CN101503266A

CN101503266A - 一种净化污水的生物－生态组合方法及装置

Info

Publication number: CN101503266A
Application number: CNA2009100610196A
Authority: CN
Inventors: 吴振斌; 贺锋; 孔令为; 夏世斌; 徐栋
Original assignee: Institute of Hydrobiology of CAS
Current assignee: Institute of Hydrobiology of CAS
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: CN101503266B

Abstract

本发明公开了一种净化污水的生物－生态组合方法及装置，其步骤：①、待处理的污水经过配水/调节池；②、经步骤①处理的污水泵入动态膜生物反应器中，在反应器内停留，混合，过滤；③、经步骤②处理的污水流入中间集水池；④、经步骤③的污水进入复合垂直流人工湿地处理后得到回用的水。该装置包括配水/调节池、动态膜生物反应器、集水池、复合垂直流人工湿地，动态膜生物反应器分别与配水/调节池、集水池相连，集水池与复合垂直流人工湿地相连，在配水/调节池中装有污水泵。本发明方法易行，结构简单，操作方便，实现了污水的高效净化、处理后污水的可以直接回用，有效降低了常规污水处理及回用的成本。

Description

一种净化污水的生物—生态组合方法及装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，更具体涉及一种用于污水净化的生物—生态组合的方法，同时还涉及一种用于污水净化的生物—生态组合方法的装置，适用于污水处理与中水回用。

背景技术

现在单一的工艺已经不能满足各种各样水处理要求的需要，尝试采用不同的组合工艺结合在一起对污水进行处理是一种趋势。研究不同技术的组合工艺将对提高污水处理的效率起到重要作用，在全社会提倡节能减排的今天，应该选择一种技术投入少、运行费用低的工艺。

作为一种生物处理新型技术，动态膜生物反应器技术(DMBR)以其占地面积小，处理效率高、操作简单而广泛应用于污水的处理中。为了节约能耗，对DMBR采用了不曝气的方式，使反应器内形成一种厌、缺氧的状态，它对有机物、悬浮固体的去除效果甚佳，但由于DMBR内溶氧很低，限制了硝化、反硝化作用的进行，从而造成出水总氮(TN)、总磷(TP)的浓度难以达标。

作为一种生态净化技术，复合垂直流人工湿地技术(IVCW)(专利号：ZL00114693.9)以其低廉的投资运行成本、较高的N、P去除率、简单的管理维护、较好的生态环境以及景观效益等诸多优势而广泛应用于受污染水体的修复中。IVCW的下、上行流通道及植物根区创造了更为多样的好氧、缺氧、厌氧环境，使其脱氮除磷的能力更具优势。而所处理的废水根据其组成的不同，可能会使IVCW不能发挥出其最大的功效，所以需要增加一个前置的处理单元以建立起一种组合工艺共同完成对废水的处理。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种用于污水净化的生物—生态组合的方法，该工艺和方法易行，操作简便，实现了污水的高效净化、处理后污水的可以直接回用，有效降低了常规污水处理及回用的成本。

本发明的另一个目的是在于提供了一种用于污水净化的生物—生态组合方法的装置，结构简单，操作方便，有效地降低了同等污水处理及回用的成本，成本低廉。

本发明由一种污水生物处理方式和一种生态净化方式组合而成。这种污水生物处理方式以动态膜生物反应器(英文为：Dynamic Membrane Bioreactor，缩写为DMBR)为代表，生态净化方式以复合垂直流人工湿地(英文为：IntegratedVertical-flow Constructed Wetland，缩写为IVCW)为代表。这两者组合而成，形成DMBR-IVCW组合系统。为提高单个污水处理技术的处理效果，采用生物-生态组合工艺模式，相互取长补短，来达到工艺优化配置，降低同等污水的处理成本。

一种用于污水净化的生物—生态组合的方法，其步骤是：

A、首先，待处理的污水经过配水/调节池，与池中投药(葡萄糖，尿素，磷酸二氢钾按重量比17:5:3比例称取)所形成的人工配水均匀混合后，进行下一步骤的处理，污水的pH调节到6～9之间。

B、其次，将经过步骤A处理的污水泵入动态膜生物反应器B(DMBR)中，在反应器内停留6～24小时，通过搅拌机的搅拌使得泥水充分混合，静置后上清出水经过膜过滤；经过动态膜生物反应器B(DMBR)后得到的污水COD、浊度等得到一定的去除，而总磷、总氮的去除较为有限。

C、接着，经过步骤B处理的污水流入中间集水池；

D、然后，经过步骤C的污水分次进入复合垂直流人工湿地D(IVCW)单元中的进水布水管，依次经过复合垂直流人工湿地D(IVCW)的下行池、上行池，最终从上行池集水管排出，得到可回用的出水。

一种实现上述一种用于污水净化的生物—生态组合方法的装置。该装置包括配水/调节池、动态膜生物反应器(DMBR)、集水池、复合垂直流人工湿地(IVCW)、进水、污水泵、水阀、搅拌机、膜组件、流量计、压力表、曝气机、湿地基质、湿地植物美人蕉、湿地植物菖蒲。其连接关系是：动态膜生物反应器分别与配水/调节池、集水池相连，集水池与复合垂直流人工湿地相连，在配水/调节池中装有污水泵，污水经过上述A-B-C-D组合系统的详细过程是(如图2)：污水进入配水/调节池，经污水泵由第一个进水阀控制流入动态膜生物反应器(DMBR)中。动态膜生物反应器(DMBR)由生物反应器、搅拌机、膜组件、流量计、压力表、曝气机等几部分组成。生物反应器通过第一水阀上的管道分别与污水泵、第二水阀相连，在生物反应器中装有搅拌机，第二压力表分别与第二水阀、膜组件相连，第三水阀分别与第一水阀、膜组件相连，第一水阀与曝气机相连，生物反应器通过管道与膜组件相连，第四水阀上的管道分别与膜组件、集水池相连，第五水阀上的管道分别与集水池、复合垂直流人工湿地相连。膜组件位于生物反应器外，其出水口与生物反应器出水口保持一定的水头压。膜组件的正下方底部中央设置穿孔曝气管，为污水经膜过滤时提供必要的氧气。氧气由曝气机提供，压力表和流量计控制曝气量。污水经活性污泥降解后，经静置沉淀1h后，上清液从生物反应器出水口出水，在重力的作用下渗透过膜。由曝气机提供的氧气用于冲刷膜表面，有效防止膜表面污泥的沉积，另一方面使得混合液通过膜组件侧面的出水口回流至生物反应器中。同时，经过动态膜生物反应器(DMBR)单元处理后的污水通过膜组件正上方的出水口出水进入集水池中，利用重力自流通过水阀控制，流入复合垂直流人工湿地(IVCW)的下行池中。复合垂直流人工湿地(IVCW)由下行池和上行池两个部分构成，两池中间设隔墙，底部相通成连通层，底部还设置放空管。两池中均填入细河砂作为基质，下行池基质表面种植美人蕉，上行池基质表面种植菖蒲。由集水池流入复合垂直流人工湿地(IVCW)的污水经下行池基质层上面的布水管均匀分散进入下行池，在重力作用下自流过连通层进入上行池中，然后通过上行池基质表面的集水管收集，最后得到可作为中水回用的出水。

其中，DMBR单元分为生物反应器和膜组件两部分。生物反应器采用聚乙烯材料制作的圆柱状容器，其规模为：直径＝400mm，高＝550mm，有效容积为62.8L。反应器正中距底部700mm处固定搅拌机，搅拌机叶片距底部150mm。反应器出水口距底部为250mm。反应器中填充活性污泥(取自常规二级污水处理厂回流污泥)。反应器固定在高为1200mm的架子上。膜组件垂直放置于地面，膜组件上下端垂直距离为650mm。膜组件外部管体由有机玻璃制成圆柱形，内径为100mm，外径为120mm；采用管式无机陶瓷膜作为材料，膜长为500mm，膜面积为0.08m²，膜孔径为10～100μm，内径为40mm，外径为50mm。膜体下端距管体底部为100mm，由开孔后的有机玻璃板支撑；上端距管体顶部50mm。两端集水管用ABS管连接至生物反应器出水口和湿地进水集水池。膜组件下方设置穿孔曝气管和进水口。曝气管斜下方45°开孔，孔径5mm，距反应器底端70mm；进水口距反应器底部50mm。

IVCW单元由下行池和上行池构成：两池均为420mm×420mm的方形玻璃缸，均填入粒径不等的填料，下行池砂层深38cm，上行池砂层深30cm，中间设置隔板，底部连通；下行池砂层中设置“H”型布水管，上行池砂层中设置“H”型集水管。下行池和上行池内分别栽种美人蕉和菖蒲。

动态膜生物反应器B(DMBR)单元和复合垂直流人工湿地D(IVCW)单元均采用间歇的进水方式，整个动态膜生物反应器B(DMBR)—复合垂直流人工湿地D(IVCW)系统的环境温度(以武汉地区为参照，每年4～9月)控制在25～35℃。待处理污水采用小区生活污水外加人工配水混合后经水泵抽入反应器，相应的主要水质指标见表1，不同工况下的系统的操作条件见表2。

表1 不同工况下进水主要水质指标

表2 不同工况的操作条件

本发明的优点在于：

1、将这两种污水处理技术有效结合，解决了单一技术处理出水可能不达标的问题，使最终排放的污水可以直接回用，作为绿化灌溉、洗车、家庭冲厕、路面清洗、景观娱乐、游泳池等的补水。

2、DMBR-IVCW组合工艺可针对不同的生物处理操作条件以及不同的生态处理的水量要求选择不同的组合形式，达到工艺的优化配置，有效地降低了同等污水处理及回用的成本，成本低廉。

3、DMBR-IVCW组合工艺不仅适合污水的处理，还兼具景观绿化效果。尤其适用于生活小区等人口集中，同时对绿化率有一定要求的地域。同时，生物-生态型组合净化工艺更符合绿色、健康的环保理念。

附图说明

图1为一种用于污水净化的生物—生态组合工艺和方法的方框示意图；

图2为DMBR-IVCW组合装置流程图。

其中：A-配水/调节池，B-动态膜生物反应器(DMBR)，C-集水池，D-复合垂直流人工湿地(IVCW)，1-污水，2-污水泵，3-水阀，4-搅拌机，5-膜组件，6-流量计，7-压力表，8-曝气机，9-湿地基质，10-湿地植物美人蕉，11-湿地植物菖蒲，12-出水，13-无机陶瓷膜，14-穿孔曝气管，15-有机玻璃外壳，16开孔有机玻璃板。

具体实施方式

实施例1(如图1-图2所示)

第一种工况下：采用该种生物—生态组合的方法处理污水(主要水质指标见表1)，其步骤是：

A.待处理的污水1经过配水/调节池A。与池中投药(葡萄糖，尿素，磷酸二氢钾按重量比17:5:3比例称取)所形成的人工配水均匀混合后，进行下一步骤的处理，污水的pH调节到6或7或8或9。

B.将动态膜生物反应器B(DMBR)单元的膜组件5出水管连接到集水池C进口，集水池C的出口连接复合垂直流人工湿地D(IVCW)单元的进水管，形成动态膜生物反应器B(DMBR)-复合垂直流人工湿地D(IVCW)串联组合模式：即所处理的污水由动态膜生物反应器B(DMBR)单元处理后全部进入复合垂直流人工湿地D(IVCW)中。

C.保持动态膜生物反应器B(DMBR)单元的基本操作条件为：水力停留时间为24h，其中生物反应器X中的搅拌机搅拌22h，静置和经膜组件5过滤出水共计2h；生物反应器X容积负荷为0.03～0.27KgCOD/m³·d，对膜组件5过滤时的曝气量为0.3m³/h；出水主要指标COD、浊度有很好的去除效果，而B(DMBR)对TP、TN、NH₃-N的去除效果不理想。

D.保持复合垂直流人工湿地D(IVCW)单元的基本操作条件为：湿地水力停留时间为36h，水力负荷为0.103m³/m²·d。

E.维持动态膜生物反应器B(DMBR)、复合垂直流人工湿地D(IVCW)两单元的环境温度在植物生长季节为25～35℃。复合垂直流人工湿地D(IVCW)处理后的出水COD、TN、TP、NH₃-N和浊度等均达到国家一级A的排放标准以及中水回用标准。

一种实现上述用于污水净化的生物—生态组合方法的装置。该装置包括：配水/调节池A、动态膜生物反应器B(DMBR)、集水池C、复合垂直流人工湿地D(IVCW)、污水泵2、第一、第二、第三、第四、第五水阀3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、搅拌机4、膜组件5、第一、第二流量计6、第一、第二压力表7、曝气机8、湿地基质9、湿地植物美人蕉10、湿地植物菖蒲11。其连接关系是：动态膜生物反应器B分别与配水/调节池A、集水池C相连，集水池C与复合垂直流人工湿地D相连，在配水/调节池A中装有污水泵2，污水经过上述A-B-C-D组合系统的详细过程是(如图2)：污水1进入配水/调节池A，经污水泵2由第一个进水阀3控制流入动态膜生物反应器B(DMBR)中。所述的动态膜生物反应器B(DMBR)主要由生物反应器X，搅拌机4、膜组件5、第一、第二流量计6-1、6-2、第一、第二压力表7-1、7-2、曝气机8等几部分组成，其中膜组件5又主要由无机陶瓷膜13、穿孔曝气管14、有机玻璃外壳15和开孔有机玻璃板16组成。生物反应器X通过第一水阀3-1上的管道与污水泵2相连，在生物反应器X中装有搅拌机4，生物反应器X通过第二水阀3-2与第二流量计6-2连接，第二压力表7-2分别与第二流量计6-2、有机玻璃外壳15相连，第三水阀3-3分别与第一流量计6-1、穿孔曝气管14相连，第一压力表7-1分别与曝气机8和第一流量计6-1相连，生物反应器X通过管道与有机玻璃外壳15相连，第四水阀上3-4的管道分别与无机陶瓷膜13、集水池C相连，第五水阀3-5上的管道分别与集水池C、复合垂直流人工湿地D相连。所述的膜组件5位于生物反应器X外，其出水口与生物反应器出水口保持一定的水头压。所述的膜组件5由无机陶瓷膜13、穿孔曝气管14、有机玻璃外壳15和开孔有机玻璃板16组成。无机陶瓷膜13的正下方固定穿孔曝气管14，由穿孔曝气管14为污水经膜过滤时提供必要的氧气。穿孔曝气管14固定在开孔有机玻璃板16的正下方，无机陶瓷膜13安放在开孔有机玻璃板16上。氧气由曝气机8提供，第一压力表7-1和第一流量计6-1控制曝气量。污水经活性污泥降解后，经静置沉淀1h后，上清液从生物反应器X经水阀3-2出水，在重力的作用下渗透过膜。由曝气机8提供的氧气用于冲刷膜表面，有效防止膜表面污泥的沉积，另一方面使得混合液通过膜组件5侧面的出水口回流至生物反应器X中。同时，经过动态膜生物反应器B(DMBR)单元处理后的污水通过膜组件5正上方的出水口出水进入集水池C中，利用重力自流通过水阀控制，流入复合垂直流人工湿地D(IVCW)的下行池中。复合垂直流人工湿地D(IVCW)由下行池和上行池两个部分构成，两池中间设隔墙，底部相通成连通层，底部还设置放空管。两池中均填入细河砂9作为基质，下行池基质表面种植美人蕉10，上行池基质表面种植菖蒲11。由贮水池C流入复合垂直流人工湿地D(IVCW)的污水经下行池基质层上面的布水管均匀分散进入下行池，在重力作用下自流过连通层进入上行池中，然后通过上行池基质表面的集水管收集，最后得到可作为中水回用的出水12。

实验结果表明：

1)当DMBR单元的水力停留时间为24h，容积负荷控制为0.03～0.27KgCOD/m³·d，对膜过滤时的曝气量为0.3m³/h，湿地水力停留时间为36h，水力负荷为0.103m³/m²·d；出水主要指标COD、TN、TP、NH₃-N等可稳定在国家一级A排放标准以及中水回用标准以内，浊度≤3.95NTU；

2)在此组合模式下，DMBR作为二级处理单元主要可以降解有机物、去除进水中的浊度，达到一定去除率，为后续IVCW单元降低了有机负荷，但对氮和磷的去除效果不明显；IVCW作为后续处理单元，以脱氮除磷为主，进一步提高系统对各种污染物的去除率，使出水最终达到国家一级A标准和中水回用标准。

3)在此工况下，该DMBR-IVCW系统(按照发明内容中DMBR、IVCW单元的尺寸大小)可处理的污水量为30L/天。

实施例2(如图1-图2所示)

第二种工况下：采用该种生物—生态组合的方法处理污水(主要水质指标见表1)，其步骤是：

B.将动态膜生物反应器B(DMBR)单元膜组件出水管连接到集水池C进口，集水池C的出口连接复合垂直流人工湿地D(IVCW)单元的进水管，形成动态膜生物反应器B(DMBR)-复合垂直流人工湿地D(IVCW)串联组合模式：即所处理的污水由动态膜生物反应器B(DMBR)单元处理后全部进入复合垂直流人工湿地D(IVCW)中。

C.保持动态膜生物反应器B(DMBR)单元的基本操作条件为：水力停留时间为12h，其中生物反应器单元搅拌机搅拌10h，静置和经膜过滤出水共计2h；反应器容积负荷为0.06～0.64KgCOD/m³·d，对膜过滤时的曝气量为0.3m³/h；出水主要指标COD、浊度有很好的去除效果，而B(DMBR)对TP、TN、NH₃-N的去除效果不理想。

D.保持复合垂直流人工湿地D(IVCW)单元的基本操作条件为：湿地水力停留时间为18h，水力负荷为0.206m³/m²·d。

实验结果表明：

1)当DMBR单元的水力停留时间为12h，容积负荷控制为0.06～0.64KgCOD/m³·d，对膜过滤时的曝气量为0.3m³/h，湿地水力停留时间为18h，水力负荷为0.206m³/m²·d；出水主要指标COD、TN、TP、NH₃-N等可稳定在国家一级A排放标准以及中水回用标准以内，浊度≤2.47NTU；

2)在此组合模式下，同实例1一样，DMBR也是作为二级处理单元，主要是用来去除大部分的COD物质、去除进水中的浊度，同时降低了IVCW单元进水的有机负荷，但对TN、TN以及NH₃-N的去除效果不明显；IVCW作为后续的处理单元，以脱氮除磷为主，与DMBR一起优势互补，使出水最终达到国家一级A标准和中水回用标准。

3)在此工况下，该DMBR-IVCW系统(按照发明内容中DMBR、IVCW单元的尺寸大小)可处理的污水量为60L/天。

实施例3(如图1-图2所示)

第三种工况下：采用该种生物—生态组合的方法处理污水(主要水质指标见表1)，其步骤是：

C.保持动态膜生物反应器B(DMBR)单元的基本操作条件为：水力停留时间为6h，其中生物反应器单元搅拌机搅拌4h，静置和经膜过滤出水共计2h；反应器容积负荷为0.09～1.05KgCOD/m³·d，对膜过滤时的曝气量为0.6m³/h；出水主要指标COD、浊度有很好的去除效果，而B(DMBR)对TP、TN、NH₃-N的去除效果不理想。

D.保持复合垂直流人工湿地D(IVCW)单元的基本操作条件为：湿地水力停留时间为9h，水力负荷为0.309m³/m²·d。

实验结果表明：

1)当DMBR单元的水力停留时间为6h，容积负荷控制为0.09～1.05KgCOD/m³·d，对膜过滤时的曝气量为0.6m³/h，湿地水力停留时间为9h，水力负荷为0.309m³/m²·d；出水主要指标COD、TN、TP、NH₃-N等可稳定在国家一级A排放标准以及中水回用标准以内，浊度≤1.27NTU；

2)在此组合模式下，同实例1和实例2中一样，作为一个二级处理单元，DMBR主要是去除进水中大部分的COD物质和浊度，同时降低了IVCW单元进水的有机负荷，而对TN、TN以及NH₃-N的去除效果不明显；IVCW作为后续的处理单元，主要是用来脱氮除磷，与DMBR一起优势互补，使出水最终达到国家一级A标准和中水回用标准。

3)在此工况下，该DMBR-IVCW系统(按照发明内容中DMBR、IVCW单元的尺寸大小)可处理的污水量为90L/天。

Claims

1.一种用于污水净化的生物—生态组合的方法，其步骤是：

①、待处理的污水经过配水/调节池(A)，与池中投药所形成的人工配水均匀混合后，进行下一步骤的处理，污水的pH调节到6～9之间；

②、将经过步骤A处理的污水泵入动态膜生物反应器(B)中，在反应器内停留6～24小时，通过搅拌机的搅拌使得泥水充分混合，静置后上清出水经过膜过滤；经过动态膜生物反应器(B)后得到的污水COD、浊度得到去除；

③、经过步骤B处理的污水流入中间集水池；

④、然后，经过步骤C的污水分次进入复合垂直流人工湿地(D)中的进水布水管，依次经过复合垂直流人工湿地(D)的下行池、上行池，从上行池集水管排出，得到回用的出水；

所述的药为葡萄糖、尿素或磷酸二氢钾按重量比17:5:3称取。

2、根据权利要求1所述的一种用于污水净化的生物—生态组合的方法，其特征在于：所述的动态膜生物反应器(B)和复合垂直流人工湿地(D)采用间歇的进水方式，动态膜生物反应器(B)、复合垂直流人工湿地(D)的环境温度控制在25～35℃。

3、根据权利要求1所述的一种用于污水净化的生物—生态组合的方法，其特征在于：所述的动态膜生物反应器(B)的操作条件为：水力停留时间为24h，其中生物反应器单元搅拌机搅拌22h，静置和经膜过滤出水共计2h；反应器容积负荷为0.03～0.27KgCOD/m³·d。

4、根据权利要求1所述的一种用于污水净化的生物—生态组合的方法，其特征在于：所述的复合垂直流人工湿地(D)的操作条件为：湿地水力停留时间为36h，水力负荷为0.103m³/m²·d。

5、一种实现权利要求1所述的用于污水净化的生物—生态组合方法的装置，该装置包括配水/调节池(A)、动态膜生物反应器(B)、集水池(C)、复合垂直流人工湿地(D)，其特征在于：动态膜生物反应器(B)分别与配水/调节池(A)、集水池(C)相连，集水池(C)与复合垂直流人工湿地(D)相连，在配水/调节池(A)中装有污水泵(2)。

6、根据权利要求5所述的一种用于污水净化的生物—生态组合方法的装置，其特征在于：所述的动态膜生物反应器B(DMBR)由生物反应器(X)，搅拌机(4)、膜组件(5)、第一、第二流量计(6)、第一、第二压力表(7)、曝气机(8)组成，生物反应器(X)通过第一水阀(3-1)上的管道与污水泵(2)相连，在生物反应器(X)中装有搅拌机(4)，生物反应器(X)通过第二水阀(3-2)与第二流量计(6-2)连接，第二压力表(7-2)分别与第二流量计(6-2)、有机玻璃外壳(15)相连，第三水阀(3-3)分别与第一流量计(6-1)、穿孔曝气管(14)相连，第一压力表(7-1)分别与曝气机(8)和第一流量计(6-1)相连，生物反应器(X)通过管道与有机玻璃外壳(15)相连，第四水阀上(3-4)的管道分别与无机陶瓷膜(13)、集水池(C)相连，第五水阀(3-5)上的管道分别与集水池(C)、复合垂直流人工湿地(D)相连。

7、根据权利要求6所述的一种用于污水净化的生物—生态组合方法的装置，所述的膜组件(5)位于生物反应器(X)外，膜组件(5)由无机陶瓷膜(13)、穿孔曝气管(14)、有机玻璃外壳(15)和开孔有机玻璃板(16)组成，无机陶瓷膜(13)的下方固定穿孔曝气管(14)，穿孔曝气管(14)固定在开孔有机玻璃板(16)的下方，无机陶瓷膜(13)安放在开孔有机玻璃板(16)上。

8、根据权利要求6所述的一种用于污水净化的生物—生态组合方法的装置，其特征在于：所述的生物反应器(X)的出水口通过管道与膜组件(5)进水口相连，第四水阀上(3-4)的管道分别与膜组件(5)出水口、集水池(C)进水口相连，第五水阀(3-5)上的管道分别与集水池(C)出水口、复合垂直流人工湿地(D)进水口相连。