CN106430541A - 生物滴滤器生活污水处理系统及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物滴滤器生活污水处理系统及其处理方法，所述处理系统包括进水水箱，进水水箱通过水泵与进水管道一端相连接，进水管道另一端连接布水设备，布水设备下方放置生物滴滤器；所述生物滴滤器包括箱体，箱体底部设置有若干出水孔、箱体内部包括自下而上填充的卵石层和若干层沸石填料层，相邻2层沸石填料层之间均匀摊铺铁屑层，沸石填料层上附着有微生物挂膜；污水由所述水泵抽入所述进水管道中，由所述布水设备以滴状洒在所述生物滴滤器中进行净化处理。出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级排放标准要求，运行过程中未发生堵水、堵塞现象，亦无需人工通风，能够适用于我国农村地区污水的分散式处理。

Description

生物滴滤器生活污水处理系统及其处理方法

技术领域

本发明属于生物净化系统技术领域，具体地说，涉及一种生物滴滤器生活污水处理系统及其处理方法。

背景技术

据统计，近年来，我国排放污水的总量达到600亿吨/年，其中农村生活污水排放量80亿吨/年，我国96％的村庄没有设置合理的排水渠道和污水处理设施，如此庞大的生活污水随意排放至河沟、水流，造成了严重的地表水污染、土壤污染、甚至地下水污染，已经成为仅次于工业污水污染的第二大水体污染源。“十三五”规划提出了“围绕城乡发展一体化，深入推进新农村建设”的重大历史任务，并明确了“全面推进农村人居住环境整治，加大新农村污水治理”的建设目标。

我国广大农村地区生活污水具有较大的分散性，且处理率很低。目前，农村生活污水处理常用的技术有化粪池、土地处理系统、人工湿地等，然而这些技术均存在各自的缺陷，例如：化粪池对氮磷去除效果差；土地处理系统需要占用大量土地，易造成地下水污染；人工湿地技术长期运行会导致土壤有机质积累和板结。因此，开发环境可持续、易控制生活污水中氮磷营养盐的技术很有必要。

发明内容

有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种生物滴滤器生活污水处理系统及其处理方法，结构简单，容易控制，基建成本和运行成本低、减排污染物量大、占地面积小、无需专业维护，可以因地制宜灵活布置，适合我国新农村建设发展的需求，具有积极地推广价值。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种生物滴滤器生活污水处理系统，包括进水水箱，所述进水水箱通过水泵与进水管道一端相连接，所述进水管道另一端连接布水设备，所述布水设备下方放置生物滴滤器；所述生物滴滤器包括箱体，所述箱体底部设置有若干出水孔、箱体内部包括自下而上填充的卵石层和若干层沸石填料层，相邻2层沸石填料层之间均匀摊铺铁屑层，所述沸石填料层上附着有微生物挂膜；

污水由所述水泵抽入所述进水管道中，由所述布水设备以滴状洒在所述生物滴滤器中进行净化处理。

进一步地，所述卵石层的厚度为100mm，卵石的粒径为10-50mm；所述沸石填料层设置多层，每层的厚度为100mm，沸石的粒径为3-5mm；所述铁屑层厚度为10mm，铁屑的粒径为1-3mm。

进一步地，所述生物滴滤器底部的出水孔占底部总面积的20％-30％，出水孔孔径为5-8mm。

进一步地，所述生物滴滤器下方设置收集水箱，用于盛放经所述生物滴滤器净化后的水，所述收集水箱通过出水管道连接收集器。

进一步地，所述水泵连接有定时继电器，用于控制所述水泵的启停。

进一步地，所述处理系统还包括支架，所述支架用于放置所述生物滴滤器。

本发明还公开了一种生物滴滤器，包括箱体，所述箱体底部设置有若干出水孔、箱体内部包括自下而上填充的卵石层和若干层沸石填料层，相邻2层沸石填料层之间均匀摊铺铁屑层，所述沸石填料层上附着有微生物挂膜。

进一步地，所述卵石层的厚度为100mm，卵石的粒径为10-50mm；所述沸石填料层设置多层，每层的厚度为100mm，沸石的粒径为3-5mm；所述铁屑层厚度为10mm，铁屑的粒径为1-3mm。

进一步地，所述生物滴滤器底部的出水孔占底部总面积的20％-30％，出水孔孔径为5-8mm。

本发明还公开了一种生活污水处理方法，该处理方法使用上述的生物滴滤器生活污水处理系统，包括以下步骤：

设置运行条件，启动生物滴滤器，采用连续进水方式挂膜，生物滴滤器初始进水为体积比2:1的生活污水与活性污泥的混合液，通过布水设备以滴状洒在生物滴滤器内的填料中，水力负荷为200～400L·m^-2·d^-1；

当沸石填料层的沸石颗粒之间被一些生物絮体围绕，进水由混合液调整为生活污水，经生物滴滤器处理后排出。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

(1)本发明提供的生物滴滤器生活污水处理系统，通过合理构建系统内的填料载体，可以依靠自然通风供氧，使得系统内生物挂膜上同时存在多个好氧-缺氧微环境和化学氧化环境，从而具备同步除碳、脱氮、除磷功能，实现农村生活污水中有机物和氮磷同步去除。

(2)水力负荷为300L·m^-2·d^-1时，生物滴滤器对COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分别为90.8％、87.1％、67.2％、90.1％，出水COD、氨氮、TN、TP浓度分别低于50、8、20、0.5mg/L，处理出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级排放标准要求。且在运行过程中未发生堵水、堵塞现象，亦无需人工通风，能够适用于我国农村地区污水的分散式处理。

(3)该系统的运行无需专门的机械曝气设施、无需专业人员维护，与化粪池、稳定塘、人工湿地等专业维护的技术相比，明显更加适用于新农村建设过程中农村生活污水的治理，也更加满足“十三五”规划的“加大新农村污水治理”的要求。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例生物滴滤器生活污水处理系统的结构示意图；

图2为本发明实施例生物滴滤器的结构示意图；

图3为本发明实施例生物滴滤器中生物挂膜的电镜图；其中，(a)为挂膜前，(b)为挂膜后，(c)、(d)、(e)、(f)分别为运行稳定期间沿程高度100mm、200mm、300mm、400mm处。

图中：1-进水水箱，2-水泵，3-进水管道，4-布水设备，5-生物滴滤器，51-卵石层，52-铁屑层，53-沸石填料层，6-支架，7-收集水箱，8-出水管道，9-收集器。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明提供一种生物滴滤器生活污水处理系统，参见图1，包括进水水箱1，所述进水水箱1通过水泵2与进水管道3一端相连接，所述进水管道3另一端连接布水设备4，所述布水设备4下方放置生物滴滤器5；所述生物滴滤器5包括箱体，所述箱体底部设置有若干出水孔、箱体内部包括自下而上填充的卵石层51和若干层沸石填料层53，相邻2层沸石填料层53之间均匀摊铺铁屑层52，所述沸石填料层53上附着有微生物挂膜；

污水由所述水泵2抽入所述进水管道3中，由所述布水设备4流至所述生物滴滤器5中进行净化处理。

进一步地，所述卵石层51的厚度为100mm，卵石的粒径为10-50mm；卵石层粒径和厚度选择该范围，在二者的共同作用下可避免卵石层上方的沸石填料和铁屑掉落，从而堵塞生物滴滤器底部的出水孔，也有利于反冲洗时使水流速度均匀，避免将沸石填料层和铁屑层冲散。

所述沸石填料层53设置多层，每层的厚度为100mm，沸石的粒径为3-5mm；沸石填料层厚度和沸石粒径的选择，二者共同作用可更有效地吸附污水中的氨氮，并促进溶解氧和氨氮的传质，有利于微生物的附着生长和挂膜。多层填料层的设置是为了形成更多的好氧-缺氧微环境，从而借助硝化-反硝化微环境，有效促进污水中氨氮和有机物的去除，优选设置4层。

所述铁屑层52的厚度为10mm，铁屑的粒径为1-3mm。铁屑厚度和粒径的选择，其共同作用有利于借助进水端和出水端的通风情况(溶解氧浓度较高)，促进溶解氧和总磷在铁屑层中的传递，铁在有氧环境中更有利于形成铁离子，从而保证总磷和铁离子的化学沉淀反应，进而促进污水中总磷的分层去除。

沸石填料层53填充粒径为3-5mm的粗粒沸石并在其间均匀摊铺铁屑层52，污水中的PO₄ ^3-易与铁离子发生化学吸附而沉淀析出，并被过滤截留于系统中，以加强污水中氮磷营养盐的去除效果，同时，利用生物滴滤器5中的微生物挂膜降解污水中的有机物，并进一步降解氨氮。

进一步地，所述生物滴滤器5底部的出水孔占底部总面积的20％-30％，出水孔孔径为5-8mm。

进一步地，所述生物滴滤器5为长方体结构，由普通市售的有机玻璃板制作而成，其长×宽×高为450mm×250mm×600mm，无盖。

进一步地，所述生物滴滤器5下方设置收集水箱7，用于临时盛放经所述生物滴滤器5净化后的水，所述收集水箱7通过出水管道8连接收集器9。优选的，所述出水管道8上连接有抽水泵，将收集水箱7中的水经出水管道8抽入收集器9中存放。

进一步地，所述水泵2连接有定时继电器，型号为DHC19S-S，用于控制所述水泵2的启停。

进一步地，所述处理系统还包括支架6，所述支架6用于放置所述生物滴滤器5。

本发明还提供一种生物滴滤器，参见图2，包括箱体，所述箱体底部设置有若干出水孔、箱体内部包括自下而上填充的卵石层51和若干层沸石填料层53，相邻2层沸石填料层53之间均匀摊铺铁屑层52，所述沸石填料层53上附着有微生物挂膜。

所述卵石层51的厚度为100mm，卵石的粒径为10-50mm；所述沸石填料层53设置多层，每层的厚度为100mm，沸石的粒径为3-5mm；所述铁屑层52厚度为10mm，铁屑的粒径为1-3mm。

进一步地，所述生物滴滤器5底部的出水孔占底部总面积的20％-30％，出水孔孔径为5-8mm。

进一步地，所述生物滴滤器5为长方体结构，其长×宽×高为450mm×250mm×600mm。

本发明还提供一种生活污水处理方法，该方法使用上述生物滴滤器生活污水处理系统，包括以下步骤：

设置运行条件，启动生物滴滤器，采用连续进水方式挂膜，为加快生物挂膜的生长，生物滴滤器初始进水为体积比2:1的生活污水与活性污泥的混合液，通过布水设备以滴状洒在生物滴滤器内的填料中，水力负荷为200～400L·m^-2·d^-1，优选300L·m^-2·d^-1；

当沸石填料层的沸石颗粒之间被一些生物絮体围绕，进水由混合液调整为生活污水，经生物滴滤器处理，由置于生物滴滤器底部的收集水箱和出水管道收集并排出。

污水净化原理为：污水长期以滴状洒在沸石填料层表面，其中的氨氮首先被沸石吸附，而污水中的微生物则在沸石表面和间隙逐渐形成生物挂膜，污水、空气与生物挂膜接触传质，进而实现了污水中有机物的分解去除，长期稳定运行过程中，由于生物挂膜逐渐增长变厚，溶解氧通过扩散作用通常只能进入生物挂膜表层的深度，因此生物挂膜上同时存在好氧区和缺氧区，使整个系统具有生物脱氮的功能。

以下结合具体的实施例来说明本发明的有益效果：

实验污水水质

生活污水，水质为：COD 220mg/L、氨氮45mg/L、总氮50mg/L、总磷5mg/L、pH＝8。

接种活性污泥来自成都双流航空港污水处理厂。

使用上述生物滴滤器生活污水处理系统和处理方法处理，生物滴滤器连续运行7d后，可以明显观察到原本表面清洁边界清晰的沸石填料层表面逐渐变得粗糙模糊，色泽由起初的灰白色逐渐变成土褐色，其上生长有很多绒状的生物膜，表明生物滴滤器内初步形成了生物挂膜。在此阶段，随着时间的延长，COD和氨氮去除率逐渐上升，最高可分别达到36％、29％，这是由于活性污泥中的微生物通过水力条件和自身运动逐渐从水相转移到填料表面和间隙中，摄取污水中的部分有机物质、氮磷等，不断生长繁殖，进而形成生物挂膜。第8d开始，生物滴滤器进水由混合液调整为模拟生活污水，进水水力负荷为200L·m^-2·d^-1，并对处理出水中的COD和氨氮进行连续检测。污水中COD和氨氮去除率呈稳步上升趋势，挂膜最后阶段(26-30d)，COD和氨氮去除率分别可达到85％和68％以上(出水COD浓度低于35mg/L、氨氮浓度低于15mg/L)，处理出水中COD和氨氮相邻两次监测结果的相对偏差均低于10％，基本达到了稳定的运行状态，表明生物滴滤器达到了较好的挂膜效果。此外，随着滴滤器挂膜时间的延长，可以观察到吸附在沸石填料表面和间隙中的生物量逐渐增多，且覆盖在沸石填料上的生物挂膜颜色不断加深。

水力负荷为200～400L·m^-2·d^-1时，沸石生物滴滤器对污水中化学需氧量(COD)的平均去除率分别为84.8％、90.8％、84.9％，出水COD浓度均小于50mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级排放标准要求。

较低的水力负荷条件下(200、300L·m^-2·d^-1)，生物滴滤器表现出较高的氨氮去除能力，氨氮的平均去除率均在85％以上，出水氨氮平均浓度低于8mg/L，随着水力负荷增加到400L·m^-2·d^-1，生物滴滤器对氨氮的去除效果下降至71.2％左右，处理出水氨氮的平均浓度约为13.5mg/L，整体而言，生物滴滤器对污水中氨氮的去除效果能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级排放标准要求。

水力负荷分别为200～400L·m^-2·d^-1时，TN的平均去除率均在60％以上，出水TN平均浓度低于20mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级排放标准要求。

生物滴滤器对总磷(TP)的平均去除率均高于90％，出水TP浓度低于0.5mg/L(平均去除率90.1％)。然而，没有填充铁屑层的生物滴滤器在相同条件下对TP的平均去除率低于20％，说明生物滴滤器对总磷的去除主要是由于铁屑的化学作用，而微生物作用很小(平均<20％)。这是因为在沸石填料层中，好氧环境使得铁更易转化为Fe³⁺，并且在氧化速度缓慢的情况下，Fe³⁺的水解要比它与磷酸盐的沉淀(FePO₄)反应要慢，即，Fe³⁺更易与PO₄ ^3-反应生成沉淀FePO₄，进而被去除。此外，部分Fe³⁺发生水解生成的Fe(OH)₃胶体及少量多羟基聚合物，能够对磷酸盐沉淀、污水中的其它胶体物质起到混凝沉降作用，从而强化污水中TP的去除。

不同水力负荷条件下，填料吸附对有机物的去除率差别较为明显，而且在低负荷条件下，填料吸附对有机物的去除作用较为明显(去除贡献率分别为：32.6％、21.6％、17.0％)，但是有机物的去除数量差别并不明显，说明填料吸附对生物滴滤器去除有机物的贡献有一定限度。水力负荷为300L·m^-2·d^-1时，微生物降解对有机物去除的贡献率最大，为69.2％。

生物滴滤器内的溶解氧浓度为0.4-2.2mg/L，呈现两端高、中间低的趋势，即：滴滤器进水口(500mm)与出水口(0mm)溶解氧浓度较高，生物滴滤器内部溶解氧浓度最低为0.4mg/L，能够保证反硝化过程的顺利进行，促进污水中总氮(TN)的去除。

生物滴滤器内的沸石填料层的沸石在挂膜前显示出不规则空隙结构，参见图3(a)，这有利于微生物在其中生长，并形成生物挂膜；图3(b)显示沸石表面已覆盖有生物挂膜，能够对污水中的有机污染物起到吸附、降解作用。取生物滴滤器沿程高度100、200、300、400mm处的沸石，采用电子显微镜观察其表面的生物挂膜特征及微生物的生长情况。图3(c)-(f)显示，沸石表面附着的生物挂膜呈浅褐色，有球状、杆状、螺状等微生物，表明生物滴滤器内微生物具备多样性。

生物滴滤器对污水中有机物和氮磷的去除途径结果表明：微生物降解作用对污水中COD、氨氮、TN的去除贡献率最大，而沸石的吸附作用是TP去除的主要途径，铁屑的氧化是影响填料吸附过程的重要因素。此外，生物滴滤器生物挂膜中细菌多样性十分丰富。水力负荷为300L·m^-2·d^-1时，滴滤器对COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分别为90.8％、87.1％、67.2％、90.1％，出水COD、氨氮、TN、TP浓度分别低于50、8、20、0.5mg/L，处理出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级排放标准要求。生物滴滤器在运行过程中未发生堵水、堵塞现象，亦无需人工通风，能够适用于我国农村地区污水的分散式处理。

技术经济分析：

本发明的生物滴滤器生活污水处理系统，适用于新农村建设过程推进生活污水的治理，针对典型的五口之家，按照人均用水量80L/(人·d)，污水产生系数0.65计算，则该家庭每天产生生活污水量80×5×0.65＝260L；

假设水力停留时间为72h，构建砖混结构的生物滴滤器系统，规格为0.45m×0.25m×0.6m，按照市场土建工程费用500元/m³，则土建工程费用约405元；

设备材料：潜水泵1台，200元；管道和布水器，200元；沸石，按照生物滴滤器系统的布置，共需0.54m³，市场价格490元/吨，沸石密度2.0g/cm³，则沸石费用约529元；铁屑，按照生物滴滤器系统的布置，共需0.0405m³，铁的密度7.85g/cm³，在实际应用中，采用废旧铁丝、铁皮、机加工产生的铁渣碎屑等，按照2016年废铁回收价格0.6元/kg，则需费用191元，共计200+200+529+191＝1120元。

设备安装费：1120×15％＝168元。

如此，对单用户来说，生物滴滤器生活污水处理系统建设工程费合计约为：405+1120+168＝1693元。

取运行年限为8年，则年折旧费用为212元。

若考虑将居住比较集中的村镇生活污水集中收集，统一建设，则该建设投资将由于规模效应而大幅减低。

参照实际运行情况，水泵每天累计运行0.4h，功率0.2kW,效率0.55，电价0.6元/kW·h计，则每天运行成本：

对单户居民来说，实际每天电费为0.09元。

由此，对于5人的农村家庭而言，该系统在使用过程中每年仅需：

Y＝212+0.09×365＝245元，其中包含了基建费用和运行费用。

本发明的生物滴滤器生活污水处理系统，避免了传统好氧污水处理技术中能耗最大的机械曝气系统的建设，建造和运行成本低，能有效完成对有机物的降解和硝化作用，并能够同步脱氮除磷，结构简单，安装快捷，操作简单，易于管理，不需要额外通风曝气，成功运行后无需专业技术人员维护，占地面积小，运行后除去水泵的电力消耗，其他几乎没有运行成本，相比之下确实能达到“节能”，完全避免了人工湿地、土地处理系统、化粪池等所体现的缺点，在新农村生活污水处理领域具有较高的推广价值。2011年中央1号文件和中央水利工作会议明确要求实行最严格水资源管理制度，其中有确立水功能区限制纳污红线，到2030年主要污染物入河湖总量控制在水功能区纳污能力范围之内，水功能区水质达标率提高到95％以上的要求，本发明的污水处理系统完全适应了国家相关政策的要求。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.生物滴滤器生活污水处理系统，其特征在于，包括进水水箱(1)，所述进水水箱(1)通过水泵(2)与进水管道(3)一端相连接，所述进水管道(3)另一端连接布水设备(4)，所述布水设备(4)下方放置生物滴滤器(5)；所述生物滴滤器(5)包括箱体，所述箱体底部设置有若干出水孔、箱体内部包括自下而上填充的卵石层(51)和若干层沸石填料层(53)，相邻2层沸石填料层(53)之间均匀摊铺铁屑层(52)，所述沸石填料层(53)上附着有微生物挂膜；

污水由所述水泵(2)抽入所述进水管道(3)中，由所述布水设备(4)以滴状洒在所述生物滴滤器(5)中进行净化处理。

2.如权利要求1所述的生物滴滤器生活污水处理系统，其特征在于，所述卵石层(51)的厚度为100mm，卵石的粒径为10-50mm；所述沸石填料层(53)设置多层，每层的厚度为100mm，沸石的粒径为3-5mm；所述铁屑层(52)厚度为10mm，铁屑的粒径为1-3mm。

3.如权利要求1或2所述的生物滴滤器生活污水处理系统，其特征在于，所述生物滴滤器(5)底部的出水孔占底部总面积的20％-30％，出水孔孔径为5-8mm。

4.如权利要求1所述的生物滴滤器生活污水处理系统，其特征在于，所述生物滴滤器(5)下方设置收集水箱(7)，用于盛放经所述生物滴滤器(5)净化后的水，所述收集水箱(7)通过出水管道(8)连接收集器(9)。

5.如权利要求1所述的生物滴滤器生活污水处理系统，其特征在于，所述水泵(2)连接有定时继电器，用于控制所述水泵(2)的启停。

6.如权利要求1所述的生物滴滤器生活污水处理系统，其特征在于，所述处理系统还包括支架(6)，所述支架(6)用于放置所述生物滴滤器(5)。

7.一种生物滴滤器，其特征在于，包括箱体，所述箱体底部设置有若干出水孔、箱体内部包括自下而上填充的卵石层(51)和若干层沸石填料层(53)，相邻2层沸石填料层(53)之间均匀摊铺铁屑层(52)，所述沸石填料层(53)上附着有微生物挂膜。

8.如权利要求7所述的生物滴滤器，其特征在于，所述卵石层(51)的厚度为100mm，卵石的粒径为10-50mm；所述沸石填料层(53)设置多层，每层的厚度为100mm，沸石的粒径为3-5mm；所述铁屑层(52)厚度为10mm，铁屑的粒径为1-3mm。

9.如权利要求7所述的生物滴滤器，其特征在于，所述生物滴滤器(5)底部的出水孔占底部总面积的20％-30％，出水孔孔径为5-8mm。

10.一种生活污水处理方法，其特征在于，该处理方法使用如权利要求1所述的生物滴滤器生活污水处理系统，包括以下步骤：

设置运行条件，启动生物滴滤器，采用连续进水方式挂膜，生物滴滤器初始进水为体积比2:1的生活污水与活性污泥的混合液，通过布水设备以滴状洒在生物滴滤器内的填料中，水力负荷为200～400L·m^-2·d^-1；

当沸石填料层的沸石颗粒之间被一些生物絮体围绕，进水由混合液调整为生活污水，经生物滴滤器处理后排出。