CN106167339A - 针对中水回用的生态碳纤维sbbr与人工湿地组合处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

针对中水回用的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统及处理方法，属于污水生物处理技术领域，由生态碳纤维SBBR装置和人工湿地处理装置串联组成。生态碳纤维是经丙酮改性后的PAN‑ACF；SBBR装置采用序批式污水处理模式，底部进水、上端滗水；人工湿地采用垂直潜流型，具有完整的布水和集水系统。生活污水经SBBR装置处理后进入到人工湿地中，有效防止了人工湿地的堵塞并大幅削减了人工湿地的占地面积，而后置人工湿地又可以进一步去除SBBR系统出水中的氮磷，实现组合处理系统的高效脱氮除磷；整体组合系统抗冲击负荷强，维护简单，在稳定出水的同时还具有良好的生态效应，与小区绿化、河道滨河景观相得益彰。

Description

针对中水回用的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统及 处理方法

技术领域

本发明涉及的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合污水处理系统，属于污水生物处理技术领域，是一种可以用于小区生活污水处理以及大中型河道排污口截污净化的试验装置和方法，处理后水质要求常温下达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)标准。

背景技术

中水又称再生水、回用水，是国际公认的城市第二水源。我国“十三五”规划指出，要全面节约和高效利用资源，实行最严格的水资源管理制度，实施再生水利用工程，以水定产、以水定城，建设节水型社会。因此，城镇污水的回用对节水型社会的建设尤为重要，对于水资源充沛地区，中水回用可以节约截污纳管费用，减轻管网和污水处理的压力，同时还能防止管道输送不当引起的河道污染等问题；而对于水资源匮乏地区，采用城镇集约化污水回用技术，将再生水用于冲厕、洗车、绿化等，可以为该地区提供新的“水源”，进一步实现我国水资源的高效利用。

对于中水回用，国内外已经有了很多成熟的经验。北京市高碑店污水处理厂的中水回用工程可以实现二级污水处理厂出水再处理后大规模回用，每天约有9000m³的中水供厂区使用，其余部分可作为城市绿化用水。大连机车车辆厂也实施了中水回用工程，工厂绿化、冲厕及冷却水等都用上了中水，年节约水20万吨，取得了良好的效果。美国加利福尼亚州每年利用净化污水2.7亿立方米，相当于100万人口一年的用水量。

我国在中水回用方面与一些发达国家相比还存在不小的差距，实际的运行情况也不容乐观。很多以小区为单位自建的中水回用系统由于进水水源不稳定、回用规模较小，出现了设施得不到充分利用，中水供给不稳定，且成本较高等问题。因此通过改进中水回用系统，降低城镇居民生活污水回用成本，将对中水回用工程起到极大的推动作用。

然而现行的生活污水脱氮除磷工艺存在着各种矛盾，如：硝化菌与聚磷菌对系统中溶解氧的竞争，反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争等，这使得污水的同步脱氮除磷很难有效实现，从而阻碍了中水的稳定回用。因此，随着目前生活污水氮磷含量的不断加重，水体排放标准的日趋严格，寻求一种针对中水回用的能够高效脱氮除磷、运行稳定且节能的污水组合处理系统尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型生活污水回用装置和方法，提出将生态碳纤维SBBR与人工湿地相结合，通过后置人工湿地的强化处理，使得整个系统在实现高效脱氮除磷的同时还具有良好的环境、经济效益，符合当代可持续发展的要求。

本发明提出的“生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统”，其具体技术方案如下：

系统由生态碳纤维SBBR反应器和垂直潜流人工湿地装置串联组成；生态碳纤维SBBR装置由进水系统、主反应器、厌氧内循环系统、曝气系统、排水、排泥系统构成，生态碳纤维SBBR装置主反应器底部设有与蠕动泵连接的进水管，以多个曝气头作为空气扩散器位于主反应器内部底端，优选位于进水管上面，使得反应器内曝气均匀，鼓风机通过气体转子流量计与曝气头连接；运用循环泵进行厌氧循环以替代原始的搅拌系统，即运用循环泵将主反应器上部和下部的连接使水能够循环；主反应器内设有DO测定仪，下端面设有排泥系统，主反应器中部设有排水口；主反应器固定有生态碳纤维填料，生态碳纤维填料由一系列聚丙烯塑料和碳纤维编成的环状毛刷结构，碳纤维突出环状结构成为环状毛刷结构的毛刷，碳纤维固定在圆环结构上，采用硬质铁丝(如直径为3mm)替代传统尼龙绳将环状毛刷结构串联起来，环状毛刷结构之间具有一定的间隔(如10cm)，采用铁丝主要目的是保证碳纤维填料之间保持相互独立，防止在反应器中因曝气作用出现互相缠绕现象，不能使碳纤维束在水体中完全扩散开，阻碍微生物在其表面充分挂膜吸附。

所述人工湿地装置是由有机玻璃制成得圆柱形装置，参见附图中图1和图4。人工湿地装置内，从底部开始向上以此按级配填装粒径8～10mm的陶粒层、粒径6～8mm的砾石层、粒径3～5mm的沸石层以及天然土壤层，天然土壤层上种有湿地植物；来自SBBR反应器的出水经由湿地布水管均匀进入到湿地系统中，通过间歇运行模式使得湿地床体内部出现连续的好氧、缺氧和厌氧状态，使硝化作用和反硝化作用可以在湿地系统中连续进行。

陶粒层、砾石层、沸石层、天然土壤层的厚度比优选150:100:150:100。

SBBR反应器用于解决污水处理过程中负荷波动过大的问题，并在前处理中大幅度削减污染物浓度，后置人工湿地用于进一步脱氮除磷。

所述生态碳纤维(Carbon fiber，CF)是经丙酮改性后的PAN-ACF，纤维强度高，使用寿命长，且具有良好的生物相容性和极大的比表面积，能够在SBBR系统中为微生物提供较为广阔的附着空间。

所述SBBR装置采用序批式污水处理模式，由进水系统、主反应器、厌氧内循环系统、曝气系统、排水、排泥系统以及自控装置组成，污水在主反应器内完成反应、沉淀、排水等工序，不存在空间上控制的障碍，处理过程灵活。所述进水系统包括进水管、蠕动泵，于距装置底部100mm处进水；所述厌氧内循环系统是运用循环泵进行厌氧循环以替代原始的搅拌系统，反应中优选厌氧循环量固定为5L·min^-1；所述曝气系统是采用鼓风曝气，通过空气转子流量计控制曝气强度，以多个(如3个)细沙曝气头作为空气扩散器使得反应器内曝气均匀；所述排水系统包括蠕动泵和出水管，于距底部350mm处出水至水量调节池；所述排泥系统为SBBR底部半球形排泥装置，直接将剩余污泥排出池外；所述自控设备均为电子定时器，控制各设备的启闭。

所述人工湿地(Constructed wetlands)是通过科学的设计和改造，选用特定的基质与植物构建出的复杂、独特的生态系统，它可利用物理、化学和生物的三重协同作用实现对污水的处理净化。装置由有机玻璃制成，填料根据反应器大小，从底部按级配填装陶粒层、砾石层、沸石层以及天然土壤层，湿地植物优选用菖蒲。

组合处理系统运行具体流程如下：

(1)将生态碳纤维用蒸馏水清洗后烘干；

(2)将城市污水处理厂的活性污泥作为接种污泥进行闷曝活化；

(3)将生态碳纤维悬挂于SBR反应器内，并将活化后的污泥投加到反应器中进行系统生物膜的培养。

(4)SBBR运行周期为8h，其中进水10min、厌氧75min，好氧240-270min，沉淀60min，出水、空闲65-95min，DO保持在3.07～4.09mg/L之间。SBBR出水作为人工湿地进水，人工湿地采取间歇运行模式，停留时间约为12h，水力负荷为0.024m³/(m²·h)。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤(4)中，好氧改为为240min，出水、空闲95min。

(5)人工湿地装置运行，其中进水处理12h，放空复氧12h。

常温下(如10-35℃)，组合处理系统中SBBR装置主要去除COD和氨氮，人工湿地主要去除TN和TP，其中人工湿地对TP的去除效果尤为明显；低温下(常温，如10-35℃)，组合处理系统中SBBR装置对COD和氨氮的降解起到主要作用，而人工湿地对COD和氨氮的降解贡献率较低。

本发明的有益效果在于，本发明所提供的组合处理系统兼具两种污水处理技术的优势，并能够充分发挥人工湿地的处理效能以降低SBBR系统的能耗，在保证出水水质的情况下，使得组合工艺的综合运行费用最低，其优点如下：

(1)生态碳纤维SBBR系统抗冲击负荷强，自控程度高，操作简单；

(2)人工湿地运行成本低，具有良好生态效应，与小区绿化相得益彰，可抵消装置用地的消极影响；

(3)前置SBBR系统可有效防止人工湿地堵塞并减小人工湿地的占地面积，而人工湿地又可以进一步去除SBBR系统出水中的氮磷，实现组合处理系统的高效脱氮除磷。

因此，结合小区生活污水处理工程的特点和要求，采用本发明的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统处理小区生活污水在技术上具有很高的统一性，这是运用此组合工艺处理小区生活污水进行此试验的前提和基础。

附图说明

图1是本发明的组合处理系统工艺流程图；

图2是SBBR系统俯视图；

图3是SBBR系统A-A剖面图；

图4是人工湿地俯视图。

图中：1-排泥系统；2-蠕动泵；3-鼓风机；4-气体转子流量计；5-生态碳纤维；6-生物膜；7-塑料圆环；8-DO测定仪；9-填料悬挂支架；10-菖蒲；11-陶粒、沸石等；12-厌氧循环导流槽；13-出水口；14-土壤；15-湿地布水管。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的结构及工作方式，但本发明并不限于以下实施例。

本发明的组合处理系统由生态碳纤维SBBR装置和人工湿地处理装置组成参见附图中图1、图2和图3，所述生态碳纤维SBBR装置由进水系统、主反应器、厌氧内循环系统、曝气系统、排水、排泥系统以及自控装置组成。污水经蠕动泵2由进水池进入到主反应器中，反应结束后经由蠕动泵2滗水至中间水量调节池，剩余污泥由排泥系统1排出。生态碳纤维5通过支架9悬挂于反应器内，反应过程中将在其上形成生物膜。在反应过程中，厌氧阶段由蠕动泵2抽出厌氧循环导流槽12中的污水再从反应器底部进入反应器中，从而完成厌氧循环；好氧阶段，采用鼓风机3送氧，由气体转子流量计4控制曝气强度，反应器内DO含量由DO测定仪8测定；系统设备的启闭均由电子定时器控制。

本发明中，最为关键的是生态碳纤维SBBR反应器的设计与运行模式，为增强SBBR反应器的脱氮除磷效果，并克服了SBBR工艺脱氮效率不高与连续流分段反应时间固定池容限制等缺点，SBBR反应器采取如下设计与运行方式：

(1)SBBR反应器采取底部进水、上端滗水模式，微孔曝气头装设于反应容器底部，位于生态碳纤维填料下方，鼓风机通过管路与装于反应容器内的曝气头相连，整个反应器运行都采用自动控制；

(2)SBBR反应器设有填料固定支架，生态碳纤维填料由一系列聚丙烯塑料圆环和碳纤维束组成，碳纤维束缠绕在圆环上达到固定目的，本发明用硬质铁丝(直径为3mm)替代传统尼龙绳将圆环串联起来，圆环之间间隔10cm，采用铁丝主要目的是保证碳纤维填料之间保持相互独立，防止在反应器中因曝气作用出现互相缠绕现象，不能使碳纤维束在水体中完全扩散开，阻碍微生物在其表面充分挂膜吸附。

(3)SBBR反应器采用分段式进水模式分散进水负荷，分为进水一反应一沉淀一排水的序批间歇操作、厌氧内循环一好氧曝气交替进行和分步进水三个基本特征，提高了装置的抗冲击负荷能力和处理能力，脱氮效率高，并且处理效果稳定。

生态碳纤维(Carbon fiber，CF)是经丙酮改性后的PAN-ACF，由国家碳纤维工程技术研究中心与北京市水处理环保材料工程技术研究中心联合研发，专利号为201110425930.8，纤维强度高，使用寿命长，且具有良好的生物相容性和极大的比表面积，能够在SBBR系统中为微生物提供较为广阔的附着空间。步骤如下：

步骤一：将碳纤维缠绕成束状结构后放入索氏提取器内并用丙酮进行10小时表面脱胶处理；

步骤二：将脱胶处理后的碳纤维用去离子水冲洗去除表面的丙酮及残余在碳纤维表面的碳纤维胶，制得生物碳纤维；

步骤三：将步骤二所得生物碳纤维截成数段，制得束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料；

步骤四：将制得的束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料垂直放置在水中，构成水草状仿生结构，随流动的水体飘动。

进一步地，所述束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料中的生物碳纤维拉伸强度为3.5－4.9GPa，拉伸模量为220－240GPa。

所述人工湿地装置是由有机玻璃制成得圆柱形装置，参见附图中图1和图4。装置内径200mm，高600mm，壁厚8mm，装置中所有填料根据反应器大小，从底部按级配填装150mm厚的陶粒层(粒径8～10mm)、100mm厚的砾石层(粒径6～8mm)、150mm厚的沸石层(粒径3～5mm)以及100mm厚的天然土壤层。来自SBBR反应器的出水经由湿地布水管均匀进入到湿地系统中，通过间歇运行模式使得湿地床体内部出现连续的好氧、缺氧和厌氧状态，使硝化作用和反硝化作用可以在湿地系统中同时进行。

实施例1：

采用人工合成污水为原水，原水水质：COD：400～500mg/L，氨氮：20～25mg/L，TN：30～35mg/L，TP：4.0～5.0mg/L，PH：7～8。得出组合工艺处生活污水的最佳工况条件与最优的经济运行参数，常温下，当SBBR系统进水10min，厌氧75min，曝气240min，沉淀60min，出水、闲置95min，溶解氧在3.07～4.09mg/L之间时，组合工艺能够实现能耗最低情况下的达标出水。此模式下，SBBR系统对COD、氨氮、TN、TP的去除率分别达到94.6％、94.8％、85.4％、61.1％。人工湿地采取间歇运行模式以进一步脱氮除磷，其中进水12h，放空复氧12h，稳定后湿地对COD、氨氮、TN、TP的去除率分别达到39.3％、47.3％、61.5％、70.7％。此模式下整体组合工艺表现出了良好的脱氮除磷性能，系统出水COD、氨氮、TN、TP浓度均值分别为13.89、0.535、2.047、0.286mg/L，去除率分别能够达到96.7％、97.3％、94.4％、88.6％。

实施例2：

采用北京化工大学6号楼生活污水为原水，具体水质如下：COD：278～398mg/L，氨氮：45～67mg/L，TN：60～85mg/L，TP：4.3～7.6mg/L，pH值为7.3～7.6。常温下，当SBBR系统进水10min，厌氧75min，曝气240min，沉淀60min，出水、闲置95min，溶解氧在3.07～4.09mg/L之间时，SBBR系统对COD、氨氮、TN、TP的去除率分别达到90.70％、87.46％、67.30％、62.86％。人工湿地采取间歇运行模式以进一步脱氮除磷，其中进水12h，放空复氧12h，稳定后湿地对COD、氨氮、TN、TP的去除率分别达到58.34％、40.78％、49.33％、82.82％。此模式下整体组合工艺表现出了良好的脱氮除磷性能，系统出水COD、氨氮、TN、TP浓度均值分别为13.56、4.086、11.598、0.319mg/L，去除率分别能够达到96.12％、92.57％、83.43％、93.62％。

本发明通过小试研究，得到了组合工艺处理生活污水的最佳工况条件与最优的经济运行参数。为生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统产业化推广建立了标准化工艺流程。

在实际应用中，本发明的技术工作流程如下：

生活污水通过集水管道进入初沉池，沉淀去除部分悬浮物以及有机物，以改善后续生物处理构筑物的运行条件，起到调节水量、稳定水质的作用。

初沉池中的水由水泵抽出进入到生态碳纤维SBBR池，SBBR池的运行周期根据人工湿地对污染物的去除效果确定。在常温或高温下，湿地植物生长较好，且组合系统微生物活性都较高，因此可以相应缩短SBBR池曝气的时间和强度以降低组合系统总能耗。在冬季低温下，人工湿地处理效果下降，且组合系统微生物活性降低，因此需提高SBBR池曝气的时间和强度，在水量不大的情况下，还可适当延长系统水力停留时间以提升污水处理效果。在实际工程中，应在充分发挥人工湿地的最大处理效果的前提下，根据不同水质水量，反向地对SBBR池的运行周期进行调整，以达到节能目的。

本发明的组合处理系统在能够稳定实现中水回用的同时，还具有良好的环境、经济效益，可广泛用于农村集中式和分散式污水处理、城市小区中水回用以及大中型河道排污口的截污净化工程。

Claims (8)

1.生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统，其特征在于，系统由生态碳纤维SBBR反应器和垂直潜流人工湿地装置串联组成；生态碳纤维SBBR装置由进水系统、主反应器、厌氧内循环系统、曝气系统、排水、排泥系统构成，生态碳纤维SBBR装置主反应器底部设有与蠕动泵连接的进水管，以多个曝气头作为空气扩散器位于主反应器内部底端，优选位于进水管上面，使得反应器内曝气均匀，鼓风机通过气体转子流量计与曝气头连接；运用循环泵进行厌氧循环以替代原始的搅拌系统，即运用循环泵将主反应器上部和下部的连接使水能够循环；主反应器内设有DO测定仪，下端面设有排泥系统，主反应器中部设有排水口；主反应器固定有生态碳纤维填料，生态碳纤维填料由一系列聚丙烯塑料和碳纤维编成的环状毛刷结构，碳纤维突出环状结构成为环状毛刷结构的毛刷，碳纤维固定在圆环结构上，采用硬质铁丝替代传统尼龙绳将环状毛刷结构串联起来，环状毛刷结构之间具有一定的间隔，采用铁丝主要目的是保证碳纤维填料之间保持相互独立，防止在反应器中因曝气作用出现互相缠绕现象，不能使碳纤维束在水体中完全扩散开，阻碍微生物在其表面充分挂膜吸附；

所述人工湿地装置是由有机玻璃制成得圆柱形装置；人工湿地装置内，从底部开始向上以此按级配填装粒径8～10mm的陶粒层、粒径6～8mm的砾石层、粒径3～5mm的沸石层以及天然土壤层，天然土壤层上种有湿地植物，来自生态碳纤维SBBR反应器的出水经由湿地布水管均匀进入到湿地系统中。

2.按照权利要求1所述的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统，其特征在于，陶粒层、砾石层、沸石层、天然土壤层的厚度比为150:100:150:100。

3.按照权利要求1所述的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统，其特征在于，生态碳纤维是经丙酮改性后的PAN-ACF。

4.按照权利要求1所述的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统，其特征在于，采用自动控制装置进行控制。

5.采用权利要求1-4任一项所述的生态碳纤维SBBR与人工湿地组合处理系统进行水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将生态碳纤维用蒸馏水清洗后烘干；

(2)将城市污水处理厂的活性污泥作为接种污泥进行闷曝活化；

(3)将生态碳纤维悬挂于SBR反应器内，并将活化后的污泥投加到反应器中进行系统生物膜的培养；

(4)SBBR运行周期为8h，其中进水10min、厌氧75min，好氧240-270min，沉淀60min，出水、空闲65-95min，DO保持在3.07～4.09mg/L之间；

(5)人工湿地装置运行，其中进水处理12h，放空复氧12h。

6.按照权利要求5的方法，其特征在于，SBBR出水作为人工湿地进水，人工湿地采取间歇运行模式，停留时间为12h，水力负荷为0.024m³/(m²·h)。

7.按照权利要求5的方法，其特征在于，步骤(4)中，好氧改为为240min，出水、空闲95min。

8.按照权利要求5的方法，其特征在于，SBBR运行时厌氧循环量固定为5L·min^-1。