统运行情况：在进水流速为2.6L/min，有机负荷为3.0g COD/m²·d的条件下进水， 首先关闭一号排泥阀13和二号排泥阀20，污水通过进水管1沿导流板2进入淹没式生物填 料床4，旋转电机3带动填料床不锈钢支架5转动，转动速率为2圈/min，鼓风机8通过曝气 扩散器9对污水充氧，保证溶解氧浓度在4.0～5.0mg/L范围内；淹没式生物填料床4污水溢 流进入沉淀区7，经沉淀后的污水通过连通管11流入布水管14，同时开启回流泵10进行污 水循环利用，污水回流量占进水量的90%，污水进入蚯蚓生态滤池15进一步处理，污水总停 留时间为1.0h，经上述两装置处理后的污水通过总出水管22排出。沉淀区7产生的污泥在上 层污泥集聚区12汇集，每隔14天开启一号排泥阀13，污泥排入蚯蚓生态滤池15表面被蚯 蚓利用，污泥经蚯蚓生态滤池15处理后汇集到下层污泥集聚区19，最终处理后的污泥由二 号排泥阀20排出。

此系统连续运行3月，每隔7天对出水水质和污泥量进行监测，重点研究有机物和营养 物质的出水浓度和去除率，小区生活污水经此系统处理后，出水中COD、氨氮、总氮和总磷 去除率变化范围分别是80～86、94～99%、80～86%和99%（如表1），具有较高的有机物和 营养物质去除率；同时测量一号排泥阀和二号排泥阀污泥TSS和VSS浓度，计算经蚯蚓生态 滤池处理后污泥降解率，TSS和VSS降解率变化范围分别是21～35和30～48%，提高了污 泥减量化和稳定化效果。

表1实施例1中某小区生活污水的进水与出水水质测试指标情况

测试指标 COD(mg/L) NH₃-N(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L) 进水 130～320 25.2～53.1 27.1～68.9 2.33～6.45 总出水 26.2～45.1 1.2～3.1 4.8～9.6 0.01～0.03 去除率（%） 80～86 94～99 80～86 99

。

实施例2：对某养殖场废水进行处理

如图1，淹没式生物填料床4通过支撑架21架设在蚯蚓生态滤池15上方，淹没式生物 填料床4为圆柱形，高0.9m，直径1.0m，淹没式生物填料床4和蚯蚓生态滤池15的底部分 别设置有锥形上层污泥集聚区12和下层污泥集聚区19；淹没式生物填料床4上部设置导流 板2，外围设置沉淀区7，沉淀区7与导流板2之间安装回流泵10；淹没式生物填料床4内 部嵌设有水平层状支架5，悬挂式填料6悬挂于支架5上，支架5上端设置有旋转电机3，支 架5的底部安装鼓风机8和曝气扩散器9；上层污泥集聚区12的底部安装有一号排泥阀13， 一号排泥阀13位于蚯蚓生态滤池15的正上方15cm处；淹没式生物填料床4还包括连通管 11和进水管1，连通管11连接沉淀区7和蚯蚓生态滤池15上方的布水管14，进水管1设置 在淹没式生物填料床4上端，蚯蚓生态滤池15底部安装出水管22；蚯蚓生态滤池15内的滤 料自上而下为蚯蚓生态滤池滤料17和鹅卵石18，高度分别为50cm和5cm，蚯蚓（赤子爱胜 蚓）16添加密度为12.5g（蚯蚓）/L（填料），下层污泥集聚区19底部设置二号排泥阀20。

悬挂式填料6选用商业性组合性填料，填料床介质孔隙率和体积分别为99.3%和 1.08ml/g；进水管1、导流板2、连通管11、沉淀区7、上层污泥集聚区12、下层污泥集聚区 19、布水管14、出水管22，以及淹没式生物填料床4和蚯蚓生态滤池15主体结构用PVC材 料制成。

系统运行情况：在进水流速为3.4L/min，有机负荷为5.1g COD/m²·d的条件下进水，首 先关闭一号排泥阀13和二号排泥阀20，污水通过进水管1沿导流板2进入淹没式生物填料 床4，旋转电机3带动填料床不锈钢支架5转动，转动速率为5圈/min，鼓风机8通过曝气扩 散器9对污水充氧，保证溶解氧浓度在4.0～5.0mg/L范围内；淹没式生物填料床4污水溢流 进入沉淀区7，经沉淀后的污水通过连通管11流入布水管14，同时开启回流泵10进行污水 循环利用，污水回流量占进水量的80%，污水进入蚯蚓生态滤池15进一步处理，污水总停留 时间为0.8h，经上述两装置处理后的污水通过总出水管22排出。沉淀区7产生的污泥在上层 污泥集聚区12汇集，每隔7天开启一号排泥阀13，污泥排入蚯蚓生态滤池15表面被蚯蚓利 用，污泥经蚯蚓生态滤池15处理后汇集到下层污泥集聚区19，最终处理后的污泥由二号排 泥阀20排出。

此系统连续运行3月，每隔一周对水质进行监测，研究结果显示，养殖场废水中有机物 和营养物质均有较高的去除效果（如表2），同时经蚯蚓生态滤池处理后，污泥TSS和VSS 去除率平均分别稳定在24±3.6%和36±5.7%，对污水和污泥同时高效处理，技术上具有明 显优势。

表2实施例2中某养殖场废水的进水与出水水质测试指标情况