CN109626759A - 一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统及方法，包括有：进水系统、预处理系统、硝化塘以及反硝化塘。其中，进水系统包括水位控制室以及进水调节室，所述预处理系统包括紫外杀菌室和曝气室。硝化塘通过不同类型水生植物的搭配种植、结合梯度进水的充氧方式，使得水中的还原性氮素生成硝态氮。反硝化塘通过充分利用浮水植物的水面遮蔽作用，以达到反硝化作用的水体缺氧状态，完成水体的脱氮。本发明采用了全段循环式的系统设置，使定量的进水在系统内持续可控的进行循环以提升生态塘系统除菌及脱氮的效果，解决了普通生态塘反应不完全和无法杀菌的缺点，同时，因地制宜的节省土地资源，将外来植物的负面作用变废为宝。
Description
技术领域
本发明涉及水资源保护及水生态修复，具体是一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统及其水体脱氮方法。
背景技术
现阶段，中国正处在高速发展的阶段，城市建设与农村建设齐头并进，国家的长远建设离不开农业及相关行业的稳定与可持续发展所提供的基础支撑，在农业高速前进的同时，其带来的环境污染问题也不容忽视。欠集中化、分散式的农业生产区在农村地区广泛存在，其中畜牧业、屠宰业等与牲畜直接相关的行业，排出的生产废水中含有大量的致病菌，比如：大肠杆菌、金黄葡萄球菌、粪链球菌、沙门氏菌、溶血性弧菌等等，这些致病菌的生存能力极强，可以在很多恶劣环境下增殖与生存，对水环境造成显著的危害，例如，病菌的生长对与氮磷去除相关的功能微生物的正常生长造成了威胁，极大地降低了水环境自我修复的能力，也对人类以及牲畜的生命健康带来不可忽略的安全威胁。
此外，农业生产所产生的废水往往还含有很高的有机负荷，如人类及牲畜的粪便、屠宰业产生的动物肝脏碎片，给农业污废水的处理工艺提出了不小的挑战。传统推流式生态塘或人工湿地，为保证处理效果往往对于土地面积要求较高，但是农村土地日益紧张，加上农业生产区还具有分散的特性，传统处理方式对于土地可利用面积本已经较小的地区而言不大现实。
但是，在这些地区，小型分散型的池塘却随处可见，且外来植物物种，如水葫芦、浮萍等的侵入导致当地水环境中的植物物种比例失调，水面大多被这些外来浮水植物所覆盖，水体的透光性及光合作用被抑制，水体由好氧环境转变为缺氧环境，生态遭到破坏。故如何将这些闲置的分散型小池塘应用于农业污废水的处理同时又在最大程度上利用这些外来植物的生长特性来进行农村地区水环境的修复工作，这一问题有很大的空间去研究。
传统的生态塘及人工湿地技术，往往占地面积大，水流为单向流，进水依次流过各个环节之后即排出体系，无法保证出水的水质以及处理过程的反应完全。比如发明专利201810267858.2公开了一种农村污水处理系统及处理方法。其结构、工艺完全，但仍然与传统污水处理工艺颇为类似，且其多为人工强化处理设备，没有做到因地制宜、资源利用的效果。依然存在以下缺点：①浮水植物大面积生长影响水下的日光透过率从而影响下方水体复氧；②浮水植物的水下部分如根、茎具有吸收水体有害物质、营养元素以及矿物质的作用，但基本没有释氧的功能，这一点与被称为“水下造氧机”的沉水植物有本质区别。
发明专利201810363473.6公开了一种适用于微污染水源水的生态工程净化，其使用的仍然是单向推流式生态系统，其通过底部基质组成的改变来提升处理效果，但无法实现循环处理所能达到的深度且完全处理的效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，结构合理，可以定量的收集农业地区的污废水进行循环且彻底的处理，对现有的分散性池塘进行利用，不需占用本已经紧张的土地面积，同时利用浮水植物大面积生长的特性，具有生态友好型的特点，适合在农业地区大范围的使用。
技术方案：为解决上述问题，本发明提供一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，包括进水系统、预处理系统、硝化塘和反硝化塘，四者依次相通，最终，反硝化塘的底部设置有回流泵通过加压回流管与预处理系统相通。并在反硝化塘大面积种植浮水植物覆盖水面，导致的水体缺氧进行反硝化，硝态氮被还原为氮气或一氧化二氮，以气态物质的方式被排出生态塘系统。
作为优选，进水系统包括进水管、溢流管、与进水管和溢流管相连接的蓄水池、蓄水池内设置的粗格栅、蓄水池内设置的进水加压泵、与进水加压泵相通的进水加压管和水位调节池。
作为优选，进水系统中的水位调节池包括水位控制室和进水调节室。其中水位控制室中设置有浮球液位控制器，设置两个液位高度包括启泵液位H2和停泵液位H1，液位控制器与蓄水池中的进水加压泵通过防水导线串联连接，以水位控制室的实时液位高度控制进水加压泵的启闭；进水加压管与进水调节室的一侧相通，进水调节室的另一侧通过第一连接管与预处理系统相通。
作为优选，预处理系统包括紫外杀菌室和曝气室，其中杀菌室的一端通过第一连接管与进水调节室相连接，另一端通过第二连接管与曝气室连接；第二连接管的管顶标高略低于第一连接管的管底标高约20cm左右。紫外杀菌室中设置有紫外杀菌器。紫外杀菌室的底部连接加压回流管与反硝化塘相通；曝气室中安装有整体组装式活性炭和臭氧曝气进气管，其上部通过第三连接管与硝化塘相通；第三连接管的管底标高与第一连接管的管底标高相同；曝气室的底部为坡度设置，最低标高处设置有污泥泵和压力排泥管。
作为优选，硝化塘包括挺水植物种植区和沉水植物种植区，两个种植区各自设有相应植物的生长所需最低水位高度H3、H4，其中沉水植物生长所需最低水位高度H4与进水系统中水位控制室的启泵液位H2相平；硝化塘整体设有可容纳最高水位H5，其水位高度与进水系统中水位控制室的停泵液位H1相平，且低于第三连接管的管底标高约15-20cm；沉水植物种植区的一侧设有第四连接管与反硝化塘相通，第四连接管的管顶标高低于沉水植物生长最低液位高度H4约15-20cm左右。
作为优选，反硝化塘设置有浮水植物生长最低水位H6和反硝化塘最高水位H7，其中浮水植物最低水位H6与硝化塘中的沉水植物生长最低水位高度H4相平，反硝化塘最高水位H7与硝化塘最高水位H5相同；反硝化塘中还设置有液位监测连通管与进水系统中的水位控制室底部相通，液位监测连通管的管顶标高与浮水植物生长最低水位高度H6相平；反硝化塘的底部设置有回流泵，回流泵连接加压回流管与紫外杀菌室的底部相通。回流泵之前设置有细格栅。反硝化塘的一侧还设有系统排水管，系统排水管的管底标高与反硝化塘的浮水植物生长最低水位H6相平，系统排水管上安装有电磁阀，电磁阀的启闭设置与所需的系统水力停留时间相一致，系统循环运行过程中电磁阀保持关闭，循环周期结束后，经过设置的电磁阀自动开启，将系统里的处理水排出。
农业污废水通过进水管进入进水系统，之后依次通过生态塘系统内各个环节，待各个环节的水位都达到系统设计最高水位后，进水加压泵停止工作，之后蓄水池内的进水不再进入后续环节而是通过溢流管排入污水管道或排入与本系统相并联的处理系统进行水质的提升。系统内的循环水在回流泵的作用下在系统内不断的循环，循环流速或流量根据实际所需而定。
循环过程中，进水调节室7.2内的水质代表了系统的进水水质，水位控制室7.1由于通过液位监测连通管33与反硝化塘29相连通，故其内部的水质可以代表系统处理之后的水质情况。故水位控制室7.1以及进水调节室7.2两个部分的紧密设置，可以更加方便的通过实时水质检测设备对比两者的水质情况以实时的监测生态塘系统的处理效果并根据水质情况适当调节系统的相关运行参数。
待人工设置的循环周期，即生态塘系统水力停留时间结束之后，电磁阀开启，系统内的水通过系统排水管排入就近的河流或其他自然水体，系统水排完之后，水位控制室的水位降回启泵液位H2，电磁阀关闭，进水加压泵再次开始工作，系统的下一个循环周期开始。
循环周期之中，系统储存的水在紫外杀菌、臭氧曝气降低有机负荷、活性炭吸附、挺水植物和沉水植物的硝化作用、浮水植物覆盖整片水面所造成的反硝化作用的不断循环之下，达到系统内水质的不断提升，以达到地表水的排放标准。
有益效果：本发明的全段循环式生态塘系统取代了单向推流式处理技术占地面积大的缺点，具有节约用地、充分利用现有资源的优点。同时，该生态塘系统可以对含有病菌的高有机负荷的农业污废水进行循环的深度处理，从生态与环境友好性角度来看，能够大规模的应用于水资源保护的相关建设当中，具有兼容性好的特点。
附图说明
图1是本发明的进水系统的立面结构示意图；
图2是本发明的进水系统的平面布置示意图；
图3是本发明的预处理系统的立面结构示意图；
图4是本发明的预处理系统的平面布置示意图；
图5是本发明的硝化塘的立面结构示意图；
图6是本发明的硝化塘的平面布置示意图；
图7是本发明的反硝化塘的立面结构示意图；
图8是本发明的反硝化塘的平面布置示意图；
图9是本发明的高程布置示意图；
图10是本发明的平面布置示意图。
具体实施方式
如图1至图10所示，本发明的一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，包括循环周期运行工况，即循环周期长度根据实际水质确定，若水质较好，可设置较短的周期长度3-5天；若水质较差，设置较长的循环周期7-10天，以确保系统进水中的污染物被完全处理以及周期间隔维护工况，单个周期或多个周期结束之后，停止系统的运行，进行系统的维护与清洗。
附图标记：1-进水管、2-溢流管、3-蓄水池、4-粗格栅、5-进水加压泵、6-进水加压管、7-水位调节池，其中：7.1-水位控制室、7.2-进水调节室、8-浮球液位控制器、9-停泵液位H1、10-启泵液位H2、11-第一连接管、12-紫外杀菌室、13-紫外杀菌器、14-加压回流管、15-第二连接管、16-曝气室、17-整体组装式活性炭、18-臭氧曝气进气管、19-污泥泵、20-压力排泥管、21-第三连接管、22-硝化塘，其中：22.1-挺水植物种植区、22.2-沉水植物种植区、23-挺水植物、24-沉水植物、25-挺水植物生长所需最低水位高度H3、26-沉水植物生长所需最低水位H4、27-硝化塘可容纳最高水位H5、28-第四连接管、29-反硝化塘、30-浮水植物、31-浮水植物生长所需最低水位H6、32-反硝化塘可容纳最高水位H7、33-液位监测连通管、34-细格栅、35-回流泵、36-电磁阀、37-系统排水管。
实施例1
普通条件水质的情况下，系统对应的汇水区域的地下管线收集到的农业污废水首先通过进水管1先进入蓄水池3进行初步的收集，水位控制室7.1中的初始水位即为进水加压泵5的启泵液位10，加压泵5开始运行，进水经过粗格栅4的初步过滤之后即通过加压泵5泵入进水调节室7.2进行泄压，待调节室7.2内的水位达到第一连接管11的管底标高之后，污水即通过第一连接管11进入紫外杀菌室12。
循环周期中回流泵35一直处于运行状态，电磁阀36的启闭时间设置为与系统循环周期同步，即在循环周期中保持关闭状态以保证进水在系统内不断的循环，单个循环周期结束之后才根据设置自动开启以排出系统的处理水。
杀菌室12中的紫外杀菌器13保持时刻开启以保证杀菌作用的持续进行，进水在紫外杀菌室12中不断地接受紫外杀菌器13的杀菌，进水中的病菌可以在紫外杀菌器13的作用下失活，同时杀菌室12内的水位也在不断上升，当水位达到第二连接管15的管底标高之后，进水开始通过第二连接管15进入曝气室16，病菌残体也会随水流作用随进水一起进入曝气室16。
进水进入曝气室16之后，在曝气室16内不断累积，水位由下至上的经过活性炭设备17的吸附以及臭氧曝气进气管18的不断的臭氧曝气过程，在此过程中，进水中的高浓度有机物质如有机残渣、病菌死亡残体会在臭氧曝气中被快速且彻底的氧化，氧化产物中的小粒径颗粒物质会被活性炭设备17吸附，无法被吸附的大粒径物质会在重力的作用下逐渐沉底，形成有机废泥积累在曝气室的底部，定期通过污泥泵19排出系统。曝气室16内的水位不断上升，上升过程中水位高度因第二连接管15的连通管作用，时刻与紫外杀菌室12的水位高度一致，第三连接管21的管底标高与第一连接管11的管底标高相平，当水位达到第三连接管21的管底标高时，进水开始通过第三连接管21进入硝化塘22。
经过预处理系统后的进水通过第三连接管21进入硝化塘22的挺水植物种植区22.1，种植区22.1内的初始水位即为挺水植物23生长所需的最低高度H3 25，进水进入种植区22.1之后，即通过跌水形式汇入沉水植物种植区22.2，种植区22.2的初始水位高度即为沉水植物24生长所需的最低高度H4 26，同时也与水位控制室7.1中的启泵液位H2 10相平。种植区22.2内的水位不断上涨，达到挺水植物23生长所需的最低高度H3 25之后，两个种植区22.1、22.2的水位开始同步上涨，直到硝化塘可容纳最高水位H5 27。在进水过程中，水中的氮素在挺水植物23和沉水植物24的联合作用下，依托于植物对水体的富氧作用以及跌水进水的充氧作用产生的水体好氧环境，共同完成氮循环中的硝化作用过程，即有机氮的氨化作用、亚硝化作用、氨氧化作用。硝化作用的同时，系统内的进水通过第四连接管28进入反硝化塘29。
反硝化塘29的初始水位为浮水植物30生长所需的最低高度H6 31，其中H6 31＝沉水植物生长所需最低水位H4 26＝启泵液位H2 10＝液位监测连通管33的管顶标高＝系统排水管37的管底标高；反硝化塘可容纳最高水位H7 32＝硝化塘可容纳最高水位H5 27＝停泵液位H1 9。以上液位设置以保证系统的连续稳定运行。
进水通过第四连接管28汇入反硝化塘29之后，反硝化塘29内的水位不断上升，在连通管33的连通作用下，水位控制室7.1内的水位高度与反硝化塘29保持实时的相平。在浮水植物30旺盛生长所产生水面大面积覆盖导致的水体缺氧环境下，适合反硝化作用的顺利进行，硝态氮被还原为氮气或一氧化二氮，进而使得硝化塘22中氮素充分氧化的产物硝态氮(NO3 -)被还原完全并以气态物质的方式被排出生态塘系统。
在反硝化塘29的水位高度达到最高液位H7 32之后，连通管33使得水位控制室7.1的实时水位此时也达到了停泵液位H1 9，在浮球液位控制器8的作用下，进水加压泵5停止工作，进水调节室7.2内不再有进水，进水管1之后进入蓄水池3的进水会通过溢流管2直接排入污水管线或其他处理装置。停止进水之后，系统内储存的水便在回流泵35的作用下，在紫外杀菌室12、曝气室16、硝化塘22以及反硝化塘29内不断地循环流动及循环处理，直至设置的循环周期结束为止。一个周期结束之后，电磁阀36自动打开，系统内的处理水通过系统排水管37排出生态塘系统，可汇入周围水体或水库。待系统排水管37内不再有出水之后，系统水位退回初始状态，电磁阀36根据事先的启闭设置而自动关闭，水位控制室7.1内的水位也回到启泵液位H2 10，进水加压泵5再次启动，有蓄水池3向进水调节室7.2泵水，系统的下一个循环周期开始。
实施例2
系统进水的整体色度较高，透光性差，紫外线不宜穿透水体的情况下，将紫外杀菌室12和曝气室16的进水先后顺序对换，让进水先通过曝气室16进行有机物质的去除以使得水体色度的大幅降低，从而保证紫外杀菌过程的顺利进行。其余流程与实施例1相同。
实施例3
系统进水的有机氮、氨氮的负荷较高的情况下，可考虑在沉水植物种植区22.2内养殖水生动物如鱼类等，同时在沉水植物种植区22.2内增加人工充氧设备，空气、氧气可以增加沉水植物区的水体溶解氧，另外在第四连接管的出水前设置细网格，避免鱼类被水流带到反硝化塘，因为反硝化塘的缺氧环境会影响鱼类的正常新陈代谢。通过水生植物与水生动物的联合作用，提升生态塘系统的硝化效果，其余流程与实施例1相同。
实施例4
适用于不同季节污水处理的情况，本系统应用的水生植物包括有：挺水植物、沉水植物以及浮水植物，其中的植物的生长周期对于系统的稳定运行至关重要。春夏季，水生植物生长旺盛，挺水植物(芦苇、香蒲等)、沉水植物(菹草、狐尾藻、金鱼藻、轮叶黑藻等)以及浮水植物(浮萍、水葫芦、大薸等)均达到其最适宜生长的气候条件，故此阶段可以充分利用水生植物的生长特性，进行硝化、反硝化的过程。秋冬季，多数植物处于衰败阶段，可在挺水植物种植区(22.1)以及沉水植物种植区(22.2)中增加人工充氧设备，以保证秋冬季硝化过程的正常运行；在浮水植物区增加耐寒品种(满江红、萍蓬草等)以保证反硝化过程的稳定运行。
实施例5
单次或几次循环周期结束之后进行维护的情况下，系统停止运行，进水加压泵5、浮球液位控制器8、紫外杀菌器13、臭氧曝气进气管18、回流泵35以及电磁阀36全部停止运行，系统此时水位为各个环节的初始水位高度。此时，对系统各个环节的装置进行维护及修复：蓄水池3内粗格栅4的更换或清洗、进水加压泵5的清洗维护、浮球液位控制器8的调试与维修、紫外杀菌器13的电路检修、整体组装式活性炭17的清洗或整体更换、曝气设备18的检修与维护、细格栅34的清洗以及回流泵35的检修维护。同时，开启污泥泵19，将曝气室16内的沉积有机废泥通过污泥泵19的抽吸从压力排泥管20排出系统并进行污泥的深度处理或资源化处理，避免对环境的二次污染。维修工况结束之后，在进行下一循环周期的运行，以保证各个环节的顺利运作。
Claims (10)
1.一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：包括进水系统、预处理系统、硝化塘和反硝化塘，四者依次相通，最终，反硝化塘的底部设置有回流泵通过加压回流管与预处理系统相通。
2.根据权利要求1所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：所述进水系统包括进水管、溢流管、与进水管和溢流管相通的蓄水池、蓄水池内设置的粗格栅、蓄水池内设置的进水加压泵、与进水加压泵相通的进水加压管和水位调节池。
3.根据权利要求2所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：所述水位调节池包括水位控制室和进水调节室，其中水位控制室中设置有浮球液位控制器，设置两个液位高度包括启泵液位和停泵液位，液位控制器与蓄水池中的进水加压泵通过防水导线串联连接，以水位控制室的实时液位高度控制进水加压泵的启闭；进水加压管与进水调节室的一侧相通，进水调节室的另一侧通过第一连接管与预处理系统相通。
4.根据权利要求1、2或3所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：预处理系统包括紫外杀菌室和曝气室，其中曝气室的一端通过第一连接管与进水调节室相通，另一端通过第二连接管与曝气室相通；第二连接管的管顶标高低于第一连接管的管底标高；紫外杀菌室中设置有紫外杀菌器，紫外杀菌室的底部连接加压回流管与反硝化塘相通。
5.根据权利要求4所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：所述曝气室中安装有整体组装式活性炭和臭氧曝气进气管，其上部通过第三连接管与硝化塘相通；第三连接管的管底标高与第一连接管的管底标高相同；曝气室的底部为坡度设置，最低标高处设置有污泥泵和压力排泥管。
6.根据权利要求1、2或3所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：硝化塘包括挺水植物种植区和沉水植物种植区，两个种植区各自设有相应植物的生长所需最低水位高度，其中沉水植物生长所需最低水位高度与进水系统中水位控制室的启泵液位相平。
7.根据权利要求1、2或3所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：硝化塘整体设有可容纳最高水位，其水位高度与进水系统中水位控制室的停泵液位相平，且低于第三连接管的管底标高15-20cm；沉水植物种植区的一侧设有第四连接管与反硝化塘相通，第四连接管的管顶标高低于沉水植物生长最低液位高度15-20cm。
8.根据权利要求1、2或3所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：反硝化塘设置有浮水植物生长最低水位和反硝化塘最高水位，其中浮水植物最低水位与硝化塘中的沉水植物生长最低水位高度相平，反硝化塘最高水位与硝化塘最高水位相同；反硝化塘中还设置有液位监测连通管与进水系统中的水位控制室底部相连接，液位监测连通管的管顶标高与浮水植物生长最低水位高度相平。
9.根据权利要求1所述的处理农业污废水的全段循环式生态塘系统，其特征在于：所述回流泵通过加压回流管与预处理系统中的紫外杀菌室底部相通，回流泵之前设置有细格栅；反硝化塘的一侧还设有系统排水管，系统排水管的管底标高与反硝化塘的浮水植物生长最低水位相平，系统排水管上安装有电磁阀，电磁阀的启闭设置与所需的系统水力停留时间相一致，系统循环运行过程中电磁阀保持关闭，循环周期结束后，电磁阀自动开启，将系统里的处理水排出。
10.一种处理农业污废水的全段循环式生态塘系统采用的水体脱氮方法，其特征在于：反硝化塘大面积种植浮水植物覆盖水面，导致水体缺氧进行反硝化，硝态氮被还原为氮气或一氧化二氮，以气态物质的方式被排出生态塘系统。
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