水蚯蚓生态反应器及工艺.pdf

本发明一种水蚯蚓生态反应器及工艺对城镇污水处理厂传统曝气生化池功能进行区划、细化，分成：生物复合反应区、微生物反应区、无机污泥分离区，在推流式曝气生化池进水段特定区域—生物复合反应区接种驯化水蚯蚓，水蚯蚓消化活性污泥、活性污泥吸附的有机污染物，微生物吸附并降解污水中有机污染物及水蚯蚓新陈代谢物，在微生物反应区内，微生物进一步稳定、降解污水中的有机污染物及水蚯蚓新陈代谢物，并采取水蚯蚓种群控制、水蚯蚓消化速率调控、无机污泥定期分离、强化脱氮等策略，最终满足城镇污水处理厂出水排放要求。本发明利用水蚯蚓、微生物复合生化作用，在城镇污水处理过程中经济、高效、最大化减量污水中有机污染物及有机剩余污泥。

1.  一种水蚯蚓生态反应器(12)，包括：进水口(1)、生物复合反应区(2)、微生物反应区(3)、无机污泥分离区(4)、出水堰(5)和出水口(6)，其特征在于：水蚯蚓生态反应器为推流式曝气池，进水口(1)设置在水蚯蚓生态反应器的下部，出水口设置在水蚯蚓生态反应器的上部，生物复合反应区(2)位于水蚯蚓生态反应器(12)的前段，生物复合反应区容积占水蚯蚓生态反应器容积30-50％，其内装有生物载体(8)和曝气搅拌两用设备(7)，生物载体上接种经驯化的水蚯蚓，微生物反应区(3)位于生物复合反应区(2)的后段，微生物反应区容积占反应器容积50-70％，微生物反应区(3)内装有曝气设备(9)，无机污泥分离区(4)位于微生物反应区(3)内，靠近出水堰(5)，无机污泥分离区(4)底部铺设排泥管(11)，出水堰(5)下方设有混合液回流口(10)。

2.  如权利要求1所述的生态反应器，其特征在于，所述水蚯蚓生态反应器为推流式曝气池。

3.  如权利要求1所述的生态反应器，其特征在于，所述生物载体安装在水蚯蚓生态反应器液位以下20厘米、距池底1米之间区域内，所述水蚯蚓主要采用霍甫水丝蚓和仙女虫，占水蚯蚓总数量的90％以上。

4.  如权利要求1所述的水蚯蚓生态反应器，其特征在于，所述微生物反应区容积占反应器容积50-70％。

5.  如权利要求1所述的水蚯蚓生态反应器，其特征在于，所述生物复合反应区采用曝气搅拌两用设备，微生物反应区、无机污泥分离区采用可单独控制曝气设备。

6.  一种水蚯蚓生态反应器污水处理系统，其特征在于，包括厌氧池或缺氧池、二沉池和如权利要求1-5任一项所述的水蚯蚓生态反应器，厌氧池或缺氧池设置在水蚯蚓生态反应器前端，二沉池设置在水蚯蚓生态反应器后端，水蚯蚓生态反应器的混合液回流口与厌氧池或缺氧池相连，出水口与二沉池相连，二沉池底端设有污泥回流口，污泥回流口与厌氧池或缺氧池前端相连。

7.  一种利用权利要求1所述的水蚯蚓生态反应器进行污水净化的方法，其特征在于，污水从进水口进入生物复合反应区，生物复合反应区内的水蚯蚓消化反应区内活性污泥及活性污泥吸附的有机污染物，微生物吸附并降解污水中的有机污染物及水蚯蚓新陈代谢物，污水经生物复合反应区处理后进入微生物反应区，微生物反应区内的微生物进一步降解污水中有机污染物和水蚯蚓新陈代谢物，系统污泥产率小于0.1kgSS/kgBOD₅。

8.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，在水蚯蚓生态反应器后端设置二沉池，在水蚯蚓生态反应器前端设置厌氧池或缺氧池，二沉池污泥全部回流至厌氧池或缺氧池，回流比50-100％，二沉池日常不排放剩余污泥，水蚯蚓生态反应器无机污泥分离区底部排泥管定期排放无机污泥，所述无机污泥的无机物含量约为70％左右，所述定期排放无机污泥的时间约为3-6个月。

9.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，水蚯蚓反应器末端混合液回流至厌氧池或缺氧池，回流比30-100％。

10.  如权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，水蚯蚓生态反应器生物复合反应区溶解氧控制在1-5毫克/升，微生物反应区溶解氧控制在2-4毫克/升；水蚯蚓反应器污泥浓度控制在2000-3000毫克/升。

水蚯蚓生态反应器及工艺
技术领域
本发明涉及环境保护领域，特别是涉及在城镇污水生化处理过程中的污泥减量。
背景技术
城镇污水处理厂采用活性污泥法处理污水会产生大量剩余污泥，随着污水处理率和排放标准日益提高，污泥产量与日俱增。污泥处理和处置成本很高，占城镇污水处理厂总费用的40％-65％。
从早期的卫生填埋到焚烧、堆肥、热干化等处理处置方法，各有利弊，但无论采用何种方法，均是对污泥进行末端治理，污泥过程减量技术减少污泥产量，将污泥处置方式从现有的“末端治理”转移到“源头控制”，为解决污泥的处理处置问题起到巨大的推动作用。
基于微型动物生物捕食的污泥过程减量技术由于能从源头控制污泥产生，并且能耗低、运行费用省、无二次污染，因而备受关注。国内外都有相关研究报道，但尚处实验室研究机理阶段，实验室研究表明利用微型动物减量污泥还存在：微型动物数量变化大，不易控制，氨氮升高影响出水水质等问题，应用于生产实践的工艺技术有待于进一步研发。
发明内容
本发明一种水蚯蚓生态反应器及工艺对城镇污水处理厂传统曝气生化池功能进行区划、细化，分成：生物复合反应区、微生物反应区、无机污泥分离区，在推流式曝气生化池进水段特定区域接种驯化水蚯蚓，利用水蚯蚓、微生物复合生化作用，在城镇污水处理过程中减量污泥，将污泥处置方式从常规的“末端治理”转移到“源头控制”，在保障城镇污水稳定达标处理前提下，经济、高效、最大化减量污水中有机污染物及有机剩余污泥。
水蚯蚓隶属环节动物门寡毛纲，是多细胞后生动物，经细胞分化，形成了各种组织、器官和系统，系统中各成员的协调合作，使各项生命活动变得更加高效有序；生物体的结构和功能复杂化，形成了一系列完善的调控机制，能更好的适应环境；生物个体的内环境相对稳定，对外界环境变化耐受性增强；个体寿命也比单细胞生物延长。其消化方式已从细菌等单细胞微生物的细胞内消化转变为细胞外消化，通过消化道的蠕动碾磨等物理作用和分泌的大量消化酶的化学作用，使对食物的分解更彻底、更高效。
水蚯蚓生态反应器12，包括：进水口1、生物复合反应区2、微生物反应区3、无机污泥分离区4、出水堰5和出水口6，水蚯蚓生态反应器为推流式曝气池，中间有折流墙，进水口1设置在水蚯蚓生态反应器的下部，出水口设置在水蚯蚓生态反应器的上部，生物复合反应区2位于水蚯蚓生态反应器12的前段，其内装有生物载体8和曝气搅拌两用设备7，生物载体上接种经驯化的水蚯蚓，微生物反应区3位于生物复合反应区2的后段，微生物反应区3内装有曝气设备9，无机污泥分离区4位于微生物反应区3内，靠近出水堰5，底部铺设排泥管11，出水堰5下方设有混合液回流口10。生物复合反应区容积占水蚯蚓生态反应器容积30-50％，生物载体安装在水蚯蚓生态反应器液位以下20厘米、距池底1米之间区域内，水蚯蚓主要采用霍甫水丝蚓和仙女虫，占水蚯蚓总数量的90％以上，每立方米生物载体水蚯蚓活体接种附着量20-28千克。生物复合反应区采用曝气搅拌两用设备，微生物反应区、无机污泥分离区采用可单独控制曝气设备。微生物反应区容积占水蚯蚓生态反应器容积50-70％。
本发明模拟水生生态系统，在水蚯蚓生态反应器进水段生物复合反应区加装生物载体，安装曝气搅拌两用设备保证充氧、泥水混合，结合水蚯蚓的生物习性，给水蚯蚓营造一个稳定的生态环境，在该区域内，水蚯蚓消化活性污泥及活性污泥吸附的有机污染物，微生物吸附并降解污水中有机污染物及水蚯蚓新陈代谢物，由于水蚯蚓相对微生物具有更高的能量消耗和物质转化能力(水蚯蚓物质转化效率约为90％，微生物仅为33.3％)，水蚯蚓消化和微生物分解协同作用，能大大提高好氧生化前段有机污染物的去除效率，加快污水处理系统中能量消耗和物质循环，最大程度降解有机污染物，降低污泥产率(＜0.1kgSS/kgBOD₅)。
水蚯蚓在水蚯蚓生态反应器前段直接消化了一部分进水中的有机污染物，替代了一部分常规好氧生化微生物降解水中有机污染物的作用，水蚯蚓作为一种水生动物有呼吸系统，相对微生物的细胞呼吸，氧化速率大大提高，氧利用效率、传递速率也大大提高，消减同等量的污水中有机污染物不会增加需氧量，相应也无需增加能耗。
水蚯蚓属水生底栖动物，根据它的生长习性，要避免太阳光直接照射，实践证明生物载体安装在水蚯蚓生态反应器液位以下20厘米有利于水蚯蚓的生长繁殖；底部曝气区域水流扰动大，不利于水蚯蚓生长繁殖，池底留出1米以上空间，更利于保证推流式曝气池流态，保证泥水混合，避免底部沉泥。
通过对水蚯蚓生态反应器生物复合反应区溶解氧的控制，可以有效调控水蚯蚓的生命活动及消化能力，水蚯蚓是一种耐缺氧的生物，溶解氧低至1毫克/升时，能够生存，但活动能力降低，消化能力也相应降低，溶解氧在5毫克/升时最活跃，消化能力最强，水蚯蚓污泥消化率可达0.68克/克/天，通过曝气搅拌设备溶解氧1毫克/升至5毫克/升区间调控，可有效控制水蚯蚓消化污泥速率。
生物复合反应区水蚯蚓消化污泥速率还受到水蚯蚓种群数量、水蚯蚓繁殖速率的影响；水蚯蚓成体为附着式生长，经实践验证，每立方米生物载体水蚯蚓活体适宜接种量为20-28千克；水蚯蚓新陈代谢生命周期一般在80-120天左右，水蚯蚓繁殖方式为卵生、孵化，蚓卵及孵化的幼蚓随水流移动，调控二沉池回流比及混合液回流比，可控制水蚯蚓蚓卵及孵化的幼蚓在水蚯蚓生态反应器--好氧区外(二沉池、厌缺氧池)停留时间，调控幼蚓成活率，从而控制水蚯蚓繁殖速率。
在水蚯蚓生态反应器后段设置采用活性污泥法的微生物反应区，装有曝气设备充氧，在微生物反应区内，微生物进一步稳定、降解污水中的有机污染物及水蚯蚓新陈代谢物，最终满足城镇污水处理厂出水排放要求。生物复合反应区有机污染物去除效率提高，降低了微生物反应区有机负荷，污泥浓度控制在2000-3000毫克/升、溶解氧控制在2-4毫克/升，就能满足污水处理工艺要求。
水蚯蚓生态反应器为推流式曝气池，污水依次流经生物复合反应区、微生物反应区，生物复合反应区能有效提高好氧生化前段有机污染物的氧化速率、去除效率，生物复合反应区水蚯蚓活动引起的氨氮升高，在好氧生化后段微生物反应区进一步硝化，并采用内回流策略强化脱氮，保障出水氨氮达标。折流墙设置能够优化水力流程，避免水力短路，保证各功能区反应充分，根据池容、长宽比、曝气设备服务范围、建筑经济性等因素，优选在水蚯蚓生态反应器中设置一个或多个折流墙，并能减少土建成本。
在微生物反应区靠近出水堰设置无机污泥分离区，池底铺设排泥管；由于二沉池日常不需要排放剩余污泥，无机污泥会在污水处理系统中累积，无机污泥定期分离能改善污泥结构和活性，保障污水生化处理系统稳定运行；水蚯蚓生态反应器运行一段时间后，随着无机物的不断累积，污泥絮体活性下降，可关停无机污泥分离区曝气设备，利用无机污泥和活性污泥的沉速差和流速差，比重大的无机污泥快速在池底沉积，通过铺设在池底的排泥管排放(无机物含量可达到70％以上)。
在微生物反应区出水堰下部设置混合液回流口，由于生物复合反应区水蚯蚓活动、有机物质转化效率提高会引起水中的氨氮升高，微生物反应区硝化液回流至前置厌或缺氧池进行反硝化，能强化脱氮，从而保证满足城镇污水厂日益提高的排放标准，实际运行时监测微生物反应区硝态氮，然后确定回流比，一般城镇污水回流比调节区间在30-100％。
生物复合反应区与微生物反应区区划比例，根据城镇污水不同进水条件下水蚯蚓生态反应器有机负荷，微生物新陈代谢有机污泥产率，以及不同种群水蚯蚓消化污泥速率来确定，依据城镇污水厂设计规范、进水水质，我们经过大量实验室研究和生产性试验，生物复合反应区容积占水蚯蚓生态反应器容积30-50％，微生物反应区容积占水蚯蚓生态反应器容积50-70％，区划比例在这一区间能够满足城镇污水处理污泥过程减量工艺技术要求，生物复合反应区容积低于30％、微生物反应区容积高于70％，会造成污泥减量不足，污水处理系统产泥率增大，大于0.1kgSS/kgBOD₅，增加后续污泥处理成本；生物复合反应区容积高于50％、微生物反应区容积低于50％，会造成污泥减量过量，微生物反应区污泥浓度过低，不能保证出水水质。
应用水蚯蚓生态反应器进行污水净化、污泥过程减量的具体方法，其系统包括厌氧池或缺氧池、二沉池和水蚯蚓生态反应器，厌氧池或缺氧池设置在生态反应器前端，二沉池设置在生态反应器后端，生态反应器的混合液回流口与厌氧池或缺氧池相连，出水口与二沉池相连，二沉池底端设有污泥回流口，污泥回流口与厌氧池或缺氧池前端相连。污水从进水口进入生物复合反应区，生物复合反应区内的水蚯蚓消化反应区内活性污泥及活性污泥吸附的有机污染物，活性污泥吸附并降解污水中的有机污染物及水蚯蚓新陈代谢物，污水经生物复合反应区处理后进入微生物反应区，微生物反应区内的微生物进一步降解污水中有机污染物和水蚯蚓新陈代谢物。
二沉池日常不排放剩余污泥，二沉池污泥全部回流至厌氧池或缺氧池，回流比50-100％，水蚯蚓生态反应器无机污泥分离区底部排泥管定期排放无机污泥，无机污泥的无机物含量约为70％左右，定期排放无机污泥的时间约为3-6个月。反应器末端混合液回流至厌氧池或缺氧池，回流比30-100％；
附图说明：
图1水蚯蚓生态反应器俯视图
图中标记说明如下：
1进水口  2生物复合反应区  3微生物反应区  4无机污泥分离区  5出水堰  6出水口  7曝气搅拌两用设备  8生物载体  9曝气设备  10混合液回流口  11排泥管  12水蚯蚓生态反应器
图2一种水蚯蚓生态反应器污水处理系统工艺流程图
图3实施例1图
图中标记说明如下：
1厌氧池  2混合液回流口  3缺氧池  4排泥管  5液下曝气机  6填料  7液下曝气搅拌两用机  8二沉池
图4实施例2图
图中标记说明如下：
1厌氧池  2液下曝气搅拌两用机  3填料  4液下曝气机  5隔墙  6混合液回流口  7排泥管  8液下曝气机  9二沉池
具体实施例1
某城镇污水处理厂，AAO工艺，日处理26000吨污水。
进水COD300，BOD₅120，NH₃-N22，SS160
出水COD50，BOD₅18，NH₃-N6，SS12
日产污泥7吨(含水率80％)，年产污泥2555吨。
曝气生化池改造成水蚯蚓生态反应器，在曝气生化池前段三分之一区域(约占总池容33.3％)，水位以下20厘米，距池底1.2米区域安装生物载体，接种仙女虫，水蚯蚓接种区域曝气系统改造成曝气搅拌两用设备；曝气池末端安装排泥管，曝气系统可独立关停，混合液回流至缺氧池，回流比50％，二沉池污泥回流至厌氧池，回流比为80％，。水蚯蚓生态反应器生物复合反应区溶解氧控制在5毫克/升，微生物反应区溶解氧控制在2-3毫克/升；水蚯蚓生态反应器污泥浓度控制在2000毫克/升。
改造后，出水达到国家一级B排放标准，出水COD40，BOD₅15，NH₃-N4，SS12。
污水处理系统一年排泥二次，6个月排放一次，通过曝气生化池末端排泥管排放，每次排泥100吨(含水率80％)，年排放200吨。
改造后，节省了脱泥系统的药剂、能耗，污泥减量92.8％，节省了污泥后续处置费用。
具体实施例2
某城镇污水处理厂，氧化沟工艺，日处理20000吨
进水COD350，BOD₅160，NH₃-N22，SS160
出水COD50，BOD₅18，NH₃-N3，SS16
日产污泥8吨(含水率80％)，年产污泥2920吨。
曝气生化池改造成水蚯蚓生态反应器实施方案：在进水口将氧化沟隔断，一端进水一端出水，改造成推流式曝气池，在曝气生化池前段二分之一区域(占总池容50％)，水位以下50厘米，距池底1.2米区域安装生物载体，接种霍甫水丝蚓，水蚯蚓接种区域曝气系统改造成曝气搅拌两用设备；曝气池末端安装排泥管，曝气系统可独立关停，氧化沟末端混合液回流至前置厌氧池，回流比100％，二沉池污泥回流前置厌氧池，回流比为60％。水蚯蚓生态反应器生物复合反应区溶解氧控制在4毫克/升，微生物反应区溶解氧控制在2-4毫克/升；水蚯蚓生态反应器污泥浓度控制在2500毫克/升。
改造后，出水达到一级B排放标准，出水COD40，BOD₅16，NH₃-N3，SS16。
污水处理系统一年排泥三次，4个月排一次，通过曝气生化池末端排泥管排放，每次排泥70吨(含水率80％)，年排放210吨。
改造后，增加了混合液回流能耗，节省了脱泥系统的药剂、能耗，整体能耗持平，但污泥减量93％，节省了污泥后续处置费用。