CN105502801B - 季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置和方法，所述系统包括带有保温增温措施的生物浮动池一体化装置和两级序批式高位生态湿地。能够适应季节性冰冻地区低温条件，适应高速公路沿线附属设施污水水质特征的污水处理及水，对COD、氨氮、总磷、SS、石油类、动植物油等污染物具有稳定高效的去除效果，具有较强的抗冲击能力，可以保证冬季处理稳定达标。

Description

季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理装置与方法，更具体的，涉及一种可用处于季节性冰冻地区的高速公路服务区、停车区、养护工区、收费站等沿线附属设施的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置与方法，也可用于位于季节性冰冻地区的建筑小区、农村散户等其他分散式污水处理装置与方法。
背景技术
服务区污水以冲厕污水、管理人员及宾客住宿污水、餐饮废水为主，所以其性质与生活污水类似，但又具有其自身特点，突出表现：首先，水质相对于通常的生活污水恶劣，有机污染物浓度高、氮磷含量高，增加动植物油及石油类指标；其次，污水水质变化波动大，每时、每天、每月都有可能变化较大。
高速公路服务区作为公路服务设施，隶属高速公路运营管理机构，一般不会设有负责管理污水处理的专职人员，常由机修工兼任，因此污水处理设施常因管理养护复杂或运行成本过高而停运，起不到保护周边水环境的设置目的。
此外，我国地域宽广、幅员辽阔，建设的高速公路连接了各种不同气候类型的区域，不同区域的高速公路服务区污水处理设施进水温度存在显著差异。在东北等季节性冰冻地区，冬季的污水温度通常在10℃以下，在污水处理设施中经长时间停留，水温甚至会接近零度。
目前我国季冻区的服务区普遍采用地埋式一体化装置，在处理低温污水时极难实现达标排放。这是因为地埋式一体化装置的核心工艺是接触氧化，其对污水水质发挥重要净化作用的嗜中温微生物适宜水温为10～25℃，温度过低，会抑制嗜中温微生物的生长，从而严重影响处理效果；尤其是去除氨氮的环节，硝化反应的适宜温度是20～30℃，15℃以下时，硝化速度下降，5℃时完全停止，低温对氨氮去除的抑制作用极大。
本发明人针对上述问题，进行深入的研究开发，提出的高速公路服务区组合污水处理系统装置及其方法，具有低温适应性好、处理效果好、抗冲击性好、维护简便、运行成本低廉等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够适应季节性冰冻地区低温条件，适应高速公路沿线附属设施污水水质特征的污水处理及水，并给出一种可行的装置设计方法，能够有效克服现有技术中处理效率低、运行成本高、管理养护复杂、冬季处理无法达标等缺点，对COD、氨氮、总磷、SS、石油类、动植物油等污染物具有稳定高效的去除效果，具有较强的抗冲击能力，处理后出水可用于绿化、冲厕、景观用水等用途，运行成本低廉，管理养护简单，可以保证冬季处理稳定达标。
与现有的技术发明相比，本发明的特点在于：
(1)季冻区高速公路服务区组合污水处理系统主要由带有保温增温措施的生物浮动池一体化装置和两级序批式高位生态湿地组成。
(2)生物浮动池一体化装置分为四格，由1个生物选择池、2个生物浮动池和1个沉淀池顺次连接构成。四池之间设有竖向折流管，实现各池内下进上出的污水流态。
(3)生物选择池和生物浮动池结构相同，仅停留时间和曝气时间不同。生物选择池通过间歇微曝气起到一定的预氧化作用，营造的好氧、兼氧交替的环境，实现调节生物选择池内微生物菌落结构的作用。生物浮动池采用上向流池体结构，由竖向折流管、散氧进气管、保温进水管、保温出水管、复合悬浮载体构成。复合悬浮载体选择常规的不同孔径的聚氨酯泡沫复合材料，起到的作用主要是承载微生物。复合悬浮载体顶部和底部均设有布孔格栅板，使复合悬浮载体固定在其中，经微孔散氧器曝气后实现内部浮动增氧，提高载体内微生物与氧气接触机会，提高曝气效率，可实现间歇曝气，营造缺氧、厌氧、兼氧、好氧交替的环境。生物浮动池池体外部铺设保温层，保温层内通过保温进水管、保温出水管通有热水增温。
(4)在生物浮动池一体化装置前设置预热池，预热池内安装蛇形换热管，将沿线设施暖气等加热介质由加热介质进水管接入预热池，通过加热介质进水管留出，通过温控阀调节加热温度，外部设有保温层。在生物选择池和生物浮动池设有温度传感器，当冬季池内污水温度低于10℃时，通过PLC控制启动预热池内温控阀，将生物选择池和生物浮动池内污水温度提高至10-20℃，达到耐寒微生物最适生长温度。
(5)在生物选择池和生物浮动池中投加经过定向培育的红细菌属、陶厄氏菌属和微小杆菌属等耐寒微生物的复合菌剂，能够显著提高污水处理系统的低温处理效率。复合菌剂在生物浮动池中经过好氧与厌氧环境的相互转变的环境驯化后，具有休眠保存及快速启动转化的特点，能够在因服务区暂停运营或污水处理设备故障造成的污水处理系统停用以后以芽孢菌的形态休眠，并待污水处理系统恢复后可以由芽孢菌形态快速恢复微生物活性。所述的红细菌属、陶厄氏菌属和微小杆菌属为耐寒专属菌种，可采用常规方法定向培育得到，其比例可以在本领域内选择和优化，最常见的比例为1～10：1～10：1～10。复合菌剂按以下方法驯化：设计处理负荷为Qm3/d，则控制进水按照四个阶段提高，分别为Q/4m3/d、Q/3m3/d、Q/2m3/d和Qm3/d，每100m3水中每次分别投加500-1000g、250-500g、250-500g和500-1000g含培养基的复合菌剂包，待出水COD浓度降至80mg/L及出水氨氮浓度降至20mg/L以下，才可进入下一个负荷阶段，进水量每次变动应稳定运行3—5天。
(6)生物选择池、生物浮动池采用涡旋风机曝气，满足溶解氧需求的同时降低能耗。曝气方式为间歇曝气，调试期和正常运行期会有所差异，正常运行期每天曝气时间一般为6-12h，周期一般为1-4h，通过时间继电器控制风气启闭。
(7)目前常用的服务区地埋式一体化设备均为地下结构，无法保证冬季温度条件。生物浮动池一体化装置及涡旋风机均设置于地上设备间内，设备房采用自调温相变材料作外墙保温，室内安装暖气，暖气引自服务区供暖系统，保证冬季运行温度。
(8)生物选择池、生物浮动池采用不同孔径的市场化的聚氨酯复合悬浮载体，根据功能、按照级配一种或几种组合装填，这个可以本领域技术人员根据具体的要求、现场状况、成本要求等进行选择和优化。
(9)沉淀池设置出水口，出水重力流入序批式深层生态湿地单元。沉淀池内均分为两格，前一格为折流沉淀池，后一格设为斜板沉淀池，以去除应急除磷时产生的化学污泥。
(10)序批式高位生态湿地由土工复合膜、保温外壁、复合生态填料、序批布水系统、汇水系统、联通复氧系统、湿地自控系统和表面植被组成。序批式高位生态湿地前端设置调节槽，后端设置保障槽。
(11)序批式高位生态湿地的复合生态填料总厚度为120cm，汇水系统低于一般季冻区冻土层深度，适应湿地冬季运行。由于采取的高位湿地床体设计，增加了反硝化脱氮效果，增加了去除总磷的吸附点位，从而强化了系统深度脱氮除磷效果，有利于服务区污水循环利用。考虑季冻区冬季低温特征，在湿地床体外侧均铺设有酚醛树脂泡沫保温材料，形成保温外壁。
(12)复合生态填料分为四层，自下至上分别为吸附反应层、生物反应层、化学反应层和植物反应层：
吸附反应层厚度为70cm，由30-40mm的砾石、10-20mm斜发沸石、5-15mm的陶粒组成，体积配比为砾石：斜发沸石：陶粒为20-30:20-30:40-60；生物反应层厚度为30cm，由15-20mm的砾石、5-15mm的陶粒、锯末组成，体积配比为砾石：陶粒：锯末为50-60:35-40:5-10；
化学反应层厚度为10cm，由8-10mm的斜发沸石、钢渣、颗粒活性炭组成，体积配比为斜发沸石：钢渣：颗粒活性炭为70-80:10-15:5-20；植物反应层厚度为10cm，由种植土和黄砂组成，体积配比为种植土：黄砂为70-80:20-30。
(13)序批式高位生态湿地采取间歇式运行方式，运行操作由进水、反应、排水、复氧四道工序组成。
①进水：生物浮动池一体化装置出水通过开启采用时间继电器控制的电控阀，实现生物浮动池处理后的生化出水进入位于湿地高位的序批布水系统，并均匀分散至同层高位湿地床体。
②反应：在重力作用下，位于湿地高位的布水系统出水以垂直潜流的方式向下流向湿地复合生态填料区，当污水水位达到反应水位时，系统进入反应阶段。污水与复合生态填料充分接触，通过吸附、过滤、沉淀、生物降解、化学反应等复合过程对生物浮动池处理后的生化出水进行深度净化。
③排水：当达到设定反应时间时，通过汇水系统快速排水，湿地床体内水位快速下降。
④复氧：序批式运行过程中床体饱和浸润面瞬间变化产生的基质孔隙水吸力将大气氧通过联通复氧系统和基质孔隙快速吸入床体，从而提高湿地床的氧传输量和氧有效利用率。
从进水到复氧为一个完整的序批运行周期。复氧时间结束后，重新进入进水工序。
(14)序批式高位生态湿地采取两级设置，每级湿地水力停留时间相同，每运行6-8个序批运行周期排空闲置2-3天。
附图说明
图1系统工艺布局图
图2生物浮动池一体化装置结构图
图3预热池结构图
图4序批式高位生态湿地结构图
1：调节沉淀池 2：预热池
3：生物浮动池一体化装置装置 4：生物选择池
5：生物浮动池 6：沉淀池
7：涡旋风机 8：设备间
9：序批式高位生态湿地 10：竖向折流管
11：微孔散氧器 12：复合悬浮载体
13：折流沉淀池 14：斜板沉淀池
15：散氧进气管 16：保温层
17：蛇形换热管 18：温控阀
19：加热介质进水管 20：加热介质出水管
21：土工复合膜 22：保温外壁
23：复合生态填料 24：序批布水系统
25：汇水系统 26：联通复氧系统
27：湿地自控系统 28：表面植被
29：调节槽 30：保障槽
具体实施方案
季冻区高速公路服务区场区内的综合废水经格栅去除大颗粒物质后进入调节沉淀池，经过均质均量后的废水发生物理沉降，进行固液分离，以去除废水中大部分的SS。
调节沉淀池上清液进入生物浮动池一体化装置，在此去除大部分的有机物、氨氮和石油类。
在生物选择池中填充了大孔聚氨酯载体，经在其上固定化的氨化菌、反硝化菌、产酸菌和产甲烷菌的共同作用，有机氮氨化，硝态氮反硝化，有机物得以初步降解。
在生物浮动池中，填充了中孔、微孔的聚氨酯载体，投加含经过定向培育的红细菌属、陶厄氏菌属和微小杆菌属等耐寒微生物的复合菌剂包，采用间歇曝气的运行方式，在一个反应单元内实现同步硝化反硝化脱氮，并大量富集聚磷菌，从而大量脱出氨氮和有机物。复合菌剂包按以下方法投加：设计处理负荷为Qm3/d，则控制进水按照四个阶段提高，分别为Q/4m3/d、Q/3m3/d、Q/2m3/d和Qm3/d，每100m3水中每次分别投加500-1000g、250-500g、250-500g和500-1000g含培养基的复合菌剂包，待出水COD浓度降至80mg/L及出水氨氮浓度降至20mg/L以下，才可进入下一个负荷阶段，进水量每次变动应稳定运行3—5天。当季冻区冬季生物浮动池一体化装置内污水温度低于10℃时，系统自动开启预热池热交换器增温，达到耐寒微生物最适生长温度，充分保证冬季处理效果。
通过大量实验研究，经过间歇曝气控制的生物浮动池体系中，微生物降解基本控制在内源呼吸阶段，所以几乎不产生污泥，仅设折流沉淀池即可。考虑后续湿地系统故障时，鉴于生物浮动池一体化装置生物除磷效果未必能达到排放标准，增设应急化学除磷设施，产生的磷酸钙等化学污泥在斜管沉淀池中去除。
生物浮动池一体化装置处理出水自流入序批式高位生态湿地，湿地系统具有很好的深度脱氮除磷功能。床体内填充的砾石、陶粒、活性炭(都属于市场常见的常规填料，任意上述产品都可以实现本申请所述的技术效果)等均具有很好的吸附性能，填充的沸石吸附氮效果更好，填充的钢渣具有化学除磷效果。由于生物浮动池出水有机物浓度较低，填充的锯末将作为微生物降解的碳源，进一步保障反硝化脱氮效果。采取的高位湿地床体设计，增加了反硝化脱氮效果，增加了去除总磷的吸附点位，从而强化了系统深度脱氮除磷效果。
序批式高位生态湿地采取两级设置，每级序批式运行方式，能够在湿地床体内营造厌氧、兼氧交替的环境，丰富了菌落结构，强化了硝化过程，同时能够有效缓解床体的有机堵塞问题。
为适应季冻区冬季低温特征，序批式高位生态湿地汇水系统低于一般季冻区冻土层深度，湿地床体外侧设有保温外壁，更好的适应湿地冬季运行。
实施例1：
在山东采用的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置主要由生物浮动池一体化装置、预热池和序批式高位生态湿地组成。其中生物浮动池一体化装置的生物停留时间为8小时，曝气周期为2小时，其中曝气40分钟，停止曝气80分钟。预热池水温增温热源为服务区暖气回水，将生物浮动池水温升至18℃。设4个序批式高位生态湿地，分为两级，每级两个湿地，总水力负荷为0.8m3/(m2·d)，每级湿地的序批周期为8小时，运行6个序批周期后，轮换至另一级湿地继续运行。
实施例2：
生物浮动池高2.4m，从下至上依次填充3-5mm，5-8mm，8-10mm的添加了壳聚糖、活性炭的聚氨酯类复合悬浮载体，并投加了经过定向培育的富含红细菌属、陶厄氏菌属和微小杆菌属的生物复合菌剂包(250g包装)，由1.1kw的涡旋风机供气。设计处理量为100m3/d，调试阶段通过控制进水时间，对水力负荷按25m3/d、35m3/d、50m3/d和100m3/d四个阶段逐步提高，每个阶段分别投加2包、1包、1包和3包复合菌剂包，每阶段调试待出水COD浓度降至80mg/L及出水氨氮浓度降至20mg/L以下，并稳定5天后进入下一个调试阶段。
序批式高位生态湿地总高度1.4m，其中复合生态填料层高1.2m，其中吸附反应层、生物反应层、化学反应层和植物反应层的厚度分别为70cm、30cm、10cm和10cm，各层配比(体积比)分别为：吸附反应层为30-40mm砾石：10-20mm斜发沸石：5-15mm陶粒＝20:30:50；生物反应层为15-20mm的砾石：5-15mm陶粒：锯末＝50：40:10；化学反应层为8-10mm斜发沸石：钢渣：颗粒活性炭＝70:10:20；植物反应层为种植土：黄砂＝75:25。
生物浮动池水力负荷10.0m3/m2·d、潮汐流人工湿地在水力负荷1.0m3/m2·d情况下，室外气温由-18℃-3℃，水温为15-20℃，系统进水COD 720mg/L、氨氮152mg/L、TP6.86mg/L时，生物浮动池一体化装置装置出水COD22.3mg/L、氨氮7.47mg/L，TP 0.97mg/L，序批式高位生态湿地出水COD13.0mg/L、氨氮2.35mg/L，TP 0.08mg/L。

Claims (9)

1.一种季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，所述装置包括带有保温增温措施的生物浮动池一体化装置和两级序批式高位生态湿地；所述生物浮动池一体化装置分为四格，由1个生物选择池、2个生物浮动池和1个沉淀池顺次连接构成，四池之间设有竖向折流管，实现各池内下进上出的污水流态；生物选择池和生物浮动池结构相同，仅停留时间和曝气时间不同；生物选择池和生物浮动池都采用上向流池体结构，由竖向折流管、散氧进气管、保温进水管、保温出水管、复合悬浮载体构成，生物浮动池一体化装置设置在地上设备间内，复合悬浮载体是指不同孔径的聚氨酯复合悬浮载体。
2.如权利要求1所述的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，复合悬浮载体顶部和底部均设有布孔格栅板，使复合悬浮载体固定在其中，经微孔散氧器曝气后实现内部浮动增氧，提高载体内微生物与氧气接触机会，提高曝气效率，实现间歇曝气，营造缺氧、厌氧、兼氧、好氧交替的环境；生物浮动池池体外部铺设保温层，保温层内通过保温进水管、保温出水管通有热水增温。
3.如权利要求2所述的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，在生物浮动池一体化装置前设置预热池，预热池内安装蛇形换热管，将沿线设施暖气加热介质由加热介质进水管接入预热池，通过加热介质进水管留出，通过温控阀调节加热温度，外部设有保温层；在生物选择池和生物浮动池设有温度传感器，当冬季池内污水温度低于10℃时，通过PLC控制启动预热池内温控阀，将生物选择池和生物浮动池内污水温度提高至10-20℃，达到耐寒微生物最适生长温度。
4.如权利要求3所述的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，在生物选择池和生物浮动池中投加含经过定向培育的红细菌属、陶厄氏菌属和微小杆菌属耐寒微生物的复合菌剂。
5.如权利要求4所述的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，生物选择池、生物浮动池采用涡旋风机曝气，满足溶解氧需求的同时降低能耗，曝气方式为间歇曝气，正常运行期每天曝气时间为6-12h，周期为1h-4h，通过时间继电器控制风气启闭。
6.如权利要求5所述的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，沉淀池设置出水口，出水重力流入序批式深层生态湿地单元；沉淀池内均分为两格，前一格为折流沉淀池，后一格设为斜板沉淀池，以去除应急除磷时产生的化学污泥。
7.如权利要求6所述的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，序批式高位生态湿地由土工复合膜、保温外壁、复合生态填料、序批布水系统、汇水系统、联通复氧系统、湿地自控系统和表面植被组成，序批式高位生态湿地前端设置调节槽，后端设置保障槽，其中，序批式高位生态湿地的床体深度1.2m，保温外壁是在湿地床体底部及侧壁最外层铺设的酚醛树脂泡沫保温材料。
8.如权利要求7所述的季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置，复合生态填料分为四层，自下至上分别为吸附反应层、生物反应层、化学反应层和植物反应层：吸附反应层厚度为70cm，由30-40mm的砾石、10-20mm斜发沸石、5-15mm的陶粒组成，体积配比为砾石：斜发沸石：陶粒为20-30:20-30:40-60；生物反应层厚度为30cm，由15-20mm的砾石、5-15mm的陶粒、锯末组成，体积配比为砾石：陶粒：锯末为50-60:35-40:5-10；化学反应层厚度为10cm，由8-10mm的斜发沸石、钢渣、颗粒活性炭组成，体积配比为斜发沸石：钢渣：颗粒活性炭为70-80:10-15:5-20；植物反应层厚度为10cm，由种植土和黄砂组成，体积配比为种植土：黄砂为70-80:20-30。
9.利用权利要求1-8之一所述的一种季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置进行污水处理的方法，序批式高位生态湿地采取间歇式运行方式，运行操作由进水、反应、排水、复氧四道工序组成：
①进水：生物浮动池一体化装置出水通过开启采用时间继电器控制的电控阀，实现生物浮动池处理后的生化出水进入位于湿地高位的序批布水系统，并均匀分散至同层高位湿地床体；
②反应：在重力作用下，位于湿地高位的布水系统出水以垂直潜流的方式向下流向湿地复合生态填料区，当污水水位达到反应水位时，系统进入反应阶段；污水与复合生态填料充分接触，通过吸附、过滤、沉淀、生物降解、化学反应复合过程对生物浮动池处理后的生化出水进行深度净化；
③排水：当达到设定反应时间时，通过汇水系统快速排水，湿地床体内水位快速下降；
④复氧：序批式运行过程中床体饱和浸润面瞬间变化产生的基质孔隙水吸力将大气氧通过联通复氧系统和基质孔隙快速吸入床体，从而提高湿地床的氧传输量和氧有效利用率；从进水到复氧为一个完整的序批运行周期；复氧时间结束后，重新进入进水工序；
序批式高位生态湿地采取两级设置，每级湿地水力停留时间相同，每运行6-8个序批运行周期排空闲置2-3天。
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