CN111689653A - 生物-生态一体化污水处理装置及处理方法 - Google Patents

生物-生态一体化污水处理装置及处理方法 Download PDF

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Abstract

一种生物‑生态一体化污水处理装置及处理方法，所述处理装置包括前后串联的生物处理单元和生态处理单元；其中，生物处理单元，采用A2/O工艺，包括依次连接的厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区，其中，好氧区设置导通至缺氧区的回流管；生态处理单元，包括前后串联的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地；其中，表面流人工湿地，包括前后设置的表面流布水区和表面流处理区；垂直潜流人工湿地，包括前后设置的垂直潜流布水区和垂直潜流处理区。本发明提供了一种处理效果好、能耗低、占地面积小、运行稳定、日常维护管理简单且能够适应城郊与农村生活污水排放特点的分散式一体化处理工艺。

Description

生物-生态一体化污水处理装置及处理方法
技术领域
本发明涉及环境工程污水处理领域，尤其涉及一种生物-生态一体化污水处理装置及处理方法。
背景技术
生活污水不当的处理处置是造成水体污染的重要原因之一。随着城市快速扩张、美丽乡村建设不断推向深入，我国城郊与农村的经济和人们生活水平得到了极大的提高，大量的农村生活污水也随着人类活动的迅猛发展而产生。由于受特殊地理环境、管理理念及经济发展水平等多方面因素的制约，城郊与农村生活污水普遍缺乏污水的收集与处理系统，大都直接或仅经过简单的处理排入自然水体中，导致水质恶化。
我国现有的城郊与农村生活污水处理方式分为集中式处理和分散式处理两种方式。集中式处理效仿城市污水处理方式通过铺设管网将生活污水集中至污水处理厂进行统一处理。这种处理方式在农村地区存在建设费用高、占地面积大、维护管理困难等问题，在我国大部分农村地区不适用。分散式处理方式因布局灵活、操作简单且处理后的污水回用能够缓解水资源不足、节约村民用水成本，在我国农村生活污水处理中有广泛应用。
现有的城郊与农村的分散式处理技术按照其原理分类可分为：生物处理技术和生态处理技术。生物处理技术适用于不同类型的污水处理，且污染物的处理效果好，但是出水水质很难满足标准要求且能耗较大。生态处理技术适用于低浓度的污水处理，但由于占地面积大，对场地要求较高。在实际运行中，单一类型的污水处理技术在发挥着各自处理优势的同时无法应对生活污水复杂多变的水质。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种生物-生态一体化污水处理装置及处理方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
作为本发明的一个方面，提供了一种生物-生态一体化污水处理装置，包括前后串联的生物处理单元和生态处理单元；其中，
生物处理单元，采用A2/O工艺，包括依次连接的厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区，其中，好氧区设置导通至缺氧区的回流管；
生态处理单元，包括前后串联的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地；其中，
表面流人工湿地，所述表面流人工湿地包括前后设置的表面流布水区和表面流处理区；其中，沉淀区的出水口与表面流人工湿地的进水口相连：
垂直潜流人工湿地，所述垂直潜流人工湿地包括前后设置的垂直潜流布水区和垂直潜流处理区；其中，表面流处理区的出水口与垂直潜流布水区的进水口相连。
作为本发明的另一个方面，还提供一种生物-生态一体化污水处理方法，采用如上述的生物-生态一体化污水处理装置；包括如下步骤：
待处理污水进入生物处理单元，采用A2/O工艺，通过厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区进行有机物以及含氮和/或磷物质的处理；
将经过生物处理单元的水体在表面流人工湿地中进行脱氮和/或除磷的一级处理，并初步截留悬浮物质；
将经过表面流人工湿地的水体在垂直潜流人工湿地中进行脱氮和/或除磷的二级处理，得到氮、磷含量达标的水体。
基于上述技术方案，本发明相较于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
本发明针对城郊与农村生活污水排放特点，将高效削减有机负荷的生物处理技术与低能耗稳定脱氮除磷的生态处理技术相结合；实现处理效果好、能耗低、占地面积小、运行稳定、日常维护管理简单的效果；
生物处理单元采用“A2/O生物膜”处理工艺，生态处理单元采用“表面流-垂直潜流复合式人工湿地”，前后两处理单元采用串联的方式；实现负荷处理系统的连续稳定运行，成功使得出水氮、磷浓度满足地表III类水要求；
生态处理单元采用“表面流-垂直潜流复合式人工湿地”，两种湿地的布水区均采用粒径为3～4cm的卵石实现出水水流均匀，处理区均采用材料吸附加植物吸收的方式固定和去除污染物，实现了较低浓度的脱氮除磷；成功解决了单独使用表层流人工湿地运行效果差和单独使用垂直潜流人工湿地长时间运行堵塞的问题。
附图说明
图1为本发明实施例生物-生态一体化污水处理方法工艺流程示意图；
图2为本发明实施例生物-生态一体化污水处理装置结构示意图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、厌氧水解区；2、缺氧反硝化脱氮除臭区；3、好氧生物膜处理区；31-回流管；4、沉淀池；5、集水箱；6、电机和搅拌机；7、表面流人工湿地；8、垂直潜流人工湿地；81、隔板。
具体实施方式
本发明提供了一种处理效果好、能耗低、占地面积小、运行稳定、日常维护管理简单且能够适应城郊与农村生活污水排放特点的分散式一体化处理装置。将能够高效削减有机负荷的生物处理技术与低能耗稳定脱氮除磷的生态处理技术的运行优势相结合，建设适合农村生活污水排放特点的能够就地处理的生物-生态一体化污水处理装置。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，提供一种生物-生态一体化污水处理装置，包括前后串联的生物处理单元和生态处理单元；其中，
生物处理单元，采用A2/O工艺，包括依次连接的厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区，其中，好氧区设置导通至缺氧区的回流管；
生态处理单元，包括前后串联的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地；其中，
表面流人工湿地，包括前后设置的表面流布水区和表面流处理区；其中，沉淀区的出水口与表面流人工湿地的进水口相连；
垂直潜流人工湿地，包括前后设置的垂直潜流布水区和垂直潜流处理区；其中，表面流处理区的出水口与垂直潜流布水区的进水口相连。
更为具体的，本发明的生物-生态一体化污水处理装置包括前端的生物处理单元以及后端的生态处理单元。生物处理单元采用“A2/O生物膜”处理工艺，生态处理单元采用“表面流-垂直潜流复合式人工湿地”，前后两人工湿地处理单元采用串联的方式。本发明对生物处理单元的填料方式及生态处理单元的植物种植方式、布水方式进行了改进，使之产生更好的处理效果。
在本发明的实施例中，生物处理单元还包括集水区、蠕动泵和搅拌机，集水区用于储存待处理污水，蠕动泵用于将待处理的污水按照设定流量从集水区输送入厌氧区。在厌氧区顶部装有可调速的电机及搅拌机，采用厌氧水解预处理的方式，有效的降低污水中有机污染物的浓度，在排入好氧区前减轻污水中的处理负担；同时将大分子的有机物降解为小分子有机物，有效的防止人工湿地基质易堵塞的问题。反应后的污水通过厌氧区下端的出水口流入缺氧区。
在本发明的实施例中，缺氧区进行缺氧反硝化脱氮除臭，缺氧区顶部装有可调速电机及搅拌机，用于促进厌氧区的出水与好氧区的回流液充分混合，进行反硝化脱氮以及除臭。充分混合反应后的污水通过缺氧区下端的出水口流入好氧区。
在本发明的实施例中，好氧区采用接触氧化法降低有机污染物的浓度。在传统的A2/O基础上添加了生物膜技术，相比活性污泥法，反应器中的生物量增大了，处理效果得到强化。同时解决了传统A2/O活性污泥系统需要较大的沉淀池来实现泥水分离及容易发生污泥膨胀等问题，从而节省了占地面积。
在本发明的实施例中，好氧区填料选用生物挂膜组合填料，生物挂膜组合填料采用半软性填料做支撑，半软性填料的支撑外侧挂有软性填料。相比于其他填料，本发明的生物挂膜组合填料具有比表面积大、重量轻，强度高、亲水性好等特点。
好氧区上下端均设有钻孔板，用于悬挂填料挂绳。好氧区生物挂膜组合填料密度为300～400片/m3。
在本发明的实施例中，生物处理单元还包括电磁式空气泵，电磁式空气泵与好氧区底部设置的曝气装置连接，用于向好氧区内供氧。通过改变曝气头数量改变好氧区溶解氧浓度，控制好氧区溶解氧浓度为2～3mg·L-1。
另外，好氧区顶部设有回流管，回流液以气体抬升方式回流至缺氧区，回流装置采用电磁式空气泵，即驱动气泵将气体通过导管导入储气筒，通过储气筒内的气压和调节阀设定气压的大小调节回流流速；在本发明实施例中，控制回流比为100％。
其中，回流比为回流流量/进水流量，这是一个动态过程，回流比100％具体是指好氧区回流至缺氧区的回流流量与缺氧区的进水流量相同，即缺氧区的进水量为原进水量的2倍，好氧区的出水则是一半回流至缺氧区，另一半流至沉淀区。
在本发明的实施例中，沉淀区上端设置溢流堰。其中，好氧区处理后的污水通过沉淀区的沉淀作用，上流清液通过沉淀区上端设置的溢流堰流入后端生态处理单元。该溢流堰可有效防止漂浮于沉淀区上方的小块污泥流入后端的生态处理单元，造成人工湿地基质的堵塞问题。
在本发明的实施例中，生态处理单元包括表面流和垂直潜流复合式人工湿地，以两个独立的处理单元串联组成。在生态处理单元进一步去除氮磷等营养物质，改善前端污水的处理效果。
在本发明的实施例中，表面流人工湿地包括前后设置的表面流布水区和表面流处理区；其中，表面流布水区位于表面流人工湿地最前方，其目的是改变水流状态、降低水体流速。
在本发明的实施例中，表面流布水区设置粒径为3～4cm的卵石；表面流处理区设置粒径为1～2cm的石灰石碎石和沙子。
在本发明的实施例中，表面流人工湿地在传统湿地植物种植方式中进行了改进。结合人工浮岛生态处理技术的优点在表面流处理区设置生态浮岛，生态浮岛上种植表面流湿地植物，同时在生态浮岛上悬挂活性炭纤维组合填料，增加微生物的附着面积。本发明采用的活性炭纤维组合填料，具有很好的比表面积、重量轻、强度大、耐老化能够对水体中的污染物进行截留吸附，并作为微生物附着场所，进一步降低流速，吸附悬浮物质。采用生态浮岛上种植的表面流湿地植物生长吸收水体中和吸附在填料上的氮磷物质。
在本发明的实施例中，表面流湿地植物在生态浮岛上的种植密度为15～30株/m2。
在本发明的实施例中，表面流湿地植物包括黄菖蒲、芦苇、美人蕉中的一种或多种。
在本发明的实施例中，垂直潜流人工湿地包括前后设置的垂直潜流布水区和垂直潜流处理区，垂直潜流布水区设置粒径为3～4cm的卵石；其中，垂直潜流布水区的卵石粒径越大，颗粒之间的孔隙越大，对总悬浮物来说越不容易附着堵塞；
垂直潜流处理区设置三层填料，由上至下依次包括第一层填料、第二层填料和第三层填料；第一层填料包括粒径为3～4cm的卵石；第二层填料包括粒径为1～2cm的石灰石碎石；第三层填料包括粒径小于0.5cm的沙子。
采用该种层级填料设置方式，不仅能够增加第一层填料和第二层填料的水力停留时间，而且能够避免垂直潜流人工湿地堵塞。
在本发明的实施例中，第一层填料、第二层填料和第三层填料的填充比为6∶3∶1。
在本发明的实施例中，垂直潜流人工湿地在传统布水处理方式上进行了改进。在垂直潜流处理区中间设置隔板增加水流的处理路程，隔板下端有排水口将湿地分为下行池与上行池两部分。
垂直潜流人工湿地的垂直潜流处理区填料上方铺设用于种植的泥土，垂直潜流人工湿地种植黄菖蒲、芦苇、美人蕉中的一种或多种；种植密度为15～30株/m2。
作为本发明的另一个方面，还提供一种生物-生态一体化污水处理方法，采用如上述的生物-生态一体化污水处理装置；包括如下步骤：
待处理污水进入生物处理单元，采用A2/O工艺，通过厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区进行有机物以及含氮和/或磷物质的处理；
将经过生物处理单元的水体在表面流人工湿地中进行脱氮和/或除磷的一级处理，并初步截留悬浮物质；
将经过表面流人工湿地的水体在垂直潜流人工湿地中进行脱氮和/或除磷的二级处理，得到氮、磷含量达标的水体。
在本发明的实施例中，表面流人工湿地不仅对前端生物处理单元尾水氮磷进行初步吸收，同时将前端沉淀区污泥进行二次沉淀，有效防止对垂直潜流人工湿地的基质造成堵塞。解决了垂直潜流人工湿地基质易堵塞的缺陷。此外，本发明的实施例中，垂直潜流人工湿地进一步去除污水中的有机污染物并实现脱氮除磷的目的，确保出水水质的全面达标。
实施例1
如图1和2所示，本发明提供的一种生物-生态一体化污水处理装置及处理方法，该生物-生态一体化污水处理装置由前端的生物处理单元以及后端的生态处理单元两部分组成。
生活污水通过可调节流速的蠕动泵由集水箱5流入厌氧水解区1(即厌氧区)，控制装置水力停留时间为24小时。厌氧水解区1顶部装有可调速的电机和搅拌机6。反应后的污水通过厌氧水解区1下端的出水口流入缺氧反硝化脱氮除臭区2(即缺氧区)。
缺氧反硝化脱氮除臭区2顶部装有可调速的电机和搅拌机6，充分混合反应后的污水通过缺氧反硝化脱氮除臭区2下端的出水口流入好氧生物膜处理区3(即好氧区)。
好氧生物膜处理区3顶部设有回流管31，回流液通过气体抬升方式回流至缺氧反硝化脱氮除臭区2，通过储气筒内的气压和调节阀设定气压的大小调节回流流速；控制回流比为100％。
好氧生物膜处理区3填料选用生物挂膜组合填料，生物挂膜组合填料采用半软性填料做支撑，支撑外侧挂有软性填料。好氧生物膜处理区3上下端均设有钻孔板，用于悬挂填料挂绳。好氧生物处理区3生物挂膜组合填料密度为300～400片/m3。
好氧生物膜处理区3通过电磁式空气泵进行供氧，好氧生物膜处理区3底部设有曝气装置，通过改变曝气头数量改变好氧生物膜处理区3溶解氧浓度，控制好氧生物膜处理区3溶解氧浓度为2～3mg·L-1。
好氧生物膜处理区3处理后的污水通过沉淀池4(即沉淀区)的沉淀作用，上流清液通过沉淀池4上端设置的小型溢流堰流入后端生态处理单元。
生态处理单元选用表面流-垂直潜流复合式人工湿地，即表面流人工湿地7与垂直潜流人工湿地8串联的方式。
表面流人工湿地7分为布水区和处理区两部分，布水区填料为直径在3～4cm的大粒径卵石；处理区填料为粒径1～2cm的石灰石碎石及细沙。
表面流人工湿地7选择黄菖蒲作为湿地植物，其种植密度为15～30株/m2。
垂直潜流人工湿地8分为布水区和处理区两部分。
垂直潜流人工湿地布水区填料为直径在3～4cm的大粒径卵石。
垂直潜流人工湿地8在垂直潜流人工湿地处理区中间设置隔板81增加水流的处理路程，隔板81下端有排水口将湿地分为下行池与上行池两部分。
垂直潜流人工湿地8填料分三层，第一层为3～4cm的大粒径卵石厚度。第二层粒径1～2cm的石灰石碎石。第三层为粒径小于0.5cm的细沙石。第一、二、三层填充比为6∶3∶1。基质湿地铺有泥土用于湿地植物的种植。
垂直潜流人工湿地8选择黄菖蒲作为湿地植物，其种植密度为15～30株/m2。
为达到降低能耗的设计思路，装置中全部电力装置均使用太阳能供电装置。
本实施例的水质均按照国家标准或行业标准进行检测。COD采用《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》(HJ/T 399-2007)测定，TP采用《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB/T 11893-1989)测定，TN采用《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(GB/T 11894-1989)测定。
本实施例的检测过程中均设置程序空白样品。测得的所有空白样品数据均低于仪器检出限。检测过程中每10个样品设置1个平行样品进行同步分析，所有平行样品的分析误差均符合质控要求，以确保检测数据的精确可靠。
生物-生态一体化污水处理装置运行3个月期间的处理效果如表1所不。
表1为生物-生态一体化污水处理装置对生活污水处理效果评价
水质指标 单位 进水浓度范围 出水浓度范围 一级A排放标准 平均去除率
COD mg·L<sup>-1</sup> 300-450 30-46 50 90.3％
TN mg·L<sup>-1</sup> 50-70 5-15 15 88.8％
TP mg·L<sup>-1</sup> 3-4 0.2-0.4 0.5 92.5％
结果证明，生物-生态一体化污水处理装置对污水中COD、TN的处理效果可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，包括前后串联的生物处理单元和生态处理单元；其中，
生物处理单元，采用A2/O工艺，包括依次连接的厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区，其中，好氧区设置导通至缺氧区的回流管；
生态处理单元，包括前后串联的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地；其中，
表面流人工湿地，所述表面流人工湿地包括前后设置的表面流布水区和表面流处理区；其中，沉淀区的出水口与表面流人工湿地的进水口相连；
垂直潜流人工湿地，所述垂直潜流人工湿地包括前后设置的垂直潜流布水区和垂直潜流处理区；其中，表面流处理区的出水口与垂直潜流布水区的进水口相连。
2.如权利要求1所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，所述表面流布水区设置粒径为3～4cm的卵石；所述表面流处理区设置粒径为1～2cm的石灰石碎石和沙子。
3.如权利要求2所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，所述表面流人工湿地设置生态浮岛，所述生态浮岛上种植表面流湿地植物；在生态浮岛上悬挂活性炭纤维组合填料。
4.如权利要求3所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，所述表面流湿地植物在生态浮岛上的种植密度为15～30株/m2；
表面流湿地植物包括黄菖蒲、芦苇、美人蕉中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，所述垂直潜流布水区设置粒径为3～4cm的卵石；
所述垂直潜流处理区设置三层填料，由上至下依次包括第一层填料、第二层填料和第三层填料；所述第一层填料包括粒径为3～4cm的卵石；所述第二层填料包括粒径为1～2cm的石灰石碎石；所述第三层填料包括粒径小于0.5cm的沙子。
6.如权利要求5所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，所述第一层填料、第二层填料和第三层填料的填充比为6∶3∶1。
7.如权利要求5所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，所述垂直潜流人工湿地的垂直潜流处理区填料上方铺设用于种植的泥土，所述垂直潜流人工湿地种植黄菖蒲、芦苇、美人蕉中的一种或多种；种植密度为15～30株/m2；
在所述垂直潜流人工湿地的垂直潜流处理区中间设置隔板，用于增加水流的处理路程。
8.如权利要求1所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，所述好氧区采用生物挂膜组合填料，生物挂膜组合填料包括半软性填料做支撑，半软性填料的支撑外侧挂有软性填料；
所述生物挂膜组合填料密度为300～400片/m3；
所述生物处理单元还包括电磁式空气泵，所述电磁式空气泵与所述好氧区内设置的曝气装置连接，用于向所述好氧区内供氧；
所述好氧区溶解氧浓度为2～3mg·L-1。
9.如权利要求1所述的生物-生态一体化污水处理装置，其特征在于，
所述生物处理单元还包括集水区和蠕动泵，所述集水区用于储存待处理污水，所述蠕动泵用于将待处理的污水按照设定流量从所述集水区输送入所述厌氧区；
所述生物处理单元还包括搅拌机，所述搅拌机分别设置于所述厌氧区和缺氧区内；
所述沉淀区上端设置溢流堰。
10.一种生物-生态一体化污水处理方法，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的生物-生态一体化污水处理装置；包括如下步骤：
待处理污水进入生物处理单元，采用A2/O工艺，通过厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区进行有机物以及含氮和/或磷物质的处理；
将经过生物处理单元的水体在表面流人工湿地中进行脱氮和/或除磷的一级处理，并初步截留悬浮物质；
将经过表面流人工湿地的水体在垂直潜流人工湿地中进行脱氮和/或除磷的二级处理，得到氮、磷含量达标的水体。
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