CN112125472B - 一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于村镇污水处理与资源化领域，涉及一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统及其设计方法，包括分质收集系统与处理系统，分质收集系统包括黑水截流溢流井、灰水收集汇集井、污水收集管网，处理系统包括1套以上的分散式的黑水消化回用系统和1套以上的杂用水处理系统，黑水消化回用系统包括厌氧消化池和回用池，杂用水处理系统包括调节池、好氧池、沉淀池和潜流湿地。本发明将生活污水分为黑水和灰水两大类分别收集，将村镇生活污水就地优先实现氮磷钾资源的循环利用，降低污水水量和污水中的污染物浓度，彻底改变现有常规的脱氮除磷的污水治理模式，能真正实现资源的循环利用，大大降低了污水的处理成本。

Description

一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分 离收集与处理系统及其设计方法

技术领域

本发明属于村镇污水处理领域，具体涉及一种分散式生活污水源头分质收集、就地资源化、污染负荷减量化的收集与处理系统及其设计方法。

背景技术

村镇生活污水泛指化粪池出水、厨房排水、浴室排水和生活洗涤排水等，其中化粪池出水又称污水或黑水，是水量最小但碳氮磷等污染物浓度最高的一股排水；而厨房排水、浴室排水和生活洗涤排水则统称生活废水，除厨房排水中含有一定的油脂和盐份外，其他股排水的COD、氨氮、总氮和总磷等各项污染物浓度均较低。

当前，全国各地正在如火如荼地推动“厕所革命”工作，“厕所革命”的基本目标之一是让广大农村群众用上干净卫生的厕所，革掉粪水暴露、蚊蝇孳生，霍乱、痢疾等肠道传染病和血吸虫病等寄生虫病高发的简易厕所，而水冲厕所是目前使用最为成熟的卫生厕所，但水冲厕所会产生大量的粪污，是当前社会生活污水的主要来源之一。

现有村镇生活污水的收集和处理方式与城市生活污水一样，大多在污水的产生源头统一收集后混合输送到后续处理终端进行处理。在村镇生活污水产生和收集过程中，管网末端所收集到的生活污水具有水质水量波动大、碳氮比例失调和氮磷浓度高等特点，其主要原因在于收集范围内的用水排污不均衡。而水质水量波动大和碳氮比例失调则最终会表现在处理系统运行不稳定和处理成本高昂两方面。此外，现有的混合收集模式所配套的处理工艺均以将含氮磷物质从污水中去除为主，不仅需要投入大量的能源、药剂、人力和物力，而且还造成了污水中氮磷钾资源特别是磷和钾的不可逆损失，不利于构建可持续发展的新农村。城市成熟的市政污水混合收集和集中处理的模式应用到村镇地区所造成的末端水质水量波动大和处理系统运行不稳定等问题已日渐突出。随着高铁在我国的全面普及，高铁上的真空厕所也逐渐走向污水治理领域，目前已有不少科研院所和环保公司已研发出了粪污甚至是污水负压收集系统或设备并应用于包括村镇污水在内的污水治理领域且发挥出了传统重力收集管网所不具备的效率和效果，但负压收集系统设备多、制造安装要求高、后续运行维护强度大以及管理成本高等诸多现实问题已严重限制了该技术的推广应用。因此，为降低村镇污水的处理难度和处理成本，亟需一套有别于现有收集与处理模式的源头分质收集、就地资源化、污染负荷减量化的新型村镇污水收集与处理系统。

发明内容

本发明旨在提供一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统及方法。

本发明提供了一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，包括分质收集装置与处理装置，所述分质收集装置包括黑水截流溢流井、灰水收集汇集井、污水收集管网，所述处理装置包括1套以上的分散式黑水消化回用单元和1套以上的杂用水处理单元，所述黑水消化回用单元包括厌氧消化池和回用池，所述杂用水处理单元包括调节池、好氧池、沉淀池和潜流湿地；

所述黑水截留溢流井包括进水管、出水管和溢流管，进水管连接化粪池出水管，出水管的管底标高与进水管的管底标高保持一致，溢流管的管底标高与进水口的管顶标高保持一致，出水管与厌氧消化池和回用池依次连通且其管底标高与厌氧消化池进水管的管底标高保持一致，溢流管连接污水收集管网；

所述灰水收集汇集井包括格栅网、进水管和出水管，所述格栅网倾斜安装于灰水收集汇集井内部以将灰水收集汇集井分割为拦截区和透过区两个部分，所述进水管设置于拦截区，所述出水管设置于透过区且为三通管，所述三通管设置于透过区高度1/4-3/4的位置且三个开口方向分别朝向井底、井顶和出水方向，朝顶管道延伸到高于任何一路杂用水进水管管顶标高的位置，朝底管道延伸到距离井底1/5H处；所述灰水收集汇集井的进水管连接村民住房的杂用水排水口、并由三通出水管道与污水收集管网连接，所述污水收集管网的末端接入杂用水污水处理系统，与调节池、好氧池、沉淀池和潜流湿地依次连接。

进一步地，所述黑水截流溢流井与黑水消化回用单元根据村民住宅位置与地势分散布置，具体数量可根据村内实际情况灵活设置；所述灰水收集汇集井的数量为多个，每个灰水收集汇集井的进水管各自连接不同住户的不同灰水来源，不同灰水收集汇集井的出水汇合后一起经污水收集管网排入杂用水处理单元的调节池。

进一步地，所述格栅网中的格栅间隙为0.5-5cm。

进一步地，所述厌氧消化池的水力停留时间不少于15天，所述回用池的水力停留时间不少于0.5天。

进一步地，所述厌氧消化池由N个相互连通的反应隔室组成，N≥3，末个反应隔室在池高度上与回用池的中下部相连通以使得厌氧消化池在运行时具有一定的水量和水质调节能力。

进一步地，所述厌氧消化池中反应隔室的数量为三个，第一个反应隔室的水力停留时间不大于1天，第二个反应隔室的水力停留时间不少于5天，第三个反应隔室的的水力停留时间不少于10天。

进一步地，所述厌氧消化池与回用池采用地埋式建造，以确保冬天低温条件下厌氧微生物具有最低的活性，能对黑水中的有机物具备降解效果。

进一步地，所述回用池不设溢流口或溢流口的管底标高必须高于厌氧消化池的进水口的管顶标高，以确保经微生物稳定后黑水在没有回用需求时，村民日常生活持续产生的黑水在厌氧消化池和回用池积累后在黑水出水管道中继续积累，并最终在黑水截留溢流井中顺利溢流到污水收集管网，同时还能确保化粪池出水和排水的顺畅。

进一步地，所述回用池能够根据需要加装回用管道和控制阀门，以便实现液态肥有资源回用，降低村民在使用液态肥时的劳动强度。

进一步地，所述杂用水处理单元的好氧池水力停留时间不少于4小时，沉淀池的有效沉淀时间不少于0.5小时，潜流湿地的水力停留时间不少于2天。

进一步地，所述潜流湿地不覆种植土，填充有碎石填料、给水污泥、石灰、海蛎壳和铁盐铝盐系混凝剂，并以碎石填料为主，碎石填料比例不低于50％。

本发明还提供了采用上述资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统对污水进行收集和处理的方法。

综上，本发明针对村镇生活污水的来源和污染物组分特征，将生活污水分为黑水和灰水两大类分别收集与处理，其中黑水为水冲型厕所所配套的化粪池出水(可能混有少量洗手台排水和洗澡水)，灰水为浴室排水、厨房排水、洗衣台和洗衣机排水、洗手池排水和庭院清洗排水等各类生活废水、但不包括化粪池出水。其中黑水具有碳氮比例低和氮磷钾浓度非常高的特点，是类似传统农耕社会十分稀缺的有机肥，与传统农村有机肥相比仅具有有机物未能完全稳定这一不足。而灰水实际上为经使用后而无法或不易再次使用的水资源，灰水中的COD、氨氮、总氮和总磷浓度均非常低，仅含有少量悬浮物、泥砂或洗涤剂等表面活性剂成份，可以很容易处理到相应的排放标准、甚至经简单沉淀静置后即可达标排放。

本发明根据两类水的污染物浓度特征，在污水的产生源头将黑水单独收集、分散处理和就地稳定化处理后直接以富含有机酸和氮磷钾的液态肥回用于农林菜地的耕种灌溉，在液态肥回用需求量小于黑水来水量时，偶发的富余黑水溢流到污水收集管网，与各类生活杂用水(灰水)混合后经管网输送到末端的处理单元进行达标处理。每家每户的各类生活杂用水分别先汇集到同一个专属的灰水收集汇集井后再并入污水收集管网。与传统污水收集和处理系统相比，本发明提供的资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统及方法能在污水产生的源头将水量小和有机物及氮磷钾污染物浓度高的化粪池出水单独收集、分散处理和优先就地资源回用，而超过回用量的少量化粪池出水则自动溢流到灰水污水收集管网，从而可以杜绝以资源回用之名行污染物排放之实的劣行。因为绝大多数的化粪池出水在源头实现稳定化和资源回用而实现就地减量，从而极大地降低了收集管网的设计负荷和后续污水处理单元的碳氮磷污染物去除负荷及处理难度，并能大幅降低处理成本。本发明使用常规的生化和生态处理等简单的(组合)工艺便能将所收集到生活污水处理到包括总氮和总磷在内的各项污染物指标均达到《城镇污水处理厂综合排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准。

附图说明

图1为本发明提供的灰水收集汇集井的结构示意图；

图2为本发明提供的资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统的示意图。

具体实施方式

黑水：水冲厕所的粪污被排入化粪池，化粪池出水即为黑水，黑水中氮磷钾含量很高，将黑水中的氮磷含量处理到达标排放技术难度大、成本高。在一种具体实施方式中，黑水中的COD浓度为150-650mg/L，氨氮浓度为130-230mg/L，总磷浓度为3-20mg/L，钾离子浓度为100-300mg/L。

灰水：生活杂用水的统称，包括但不限于除化粪池出水外的浴室排水、厨房排水、洗衣台和洗手池排水、洗衣机排水和庭院清洗排水。在一种具体实施方式中，灰水的COD浓度为50-80mg/L，氨氮浓度为5-10mg/L，总氮浓度为5-15mg/L，总磷浓度为0.2-0.5mg/L。

本发明中所述的黑水或灰水，均不含屋面或地表雨水和地表水。

在一种具体实施方式中，黑水经资源回用后偶发少量溢流并入污水收集管网后的混合污水的COD浓度为80-100mg/L，氨氮浓度为10-15mg/L，总氮浓度为10-15mg/L，总磷浓度为0.2-1mg/L。

本发明提供的资源就地回用和污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统包括污水分质收集装置与资源化及处理装置，其中，污水分质收集装置包括黑水收集单元和灰水收集单元，资源化及处理装置包括黑水厌氧消化回用单元和灰水(或叫杂用水)处理单元。其中黑水收集单元用于收集村民化粪池出水并与黑水厌氧消化回用单元和灰水收集管网相连，所收集到的黑水经厌氧消化池的厌氧微生物稳定化后排入回用池，作为低有机物、富含小分子有机酸和氮磷钾营养元素的液态肥回用于农林果蔬种植生产，少量富余的黑水通过黑水截流溢流井的溢流口向灰水收集管网溢流，黑水收集单元包括黑水截流溢流井、黑水收集管道和溢流管道，是小范围的分散式收集管网。黑水资源化处理装置可根据地形地势和村民住宅分布合理设置多套，可每户单独一套也可多户共用一套。灰水收集管网是全面覆盖的污水收集管网，主要收集全村范围内的生活杂用水排水和黑水截流溢流井的溢流水，具体包括灰水收集汇集井和污水收集管网。灰水(杂用水和少量的溢流黑水)处理单元包括调节池、好氧池、沉淀池和潜流湿地等设施及相应的专用或通用设备和材料。

所述黑水截留溢流井包括进水管、出水管和溢流管，进水管连接化粪池出水管，出水管的管底标高与进水管的管底标高保持一致并与(黑水)厌氧消化池和回用池依次连通、以确保黑水能优选排入厌氧消化池进行稳定化处理和资源回用，溢流管的管底标高与进水口的管顶标高保持一致并与(灰水)污水收集管网相连接、以确保黑水资源回用需求量小于来水量时黑水能顺利溢流到污水收集管网，既不会向环境溢流，又不会阻碍村民日常生活排水。此外，出水管的管径通常不小于进水管。

所述黑水截流溢流井原则上每户设置1个，并且只接化粪池出水，不允许接入其他生活杂用水排水，黑水经收集后可根据地形地势就地设置分散式的黑水厌氧消化回用单元，厌氧消化回用单元具体包括厌氧消化池和回用池，厌氧消化池的水力停留时间不少于15天，回用池水力停留时间不少于0.5天。厌氧消化池由N个反应隔室组成，N≥3，以3个反应隔室的厌氧消化效果最佳。在N为3时，第一个反应隔室的水力停留时间不大于1天，第二个反应隔室的水力停留时间不少于5天，第三个反应隔室的水力停留时间不少于10天。因黑水的来源为化粪池出水，其主要成份为人体排出的粪便、尿液及冲厕水，因此具有大量的氮磷钾等营养物质，同时具有较高浓度的有机物(即COD)，其水质通常表现为：pH介于7.0-8.5之间，COD浓度为150-650mg/L，氨氮浓度为130-230mg/L，总磷浓度为3-20mg/L，钾离子浓度为100-300mg/L。有机物的微生物厌氧消化过程具体可分为产酸和产气两个步骤，分别由产酸菌和产甲烷菌完成，其中产酸菌的最适pH为5.0-8.5，产甲烷菌的最适pH为6.5-8.0。本发明通过减少停留时间和持续进水的方式提高厌氧消化池第一个反应隔室内有机负荷，使产酸菌快速大量繁殖并大量累积小分子有机酸，将首个反应隔室内的黑水pH值降低到5.0-6.5之间，从而有效抑制厌氧消化的第二进程的产甲烷菌的活性，避免了水解酸化阶段所产生的乙酸等小分子有机酸被产甲烷菌进一步分解。黑水经第一反应隔室水解酸化后，进入后续的第二及第三等反应隔室后，会因有机氮的铵化作用(在微生物及相关胞外酶的作用下完成)而释放出大量的氨氮，因氨氮溶于水后呈弱碱性，从而会中和第一反应隔室酸化的黑水的pH值，在经过15天以上的稳定后使pH值上升到6-9的正常范围内，从而确保在回用于农林果蔬种植的时候不会有“烧根”的现象发生。在有机氮铵化的过程中，有机磷也会同步被微生物及相应的酶稳定成无机磷，以及病原微生物和寄生虫卵会在15天以上的厌氧消化环境中被灭活，为资源回用提供良好的基础。

厌氧消化池与回用池采用地埋式建造，以确保冬天低温条件下厌氧微生物具有较高的活性，并对有机物具有足够的稳定降解能力。回用池不设溢流口或溢流口的管底标高必须高于厌氧消化池进水口的管顶标高，以确保经微生物稳定后黑水在没有回用需求时，村民生活持续产生的黑水能在厌氧消化池和回用池积累后继续在黑水截留溢流检查井的出水管道中累积，并最终在黑水截流溢流井内向污水收集管网溢流，且不影响化粪池的正常出水和排水。回用池可根据需要加装回用管道和控制阀门，以降低村民在使用液态肥时的劳动强度，若在回用池内配套相应的灌溉设备则效果更佳。所述灰水收集管网包括灰水收集汇集井、污水输送管道和必要的检查井，其中核心内容为具有隔油、格渣、沉泥和沉砂等多项功能的灰水收集汇集井。如图1所示，所述灰水收集汇集井包括格栅网1、进水管2和出水管3，间隙为0.5-5cm的格栅网1倾斜安装于灰水收集汇集井内部以将灰水收集汇集井分割为拦截区4和透过区5两个部分，所述进水管2设置于拦截区4，所述出水管设置于透过区5且为三通管，所述三通管出水管设置于透过区一侧且出水管的安装高度为汇集井1/4-3/4H的位置，三通管的三个开口方向分别朝向井底、井顶和出水方向(分别命名为朝底通道31、朝顶通道32和出水通道33)，朝顶管道32延伸到高于任何一路进水管管顶标高的位置，朝底管道31延伸到距离井底1/5H处。

其中，所述朝底通道31设置的目的是为了确保漂浮在汇集井内表层的浮渣和浮油不会被出水带出而进入污水收集管网。所述朝底通道31延伸到距离井底1/5H，具体不应低于5cm，不能延伸到汇集井井底是为了防止沉淀在井内的泥浆被出水带出而进入污水收集管网。所述朝顶通道32设置的目的是为了确保从底部出水的三通出水管内的水面压强与大气压强保持一致以确保灰水出水管的出水顺畅，同时确保被拦截下来的浮油和其他漂浮物不会从朝顶的管口进入污水收集管网。工作时，厨房排水、浴室排水和庭院排水等杂用水通过进水管2引入灰水收集汇集井的拦截区4中，灰水中的油脂以及颗粒状物质被格栅网1拦截和沉泥、沉砂处理后进入透过区5，并从三通管的朝底管道31和出水通道33流出，之后再流入污水收集管网。由于灰水中的油脂以及泥砂会影响后续污水收集管网和生化处理单元的设计与运行，因此，将灰水在进管网前预先将油脂、垃圾以及泥砂等污染物除去，可以有效减少管网发生污堵的现象，并可减少末端处理系统的沉砂池和栅格池的建设，能大幅降低后续灰水处理单元的运行与管理压力。

所述杂用水处理单元所处理的对象为灰水收集管网所收集到的各种杂用水和少量溢流的黑水，处理单元主要由调节池、好氧池、沉淀池和潜流湿地组成，其中好氧池的水力停留时间不少于4小时，沉淀池的有效沉淀时间不少于0.5小时，潜流湿地的水力停留时间不少于2天，所收集到的灰水和少量溢流的黑水经上述组合工艺处理后即可使SS、COD、氨氮、总氮和总磷均达到《城镇污水处理厂综合排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准。

本发明中，黑水单独收集、分散处理和就地资源化回用，灰水单独收集和集中处理，针对两股不同性质的污水设计了看似两套实为一套的资源回用型的污水分质收集管网，两个分质收集的污水管网单元相对独立又紧密相连，互不干扰，且不与雨水或地表水排水系统交叉。具体地，如图2所示，黑水经管道收集流入黑水截流溢流井后优先进入资源化系统，偶发的少量黑水溢流到污水收集管网；灰水经灰水收集汇集井收集后，在井内经过格渣、隔油、沉泥和沉砂后，从朝向井底的三通口流向出水管并排入污水收集管网。在日常的农林菜地耕作活动中黑水截留溢流井中的黑水自流进入厌氧消化池中进行厌氧消化处理，将黑水中的大分子有机物、有机氮磷分解成有机酸、无机氮和无机磷，之后排入回用池中作为富含有机酸和氮磷钾的液态肥以供农林菜地施用；在黑水产生量大于回用量时，少量的富余黑水直接在截流溢流井中向灰水收集管网溢流，与灰水收集管网所收集到的污水一同排入污水处理系统的调节池，然后通过水泵和风机等设备进入好氧池、沉淀池和潜流湿地进行处理经处理后SS、COD、氨氮、总氮和总磷可全部达到《城镇污水处理厂综合排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准。

Claims (11)

1.一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，包括分质收集装置与处理装置，所述分质收集装置包括黑水截流溢流井、灰水收集汇集井、污水收集管网，所述处理装置包括1套以上的分散式黑水消化回用单元和1套以上的杂用水处理单元，所述黑水消化回用单元包括厌氧消化池和回用池，所述杂用水处理单元包括调节池、好氧池、沉淀池和潜流湿地；

所述黑水截留溢流井包括进水管、出水管和溢流管，进水管连接化粪池出水管，出水管的管底标高与进水管的管底标高保持一致，溢流管的管底标高与进水口的管顶标高保持一致，出水管与厌氧消化池和回用池依次连通且其管底标高与厌氧消化池进水管的管底标高保持一致，溢流管连接污水收集管网；

所述灰水收集汇集井包括格栅网、进水管和出水管，所述格栅网倾斜安装于灰水收集汇集井内部以将灰水收集汇集井分割为拦截区和透过区两个部分，所述进水管设置于拦截区，所述出水管设置于透过区且为三通管，所述三通管设置于透过区高度1/4-3/4的位置且三个开口方向分别朝向井底、井顶和出水方向，朝顶管道延伸到高于任何一路杂用水进水管管顶标高的位置，朝底管道延伸到距离井底1/5H处；所述灰水收集汇集井的进水管连接村民住房的杂用水排水口、并由三通出水管道与污水收集管网连接，所述污水收集管网的末端接入杂用水处理单元，与调节池、好氧池、沉淀池和潜流湿地依次连接；

所述回用池不设溢流口或溢流口的管底标高必须高于厌氧消化池进水口和管顶标高，以确保经微生物稳定后黑水在没有回用需求时，村民日常生活产生的黑水能顺利溢流到污水收集管网。

2.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述灰水收集汇集井的数量为多个，每个灰水收集汇集井的进水管各自连接不同住户的不同灰水来源，不同灰水收集汇集井的出水汇合后一起经污水收集管网排入杂用水处理单元的调节池。

3.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述格栅网中的格栅间隙为0.5-5cm。

4.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述厌氧消化池的水力停留时间不少于15天，所述回用池的水力停留时间不少于0.5天。

5.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述厌氧消化池由N个相互连通的反应隔室组成，N≥3，末个反应隔室在池高度上与回用池的中下部相连通以使得厌氧消化池在运行时具有一定的水量和水质调节能力。

6.根据权利要求5所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述厌氧消化池中反应隔室的数量为三个，第一个反应隔室的水力停留时间不大于1天，第二个反应隔室的水力停留时间不少于5天，第三个反应隔室的水力停留时间不少于10天。

7.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述厌氧消化池与回用池采用地埋式建造，以确保冬天低温条件下厌氧微生物具有最低的活性，能对黑水中的有机物具备降解效果。

8.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述回用池加装回用管道和控制阀门，以便实现液态肥有资源回用，降低村民在使用液态肥时的劳动强度。

9.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述杂用水处理单元的好氧池水力停留时间不少于4小时，沉淀池的有效沉淀时间不少于0.5小时，潜流湿地的水力停留时间不少于2天。

10.根据权利要求1所述的一种资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统，其特征在于，所述潜流湿地不覆种植土，填充有碎石填料、给水污泥、石灰、海蛎壳和铁盐铝盐系混凝剂，并以碎石填料为主，碎石填料比例不低于50％。

11.一种对污水进行收集和处理的方法，其特征在于，采用权利要求1-10中任意一项所述的资源就地回用与污染负荷减量的分散式生活污水源头分离收集与处理系统对污水进行收集和处理。

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