CN1230387C - 生物过滤器的改进 - Google Patents

Abstract

一种用于生物过滤的滤床支撑结构，其中过滤床包括一个固体床体，在床体中进行不同的降解阶段，从床体表面的原未处理的有机材料到形成床体的完全降解的腐殖质，有机体不会使该床体堵塞，支撑结构包括一个三维的腐殖质基体栅。

Description

生物过滤器的改进

发明背景

本发明涉及一种用于废水和固体有机废料的改进的生物过滤器，更具体地说，使用一种装置实现过滤。

本发明涉及到的这种生物过滤器属于申请人所拥有的一系列专利的主题，具有代表性的是美国专利US5,633,163。该生物过滤器是在固体床中通过多个不同的降解过程同时进行废水处理和固体有机废料的处理，将添加到床体表面的原未处理有机废料转变成完全降解的腐殖质，这些腐殖质具有过滤活性，形成床体。由于床体中含有选自蠕虫、昆虫、甲壳类、小虫等的有机体，有机体在过滤基体中形成很多小孔，从而避免床体堵塞。腐殖质基体柱实际上是一个”有形的水柱”，氧气仍然能够透过基体柱。腐殖质基体大约含有10％(体积)的固体，余下的主要是填充水的空隙。

以上提到的生物过滤器的限制之一是床体表面积决定着在一长时间内均匀地加入的废水量，处理能力取决于床体的高度和体积以及水在床体中的水利停留时间。然而，床体的高度不能超过某一限制，否则床体自身的重量将会压碎床体底层的基体，破坏基体的孔隙，从而导致堵塞。

限制之二是床体表层是生物活性极强并且明显不同的区域，在这个区域进行的生物降解最迅速。但是随着基体深度的增加，有机体种群密度以及种类多样性都降低了。因此，生物过滤器的表面积限制了加入到生物滤床中的废水量或高固体含量的泥浆量，失效模式涉及到渗入到床体中的空气和水的容量。

限制之三是腐殖质基体所处理的废水需要去除溶解的和悬浮的有机物，在向床体中加入高流量的废水时，由于在床体中产生管道流冲刷床体从而增加了滤出液中的悬浮物浓度，导致废水的停留时间变短，因此不利于废水的处理。

生物过滤器的限制之四是系统的生物活性易受溢流或长期溢流的影响。如果系统中成熟的有机体种群被淹死，要恢复就需要花几周的时间并且需要再接种。对于偏远装置就需要花费很大的费用，并且后勤也是一问题。

发明目的

本发明的一个目的在于提供一种改进的生物过滤器，其能够克服或至少减少以上提到的限制。

发明概述

本发明提供一种以上所述的生物过滤器，其改进在于在一个三维的腐殖质基体支撑栅中形成过滤床并且由其支撑。

发明详细说明

优选地，由一个三维结构的支撑框形成腐殖质支撑栅，其由任何一种惰性固体材料制成，包括塑料材料，金属材料，合成材料和烧结的天然产品以及其组合材料。可以选择腐殖质基体支撑栅的结构，从而使曝露的腐殖质基体的水平表面积与床体表面积的比值尽可能达到最大，而且腐殖质基体体积与床体体积比值也尽可能地达到最大。

这种床体结构由许多离散的但内部连接的基体床构成，当向床体顶部加入过多的流出物或泥浆时，过多的部分将会溢流到位于床体下部的其它腐殖质基体的表面上，因此采用这种结构能够解决以上提到的水力表面超载的问题。如果本发明的床体形成在一规定尺寸的容器中，就可以形成高体积的腐殖质基体床，不会出现由于腐殖质基体的机械问题以及腐殖质基体内的内孔隙损失而形成内部堵塞。除此之外，形成生物过滤器床体的腐殖质基体具有能够吸收和容纳水的容量，使其与腐殖质基体的表面接触，腐殖质基体象海绵一样，吸收游离水然后在重力作用下排出水。在这个方法中涉及到的水力可交换体积约为床体体积的5-10％，这就意味着床体体积越大，处理能力越大。由于能够形成大体积的腐殖质基体并且不会倒塌，因此对于给定的水力流速和容器尺寸，提高了处理能力，同时也增强了该工艺的可靠性。

对于本领域的技术人员来说可以清楚看出，将离散但内部互相连接的床体表面竖直设置在一腐殖质基体支撑栅的床体中，在不扩大容器的表面积的情况下，可以有效地提高生物过滤器的曝气表面积、通风性能、排水性能、生物活性以及稳定的体积。然而，对于本发明来说并不是必需一定构造的容器，原因是腐殖质基体支撑栅可以同样容易地制成可叠置堆放的部件，从而形成一种能够直接填盖在柔韧性膜中或堆叠在池或室内的独立式结构。在其它公知的处理系统中，池子的成本升高至材料成本的50％，与此相比，本发明可以大大降低构成容器的成本。

以上提到的腐殖质基体支撑栅可以制成很多不同的外形，包括松散孔支撑聚集体、装入网袋中形成可塑的半刚性叠放部件的孔支撑聚集体的自由设置，或者是刚性格栅组件的叠放设置。松散孔支撑聚集体的结构应该能够实现：

1、能够支撑大量的占据总体积的腐殖质。

2、创造腐殖质基体表面积与体积之比。

3、提供床体内的常设流动通道，从而使过多的污水迅速流过床体。

4、具有格栅功能从而防止粗大固体物流到床下的污水存储区域。

这些部件可以设计成任何自由形式，但是如果将其松散设置形成床体，需要将离散和自由的装置包容在有墙的硬质容器的范围之内。然而这一容器不限于任何特定的形状，因此可以采取任何需要的形状和尺寸，在特殊情况下，要求提高有机固体和废水的需氧处理效率。

适用的离散支撑部件包括不规则的塑料材料片，陶瓷片等。特别优选的是波形农业塑料排水管，将其切成大约等于管径的离散长度，并且将其自由地放置在容器内。

这种将离散支撑部件自由地放置在一特定容器内所形成的块状腐殖质基体，一个缺点是很难使床体成形从而使其具有特殊的功能，如在床体中形成空气通道，水流缓冲器，排水区或出水存储区。其使用必须限定于在侧部和底部由其它结构的部件支撑的水平床。第二个缺点是很难从容器中去除所有的或部分腐殖质基体床。要解决这个问题必须利用块状操作装置，如阴沟排水器或人工用铲和袋等。解决这些问题的新方法是使床体成为一人能容易操作的离散叠置部件。

将孔支撑聚集体放置在开口网袋中，就可以容易地进行人工操作，并且堆成小堆，或者将其放置入任何形状的容器中形成一腐殖质支撑栅处理床，其具有以下优点：

1.构成成本低。

2.不需要特定的块状操作设备，容易服务。

3.该结构形成功能空间。

4.该结构具有不同的处理区域，从而提高处理性能。

刚性叠置格栅部件最好设置成与另一个格栅部件装配或联锁，从而构成一个无容器的装置。最适用的结构是格栅。在这一结构中，支撑腐殖质基体的一定结构的框架包括有一定结构的格栅部件，将其分散且有条理地装配或联锁在一起，形成一个具有足够硬度的整体式支撑栅，从而将其与轻质塑料衬里排成一排直接埋在土壤中不倒塌或浮动，形成一完整结构。

这种类型的格栅部件理想地应该是可以利用挤压或注射塑法进行模塑，其中含有尽可能低的所需材料成分，从而提供一种使用或运输中所需要的结构强度。这些部件理想地应该是制成相同的模件，可以套装成适用于运输的小型结构，并且在一地点装配成大体积高强度的支撑栅结构。这种方案的另一个优点是可以对格栅部件进行设置或切割从而在整个安装的结构中形成希望的功能空间，如入水流动，水流分布，抽水井，固体收集，原有机废物沉淀/分布，空气流动，排水和出水存储。明显的优点是这些功能空间和支撑结构是在缺少材料的情况所具有的，而正常情况下这些所需要的功能空间和支撑结构只有由特殊的材料构造才能产生，因此节省材料从而降低成本。

离散支撑部件和框架模件具有开孔，从而使空气、水和固体材料流入流出床体部件和模件。开孔的尺寸应该能够限制固体在床体部件或模件中的停留时间。理想的情况是在床体中保持稳定的平衡，从而使定期内加到床体中的固体的体积等于在该期间内由床体部件和模件流出的固体量和代谢的固体量。为了实现这一目的，床体的面积应该足够大，而且还应有一个控制床基体体积的机构，也就是累积变动和流出变动。这可以达到所希望的目的：

1、提供一种支撑框架微结构和定量供水系统，从而使腐殖质在一定时间内附着在床体内。

2、控制床体中固体物质的去除/流出，不使床体的微孔排水空间/通风空间填满，从而限制床体的通风或形成不良排水阻止不能迅速被腐殖质基质水力吸收的水流分流。

3、可以使细小的固体保留在床基体中或者流出床基体，在超时情况下也不能填满腐殖质基体内的细孔，从而形成带有很小的或不大的孔隙的密集基体。

4、可以容易地去除累积过多的固体物质，从而使其符合需要实现最佳运行。

为了提高悬浮有机物的去除率，减少管道流，并且有利于腐殖质在腐殖质基体中累积，所采取的措施包括：

1、在床体内尤其是在易操作的上层设置波动缓冲器、波动流储槽。

2、在床体内设置部分流动隔板，从而防止竖向管道流和水平管道流。

3、对于储存的污水实行机械定量供应，其中一部分足够剂量的污水通过孔道流到床体上部，而不流过腐殖质基体，从而防止管道流。

如果污水慢慢地流过基体床，床体结构就不会扰动或受损，而且捕集腐殖质并且将其附着在床体中，通过生物过滤生态系统中的有机体的降解作用，形成稳定的聚集体。缓流还可以有利于污水流入或流出腐殖质基体从而进行很好的交换。

采用大流量供水从而故意制造管道流状态，这样就可以使固体物质从腐殖质基体中流出。

预防床体周围表面的累积所采取的措施是在每一个床体模件的表面或侧面上使原本受控的剥离表面流动发生，但是要充分地保护床体表面，使腐殖质保持在一长期保持的标准，预防腐殖质剥离在这一标准之下。产生这种剥离流的方法是将加入到床体中的原水峰值流量分流，从而在支撑的腐殖质基体表面上产生剥离流。支撑框架的构造可以使表面的内在稳定性保持在一限定的范围之内，如同树根起保护作用使冲刷性洪水流流到河岸的土壤中，但是可以将树根栅网上的物质冲洗掉。如同塑料网一样的多孔网具有这种稳定功能。积累在塑料网层上的材料可以冲洗剥离掉，位于其下的腐殖质基体在某种程度上受到保护。由于这是装置本身具备的功能，所以模件或床体表面上的流动必须受到控制。通过将模件表面制成离散的斜面就可以实现表面的流动受控。腐殖质基体饱和渗透率对斜面起决定作用，斜面的坡度应该足够的大，从而在腐殖质基体饱和时添加的其它污水流出床体，而不是迫使流过腐殖质基体的大孔。能够实现这一目的任何斜面都可以接受。由于不希望床体表面上过多的水向下流动并且通过沉淀积累细小颗粒，而是迅速将水排掉，因此模件可以制成向相反的方面倾斜的斜表面和斜底面，从而将格栅装配在一起形成稳定的竖直结构，其中底部的模件的上表面为斜面，底面为平面，从而可以将整个的模件叠加在一水平表面上，从进水口到底部模件形成之字形转弯溢流通道。这种使出水形成流动通道的斜表面所具有的其它优点是污水能够均匀地弄湿腐殖质基体的整个表面。所形成的表面自然地将污水分散在整个表面上，而不是集中流动。这种分散效果就可以将原污水排放在床体上的一点上，然后以适当的水量均匀地分散在整个床体的表面上。

机械定量供水

如果在污水峰期时通过以上所述的被动定量供水部件供应的污水，腐殖质基体体积不足以吸附，部分污水就流过整个断裂表面，并且累积在池底的存储区域，这里可以利用一个小泵机械地以最优剂量机械地将污水返回，从而使污水流过整个床体的基体，从而保证在床体中的最大停留时间。定量供水的体积必须足以使腐殖质基体达到最大容水量。定量供水必须定时，以保证在定量供应期间空气能够再进入腐殖质基体的细孔隙中，从而防止在腐殖质基体中产生厌氧条件。定量供水可以采用电子控制。理想情况下，控制器可以具有固定的逻辑电路，优化供水次数，从而补偿通过存储容器中的简单的水位传感装置来改变水力负荷所带来的缺陷。即使床的体积足以吸附水流，如果系统的出水的水质要求较高，机械定量供水也还有优势。

除氮

由于环境方面的原因，有时希望去除水中的氮。在许多废水处理的申请中，比如采用反硝化砂滤器和从废水中生物除氮的活性污泥厂，将含有氧化氮(硝酸盐和亚硝酸盐)的污水流过缺氧区域，缺氧区域中含有高浓度的溶解碳。微生物有机体从释放氮气的氧化氮化合物中吸收氧气对溶解碳进行新陈代谢，氮气可以无害地排入空气中。按照这种方式可以降低出水中的总氮量。将受控的定量供水供应到生物过滤器的有机固体沉降区中或其下的高浓度COD区域中，从而在生物过滤系统中实现除氮。硝化出水的再循环在这里具有一定的价值。

悬浮介质救生筏

以上已经讨论了利用孔支撑聚集体床部件来支撑腐殖质基体防止倒塌，在生物过滤器中，对负责用腐殖质基体构成高效的过滤介质并且保存这一结构的有机体加以保护从而避免水溢流时突然淹死，这一点非常重要。如果有机体上移的速率比水位上移的速率快，有机体就会聚集在床体表面。孔支撑聚集体床部件可以使成熟的有机体向上迁移。带有一点空气的稳定腐殖质基体稍微比水重，因此被升起的水浸没。表面层有时是漂浮的，这取决于加入床体中的作为有机固体的纸和其它纤维材料的量以及附带的空气量。有时候在发生溢流时这一现象可以保护许多无脊椎动物，但并不是一直都能保护。建议孔支撑聚集体床部件使用耐用的漂浮塑料或泡沫作为腐殖质基体支撑栅材料，从而在发生溢流时，自由介质断裂床的上部分能够不定期地形成一个稳定的救生筏，因为淹没的容器在床体表面下没有设置意外事故的溢流排水管。

附图详细说明

附图1说明了在一个化粪池中设置的本发明的三维腐殖质基体支撑栅的横截面图。

优选实施例说明

参照附图，腐殖质基体支撑栅构成的床式生物过滤器包括一个带有进水口2和渗滤液出口3的普通的化粪池1。在池底部区域中的槽中设置一个潜水泵4，在上部区域11中设置一个溢流管。

化粪池包括有两种支撑栅床体部件。一种是能够增加水的停留时间并且能够实现过滤的腐殖质基体部件5，另一种是设置在床体上部进行排水和通风的排水基体部件6。部件5和6通过剪切柔性皱折塑料排水管并且将其装入许多开孔袋中，可以将其与腐殖质或其替代物如泥煤一起放入袋中形成腐殖质基体部件5，也可以不放入腐殖质或其替代物形成排水基体部件6。

在池底形成一层排水基体部件6，在其上有几层腐殖质基体层，每层腐殖质基体层都设置于一块地织物流动隔板7上，从而减少管道流，收集悬浮固体，并且有利于污水基体更好的交换。

在上表面层上放置一个孔径为1-2mm的塑料织物格栅层8，从而截留污水中粗大固体物质，防止塑料袋和其它污染物进入腐殖质基体支撑栅的床体中。利用这一格栅层可以迅速截留峰值流量时污水中的粗大固体物质，并且在污水慢慢渗过支撑栅床体之前迂回到位于池顶的波动缓冲槽9中。

将地织物层与溢流区域的腐殖质基体部件和排水基体部件一起放置在波动槽区域中，就可以在上层形成波动缓冲槽9，从而形成带有可透墙的波动池，在波动池中利用蠕虫和其它的无脊椎动物的降解作用可以不断地使孔隙再生。

从这个波动缓冲槽9中流出的污水首先流入第二波动缓冲槽10中，然后竖直流过水平放置的微细地织物层，再水平流过腐殖质基体部件5。重复进行这种流动模式几次后，过滤后的水最后流入储存槽中，要么循环到床体的上部区域，要么通过出水口3作为滤出液排放。

地织物流动隔板7不是完整的隔板，而是切成水平表面积小于容器的水平表面积，嵌入容器中，从而仅覆盖容器表面的约7/8。隔板并置，从而延长污水的流动路径，在此过程中，污水由半渗透地织物层引入，从一个地织物层水平流出，然后出水排到与溢流堰边缘具有一定距离的另一个地织物层上。

这种结构可以使整个床体进行无阻碍的排水和通风，并且减少了管道流。

本发明不仅能够克服说明书前序部分所提的限制，而且还具有以下优点。它们是：

1、处理能力与常用的处理技术相比，至少高10倍。

2、在普通的化粪池中进行单通道处理，出水达二级处理标准。

3、整个床体具有极高的无源氧交换能力。

Claims (16)

1.用于处理废水和固体有机废料的生物过滤系统，所述生物过滤系统包括包含腐殖质基体的过滤床，其中的腐殖质基体用下列活的生物体接种：蠕虫、昆虫、甲壳类动物和螨或者其组合，该过滤床的腐殖质基体在三维栅中形成并由其支撑；其中所述的三维栅包括自由设置的松散的开孔支撑聚集体，和废水和固体有机废料加到过滤床的上表面。

2.如权利要求1所述的生物过滤系统，其中所述的三维栅具有使腐殖质基体暴露的水平表面积与床体表面积之比和腐殖质基体体积与床体积之比尽可能大的结构。

3.如权利要求1所述的生物过滤系统，其中所述的三维栅由选自下列的材料形成：塑料材料、金属、合成材料、烧结的天然产品及其组合。

4.如权利要求3所述的生物过滤系统，其中所述的三维栅由塑料材料形成。

5.如权利要求1所述的生物过滤系统，其中所述的松散的开孔支撑聚集体包括波形塑料排水管部分，该排水管部分被切成基本上等于管径的离散长度。

6.如权利要求5所述的生物过滤系统，其中所述的波形塑料排水管的切分部分装在网袋中。

7.如权利要求4所述的生物过滤系统，其中所述的三维栅包括可叠放的模制塑料或合成的格栅部件。

8.如权利要求6所述的生物过滤系统，其中所述的三维栅包括许多联锁的格栅部件。

9.如权利要求7所述的生物过滤系统，其中所述的生物过滤系统安装在地下，当格栅部件与塑料衬里排成一行时，该格栅部件的结构具有足够的强度使其整个组合埋在土壤中不倒塌或不浮动。

10.如权利要求8所述的生物过滤系统，其中所述的联锁的格栅部件竖直叠放，并且每一个格栅部件的表面倾斜。

11.如权利要求10所述的生物过滤系统，其中所述格栅部件的表面倾斜使在腐殖质基体饱和时再加入的任何污水优先流过腐殖质基体的较大孔，从而流出床。

12.如权利要求10所述的生物过滤系统，其中所述的联锁的格栅部件叠放在水平表面上时，从其上部污水入口到过滤床底部形成“之”字形溢流通道。

13.如权利要求12所述的生物过滤系统，其中所述的格栅部件形成包含过滤床的整体结构，而不需要单独的容器。

14.如权利要求1所述的生物过滤系统，其还包括水平放置的半透性水流控制隔板，其夹在三维栅的部件之间。

15.如权利要求14所述的生物过滤系统，其中所述的水流控制隔板覆盖了过滤床的三分之二到八分之七。

16.如权利要求1所述的生物过滤系统，其中所述的三维栅包括漂浮的开孔支撑聚集体以使上层床漂浮。