CN114933354A - 分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统，本发明利用固液密度差和重力感应控制阀门实现黑水固液分离收集，将黑水固渣部分与农业废弃物进行厌氧发酵得到农用有机肥，黑水液体部分采用化学固结形成固态氮磷无机肥，出水用于农业灌溉，该就地处理模式和方法可有效地解决农村分散式居住点粪污出路问题。本发明提供的分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统及方法尤其适用于农村的农村分散式居住点的黑水处理，可以实现黑水末端固液分离、营养物就地固集以及水资源进入农业生产循环体系，能够实现资源就地利用。

Description

分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统及方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其是涉及一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统及方法。
背景技术
黑水主要是指厕所粪污水，即人排泄及冲洗产生的高浓度生活污水。黑水中富含大量有机污染物、病原菌以及氮磷元素，未经处理的黑水直接排放将导致土壤和水源受到污染，从而进一步影响食物及饮用水安全，引发腹泻、霍乱等肠道疾病。生活污水中80～90％的氮、50～57％的磷都来自于黑水，农村生活污水中的污染物更是有90％来自于黑水，故农村污水治理应首治黑水。
人均每天排泄的粪便总量为25～50kg，平均含有550g氮、180g磷和370g钾；1个成年人每年可产生400L尿液，其中含有约4000g氮、400g磷和900g钾。据国外调查数据，一个正常人每年粪尿排泄量可以为三亩地提供肥料。黑水中蕴含大量农业生产所需的养分和水资源，资源属性强，利用潜力大，开展农村黑水的资源化利用既可以减少环境污染，也可以促进绿色农业发展，同时推动化肥减量以及缓解农业用水压力。
目前在不具备污水管道收集和集中建处理站的农村分散式居住点，黑水的收集和储存主要是采用三格式化粪池，存在分散、单点量小等特点，采用专用车辆分别到户抽取并转运至集中处理站进行发酵处理的模式并不适合也不经济，基本没有可操作性。从现状看，在此类居住点的三格式化粪池中固渣部分最终处置一般都由农民自行清掏，但因恶臭、农民施肥习惯的转变等因素最终处置变得较为困难；液体部分从三格式化粪池直接溢流或渗入地下，从而污染周边地下水或地表水环境。因此，如何实现农村分散式居住点黑水就地处理处置就显的尤为重要。
目前现有对农村黑水就地化处理的方法技术主要为粪污自行厌氧发酵或高能耗的电解强化处理，并不考虑农村地区应经济、生态、资源循环等因素，而且在厌氧发酵也不考虑黑水的固液分离问题而导致发酵效率低下，长期运行没有可持续性。黑水灰水分区强化处理的序批式一体化装备(CN 215208709 U)提出了一种源分离黑水强化厌氧发酵处理的序批式一体化设备，利用化粪池与生化处理的结合强化黑水处理；一种农村户厕黑水原位资源化处理装置及方法(CN 113651492 A)提出了一种以微生物电解强化处理单元为核心的原位处理农村户厕黑水的资源化处理系统，利用电化学方法强化处理污染物与致病微生物，实现黑水原位无害资源化；一种农村黑、灰水收集处理及资源化利用系统(CN111233260 A)提出了一种将畜禽黑水与生活黑水共同厌氧深度处理的设备，通过设置腐化池、化粪池、厌氧滤池和澄清池对黑水进行深度处理。
发明内容
针对农村黑水处理率低、黑水中资源回收效果差以及集中处理成本高、管理难的现状，本发明提供一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统及方法。
本发明提供的分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统及方法尤其适用于农村的农村分散式居住点的黑水处理，可以实现黑水末端固液分离、营养物就地固集以及水资源进入农业生产循环体系，能够实现资源就地利用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明首先提供一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统，所述系统包括固液分离系统与固液处理系统，
所述固液分离系统包括黑水收集管、一个重力感应控制阀门和异径三通，
所述固液处理系统包括一个固渣处理单元和一个液体处理单元，
所述固渣处理单元为厌氧反应器，所述液体处理单元包括反应池和储蓄池；
所述黑水收集管和分散式居住点家中马桶相连，用于收集分散式居住点产生的黑水；
所述黑水收集管上设置有异径三通，通过异径三通分别与固渣处理单元和液体处理单元连接，所述重力感应控制阀门设置在异径三通和固渣处理单元之间的黑水收集管上；
黑水在黑水收集管内流经与固渣处理单元的接口时，由于密度不同，大部分黑水固渣将会下落然后受到重力感应控制阀门的阻断，而液体部分会继续顺着收集管流入液体处理单元，当积累的黑水固渣的重力达到阈值时，重力感应控制阀门开启，固渣进入固渣处理单元，实现黑水固液分离收集处理。
在本发明的一个实施方式中，所述固渣处理单元和液体处理单元进水口均与黑水收集管连接，其中，固渣处理单元的进水口在前。
在本发明的一个实施方式中，所述异径三通和固渣处理单元之间的黑水收集管为垂直走向。
在本发明的一个实施方式中，所述重力感应控制阀门，重力感应的阈值设置为当固渣体积达到空间总体积的80％-90％时的固渣重力值。
在本发明的一个实施方式中，所述固渣处理单元和液体处理单元为一体化设备，设备外壳选用具有良好保温性能的材料，内部结构分为固渣处理单元和液体处理单元。
在本发明的一个实施方式中，所述固渣处理单元和液体处理单元均分为两格，第一格内均设置搅拌器以提高处理效果，每个处理单元的容积为2～16m3。处理后的产物自流、人工或借助抽吸泵抽出后回用于农林田地；可采用电能或清洁能源中的一种或多种组合为设备中涉及用电的搅拌器和控制阀门供能。
本发明进一步提供一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，基于所述分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统进行，
黑水在黑水收集管内流经与固渣处理单元的接口时，由于密度不同，大部分黑水固渣将会下落然后受到重力感应控制阀门的阻断，而液体部分会继续顺着收集管流入液体处理单元，当积累的黑水固渣的重力达到阈值时，重力感应控制阀门开启，固渣进入固渣处理单元，实现黑水固液分离收集处理；
在固渣处理单元中添加农业废弃物与黑水固渣进行厌氧共发酵，最终得到固态农用有机肥；在液体处理单元中添加化学药剂，利用沉淀法原理进行处理，得到含氮磷的固态无机肥和可灌溉回用的水资源。
在本发明的一个实施方式中，固渣处理单元中的搅拌器的搅拌速率为10～150r/min，每天进行两次搅拌，每次的搅拌时间为1h，间隔时间为11h，搅拌器功率为1～5kW；液体处理单元中的搅拌器的搅拌速率为50～250r/min，每天进行三次搅拌，每次的搅拌时间为1h，间隔时间为7h，搅拌器功率为1～5kW。
在本发明的一个实施方式中，在固渣处理单元中，黑水固渣与农业废弃物中的一种或多种混合后进行厌氧共发酵，在黑水固渣中添加农业产物可以将混合物的含水率、C/N和pH调节到一个合适的范围，其中，固渣处理单元中混合物的含水率为30～50％，C/N为10～30，pH为6.5～7.5；厌氧发酵的温度25～40℃，发酵时间一般为5～20天。同时，对于固渣处理单元清掏的间隔时间与发酵时间一致，可以采用抽吸泵或者人工将发酵产物取出。
在本发明的一个实施方式中，所述农业废弃物选自秸秆、麦麸、玉米芯、果核或者其他当地农林业产生的废弃物中的一种或几种的混合。
在本发明的一个实施方式中，在投加前，将农业产物破碎至颗粒尺寸为1～10mm，以提升混合和处理效果，破碎后通过进料管添加至固渣处理单元的第一格中。
在本发明的一个实施方式中，利用自动加药系统，通过加药管向液体处理单元第一格中添加化学药剂进行液体处理，利用化学沉淀法的原理进行处理，处理单元第一格内的搅拌器可以加速处理进行，处理后黑水液体中的无机营养盐以沉淀的形式沉积于池底，间隔一段时间后将沉积物取出可以作为农用无机肥，出水可以作为农林田地的灌溉水。
在本发明的一个实施方式中，为了实现较好的化学沉淀效果，既要保证加药后体系内的元素比例，又要保证体系处于合适的碱性环境，需要向液体处理单元第一格中添加含Mg2+、PO4 3-、OH-的化学药剂，可以选择的药剂包括但不限于：K3PO4、K2HPO4、KH2PO4、MgCl2、NaOH、KOH。
在本发明的一个实施方式中，在液体处理单元第一格中反应后会生成沉淀，暂时沉积在第一格池底，后续可以通过检查孔对沉积物进行清掏，清掏频率为15～30天一次，采用人工清掏的方式。
在本发明的一个实施方式中，液体处理单元处理后黑水液体中仍含有一定浓度的有机物和氮磷无机物，但可以作为灌溉用水直接施用于农林田地，这样既不会对环境产生危害，也可以在一定程度上为农林田地补充各类营养物质。处理后的出水贮存在液体处理单元第二格中，可以利用抽吸泵抽出，一般农村地区每家每户院子中都有菜地，随用随取，可以不设置固定的抽吸频率。
当黑水流经时，由于固渣密度大于液体部分，固渣受重力影响下落，大部分固渣会短暂储存在重力感应控制阀门与异径三通之间的空间，也会将部分进入的液体挤出，大部分液体会进入之后的液体处理单元；当固渣的重力达到阈值后，重力感应控制阀门开启，固渣进入固渣处理单元，随后重力感应控制阀门关闭，实现一定程度的固液分离。
在固渣处理器中添加农业废弃物与黑水固渣进行厌氧共发酵，最终得到固态农用有机肥；在液体处理器中添加化学药剂，利用沉淀法原理进行处理，得到含氮磷的固态无机肥和可灌溉回用的水资源。
本发明采用末端固液分离收集和一体化设备就地处理黑水，黑水固渣部分与农业废弃物进行厌氧发酵、液体部分经化学沉淀得到农业有机和无机肥，出水用于农业灌溉，实现农村黑水的就地资源化利用。
综上所述，本发明针对黑水固液部分的不同特征，将黑水就地就近进行固液分别收集和处理，得到可以回用的有机肥、无机肥和灌溉水，与传统集中式黑水处理相比，本发明解决了转运和回用过程复杂、运维成本高等问题。
与未进行固液分离的黑水处理系统相比，本发明的有益效果如下：黑水固液分离收集处理降低了固渣含水率，可以提高固渣的厌氧发酵效果；固液分离收集处理及资源化可以同时实现营养物质与水资源的回收利用，降低化肥使用量，缓解农业灌溉用水紧张问题；可以将秸秆等农业产物有效利用，提高有机肥质量，减少处理成本。
本发明提出了一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统及方法，能够实现资源就地利用，对黑水固液分离收集的基础上，将黑水固渣部分与农业废弃物进行厌氧发酵得到农用有机肥，黑水液体部分采用磷酸铵镁形成固态氮磷无机肥，出水用于农业灌溉，该就地处理模式和方法可有效地解决农村分散式居住点粪污出路问题，实现了黑水中营养物资源化利用和水资源的蓝色水循环，降低了黑水的处理成本和减少农业化肥施用量，具有显著的社会效益、经济效益与环境效益。
附图说明
图1为农村分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理技术工艺流程图。
图2为分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统资源循环利用示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
参考图2，本实施例中提供一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统，所述系统包括固液分离系统与固液处理系统，所述固液分离系统包括黑水收集管1、一个重力感应控制阀门2和异径三通，所述固液处理系统包括一个固渣处理单元3和一个液体处理单元4，所述固渣处理单元3为厌氧反应器，所述液体处理单元4包括反应池和储蓄池；所述黑水收集管1和分散式居住点家中马桶相连，用于收集分散式居住点产生的黑水；所述黑水收集管1上设置有异径三通，通过异径三通分别与固渣处理单元3和液体处理单元4连接，所述重力感应控制阀门2设置在异径三通和固渣处理单元3之间的黑水收集管1上；
本实施例中，黑水在黑水收集管1内流经与固渣处理单元3的接口时，由于密度不同，大部分黑水固渣将会下落然后受到重力感应控制阀门2的阻断，而液体部分会继续顺着收集管流入液体处理单元4，当积累的黑水固渣的重力达到阈值时，重力感应控制阀门2开启，固渣进入固渣处理单元3，实现黑水固液分离收集处理。
本实施例中，所述固渣处理单元3和液体处理单元4进水口均与黑水收集管1连接，其中，固渣处理单元3的进水口在前。
本实施例中，所述异径三通和固渣处理单元3之间的黑水收集管1为垂直走向。
本实施例中，所述重力感应控制阀门2，重力感应的阈值设置为当固渣体积达到空间总体积的80％-90％时的固渣重力值。
本实施例中，所述固渣处理单元3和液体处理单元4为一体化设备，设备外壳选用具有良好保温性能的材料，内部结构分为固渣处理单元3和液体处理单元4。
本实施例中，所述固渣处理单元3和液体处理单元4均分为两格，第一格内均设置搅拌器以提高处理效果，每个处理单元的容积为2～16m3。处理后的产物自流、人工或借助抽吸泵抽出后回用于农林田地；可采用电能或清洁能源中的一种或多种组合为设备中涉及用电的搅拌器和控制阀门供能。
进一步参考图1，本实施例进一步提供一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，基于所述分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统进行，
黑水在黑水收集管1内流经与固渣处理单元3的接口时，由于密度不同，大部分黑水固渣将会下落然后受到重力感应控制阀门2的阻断，而液体部分会继续顺着收集管流入液体处理单元4，当积累的黑水固渣的重力达到阈值时，重力感应控制阀门2开启，固渣进入固渣处理单元3，实现黑水固液分离收集处理；
在固渣处理单元3中添加农业废弃物与黑水固渣进行厌氧共发酵，最终得到固态农用有机肥；在液体处理单元4中添加化学药剂，利用沉淀法原理进行处理，得到含氮磷的固态无机肥和可灌溉回用的水资源。
本实施例中，固渣处理单元3中的搅拌器的搅拌速率为10～150r/min，每天进行两次搅拌，每次的搅拌时间为1h，间隔时间为11h，搅拌器功率为1～5kW；液体处理单元4中的搅拌器的搅拌速率为50～250r/min，每天进行三次搅拌，每次的搅拌时间为1h，间隔时间为7h，搅拌器功率为1～5kW。
本实施例中，在固渣处理单元3中，黑水固渣与农业废弃物中的一种或多种混合后进行厌氧共发酵，在黑水固渣中添加农业产物可以将混合物的含水率、C/N和pH调节到一个合适的范围，其中，固渣处理单元3中混合物的含水率为30～50％，C/N为10～30，pH为6.5～7.5；厌氧发酵的温度25～40℃，发酵时间一般为5～20天。同时，对于固渣处理单元3清掏的间隔时间与发酵时间一致，可以采用抽吸泵或者人工将发酵产物取出。
本实施例中，所述农业废弃物选自秸秆、麦麸、玉米芯、果核或者其他当地农林业产生的废弃物中的一种或几种的混合。
本实施例中，在投加前，将农业产物破碎至颗粒尺寸为1～10mm，以提升混合和处理效果，破碎后通过进料管添加至固渣处理单元3的第一格中。
本实施例中，利用自动加药系统，通过加药管向液体处理单元4第一格中添加化学药剂进行液体处理，利用化学沉淀法的原理进行处理，处理单元4第一格内的搅拌器可以加速处理进行，处理后黑水液体中的无机营养盐以沉淀的形式沉积于池底，间隔一段时间后将沉积物取出可以作为农用无机肥，出水可以作为农林田地的灌溉水。
本实施例中，为了实现较好的化学沉淀效果，既要保证加药后体系内的元素比例，又要保证体系处于合适的碱性环境，需要向液体处理单元4第一格中添加含Mg2+、PO4 3-、OH-的化学药剂，可以选择的药剂包括但不限于：K3PO4、K2HPO4、KH2PO4、MgCl2、NaOH、KOH。
本实施例中，在液体处理单元4第一格中反应后会生成沉淀，暂时沉积在第一格池底，后续可以通过检查孔对沉积物进行清掏，清掏频率为15～30天一次，采用人工清掏的方式。
本实施例中，液体处理单元4处理后黑水液体中仍含有一定浓度的有机物和氮磷无机物，但可以作为灌溉用水直接施用于农林田地，这样既不会对环境产生危害，也可以在一定程度上为农林田地补充各类营养物质。处理后的出水贮存在液体处理单元4第二格中，可以利用抽吸泵抽出，一般农村地区每家每户院子中都有菜地，随用随取，可以不设置固定的抽吸频率。
当黑水流经时，由于固渣密度大于液体部分，固渣受重力影响下落，大部分固渣会短暂储存在重力感应控制阀门2与异径三通之间的空间，也会将部分进入的液体挤出，大部分液体会进入之后的液体处理单元4；当固渣的重力达到阈值后，重力感应控制阀门2开启，固渣进入固渣处理单元3，随后重力感应控制阀门2关闭，实现一定程度的固液分离。
在固渣处理器中添加农业废弃物与黑水固渣进行厌氧共发酵，最终得到固态农用有机肥；在液体处理器中添加化学药剂，利用沉淀法原理进行处理，得到含氮磷的固态无机肥和可灌溉回用的水资源。
本实施例中，固渣处理单元规格为1m×2m×1m，其中两格分别为1m×1m×1m，按照1:1的质量比添加破碎后的秸秆，使用搅拌器搅拌，混合物在40℃温度下进行厌氧发酵，发酵时间15d，产物可以满足有机肥标准NY525-2012。液体处理单元规格为1m×2m×1m，其中两格分别为1m×1m×1m，向液体处理单元中添加K2HPO4、MgCl2和NaOH，使体系的pH到达9.5左右，Mg:N:P的比例为1.1：1：1。处理后的出水可以满足灌溉用水标准。
本实施例采用末端固液分离收集和一体化设备就地处理黑水，黑水固渣部分与农业废弃物进行厌氧发酵、液体部分经化学沉淀得到农业有机和无机肥，出水用于农业灌溉，实现农村黑水的就地资源化利用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统，其特征在于，所述系统包括固液分离系统与固液处理系统，
所述固液分离系统包括黑水收集管(1)、重力感应控制阀门(2)和异径三通，
所述固液处理系统包括固渣处理单元(3)和液体处理单元(4)，
所述固渣处理单元(3)为厌氧反应器，所述液体处理单元(4)包括反应池和储蓄池；
所述黑水收集管(1)和分散式居住点家中马桶相连，用于收集分散式居住点产生的黑水；
所述黑水收集管(1)上设置有异径三通，通过异径三通分别与固渣处理单元(3)和液体处理单元(4)连接，所述重力感应控制阀门(2)设置在异径三通和固渣处理单元(3)之间的黑水收集管(1)上；
黑水在黑水收集管(1)内流经与固渣处理单元(3)的接口时，由于密度不同，大部分黑水固渣将会下落然后受到重力感应控制阀门(2)的阻断，而液体部分会继续顺着收集管流入液体处理单元(4)，当积累的黑水固渣的重力达到阈值时，重力感应控制阀门(2)开启，固渣进入固渣处理单元(3)，实现黑水固液分离收集处理。
2.根据权利要求1所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统，其特征在于，所述固渣处理单元(3)和液体处理单元(4)进水口均与黑水收集管(1)连接，其中，固渣处理单元(3)的进水口在前，所述异径三通和固渣处理单元(3)之间的黑水收集管(1)为垂直走向。
3.根据权利要求1所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统，其特征在于，所述固渣处理单元(3)和液体处理单元(4)为一体化设备，设备外壳选用具有保温性能的材料，内部结构分为固渣处理单元(3)和液体处理单元(4)。
4.根据权利要求1所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统，其特征在于，所述固渣处理单元(3)和液体处理单元(4)均分为两格，第一格内均设置搅拌器以提高处理效果，每个处理单元的容积为2～16m3。
5.一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，其特征在于，基于权利要求1-4中任一项所述分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理系统进行，包括以下步骤：
黑水在黑水收集管(1)内流经与固渣处理单元(3)的接口时，由于密度不同，大部分黑水固渣将会下落然后受到重力感应控制阀门(2)的阻断，而液体部分会继续顺着收集管流入液体处理单元(4)，当积累的黑水固渣的重力达到阈值时，重力感应控制阀门(2)开启，固渣进入固渣处理单元(3)，实现黑水固液分离收集处理；
在固渣处理单元(3)中添加农业废弃物与黑水固渣进行厌氧共发酵，最终得到固态农用有机肥；在液体处理单元(4)中添加化学药剂，利用沉淀法原理进行处理，得到含氮磷的固态无机肥和可灌溉回用的水资源。
6.根据权利要求5所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，其特征在于，固渣处理单元(3)中的搅拌器的搅拌速率为10～150r/min，每天进行两次搅拌，每次的搅拌时间为1h，间隔时间为11h，搅拌器功率为1～5kW。
7.根据权利要求5所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，其特征在于，液体处理单元(4)中的搅拌器的搅拌速率为50～250r/min，每天进行三次搅拌，每次的搅拌时间为1h，间隔时间为7h，搅拌器功率为1～5kW。
8.根据权利要求5所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，其特征在于，在固渣处理单元(3)中，黑水固渣与农业废弃物中的一种或多种混合后进行厌氧共发酵，其中，固渣处理单元(3)中混合物的含水率为30～50％，C/N为10～30，pH为6.5～7.5；厌氧发酵的温度25～40℃，发酵时间为5～20天。
9.根据权利要求5所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，其特征在于，利用自动加药系统，通过加药管向液体处理单元(4)第一格中添加含Mg2+、PO4 3-、OH-的化学药剂进行液体处理，处理单元(4)第一格内的搅拌器加速处理进行，处理后黑水液体中的无机营养盐以沉淀的形式沉积于池底，间隔一段时间后将沉积物取出作为农用无机肥，出水作为农林田地的灌溉水。
10.根据权利要求5所述的一种分散式居住点黑水末端固液分离收集与处理方法，其特征在于，在液体处理单元(4)第一格中反应后会生成沉淀，暂时沉积在第一格池底，后续通过检查孔对沉积物进行清掏，清掏频率为15～30天一次。
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