CN114477648A - 一种用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器 - Google Patents
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Abstract
一种用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，包括一容许水流动的通道，该通道内沿水流方向依次设置的沉砂池、粗格栅、砾石墙、细格栅、好氧反应池和厌氧反应池；所述砾石墙由砾石堆叠而成，砾石的间隙容许水流通过；所述细格栅与好氧反应池之间设有挡水隔板；所述厌氧反应区的池底铺设有排水管，该排水管均设有多个进水孔，且所述排水管与一排水暗管连通，所述排水暗管的排水口与下游沟渠连通。本发明使用方便，且结构简单，耗材少，制造成本低。
Description
技术领域
本发明属于污水处理设备技术领域，特别涉及一种用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器。
背景技术
农业面源污染已成为影响水环境的重要因素，正在成为我国生态环境恶化的主要原因之一，严重制约着农业和农村经济环境的可持续发展。农田氮磷营养盐在降水或灌溉过程中，通过农田排水“毛渠-农渠-斗渠-支渠-干渠”系统排入地表水，使大量氮磷进入水体，造成的水环境污染。
对于农业面源污染的控制，目前普遍采用由美国环保署(USEPA)提出的“最佳管理措施(BMPS)”。目前提出并应用的主要包括缓冲带控制技术，氧化塘技术，人工湿地技术及农田尾水生态沟渠和缓冲带联合净化技术。但由于工程占地面积大，且容易产生淤积和饱和现象，受气候条件及植被生长状况限制较大，净化效果不稳定，这些生态工程的应用具有很大的局限性。而传统的污水处理工艺及其应用已经越来越成熟，但是这些工艺存在基础投资费用高、需要专人运行维护、能耗较高等限制因素。
因此有必要对现有技术进行集成，并对现有处理装置加以改进。寻求低成本、高效率、易操作的污水处理技术，进一步扩大污水处理运用范围、满足社会与市场需求，尤其对于经济条件与文化背景多样的农业地区，具有良好的运用前景和重要的社会意义的农业面源污染处理手段。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，包括一容许水流动的通道，该通道内沿水流方向依次设置的沉砂池、粗格栅、砾石墙、细格栅、好氧反应池和厌氧反应区；所述砾石墙由砾石堆叠而成，砾石的间隙容许水流通过；所述细格栅与好氧反应池之间设有挡水隔板；所述厌氧反应区的池底铺设有排水管，该排水管均设有多个进水孔，且所述排水管与一排水暗管连通，所述排水暗管的排水口与下游沟渠连通。
优选的技术方案为：所述砾石墙由石笼网箱和填充在石笼网箱内的砾石构成。
优选的技术方案为：所述粗格栅的栅条之间的间距为1cm，所述细格栅的栅条之间的间距为4mm。
优选的技术方案为：所述挡水隔板沿着好氧反应池朝向细格栅一侧的池壁设置。
优选的技术方案为：所述好氧反应池两内侧壁设置每隔1.5-2.5cm一组间隔0.4-0.6cm以钢钉进行限位，挂膜时直接连接在单片的螺纹框架上，再将螺纹框架垂直向池底插入；厌氧反应池的网兜内填充由锯木屑、牡蛎壳、山核桃壳、炉渣或钢渣至少一种作为填料。
优选的技术方案为：所述排水管的材质为PVC，且所述排水管上包覆有纱网。
由于上述技术方案运用，本发明具有的有益效果为：
本发明无需整体拆卸，使用方便，且结构简单，耗材少，制造成本低。有效解决脱膜困难和无动力曝气难题，良好的透水透气性保障了该层内的好氧环境，大大提高了有机物的降解速率。厌氧池由于填料很难长时间维持脱氮除磷功效，该层为方便拆卸设计。日常使用时，则将提手放下与沟垄固定栓扣接在一起，配合沟顶木条限位板对装置进行固定卡牢。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
以上附图中，1、沉砂池；2、粗格栅；3、砾石墙；4、细格栅；5、好氧反应区；6、厌氧反应区；①、挡水隔板；②、透气预制盖板；③、密闭预制盖板④、多孔PVC管；⑤、软质排水暗管。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1。须知，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的一种用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，农田排水流经上游沟渠进入沉砂池1，实现脱砂处理并实现大部分吸附态污染物的去除，有效去除颗粒吸附态磷。之后经粗格栅2过滤掉水中的杂草等大体积悬浮物。为了平缓水流，降低水流速度，减少对氮磷反应单元的冲击，保证一定的水力停留时间，本发明设置了缓冲单元砾石墙3。在进入脱氮除磷反应单元前农田排水再经细格栅4过滤掉排放水中4mm以上的细小杂质。而后利用挡水隔板①前后侧的水位差进行跌水充氧后进入好氧反应池5，强化氨氮的硝化作用，之后，携带着主要氮素形态为硝态氮的水流进过厌氧反应区6进行反硝化作用，处理后的尾水进入池底的多孔PVC管④，并通过若干个软质排水暗管⑤向下游沟渠排出。
设置反应器前，根据农田排水沟渠形态、流量、泥沙含量、污染物特征等现状设计反应器安装位置、沉砂池和好氧厌氧反应池大小。反应器根据水流方向在上而下安装，在反应器起始位置利用人工或机械手段开挖沉砂池，并在沉砂池之后对原始沟渠进行改造形成一定坡度。格栅过滤单元和砾石墙通过钢钉和限位条进行限位抵御水流冲击，安装时只需将粗、细格栅和砾石网兜向下插入，拆卸向上抽出即可，粗格栅1cm x 1cm，细格栅4mm x4mm，砾石墙网罩内填充直径在10cm左右的石块。而后利用挡水隔板构建具有一定高度的跌水坝，在跌水坝下游处开挖一定体积的反应池，好氧反应池两内侧壁设置每隔2cm一组间隔0.5cm的钢钉进行限位，挂膜时直接连接在单片的螺纹框架上，再将螺纹框架垂直向下插入；需要脱膜时，则直接向上抽出各片螺纹框架即可。而后在厌氧反应池网兜内填充锯木屑、牡蛎壳、山核桃壳、炉渣、钢渣等多种废弃物通过优化组合和合理混合而成，辅以高效的微生物菌种形成复合介质填料。该层为方便拆卸设计，日常使用时将网兜提手放下与沟垄固定栓扣接在一起，配合沟底木条限位板对装置进行固定卡牢，当填料饱和后，用提手提起可以快速进行拆装作业。在反应池后侧根据软质排水暗管的布设位置开挖若干个用于铺设软质排水暗管的沟渠，在反应池底部铺设多孔带纱网的PVC管，并与软质排水暗管入水口连接固定。
为确保反应器脱氮除磷能力且不影响沟渠排洪能力，在雨季雨污混合污水流量大时，水流可以直接从反应池上表面的预制盖板上流过，不影响正常排洪。所述反应器各模块均可拆卸，若遇极端天气反应器内水位高于最高水位时则启动拆卸程序。在厌氧反应池定期更换填料的同时清理粗细格栅，清除拦截下来的杂物，防止堵塞排水沟渠；去除沉砂池中堆积的泥沙，有效降低这些吸附态污染物的污染风险。
反应器对进水无要求，处理范围广泛。
该处理方法和膜反应器处理农田排水，水流、温度、处理时间等，请详细阐述。
水力停留时间，24h以上，好氧厌氧池的长度根据农田渗漏最大排水水量确定，以满足一定的水力停留时间为准。
沟渠作为自然生态系统中的一部分，本身具有净化功能，对各污染物的削减率在20％-30％。而经过改造后净化效果有明显提高，对各污染物的浓度削减率均在60％以上。
具体说明“厌氧池填料”的具体制备方法、使用方法、更换方法。
厌氧池填料由牡蛎壳、山核桃壳、锯木屑、炉渣、钢渣等多种废弃物通过优化组合和合理混合而成，介质来源广泛、价格低廉，辅以高效的微生物菌种形成复合介质填料。
(6)具体说明“可拆卸”的操作方法和优点。
为确保反应器脱氮除磷能力且不影响沟渠排洪能力，所述反应器各模块均可拆卸，若遇极端天气反应器内水位高于最高水位时则启动拆卸程序。格栅过滤单元和砾石墙通过钢钉和限位条进行限位抵御水流冲击，安装时只需将粗、细格栅和砾石网兜向下插入，拆卸向上抽出即可。好氧池的两内侧壁设置每隔2cm一组间隔0.5cm的钢钉，使螺纹框架可嵌入其中进行限位，共20组。该层装置挂膜时直接连接在单片的螺纹框架上，再将螺纹框架垂直向下插入，利用凹槽对螺纹框架进行限位；需要脱膜时，则直接向上抽出各片螺纹框架即可。无需整体拆卸，使用方便，且结构简单，耗材少，制造成本低。有效解决脱膜困难和无动力曝气难题，良好的透水透气性保障了该层内的好氧环境，大大提高了有机物的降解速率。厌氧池由于填料很难长时间维持脱氮除磷功效，该层为方便拆卸设计。日常使用时，则将提手放下与沟垄固定栓扣接在一起，配合沟顶木条限位板对装置进行固定卡牢。
农业面源污染主要发生在农村地区，而这些地区在水污染控制方面的资金投入和管理水平有限，所以应用于农业面源污染的水污染控制技术要求是低投入、易管理的工艺方法。本发明提供一种不占用土地、基建投资低，介质来源广泛、价格低廉，无动力曝气、无运转费用，无人值守、操作管理简便，装置拆卸及脱膜方便，氮磷去除效率高、抗冲击能力强、适应性广的农田排水脱氮除磷处理装置，特别适合我国农业面源污染控制。
农田排水沟渠作为上游农业面源污染的汇和下游水体中污染物的源，极大地影响着下游湖泊和河流等水体的水质。装置直接安装在排水沟集中排放点干渠中，不占用土地，对污水进行就地截留和处理，将物理/化学方法与膜法相结合，增加了沟塘系统对氮磷营养盐的去除。有效解决了其他方法所造成的受气候条件及植被生长状况限制较大，净化效果不稳定，占用农田过多、基建成本过高等问题。
本发明基于厌氧/好氧(简称A/O)生物除磷工艺。
好氧池的两内侧壁设置每隔2cm一组间隔0.5cm的钢钉，使螺纹框架可嵌入其中进行限位，共20组。该层装置挂膜时直接连接在单片的螺纹框架上，再将螺纹框架垂直向下插入，利用凹槽对螺纹框架进行限位；需要脱膜时，则直接向上抽出各片螺纹框架即可。无需整体拆卸，使用方便，且结构简单，耗材少，制造成本低。同时，螺纹框架间隔排布，大大提高了与空气的接触面积及接触时间，从而提高设备的自动复氧性能，解决无动力曝气难题。
厌氧池利用多种介质以不同体积比例混合，辅以高效的微生物菌种形成复合介质填料。农田排水中的污染物质在填料和填料中的微生物共同作用下，将物理/化学方法与膜法相结合，使之得以逐步吸附、降解和转化，最终实现污水的高效净化。由于填料很难长时间维持脱氮除磷功效，所以将该层装置为可拆卸设计。当填料饱和后，可以快速进行拆装作业，更换填料。使用时，则将提手放下与沟垄固定栓扣接在一起，配合沟顶木条做成的限位板对装置进行固定卡牢以抵御极端天气。
参照图1，本发明的脱氮除磷反应器，农田排水流经上游沟渠进入沉砂池1，实现脱砂处理并实现大部分吸附态污染物的去除，有效去除颗粒吸附态磷。之后经粗格栅2过滤掉水中的杂草等大体积悬浮物。为了平缓水流，降低水流速度，减少对氮磷反应单元的冲击，保证一定的水力停留时间，本发明设置了缓冲单元砾石墙3。在进入脱氮除磷反应单元前农田排水再经细格栅4过滤掉排放水中4mm以上的细小杂质。而后利用挡水隔板①前后侧的水位差进行跌水充氧后进入好氧反应池5，强化氨氮的硝化作用，之后，携带着主要氮素形态为硝态氮的水流进过厌氧反应区6进行反硝化作用，处理后的尾水进入池底的多孔PVC管④，并通过若干个软质排水暗管⑤向下游沟渠排出。
所述反应器各模块均可拆卸，反应器最高水位低于沟渠顶面20-30cm，若遇极端天气反应器内水位高于最高水位时则启动拆卸程序方便行洪。
农田氮磷营养盐通过农田排水“毛渠-农渠-斗渠-支渠-干渠”系统排入地表水，使大量氮磷进入水体，造成的水环境污染。排水沟渠作为农田与外河水系之间的过渡带，既是农田排水的最初汇集地，又是下游水体氮磷营养盐的输出地，发挥着排水和生态拦截的双重作用。装置直接安装在排水沟集中排放点干渠中，进行就地截留和处理，增加沟塘系统对氮磷营养盐的去除。不占用土地，基建成本低，操作简便。有效解决了其他方法所造成的受外界限制大，处理效果不稳定不持久等问题，适合我国农业面源污染控制。
农田排水中磷在形态上包括颗粒态磷和可溶态磷。其中，可溶态磷是水体藻类生长所需磷的直接来源，颗粒态磷是水体中藻类持续生长所需磷的潜在来源，是水体富营养化的主要磷素形态。在装置起始位置利用人工或机械手段，开挖0.5m深倾角为60°的沉砂池1。农田排水经过沉砂池后实现脱砂处理，并实现大部分吸附态污染物的去除，有效去除颗粒吸附态磷。在更换填料的同时去除沉砂池中堆积的泥沙，有效降低这些吸附态污染物的污染风险。
农田排水常混有秸秆、杂草、树叶等悬浮物，为防止对后续的反应单元造成淤积堵塞，本发明在进入整个装置前设置格栅过滤单元。农田排水流经粗格栅2过滤掉水中的杂草等大体积悬浮物，再经细格栅4过滤掉排放水中4mm以上的细小杂质。在厌氧池定期更换填料的同时清理粗细格栅，清除拦截下来的杂物，防止堵塞排水沟渠。
为了平缓水流，降低水流速度，减少对氮磷反应单元的冲击，保证一定的水力停留时间。本发明设置了缓冲单元砾石墙3，可拆卸网兜内填充直径在10cm左右的石块作为缓冲物，水流经石缝流淌，经缓冲单元后水流趋于平缓，流速减慢，更有利于水中氮磷物质的反应及吸附。
污水在流动过程中连续通过好氧区5和厌氧区6，在反应器内部形成连续的好氧、厌氧区域，有利于不同功能微生物群落的共同存在，处理效率高。好氧厌氧池的长度根据农田渗漏排水水量确定，以满足一定的水力停留时间为准。
好氧区通过跌水充氧来提高设备的自动复氧性能，进一步提高装置的污染物去除能力。该层装置挂膜时直接连接在单片螺纹框架上，再将螺纹框架垂直向下插入，利用钢钉对螺纹框架进行限位；需要脱膜时，则直接向上抽出各片螺纹框架即可。无需整体拆卸，使用方便，且结构简单，耗材少，制造成本低。有效解决脱膜困难和无动力曝气难题，良好的透水透气性保障了该层内的好氧环境，大大提高了有机物的降解速率。
厌氧池填料由牡蛎壳、山核桃壳、锯木屑、炉渣、钢渣等多种废弃物通过优化组合和合理混合而成，介质来源广泛、价格低廉，辅以高效的微生物菌种形成复合介质填料。介质表面粗糙一方面对微生物具有良好的附着性，有利于微生物群落的生长，另一方面比表面积大导致表面能大，大大加强了物理吸附能力。同时牡蛎壳在厌氧酸化过程中碳酸钙成分的不断溶出，可将污水中的磷酸盐通过化学除磷方式去除。木屑氧化分解产生CO2强化了氨氮的硝化作用。农田排水中的污染物质在填料和填料中的微生物共同作用下，将物理/化学方法与膜法相结合，使之得以逐步吸附、降解和转化，最终实现污水的高效净化。由于填料很难长时间维持脱氮除磷功效，该层为方便拆卸设计。当填料饱和后，可以快速进行拆装作业，定期更换填料。更换填料的同时清理粗细格栅，清除拦截下来的杂物，防止堵塞排水沟渠；去除沉砂池中堆积的泥沙，有效降低这些吸附态污染物的污染风险。日常使用时，则将提手放下与沟垄固定栓扣接在一起，配合沟顶木条限位板对装置进行固定卡牢。
生物脱氮和除磷都是利用厌氧状态。生物除氮的机理则是在厌氧池和好氧池内，进行系列的氨化作用、硝化作用和脱氮作用，从而达到除氮的目的。在流经好氧池5完成氨氮的硝化作用，之后，在厌氧和富碳环境的厌氧反应池6中进行强化脱氮反应。本反应器构建的好氧-厌氧和富碳的连续生境对全程自养脱氮、厌氧氨氧化等其他脱氮过程也起到强化作用。反硝化除磷是利用反硝化除磷菌可以在厌氧条件下利用硝酸盐作为电子受体将污水中的磷酸盐吸收，从而进行厌氧条件下的脱磷。反硝化除磷作为厌氧好氧工艺中的一种生物除磷方式，与传统的好氧条件下聚磷菌过剩吸磷的生物除磷方式协同作用，并采用合理的优化设计，可有效地提高厌氧好氧工艺的除磷效果。化学除磷是通过磷酸根与牡蛎壳溶出的Ca2+形成较稳定的沉淀物Ca2HPO4(OH)2与Ca5(PO4)3OH进行去除。农田排水中磷在填料和填料中的微生物共同作用下，将物理吸附、化学沉淀与膜法相结合，稳定高效持久地进行可溶态磷的去除。本反应器实现颗粒态磷和可溶态磷的去除，有效截断水体富营养化所需磷的直接和潜在来源。
于河北省秦皇岛市某农田区内选择一条农田排水沟渠，对其进行上述构建方法的改造，原始沟渠为梯形断面，上宽135cm，下宽80cm，高度95cm，长度180m。年汇水量2万方左右，最大流量0.15m3/s，水质超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中对农业用水区及一般景观要求水域(Ⅴ类)的标准限值。在沟渠中段构建脱氮除磷膜反应器，反应器以灵活拆卸的模块化形式构建。在起始位置开挖50cm深倾角为60°的沉砂池，粗格栅1cm x1cm，细格栅4mmx 4mm，砾石墙网罩内填充直径在10cm左右的石块。根据停水时间12h设计好氧厌氧反应池总容积120m3。好氧反应池利用两个间隔0.5cm的钢钉对螺纹框架进行限位，每隔2cm一组，共100组。厌氧池填料由锯木屑与牡蛎壳混合而成。反应器种污泥取自城市污水处理厂的曝气池，挂膜操作选在了农业耕作时期。挂膜初期先闷曝3天后通水，约1个月氮磷去除率均达到稳定，完成挂膜操作，之后进入稳定运行阶段。改造前后分别进行了水质监测，监测结果如下。
表 反应器构建前后TN、TP去除率的结果比较
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神和技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，其特征在于：包括一容许水流动的通道，该通道内沿水流方向依次设置的沉砂池、粗格栅、砾石墙、细格栅、好氧反应池和厌氧反应区；所述砾石墙由砾石堆叠而成，砾石的间隙容许水流通过；所述细格栅与好氧反应池之间设有挡水隔板；所述厌氧反应区的池底铺设有排水管，该排水管均设有多个进水孔，且所述排水管与一排水暗管连通，所述排水暗管的排水口与下游沟渠连通。
2.根据权利要求1所述的用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，其特征在于：所述砾石墙由石笼网箱和填充在石笼网箱内的砾石构成。
3.根据权利要求1所述的用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，其特征在于：所述粗格栅的栅条之间的间距为1cm，所述细格栅的栅条之间的间距为4mm。
4.根据权利要求2所述的用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，其特征在于：所述挡水隔板沿着好氧反应池朝向细格栅一侧的池壁设置。
5.根据权利要求1所述的用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，其特征在于：所述好氧反应池两内侧壁设置每隔1.5-2.5cm一组间隔0.4-0.6cm以钢钉进行限位，挂膜时直接连接在单片的螺纹框架上，再将螺纹框架垂直向池底插入；厌氧反应池的网兜内填充由锯木屑、牡蛎壳、山核桃壳、炉渣或钢渣至少一种作为填料。
6.根据权利要求1所述的用于农田排水脱氮除磷的可拆卸膜反应器，其特征在于：所述排水管的材质为PVC，且所述排水管上包覆有纱网。
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