CN103449665B - 一种用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统，包括一在地面下挖掘而成的槽体，四周和底部铺有防渗膜或其它止水材料，自下而上依次为：砂层、污泥层、泥水分离层、集气层和土壤层；所述污泥层和泥水分离层之间、泥水分离层和集气层之间分别有一层过渡层；集气层和土壤层之间用网布状材料分隔；泥水分离层中上部或集气层中分布有集水管，并最终与排水管相连；集气层中分布有多个出气管，所述出气管穿过土壤层与大气相通并伸出地面以上。本发明将过滤与沉淀分离技术相结合，沉淀分离和固体悬浮物去除效果良好，出水标准提高。同时，将泥水分离层和污泥层建在土地下，减少了土地占用量。

Description

一种用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统

技术领域

本发明涉及一种用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统，属于污水生态处理技术领域。

背景技术

目前，污水处理过程中常用的固液分离方法主要有沉淀和过滤。一般用于污水处理中固液分离的方法主要是沉淀。沉淀是利用重力作用的自然沉降分离方式。

沉淀池是以沉淀为原理的污水处理工艺中重要的基础构筑物，主要用于去除悬浮物。沉淀池工艺简单有效，是省能的泥水分离方法。但是传统沉淀池功能比较单一，只具有沉淀分离功能，而且存在着占地面积大、投资大、悬浮物去除率低、沉淀效果差、污泥易膨胀、易产生异味、抗冲击负荷及温度变化能力低等缺点。同时传统沉淀池对特别细小的悬浮颗粒物去除率较低。因此，当对沉淀分离效果的要求较高时，通常采用在传统沉淀池后增加附属处理设施设备的方法来增强沉淀分离效果。譬如，可在沉淀池后增加过滤分离装置，这样才能达到较高要求的沉淀分离效果。但是，这种增加后续处理设施的方法会导致投资、占地面积、运行成本及运行管理复杂性的提高。

过滤是去除胶体和悬浮物固体最常用的方法。在污水处理工程中，常用的过滤工艺有深床过滤、表面过滤和膜过滤。深床过滤是使液体通过由某种颗粒或可压缩滤料组成的滤床去除悬浮于液体中的颗粒物质。表面过滤是使液体通过一薄层滤料的机械筛滤作用去除悬浮颗粒物。筛滤是污水处理中常用的一种表面过滤工艺，筛滤主要用在污水预处理单元中，可根据需要选择粗筛、细筛及微筛，一般只能截留污水中的粗颗粒物质。膜过滤可对更细小颗粒乃至溶解组分进行选择过滤。膜过滤的主要优点是效率高、效果好，但同时也存在价格昂贵、膜易受污染、运行费用高、能耗高、管理复杂等缺点。膜过滤工艺依照分离孔径的大小分为包括微滤、超滤、纳滤、反渗透等。微滤可降低浊度、去除悬浮物和细菌、强化消毒；超滤主要用于去除悬浮颗粒、胶体、细菌和大分子有机物；纳滤主要用在去除污水中特定的溶质和组分，如产生硬度的多价金属离子等；反渗透主要用于水的脱盐。

传统砂滤池的滤料可采用石英砂、无烟煤、陶粒、白云石、石榴石、磁铁矿石等颗粒材料，粒径一般为0.2~3mm。由于粒径较小，传统砂滤池的截污能力较强，水头损失小、成本低，但同时存在着易堵塞、易板结、过滤周期短、冲洗水量大及能耗高等问题。

生物滤池是经较原始的间歇砂滤池和接触滤池发展起来的人工生物处理技术，工程上仅用于处理污水中的有机污染物。其基本原理是在生物反应器内填充高比表面积的颗粒或带状滤料，作为微生物附着并形成生物膜的载体，污水流过滤料，污水中的有机物被滤料表面形成的生物膜吸附，并通过生化反应逐步降解。生物滤池具有出水水质稳定、耐冲击负荷、运行费用低、污泥产量少、启动速度快等优点。但同时，传统生物滤池也存在着占地面积大、易堵塞、虫蝇多、有异味、脱落的生物膜需要后续处理等缺点。

生物吸附是物质通过物理化学作用吸附在生物体表面或生物膜表面的现象。在污水处理中，生物吸附主要是利用污水中的微生物絮体对有机物的吸附作用，进而对其中的有机性可降解组分进行生物降解而达到有机物去除或减量作用。

发明内容

针对上述传统技术的缺点与不足，本发明将深床过滤分离原理和传统生物过滤原理结合起来，同时结合生物吸附原理，应用到泥水分离过程，目的是提供一种用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统，通过将生物吸附、机械筛滤与微沉淀分离技术有机结合，实现良好的泥水分离及固体悬浮物去除效果，提高出水水质。

本发明的技术方案如下：包括一在地面下挖掘或砌成的槽体，四周和底部铺有防渗膜或其它止水材料，自下而上依次为：污泥层、泥水分离层；为了充分实现土地资源利用最大化以及保温除臭，可在槽体上方覆土壤层，并在土壤层和泥水分离层之间设置集气层，以收集气体排出系统；为延长防渗膜等止水材料的使用寿命，可在污泥层下设置砂层；所述污泥层和集气层滤料粒径范围为7~100mm，泥水分离层滤料粒径范围为5~80mm；所述污泥层和泥水分离层之间、泥水分离层和集气层之间有一过渡层；集气层和土壤层之间用网布状材料分隔；泥水分离层中分布有集水管，并最终与排水管相连；集气层中分布有多个出气管，所述出气管穿过土壤层与大气相通并伸出地面以上。

所述用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统，根据泥水分离层中的水流动方向的不同，可分为平流式、上升流式及下降流式三种形式。

按照污水土地生物沉淀过滤系统的进水方式不同，平流式生物沉淀过滤系统可分为直接平流式和布水管平流式。直接平流式生物沉淀过滤系统的进水形式，一般是指进水前的处理单元的断面形状和大小与土地生物过滤沉淀系统相当，经过前段处理的污水（含有许多悬浮物，以下称泥水）直接沿水平方向，均匀分布流入生物过滤沉淀系统的过水断面。布水管平流式生物过滤沉淀系统的进水形式，一般是在生物沉淀过滤系统进水侧竖直或倾斜（与地平面夹角为0~90°）设置多个布水管，经过前段处理的泥水经进水管进入布水管，泥水由布水管上的多个开孔水平进入生物沉淀过滤系统。

下降流式生物沉淀过滤系统的进水形式，一般在泥水分离层上部水平设置多孔布水管，经过前段处理的泥水经进水管进入布水管，由布水管上的多个开孔自上而下流经泥水分离层。上升流式生物过滤沉淀系统的进水形式，一般在泥水分离层底部水平设置多孔布水管，经过前段处理的泥水经进水管进入布水管，由布水管上的多个开孔自下而上流经泥水分离层。

经过前段处理的泥水在生物沉淀过滤系统滤料的过滤分离作用下被污泥截留及生物吸附，粒径较大的污泥颗粒以及脱落的生物膜，在重力作用下沉淀并在污泥层积累、储存；经过滤沉淀系统净化后的水由集水管汇集后经排水管排出土地生物过滤沉淀系统。过滤沉淀过程中在所述滤料表面形成的生物膜所具有的生物吸附能力，可以提高泥水分离的效果。

所述用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统还包括由鼓风机、空气扩散装置和连接管道组成的反冲洗空气扩散系统，反冲洗空气扩散装置位于污泥层中，通过管道与鼓风机相连；所述空气扩散装置可采用空气扩散管（管壁开孔）、扩散板或其他空气扩散形式。

当污泥层的污泥储存量达到一定量时，启动鼓风机将空气加压后通过反冲洗空气扩散装置对污泥层和泥水分离层进行反冲洗，将污泥排出过滤沉淀系统。反冲洗后污泥的排出可以借用净化后水的排出系统，也可以单独设置排泥管将污泥排出。采用气—水联合反冲洗能够提升反冲洗效果，节省冲洗水量，也可单独采用空气或水反冲洗；空气反冲洗不但可以提高恢复滤料层的生物膜活性以及截留吸附能力，同时兼有充氧效果，强化微生物对污水中污染物的降解净化功能，提高出水水质。

所述用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统运行过程中，微生物新陈代谢产生的气体和反冲洗过程中空气扩散装置释放出的空气，经集气层中的出气管收集排出系统，该出气管始于集气层穿过土壤层并伸出至地面以上，气体被直接排入大气或收集后集中处理。部分气体可以直接通过土壤层排出到系统外，其中含有的部分污染物和臭味被土壤层吸附净化，降低对大气的危害。

本发明具有以下优点：

1、与传统二次沉淀池相比，在污泥层中填充滤料，将过滤、沉淀分离及生物吸附技术相结合，沉淀分离效果好，出水标准高。

2、与传统二次沉淀池相比，随着系统进水时间的增加，在滤料表面形成的生物膜具有良好的表面凝聚吸附能力，提高固液分离效果。

3、在泥水分离层采用较小粒径的滤料，保证能够有效截留污泥颗粒，在污泥层则采用较大粒径的滤料，保证污泥层能够达到良好的污泥积累、储存效果。在底部污泥层中的污泥可进行厌氧消化反应。

4、设置反冲洗装置，采用强化气—水联合反冲洗方法进行反冲洗，可将沉淀分离后的污泥以及老化脱落的生物膜排出过滤沉淀系统；同时能够冲刷更新滤料表面的生物膜，恢复滤料层表面生物吸附能力。反冲洗过程耗时短、能耗低。也可单独采用水或空气反冲洗。

5、污泥层污泥可经反冲洗气水混合搅拌后借用排水管排出到系统外，也可单独设置排泥系统将污泥排出系统。

6、与传统沉淀池相比，将污水土地生物过滤沉淀系统建在土地下，上部有一土壤层，不影响土地的其他用途，减少了土地占用量；如利用顶部耕作层种植作物或建设停车场等，则可实现土地“用而不占”。

7、与普通滤池相比，造价低、能耗少、泥水分离效果好、管理简单、运行费用低。

附图说明

图1 为本发明采用上升流式进水形式时的B-B剖面示意图。

图2 为本发明采用上升流式进水形式时的A-A剖面示意图。

图3为本发明采用下降流式进水形式时的D-D剖面示意图。

图4为本发明采用下降流式进水形式时的C-C剖面示意图。

图5为本发明采用直接平流式进水形式时的F-F剖面示意图。

图6为本发明采用直接平流式进水形式时的E-E剖面示意图。

图7为本发明采用布水管平流式进水形式时的H-H剖面示意图。

图8为本发明采用布水管平流式进水形式时的G-G剖面示意图。

其中，1、砂层；2、污泥层；3、泥水分离层；4、集气层；5、土壤层；6、防渗膜或其它止水材料； 7、布水管；8、集水管；9、出气管；10、空气扩散支管；11、空气扩散干管；12、鼓风机；13、进水管；14、排水管；15、布水立管；16、布水横管。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1：（上升流式生物沉淀过滤系统构造）

如图1和图2所示，本实施例包括一梯形断面的槽体，在地面以下挖掘而成，四周和底部铺有防渗膜或其它止水材料6。槽体中填充有五部分，自下而上依次为砂层1、污泥层2、泥水分离层3、集气层4及土壤层5。反冲洗空气扩散管10、11铺设于污泥层中，布水管7铺设于泥水分离层底部，集水管8铺设于泥水分离层中上部。其中，布水管7位于空气扩散管上部，集水管8的上部靠近集气层4，布水管7和集水管8的管壁上开有多个孔。反冲洗空气扩散管10、11在管道上开有出气孔，铺设于污泥层中，其中一端封闭，另一端与鼓风机12相连接。进水管13与布水管7相连，排水管14与集水管8相连。集气层4和土壤层5之间用网布状材料分隔开。防渗膜或其它止水材料6位于设计断面的底部及斜边上，主要作用是防止污水污染地下水，同时，底部防渗膜与土地之间还需要铺设砂层以延长防渗膜的使用寿命。

经过前段处理的泥水通过进水管13，经水平设置在泥水分离层3中的穿孔布水管7进入用于泥水分离的污水土地生物过滤沉淀系统。泥水自下而上流经泥水分离层3（由碎石构成）。污水中大颗粒悬浮物经重力作用沉淀下来，较小粒径的悬浮物经滤料的截留过滤和吸附作用被截留分离下来，过滤沉淀过程中在滤料表面会形成生物膜，截留的悬浮物和新脱落的生物膜沉淀到污泥层2中积累、储存，达到泥水分离的目的。滤料上生物膜表面具有良好的凝聚吸附能力，存在着大量多种群的微生物，它们对污水中的悬浮和溶解性有机物、氮、磷等具有一定的降解与转化能力。最终，经过滤沉淀净化处理后的水通过集水管上的开孔汇集于集水管8中经排水管14排出所述沉淀分离系统。所述用于泥水分离的污水土地生物过滤沉淀系统顶部土壤层5可种植农作物、草坪等观赏性植物、建设停车场等，提高土地利用率，同时兼有防止臭味散发、保温的作用。运行过程中产生的废气经集气层4中的出气管9收集排出系统，气体直接排入大气或收集后集中处理。

运行过程中，当污泥层的污泥储存量达到一定量时，启动鼓风机12将空气加压后通过空气扩散管10、11对所述过滤分离系统进行反冲洗，即对污泥层和泥水分离层进行气—水联合反冲洗，将污泥排出过滤沉淀系统。也可单独采用水或空气反冲洗，采用气—水联合反冲洗能够提升反冲洗效果，节省冲洗水量，解决泥水分离层和污泥层的堵塞问题，并恢复滤料层的截留吸附能力。反冲洗周期大约为1~2天，每次反冲洗时间大约为20~30分钟，具体操作视滤料层实际截留情况和实际进水水质来定。在所述处理系统运行过程中，鼓风机在滤料过滤吸附饱和时开启至反冲洗结束时关闭。

本发明采用上升流式生物沉淀过滤系统的一个实例，其中防渗膜厚1mm，污泥层厚400mm，其滤料粒径为50~80mm，泥水分离层厚3000mm，其滤料粒径为20~50mm，集气层厚350mm，其滤料粒径为50~80mm，覆土的土壤层厚400mm，起到保温、绿化、防止臭气散发的作用。布水管、集水管和空气扩散管均采用穿孔管，且管壁开口方向与垂直方向成45°，布水管位于泥水分离层的底部，空气扩散管位于污泥层中，且位于布水管下方，防止堵塞。集水管位于泥水分离层中的上部，出气管位于集气层中。来自活性污泥法曝气池混合液的悬浮物含量为3187mg/L。当采用传统二次沉淀池进行泥水沉淀分离时，出水中悬浮物含量为37mg/L；而采用用于泥水分离的污水土地生物过滤沉淀系统时，出水中悬浮物含量为15 mg/L。可见，与采用传统二次沉淀池进行泥水分离相比，污水土地生物沉淀过滤系统处理水的悬浮物浓度明显降低。

实施例2：（下降流式生物沉淀过滤系统构造）

如图3和图4所示，下降流式与上升流式生物沉淀过滤系统功能区、反冲洗系统和排气系统的构造均相同，不同点在于采用的进水方式和出水方式不同。如图4所示，下降流式生物沉淀过滤系统将布水管7水平设置在泥水分离层上部，集水管8设置在泥水分离层底部。经过前段处理的泥水通过进水管13经水平设置在泥水分离层3中的穿孔布水管7进入用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统。泥水自上而下流经泥水分离层3（由碎石构成），达到污泥截留、颗粒物沉淀分离的效果。经过滤沉淀处理后的水通过位于泥水分离层下部的集水管8收集后经排水管14排出所述沉淀分离系统。

实施例3：（直接平流式生物沉淀过滤系统构造）

如图5和图6所示，直接平流式和上升流式生物沉淀过滤系统功能区、反冲洗系统、排气系统及出水方式的构造均相同，不同点仅在于采用的进水方式不同。直接平流式生物过滤沉淀系统无需设置进水管和布水管，生物过滤沉淀系统的过水断面上流速分布大致均匀，主要适用于污水前段处理方法为土地生物处理系统的场合。如图6所示，污水土地处理系统（如中国专利CN 102001743 B）和用于泥水分离的污水土地生物过滤沉淀系统建在同一梯形断面的槽体中，四周和底部铺有防渗膜或其它止水材料6。如图6所示，经过土地生物处理系统处理后的泥水及脱落的生物膜直接以平流形式流入用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统，达到污泥截留，颗粒物沉淀分离的效果。同时，由于泥水由土地生物处理系统平流直接进入污水土地生物沉淀过滤系统，大大节省动力提升费用。经过滤沉淀处理后的水通过集水管上的开孔汇集于集水管8中经排水管14排出所述沉淀分离系统。

本发明采用直接平流式生物沉淀过滤系统的一个实例，其中防渗膜厚1mm，污泥层厚400mm，其滤料粒径为50~80mm，泥水分离层厚3000mm，其滤料粒径为20~50mm，集气层厚350mm，其滤料粒径为50~80mm，覆土的土壤层厚700mm，起到保温、绿化、防止臭气散发的作用。集水管和反冲洗空气扩散管均采用穿孔管，且管壁开口方向与垂直方向成45°。空气扩散管位于污泥层中，集水管位于泥水分离层中的上部，出气管位于集气层中。来自好氧土地生物处理系统泥水中悬浮物含量为516mg/L。当采用传统二次沉淀池进行泥水沉淀分离时，出水中悬浮物含量为28mg/L；而采用用于泥水分离的污水土地生物过滤沉淀系统时，出水中悬浮物含量为19mg/L。可见，与采用传统二次沉淀池进行泥水分离相比，污水土地生物沉淀过滤系统处理水的悬浮物浓度明显降低。

实施例4：（布水管平流式生物沉淀过滤系统构造）

如图7和图8所示，布水管平流式和上升流式生物沉淀过滤系统功能区、反冲洗系统、排气系统及出水方式的构造均相同，不同点仅在于采用的进水方式不同。如图7、图8所示，布水管平流式生物沉淀过滤系统在进水管13一侧水平设置布水横管16，再设置多根布水立管15与布水横管16相通。所述布水立管15设置在泥水分离层，其与地平面夹角为90°。所述集水管8位于泥水分离层。经过前段处理的泥水通过进水管13、布水横管16经布水立管15上的多个开孔以平流形式进入用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统，达到污泥截留、颗粒物沉淀分离的效果。经过滤沉淀处理后的水通过位于泥水分离层中的集水管8收集后经排水管14排出所述沉淀分离系统。

由实施例1和实施例3中的工程实例水质检测数据可见，用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统的泥水分离效果要好于采用传统二次沉淀池。同时本发明优点显著，一法多效，管理运行简单。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于泥水分离的污水土地生物沉淀过滤系统，包括一槽体，其特征在于所述槽体内自下而上依次包括污泥层、泥水分离层，所述污泥层滤料粒径范围为7-100mm，泥水分离层填滤料粒径范围为5-80mm，所述污泥层和泥水分离层之间有一过渡层；所述泥水分离层中下部还分布有布水管，所述布水管与进水管相连。

2.根据权利要求1所述的污水土地生物沉淀过滤系统，其特征在于所述槽体是在地面下挖掘而成或修砌而成，其四周和底部铺有防渗膜或其它止水材料。

3.根据权利要求1所述的污水土地生物沉淀过滤系统，其特征在于所述槽体上方还覆盖有土壤层。

4.根据权利要求3所述的污水土地生物沉淀过滤系统，其特征在于所述土壤层和泥水分离层之间设置有集气层，所述集气层滤料粒径范围为7-100mm。

5.根据权利要求4所述的污水土地生物沉淀过滤系统，其特征在于集气层和土壤层之间用网布状材料分隔。

6.根据权利要求1所述的污水土地生物沉淀过滤系统，其特征在于泥水分离层中分布有集水管，并最终与排水管相连。

7.根据权利要求4所述的污水土地生物沉淀过滤系统，其特征在于集气层中分布有多个出气管，所述出气管穿过土壤层与大气相通并伸出地面以上。

8.根据权利要求1所述的污水土地生物沉淀过滤系统，其特征在于它还包括由鼓风机、空气扩散装置和连接管道组成的曝气系统，空气扩散装置位于污泥层中，通过管道与鼓风机相连。