CN104478162A

CN104478162A - 一种适合水网型村镇沟渠污水处理的生物滤池

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Publication number: CN104478162A
Application number: CN201410704265.XA
Authority: CN
Inventors: 邵青; 黄种买; 王红萍; 周靖淳
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: CN104478162B

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种适合水网型村镇沟渠污水处理的生物滤池。沿池长方向用折流板将滤池分为十个格室，每个格室底层放置粗碎石，粗碎石上有两层，每层水平放置五个滤料筐，滤料筐里填充自制脱氮除磷滤料，上层滤料筐里种植植物。自行开发的陶粒滤料是经过烧制和改性两个步骤研制而成。当滤料吸附达到饱和后，可将滤料筐中滤料取出，由于滤料中吸附了氮磷等营养元素，肥力增强，可以继续农用，作为非食用植物的肥料或土壤改良剂使用，达到资源化利用的目的。滤池结构简单、投资省、不进行人工曝气，不反冲洗滤料，只利用自然方式充氧，实现了无动力，无能耗，方便管理的目的，是一种符合我国村镇水网沟渠污水处理的新工艺。

Description

一种适合水网型村镇沟渠污水处理的生物滤池

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种适合水网型村镇沟渠污水处理的生物滤池。

背景技术

近2O年来，虽然我国污水处理厂不断兴建，污水的处理率在不断提高，但主要集中在城市，全国大部分农村的污水得不到处理，农村污水排放量在污水总排放量中的比例越来越大。由于大量生产和生活废水未经处理排入各种水体，加上公共设施跟不上发展的需要，农村大量人口饮用不卫生水。据相关调查表明，我国7亿人口饮用水源不合格，其中大肠杆菌超标率达86％。农村的污水乱排放不仅给自身环境造成破坏，对流经的河流也是很大的污染。

我国中部水网区村镇主要地理特征是丘陵、平原与江河水网交错，水环境污染已相当严重，通过综合整治，构建村镇污染源头控制及沟渠污染物拦截技术模式对提高流域水质及广大人民身体健康具有十分重要的作用。

农村污水的特点是：水质水量变化较大，且比较集中:特别是早、中、晚集中做饭时间，污水量达到高峰，是平时污水排放量的2到3倍。此外，农村排水系统很不完善更没有经过合理的规划，雨污混排，受雨季影响，水量变化系数大，且由于管理水平低，资金短缺，缺乏工艺设计参数，成熟的城镇污水处理技术很难在农村得到推广应用。

目前，用于生活污水处理的生物滤池技术与工艺多种多样，主要有曝气生物滤池、厌氧生物滤池、A/O组合式一体化生物滤池、生物滴滤池、蚯蚓生物滤池等。分散居住或经济、技术相对落后的农村村镇的生活污水处理技术主要以A/O组合式一体化生物生物滴滤池、蚯蚓生物滤池为主。这些工艺技术中，如曝气生物滤池虽处理效果好，但是能耗高，运行管理复杂。其他滤池虽能耗低，但也存在占地大，容易滋生蚊蝇，滤料易堵塞等问题。农村污水的生物滤池处理技术尚在不断研究完善中。鉴于农村经济实力相对较弱，无法配备专业的污水处理、运行管理技术人员，因此农村污水的生物处理技术应尽量采用基建投资低、操作简便、维护简单、节能降耗的技术。其它背景资料可参见参考文献。

参考文献

1、李俊生等曝气生物滤池处理生活污水的实验研究哈尔滨商业大学学报(自然科学版)2010-04-15；

2、白慧玲前置反硝化—曝气生物滤池处理生活污水实验研究太原理工大学硕士学位论文2010-05-01；

3、菜苇等曝气生物滤池中用不同滤料处理生活污水的研究工业安全与环保2010-09-10；

4、李燕飞等曝气生物滤池处理生活污水研究环境工程学报2011-03-05；

5、李二飞厌氧生物滤池—回行流人工湿地组合工艺处理农村生活污水的研究重庆工商大学硕士学位论文2012-05-25；

6、赵大传等升流式厌氧生物滤池与温室型人工湿地组合对农村生活污水处理的研究中国农学通报2012-02-15；

7、韩庆祥等农村分散生活污水厌氧—好氧组合处理工艺净水技术2011-12-28；

8、白磊磊农村生活污水处理实用技术研究西南交通大学2011-05-01；

9、刘操厌氧折板滤池处理农村污水研究化学工程与装备2010-01-15；

10、张文坤等新型组合式分层生物滴滤池启动性能研究哈尔滨商业大学学报(自然科学版)2013-06-15；

11、尹志高等蚯蚓生物滤池处理农村分散生活污水效果研究四川有色金属2011-12-25；

12、王夙等蚯蚓生物滤池的研究与应用进展中国给水排水2010-04-17。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有生物滤池技术存在的运行管理复杂、易滋生蚊蝇等不足，提供一种适合水网型村镇沟渠污水处理的生物滤池，该滤池能利用自然地形条件高效处理污染物，结构简单、滤料不易堵塞及更换容易、无能耗、投资省、无需管理，为示范工程提供技术支撑。

本发明的一种适合水网型村镇沟渠污水特征的生物滤池，沿池长方向用折流板将滤池分为十个格室，每个格室底层放置粗碎石，粗碎石上有两层，每层水平放置五个滤料筐，滤料筐里填充自制脱氮除磷滤料，上层滤料筐里种植植物；所述自制脱氮除磷滤料制备方法如下：

以粉煤灰为主要原料，与粘土、煤粉按7:2:1的比例，控制预热温度为500℃、预热时间为25min，烧结温度为1050℃、烧结时间为20min制得；然后对制得的陶粒滤料经1mol/L FeCl₃溶液25℃下改性4天，取出后用去离子水反复冲洗至中性，烘干，得到除磷陶粒滤料；

以粉煤灰为主要原料，与粘土、煤粉按7:2:1的比例，控制预热温度为500℃、预热时间为25min，烧结温度为1050℃、烧结时间为20min制得；经2mol/LNaOH75℃改性3天，取出后用去离子水反复冲洗至中性，烘干，得到脱氮陶粒滤料；

将除磷陶粒滤料和脱氮陶粒滤料按质量比为1～3:1的比例进行混合，得到自制脱氮除磷陶粒滤料。

所述粗碎石的粒径为8～16mm。粗碎石层的厚度为0.4米。

所述自制脱氮除磷陶粒滤料的粒径为5～8mm。滤料筐的高度为0.6米。

使用上述生物滤池的方法如下：

1)滤池进水：水网型村镇农户排出的污水经源头处理后流入水塘和沟渠，利用自然地形高差通过进水管跌入滤池的前端，由于跌落过程中与空气充分接触，使大量溶解氧融入污水而带入滤池；

2)污水沿池长方向以折流的方式流经各个格室，经过各格室中模块化填装的自制脱氮除磷滤料后出水；

3)滤池出水：污水经过各格室处理后，由滤池尾端集水槽收集，再由集水槽上端的出水管排入下一级沟渠，出水管设置在上端是为了保证滤池中水位浸过滤料筐，以利于微生物膜的生长；

4)当滤料吸附达到饱和后，将滤料筐中滤料取出，作为非食用植物的肥料或土壤改良剂使用。

池体为矩形推流式，沿池长用折流板将滤池分为十个格室，起到导流和延长水力停留时间的作用，以增强处理效果。每个格室中布置自行研制的同步脱氮除磷滤料，滤料装填采用模块化设计，即将滤料均匀填充到十个小模块(滤料筐)中，目的是方便必要时取出清洗和更换，以应对长时间运行后可能出现的滤池堵塞的问题。滤料上方种植植物，因为上层滤料吸附了污水中的氮磷元素及大部分有机物，可为植物提供足够的养分，同时植物的根系也有利于给上层滤料提供充足的溶解氧，从而使滤料周围微生物更好地降解污染物。

自行开发的陶粒滤料是经过烧制和改性两个步骤研制而成，首先以粉煤灰为主要原料，与粘土、煤粉按7:2:1的比例，控制预热温度为500℃、预热时间为25min、烧结温度为1050℃、烧结时间为20min制得。然后对制得的陶粒滤料作进一步改性，经1mol/L FeCl₃溶液25℃下改性4天，取出后用去离子水反复冲洗至中性，烘干，得到除磷陶粒滤料，该陶粒对总磷的吸附容量达到3.188mg/g。经2mol/LNaOH 75℃改性3d，取出后用去离子水反复冲洗至中性，烘干，得到脱氮陶粒，该陶粒对氨氮的吸附容量为1.1804mg/g。将除磷陶粒滤料和脱氮陶粒滤料按质量比为1～3:1的比例进行混合，得到自制脱氮除磷陶粒滤料。

当滤料吸附达到饱和后，可将滤料筐中滤料取出，由于滤料中吸附了氮磷等营养元素，肥力增强，可以继续农用，作为非食用植物的肥料或土壤改良剂使用，达到资源化利用的目的。

污水从滤池前端的进水管自然跌落到滤池后，沿池长方向以折流的方式流经各个格室，经过各格室中模块化填装的滤料后出水。由于利用了自然地形高差，污水在进入滤池的过程中与空气充分接触，使大量溶解氧进入滤池，为滤池上层好氧生物膜的生长提供了有利条件。滤池下层为缺氧、厌氧区域，有利于反硝化过程进行，为脱氮创造了有利条件。自制滤料具有同步吸附氮和磷的功能，因此该滤池是靠滤料截留、滤料吸附、微生物降解及植物吸收的共同作用去除污染物。

本发明生物滤池所采用的滤料是充分利用废弃资源自行研制而成，实现了废物资源化利用的目的；滤池结构简单、投资省、不进行人工曝气，不反冲洗滤料，只利用自然方式充氧，实现了无动力，无能耗，方便管理的目的，是一种符合我国村镇水网沟渠污水处理的新工艺。

附图说明

图1，实施例1制备的陶粒表面扫描电镜(Fe³⁺改性)。

图2，实施例1制备的陶粒表面扫描电镜(NaOH改性)。

图3，实施例2中生物滤池主视图，1塘，2坝，3进水管1，4进水管2，5出水管，6滤料筐，7自制陶粒滤料，8粗碎石，9植物，10集水槽，11折流板。

图4，实施例2中生物滤池俯视图，1进水管，2滤料筐，3自制陶粒滤料,4植物，5折流板，6滤池池壁，7出水管，8水流方向，9集水槽。

图5，实施例2中COD去除效果。

图6，实施例2中氨氮和总氮去除效果。

图7实施例2中总磷去除效果。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明。

实施例1，滤料的开发

1、滤料制备步骤

1)将电厂粉煤灰、粘土和煤粉经烘干、粉碎，过200目标准筛筛分后按照7:2:1比例混匀，加水塑化成球，置于烘箱180℃恒温烘3h，冷却后置于马弗炉中进行程序升温，控制预热温度500℃，预热时间25min，随后升温至1050℃烧结20min，完成整个制备过程。冷却后取出即得到粒径5～8mm，含水率为22.5％，堆积密度为788kg/m³，真密度为1.82g/m³、筒压强度为5.2MPa、比表面积为5.28m²/g的水处理陶粒滤料。

2)将上述陶粒滤料用1mol/L FeCl₃溶液25℃下浸泡4天后取出，用去离子水反复冲至中性，于150℃下烘5h得到除磷陶粒，该陶粒滤料对总磷的吸附容量达到3.188mg/g。

3)取步骤1制得的陶粒滤料用2mol/LNaOH，固液比控制为1:5在75℃下浸泡3d，取出后用去离子水反复冲洗至中性，于150℃烘5小时即得到脱氮陶粒，该陶粒滤料对氨氮的吸附容量为1.1804mg/g。

4)将除磷陶粒滤料和脱氮陶粒滤料按质量比为1～3:1的比例进行混合，得到自制脱氮除磷陶粒滤料。

2、滤料吸附性能研究

静态试验结果表明：自制陶粒对氨氮的最佳吸附条件为：投加量10g，氨氮初始浓度20mg/L，pH值为7，吸附温度20℃，吸附时间18h，对氨氮的吸附容量为1.1783mg/g。吸附等温式为C_e/Q_e＝10.212C_e+14.119，属于Langmuir单分子层吸附，同时符合准二级吸附动力学模型；

自制陶粒对总磷的最佳吸附条件是投加量10g，溶液初始浓度40mg/L，pH值为7，吸附温度20℃，吸附时间18h，对总磷的吸附容量为3.3121mg/g。其吸附符合Langmuir等温式，公式形式为C_e/Q_e＝5.8688C_e+5.9887，符合准二级吸附动力学模型。

自制陶粒对污水中氮和磷的最佳吸附条件非常吻合，能在常温条件下处理中性的污水，适合村镇水网水质条件，达到同步吸附氮磷的效果。

实施例2，生物滤池设计与运行

生物滤池进水端的设置是充分利用水网村镇地形和水的重力，污水通过进水管从塘坝自然跌落到滤池前端，污水在跌落的过程中，携带空气中的大量氧气，使滤池的前端及上端形成好氧区，为好氧微生物提供适于生存和生长的环境；由于上游水塘和沟渠的水位随季节变化，故滤池的进水管设计为上下两根，以适应这种实际的情况；随后污水经折流板沿池长方向流动，经过一个个格室，格室中装填自制的具有同步脱氮除磷功能的滤料，滤料本身对污染物进行截留和吸附，同时滤料上生长的微生物对污染物进行生物降解。由于滤池的独特设计，使滤池前端及上表面有氧，而滤池下部及后部为缺氧及厌氧区，这样，当污水流经整个池长时，经过好氧缺氧及厌氧环境的交替完成脱氮除磷。还有一个作用不可忽视，那就是滤池滤料上方种植的植物，我们选择了香蒲、灯芯草、鸢尾、黄菖蒲种植于滤料表面。最上层滤料由于吸附了污水中的氮磷元素及大部分有机物，可为种植其上的植物提供营养物质，同时植物的根系为滤料周边好氧微生物的生长输送了氧气，进一步促进了微生物的降解。污水流经整个滤池后，净化的水从池尾端流出进入后续水体。出水管设置在滤池上端是为了保证池中水位浸过滤料筐，以利于微生物膜的生长。考虑到运行时间久了，滤料易堵的问题，本发明在滤料的装填上进行了模块化设计，即将滤料分别置于不同的小篮筐，以利于滤料的及时更换。

生物滤池设计参数如下：长10.5米，宽5米，高1.8米；沿池长分10个格室，每个格室底层放置高度为0.40米、粒径为8～16mm粗碎石；粗碎石层上放置有两层滤料筐，高度为1.2米(每个滤料筐长*宽*高为1米*0.8米*0.6米)；滤池保护高0.2米。每层水平放置5个滤料筐，即每个格室中放置十个滤料筐。滤料筐里填充自制脱氮除磷滤料，上层滤料筐上依次种植香蒲、灯芯草、鸢尾、黄菖蒲等植物。种植密度为20株/m²。进水管1距离池底高2.5米，进水管2距离池底高2.2米，出水管距离池底高为1.65米。

试验污水的变化范围为COD 19.5～35.7mg/L，氨氮0.77～4.18mg/L，总氮2.35～5.22mg/L，总磷0.28～1.36mg/L。污水流量范围为4～13m³/d。每个月监测一次进出水水质，13个月的监测结果如图5～7。从图中看出，出水COD为3.5～6.2mg/L,去除率78.8～86.3％；出水氨氮0.05～1.25mg/L，去除率70.1～93.5％；出水总氮0.23～1.51mg/L,去除率为71～90％；出水总磷0.01～0.2mg/L,去除率85.3～98.2％,各项指标均达到国家Ⅱ、Ⅲ类地面水排放标准。

总体来说，本发明滤池结构简单、投资省、不进行人工曝气，不反冲洗滤料，只利用自然方式充氧，因此无能耗，方便管理。为村镇水网沟渠污水处理提供技术支撑。

实施例3，处理污水后陶粒滤料的再利用

当滤料吸附达到饱和后，可将滤料筐中滤料取出进行再利用。在污水处理过程中滤料吸附了有机物、氮磷等营养元素，再加上其主要成分粉煤灰中含有的K₂O,Na₂O,MgO,CaO,Fe₂O₃,Al₂O₃,SiO₂及磷、铜、锌、锰等丰富的矿物质和微量元素是植物生长过程中所不可缺少的元素。可以按一定质量分数与土壤进行配比，作为花卉、草地、园林等非食用植物的有机肥料使用，达到资源化利用的目的。因为担心吸附达到饱和的粉煤灰滤料作为肥料使用会带来土壤板结及重金属超标的问题，特进行了重金属溶出测试。

根据国标GB5086.2-1997《固体废物浸出毒性浸出方法一水平振荡法》制得浸出液，消解后采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定陶粒浸出液中重金属离子的含量。表1为陶粒溶出重金属含量检测结果。

表1陶粒滤料浸出重金属检测

从检测数值可以看出，实际的重金属浸出测量值远远小于GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》中规定的浸出液最高允许质量浓度。在陶粒的高温烧结过程中，一部分重金属会随着温度的升高而汽化挥发(如Cd、Hg)；而其它另一部分则通过与其它元素发生一系列复杂的化学反应，形成了新的化合物而固化在粉煤灰陶粒的结构中。这说明陶粒结构能够对粉煤灰中重金属进行较强的稳定和固定，符合产品的环保无害化要求，不会对农田造成损害。

Claims

1. 一种适合水网型村镇沟渠污水特征的生物滤池，包括滤池，沿池长方向用折流板将滤池分为十个格室，每个格室底层放置粗碎石，粗碎石上有两层，每层水平放置5个滤料筐，滤料筐里填充自制脱氮除磷滤料，上层滤料筐里种植植物；所述自制脱氮除磷滤料制备方法如下：

以粉煤灰为主要原料，与粘土、煤粉按7:2:1的质量比例，控制预热温度为500℃、预热时间为25min，烧结温度为1050℃、烧结时间为20min制得；然后对制得的陶粒滤料经1mol/L FeCl₃溶液25℃下改性4天，取出后用去离子水反复冲洗至中性，烘干，得到除磷陶粒滤料；

以粉煤灰为主要原料，与粘土、煤粉按7:2:1的质量比例，控制预热温度为500℃、预热时间为25min，烧结温度为1050℃、烧结时间为20min制得；经2mol/LNaOH 75℃改性3天，取出后用去离子水反复冲洗至中性，烘干，得到脱氮陶粒滤料；

2.根据权利要求1所述的生物滤池，其特征在于，所述的植物是香蒲、灯芯草、鸢尾和黄菖蒲。

3.根据权利要求1所述的生物滤池，其特征在于，所述粗碎石的粒径为8～16mm。

4.根据权利要求3所述的生物滤池，其特征在于，粗碎石层的厚度为0.4米。

5.根据权利要求1所述的生物滤池，其特征在于，所述自制脱氮除磷陶粒滤料的粒径为5～8mm。

6.根据权利要求5所述的生物滤池，其特征在于，滤料筐的高度为0.6米。

7. 一种脱氮除磷滤料，其特征在于，其制备方法如下：

8. 使用权利要求1所述的生物滤池的方法，包括如下步骤：

1）滤池进水：水网型村镇农户排出的污水经源头处理后流入水塘和沟渠，利用自然地形高差通过进水管跌入滤池的前端，由于跌落过程中与空气充分接触，使大量溶解氧融入污水而带入滤池；

2）污水沿池长方向以折流的方式流经各个格室，经过各格室中模块化填装的自制脱氮除磷滤料后出水；

3）滤池出水：污水经过各格室处理后，由滤池尾端集水槽收集，再由集水槽上端的出水管排入下一级沟渠，出水管设置在上端是为了保证滤池中水位浸过滤料筐，以利于微生物膜的生长；

4）当滤料吸附达到饱和后，将滤料筐中滤料取出，作为非食用植物的肥料或土壤改良剂使用。