CN109704511A - 一种高效生物降解过滤反应器及用其处理黑臭水体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明“一种高效生物降解过滤反应器及用其处理黑臭水体的方法”，属于污水处理技术领域。所述高效生物降解过滤反应器包括：反应器柱体；所述反应器柱体内部从上至下设有生物反应区和深度过滤区；所述生物反应区和深度过滤区之间的交界处设有薄片状物料组成的分隔层；所述生物反应区内设有粒径2～4mm的轻质悬浮填料；所述深度过滤区内设有粒径为1.0～2.0mm的比重较大的填料；所述深度过滤区填料比重是所述生物反应区比重的2.5‑3倍。本发明的反应器集生物降解有机物、脱氮、除磷及去除微细悬浮物于一体，并将该反应器应用于黑臭水体的治理，使Ⅴ类、劣Ⅴ类的地表水体逐步改善为Ⅳ类以上的水体，从根本上解决黑臭水体的污染问题。

Description

一种高效生物降解过滤反应器及用其处理黑臭水体的方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种高效生物降解过滤反应器及用其处理黑臭水体的方法。
背景技术
随着城镇化步伐的加快和工业化程度的提高，近年来我国废水排放总量呈逐年上升趋势，废水的直排、偷排、漏排等造成河流水体遭到各种形式的污染，许多水体出现季节性或终年黑臭，黑臭水体不仅在色味上给人们带来的不愉悦感，尤其是其污染物最终通过食物链循环进而影响到人们的生活健康。城市河道黑臭主要是过量纳污导致水体供氧和耗氧失衡的结果，水体缺氧乃至厌氧条件下污染物转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等臭恶臭物质以及铁、锰硫化物等黑色物质。在当前水体污染严重的紧迫形势及政策的促进作用下，近两年，黑臭水体治理已成为广大环保专家积极关注和研究的重点领域。
目前城市黑臭水体整治在技术选择方面，仍然按照“控源截污、水质净化、生态修复”的基本技术路线。其中，黑臭水体水质净化技术和方法包括物理法、化学法和生物生态法。物理法主要包括清淤疏浚、河道曝气、调水工程等技术，利用物理方法可以减少河道中积存的污染物，增强河流冲刷能力，有效削减黑臭，该方法短期效果明显，但工程量大、投资成本高且长期稳定性差；现阶段较为常见的化学处理主要有强化絮凝、活性炭、药剂杀藻等，化学处理短期内见效快，但是该方法成本较高，还会形成诸多沉积物，部分药剂具有毒性，往往会形成二次污染；由于水体底泥营养物质的不断释放，地面各种干湿沉降的增加，物理法及化学法不能够从根本上解决水体黑臭问题。生物生态法在黑臭水体治理中的应用十分广泛，主要有人工湿地、稳定塘、生态浮岛、水生植物净化、微生物修复等，人工湿地随着环保要求的提高和环境生物技术的不断发展，微生物修复作为一种环境友好、生态节能、低投资、高效益、运行方便灵活的水体生物修复技术，成为黑臭水体治理技术的研究热点。
微生物修复是一种通过选择、浓缩、驯化微生物并创造合适的降解条件去最大限度地消除污染物质的方法。目前，在黑臭水体治理领域使用较多的微生物修复方法主要是投加微生物菌剂，但由于投加的微生物菌剂随水体流动，没有生长附着的载体，导致微生物存活率低，处理效果欠佳。由此，一些固定化微生物技术也应运而生，目前使用的固定化微生物技术存在菌体稳定性差、菌种单一、多种微生物共生性差等问题。综合分析全国各地的黑臭水体水质情况，呈现有机物、氮、磷等不同程度的污染，其中，氮、磷超标是造成水体富营养化的主要原因。现有的微生物修复技术脱氮效果不甚理想，很难实现黑臭水体的有机物降解、脱氮、除磷的同步处理，而且铁、锰硫化物等黑色微细物质的形成导致黑臭水体透明度较低，单一的微生物修复对黑臭水体中的微细悬浮物不能进行有效处理。目前关于黑臭水体的治理技术中有机物降解、脱氮、除磷、去除微细悬浮物等过程一般分设在不同的处理单元，运营管理复杂、能耗及投资较大。
发明内容
本发明为了解决现有技术的上述不足，提供了一种集生物降解有机物、脱氮、除磷及去除微细悬浮物于一体的反应器。该反应器将生物反应区和深度过滤区在立体空间上巧妙结合实现了结构的一体化，具有工艺简捷、结构紧凑、占地少、管理简便、投资省等优点。另外，本发明还提供了一种应用上述高效生物降解过滤反应器处理黑臭水体的方法，可运用上述反应器对黑臭水体进行旁站处理或循环处理，从而解决黑臭水体的污染问题。
本发明的技术方案如下：
一种高效生物降解过滤反应器，包括：反应器柱体；所述反应器柱体内部从上至下设有生物反应区和深度过滤区；所述生物反应区和深度过滤区之间的交界处设有薄片状物料组成的分隔层；所述生物反应区内设有粒径2～4mm的轻质填料；所述深度过滤区内设有粒径为1.0～2.0mm的比重较大的填料；所述深度过滤区填料比重是所述生物反应区比重的2.5-3倍。
所述深度过滤区高度是所述生物反应区高度的30％-40％；
优选地，所述深度过滤区内的填料为比重介于2.5-2.7g/cm3之间的石英砂滤料，形成砂滤层，所述生物反应区内的填料为比重介于0.9-1.0g/cm3之间的轻质悬浮填料，形成悬浮填料层；
更优选地，所述分隔层为瓜子片石层；所述瓜子片石的长度优选10～15mm；更优选地，所述瓜子片石层高度为所述生物反应区高度的5％-10％。
所述悬浮填料层底部设有曝气装置；
优选地，所述曝气装置为设置在悬浮填料层内距悬浮填料层底部边缘0.2m处的穿孔曝气管；
更优选地，穿孔曝气管呈十字交叉型布设，气孔的中心线与曝气管的轴线呈45℃，且气孔沿管线均匀分布；
优选地，所述轻质悬浮填料可选自轻质陶粒等无机填料以及聚苯乙烯、聚乙烯等有机填料。
反应器柱体的最底部设有配水区；
优选地，所述配水区上部为承托层；
更优选地，所述承托层上部与深度过滤区的砂滤层相接；
优选地，所述承托层与所述配水区之间设有滤板；
更优选地，所述承托层为所述滤板上铺设的鹅卵石，且鹅卵石从上至下分为两层，上层鹅卵石粒径为2-4mm，下层鹅卵石粒径为4-8mm。
所述高效生物降解过滤反应器还包括：反冲洗系统、碳源供给系统、进出水系统；
优选地，所述反冲洗系统包括：设置在反应器柱体上部的反冲洗出水管、设置在反应器柱体中部的布水管及反冲洗出水管、所述曝气装置的曝气管，以及设置在反应器柱体底部的布水管、进气管，以形成气水联合反冲洗；更优选地，所述曝气管、进气管分别通过外接管道与空压机相连接，且外接管道上设有可控制进气的进气阀和气体流量计；所述布水管通过外接管道与出水池相连接，且外接管道上设有可控制反冲洗布水的反冲阀；
优选地，所述碳源供给系统包括碳源池以及通过外接管道与碳源池内部连通的设置在反应器柱体中部的穿孔布水管；更优选地，所述碳源选自甲醇、乙酸或乙酸钠；更优选地，所述碳源池的外接管道上设有可控制碳源流动的碳源阀；
优选地，所述进出水系统包括设置在反应器柱体上部的进水管及反应器柱体最底部的出水管；所述进水管与原水池连接，所述出水管与出水池连接优选地，所述进水管上设有控制进水的进水阀，出水管上设有控制出水的出水阀；更优选地，柱体上部设置有液位计，当反应器液位到达液位计高度时，进水泵停止进水，反冲洗泵开启，自动进行反冲洗；
更优选地，所述反冲洗系统、碳源供给系统、进出水系统均安装有PLC控制器，分别与进气阀、反冲阀、进水阀、出水阀、碳源阀相连接。
用于处理黑臭水体的方法，其特征在于，采用所述的高效生物降解过滤反应器对黑臭水体进行处理。
所述方法包括：将黑臭水体从所述高效生物降解过滤反应器的上部通过进出水系统的进水管引入反应器柱体内依次流经悬浮填料层、分隔层、砂滤层、承托层、配水区，进行自然挂膜；
优选地，所述黑臭水体流经配水区后通过进出水系统的出水管进入出水池；
更优选地，在将黑臭水体引入反应器之前，在所述反应器柱体内生物反应区的悬浮填料层接种一定量的污泥闷曝一周进行接种挂膜。
所述自然挂膜完成之前，所述黑臭水体的进水流量由20L/h逐步提高到80L/h；
所述自然挂膜完成之后，所述黑臭水体的进水流量控制在60L/h；调整装置气水比到约0.5:1，通过进气阀及气体流量计调整曝气量为0.5L/min；
所述自然挂膜完成指，通入黑臭水体期间测定COD及氨氮去除率，当COD去除率达到60％、氨氮去除率达到70％时，挂膜完成。
所述方法，还包括：高效生物降解过滤反应器运行期间通过监测反应器柱体中部的反冲洗系统的布水管内溶解氧及硝酸盐含量调整气水比及控制碳源供给；
所述调整气水比指：当溶解氧含量大于2.5mg/L时，调整气水比使反应器柱体内溶解氧含量维持在1.0-2.5mg/L；
所述控制碳源供给指：根据硝酸盐含量检测结果，当碳氮比小于4时，启动碳源供给系统，且仅向砂滤层提供碳源供给；
优选地，所述反冲洗系统、碳源供给系统交替运行。
所述方法，还包括：高效生物降解过滤反应器运行期间，每两天进行一次反冲洗；
优选地，所述反冲洗指：采用出水池中的水进行气水联合反冲洗；
更优选地，所述气水联合反冲洗指：先气冲3min，强度为10L/(m2·s)；然后气水联合冲3min，气水强度均为10L/(m2·s))；最后水冲10min，强度为10L/(m2·s)；
更优选地，所述反冲洗的水通过反冲洗系统的出水管回流至原水池，经沉降后重新进入装置进行处理。
本发明的高效生物降解过滤反应器，包括反应器柱体1，柱体1底部设有配水区2，配水区2上部为承托层3，承托层3上部覆盖有砂滤层4，砂滤层4上部覆盖有瓜子片石层5，瓜子片石层5上部覆盖有轻质悬浮填料层6，悬浮填料层6下部设有穿孔曝气管7及布水管8，另外反应器还包括进出水系统9、反冲洗系统10及碳源供给系统11。
所述承托层3采用在滤板上铺设鹅卵石的形式，鹅卵石从上至下分为两层，第一层粒径为2-4mm，第二层粒径为4-8mm，承托层总高度约200mm。
所述砂滤层4采用石英砂滤料，比重较大，粒径1.0～2.0mm，砂滤层高度约为0.8m。
所述瓜子片石层5采用薄片状的，长度10～15mm，瓜子片石层铺设高度约0.1m。
所述悬浮填料层6采用比重较轻的悬浮填料，粒径2～4mm，悬浮填料层高度约2m。
所述填料层曝气用穿孔曝气管7置于悬浮填料层6最底端上方0.2m处，穿孔曝气管采用十字交叉型，气孔呈45℃斜向下沿管线均匀分布，可有效减少砂滤层反冲洗过程中对气孔的堵塞风险；曝气管通过进气管连接空压机，进气管上设有进气阀，进行装置曝气量控制。
所述进出水系统9包括柱体1上部的进水管及最底部的出水管，进出水管上均设有阀门；另外，柱体上部设置有液位计，当反应器液位到达液位计高度时，进水泵停止进水，反冲洗泵开启，自动进行反冲洗。
所述反冲洗系统10包括柱体底部及中部两个反冲洗点位，反冲洗采用气水联合反冲洗。底部反冲洗：柱体底部设置反冲洗进水管及进气管，底部反冲洗进气与填料曝气共用一个空压机，柱体1上部设置反冲洗出水管；中部反冲洗：在悬浮填料层下部设置穿孔布水管8，中部气反冲洗与填料曝气共用同一个穿孔曝气管及空压机。柱体底部设进气管，是用于反冲洗的气冲，只在反冲洗气冲时进气。
所述碳源供给系统11通过中部的穿孔布水管进行输送碳源，所采用碳源是甲醇、乙酸或乙酸钠，根据进入砂滤层的硝酸氮量来控制碳源投加量。
本反应器的进出水系统、反冲洗系统及碳源供给系统均安装有PLC控制器，分别与进气阀、反冲阀、出水阀、碳源阀等相连接。
本发明一种黑臭水体治理方法，应用上述的高效生物降解过滤反应器，将反应器置于黑臭水体附近，并设置一个进水初沉池及一个出水集水池。通过接种挂膜及自然挂膜两种方式相结合的方法对装置进行挂膜，即先接种一定量的污泥闷曝一周进行接种挂膜，再接入黑臭水体，逐步提高滤速进行自然挂膜。挂膜完成后，调整装置气水比到约0.5:1，启动进水泵及空压机即可。装置稳定运行之后每两天进行一次反冲洗，采用出水集水池中的水进行气水联合反冲洗，具体过程为：先气冲3min，强度为10L/(m2·s)；然后气水联合冲3min；最后水冲10min，强度为10L/(m2·s)。反冲洗出水回流至进水初沉池，经沉降后重新进入装置进行处理。
本发明的原理与优势是：
本反应器采用双层填料结构，中部曝气，污水呈下向流。上部轻质悬浮填料结构易于形成含有生物膜及悬浮活性污泥的双污泥系统，大大提高微生物的碳氧化及硝化反硝化作用，通过调节气水比至0.5:1，控制悬浮填料层溶解氧含量在1.0-2.5mg/L之间，在此临界条件下，生物膜及填料间隙由外至内依次形成好氧环境、缺氧环境、厌氧环境，营造一个好氧微生物、硝化细菌、反硝化细菌及聚磷菌的共生环境，以形成同步硝化反硝化、同步脱氮除磷等复杂的微生物作用过程；下部石英砂填料结构可深度截留黑臭水体中的微细悬浮物，同时砂滤层处于缺氧环境，在运行过程中，上部悬浮填料层出水会带入部分微生物，微生物在缺氧条件下可进一步强化反硝化脱氮作用。
本反应器集生物降解有机物、脱氮、除磷及去除微细悬浮物于一体，相比黑臭水体治理的常规技术手段，本反应器对水体污染物的作用范围更广，且大大节省占地面积。
本反应器为营造好氧、缺氧、厌氧的共存环境，将填料层的溶解氧控制在相对较低的水平，相比常规生物膜技术，曝气能耗相对较低，从而降低运营成本。
本反应器挂膜驯化时间短，耐冲击负荷能力强，在装置停止运行时，生物膜形成休眠体，在重新开始运行后，生物膜可在短时间恢复活性。
在悬浮填料层的底部设置布水管，碳源进水管道和反冲洗进水管道通过三通汇入布水管。在装置正常运行时，作为碳源输送管，针对不同的黑臭水体水质碳氮比情况，选择性的进行碳源的供给；在装置进行反冲洗时，作为反冲洗进水管，结合装置底部的反冲洗系统实现装置的多点位反冲洗，保证双层填料均能充分反冲洗。
本反应器的双层填料按照比重上轻下重的原则进行配置，反冲洗后双层填料可自动分层，且下层石英砂不会流失，相比传统的砂滤池，减少补砂的成本及相应的维护管理工作；另外，上轻下重的结构不影响双层填料的膨胀，反冲洗更充分，避免填料堵塞问题；
为避免双层填料在交界面互相混合，本反应器一方面选择了适当的石英砂及悬浮填料粒径配比，另一方面在双层填料的交界面装填10cm高的薄片状瓜子片石，保持装置高透水性的同时大大降低装置填料的堵塞现象。
本发明的反应器可以形成一种完整性、集成化程度较高的自动化装置与技术结合在线监测仪器、计算机程序控制等可以保证整体工艺长期、稳定、可靠地连续运行。所述反应器集生物降解有机物、脱氮、除磷及去除微细悬浮物于一体的高效生物降解过滤反应器，并将该反应器应用于黑臭水体的治理，使Ⅴ类、劣Ⅴ类的地表水体逐步改善为Ⅳ类以上的水体，从根本上解决黑臭水体的污染问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中标记列示如下：1-反应器柱体，2-配水区，3-承托层，4-砂滤层，5-瓜子片石层，6-悬浮填料层，7-穿孔曝气管，8-布水管，9-进出水系统、91-进水管、911-进水阀、912-进水泵、92-出水管、921-出水阀、93-原水池、94-出水池、95-液位计，10-反冲洗系统、101-上部反冲洗出水管、102-中部反冲洗出水管、103-进气管、104-空压机、105-进气阀、106-气体流量计、107-反冲阀、108-反冲洗泵；11-碳源供给系统、111-碳源池、112-碳源阀、113-碳源泵。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，下述实施例只是说明性的，并不限制本发明保护范围。下述实施例中所使用的操作步骤如无特殊说明，均为常规操作；所用的零部件、耗材等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
第1组实施例、本发明的高效生物降解过滤反应器
本组实施例提供一种高效生物降解过滤反应器。本组所有的实施例都具备如下共同特征：如图1所示，所述高效生物降解过滤反应器包括：反应器柱体1；所述反应器柱体1内部从上至下设有生物反应区和深度过滤区；所述生物反应区和深度过滤区之间的交界处设有薄片状物料组成的分隔层；所述生物反应区内设有粒径2～4mm的轻质填料；所述深度过滤区内设有粒径为1.0～2.0mm的比重较大的填料；所述深度过滤区填料比重是所述生物反应区比重的2.5-3倍。
生物反应区和深度过滤区上轻下重的优势：(1)上轻下重的填料结构可充分发挥上层轻质填料的悬浮特性，在装置运行过程中填料可处于悬浮状态，填料层经驯化挂膜后可形成含有生物膜及悬浮活性污泥的双污泥结构，提高生物反应区的污染物降解效率；(2)上轻下重的填料结构可使反冲洗后双层填料自动分层，且下层石英砂不会流失，相比传统的砂滤池，减少补砂的成本及相应的维护管理工作；(3)上轻下重的结构不影响双层填料的膨胀，反冲洗更充分，减少填料堵塞问题；
在具体的实施例中，所述深度过滤区高度是所述生物反应区高度的30％-40％；设置这种高度配比的原因是：由于装置曝气位于双层填料中部，下层深度过滤区起到截留微细悬浮物及反硝化脱氮的双重作用，上层生物反应区进行部分反硝化，仍有部分硝酸盐进入下层，此高度配比可使装置达到最佳的脱氮效果。
优选地，所述深度过滤区内的填料为比重介于2.5-2.7g/cm3之间的石英砂滤料，形成砂滤层4，所述生物反应区内的填料为比重介于0.9-1.0g/cm3之间的轻质悬浮填料，形成悬浮填料层6；所述轻质悬浮填料选自陶粒、聚苯乙烯、聚乙烯。
更优选地，所述分隔层为瓜子片石层5；所述瓜子片石的长度优选10～15mm；更优选地，所述瓜子片石层高度为所述生物反应区高度的5％-10％。设置这种高度配比的作用：此高度配比可保证填料层之间较高的透水性，且不影响砂率层反冲洗膨胀，保证砂率层的充分反冲洗。此高度配比还可较好的分隔双层填料，防止反冲洗时填料互相混合影响悬浮填料的悬浮性能。
在一些实施例中，所述悬浮填料层6底部设有曝气装置；
优选地，所述曝气装置为设置在悬浮填料层内距悬浮填料层底部边缘0.2m处的穿孔曝气管7；穿孔曝气管设在这个位置的好处是：保证上层轻质悬浮填料层具有充足溶解氧进行碳氧化及硝化作用，同时经过20cm悬浮填料层的生物反应消耗溶解氧，可大大降低进入下层砂率层的溶解氧含量，使砂率层处于缺氧环境，大大提高反硝化脱氮效果。
更优选地，所述穿孔曝气管7为多根曝气管相互之间呈十字交叉型布设，多跟曝气管整体呈网格结构，气孔的中心线与曝气管的轴线呈45℃，且气孔沿管线均匀分布。十字交叉型布设可以使曝气作用范围更广，溶解氧分布更均匀。
在另一些实施例中，反应器柱体1的最底部设有配水区2。可以采用常规的配水区结构，作用是使反冲洗进水稳定均匀，避免形成短流或沟流而造成双层填料的局部反冲洗，减少因反冲洗不均匀造成的填料堵塞问题。
优选地，所述配水区2上部为承托层3；
更优选地，所述承托层3上部与深度过滤区的砂滤层4相接；
优选地，所述承托层3与所述配水区2之间设有滤板；
更优选地，所述承托层3为所述滤板上铺设的鹅卵石，且鹅卵石从上至下分为两层，上层鹅卵石粒径为2-4mm，下层鹅卵石粒径为4-8mm。
在进一步的实施例中，所述高效生物降解过滤反应器还包括：反冲洗系统10、碳源供给系统11、进出水系统9；
优选地，所述反冲洗系统10包括：设置在反应器柱体1上部的反冲洗出水管101(出水口设置滤网防止悬浮填料随水流出)、设置在反应器柱体中部的布水管及反冲洗出水管102、所述曝气装置的曝气管7，以及设置在反应器柱体1底部的布水管8、进气管103，以形成气水联合反冲洗；上述这样设置的好处是：双层填料结构反冲洗时易使下层截留的悬浮物反冲洗至上层，部分悬浮物被截留至上层填料，造成反冲洗不彻底，填料易堵塞。本装置可实现下部及中部两个点位的反冲洗，中部反冲洗布水及曝气系统可保证上层填料的充分反冲洗，中部反冲洗出水管可使下层砂率层反冲洗出水直接在反应器中部排出，减少砂率层截留悬浮物对上层填料的影响。双点位反冲洗系统可保证双层填料的充分反冲洗，且可在频率及强度上选择性的对双层填料进行反冲洗。
更优选地，所述曝气管7、进气管103分别通过外接管道与空压机104相连接，且外接管道上设有可控制进气的进气阀105和气体流量计106；所述布水管8通过外接管道与出水池94相连接，且外接管道上设有可控制反冲洗布水的反冲阀107；
优选地，所述碳源供给系统11包括碳源池111以及通过外接管道与碳源池111内部连通的设置在反应器柱体1中部的穿孔布水管8；这里的穿孔布水管与反冲洗的布水管是同一根管子，由于碳源供给与反冲洗是交替运行的，采用同一根布水管，避免布水管太多影响填料层运行管理。
更优选地，所述碳源选自甲醇、乙酸或乙酸钠；更优选地，所述碳源池的外接管道上设有可控制碳源流动的碳源阀112。
优选地，所述进出水系统9包括设置在反应器柱体1上部的进水管91及反应器柱体最底部的出水管92；所述进水管91与原水池93连接，所述出水管92与出水池94连接；优选地，所述进水管91上设有控制进水的进水阀911，出水管92上设有控制出水的出水阀921；更优选地，柱体1上部设置有液位计95，当反应器液位到达液位计95高度时，进水泵912停止进水，反冲洗泵108开启，自动进行反冲洗；原水池93用于盛装待处理的黑臭水体，出水池94用于盛装黑臭水体经过处理后的干净水体。
更优选地，所述反冲洗系统10、碳源供给系统11、进出水系统9均安装有PLC控制器，分别与进气阀105、反冲阀107、进水阀911、出水阀921、碳源阀112相连接，用于自动化控制系统的启动及停止。可选用本领域常见的PLC控制器，可商购获得。
第2组实施例、本发明处理黑臭水体的方法
本组实施例提供一种用于处理黑臭水体的方法，其特征在于，采用第1组实施例任一项所述的高效生物降解过滤反应器对黑臭水体进行处理。
在具体的实施例中，所述方法包括：将黑臭水体从所述高效生物降解过滤反应器的上部通过进出水系统的进水管引入反应器柱体内依次流经悬浮填料层、分隔层、砂滤层、承托层、配水区，进行自然挂膜；
优选地，所述黑臭水体流经配水区后通过进出水系统的出水管进入出水池；
更优选地，在将黑臭水体引入反应器之前，在所述反应器柱体内生物反应区的悬浮填料层接种一定量的污泥闷曝一周进行接种挂膜。
在具体的实施例中，所述自然挂膜完成之前，所述黑臭水体的进水流量由20L/h逐步提高到80L/h；控制在这个范围的好处是：20L/h时对应的污水停留时间适宜于微生物的附着生长，后续随着微生物的附着量增加，需要的有机物量增大，需要加大流量以满足微生物的生长需求，但过高的流量会对附着的微生物形成较强的冲刷作用，反而会将微生物冲走。控制流量在此范围逐步提高利于微生物的附着及稳定生长。
所述自然挂膜完成之后，所述黑臭水体的进水流量控制在60L/h；调整装置气水比到约0.5:1，通过进气阀及气体流量计调整曝气量为0.5L/min；此气水比条件为本发明方法的创新设置，相比于一般的生物膜处理技术，本发明采用的气水比较低，曝气能耗相对较低，可降低运营成本。该步骤对黑臭水体处理效果起如下作用：调整此气水比条件的目的是控制悬浮填料层溶解氧含量在1.0-2.5mg/L之间，以营造一个好氧微生物、硝化细菌、反硝化细菌及聚磷菌的共生环境，形成同步硝化反硝化、同步脱氮除磷等复杂的微生物作用过程，形成集生物降解有机物、脱氮、除磷于一体的反应器；同时，通过对上层悬浮填料层溶解氧含量的控制，使得进入下部砂率层的溶解氧含量较低，易形成缺氧环境，使得砂率层在深度截留黑臭水体中的微细悬浮物的同时进一步强化反硝化脱氮作用。
所述自然挂膜完成指，通入黑臭水体期间测定COD及氨氮去除率，当COD去除率达到60％、氨氮去除率达到70％时，挂膜完成。
在进一步的实施例中，所述方法还包括：高效生物降解过滤反应器运行期间通过监测反应器柱体中部的反冲洗系统的布水管内溶解氧及硝酸盐含量调整气水比及控制碳源供给；
所述调整气水比指：当溶解氧含量大于2.5mg/L时，调整气水比使反应器柱体内溶解氧含量维持在1.0-2.5mg/L；调整气水比这一步骤是本发明的创新之一，对黑臭水体最终的处理效果其如下作用：控制悬浮填料层溶解氧含量在1.0-2.5mg/L之间，以营造一个好氧微生物、硝化细菌、反硝化细菌及聚磷菌的共生环境，形成同步硝化反硝化、同步脱氮除磷等复杂的微生物作用过程，形成集生物降解有机物、脱氮、除磷于一体的反应器；同时，通过对上层悬浮填料层溶解氧含量的控制，使得进入下部砂率层的溶解氧含量较低，易形成缺氧环境，使得砂率层在深度截留黑臭水体中的微细悬浮物的同时进一步强化反硝化脱氮作用。
所述控制碳源供给指：根据硝酸盐含量检测结果，当碳氮比小于4时，启动碳源供给系统。虽然补充碳源在水处理领域是常见操作，但本发明仅为下层的砂滤层提供碳源供给，这在本发明之前从未被报道过，这样设置的好处在于：利用下层砂滤层的缺氧环境，通过补充碳源，让砂滤层具有反硝化脱氮的功能，强化装置的脱氮效果。而当碳氮比大于4时，则不用开启碳源供给系统。本操作可使装置针对不同的黑臭水体水质均有较好的脱氮效果，应用比较灵活。
具体地，所述反冲洗系统和碳源供给系统交替运行，这样的话，在装置处理污水时碳源供给系统启动，反冲洗时装置不进污水，同时碳源供给系统也不运行，两个系统不是同时都运行，但两个系统分别运行时都是利用反应器中部的布水管进水。
在更进一步的实施例中，所述方法还包括：高效生物降解过滤反应器运行期间，每两天进行一次反冲洗；
优选地，所述反冲洗指：采用出水池中的水进行气水联合反冲洗；
更优选地，所述气水联合反冲洗指：先气冲3min，强度为10L/(m2·s)；然后气水联合冲3min，气水强度均为10L/(m2·s))；最后水冲10min，强度为10L/(m2·s)；首先气冲用的气是空压机产生的空气；最后水冲用的水是出水池中的水。
更优选地，所述反冲洗的水通过反冲洗系统的出水管回流至原水池，经沉降后重新进入装置进行处理。反冲洗将填料层中截留的悬浮物冲洗出来，反冲洗出水含有较多的悬浮物不能直接排放，因此需要重新回流至原水池中进一步处理。
实验例、本发明的具体操作及效果验证
高效生物降解过滤反应器制作及搭建：
自制Φ0.2m×4.5米的高效生物降解过滤反应器，该反应器主要由反应器柱体1，配水区2，承托层3，砂滤层4，瓜子片石层5，悬浮填料层6，穿孔曝气管7及布水管8，另外反应器还包括进出水系统9、反冲洗系统10及碳源供给系统11组成。
柱体1外壳采用厚约5mm的有机玻璃，反应器底板上连接DN20的PVC反冲洗进水管及DN5的进气软管。在距离柱体底部20cm处安装直径200mm的滤板，滤板上方由下至上填装直径为4-8mm及2-4mm的两层鹅卵石形成高200mm的承托层3，承托层3上部填装直径1-2mm石英砂，高度约0.8m，形成兼具截流微细悬浮物及反硝化功能的砂滤层4；砂滤层4上部填装长度5-10mm的瓜子片石5，高度约0.1m。
在距瓜子片石层0.2m处依次安装穿孔曝气管7及穿孔布水管8，穿孔曝气管7采用十字交叉型，气孔呈45℃斜向下沿管线均匀分布，通过DN5的软管连接空压机。布水管8通过DN20的水管连接反冲洗泵，并在水管上设置三通，同时连接碳源供给系统。瓜子片石层5的上方填装粒径2-4mm的聚乙烯球型悬浮填料，填装高度约2m，形成悬浮填料层6。在反应器顶部侧壁连接DN20的进水管及反冲洗出水管，由此完成高效生物降解过滤反应器的整体制作及搭建。
应用方法如下：
首先通过接种挂膜及自然挂膜两种方式相结合的方法对装置进行挂膜，即先接种一定量的污泥闷曝一周进行接种挂膜，之后通过潜水泵抽取黑臭水体进入2m3的黑臭水体储水箱，由泵输送至反应器，并通过阀门及流量计调节进水流量至20L/h，后续逐步提高流量至80L/h，进行自然挂膜。期间通过测定COD及氨氮判断挂膜是否完成，当COD去除率达到60％、氨氮去除率达到70％即认为挂膜完成。挂膜完成后，通过阀门及流量计调节进水流量为60L/h，调整装置气水比到约0.5:1，通过气管上的阀门及流量计调整曝气量为0.5L/min。运行期间通过柱体中部的反冲洗出水口取样进行溶解氧及硝酸盐含量的测定，当溶解氧含量大于2.5mg/L时，及时调整气水比，使柱内溶解氧含量维持在1.0-2.5mg/L之间；根据硝酸盐含量测定结果，当碳氮比小于4时，启动碳源供给系统。另外，装置运行期间，每两天进行一次反冲洗，采用出水集水池中的水进行气水联合反冲洗，具体过程为：先气冲3min，强度为10L/(m2·s)；然后气水联合冲3min；最后水冲10min，强度为10L/(m2·s)。反冲洗出水回流至黑臭水体储水池，经沉降后重新进入装置进行处理。
实验稳定运行一个月之后，将装置出水的COD、氨氮、总氮、总磷等指标与黑臭水体原水进行对比分析，实验过程中每天均对反应器出水指标进行检测，实验稳定运行两周之后，实验检测数据基本稳定，偏差波动范围较小，总体实验结果显示，与黑臭水体原水相比，经反应器处理后，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别达到75％-80％、85％-90％、60％-70％、50％-60％，实验效果明显。

Claims (10)

1.一种高效生物降解过滤反应器，包括：反应器柱体；所述反应器柱体内部从上至下设有生物反应区和深度过滤区；所述生物反应区和深度过滤区之间的交界处设有薄片状物料组成的分隔层；所述生物反应区内设有粒径2～4mm的轻质悬浮填料；所述深度过滤区内设有粒径为1.0～2.0mm的比重较大的填料；所述深度过滤区填料比重是所述生物反应区比重的2.5-3倍。
2.根据权利要求1所述的高效生物降解过滤反应器，所述深度过滤区高度是所述生物反应区高度的30％-40％；
优选地，所述深度过滤区内的填料为比重介于2.5-2.7g/cm3之间的石英砂滤料，形成砂滤层，所述生物反应区内的填料为比重介于0.9-1.0g/cm3之间的轻质悬浮填料，形成悬浮填料层；
更优选地，所述分隔层为瓜子片石层；所述瓜子片石的长度优选10～15mm；更优选地，所述瓜子片石层高度为所述生物反应区高度的5％-10％。
3.根据权利要求2所述的高效生物降解过滤反应器，所述悬浮填料层底部设有曝气装置；
优选地，所述曝气装置为设置在悬浮填料层内距悬浮填料层底部边缘0.2m处的穿孔曝气管；
更优选地，多根穿孔曝气管呈十字交叉型布设，且气孔的中心线与曝气管的轴线呈45℃，且气孔沿管线均匀分布；
优选地，所述轻质悬浮填料选自：轻质陶粒、聚苯乙烯、聚乙烯。
4.根据权利要求1-3任一所述的高效生物降解过滤反应器，其反应器柱体的最底部设有配水区；
优选地，所述配水区上部为承托层；
更优选地，所述承托层上部与深度过滤区的砂滤层相接；
优选地，所述承托层与所述配水区之间设有滤板；
更优选地，所述承托层为所述滤板上铺设的鹅卵石，且鹅卵石从上至下分为两层，上层鹅卵石粒径为2-4mm，下层鹅卵石粒径为4-8mm。
5.根据权利要求1-4任一所述的高效生物降解过滤反应器，还包括：反冲洗系统、碳源供给系统、进出水系统；
优选地，所述反冲洗系统包括：设置在反应器柱体上部的反冲洗出水管、设置在反应器柱体中部的布水管及反冲洗出水管、所述曝气装置的曝气管，以及设置在反应器柱体底部的布水管、进气管，以形成气水联合反冲洗；更优选地，所述曝气管、进气管分别通过外接管道与空压机相连接，且外接管道上设有可控制进气的进气阀和气体流量计；所述布水管通过外接管道与出水池相连接，且外接管道上设有可控制反冲洗布水的反冲阀；
优选地，所述碳源供给系统包括碳源池以及通过外接管道与碳源池内部连通的设置在反应器柱体中部的穿孔布水管；更优选地，所述碳源选自甲醇、乙酸或乙酸钠；更优选地，所述碳源池的外接管道上设有可控制碳源流动的碳源阀；
优选地，所述进出水系统包括设置在反应器柱体上部的进水管及反应器柱体最底部的出水管；所述进水管与原水池连接，所述出水管与出水池连接优选地，所述进水管上设有控制进水的进水阀，出水管上设有控制出水的出水阀；更优选地，柱体上部设置有液位计，当反应器液位到达液位计高度时，进水泵停止进水，反冲洗泵开启，自动进行反冲洗；
更优选地，所述反冲洗系统、碳源供给系统、进出水系统均安装有PLC控制器，分别与进气阀、反冲阀、进水阀、出水阀、碳源阀相连接。
6.用于处理黑臭水体的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的高效生物降解过滤反应器对黑臭水体进行处理。
7.根据权利要求6所述的方法，包括：将黑臭水体从所述高效生物降解过滤反应器的上部通过进出水系统的进水管引入反应器柱体内依次流经悬浮填料层、分隔层、砂滤层、承托层、配水区，进行自然挂膜；
优选地，所述黑臭水体流经配水区后通过进出水系统的出水管进入出水池；
更优选地，在将黑臭水体引入反应器之前，在所述反应器柱体内生物反应区的悬浮填料层接种一定量的污泥闷曝一周进行接种挂膜。
8.根据权利要求7所述的方法，所述自然挂膜完成之前，所述黑臭水体的进水流量由20L/h逐步提高到80L/h；
所述自然挂膜完成之后，所述黑臭水体的进水流量控制在60L/h；调整装置气水比到约0.5:1，通过进气阀及气体流量计调整曝气量为0.5L/min；
所述自然挂膜完成指，通入黑臭水体期间测定COD及氨氮去除率，当COD去除率达到60％、氨氮去除率达到70％时，挂膜完成。
9.根据权利要求6-8任一所述的方法，还包括：高效生物降解过滤反应器运行期间通过监测反应器柱体中部的反冲洗系统的布水管内溶解氧及硝酸盐含量调整气水比及控制碳源供给；
所述调整气水比指：当溶解氧含量大于2.5mg/L时，调整气水比使反应器柱体内溶解氧含量维持在1.0-2.5mg/L；
所述控制碳源供给指：根据硝酸盐含量检测结果，当碳氮比小于4时，启动碳源供给系统，且仅向砂滤层提供碳源供给；
优选地，所述反冲洗系统、碳源供给系统交替运行。
10.根据权利要求6-9任一所述的方法，还包括：高效生物降解过滤反应器运行期间，每两天进行一次反冲洗；
优选地，所述反冲洗指：采用出水池中的水进行气水联合反冲洗；
更优选地，所述气水联合反冲洗指：先气冲3min，强度为10L/(m2·s)；然后气水联合冲3min，气水强度均为10L/(m2·s))；最后水冲10min，强度为10L/(m2·s)；
更优选地，所述反冲洗的水通过反冲洗系统的出水管回流至原水池，经沉降后重新进入装置进行处理。
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