CN115925171A - 一体化生物反应系统和生物反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体化生物反应系统和生物反应方法，属于生活污水处理领域。该系统包括集水单元和污水处理单元；所述集水单元具有第一进水口、第一出水口和排气孔；所述污水处理单元包括填料区；所述集水单元与污水处理单元以连通器方式管路连通。该方法为收集并前处理污水，经前处理的污水通过连通器导入污水处理单元，经进一步处理后利用虹吸方式将尾水间歇性地排出污水处理单元并引入溶解氧。该系统和方法利用连通器结合虹吸的原理控制污水以不同方式和阶段进行有效净化，具有维护简单、去污效果好、零能耗、成本低等优点，同时通过调控不同虹吸高点，实现结冰期污水处理单元高效运行，适合在无集水管路的农村地区大范围推广。

Description

一体化生物反应系统和生物反应方法

技术领域

本发明属于生活污水处理领域，尤其涉及一种一体化生物反应系统和生物反应方法。

背景技术

农村污水治理不当直接危害农村生态环境安全，导致湖泊、河流富营养化等环境问题，不利于生态环境建设进程。

农村污水排放点分散，但大部分农村地区地势变化大，无法实现管网收集污水后统一处理。因此，模块化污水处理设施更符合大部分农村地区处理污水现状。现使用较广的模块化设施为化粪池和净化槽。其中化粪池为单独厌氧反应，气味较大且无法达到污水排放要求；净化槽极大地提高了污水处理效率，但存在成本高、消耗能源等缺点。与此同时，北方结冰期的低温环境导致污水处理效率低，甚至污水处理设施处于瘫痪状况。

为了解决上述问题，结合农村污水水质水量波动大等实际现状，特提出本发明。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种一体化生物反应系统和生物反应方法，实现了污水定期收集和处理，零能耗条件下引入了溶解氧，处理效果好，实现了农村生活污水的高效净化。其技术方案如下：

一体化生物反应系统，包括集水单元和污水处理单元。

其中，所述集水单元具有第一进水口、第一出水口和排气孔，用于对污水进行前处理；所述污水处理单元包括填料区，所述填料区上表层可选择性种植或畜牧；所述集水单元与污水处理单元以连通器方式管路连通。污水由所述集水单元进行前处理，随后通过连通器管路进入所述污水处理单元，进行进一步处理。

所述污水处理单元的下部设置第二进水口，与所述第一出水口通过所述连通器方式管路连通；所述污水处理单元上部与所述第二进水口相对一侧设置有第二出水口。

优选地，所述集水单元和所述污水处理单元的上端面为地面或者与地面保持一定距离。所述第一进水口和排气孔一般均设于所述集水单元上端的地面。

进一步地，所述第二出水口连接有虹吸单元；优选地，所述虹吸单元的高点高于所述第二出水口；更优选地，所述虹吸单元的高点包括并联的以阀门控制的第一高点和第二高点，所述第一高点高度高于所述第二高点，所述第一高点距离所述污水处理单元的上端面8-10cm，所述第二高点高于所述第二出水口。在非结冰期，最高水位可处于地表，可以控制使用所述第一高点；在冬季结冰期，则可以控制使用所述第二高点。

进一步地，所述第一出水口的高度位于第二进水口和第二出水口之间。

所述第一进水口的污水不断进入所述集水单元，当污水高度超过第一出水口时，污水经过连通管路流入所述污水处理单元中，随后所述集水单元和污水处理单元中的水位相同后，两者水位因连通器原理实现同步上升，当所述污水处理单元中水位达到所述虹吸单元的高点时，发生虹吸现象，所述污水处理单元中的水快速被抽走，水位从所述高点降至所述第二出水口，同时从所述污水处理单元的上层地表通过碎石间隙引入氧气。与此同时，因为连通器原理，所述集水单元中的污水会补入所述污水处理单元中，两者的水位相同且介于所述高点和第二出水口之间，如是往复。

优选地，相对于所述污水处理单元的上端面，所述污水处理单元的深度为0.8-1.2m；相对于地面，所述集水单元的深度为1.3-2m；所述虹吸单元的第一高点距离所述污水处理单元的上端面8-10cm；所述第二出水口距离所述污水处理单元的上端面30-40cm，所述第一出水口距离所述污水处理单元的上端面35-45cm。

进一步地，所述填料区的填料包括碎石、陶粒或活性炭等比表面积大的填料；优选地，所述填料粒径为5-30mm。更优选地，所述填料区中，下部的填料粒径大于上部的填料粒径。进一步优选地，所述第二出水口及以上的填料区中的填料粒径约为5-10mm，这样可避免填料进入所述虹吸单元的管路或者阀门中，引起堵塞；所述第二出水口以下的填料区中的填料粒径约为10-30mm。

进一步地，所述集水单元垂直方向设有隔板，将所述集水单元分为进水区和前处理区。所述第一进水口位于所述进水区，其上端可覆有上盖，开口较大，利于进水；所述前处理区的上端也可覆有上盖，所述排气孔位于所述前处理区上端的上盖上，一般为1cm左右的小孔。所述集水单元用于存储污水，同时对污水进行前处理。

可选地，所述集水单元为圆柱形。

进一步地，所述前处理区装填组合填料；优选地，所述前处理区自下而上设有厌氧区和兼性厌氧区，用于对污水进行分段处理，实现部分污染物降解；同时沉降水体中的悬浮物，避免悬浮物直接进入所述污水处理单元，堵塞所述污水处理单元中的填料。

优选地，所述前处理区设有若干个交叉的倾斜向上的挡板，用以防止厌氧微生物产生的甲烷上浮过程上翻污泥。

本发明还提供一种生物反应方法，包括以下步骤：

S1.将污水间歇性排入集水单元，进行前处理；

S2.将S1中经前处理的污水通过连通器的方式导入污水处理单元；

S3.S2中被导入污水处理单元的污水通过虹吸方式间歇地导出污水处理单元并向所述系统引入溶解氧；

所述虹吸方式包括在非结冰期使用所述第一高点排水，在结冰期使用所述第二高点排水。

进一步地，所述前处理包括厌氧和兼性厌氧反应，实现部分污染物降解，沉降水体中的悬浮物。

进一步地，所述污水处理单元对经前处理的污水进行物理吸附、厌氧-兼性厌氧-好氧微生物净化，同时可在污水处理单元所对应的地表进行种植或畜牧。

本发明的一体化生物反应系统和生物反应方法，通过设置以连通器方式连通的集水单元和污水处理单元，以及以虹吸的方式控制进入所述集水单元和污水处理单元的污水进行不同方式和阶段的有效净化，实现了污水定期收集和处理，零能耗条件下引入了溶解氧，具有维护简单、净化效果好、具有景观效果等优点，缓解了化粪池建设过程中对土地的占用压力，适合在农村进行大规模推广。同时，通过调控不同虹吸高点，实现结冰期污水处理单元高效运行，抗寒能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的一体化生物反应系统的结构示意图；

图2为实施例1中所述前处理区装填的组合填料的微观图片。

附图标记说明：

1-集水单元；2-污水处理单元；3-第一进水口；4-排气孔；5-隔板；6-挡板；7-第一出水口；8-第二进水口；9-上表层；10-第二出水口；11-第一高点；12-连通器管路；13-虹吸单元；14-第二高点。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

一体化生物反应系统，如图1所示，包括集水单元1和污水处理单元2。

其中，集水单元1具有第一进水口3、第一出水口7和排气孔4，用于对污水进行前处理；污水处理单元2包括填料区，所述填料区的上表层9可选择性种植或畜牧，本实施例中为种植植物；集水单元1与污水处理单元2以连通器管路12连通。污水由集水单元1进行前处理，随后通过连通器管路12进入污水处理单元2，进行进一步处理。

污水处理单元2的下部设置第二进水口8，与第一出水口7通过连通器管路12连通；污水处理单元2上部与第二进水口8相对一侧设置有第二出水口10。

本实施例中，集水单元1与污水处理单元2的上端面均为地面。

第二出水口10连接有虹吸单元13；虹吸单元13的高点高于第二出水口10；本实施例中，所述高点包括并联的以阀门控制的第一高点11和第二高点14，第一高点11高度高于第二高点14，第一高点11距离地面10cm，第二高点14高于所述第二出水口。在非结冰期，最高水位可处于地表，可以开通相应阀门控制使用第一高点11；在冬季结冰期，则可以开通相应阀门控制使用第二高点14，水位可低于地表30cm。

第一出水口7的高度位于第二进水口8和第二出水口10之间。

所述填料区的填料包括碎石；本实施例中，所述碎石粒径约为5-30mm，其中，第二出水口10附近及以上的填料区的碎石粒径约为5-10mm，可避免碎石进入虹吸单元13的管路或者阀门中，引起堵塞；第二出水口10以下的填料区中的碎石粒径约为10-30mm。碎石没有特殊要求，可就地取材。在其他实施例中，可使用陶粒或者活性炭等功能性材料作为填料，可提高废水的处理效果。上表层9可种植卷心菜、玉米、高粱等农作物。

集水单元1垂直方向设有隔板5，将集水单元1分为进水区和前处理区，第一进水口3位于所述进水区，所述进水区上端地表可覆有上盖，开口较大，利于进水；所述前处理区的上端地表也可覆有上盖，排气孔4位于所述前处理区上端的上盖上，为1cm左右的小孔。集水单元1用于存储污水，同时对污水进行前处理。本实施例中，集水单元1为圆柱形。

所述前处理区装填组合填料，尤其是大比表面积的组合填料，本实施例中，如图2所示，所述组合填料结构为将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环，将醛化纤维或涤纶丝压在环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率。使水气生物膜得到充分交换，使水中的有机物得到高效处理。

所述前处理区自下而上设有厌氧区和兼性厌氧区，用于对污水进行分段处理，实现部分污染物降解；同时沉降水体中的悬浮物，避免悬浮物直接进入污水处理单元2，堵塞污水处理单元2中的填料。

作为一种优选的实施例，所述前处理区设有四个交叉的倾斜向上的挡板6，用以防止厌氧微生物产生的甲烷上浮过程上翻污泥。

本实施例的生物反应方法，包括以下步骤：

S1.将污水进行前处理；

污水间歇性地由第一进水口进入集水单元1的进水区，由所述进水区进入所述前处理区，分别经过厌氧和兼性厌氧反应，实现部分污染物降解，沉降水体中的悬浮物。

S2.将S1中经前处理的污水通过连通器的方式导入污水处理单元；

经过前处理的污水高度超过第一出水口7时，污水经过连通器管路12流入污水处理单元2中，随后集水单元1和污水处理单元2中的水位相同后，两者水位因连通器原理实现同步上升，由于在污水处理单元2上层地表有植物种植，污水处理单元2对经前处理的污水进行物理吸附、厌氧-兼性厌氧-好氧微生物净化等处理。

S3.S2中被导入污水处理单元2的污水通过虹吸方式间歇地导出污水处理单元2并向系统引入溶解氧；

所述虹吸方式包括在非结冰期使用第一高点11排水，在结冰期使用第二高点14排水。在结冰期，污水处理单元表层结冰，此时开启第二高点14的阀门，表层的结冰层和空气起到保温作用，使系统仍发挥作用，克服了北方结冰期运行效果差的问题。

当污水处理单元2中水位达到虹吸单元13的高点时，发生虹吸现象，污水处理单元2中的水快速被抽走，同时从污水处理单元2的上层地表通过碎石间隙引入氧气，水位从所述高点降至第二出水口10。与此同时，因为连通器原理，集水单元1中的污水会补入污水处理单元2中，两者的水位相同且介于高点和第二出水口10之间，如是往复。其中，所述高点包括并联的以阀门控制的第一高点11和第二高点14，可根据结冰情况选择第一高点11或第二高点14。

由于集水单元1和污水处理单元2的液位相同，集水单元1内的污水在虹吸单元13的高点和第二出水口10之间往复，在第二出水口10以下进行厌氧消化反应，在虹吸单元13的高点和第二出水口10之间进行好氧/兼性好氧反应，从而实现污水的高效运行。

本实施例中，结合农村生活用水量，以3口之家为一户计算，户均用水量为134L/d，集水单元1的体积应为402L，乘以系数1.2，实际集水单元1的设计体积可为482L。集水单元1相对于地面的深度为1.5m，直径为64cm；污水处理单元2相对于地面的深度为1m；虹吸单元13的第一高点11距离地面10cm；第二出水口10距离地面35cm，第一出水口7距离地面40cm。水力停留时间为2.5d，污水处理单元2面积为1m*1m，该工况可满足所有1月平均气温＞-10℃，7月平均气温＞18℃的地区以及绝大多数1月平均气温＜-10℃，7月平均气温＜18℃的地区。

对比例1

与实施例1中的系统结构基本相同，除不具有实施例1中的虹吸单元，污水连续流动，无虹吸效应。

对比例2

与实施例1中的系统结构基本相同，除所述集水单元的第一出水口降低设置于与所述污水处理单元的第二进水口在水平方向齐平的高度，发生虹吸效应后，污水处理单元中的水全部流走。

通过对实施例1、对比例1-2的处理效果进行对比，如表1中所示，实施例1的污水处理系统和方法所得的处理水，其COD去除率、氨氮去除率和总氮去除率与对比例1和2相比，均得到大幅提高。

表1污水处理测试数据

项目	COD去除率/％	氨氮去除率/％	总氮去除率/％
				实施例1	86.54	89.17	92.84
对比例1	63.54	81.57	86.48
				对比例2	64.71	80.59	83.64

本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构，仅仅是与本公开的技术方案相关的部分的结构图，并不构成对本申请方案所应用于其上的其余结构和部件的限定，具体的结构和部件可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种一体化生物反应系统，其特征在于，包括：

集水单元，具有第一进水口、第一出水口和排气孔，用于收集污水并对其进行前处理；

污水处理单元，包括填料区，所述填料区上表层可选择性种植或畜牧；

所述集水单元与污水处理单元以连通器方式管路连通。

2.根据权利要求1所述的一体化生物反应系统，其特征在于，所述污水处理单元的下部设置第二进水口，与所述第一出水口通过所述连通器方式管路连通；所述污水处理单元上部与所述第二进水口相对一侧设置有第二出水口；

优选地，所述集水单元和所述污水处理单元的上端面为地面或者与地面保持一定距离。

3.根据权利要求2所述的一体化生物反应系统，其特征在于，所述第二出水口连接有虹吸单元；

优选地，所述虹吸单元的高点高于所述第二出水口；

优选地，所述虹吸单元的高点包括并联的以阀门控制的第一高点和第二高点，所述第一高点高度高于所述第二高点，所述第一高点距离所述污水处理单元的上端面8-10cm，所述第二高点高于所述第二出水口。

4.根据权利要求3所述的一体化生物反应系统，其特征在于，所述第一出水口的高度位于第二进水口和第二出水口之间。

5.根据权利要求4所述的一体化生物反应系统，其特征在于，所述污水处理单元的深度为0.8-1.2m，所述集水单元的深度为1.3-2m；

优选地，所述第二出水口距离所述污水处理单元的上端面30-40cm，所述第一出水口距离所述污水处理单元的上端面35-45cm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一体化生物反应系统，其特征在于，所述填料区的填料包括碎石、陶粒或活性炭；

优选地，所述填料的粒径为5-30mm；

优选地，所述填料区中，下部的填料粒径大于上部的填料粒径；

优选地，所述第二出水口及以上的填料区中的填料粒径为5-10mm，所述第二出水口以下的填料区中的填料粒径为10-30mm。

7.根据权利要求1所述的一体化生物反应系统，其特征在于，所述集水单元垂直方向设有隔板，将所述集水单元分为进水区和前处理区，所述第一进水口位于所述进水区，所述排气孔位于所述前处理区上端。

8.根据权利要求7所述的一体化生物反应系统，其特征在于，所述前处理区装填组合填料；

优选地，所述前处理区自下而上设有厌氧区和兼性厌氧区；

优选地，所述前处理区设有若干个交叉的倾斜向上的挡板，用以防止厌氧微生物产生的甲烷上浮过程上翻污泥。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的一体化生物反应系统进行的生物反应方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将污水间歇性排入集水单元，进行前处理；

S2.将S1中经前处理的污水通过连通器的方式导入污水处理单元；

S3.S2中被导入污水处理单元的污水通过虹吸方式间歇地导出污水处理单元并向所述系统引入溶解氧；

所述虹吸方式包括在非结冰期使用所述第一高点排水，在结冰期使用所述第二高点排水。

10.根据权利要求9所述的生物反应方法，其特征在于，所述前处理包括厌氧和兼性厌氧反应，实现部分污染物降解，沉降水体中的悬浮物；

所述污水处理单元对经前处理的污水进行物理吸附、厌氧-兼性厌氧-好氧微生物净化，同时可在污水处理单元所对应的地表进行种植或畜牧。

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