CN105502656A

CN105502656A - 一种两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统

Info

Publication number: CN105502656A
Application number: CN201510854862.5A
Authority: CN
Inventors: 吴为中; 吴浩恩; 魏才倢
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN105502656B

Abstract

本发明公布了一种两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，包括前段系统和后段系统；前段系统为曝气好氧敞开式池体，包括进水槽、进水布水管、渗滤层、混合模块层、底部垫层、底部排水管和曝气系统；后段系统为非曝气缺氧封闭式池体，包括进水布水管、渗滤层、添加新型固相碳源的混合模块层、底部垫层和底部排水管；前段和后段系统通过连接管相连接，两段池体的垂直高度相差为20～50cm。本发明使得硝化作用与反硝化作用在不同环境中独立进行，能够强化脱氮效果；同时采用可降解聚合物作为新型固相碳源，具有反硝化速率高、出水无色度影响等显著优点；系统基础建设成本低，运行效果稳定，维护方便。

Description

一种两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统

技术领域

本发明涉及污水处理系统，尤其涉及一种两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统。

背景技术

土地处理系统是一种基于“土壤-植物-微生物”系统净化污水功能的处理技术，其投资少，运营成本低，已广泛应用于生活污水、河流湖泊水质改善及面源污染控制等多个领域，对有机物去除效果好，经济性强。但传统土地处理技术方法存在很多缺陷，如水力负荷低、处理能力低，易堵塞等，这在一定程度上限制了其应用范围。

多级土壤渗滤系统(Multisoillayeringsystem，MSL)是日本学者在20世纪90年代针对传统土地处理技术存在的缺陷而研究开发出的一种新型、高效的人工强化土壤渗滤系统，它克服了传统土地处理系统占地面积大，处理负荷低、易堵塞、脱氮效果差等问题。该系统以其独特的“砖砌”式内部空间结构，将系统分为混合模块层(mixturelayers，ML)和渗滤层(permeablelayers，PL)。通常情况下，PL层由沸石、陶粒等粒径较大的颗粒填料组成，填料间间隙较大，有很好的渗水性，同时复氧效果较好，有利于有机物的好氧降解及硝化作用进行。ML层一般为人工选择配比的土壤填料，主要由土壤和其他填料组合而成，常见的有木炭、锯木屑、铁屑、洋麻等材料，其孔隙率小，厌氧条件好，有利于系统反硝化脱氮。因此，MSL系统也可以看作是由PL层填料形成的好氧区和ML层填料形成的厌氧区组成，系统内部形成的无数个微“好氧-厌氧”环境，使得系统具有较好的污染物去除效果。

在长期运行的情况下，MSL系统能持续保持对生活污水中COD和总磷的高效去除，然而对污水中总氮(totalnitrogen，TN)的去除明显受到进水水质、通气情况和温度等因素的影响。由于反硝化过程需要消耗有机碳源，MSL系统对于一些碳氮比较低的污水，脱氮效率并不高，主要是受到碳源不足的影响。现有技术主要通过向系统中模块添加锯木屑、玉米芯、洋麻等天然碳源，但这类天然碳源存在反硝化速率低、产生色度等；或者通过分段进水，直接往系统中端输送一定流量未处理的原水以达到补充有机碳源来部分提高脱氮效率；另外，在过度曝气充氧条件下，反硝化过程受到一定的抑制，总氮去除率会受到一定的影响。总体来说，目前MSL系统深度脱氮效率还没有达到最优化、最大化。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，通过采用“曝气段+非曝气段”的两段式多级土壤渗滤系统，同时将一种反硝化脱氮高速率的新型可生物降解聚合物作为固相碳源添加进混合模块层(ML)中，从而达到强化多级土壤渗滤系统脱氮效果的目的。

本发明提供的技术方案是：

一种两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，包括前段系统和后段系统；所述前段系统为曝气好氧敞开式池体，包括进水槽、前段进水布水管、渗滤层(PL)、混合模块层(ML)、底部垫层、底部排水管和曝气系统；所述后段系统为非曝气缺氧封闭式池体，包括后段进水布水管、渗滤层(PL)、添加新型固相碳源的混合模块层(ML)、底部垫层和底部排水管；前段系统和后段系统之间通过连接管相连接，连接管的一端连接前段系统的出水口，另一端连接后段系统的进水口。

上述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统中，前段系统的出水口和后段系统的进水口不在一个水平面上，两段池体的垂直高度可相差20～50cm。

前段系统中的曝气系统包括微型空气压缩机、微孔曝气头和曝气软管；前段系统通过微型空气压缩机连接曝气软管进行曝气，曝气软管置于曝气段多级土壤渗滤系统的垫层上部；微孔曝气头有一个或多个，分别置于池体内部的不同位置。

前段系统中的渗滤层(PL)，其填料可以为大颗粒天然沸石或重质陶粒等，粒径为10～20mm；混合模块层(ML)可以由陶砂、红壤或腐殖质土、锯木屑、石灰石、铁屑、木炭等填料组合混合而成。在本发明的实施例中，前段系统中的混合模块层(ML)由陶砂、红壤或腐殖质土、锯木屑、石灰石、炼钢高炉水洗渣、木炭按照干重比为30：40：10：10：5：5均匀混合而成。底部垫层可填充3～5cm的公分石，填充高度10cm。

后段系统中的渗滤层(PL)，其填料可以为大颗粒天然沸石或重质陶粒或轻质陶粒等，粒径为10～20mm；混合模块层(ML)可由陶砂、红壤或腐殖质土、新型固相碳源、石灰石、炼钢高炉水洗渣、木炭等填料组合混合而成。在本发明的实施例中，后段系统中的渗滤层(PL)填料由陶砂、红壤或腐殖质土、石灰石、炼钢高炉水洗渣、木炭、新型固相碳源按照干重比30：40：10：10：5：5均匀混合而成。所述新型固相碳源是基于PHBV、PCL、PBS、淀粉、竹粉等单一可降解聚合物或多种可降解聚合物的混合物。系统底部垫层填充30～50mm的公分石，填充高度为100mm。

后段系统非曝气缺氧封闭式池体通过密封，并采用上流式出水，使其维持淹水水位，形成缺氧环境。前段池体的进水槽为溢流式进水槽。前后两段系统之间的连接管为PVC管。

本发明提供的两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统在工作时，首先，污水从前段的溢流式进水槽流入前段的进水布水管，均匀布水，在前段(曝气段)池体中的填料吸附和好氧微生物分解的共同作用下，去除污水中大部分的SS、COD；同时，主要通过氨氮吸附和硝化作用，将污水中的氨氮转化为硝态氮；然后污水从前段出水口通过连接管经后段进水口流入后段池体的进水布水管，在后段(非曝气段)缺氧条件下进行反硝化作用，同时后段的混合模块层(ML)中添加的固相碳源能缓慢释放出碳，从而补充进水中的有机碳，进水中的硝态氮在缺氧和碳源充足的条件下，经反硝化菌的作用转变为氮气，完成对TN的去除。污水中的磷及其他污染物在填料和厌氧菌的作用下得到进一步去除。

与现有技术相比，本发明提供的两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统的有益效果是：

(1)采用两段式多级土壤渗滤系统相结合，前段(曝气段)系统微曝气充氧、后段(非曝气段)系统密封形成缺氧环境，曝气与非曝气分开，使硝化作用与反硝化作用在不同环境中独立进行，强化脱氮效果；

(2)将可降解聚合物作为新型固相碳源引入多级土壤渗滤系统，可降解聚合物相比传统碳源具有反硝化速率高、出水无色度影响等显著优点；

(3)在多级土壤渗滤系统中添加新型固相碳源，解决了多级土壤渗滤系统在脱氮过程中碳源不足的难题；

(4)曝气段渗滤层材料选用大颗粒天然沸石或陶粒作为填料，能防止系统堵塞，增强复氧效果，并对一些污染物具有良好的物理吸附或附着生物膜的吸附，先吸附再降解，增强系统对污染物的去除效果；

(5)系统内添加的木炭能对污染物进行吸附，其较大的比表面积也为微生物生长提供了较大的附着环境，有利于微生物存留；

(6)系统内所加的炼钢高炉水洗渣，因含有较高铁组分有利于污水中磷的除去，同时也构成了铁炭微电解子系统，有利于提高污染物的可生化性，以及增强反硝化作用。

(7)系统基础建设成本低，运行效果稳定，维护方便。

(8)该处理系统适宜于净化污染严重的城市的河流水、污水处理厂尾水的深度脱氮除磷以及农村村落污水、农田面源污染的控制等。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

其中，1—前段溢流式进水槽、2—前段进水管布水管、3—前段大颗粒天然沸石或陶粒渗滤层(PL)、4—前段混合模块层(ML)、5—前段公分石垫层、6—前段底部排水管、7—前段曝气系统、8—后段进水管布水管、9—后段大颗粒陶粒渗滤层(PL)、10—后段添加了新型固相碳源的混合模块层(ML)、11—后段公分石垫层、12—后段底部排水管、13—连接管。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，包括前段系统和后段系统；所述前段系统为曝气好氧敞开式池体，包括前段溢流式进水槽1、前段进水管布水管2、前段大颗粒天然沸石或陶粒渗滤层(PL)3、前段混合模块层(ML)4、铺设在底部的前段公分石垫层5、前段底部排水管6和前段曝气系统7。所述后段系统为非曝气缺氧封闭式池体，包括后段进水管布水管8、后段小颗粒陶粒渗滤层(PL)9、后段添加新型固相碳源的混合模块层(ML)10、铺设在底部的后段公分石垫层11和后段底部排水管12。前段系统和后段系统之间通过PVC管连接，连接管13的一端连接前段出水口，另一端连接后段进水口，前段出水口和后段进水口不在一个水平面上，两段池体垂直高度相差50cm。

实施例1：

本实施例将本发明提供的两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统用于处理取自某受严重污染城市河道污水。该污水的水质特征为：COD_Cr42.85～173.86mg/L，氨氮11.89～39.40mg/L，总氮19.07～48.00mg/L，总磷1.37～3.43mg/L。

本实施例中，两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统的曝气段池体和非曝气段池体的长、宽、高均分别为0.4m、0.3m和1m，水力负荷为0.1-0.5m³/m²·d。曝气段渗滤层(PL)填料为大颗粒天然沸石，粒径为5～10mm；混合模块层(ML)由陶砂、石灰石、炼钢高炉水洗渣、锯木屑、木炭按照干重比30：40：10：10：5：5均匀混合而成，共填装5层。底部垫层填充3～5cm的公分石，填充高度10cm。底部垫层上方均匀放置多个微孔曝气头，通过微型空气压缩机连接曝气软管进行曝气，气水比为3-8:1；非曝气段渗滤层(PL)填料为小颗粒重质陶粒，粒径为10～20mm；混合模块层(ML)由陶砂、红壤、石灰石、炼钢高炉水洗渣、PHBV/PLA/淀粉等的共混碳源、木炭按照干重比30：40：10：10：5：5均匀混合而成，共填装6层。底部垫层同样填充30～50mm的公分石，填充高度10cm。系统ML层包含大小两种不同规格模块，尺寸分别为0.3米(长)、0.2米(宽)、0.1米(高)和0.15米(长)、0.2米(宽)、0.1米(高)。非曝气段多级土壤渗滤系统池体密封，并采用上流式出水，使其维持淹水水位，形成缺氧环境。

污水从前段溢流式进水槽流入前段进水管布水管，均匀布水，在前段(曝气段)池体中的填料吸附和好氧微生物分解的共同作用下，去除污水中大部分的SS、COD；同时，主要通过氨氮吸附和硝化作用，将污水中的氨氮转化为硝态氮；然后污水从前段出水口通过连接管经后段进水口流入后段进水管布水管，在后段(非曝气段)缺氧条件下进行反硝化作用。后段的混合模块层(ML)中添加的固相碳源能被反硝化菌直接利用完成生物脱氮作用或被其他有机异养菌缓慢释放出碳补充进水中的有机碳，在缺氧和碳源充足的条件下，再经反硝化菌的作用转变为氮气，完成对TN的去除。污水中的磷及其他污染物在填料和厌氧菌的作用下得到进一步去除。

实验结果表明，系统运行稳定，污染物的去除效果良好，即使在低气温条件(8～15℃)下也保持了稳定的处理效果。系统对总氮的平均去除率为85％，系统对总磷的平均去除率为98％，，系统对COD的平均去除率为75％。

实施例2：

本实施例将实施例1相应的两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统用于处理某污水处理厂尾水，其水质特征为《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》的1级A排放标准的典型特征：CODCr30～50mg/L，氨氮3～8mg/L，总氮10-15mg/L，总磷0.1～0.5mg/L。

在水力负荷为1.0-2.0m³/m²·d、气水比为3-5:1条件下，系统能运行稳定，污染物的去除效果良好，对COD、TN、TP等平均去除率分别为65％、90％、70％以上，这些主要常规的水质指标基本达到《地表水环境质量标准GB3838-2002》Ⅳ类目标准限值以上。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，包括前段系统和后段系统；所述前段系统为曝气好氧敞开式池体，包括前段进水槽、前段进水布水管、前段渗滤层、前段混合模块层、前段底部垫层、前段底部排水管和曝气系统；所述后段系统为非曝气缺氧封闭式池体，包括后段进水布水管、后段渗滤层、添加新型固相碳源的混合模块层、后段底部垫层和后段底部排水管；前段系统和后段系统之间通过连接管相连接，连接管的一端连接前段系统的出水口，另一端连接后段系统的进水口。

2.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述前段系统的出水口和所述后段系统的进水口不在一个水平面上，两段池体的垂直高度相差为20～50cm。

3.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述前段系统中的曝气系统包括微型空气压缩机、微孔曝气头和曝气软管；前段系统通过微型空气压缩机连接曝气软管进行曝气，曝气软管置于曝气段多级土壤渗滤系统的垫层上部；微孔曝气头有一个或多个，分别置于池体内部的不同位置。

4.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述前段系统中的渗滤层的填料为大颗粒天然沸石或重质陶粒，粒径为10～20mm；所述前段系统中的混合模块层的填料由陶砂、红壤或腐殖质土、锯木屑、石灰石、铁屑、木炭组合混合而成。

5.如权利要求4所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述前段系统中的混合模块层由陶砂、红壤或腐殖质土、锯木屑、石灰石、炼钢高炉水洗渣、木炭按照干重比为30：40：10：10：5：5均匀混合而成。

6.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述后段系统中的渗滤层的填料是粒径为10～20mm的大颗粒天然沸石或重质陶粒或轻质陶粒；所述后段系统中的混合模块层的填料由陶砂、红壤或腐殖质土、新型固相碳源、石灰石、炼钢高炉水洗渣、木炭混合而成。

7.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述后段系统中的渗滤层的填料由陶砂、红壤或腐殖质土、石灰石、炼钢高炉水洗渣、木炭、新型固相碳源按照干重比30：40：10：10：5：5均匀混合而成。

8.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述新型固相碳源是单一可降解聚合物或是多种可降解聚合物的混合物；所述可降解聚合物为PHBV、PCL、PBS、淀粉或竹粉。

9.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述前段池体的进水槽为溢流式进水槽；所述后段系统的非曝气缺氧封闭式池体通过密封并采用上流式出水，维持淹水水位，从而形成缺氧环境。

10.如权利要求1所述两段式强化脱氮多级土壤渗滤系统，其特征是，所述前段底部垫层上方均匀放置多个微孔曝气头，通过微型空气压缩机连接曝气软管进行曝气，气水比为3-8:1。