CN110746055A - 一种河道原位水质净化及污水深度处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种河道原位水质净化及污水深度处理系统。本发明在曝气砾石区和非曝气砾石区采用分段进水，解决了因非曝气区碳源不足而导致的反硝化过程缓慢问题，进而提高脱氮效率；曝气砾石区、非曝气砾石区、水平潜流人工湿地及出水区均无水泵或管道连接，减少能耗，节省基建投资；后置的水平潜流人工湿地一方面可净化因分段进水未去除的氨氮，一方面能进一步增强其它污染物的去除效率，提高出水水质。当水力停留时间为5小时，分段进水配比1:1时，此系统最终出水SS去除率为90％，COD和氨氮去除率为80％，总氮去除率在60％左右。本发明流程合理，占地面积小，为完全生态型的水处理工艺，可作为河道原位修复及污水深度处理工艺。

Description

一种河道原位水质净化及污水深度处理系统
技术领域
本发明属于河道原位水质净化和污水深度处理领域，涉及一种河道原位水质净化及污水深度处理系统。
背景技术
近年来，随着我国工业化、城镇化进程加快，点源以及面源污染形势加剧，大量污染物进入河道水体，对水环境造成了严重影响，导致城镇周边河流普遍受到不同程度的污染，进而影响地下水水质，严重威胁人民群众的健康。因此，寻找一种适用性广且处理效果好的河道水体原位净化及修复技术迫在眉睫。
目前较为常用的河道修复技术主要有物理、化学以及生态等类型的修复方法。物理修复主要用于城市河道黑臭水体的治理，如疏浚底泥、机械除藻和引水稀释等，此类方法工艺设备简单、操作简便、初期处理效果明显，但往往治标不治本。化学净化方法是指向污染水体中投加化学药剂，通过药剂与污染物之间的化学反应，加快去除水体中的污染物，其主要包括混凝沉淀、加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等方法。化学净化法由于投加化学药剂，因此治理费用较高，同时还易造成二次污染。
经过国内外专家的大量研究，一些环保绿色、无二次污染的生态修复技术被广为使用，目前的生态修复技术主要有人工浮岛、人工湿地以及生物接触氧化技术。人工浮岛技术是依据水生植物修复机理将浮床作为载体，把一些对污染物有强烈吸附作用的水生植物栽植在水面上，从而达到削减污染物的作用，但是人工浮岛的设置地点限制因素较多，对水深，流速都有一定的要求，部分河道很难应用此项技术。人工湿地技术构成了填料-水生植物-微生物三者的协同作用系统，通过一系列物理、化学和生物过程(如过滤、沉淀、吸附、植物吸收及微生物降解作用)达到去除污染物，高效净化污水的效果，人工湿地具有出水水质稳定、抗冲击能力强、操作简单和投资低等特点，但其缺点在于所要求的占地面积较大，处理负荷低，且在气温较低时净化效果变差。
生物膜技术是指利用附着于某些固体表面的微生物所形成的生物膜与污水接触，膜上的微生物摄食污水中的有机物作为营养物质，将其吸收转化为无机物质，从而达到净化水质、处理污水的效果。砾间接触氧化工艺是典型的生物膜技术，它处理负荷高、占地面积小，生态效果好，最重要的是能够与周边环境地形很好的融合。因此，近年来对砾间接触氧化工艺的研究日趋深入，但是其对河道水体原位净化或者污水深度处理的实际应用研究仍处于起步阶段。
传统的砾间接触氧化工艺往往对COD、SS、NH4 +-N去除率较高，但是对总氮的去除率较低，因此迫切需要寻找一种以砾间接触氧化工艺为基础的改良处理系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种河道原位水质净化及污水深度处理系统。
本发明针对目前砾间接触氧化工艺的不足与缺陷，提出一种改良型的砾间接触氧化处理系统。本发明以砾间接触氧化技术为主，附着在砾石表面的微生物膜通过吸附、降解等作用去除水中污染物。以串联的水平潜流人工湿地为辅，进一步提高水质，达到深度净化水中污染物的目的，其主要可应用于河道的原位修复以及污水的深度处理。本发明系统能耗低、处理效果稳定、处理负荷高，能够弥补传统砾间接触氧化工艺的总氮处理效果不佳的问题。
本发明要求保护一种河道原位水质净化及污水深度处理系统，该系统包括预处理区、曝气砾石区、非曝气砾石区、人工湿地配水区、水平潜流人工湿地区和出水区；
所述预处理区包括格栅和沉淀区；
所述预处理区与所述曝气砾石区和非曝气砾石区之间通过水泵连通；
所述曝气砾石区与非曝气砾石区连通；
所述曝气砾石区与非曝气砾石区内均填充有可附着微生物膜的砾石填料；
所述非曝气砾石区与所述人工湿地配水区连通；
所述人工湿地配水区与所述水平潜流人工湿地区连通；
所述水平潜流人工湿地区与所述出水区连通。
上述河道原位水质净化及污水深度处理系统中的所述预处理区中，所述格栅为粗格栅和细格栅；所述粗格栅位于水流上游方向；在所述粗格栅和细格栅之间及所述细格栅的水流下游方向均设有所述沉淀区；
所述沉淀区的底部与排泥管连通，定期进行排泥；
所述曝气砾石区和的长宽高比为6：4：3；
所述非曝气砾石区的宽度和高度与所述曝气砾石区相同；
所述曝气砾石区与所述非曝气砾石区的长度比为1：2；
所述水平潜流人工湿地区的长宽比为3：1。
所述预处理区的出水由所述水泵以分段进水方式进入所述曝气砾石区和所述非曝气砾石区；
所述曝气砾石区和非曝气砾石区底部均设有可连通或关闭的曝气装置、曝气管道和曝气泵；所述曝气砾石区和非曝气砾石区中，砾石填料的平均粒径为30-50mm，孔隙率为30-40％；具体为35％。
所述曝气砾石区与非曝气砾石区之间由隔板分开；所述隔板下方留有孔隙以使所述曝气砾石区与非曝气砾石区连通；
所述人工湿地配水区与所述非曝气砾石区以隔板分开，以溢流方式连通；
所述水平潜流人工湿地区与所述人工湿地配水区由下部分布有均匀小孔的隔板分开；
所述出水区与所述水平潜流人工湿地区由隔板I隔开；所述隔板I下部分布有均匀小孔；
所述出水区设有出水口；所述出水口的最下端与所述隔板I打孔处的最高端平行。
所述水平潜流人工湿地区由下至上依次为粗制填料层、细制填料层和松软土壤层及种植其上的湿地植物。
具体的，所述粗制填料层的装填物的粒径为5-10mm；具体为粒径为5-10mm的沸石；
所述细制填料层的装填物的粒径为2-5mm；更具体为粒径为2-5mm的沸石；
所述细制填料层和粗制填料层的高度比为1:3；
所述松软土壤层的厚度为20-40cm；所述松软土壤层的装填物为松软粘土和壤土中至少一种；所述松软土壤层的装填物的渗透系数为0.025-0.35cm/h；
所述湿地植物为挺水植物；具体可选自菖蒲和美人蕉中至少一种；
所述湿地植物的种植密度为9-25株/m2；
所述水平潜流人工湿地区中，所述粗制填料层、细制填料层和松软土壤层的总高度与所述隔板I的打孔高度一致；
所述水平潜流人工湿地区的长宽比为3：1。
上述本发明提供的河道原位水质净化及污水深度处理系统在水质净化和污水深度处理中的应用，也属于本发明的保护范围。
本发明还要求保护一种利用所述河道原位水质净化及污水深度处理系统进行水质净化和污水深度处理的方法，该方法包括：
1)将待处理污水或河水进入所述预处理区后，由所述水泵以分段进水的方式进入所述曝气砾石区和非曝气砾石区，关闭所述非曝气砾石区的曝气泵，在所述曝气砾石区进行曝气；
2)经过所述曝气砾石区和非曝气砾石区处理后的水，以溢流方式进入所述人工湿地配水区后，再流进所述水平潜流人工湿地，由所述出水区出水。
上述方法中，所述曝气砾石区和非曝气砾石区的总水力停留时间为3h-7h；水平潜流人工湿地的水力停留时间为3-8h；
所述曝气砾石区和非曝气砾石区分段进水配比为1：0.5-2；具体为2：1、1：1或1：2；溶解氧为4-7mg/L；具体可为4-5、5-6或6-7mg/L。
所述方法还可包括：在附着在所述曝气砾石区和非曝气砾石区的微生物膜老化时，将所述曝气砾石区和非曝气砾石区的曝气装置全部打开，对所述曝气砾石区和非曝气砾石区的砾石填料进行冲洗。
更具体的，本发明提供的利用所述河道原位水质净化及污水深度处理系统进行水质净化和污水深度处理的方法，包括如下具体步骤：
1)河水或污水进入预处理区，首先经过格栅，去除水中的漂浮物和大颗粒物质，根据处理水的具体水质状况来确定格栅规格。预处理区沉砂池的作用在于通过沉淀进一步去除污水中的悬浮物、砂砾等，以免进入砾石区造成累积堵塞；
2)经过预处理的水以分段进水方式分别进入曝气砾石区和非曝气砾石区，使其得到净化；
所述步骤2)中，曝气砾石区和非曝气砾石区为主要处理区域，对污染物的去除主要依靠接触沉淀、吸附、生物降解等多重作用。砾间接触氧化工艺的砾间孔隙小，沉降距离短，砾石间可形成连续通道。当水流通过时，水中的悬浮固体因物理拦截、水动力等原因运动至砾石表面而接触沉淀。砾石表面生长有微生物或藻类，当水中的有机污染物与砾石表面生物膜接触时会被微生物代谢分解，并通过在生物膜表面和内部分别形成的好氧和缺氧环境进行硝化反硝化作用，实现对总氮的去除。
所述步骤2)中，以分段进水方式进水，主要是为非曝气砾石区的反硝化细菌提供需要的碳源，提高总氮的去除率。所述曝气砾石区和非曝气砾石区由底部连通，污水在非曝气砾石区得到进一步净化。
进一步的，所述曝气砾石区和非曝气砾石区底部都装有曝气设施，系统正常运行时，关闭非曝气砾石区的曝气泵。在冲洗砾石时，两区的曝气泵同时开启，并增大曝气量，使老化的微生物膜脱落。
3)经过所述曝气砾石区和非曝气砾石区处理后的水，以溢流方式进入湿地配水区。
所述步骤3)中，湿地配水区出水端(同为水平潜流人工湿地的进水端)底部均匀打孔，孔径根据具体的水处理负荷而定，若处理负荷较大时，需保证下部孔径较上部略大，保证水压高的水能够顺畅流通。
4)非曝气砾石区的出水经湿地配水区流进水平潜流人工湿地。水平潜流人工湿地构成了填料-水生植物-微生物三者的协同作用系统，通过一系列物理、化学和生物过程(如过滤、沉淀、吸附、植物吸收及微生物降解作用)达到进一步去除污染物，提升水质的效果。
进一步的，所述水平潜流人工湿地区的长宽比控制在3：1。
进一步的，所述潜流人工湿地单元所选用植物以及种植密度可根据工程要求调整，一般选用的挺水植物的种植密度宜为9-25株/m2。
5)所述出水区与水平潜流人工湿地区相连，出水区右端为出水口。
所述步骤5)中，出水区水位与所述水平潜流人工湿地平行，出水口最下端与湿地水位平行，保证出水顺畅。
本发明的主要设计参数：整个砾石区(也即所述曝气砾石区和非曝气砾石区)水力停留时间为3-7h，曝气砾石区和非曝气砾石区分段进水配比为1：0.5-2，溶解氧为4-7mg/L。具体实施时，可针对不同污染特征，采用不同参数组合，达到最佳水质处理效果。
串联的水平潜流人工湿地的大小根据施工地点的具体情况进行设计，设计需满足步骤4)和5)的要求。
本发明主要优点如下：
1)工艺流程科学，可满足对不同污染状况河水的原位处理及污水的深度净化；当水力停留时间为5小时，分段进水配比1:1时，此系统最终出水SS去除率为90％，COD和氨氮去除率为80％，总氮去除率在60％左右；
2)工艺采用分段进水的方式，为非曝气砾石区的反硝化菌提供所需碳源，弥补了传统砾间接触氧化工艺TN去除率低的缺点；
3)工艺运行成本低，主要处理单元之间不需外加动力，节省了运行费用；
4)工艺选址方便，可为河道旁侧的河滩地，也可在河道内直接运用处理河道水；同样本处理工艺可用于污水处理厂出水的深度净化；
5)整体采用地埋式设计，减少占地，处理单元之间可设计地下参观廊道，地上可以设计公园绿地。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
其中：1-预处理区；2-曝气砾石区；3-非曝气砾石区；4-人工湿地配水区；5-水平潜流人工湿地；6-出水区；7-沉砂池(也即沉淀区)；8-粗格栅；9-污泥泵；10-细格栅；11-水泵；12-砾石填料；13-曝气装置；14-曝气泵；15-连通孔道；16-溢流板；17-布水孔；18-湿地粗制填料；19-湿地细制填料；20-土壤层；21-植物；22-出水孔；23-曝气管道；24-进水管道；25-排泥管道。
图2是本发明处理系统在水力停留时间5h，分段进水配比1：1，溶解氧浓度6-7mg/L的条件下对COD、氨氮、总氮的去除效果；其中，a为COD去除效果；b为氨氮去除效果；c为总氮去除效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1、
图1是一种河道原位水质净化及污水深度处理系统示意图，包括预处理区1、曝气砾石区2、非曝气砾石区3、人工湿地配水区4、水平潜流人工湿地5、出水区6、污泥泵9、水泵11、曝气泵14。
该系统包括预处理区1、曝气砾石区2、非曝气砾石区3、人工湿地配水区4、水平潜流人工湿地区5和出水区6；
所述预处理区包括格栅和沉淀区(也即沉砂池7)；所述格栅为粗格栅8和细格栅10；所述粗格栅8位于水流上游方向；在所述粗格栅8和细格栅10之间及所述细格栅10的水流下游方向均设有所述沉淀区(也即沉砂池7)；该区可用来去除较大的漂浮物、大颗粒物质，保证出水要求以及砾石区的正常运行，格栅8和10规格需根据所处理水的实际污染程度确定，沉淀区(也即沉砂池7)底部与排泥管25连通，定期进行排泥。
所述预处理区与所述曝气砾石区和非曝气砾石区之间通过水泵11连通；
所述曝气砾石区2与非曝气砾石区3经连通孔道15连通；
所述曝气砾石区和非曝气砾石区底部均设有可连通或关闭的曝气装置13、曝气管道23和曝气泵14；
所述曝气砾石区2与非曝气砾石区3内均填充有可附着微生物膜的砾石填料12；表面可附着微生物膜，粒径控制在30-50mm，孔隙率在35％左右；
所述非曝气砾石区3与所述人工湿地配水区4连通；
所述人工湿地配水区4与所述水平潜流人工湿地区5连通；
所述水平潜流人工湿地区5与所述出水区6连通。
所述曝气砾石区2与非曝气砾石区3之间由隔板分开；所述隔板下方留有孔隙以使所述曝气砾石区2与非曝气砾石区3连通；
所述人工湿地配水区4与所述非曝气砾石区3以隔板(也即溢流板16)分开，以溢流方式连通；
所述水平潜流人工湿地区5与所述人工湿地配水区4由下部分布有均匀小孔的隔板分开；
所述水平潜流人工湿地5铺设粗制填料18(装填物为粒径为5-10mm的沸石)和细制填料19(装填物为粒径为2-5mm的沸石)，高度比为3：1。最上层铺设20-40cm的土壤层20，种植人工湿地植物21，可种植菖蒲、美人蕉等植物。
水流通过此区时，水中的污染物质除了被填料所吸附外，还可以被湿地植物的根茎吸收转化为营养元素供自身生长，整个处理系统污染物的去除率因此得到提高。
所述出水区6与所述水平潜流人工湿地区5由隔板I隔开；所述隔板I下部分布有均匀小孔(也即布水孔17)；
所述出水区6设有出水口；所述出水口的最下端(也即出水孔22)与所述隔板I打孔处(也即布水孔17)的最高端平行，保证水能够顺利流出。
利用上述系统进行河道原位水质净化及污水深度处理的方法，具体包括：
所述预处理区包括格栅和沉淀区(也即沉砂池7)；所述格栅为粗格栅8和细格栅10；所述粗格栅8位于水流上游方向；在所述粗格栅8和细格栅10之间及所述细格栅10的水流下游方向均设有所述沉淀区(也即沉砂池7)；该区可用来去除较大的漂浮物、大颗粒物质，保证出水要求以及砾石区的正常运行，格栅8和10规格需根据所处理水的实际污染程度确定，沉淀区(也即沉砂池7)底部与排泥管25连通，定期进行排泥。
经过预处理的水通过水泵11以分段进水方式进入曝气砾石区2和非曝气砾石区3，所述曝气砾石区2和非曝气砾石3经连通孔道15连接；所述曝气砾石区2和非曝气砾石区3内部均填充砾石填料12，表面可附着微生物膜，粒径控制在30-50mm，孔隙率在35％左右。水中的悬浮固体因物理拦截、水动力等原因运动至砾石表面而接触沉淀，砾石表面生长有微生物或藻类，当水中的有机污染物与砾石表面生物膜接触时会被微生物代谢分解，氨氮在硝化细菌的作用下转化为硝态氮，紧接着水进入非曝气砾石区3，该区通过分段进水补充碳源，使反硝化细菌能够通过反硝化作用去除水中的硝态氮；两个砾石区底部均设有曝气装置13，曝气管道23与曝气泵14连接，系统正常工作时，打开曝气砾石区2的曝气装置，关闭非曝气砾石区3的曝气装置，进行冲洗时，曝气装置全部打开，加大曝气量，加大剪切力去除附着在砾石填料12老化待脱落的微生物膜。
非曝气砾石区3的出水通过溢流板16进入人工湿地配水区4，配水区出水端(同为水平潜流人工湿地5的进水端)设有布水孔，使水流能够均匀进入水平潜流人工湿地5。所述水平潜流人工湿地5铺设粗制填料18和细制填料19，高度比为3：1。最上层铺设20-40cm的土壤层20，种植人工湿地植物21，可种植菖蒲、美人蕉等植物。水流通过此区时，水中的污染物质除了被填料所吸附外，还可以被湿地植物的根茎吸收转化为营养元素供自身生长，整个处理系统污染物的去除率因此得到提高。
出水区6通过布水孔17与水平潜流人工湿地5连通，出水区出水孔22最下端与湿地布水孔17平行，保证水能够顺利流出。
当系统进水COD、氨氮、总氮平均浓度分别为48.67mg/L、2.27mg/L和6.69mg/L时，在整个砾石区水力停留时间5h，分段进水配比1：1，曝气砾石区溶解氧浓度6-7mg/L，水平潜流人工湿地水力停留时间3h的条件下，系统最终出水COD和氨氮浓度均可达到地表Ⅱ类水标准，出水总氮浓度在1.5mg/L左右。具体去除状况如图2所示。
本发明在传统砾间接触氧化工艺的基础上进行改良设计，解决了传统工艺总氮去除率不高的问题。整套工艺以砾间接触氧化为主，水平潜流人工湿地为辅，是一种近自然、生态、运行成本较低的水处理方式，可用于河道原位修复及污水深度处理。
本实施例中，整个系统作为一个整体的处理单元，若现场条件允许，可增加多个处理单元，各个处理单元之间可设置参观廊道；且处理系统各个处理区的尺寸可根据现场条件以及系统的处理规模调整，只需按照本发明的各种参数运行或进行小范围的修改。

Claims (10)

1.一种河道原位水质净化及污水深度处理系统，包括：预处理区、曝气砾石区、非曝气砾石区、人工湿地配水区、水平潜流人工湿地区和出水区；
所述预处理区包括格栅和沉淀区；
所述预处理区与所述曝气砾石区和非曝气砾石区之间通过水泵连通；
所述曝气砾石区与非曝气砾石区连通；
所述曝气砾石区与非曝气砾石区内均填充有可附着微生物膜的砾石填料；
所述非曝气砾石区与所述人工湿地配水区连通；
所述人工湿地配水区与所述水平潜流人工湿地区连通；
所述水平潜流人工湿地区与所述出水区连通。
2.根据权利要求1所述的河道原位水质净化及污水深度处理系统，其特征在于：
所述预处理区中，所述格栅为粗格栅和细格栅；所述粗格栅位于水流上游方向；在所述粗格栅和细格栅之间及所述细格栅的水流下游方向均设有所述沉淀区；
所述沉淀区的底部与排泥管连通；
所述曝气砾石区和的长宽高比为6：4：3；
所述非曝气砾石区的宽度和高度与所述曝气砾石区相同；
所述曝气砾石区与所述非曝气砾石区的长度比为1：2；
所述水平潜流人工湿地区的长宽比为3：1。
3.根据权利要求1或2所述的河道原位水质净化及污水深度处理系统，其特征在于：所述预处理区的出水由所述水泵以分段进水方式进入所述曝气砾石区和所述非曝气砾石区；
所述曝气砾石区和非曝气砾石区底部均设有可连通或关闭的曝气装置、曝气管道和曝气泵；
所述曝气砾石区和非曝气砾石区中，砾石填料的平均粒径为30-50mm，孔隙率为30-40％；具体为35％。
4.根据权利要求1-3任一所述的河道原位水质净化及污水深度处理系统，其特征在于：所述曝气砾石区与非曝气砾石区之间由隔板分开；所述隔板下方留有孔隙以使所述曝气砾石区与非曝气砾石区连通；
所述人工湿地配水区与所述非曝气砾石区以隔板分开，以溢流方式连通；
所述水平潜流人工湿地区与所述人工湿地配水区由下部分布有均匀小孔的隔板分开；
所述出水区与所述水平潜流人工湿地区由隔板I隔开；所述隔板I下部分布有均匀小孔；
所述出水区设有出水口；所述出水口的最下端与所述隔板I打孔处的最高端平行。
5.根据权利要求1-4任一所述的河道原位水质净化及污水深度处理系统，其特征在于：所述水平潜流人工湿地区由下至上依次为粗制填料层、细制填料层和松软土壤层及种植其上的湿地植物。
6.根据权利要求5所述的河道原位水质净化及污水深度处理系统，其特征在于：所述粗制填料层的装填物的粒径为5-10mm；具体为粒径为5-10mm的沸石；
所述细制填料层的装填物的粒径为2-5mm；更具体为粒径为2-5mm的沸石；
所述细制填料层和粗制填料层的高度比为1:3；
所述松软土壤层的厚度为20-40cm；所述松软土壤层的装填物为松软粘土和壤土中至少一种；所述松软土壤层的装填物的渗透系数为0.025-0.35cm/h；
所述湿地植物为挺水植物；具体选自菖蒲和美人蕉中至少一种；
所述湿地植物的种植密度为9-25株/m2；
所述水平潜流人工湿地区中，所述粗制填料层、细制填料层和松软土壤层的总高度与所述隔板I的打孔高度一致；
所述水平潜流人工湿地区的长宽比为3：1。
7.权利要求1-6任一河道原位水质净化及污水深度处理系统在水质净化和污水深度处理中的应用。
8.一种利用权利要求1-6任一所述河道原位水质净化及污水深度处理系统进行水质净化和污水深度处理的方法，包括：
1)将待处理污水或河水进入所述预处理区后，由所述水泵以分段进水的方式进入所述曝气砾石区和非曝气砾石区，关闭所述非曝气砾石区的曝气泵，在所述曝气砾石区进行曝气；
2)经过所述曝气砾石区和非曝气砾石区处理后的水，以溢流方式进入所述人工湿地配水区后，再流进所述水平潜流人工湿地，由所述出水区出水。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述曝气砾石区和非曝气砾石区的总水力停留时间为3h-7h；所述水平潜流人工湿地的水力停留时间为3-8h；
所述曝气砾石区和非曝气砾石区分段进水配比为1：0.5-2；具体为2：1、1：1或1：2；溶解氧为4-7mg/L。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在附着在所述曝气砾石区和非曝气砾石区的微生物膜老化时，将所述曝气砾石区和非曝气砾石区的曝气装置全部打开，对所述曝气砾石区和非曝气砾石区的砾石填料进行冲洗。
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