CN110028172A - 一种零能耗污水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零能耗污水处理系统，属于污水处理领域，包括用于处理污水的基质层，所述基质层为依次排列的基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层。本发明的污水污水处理系统通过吸附、过滤后，使从集水层流出的水符合环境要求，尤其对雨水初期径流污染物及微污染水处理效果显著。整个处理工艺段充分利用了水的不可压缩性，将原水的势能转化成污水处理的动能，从而实现污水处理的零能耗运行。通过对基质层的调整，可同时满足可生化性污水及不可生化性污水的处理。进一步提高了污水处理工艺的适用范围。

Description

一种零能耗污水处理系统

技术领域

本发明涉及污水处理领域，特别是涉及一种零能耗污水处理系统。

背景技术

污水处理根据原水性质分为可生化性和不可生化性两大类。其主要判定指标为B/C比，即如果在0.3以上，可认为可生物处理，如果低于0.2，基本可不用考虑生化处理，在0.2～0.3之间尝试如何提高B/C——水解酸化，高级氧化、补充碳源等。而在污水处理设施投入运行以后，其工艺将是不可改变的。而对于污水处理设施进水原水的多样性而造成进水水质可生化性波动较大，进而造成进水原水水质可生化性与处理工艺之间的矛盾，造成出水水质不达标的状况。尤其在汛期时，大量降雨造成市政污水处理厂调节池的污水原水不具备可生化性的运行条件。由此进水水质超出原设计进水水质指标也是造成目前污水处理运营方与政府等建设方之间的主要矛盾之一。也就是说现有污水处理工艺不具备对污水处理进水水质的抗冲击负荷的能力。

对于采用生化处理工艺的污水处理设施，一般要求其处理水量负荷不低于设计水量负荷的70％。主要是由于生化处理是依赖好氧、厌氧、缺氧微生物将污水中的污染源作为营养源，从而通过生物处理的方式去除污水中的污染源。原水水量过低时，调节池提升泵将带动后续的生化处理工艺段间歇运行。在间歇期驯化的微生物由于缺少营养源造成微生物死亡，导致生化处理工艺段失效，系统需重新投加活性污泥重新进行生物驯化。也就是说现有污水生化处理工艺对污水原水水量抗冲击负荷较弱。

现有的污水处理包括中水回用处理运行能耗高是污水处理设施运行成本的主要构成，约战污水处理运行成本的80％。如污水处理过程中的多次提升、曝气、硝化反硝化回流等水泵和风机的电耗居高不下。

综上所述，研究一套具有对水质、水量抗冲击负荷能力强且运行能耗低的污水处理工艺显得尤为迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有效收集、净化的零能耗污水处理系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一零能耗污水处理系统，包括用于处理污水污染物的基质层，所述基质层为依次排列的基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层。

进一步地，所述基质吸附层采用沸石、蛭石、煤渣和陶粒中至少两种材质混合铺设或按种类分层铺设而成。

进一步地，所述基质吸附层包括依次排列的沸石层、蛭石层和陶粒层。

进一步地，所述沸石层、蛭石层和陶粒层的体积比为3:3～5:3～5，可根据污水污染物性质适当调整比例。

进一步地，所述基质渗滤层采用草甸棕漠土、煤渣、膨润土、稻壳和/ 或石英砂填充而成。

进一步地，所述基质集水层采用细砂和/或鹅卵石填充而成。

进一步地，所述基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层的填充高度比为25～55:70～85:5～15，可根据污水污染物性质适当调整比例。

进一步地，还包括用于限制所述基质层的填料在一定范围内的填料挡板和/或防护墙。

进一步地，还包括设置在基质层上方的排水沟透水盖板。

进一步地，所述基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层为水平排列，每层基质间设有限制水位的挡板和控制水位的水位控制器。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1、本发明的污水处理系统采用吸附渗滤的处理工艺，可同时处理可生化性污水和不可生化性污水。对原水水质的抗冲击负荷能力强；

2、本发明的污水处理系统无生物处理工艺段，因而对污水水量的抗冲击负荷强，可实现污水水量从0-100％的水量范围内稳定运行；

3、充分利用了水的不可压缩性的特点，将水的势能转化成动能，因而无需设置提升泵，同时，通过分段进水控制，实现污水处理在运行期间表层自然曝气，无需设置曝气设施。也无需设置搅拌机等设施，基本实现零能耗运行。

4、同时，由于整个处理段均实现了表层曝气，水中溶解氧D0较高，无厌氧或缺氧工况出现，因而处理过程中无硫化氢及甲烷等臭气产生，实现污水处理过程的环境友好

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的零能耗污水处理系统的一个安装实施例的俯视结构示意图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是本发明的零能耗污水处理系统的另一个安装实施例的俯视结构示意图；

图4是图3的B-B剖面图；

图5是图3的A-A剖面图；

图6是本发明的零能耗污水处理系统的一个模拟系统实施例的示意图，其中(1)为模拟处理系统1(1柱)，(2)为模拟处理系统2(2柱)， (3)为模拟处理系统3(3柱)，(4)为模拟处理系统4(4柱)；

图7是本发明的模拟系统的各渗滤柱中NH4+-N浓度随运行时间的变化示意图；其中(A)为1柱NH4+-N浓度变化示意图；(B)为2柱NH4+-N浓度变化示意图；(C)为3柱NH4+-N浓度变化示意图；(D)为4柱NH4+-N 浓度变化示意图；

图8是本发明的模拟系统的各渗滤柱中TP浓度随运行时间的变化示意图；其中(A)为1柱TP浓度变化示意图；(B)为2柱TP浓度变化示意图； (C)为3柱TP浓度变化示意图；(D)为4柱TP浓度变化示意图；

图9是本发明的模拟系统的两渗滤柱中COD浓度随运行时间的变化示意图；其中(A)为2柱COD浓度变化示意图；(B)为3柱COD浓度变化示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。

本发明提供一种零能耗污水处理系统，如图1至图6所示，包括用于处理污水污染物的基质层，基质层为依次排列的基质吸附层1、基质渗滤层 2和基质集水层3。

本发明在使用时，依次水平或按竖直放下安装基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层，使污水依次经过基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层从而将污水中的污染物得到充分处理，从而达到安全排放或回用的目的。

进一步地，基质吸附层1采用沸石11(或11’或101)、蛭石13(或 13’或102)、煤渣103和陶粒12(或12’或104)中至少两种材质混合铺设或按种类分层铺设而成。例如铺设的层次可以依次为沸石层、蛭石层和陶粒层，也可以为沸石层、陶粒层和蛭石层，还可以为沸石层、蛭石层和煤渣层，根据附近区域可能存在的污染物进行选择和配置。

作为一个实施例，如图6(3)的3柱所示，基质吸附层包括依次排列的沸石层101、蛭石层102和陶粒层104。进一步地，沸石层、蛭石层和陶粒层的体积比为3:3:4。

进一步地，基质渗滤层采用草甸棕漠土、煤渣、膨润土、稻壳和/或石英砂填充而成，基质渗滤层也可以直接采用石英砂。

进一步地，基质集水层采用细砂和/或鹅卵石填充而成。

进一步地，基质吸附层1、基质渗滤层2和基质集水层3的填充高度比可以为45:75:5，也可以根据周围环境的可能的污染物进行相应调整。

进一步地，还包括用于限制基质层的填料在一定范围内的填料挡板和/ 或防护墙7(或7’)，填料挡板也可以设置在不同的基质层中间。

进一步地，还包括设置在基质层上方的排水沟透水盖板5(或5’)。

进一步地，基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层可以为水平排列，也可以为竖直排列，根据安装区域的环境、地方要求等决定，当基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层为水平排列，每层基质间设有限制水位的挡板和控制水位的水位控制器，水位控制器用于使经过的污水充分经过基质层得到充分处理。

为了充分体现本发明的污水处理系统的处理效果，构建4套污染物处理模拟装置，如图6的(1)、(2)、(3)和(4)所示，处理系统采用渗滤柱盛放处理填料，同时通过蠕动泵、进水桶模拟污水输入。其中渗滤柱是主体。渗滤柱尺寸：内径Ф10cm，高h135cm；材质为有机玻璃，由上、下两部分组成，中间以法兰连接，上部是渗滤柱主体，包括基质层(高125cm) 和溢流段(高5cm，位于柱顶部，基质层上方)，柱体顶部设溢水口，溢水口下5cm处设进水口，从进水口开始每隔30cm设1个出水口，共计4个；下部为蓄水层，高5cm，连接出水管，与上部之间用布满0.5cm小孔的有机玻璃隔开。由于磷在渗滤过程中易被介质的物理化学吸附截留，可以认为磷在土壤中是几乎不移动的，渗滤过程中部分氮可被介质吸附，其余的可以通过硝化、反硝化作用去除。基于上述理论，基质层从上往下依次分为吸附层、渗滤层和集水层，具体填充方式如图6所示。对该模拟装置进行径流污水模拟和监测。

1.1污水模拟——人工污水的制备

氮、磷和有机污染物是城市污水径流中的主要污染指标，其中氮、磷是造成水体富营养化的主要物质。采用人工配制污水，模拟自然径流污水中的铵态氮(NH4+-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)。

人工径流污水不仅易得、无时间和天气限制，还可以掌控进水浓度，具体成分和配比可以如下：NH4Cl为(10±2)mg/L，KH2PO4为(3.5± 0.5)mg/L，C6H12O6为(270±10)mg/L，用自来水溶解并混合均匀，使用当天配置。

1.2模拟装置运行——分为3个阶段

1)测量渗滤柱的持水量。模拟自然环境，忽略地表蒸发前提下测定装置内基质持水量。装置开始运行后，根据进水实际下渗状况逐渐调节蠕动泵进水流量，保证渗滤柱表层不干涸且溢水口无水溢出。当蠕动泵进水流量为11.2mL/min左右时，装置达到稳定状态，记录自进水到第1次出水渗滤柱所容纳的水量。

2)测量渗滤柱的渗透速度。采用定水头法测定渗滤柱基质渗透速度。实验自08:00开始布水，持续运行12h，保持蠕动泵以14mL/min的速度进水，使超出水头的水量从溢水口流出，在渗滤柱末端出水口安装玻璃转子流量计测定出水速度，每隔0.5h读数。经实验测得各渗滤柱出水速度在90min以后逐渐稳定，对90min以后的读数取平均值，即为渗滤柱渗透速度。

3)测定渗滤柱对污染物的削减能力。待进出水稳定、出水口出水无泥沙流出后进行第3阶段取样，每隔2h用聚乙烯瓶采集各出水口出水，并放入4℃下保存，聚乙烯瓶需用蒸馏水冲洗干净。每天08:00开始布水， 16:00停止进水，连续共取3d。

1.3水质分析方法

根据海绵城市对城市径流污水的排放要求和城市径流污水主要污染特征，进出水水质指标选取及分析方法如下：NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法；TP采用钼酸铵分光光度法；COD采用微回流比色法(美国哈希DR890水质分析仪)。

2模拟装置监测的结果与讨论

2.1渗滤柱持水能力和渗透速度

4根渗滤柱持水量和渗透速度见表1。由表1可知，3#柱混合基质(沸石+蛭石+陶粒)分层填充持水量最大，即在不渗透或溢出的情况下，3#柱所容纳的水量最大。3#和4#柱填充物质相同，填充方式不同，混合填装时，基质之间相互填充空隙，基质层密度更大，储水及渗透速度小于分层填装。

表1各渗滤柱最大持水量和平均渗透速度

由表1各渗滤柱平均渗透速度，其中3#和4#柱渗透速度高于1#和2# 柱，即沸石+蛭石+陶粒填充方式高于沸石+蛭石+煤渣渗滤柱的渗透速度。

2.2渗滤柱对污染物的去除效果

2.2.1渗滤柱对NH4+-N的去除效果

4根渗滤柱中NH4+-N浓度变化如图7所示。进水初期水流冲刷基质，携带出部分填充物质，所以出水效果差且不稳定，出水在8～12h之间达到稳定；出水稳定后出水口1、出水口2出水浓度明显大于出水口3、出水口4 出水浓度，出水口1出水浓度总体大于出水口2出水浓度，出水口3、出水口4出水NH4+-N浓度相差不大，无明显差距，渗滤柱在出水口3位置即基质层深90cm时，对NH4+-N的处理已达到最佳状态。

取10h后渗滤柱最终出水观察，4#渗滤柱出水相对较差，平均出水浓度为3.2mg/L，1#、2#和3#渗滤柱出水效果相近，平均出水浓度分别为2.7、 2.6和2.7mg/L。此时各渗滤柱出水NH4+-N浓度均小于5mg/L，符合《城市污水再生利用城市杂用水水质指标》(GB/T18920-2002)中道路清扫、消防等各项用水标准和《城镇污水处理厂污染物排放指标》(GB18918-2002) 中一级A类要求。各渗滤柱对NH4+-N的去除率均在80％以上，1#、2#、3# 和4#柱的去除率分别为86.68％、84.65％、86.27％和80.13％。

2.2.2渗滤柱对TP(磷浓度)的去除效果

4根渗滤柱中TP浓度随时间变化如图8所示，除2#柱在6h左右有较大波动外，各渗滤柱出水中TP浓度稳定。由出水口1可看出渗滤柱上层吸附层对TP有明显作用，相同填充基质中分层填充的吸附效果好于混合填充，不同填充基质中沸石+蛭石+陶粒的组合略好于沸石+蛭石+煤渣组合；从上到下各出水口TP逐渐降低，各渗滤柱在出水口3的平均浓度均小于1mg/L，到最终出水口4即基质层深120cm处达到最佳去除效果。出水口4在各个时间出水如图5所示，除第1次出水时4#渗滤柱磷浓度较高，其余时间各渗滤柱出水均小于0.3mg/L，各渗滤柱出水平均浓度均小于0.2mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级A类标准。对比进水与出水浓度，得出各渗滤柱对TP的平均去除率，如表2所示，均在95％以上；其中4#渗滤柱去除率最低，为95.63％，其余3个渗滤柱对TP 的去除率相差不大，均大于98％；2#渗滤柱去除率最高，为98.59％。各渗滤柱TP的平均出水浓度及去除率如表2所示。

表2各渗滤柱出水TP平均浓度及去除率

2.2.3渗滤柱对COD的去除效果

渗滤柱吸附层混合填充与分层填充对COD去除效果无明显区别，选取 2#和3#渗滤柱进行分析。如图9所示，开始COD随着SS被表层吸附剂截留，在前3h中出水COD浓度有所下降，但随着进水量逐渐增多，填料内部分不稳定基质随水流流出，导致出水COD浓度上升；2#柱在12h左右、3#柱在7h左右出水中COD浓度再次逐渐下降，此时基质中微生物开始生长，降解进水中COD，30h左右吸附层基质出现挂膜，微生物对COD降解作用开始稳定，出水中COD也逐渐降低并趋于稳定；50h以后最终出水中COD浓度降到30mg/L以下，并逐渐稳定；52h以后2#柱和3#柱出水COD平均浓度分别为25.4mg/L和25.6mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002)中一级A类标准和《建筑与小区污水控制及利用工程技术规范》(GB 50400-2016)中除娱乐性水景用水标准以外的其他各项用水标准。

由图9可看出，前期出水口2出水效果稳定且COD浓度相对较低，但因为渗滤层基质有机物含量高、颗粒小，前期出水中携带出填充基质中有机物，导致出水口3和出水口4出水浓度较高；后期随着微生物的生长，渗滤层基质稳定性增加，对COD处理效果逐渐提高，出水口3和出水口4出水COD浓度逐渐降低且趋于平稳。

对装置运行的72h中进水及最终出水口4水质COD浓度取平均值，以此计算各渗滤柱对进水中COD的平均去除率，均在50％以上，其中3#柱去除率最高可达88.75％。

3结论

1)通过在吸附层引入沸石、蛭石、煤渣和陶粒4种新基质，比较基质填充方式，改良渗滤层基质配比，有效增强了土壤的渗透速度和持水量，提高了对污染物的降解能力。

2)沸石+蛭石+陶粒分层填装的3#渗滤柱效果最好，持水量为39.73％，平均渗透速度为2 992mm/d，出水中NH4+-N浓度小于5mg/L，TP浓度小于0.2mg/L，50h后COD浓度小于30mg/L，均符合《城市污水再生利用城市杂用水水质指标》(GB/T 18920-2002)中道路清扫、消防用水标准等各项标准，《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级A标准和《建筑与小区污水控制及利用工程技术规范》(GB 50400-2016)中除观赏性水景用水标准外其他各项用水标准。

3)对于海绵城市建设的雨水处理而言，通过对城市非硬化路面下垫面的优化，不仅增大了基质渗透速度和持水量，也提高了氮、磷和COD的去除率。在连续进水的72h内填充柱表面最大积水高度不超过5cm，且对 NH4+-N、TP和COD去除效果较好。证明该种填充方式可适应模拟条件下大于72h的连续大暴雨，能够很好地控制径流总量、削减径流峰值和径流污染物，符合海绵城市建设需求。

本发明的污水污水处理系统通过吸附、过滤后，使从集水层流出的水符合环境要求，尤其对雨水初期径流污染物及微污染水处理效果显著。整个处理工艺段充分利用了水的不可压缩性，将原水的势能转化成污水处理的动能，从而实现污水处理的零能耗运行。通过对基质层的调整，可同时满足可生化性污水及不可生化性污水的处理。进一步提高了污水处理工艺的适用范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种零能耗污水处理系统，其特征在于，包括用于处理污水污染物的基质层，所述基质层为依次排列的基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层。

2.根据权利要求1所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述基质吸附层采用沸石、蛭石、煤渣和陶粒中至少两种材质混合铺设或按种类分层铺设而成。

3.根据权利要求1所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述基质吸附层包括依次排列的沸石层、蛭石层和陶粒层。

4.根据权利要求3所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述沸石层、蛭石层和陶粒层的体积比为3:3～5:3～5。

5.根据权利要求1所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述基质渗滤层采用煤渣、膨润土、纤维束(球)、高分子聚合物和/或石英砂填充而成。

6.根据权利要求1所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述基质集水层采用细砂和/或鹅卵石填充而成。

7.根据权利要求1至6任一所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层的填充高度比为25～55:70～85:5～15。

8.根据权利要求1至7任一所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，还包括用于限制所述基质层的填料在一定范围内的填料挡板和/或防护墙。

9.根据权利要求1至8任一所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层为垂直排列，每层基质间设有布水器和控制水位的水位控制器。

10.根据权利要求1至9任一所述的零能耗污水处理系统，其特征在于，所述基质吸附层、基质渗滤层和基质集水层为水平排列，每层基质间设有限制水位的挡板和控制水位的水位控制器。