CN108558141B - 低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统及处理方法，该处理系统包括依次连接的格栅、调节池、厌氧生物反应器、固定化低温强化反应器、沉淀池和交替式潜流人工湿地，厌氧生物反应器连接沼气回收利用装置，沉淀池连接污泥处理装置；其中，固定化低温强化反应器中接种有低温菌剂；交替式潜流人工湿地包括至少两层独立运行的湿地，相邻两层湿地间设置不透水的隔层。采用该系统处理污水的方法为：农村污水经格栅去除大的悬浮物和漂浮物后进入调节池均化水质水量，然后依次进入厌氧生物反应器和固定化低温强化反应器分别进行厌氧处理和有氧曝气处理，而后流入沉淀池，沉淀池中上清液进入交替式潜流人工湿地高效净化后排放。

Description

低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及一种农村污水处理系统及处理方法，特别涉及一种低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统及处理方法，属于水处理技术领域。

背景技术

农村污水是指农村地区居民在生活和生产过程中形成的污水，具体包括生产污水和生活污水两个方面，农村生活污水是指居民生活过程中厕所排放污水、洗浴、洗衣服和厨房污水等，农村生产污水是指畜禽养殖业、水产养殖业、农产品加工等产生的高浓度有机废水。目前，农村污水一般是指农村生活污水。农村生活污水量大面广，具有分散性，不易被汇集等特点，其数量、成分、污染物浓度与居民的生活习惯、生活水平、水资源的享有状况有关。随着近年来农村生活污水中氮、磷含量的增加，造成和加重了水体的富营养化现象，受纳水体水质恶化严重。

现有的农村污水处理系统大多只针对于中温或者中温以上的温度才会起到一定的处理效果。但在我国华北、东北、西北地区冬季气候寒冷，冰冷期长达一个月，严酷的气候条件对于污水净化极为不利。当环境温度低于10℃时，绝大部分的中温微生物已不能代谢外源物质，也就表示农村污水处理效果会大幅度下降，或者无法达到其出水标准，这些都会导致农村污水系统在低温环境下无法正常运行，所以说，如何使农村污水处理系统在低温条件下高效运行并达到一定的出水要求，成为处理农村污水的一个重要考虑条件。

由于农村社会经济条件的限制和自然条件的优势，多选择生态工艺处理或者单一的生物法处理，虽然自然生态处理系统基建费以及运行费用较低，但系统运行状况，污水处理效果易受自然因素影响；人工生态处理系统，去污效果稳定，见效快，但运行管理费用高，维修复杂；而且单一的生物法或者生态工艺根本无法达到其处理标准。基于生物工艺处理成本高，生态工艺占地面积大，人工湿地系统、土地系统等工艺易发生堵塞等，农村污水处理技术多采用生物生态组合工艺，前段生物处理主要去除有机物和一部分营养物质，后续生态处理则是对前序单元出水进一步脱氮除磯。人工湿地是目前应用最普遍的一种后续生态处理技术。主要的组合工艺有＂接触氧化-人工湿地、厌氧-人工湿地＂、＂厌氧-滴滤-人工湿地、厌氧滤池-氧化塘-生态渠＂等，但现有的技术处理效果都受气候变化影响较大、处理效果不稳定，都存在一定的局限性。

发明内容

发明目的：针对现有的农村污水处理系统无法在低温条件下高效运行、处理效果不稳定等问题，本发明提供一种低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，并提供通过该系统处理农村污水的方法，采用该系统能够在低温条件下实现对农村污水的高效处理。

技术方案：本发明所述的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，包括依次连接、对污水进行逐级处理的格栅、调节池、厌氧生物反应器、固定化低温强化反应器、沉淀池和交替式潜流人工湿地，还包括与厌氧生物反应器连接的沼气回收利用装置，以及与沉淀池连接的污泥处理装置；其中，固定化低温强化反应器用于对污水进行曝气处理的，其内接种有低温菌剂；交替式潜流人工湿地包括至少两层独立运行的湿地，相邻两层湿地间设置不透水的隔层。

该处理系统结合了厌氧生物反应器、固定化低温强化反应器和交替式潜流人工湿地三种生物、生态处理工艺的优势，能有效提高污水处理效果；而且，整个系统能在低温条件下高效运行，其中，厌氧生物反应器本身不耗能，能在低温下运行，固定化低温强化反应器中投加了低温菌剂，使其能在低温条件下进行曝气处理，提高低温处理效率；交替式潜流人工湿地设置至少两层独立运行的湿地，低温时可采用下层潜流系统对污水进行净化，且此时上层湿地可作为下层湿地的防冻隔离层，起到保温防冻的作用，保证交替式人工湿地在低温下高效运行。

其中，厌氧生物反应器可为厌氧折流板反应器，其包括串联的多个上流式悬浮污泥反应室、搅拌室和折流板过滤池，其中，上流式悬浮污泥反应室内接种厌氧污泥-粉煤灰，且其内设置弹性立体填料，折流板过滤池内部设有用于阻截活性污泥的滤料；上流式悬浮污泥反应室上部设置排气管，下部设置排泥管。较优的，厌氧生物反应器外部设置保温层，从而可进一步保证该反应器在低温条件下运行。

上流式悬浮污泥反应室上部的排气管连接沼气回收利用装置，该沼气回收利用装置可包括依次连接的沼气脱水罐、干法沼气脱硫罐、变压吸附脱碳罐和沼气储气柜，对沼气进行脱水、脱硫、脱碳处理后存储，进行资源化利用。

较优的，固定化低温反应器包括依次连通的至少两个好氧生物反应隔室，污水以推流态依次经过每个隔室；其中，每个隔室底部均设有微孔曝气器，且微孔曝气器上方设置弹性立体填料；低温菌剂通过生物自固定化投加固定在该弹性立体填料上。固定化低温强化反应器运行时，农村污水以推流态依次经过每个隔室，由于不同隔室之间存在污染物浓度梯度，使得不同种群的微生物在不同隔室内生长并形成优势菌群，以两个隔室为例，与进水口连通的第一隔室用以去除含碳有机物为主，使COD、BOD降低，与出水口连通的第二隔室因其进水有机物浓度较低，使硝化细菌成为优势菌种；至少多个隔室的组合可以进一步提升系统的处理能力。

其中，低温菌剂可为耐冷菌；耐冷菌优选为短杆菌属和黄杆菌属组成的复合耐冷菌。

上述交替式潜流人工湿地可包括依次连接的进水调节池、湿地基质层和集水池，湿地基质层包括上层湿地和下层湿地，两层湿地分别通过布水管道与进水调节池连通，并分别通过出水管道接入集水池。

其中，上层湿地自上而下可包括用于植物种植的土壤层、小粒径砾石层I、大粒径砾石层I三层基质层，下层湿地自上而下可包括大粒径砾石层II、混合滤料层和大粒径砾石层III三层基质层。

本发明所述的利用低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统处理污水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)农村污水经格栅去除水中大的悬浮物和漂浮物后进入调节池均化水质水量；

(2)调节池出水进入厌氧生物反应器分解水中部分有机物，产生的沼气进入沼气回收利用装置进行资源化利用；

(3)厌氧生物反应器出水流入固定化低温强化反应器，经曝气有氧分解有机污染物后进而流入沉淀池；

(4)沉淀池中沉淀的活性污泥进入污泥处理装置，上清液一部分回流到调节池，另一部分进入交替式潜流人工湿地，对污水高效净化后达到排放标准排放。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明的农村污水生物—生态组合处理系统能够在低温条件下对污水进行高效处理，有效提高污染物净化效能、改善污泥性能、加快系统启动、强化系统稳定性和耐负荷冲击能力，可在不扩充现有农村污水处理设施的前提下，有效地提高农村污水处理系统的范围和能力；(2)该处理系统以厌氧生物反应器、固定化低温强化反应器和交替式潜流人工湿地为主体，其中，厌氧生物反应器本身不耗能，又能大幅降低后续好氧工艺的有机负荷，固定化低温强化反应器只需采用太阳能充氧方式，可实现高效、节能和低费，使整个技术系统在农村地区具有可持续性和生命力；生态段交替式潜流人工湿地依赖基质、微生物和植物的共同作用，在持续去除有机物的同时，强化脱氮除磷，各级处理单元之间具有较强的互助和互补性，运用组合增效原理提高系统的去污能力；(3)该处理系统将生物-生态技术相结合，可达到生态效益与经济效益的平衡可持续发展，且此系统无二次污染产生，其可通过利用太阳能发电减少建设费用和运行费用，且对产生的沼气充分利用，实现了资源的可持续发展和循环利用，另外，该处理系统规模小、去污能力强、成本和运行费低、管理维护简单方便；(4)本发明的农村污水处理工艺简单易行、操作方便、运行稳定、且去污效率较高，使农村污水处理工艺的维护得到有力保障。

附图说明

图1为本发明的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统工艺流程图；

图2为本发明的厌氧生物反应器的结构示意图；

图3为本发明的固定化低温强化反应器的结构示意图；

图4为本发明的交替式潜流人工湿地的结构示意图；

图5为本发明的沼气回收利用装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1，本发明的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，其包括：格栅1、调节池2、厌氧生物反应器3、固定化低温强化反应器4、沉淀池5、交替式潜流人工湿地6、沼气回收利用装置7和污泥处理装置8，其中，格栅1、调节池2、厌氧生物反应器3、固定化低温强化反应器4、沉淀池5和交替式潜流人工湿地6依次连接，对污水进行逐级处理；厌氧生物反应器3与沼气回收利用装置7连接，将厌氧生物反应器3反应过程中产生的沼气进行资源化利用；污泥处理装置8与沉淀池5连接，对沉淀的活性污泥进行处理。

该处理系统中，格栅1的作用是截留并去除农村污水中含有的大量较大颗粒的悬浮物和漂浮物，对水泵及后续处理单元起保护作用。格栅1的栅渣采用人工清渣的方式处理，污水通过格栅1处理后进入调节池2。

调节池2的作用是调节水量以及均和污水水质，包括调节污水pH值、水温，各项指数，有预曝气作用，还可用作事故排水。

厌氧生物反应器3用于对污水进行厌氧处理，其可为厌氧折流板反应器，如图2，反应器内部设置上、下折流板，从而在水流方向上形成彼此串联、大小不同的6个隔室，分别为第一隔室301、第二隔室302、第三隔室303、第四隔室304、第五隔室305和第六隔室306，相邻隔室之间设置隔板315，污水从进水口308流入，依次经过六个隔室后经排水口309流出；每一块上折流板与底部的间距均相同，反应器内折流板依次降低，以构成一定的液位差，防止雍水，具有良好的生物固体的截留能力，延长水流在反应器内的流径时间，从而促进污水与污泥的接触；

其中，第一隔室301、第二隔室302、第三隔室303、第四隔室304均为上流式悬浮污泥反应室，下部为污泥反应区，每个隔室中均放置弹性立体填料310，弹性立体填料具有强制性的紊动作用，产生湍流流态；第五隔室305为搅拌室，其中放置搅拌设备314，其搅拌速度以搅拌均匀且不增加溶解氧为宜；第六隔室306为折流板过滤池，其中投加轻质颗粒滤料311，此处轻质颗粒滤料选择轻质硅藻土陶粒，可由75％硅藻土原料和5％碳酸钙、20％碳酸氢钠、5％水玻璃添加剂组成，其气孔率为61.33％，体积密度0.822g/cm³，填料粒径1.5mm，利用滤料的截留作用进一步保证出水的去除效果，同时附着的微生物对污染物还能起到进一步的降解去除作用；并在出水口309下方加装网罩316，以防止滤料流失；

厌氧生物反应器3外部可做保温措施，如设置保温材料的外壳313；

厌氧生物反应器3水力停留时间为8小时，且在第一隔室至第四隔室中接种厌氧污泥-粉煤灰，其中，粉煤灰粒径为20-80μm；粉煤灰孔隙率高、比表面积大、比重较大，可大大缩短厌氧生物反应器启动时间，且粉煤灰的物理吸附具有无选择性的特点，对污水中的各种有机、无机污染物均具有较强的吸附能力.既能维持系统较高的生物量，又能保证较好的出水水质，使厌氧生物反应器功效在一定条件下得以强化；

在每一个隔室的下方都设有排泥管312，在厌氧生物反应器3的上方设有排气管307。

固定化低温强化反应器4用于对污水进行曝气处理，其包括至少两个依次连通的好氧生物反应隔室。以两个好氧生物反应隔室为例，如图3，固定化低温强化反应器4包括第一隔室401和第二隔室402，两个隔室内均设有微孔曝气器407，其中，第一隔室401为下向流好氧生物反应隔室，第二隔室402为上向流好氧生物反应隔室，两隔室之间设置隔板405，隔板405可采用具有防水、阻燃、耐酸碱、质轻、保温、隔音、减震等特性的泡沫聚氯乙烯板，隔板可改变水流方向，使水先进行下向流好氧生物反应，再进行上向流好氧生物反应运行；运行时，农村污水以推流态依次经过两个隔室，由于不同隔室之间存在污染物浓度梯度，使得不同种群的微生物在不同隔室内生长并形成优势菌群，其中第一隔室401以去除含碳有机物为主，使COD、BOD降低，第二隔室402因其进水有机物浓度较低，使硝化细菌成为优势菌种。这样的两个隔室组合可以进一步提升系统的处理能力。

固定化低温强化反应器4采用太阳能发电系统来为其内部的微孔曝气器407供电，太阳能发电系统采用光伏发电系统，其光伏发电系统主要采用多晶硅太阳能电池组件作为光电转换装置，通过逆变控制器将直流电逆变转成与电网电压同频、同相、幅值相同后为固定化低温反应器提供电力。污水由固定化低温强化反应器4的上部进水口403流入，出水由反应器的上部出水口404流出，进入各反应隔室的污水量可通过阀门调节，曝气接自鼓风机房，经过四通分配气量后进入各反应隔室，进入各反应隔室的进气量也是通过阀门调节。

微孔曝气器407上方设置填料406，填料406为弹性立体填料，其材质可为聚烯烃，密度为2～3kg·m^-3，空隙率为95～98％。低温条件下在固定化低温强化反应器4中投加一定量的低温菌剂以保证其正常运行，低温菌剂采用生物自固定化投加固定在填料406上，生物自固定化投加就是将载体投加到生物处理反应器中，利用微生物的自固定化作用，使高效菌种固定在载体上生长，这样能够提高反应器中的生物量，提高处理系统的处理能力和运行稳定性，较好地克服活性污泥法的不足，工程上比较可行、适用，高效低温菌剂可选择耐冷菌，耐冷菌的最高生长温度可以超过20℃，在0～15℃的环境中可以生长，一般生长温度范围为0～35℃，且分布范围较广，从常冷到不稳定的低温环境中均可分离到，不易受温度波动，所选耐冷菌为短杆菌属和黄杆菌属组成的复合耐冷菌进行投加；本固定化低温强化反应器即可满足低温条件(0℃～10℃)下运行，也可满足正常温度(15℃以上)下运行。

沉淀池5可以减少后续潜流式人工湿地的堵塞，保护其可长期运行。

交替式潜流人工湿地6用于对污水进行过滤、吸附、沉淀以及对有利植物生长的营养元素的摄取；如图4，交替式潜流人工湿地包括进水调节池601、湿地基质层和集水池602，污水先进入池体前端进水调节池601，经过池体内部湿地基质层后从另一侧集节池602出水；

交替式潜流人工湿地6采取了双层湿地结构，内部湿地基质层分为上层湿地和下层湿地，两层湿地均为水平潜流式人工湿地，上层和下层湿地间由不透水的隔层611分开，并且上下层分别设置独立运行的布水管道和出水管道，布水管道置于两层湿地各自前端的顶部并且与进水调节池601相连通，出水管道则置于两层湿地各自末端的底部并接入集水池602；

湿地上层内部基质层，由上到下分别为：土壤层603、小粒径砾石层(粒径

)Ⅰ604、大粒径砾石层(粒径

)Ⅰ605，三层基质层的高度比例为1.5:3:1.5，两层砾石均匀平铺于上层底部，且上层内部基质层中间隔设置四个竖立式的隔板610；湿地下层内部基质层，由上到下分别为：大粒径砾石层(粒径

)II606、混合滤料层607(由粒径

炉渣与砾石混合填料)、大粒径砾石层(粒径

)Ⅲ608，三层基质层的高度比例为1:4:1，下层内部基质层中也间隔设置有四个竖立式的隔板610。

在最上层铺设湿地土壤并种植其适合的水生植物，水生植物可选择石菖蒲、水芹菜和芦苇，两者均是具有较好汚染去除性能的湿地植物；

该交替式潜流人工湿地6运行方式为冬夏交替运行，夏季开启运行上层人工湿地，利用依靠上层植物、微生物、基质的联合净化功能去除水中的污染物，达到深度净化效果；冬季运行下层潜流系统，污水通过复合填料层的截流吸附和附着生长的微生物生化降解作用实现净化，上层湿地的基质层则作为下层湿地防冻的隔离层，上层人工湿地的进水管和出水收集管关闭，上层湿地冻结形成冰冻保温层，同时收割湿地生长的石菖蒲、水芹菜和芦苇等植物铺设于湿地表面作为覆盖隔温层，对下层启到保温作用，减少湿地热量损失，避免湿地内填料层冻结。

如图5，沼气回收利用装置7包括依次连接的沼气脱水罐701、干法沼气脱硫罐702、变压吸附脱碳罐703和沼气储气柜704组成，其中：

沼气脱水罐701用于对沼气脱水，利用压力能变化引起温度变化，使水蒸气从气相中冷凝下来的方法，本发明采用节流膨胀冷脱水法，用高压燃气经过节流膨胀或低温分离，使部分水冷凝下来；干法沼气脱硫罐702对沼气进行脱硫处理，采用干法脱硫方式，用氧化铁吸收，原理为氧化铁脱硫剂中活性三氧化二铁吸收沼气中的硫化氢，使其转化为硫化铁，从而脱出硫化氢，其最佳换料时间为60h；变压吸附脱碳罐703对沼气进行脱碳处理，以5A分子筛为吸附剂，其工作参数为；工作压力为0.7MPa，吸附时间为200s，均压时间为8s，抽真空时间为5100s，充压时间为200s。

利用该处理系统对农村污水进行处理的工艺流程如下：

S1农村污水经格栅1去除水中大的悬浮物和漂浮物，其中格栅采用栅条间隙为20mm的粗格栅；

S2污水由提升泵提升进入调节池2，均化水质水量；

S3经由S2处理后的污水进入厌氧生物反应器3，以减小有机物分子量，产生不完全氧化的产物，有利于后续的好氧段处理，其中产生的沼气进入沼气回收利用装置进行资源化利用；其中，沼气回收利用净化过程为：将沼气收集到混合气瓶705中，进入沼气脱水罐701进行脱水处理，然后通入干法沼气脱硫罐702中进行脱硫处理，脱硫后的气体经空气泵706增压后通入脱碳单元，即变压吸附脱碳罐703，进口的压力由增压泵控制，继续完成沼气脱碳过程，经由以上步骤净化后的沼气进入沼气储气柜704后资源化利用；

S4经由S3处理的农村污水流入固定化低温强化反应器4，经曝气(由曝气装置向反应池内充氧，此时有机污染物被微生物氧化分解)后进而流入沉淀池5；

S5沉淀池5中活性污泥逐渐沉到池底后进入污泥处理装置8，上清液一部分回流到调节池而另一部分则流交替式潜流人工湿地6；

S6农村污水进入交替式潜流人工湿地6后通过基质填料的过滤、吸附、沉淀和植物对营养元素的摄取等实现对污水的高效净化后达到排放标准排放。

厌氧生物反应器与固定化低温强化反应器相互协作、相互利用，使得其去除效果大大增强。本发明将厌氧生物反应器、固定化低温强化反应器和交替式潜流人工湿地的优势结合起来，同时结合投加低温功能性菌剂，使得在低温条件下，提高微生物的代谢活性，从而提高农村污水的处理效率，使出水水质达到相应的国家标准。

Claims (7)

1.一种低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，其特征在于，包括依次连接的格栅、调节池、厌氧生物反应器、用于对污水进行曝气处理的固定化低温强化反应器、沉淀池和交替式潜流人工湿地，还包括与厌氧生物反应器连接的沼气回收利用装置，以及与沉淀池连接的污泥处理装置；其中，所述固定化低温强化反应器内接种有低温菌剂，所述固定化低温强化反应器包括依次连通的至少两个好氧生物反应隔室，污水以推流态依次经过每个隔室，其中，每个隔室底部均设有微孔曝气器，且微孔曝气器上方设置弹性立体填料，所述低温菌剂通过生物自固定化投加固定在该弹性立体填料上；所述交替式潜流人工湿地包括至少两层独立运行的湿地，相邻两层湿地间设置不透水的隔层；所述交替式潜流人工湿地包括依次连接的进水调节池、湿地基质层和集水池，湿地基质层包括上层湿地和下层湿地，两层湿地分别通过布水管道与进水调节池连通，并分别通过出水管道接入集水池；其中，所述上层湿地自上而下包括用于植物种植的土壤层、小粒径砾石层I、大粒径砾石层I三层基质层，下层湿地自上而下包括大粒径砾石层II、混合滤料层和大粒径砾石层III三层基质层；该交替式潜流人工湿地运行方式为冬夏交替运行，夏季开启运行上层湿地，冬季运行下层湿地，此时，上层湿地的基质层则作为下层湿地防冻的隔离层。

2.根据权利要求1所述的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，其特征在于，所述厌氧生物反应器为厌氧折流板反应器，其包括串联的多个上流式悬浮污泥反应室、搅拌室和折流板过滤池，其中，上流式悬浮污泥反应室内接种厌氧污泥-粉煤灰，且其内设置弹性立体填料，折流板过滤池内部设有用于阻截活性污泥的滤料；所述上流式悬浮污泥反应室上部设置排气管，下部设置排泥管。

3.根据权利要求1或2所述的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，其特征在于，所述厌氧生物反应器外部设置保温层。

4.根据权利要求1所述的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，其特征在于，所述低温菌剂为耐冷菌。

5.根据权利要求4所述的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，其特征在于，所述耐冷菌为短杆菌属和黄杆菌属组成的复合耐冷菌。

6.根据权利要求1所述的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统，其特征在于，所述沼气回收利用装置包括依次连接的沼气脱水罐、干法沼气脱硫罐、变压吸附脱碳罐和沼气储气柜。

7.一种利用权利要求1所述的低温条件下农村污水生物—生态组合处理系统处理污水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）农村污水经格栅去除水中大的悬浮物和漂浮物后进入调节池均化水质水量；

（2）调节池出水进入厌氧生物反应器分解水中部分有机物，产生的沼气进入沼气回收利用装置进行资源化利用；

（3）厌氧生物反应器出水流入固定化低温强化反应器，经曝气有氧分解有机污染物后进而流入沉淀池；

（4）沉淀池中沉淀的活性污泥进入污泥处理装置，上清液一部分回流到调节池，另一部分进入交替式潜流人工湿地，对污水高效净化后达到排放标准排放。

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