一種用于生活污水預處理的太陽能化糞池裝置及處理工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于生活污水預處理的太陽能化糞池裝置及其處理工藝，適用于小型分散式生活污水。其中化糞池裝置包括太陽能系統(tǒng)以及化糞池，化糞池包括由第一隔板和第二隔板分隔開的第一格室、第二格室以及第三格室，第一格室為進水格室，第二格室為過渡格室，第三格室為過濾格室；在第一格室內設置有多層加熱板，在每層加熱板上開設有至少一圈均布的小孔；在第三格室上設置有一第二進水管和一過濾層，所述第二進水管的入水口連接在所述第二進水口上，第二進水管的出水口位于所述過濾層的下端。本發(fā)明與傳統(tǒng)的化糞池相比，不受環(huán)境溫度影響限制，通過溫度場和流場的調控增強了厭氧消化的作用，提高了微生物的降解能力及污染物的去除效率。
【專利說明】
一種用于生活污水預處理的太陽能化糞池裝置及處理工藝
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)保領域，尤其涉及一種利用太陽能的厭氧生活污水預處理裝置及處 理工藝。
【背景技術】
[0002] 1.現(xiàn)有生活污水處理中，特別是分散式處理設施中，化糞池的使用較為常見，是一 種利用沉淀和厭氧發(fā)酵的原理，去除生活污水中懸浮性有機物的預處理設施，屬于初級生 活處理構筑物，在城市和農村都廣泛存在。
[0003] 2.分散式生活污水的治理日益成為環(huán)保工作的重點。目前集中式的生活污水處理 工藝復雜、反應流程長、操作復雜、能耗偏高，不適合用來處理廣大農村等地區(qū)的分散式生 活污水。
[0004] 3.現(xiàn)有的化糞池雖然可以對這種分散的生活污水進行處理，但處理效果不佳，增 加了后續(xù)處理的難度和成本。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術存在的不足，而提供一種易于改 造、成本低且處理效果好的一種用于生活污水預處理的太陽能化糞池裝置及處理工藝。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0007] -種用于生活污水預處理的太陽能化糞池裝置，包括太陽能系統(tǒng)以及化糞池，其 特征在于:所述化糞池包括由第一隔板和第二隔板分隔開的第一格室、第二格室以及第三 格室，其中第一隔板位于第一格室和第二格室之間，第二隔板位于第二格室和第三格室之 間，所述第一格室為進水格室，第二格室為過渡格室，第三格室為過濾格室;在所述第一格 室內靠近第二格室的一側沿高度方向設置有多層加熱板，在每層加熱板上開設有至少一圈 小孔，所述太陽能系統(tǒng)通過一溫控開關與所述加熱板電連接，在所述第一格室內遠離第二 格室的一側設置有一底部進水管;在所述第一隔板的上端設置有將第一格室和第二格室連 通的第一進水口，在所述第二格室內設置有一導流板，在所述第二隔板的上端設置有將第 二格室和第三格室連通的第二進水口，在所述第三格柵上設置有一進水管和一過濾層，所 述進水管的入水口連接在所述第二進水口上，所述進水管的出水口位于所述過濾層的下 端。
[0008] 所述第一格室占所述化糞池總容積50%~60%，第二格室占總容積20 %~30%， 第三格室占總容積20%~30%。第一格室作為進水格室要起到靜置調節(jié)和預熱的作用，其 體積占比要大于后兩格，在污水量不大時（小于l〇m 3/天)適用于十幾戶生活污水預處理時 宜采用上述體積比。
[0009] 所述加熱板為圓形孔板，圓形孔板直徑接近第一反應格室的寬度。等周長下圓形 孔板接觸面積大，通過圓型孔板傳熱效果更好，且圓形板面上能夠以圓盤為中心形成一個 沿著圓面徑向分布的溫度梯度場。作為熱源體的孔板能夠吸附污水中的有機質，孔板上負 載有微生物，在圓形孔板上能夠形成一個大分子吸附，微生物降解吸收，孔板再吸附這樣一 個循環(huán)的過程。
[0010] 加熱板上小孔的孔徑大小為20mm-30mm，孔板厚度5-10mm;所述加熱板之間的間距 在60mm-100mm，所述加熱板孔口上下對齊保持開孔孔徑在一條線上。水流經過孔板時能形 成端流，水力實驗證明加熱板孔徑在2Omm-3Omm的范圍內，孔板間距在60-10Omm時能使污水 穿過孔板上的小孔形成較強湍流。無開孔或孔板開孔孔徑過大時水力死區(qū)較大，水流狀態(tài) 不加?？装逯g間距過小，湍流面域小，小孔對水流起到的剪切作用不完整，垂直面上的湍 流路徑過短;而孔板間距過大，一條軸線上的開孔對水流的剪切難以銜接，垂直方向上難以 形成較長的湍流路徑。與此同時當孔板作為熱傳質其垂直方向上形成的溫度場對水流狀態(tài) 起到促進作用，進一步增強了湍流強度。孔板傳熱形成的溫度場有利于產甲烷菌的生長，使 產甲烷菌成為優(yōu)勢菌種，并提高了產甲烷菌的生物反應速率;根據厭氧消化反應理論，混合 和攪拌是影響厭氧消化反應的一個重要因素，湍流的強度的增加，無需額外增加攪拌器而 使污水的反混程度提高，有利于污水中的基質與微生物發(fā)生傳質作用，有助于厭氧消化反 應的進行。在上述二者協(xié)同作用下的極大促進了污水中BOD和硝態(tài)氮的降解。
[0011]第一進水管距第一格室底部的距離應占第一格室高度的四分之一到三分之一，進 水端末端呈弧形，且弧度角介于30°-60°之間。進水管的延伸能改變流態(tài)，將傳統(tǒng)化糞池的 水平流變?yōu)榇怪鄙仙?，增強了污水在第一格室內部與底部污泥之間的接觸，從而使孔板 的設置在垂直方向上能起到對水流的優(yōu)化作用。進水口距底部保持一定的距離且進水口末 端呈弧形可防止污水中涌入大量的懸浮物在進水口下方過度積累造成堵塞。
[0012]所述第一進水管與加熱板之間的間距在20〇mm-300mm。進水管與加熱板之間的保 持200mm-300mm間距，能使水流在內部流動通過傳熱孔板時形成較強的端流，減小第一格室 內的水力死區(qū)體積，增強基質與微生物之間的傳質過程，有利于有機污染物的降解。
[0013]所述加熱板設置的數量與反應器高度成正比。加熱孔板在軸向上均勻分布，加熱 板的實際數量增加根據第一格室高度而定，有利于對污水進行更好的預熱。每日污水量在 10m3以下時，設置三個加熱板。
[0014]所述過濾層為陶粒填料層。
[0015] 所述導流板為一將所述第二格室劃分為下流區(qū)和上流區(qū)的折流板。
[0016] 所述太陽能系統(tǒng)包括太陽能電池板、太陽能蓄電池、外電路、溫控開關以及能夠導 熱的孔板。本發(fā)明化糞池從左到右被隔板分成三個格室。第一個格室內部左側為進水設置 管，靠近右側設置孔板，孔板直接外連太陽能裝置，與外電路構成回路，外設溫控開關，通過 孔板把電能轉化為內能，通過圓盤外表面與污水進行大面積的接觸預熱；第二格室內設置 折流板將格室分為上流區(qū)和下流區(qū)，延長污水流動路徑從而增加污水與污泥之間的接觸； 第三格內設置陶粒填料，通過L型過水管在底部均勻布水后，使水流污水經過陶粒填料層， 達到去除部分氨氮，總磷的效果。
[0017] 一種用于生活污水預處理的的處理工藝，包括如下步驟：
[0018] 1)生活污水進入化奠池的第一格室，通過第一進水管的延伸使其內部流態(tài)由傳統(tǒng) 的水平流變?yōu)榇怪鄙仙?通過太陽能外電路裝置與內部的加熱板形成回路，在具有小孔 的加熱板上形成一個均勻分布的用以預熱污水的溫度梯度場；同時設置孔板的區(qū)域在垂直 方向上形成的溫度場對水流起到了加強作用，孔板本身對水流起到剪切作用，在小孔的導 流作用下水流沿著孔板上的小孔流動，垂直方向溫度梯度場的存在進一步加強了孔板間的 湍流，使水流在軸向上反混程度增加，使污水中基質與微生物之間的傳質作用加強，有利于 第一格室內的厭氧消化反應的進行，實現(xiàn)對有機污染物質的降解能力的提升；
[0019] 2)生活污水經第一進水孔流入第二格室，經過折流板的引流，折流板左側為下流 區(qū)域，右側為上流區(qū)域。折流板的設置一定程度上減小了第二格室的水力死區(qū)，在第一格室 后，為預熱后污水的提供一個污水與污泥之間的接觸場所，對部分硝態(tài)氮起到去除作用；
[0020] 折流板的設置，使第二格室內形成了良好的水利混合條件，上下流區(qū)域分布不同 的菌種，下流區(qū)域主要發(fā)生產酸反應，上流區(qū)域適宜產脫氮菌以及產甲烷菌的生長;進一步 實現(xiàn)有機物質及硝態(tài)氮的去除。
[0021] 3)生活污水經第二進水孔進入第三格室，通過陶粒填料的過濾層，使污水中不易 在厭氧條件下去除的氨氮、總磷得到一定程度的削減。
[0022] 從整個化糞池來看，厭氧第一格室、缺氧沉淀第二格室、厭氧過濾第三格室構成的 組合，相較于傳統(tǒng)化糞池，在第一格室內通過孔板的設置和孔板傳熱優(yōu)化了內部水流狀態(tài)， 增強了污水中基質與微生物的傳質作用，保持在適宜的中溫厭氧或者高溫厭氧條件下，適 宜產甲烷菌和和脫氮菌的生長，B0D和總氮的去除率均有提升;第二格室的設置為預熱后污 水的提供一個與污泥接觸的反應場所，折流板的設置，使第二格室內形成了良好的水利混 合條件，上下流區(qū)域分布不同的菌種，下流區(qū)域主要發(fā)生產酸反應，上流區(qū)域適宜產脫氮菌 以及產甲烷菌的生長;在缺氧條件下能夠進一步實現(xiàn)對水中的有機物質包括總氮的降解； 第三格室為厭氧過濾格式通過陶粒填料的吸附和過濾對氮磷起到進一步的去除作用。 [0023] 所述加熱板，開孔均勻，開孔孔徑20mm-30mm，孔板之間的間距在60mm左右，進水口 距孔板距離在200mm-300mm，實驗表明在這個條件下，孔板間能夠形成較強的湍流，增強了 污水中基質與微生物之間的傳質作用，且整個反應器第一格室內部死區(qū)占比面積最小，僅 為6%左右。不設置孔板時或當孔徑大于30mm時第一格室內水力死區(qū)占比達到了 15%-25% 〇
[0024] 所述化糞池第一格內加熱孔板通過外接電路與太陽能電池板連接，通過溫控開關 對污水的預熱，使溫度調節(jié)范圍能達到20°C-6(TC，在加熱孔板表面上形成徑向溫度場的分 布，將溫度場控制在高溫厭氧消化(50 °C-53 °C )或者中溫厭氧消化(30 °C-36 °C )的范圍內。 同時設置孔板的區(qū)域在垂直方向上也形成一個溫度場對水流起到了加強作用，孔板本身對 水流起到剪切作用，在小孔的導流作用下水流沿著孔板上的小孔流動，垂直方向溫度場的 存在進一步加強了孔板間的湍流，使水流在軸向上反混程度增加，使污水中基質與微生物 之間的傳質作用加強。上述條件下適宜產甲烷菌跟脫氮菌的生長，其生物的反應速率增加， 有利于有機物質的降解，達到水質凈化的目的。
[0025] 太陽能電池板是將光能轉化成電能儲存起來，再將電能運用。目前成品的太陽能 集熱器、太陽能加熱裝置等已經在污水處理工藝當中得以應用，這種節(jié)省能耗無需外在驅 動力且減少人工管理的太陽能裝置適用于農村地區(qū)分散式的生活污水處理。
[0026] 厭氧生物在處理的低濃度生活污水時，對溫度較為敏感。溫度會影響微生物的活 性、對污水的處理效率也有很大影響。當溫度低于20°C時，有機物的水解會受到抑制，尤其 可溶性有機物的降解會受到影響；當溫度低于7°C-13°C時，厭氧反應器可能無法正常啟 動。經過太陽能預熱的污水，可以使水溫達到20°C以上，確保厭氧反應的正常進行。
[0027] 本發(fā)明充分應用太陽能轉化為熱能的原理，利用現(xiàn)有成熟的太陽能板及太陽能蓄 電池裝置收集能量供熱，應用于生活污水的處理，無需外加動力、無需專人管理、尤其適用 于農村地區(qū)的分散式生活污水處理。本發(fā)明與傳統(tǒng)的生活污水處理裝置相比，不受環(huán)境溫 度影響限制，通過溫度場和流場的調控增強了厭氧消化的作用，提高了微生物的降解能力 及污染物的去除效率。
【附圖說明】
[0028] 圖1為發(fā)明太陽能化糞池裝置的示意圖；
[0029]圖2是第一格室內傳熱孔板的截面圖；
[0030]圖3是第一格室內傳熱孔板的溫度場分布圖；
[0031 ]圖4孔徑大小與整個反應器的死區(qū)體積的關系示意圖；
[0032] 圖5為第一格室內設置孔板未加熱時的流速分布圖，圖中左側為流速區(qū)間與灰度 的對應關系；
[0033] 圖6為第一格室內設置孔板加熱時的流速分布圖，圖中左側為流速區(qū)間與灰度的 對應關系；
[0034] 附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
[0035] 1、第一格室，2、第二格室，3、第三格室，4、太陽能裝置，5、進水管，6、孔板，7、折流 板，8、陶粒填料層，9、L型連接管，10、過水口，11、溫控開關，12、出水管。
【具體實施方式】
[0036]為使對發(fā)明的結構特征及功效有更進一步的了解和認識，用實施例以及結合下面 的附圖進行詳細說明。
[0037] 如圖1所示，一種用于生活污水預處理的太陽能化糞池裝置，包括太陽能系統(tǒng)和化 糞池，在化糞池內部設有多個隔板，將化糞池分為多個格室。最左側的第一格室1、位于中間 的第二格室2和最右側的第三格室3，其中第一格室1為進水格室，第二格室2為過渡格室，第 三格室為過濾格室。
[0038]第一格室1體積最大，內置可傳熱的孔板保證厭氧消化所需要的適宜溫度，在第一 格室1內形成中溫厭氧消化或者高溫厭氧消化降解大分子有機物;第二格室2通過折流板延 長了水流路徑加大了污水與污泥之間的接觸與反應;第三格室3通過陶粒濾料對總氮以及 總磷起到去除效果。
[0039] 化糞池內的分隔板上設有過水孔或者L型過水管聯(lián)通相鄰格室。第一格室1通過進 水管5與外界聯(lián)通，第一格室1與第二格室2通過水口連通，第二格室2與第三格室3之間的隔 板上設有L型過水管9進行連通。
[0040] 第一格室1內進水管道5向下延伸尾端有一定弧度，靠近第一格室左壁;第一格室 右側內設置加熱板，加熱板優(yōu)選圓形的孔板6,靠近第一格室右測，孔板6通過立柱固定?？?板外連太陽能系統(tǒng)4,對污水起到預熱作用。
[0041] 附圖2和附圖3是第一格室內孔板的截面圖和其溫度場分布圖，孔板6開孔均勻，開 孔孔徑20mm-30mm，孔板之間的間距在60mm左右?？装迳嫌芍行南蜻吘壭纬梢粋€由高到底的 溫度場，圓形孔板的橫截面能夠間接的將熱量傳遞給污水，孔板與污水之間接觸面積大，能 實現(xiàn)均勻傳熱，通過溫控開關使其控制在中溫厭氧消化(30°C-36°C)或者高溫厭氧消化(50 °C_53°C)的范圍內，孔板的大小要適宜反應器本身的大小并保持與進水管之間保持200mm-300mm的間距。
[0042] 附圖4是實驗所得的數據，隨著傳熱圓形孔板上開孔孔徑的變化，反應器內的死區(qū) 體積占比也隨之變化，可以看出隨著孔徑的增大死區(qū)占比呈現(xiàn)上升的趨勢，此時反應器內 隨著孔徑增大水流狀態(tài)由反混流向平推流靠近，返混程度減小，在圖4中可以看出來，孔徑 大小維持在20_30mm左右整個第一格室的死區(qū)體積最小，僅為6 %左右，第一格室利用率最 高。不設置孔板時或當孔徑大于30_時第一格室內水力死區(qū)占比達到了 15%-25%。
[0043] 附圖5是第一格室內設置孔板但未加熱時的水流狀態(tài)流速分布圖，通過軟件 fluent對設定好的實驗參數等進行軟件模擬，孔板孔徑為20mm，孔板與進水管的間距為 200mm，可以看到反應器內各點流速在0-0.017m/s范圍內，且流速相對均勻分布，流速分布 圖上在開孔處顏色較深，尤其在下部兩個孔板的開孔處顏色較深流速在0. 〇15m/s，在水流 在經過孔板時其流速有著較大的提升，表明在設置孔板的區(qū)域，水流的湍流作用得到了加 強，增加了污水內基質與微生物之間的傳質作用，從而達到有機物的降解作用。
[0044] 附圖6是第一格室設置孔板并利用孔板傳熱時的流速分布圖，可以看到對比圖5， 在利用孔板傳熱后，孔板之間的水流其湍流程度有著較明顯的加強。流速圖上水流在開孔 處附近顏色較深、流速較大，且流線延長貫穿縱向上的三個孔口。相較于圖5,湍流作用在加 熱條件下有了明顯提升，能夠進一步增強污水中基質與微生物之間的傳質作用，從而進一 步提尚有機污染物的去除率。
[0045] 第二格室2內設置有折流板7，使第二格室分為下流上流兩個區(qū)域，水流在其中下 上迂回流動，第二格室右側隔板上接L型過水管引流到第三格室的底部均勻布水。
[0046]第三格室3內中部設置填料層，L型進水管9進水口與第二格室2相連通，L型進水管 9的出水口位于填料層的下端，使第三格室3底部能夠均勻進水后通過填料層。
[0047]孔板6連接外置太陽能系統(tǒng)4,通過太陽能系統(tǒng)收集能量置于太陽能電池板中，通 過外電路連接內部的孔板6，在化糞池第一格室內的孔板的表面形成溫度場，通過污水與圓 盤面的接觸對污水起到預熱作用。
[0048] 實施例
[0049]運用本發(fā)明預處理裝置處理蘇南地區(qū)某農村生活污水，水量為4.5m3/d，污水在化 糞池內第一格水力停留時間為24h。該廢水進入化糞池進行預處理，化糞池的有效體積為 5 ? 2m3;第一格室的容積1 ? 65 X 1 ? 32 X 1 ? 20(長寬高，單位:米），第二、三格室的容積為0 ? 825 XI. 32 XI. 20 (長寬高，單位:米）。化糞池第一格室內進水管距底部500mm，加熱圓盤的直徑 為600mm，開孔孔徑為20mm，設置三塊加熱板，加熱孔板之間的距離為60mm，進水管與加熱板 之間的距離為200mm。
[0050]根據預熱的水溫水量以及時間的計算，太陽能電池板所能提供的功率要在13.4kw 以上，使污水在化糞池內處于中、高溫厭氧反應狀態(tài)，處理后的水質數據見下表。
[0051 ]表1孔板加熱與不加熱第一格室出水對比

[0053]表2是采用本發(fā)明工藝下三格室的出水水質
[0055] C0D原水為390mg/L時，孔板加熱時其⑶D，B0D，總氮的去除率均有較為明顯的提 高，C0D去除率提升了12.1 %，B0D去除率提升了18.1%，總氮去除率提升了13.6%
[0056] 在化糞池正常運行下；其C0D去除率達到了82.5% ;總氮去除率達到了45%，B0D去 除率達到了85.1 %，最終出水，C0D符合國家一級排放標準;B0D符合國家二級排放標準，總 氮的去除率也有了較大提升，作為一個生活污水的預處理裝置，為后處理裝置減輕了負擔 與能耗。
【主權項】
1. 一種用于生活污水預處理的太陽能化糞池裝置，包括太陽能系統(tǒng)以及化糞池，其特 征在于:所述化糞池包括由第一隔板和第二隔板分隔開的第一格室、第二格室以及第三格 室，其中第一隔板位于第一格室和第二格室之間，第二隔板位于第二格室和第三格室之間， 所述第一格室為進水格室，第二格室為過渡格室，第三格室為過濾格室;在所述第一格室內 靠近第二格室的一側沿高度方向設置有多層加熱板，在每層加熱板上開設有至少一圈均布 的小孔，所述太陽能系統(tǒng)通過一溫控開關與所述加熱板電連接，在所述第一格室內遠離第 二格室的一側設置有一底部進水的第一進水管;在所述第一隔板的上端設置有將第一格室 和第二格室連通的第一進水口，在所述第二格室內設置有一導流板，在所述第二隔板的上 端設置有將第二格室和第三格室連通的第二進水口，在所述第三格室上設置有一第二進水 管和一過濾層，所述第二進水管的入水口連接在所述第二進水口上，所述第二進水管的出 水口位于所述過濾層的下端。2. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于:所述第一格室占所述化糞池 總容積50%~60%，第二格室占總容積20%~30%，第三格室占總容積20%~30%。3. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于:所述加熱板為圓形孔板，圓 形孔板直徑接近第一反應格室的寬度。4. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于:加熱板上小孔的孔徑大小為 20mm-30mm，孔板厚度5-10mm ;所述加熱板之間的間距在60mm-100mm，所述加熱板孔口上下 對齊保持開孔孔徑在一條線上。5. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于，第一進水管距第一格室底部 的距離應占第一格室高度的四分之一到三分之一，進水端末端呈弧形，且弧度角介于30°-60°之間。6. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于:所述第一進水管與加熱板之 間的間距在200mm-300mm。7. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于:所述加熱板設置的數量與反 應器高度成正比。8. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于:所述過濾層為陶粒填料層。9. 根據權利要求1所述的太陽能化糞池裝置，其特征在于:所述導流板為一將所述第二 格室劃分為下流區(qū)和上流區(qū)的折流板。10. -種基于權利要求1至9任一所述太陽能化糞池裝置的處理工藝，其特征在于，包括 如下步驟： 1) 生活污水進入化糞池的第一格室，通過第一進水管的延伸使其內部流態(tài)由傳統(tǒng)的水 平流變?yōu)榇怪鄙仙?通過太陽能外電路裝置與內部的加熱板形成回路，在具有小孔的加 熱板上形成一個均勻分布的用以預熱污水的溫度梯度場，通過溫控開關對污水預熱，使溫 度調節(jié)范圍達到20°C-6(TC，在加熱孔板表面上形成徑向溫度場的分布，將溫度場控制在 溫度為50°C_53°C的高溫厭氧消化或者溫度為30°C-36°C的中溫厭氧消化范圍內；同時多層 加熱板在垂直面上形成一個在垂直方向上對水流運動起到加強作用的垂直溫度梯度場； 2) 生活污水經第一進水孔流入第二格室，經過折流板的引流，折流板左側為下流區(qū)域， 右側為上流區(qū)域，折流板的設置一定程度上減小了第二格室的水力死區(qū)，在第一格室后，為 預熱后污水的提供一個污水與污泥之間的接觸場所，對部分硝態(tài)氮起到去除作用； 3)生活污水經第二進水孔進入第三格室，通過陶粒填料的過濾層，使污水中不易在厭 氧條件下去除的氨氮、總磷得到一定程度的削減。
【文檔編號】C02F101/30GK105967454SQ201610490467
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】傅大放, 韋昆, 李桂年, 王友冰
【申請人】東南大學, 南京長安建筑規(guī)劃設計有限公司