CN108911158B - 一种基于小流域形态的农村生活污水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农村生活污水处理技术领域，具体为一种基于小流域分散性农村生活废水处理系统。充分考虑到我国南方广大农村地区的因雨量充沛、山地丘陵地形形成的沟渠，因地制宜构建了“改良型三格式化粪池‑氧化塘‑生态沟渠”为主的农村污水处理工艺。不需要增加泵等耗能设备，实现了外加无动力的要求，同时具有投资少、效果好、运行维护方便、无二次污染等优点。其最终出水可以达到《地表水环境质量标准》(GB3838‑2002)Ⅴ类标准。

Description

一种基于小流域形态的农村生活污水处理系统

技术领域

本发明涉及生活污水处理技术领域，具体为一种基于小流域分散性农村生活废水处理系统。

背景技术

农村生活污水主要来源于居民的日常生产生活，包括化粪池废水、厨房污水、清洁用水，以及田间化肥农药、禽畜养殖产生的污水。其中除了大量有机质，还存在细菌、病毒、残留农药和抗生素等，污染物成分较复杂。目前农村生活污水处理主要存在以下问题：1、由于农村生活污水排水管网建设不完善，且污染源分散，收集污水困难，从而难以实现大规模集约化处理；2、常规污水处理系统工艺复杂，自动化程度较高，运行维护专业化程度较高，因此不适应农村技术水平相对较低的情况；3、常规污水处理工艺投资和运行成本较高，农村生活污水处理经常出现设施建成后难以持续运行的情况；4、污水氮磷含量、有机负荷高，且由于农村面源污染，导致污水中残留农药、抗生素等具有生物毒性的物质，对生化处理系统的稳定高效运行造成冲击。

目前处理农村生活污水常用的技术为：

1.厌氧沼气池处理技术，而三格式化粪池也作为最常规的厌氧沼气池广泛的运用于多雨、地下水位偏高的南方农村地区，虽其能去除粪便等生活污水中大部分的污染物和致病菌寄生虫卵。虽然现有技术中有存在多种三格式化粪池如钢化玻璃结构、一体成型结构等，但此类化粪池成本高，目前在农村并不适用，不具备广泛实用性。当前农村普遍存在的化粪池绝大部分仍是采用砂浆浇筑烧结普通砖块的结构，但此类化粪池存在渗水严重，会对周边及下游的地下水造成污染。

2.人工湿地处理，该技术存在去除能力有限，且表面流湿地夏季蚊蝇孽生，臭味飘散等问题。

3.土地渗滤技术，该技术可能存在脱单效果差，运行不稳定、土壤空隙易堵塞等问题。

目前，通常仅仅初步实现分散污水或面源污水收集、处理和排放，未实现处理和在利用，即污水的就地处理和就地回用、资源化。

此外，在我国的南方农村地区，因地势及余量充沛等，在广大的农村地区会形成较为常见的小水体或称之为小流域，对于数量庞大的沟渠的人为利用率却比较低，基本只维持着它本身的自然属性，更有甚至好多都成为了黑水或者臭水的存储场所，严重影响着周围的生态环境。因此，本着污染处理的因地制宜、过程削减的原则，可对已有沟渠进行合理的人为干预将其改造成污染物减量化的主要场所之一，并实现降低污染物去除成本的目的。

发明内容

本发明为解决现有农村生活污水处理技术上的不足及缺陷，并综合利用农村地区常见的沟渠小流域水体，提供一种基建和运行费用低、操作管理方便、污水处理效果高、运行稳定，排放达标的农村生活污水生物处理系统。

本发明的基于小流域的农村生活污水处理系统，具体方案如下：包括依次连接的改良型化粪池、氧化塘和生态沟渠，改良型化粪池为采用砂浆和烧结砖建成的三格式化粪池，在化粪池内壁和底部铺设一层厚度为3.3~3.6mm的无纺土工布，无纺土工布上铺设一层厚度为1.2~1.5mm的HDPE防渗土工膜；

氧化塘前半段种植沉水植物，后半段设置生态浮床；沉水植物分季节种植， 11月份种植菹草或伊乐藻，3月份种植苦草，4月配合种植粉绿狐尾藻和轮叶黑藻；生态浮床包括浮床载体和悬挂于浮床载体下饼状塑料载体框，饼状塑料载体框内填充载体填料，在所述载体填料上投加复合微生物菌剂；复合微生物菌剂包括硝化菌、反硝化菌、亚硝化菌、氨化细菌和聚磷菌。

具体的，载体填料为负载有磁铁矿石粉和炭粉的发泡PVA填料。在制备发泡PVA时加入粒径为10-100μm磁铁矿矿石粉和炭粉，投加质量比为20:1:1，后经热塑成型，并制备为直径为20-30mm的球状或方形颗粒。

生态沟渠截面为倒梯形，深0.8-1.2m，底部宽1-1.5m；底部从下到上依次铺设15-25mm厚鹅卵石层、30-40mm厚碎石层和10-20mm厚红壤层；生态沟渠两侧面采用竹竿或生态型水泥预制板护坡，沟渠两侧上部孔隔种植美人蕉、梭鱼草和再力花；沿生态沟渠，每隔50-80m 设置一个过水塘，过水塘水深0.5-1m，过水塘内周期性投放复合微生物菌剂及无机复合水处理剂。复合生物菌剂和载体填料所投放的一致，无机复合水处理剂包括沸石、活性炭、膨润土、聚合氯化铝和聚丙烯酰胺。

进一步的饼状塑料载体框直径10cm，厚度2cm。利用载体填料容易负载挂膜，为EM功能菌提供一个良好的稳定的生长环境，抵挡激烈的水利条件对微生物产生的冲击影响。

进一步的，浮床上种植空心菜、万寿菊或鸡冠花，能对水体的N、P进行吸收，降低污染物的含量，同时也具有经济美观作用。

进一步的，生态沟渠底部种植有沉水植物、放置贝类养殖，水深0.4-0.6m。

进一步的，生态沟渠长度根据流域地势情况设置，长度150-400m。

本发明的有益效果：

本发明充分考虑我国南方广大农村地区的因雨量充沛、山地丘陵地形形成的沟渠利用，因地制宜构建了以“改良型三格式化粪池-氧化塘-生态沟渠”为主的农村污水处理工艺。不需要增加泵等耗能设备，实现了外加无动力的要求，同时具有投资少、效果好、运行维护方便、无二次污染等优点。其最终出水可以达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类标准。

本发明在目前常规的烧结砖和砂浆建成的三格式化粪池基础上，沿着化粪池内壁和底部铺设一层无纺土工布，厚3.3~3.6 mm，其具有耐老化、耐腐蚀、抗拉强度高、重量轻、耐高温、抗冷冻等特点。沿着土工布，在其上层再铺设一层相对光滑的HDPE（高密度聚乙烯）防渗土工膜，厚1.2~1.5 mm，以塑料薄膜作为防渗基材，是一种高分子化学柔性材料，比重较小，延伸性较强，适应变形能力高，保温性能好、耐腐蚀，耐老化性、耐低温，抗冻性能好。土工布用于保护上层铺设的HDPE防渗土工膜不受损坏，减少土工膜直接与砖块粗糙的表面、石子、混凝土颗粒或其它碎屑等足以刺穿土工膜的杂物接触。土工膜主要用来防渗，其水蒸汽渗透系数1.2~1.6×10^-13 g·cm/(cm²·s·Pa)，能很好的避免发生渗漏现象。在传统设备上的改进，操作简单、既经济又环保、使用年限长。

充分的发挥利用氧化塘的既有空间，在前半段氧化塘种植沉水植物，后半段氧化塘增设生态浮床，提高对污染物的去除效果。沉水植物：利用水生植物来提高水体自净能力是水环境生态修复过程中关键环节，其中沉水植物在水体净化中起的作用表现为：1）吸收水体中的硝酸盐、磷酸盐等，用于提供植物自身生长的营养源补充；2）利用沉水植物根系、茎叶共同组成水体的拦截网，减缓水流速度，提高水力停留时间，减缓养分运输，使植物和微生物均能更充分地与污水接触和反应；3）沉水植物茎叶可为水体微生物提供较大的栖息和生存介质环境，使微生物的种类增多，数量大幅提升。生态浮床：生态浮床是一种综合物理、化学、生物方法的水环境原位生态修复技术，它利用水生植物及根系微生物对水体中的N、P、重金属和部分有机质进行截留、沉降和吸附，并以收获植物体形式将其搬离水体。

在沉水植物的选择上，本发明充分考虑植物生长的季节性，在氧化塘内建立一种以常绿型沉水植物为基础，根据不同季节轮流种植夏绿冬枯型沉水植物和冬绿夏枯型沉水植物，以保证氧化塘对污水的长期处理效果，维持NH₃-N和TP的高去除率。根据我国南方地区气候情况，具体采用冬季（11月）种植菹草或伊乐藻，春季（3月）种植苦草，构建群种。粉绿狐尾藻和轮叶黑藻于4月配合种植，利用植物群落净化水体、改善水质。利用菹草或伊乐藻与苦草构建群种，粉绿狐尾藻、轮叶黑藻为伴生种，在时空方面配合种植。菹草或伊乐藻与苦草、粉绿狐尾藻与轮叶黑藻在不同时间引入种植。

此外，在氧化塘内设置改良型生态浮床，包括水面的植物和水下的复合微生物菌剂。①在浮床上种植空心菜等经济作物或者种植万寿菊和鸡冠花等观赏性的植物，能对水体的N、P进行吸收，降低污染物的含量，同时也具有经济美观作用。②在浮床水面以下10~12cm处悬挂饼状的碳素填料（直径10 cm，厚度2 cm），利用载体填料容易负载、投加复合微生物菌剂促进挂膜，为生物膜提供一个良好的稳定的生长环境，抵挡激烈的水利条件对微生物产生的冲击影响。③载体填料以发泡PVA填料为基础，负载磁铁矿石粉和炭粉。发泡PVA填料为多孔结构，能够有效的负载微生物。其内负载磁铁矿石粉和炭粉，构成微电解反应环境，能够有效的去除水中多种污染物，特别是对水体中的磷、重金属有良好的去除效果。④投加的复合微生物菌剂包括硝化菌、反硝化菌、亚硝化菌、氨化细菌、聚磷菌等稳定的菌群。⑤植物光合作用产生的O₂，通过植物的枝干输送至根系，除了用于植物自身内源呼吸消耗的O₂外，剩下的O₂会因为浓度差而扩散到根系周围，一方面可为根际区营造富氧的环境以利于诸如硝化菌等好氧菌的生长繁殖，另一方面也可以为浮床下端纳米材料中的生物膜提供溶解氧以提升微生物的活性，在此双重作用下进一步强化微生物对水体中污染物的去除。⑥利用植物茂密的根系，为微生物和小型水生动物提供了栖息繁殖的场所，从而形成植物-微生物-动物的协同体。植物根系通过分泌一些促进嗜氮、嗜磷微生物生长的物质提升微生物的活性，而微生物也能影响植物体的生长发育，进而间接提高净化效率；同时，某些以植物根系腐殖质为食的小型水生动物又会加快植物的新陈代谢作用，促进植物的生长。⑦氧化塘内将改良型生态浮床与沉水植物的耦合，形成了从水底到水面的空间配合，也从不同季节植物的轮种，实现了时间上的互补，从而更好的实现了对水体污染时间、空间上的处理。

本发明将我国南方农村地区广泛存在的沟渠改造为生态沟渠，①生态沟渠底部构建：底部从下到上依次铺设15-25mm厚鹅卵石层、30-40mm厚碎石层和10-20mm厚红壤层，防止透水渗漏。②生态沟渠护坡构架：沟渠两侧采用竹竿或生态型水泥预制板，孔隔种植植被，种植美人蕉、梭鱼草和再力花，能有效的缓解沟渠两侧雨天的冲刷形成的泥水。③由地势高到低，沿生态沟渠，每隔50-80m 设置一个过水塘，具备跌水作用，实现同一生态沟渠的多级均匀布水，保证同级处理系统负荷一致和水生植物需要的水深，防止短路水流和死水区发生，增加HRT（水力停留时间）的同时强化其跌水复氧的功能，增加水体复氧效力，有利于水质净化。过水塘内周期性投放复合微生物菌剂和无机复合水处理剂，确保后相应生态沟渠内脱氮除磷效果。复合微生物菌剂和载体填料所投加的一致，无机复合水处理剂包括沸石、活性炭、膨润土、聚合氯化铝和聚丙烯酰胺。

附图说明

图1为本发明工艺流程示意图；

图2为本发明改良型三格式化粪池结构示意图；

图3为本发明改良型三格式化粪池A部放大图；

图4为本发明改良型生态浮床；

图5为本发明生态沟渠结构示意图；

图6为本发明去除效率柱状图。

附图标记

1改良型三格式化粪池 2进水孔 3排气孔 4过水管 5出水孔 6防渗土工膜 7无纺土工布 8墙体 9植物种植栏 10浮床载体 11饼状塑料载体框 12配重物 13红壤层 14碎石层 15鹅卵石层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-6

在赣南某小流域分散型农村生活废水治理上，对该村新建的三格式化粪池采取了3.3 mm厚无纺土工布和1.4 mm厚防渗土工膜进行防渗处理，出水流经约750 m²的氧化塘，塘的前半部分种植有菹草、苦草和粉绿狐尾藻，后半段配套有改良型生态浮床，出水接着流经220 m长的生态沟渠，深0.8-1.2m，底部宽1-1.5m，渠底由上到下依次为红壤、碎石和鹅卵石，沟渠两侧护坡为生态型水泥预制板，并分段种植美人蕉、梭鱼草和再理花；沿生态沟渠每隔50米构建有1座过水塘，共建4座。

改良型三格式化粪池1，由砂浆和烧结砖砌成墙体8，墙体内壁和底部依次铺设无纺土工布7和防渗土工膜6，各格之间通过过水管4连通，第一格设置进水孔2，最后一格设置出水孔5，每个顶部设置排气孔3。

改良型生态浮岛有浮床载体10和悬挂于下部的塑料载体框11构成，浮床载体10上设置多个植物种植篮9，使用时其中可以填充部分陶粒填料固定种植水生植物，塑料载体框位于种植篮下部10-12cm处，使得水生植物根系能够到达，满足水生植物根系与载体膜之间的相互作用需求，塑料载体框内设置发泡PVA载体填料，为生物膜提供载体，初期投加复合微生物菌剂促进挂膜，并设置配重物12使得浮岛能够稳定浮于水体表面即可。复合微生物菌剂包括硝化菌、反硝化菌、亚硝化菌、氨化细菌、聚磷菌等稳定的菌群。

生态沟渠护坡上分段种植美人蕉、梭鱼草和再理花；底部种植有沉水植物、放置贝类养殖等，在过水塘内每一个月补充添加复合微生物菌剂和无机复合水处理剂。无机复合水处理剂包括沸石、活性炭、膨润土、聚合氯化铝和聚丙烯酰胺。

通过对以上工程长达1年的监测发现，改良型三格式化粪池的出水量常年稳定，变化量低于10%，且冬天的出水水温较传统的三格式化粪池出水高出1.8~2.7 ℃，经整套处理系统后，污水中的目标污染物COD、NH₃-N、TN、TP出水浓度分别达33 ~45mg/L、1.4 ~2.0mg/L、1.8 ~2.5mg/L、0.35~0.6 mg/L，出水水质满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅴ类标准。进出水水质情况、去除效率见表1及图6。

表1

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于小流域形态的农村生活污水处理系统，包括依次连接的改良型化粪池、氧化塘和生态沟渠，其特征在于：

所述改良型化粪池为采用砂浆和烧结砖建成的三格式化粪池，在化粪池内壁和底部铺设一层厚度为3.3~3.6mm的无纺土工布，所述的无纺土工布上铺设一层厚度为1.2~1.5mm的HDPE防渗土工膜；

所述的氧化塘前半段种植沉水植物，后半段设置生态浮床；所述沉水植物分季节种植，11月份种植菹草或伊乐藻，3月份种植苦草，4月配合种植粉绿狐尾藻和轮叶黑藻；所述的生态浮床包括浮床载体和悬挂于浮床载体下的饼状塑料载体框，所述的饼状塑料载体框内填充载体填料，在所述载体填料上投加复合微生物菌剂；

所述的生态沟渠截面为倒梯形，深0.8-1.2m，底部宽1-1.5m；底部从下到上依次铺设15-25mm厚鹅卵石层、30-40mm厚碎石层和10-20mm厚红壤层；所述的生态沟渠两侧面采用竹竿或生态型水泥预制板护坡，沟渠两侧上部孔隔种植美人蕉、梭鱼草和再力花；沿所述生态沟渠，每隔50-80m 设置一个过水塘，所述过水塘水深0.5-1m，过水塘内周期性投放复合微生物菌剂及无机复合水处理剂。

2.根据权利要求1所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，所述载体填料为负载有磁铁矿石粉和炭粉的发泡PVA填料。

3.根据权利要求2所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，所述载体填料为在制备发泡PVA时加入粒径为10-100μm磁铁矿矿石粉和炭粉，投加质量比为20:1:1，后经热塑成型，并制备为直径为20-30mm的球状颗粒。

4.根据权利要求1所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，所述的复合微生物菌剂包括硝化菌、反硝化菌、亚硝化菌、氨化细菌和聚磷菌。

5.根据权利要求1所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，沉水植物种植行间距为：菹草或伊乐藻，株行距30-50 cm，水位30~40 cm；苦草幼苗，株行距15-20 cm，水位60~80 cm；粉绿狐尾藻，选择长度8～10 cm的茎尖作为插穗，株行距20-30 cm，水位60~80 cm；待植物生长稳定后，水位提升至0.8~1.0 m。

6.根据权利要求1所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，所述饼状塑料载体框直径10cm，厚2cm。

7.根据权利要求1所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，所述浮床上种植空心菜、万寿菊或鸡冠花。

8.根据权利要求1所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，所述的生态沟渠底部种植有沉水植物、放置贝类养殖，水深0.4-0.6m。

9.根据权利要求1所述的基于小流域形态的农村生活污水处理系统，其特征在于，所述生态沟渠长度根据流域地势情况设置，长度150-400m。