申請日2013.07.31
公開(公告)日2013.11.20
IPC分類號C02F9/14
摘要
一種生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，包括沿坡地坡度從上至下依次設(shè)置的格柵池⑵、厭氧水解池⑷和階梯式土地滲濾單元，所述格柵池⑵與溝渠⑴相連通，所述階梯式土地滲濾單元包括多級護坡滲透床⑸，所述護坡滲透床⑸內(nèi)部填充有濾料⑺，護坡滲透床⑸上培植有濕生植物群落⑼，相鄰護坡滲透床⑸之間設(shè)置有用于對滲濾速度、水力停留時間、濾層內(nèi)環(huán)境和出水方式進行控制的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件⑹。其優(yōu)點是：耐受農(nóng)村污水水質(zhì)水量沖擊;復(fù)氧能力旺盛不易堵塞;強化脫氮除磷效果;綠色節(jié)能經(jīng)濟可行;具備優(yōu)良水利和生態(tài)價值。
權(quán)利要求書
1.一種生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：包括沿坡地坡度從上至下依次設(shè)置的格柵池⑵、厭氧水解池⑷和階梯式土地滲濾單元，所述格柵池⑵與溝渠⑴相連通，所述階梯式土地滲濾單元包括多級護坡滲透床⑸，所述護坡滲透床⑸內(nèi)部填充有濾料⑺，護坡滲透床⑸上培植有濕生植物群落⑼，相鄰護坡滲透床⑸之間設(shè)置有用于對滲濾速度、水力停留時間、濾層內(nèi)環(huán)境和出水方式進行控制的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件⑹。
2.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述模態(tài)轉(zhuǎn)換組件⑹，包括倒T形管⑾，所述倒T形管⑾下端一接口位于上一級護坡滲透床⑸內(nèi)，所述倒T形管⑾下端另一接口位于下一級護坡滲透床⑸上方形成低位出水口⑿，所述倒T形管⑾頂端接口位于下一級護坡滲透床⑸上方形成高位出水口⒀，所述高位出水口⒀下部設(shè)有溢流堰水槽⒁，溢流堰水槽⒁外部設(shè)有V形三角布水堰口⒂;所述低位出水口⑿末端設(shè)置有模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門⒃。
3.如權(quán)利要求2所述的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述V形三角布水堰口⒂的橫截面為V形，V形三角布水堰口⒂的入水側(cè)為矩形堰，V形三角布水堰口⒂的出水側(cè)為連續(xù)設(shè)置的三角堰。
4.如權(quán)利要求2或3所述的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述V形三角布水堰口⒂距離下一級護坡滲透床⑸的垂直高度大于30cm。
5.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述護坡滲透床⑸的厚度為30-100cm。
6.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述護坡滲透床⑸的基床沿水流方向的坡度為0.3-3%。
7.利用權(quán)利要求1-6任一項所述的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)的土地滲濾方法，包含如下步驟：
①經(jīng)過生態(tài)溝渠或地表漫流收集的面源污水首先進入坡地上端的格柵池濾除垃圾和大顆粒懸浮物，出水直接流入?yún)捬跛獬厝コ腆w懸浮物和部分生化需氧量，同時穩(wěn)定水質(zhì);
②經(jīng)步驟①預(yù)處理的出水通過溢流堰進入階梯式土地滲濾單元，通過生態(tài)濾層的跌水曝氧、吸附截留、微生物的降解利用和濕生植物群落的吸收轉(zhuǎn)化去除大部分生化需氧量、固體懸浮物和病原微生物，尤其是通過多級護坡滲透床之間的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件實現(xiàn)對氮磷的有效去除;
③經(jīng)步驟②土地滲濾的出水由溢流堰排出，經(jīng)過氮磷回用口用于農(nóng)田灌溉，或者通過濕地或滴濾系統(tǒng)進行深度處理，出水排入天然水體。
說明書
一種生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種應(yīng)用于丘陵地區(qū)及山區(qū)的農(nóng)村面源污染控制與污水集中處理或其他適宜的污水處理的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法。
背景技術(shù)
我國從20世紀80年代開始進行污水點源污染的集中治理，迄今經(jīng)過30年的發(fā)展和完善，我國的污水點源污染已經(jīng)得到基本控制，尤其是在城市和工業(yè)區(qū)。然而相對的，近十年以來我國的江河湖泊水質(zhì)仍然較不理想，針對各個受污染水體的治理耗費了大量財力人力卻仍不見持久的明顯的效果，其根本原因就在于面源污染控制的薄弱。
我國農(nóng)業(yè)地區(qū)占國土面積的8%以上，且多位于較發(fā)達的水系水網(wǎng)區(qū)域，這些水網(wǎng)水系流域范圍占了國土面積的35%左右，由于我國屬于多山的國家，農(nóng)業(yè)地區(qū)中有50%以上都位于丘陵及山區(qū)，一旦該地區(qū)面源污染大量通過農(nóng)田排水、雨水徑流進入上游水系，勢必會迅速擴散到流域全境。而在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，氮肥磷肥的使用現(xiàn)階段仍然缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，雖然我國耕地面積僅占全球的10%，氮磷肥使用量卻占全球30%。灌溉、降雨和地表徑流會帶走大量的小顆粒、水溶性營養(yǎng)物質(zhì)、各種病原微生物和垃圾，被水流攜帶進入地表徑流繼而進入各種水體的營養(yǎng)物質(zhì)不僅加劇了水土的養(yǎng)分流失，還會導(dǎo)致嚴重的水體富營養(yǎng)化，從地處內(nèi)陸高原的滇池到平原地區(qū)的洞庭湖、鄱陽湖，再到沿海地區(qū)的近海區(qū)域都面臨嚴峻的富營養(yǎng)化危機。到2012年，我國沿海及內(nèi)地的15個省區(qū)市都已經(jīng)處于面源污染高風險地區(qū)，嚴重的富營養(yǎng)化現(xiàn)象不僅降低了水體健康性，打破了生態(tài)平衡，還會影響到水系區(qū)域內(nèi)民眾的健康和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的正常進行。從長遠來看，面源污染導(dǎo)致的一系列惡果會對我國、對外農(nóng)業(yè)貿(mào)易、民眾生活水平乃至經(jīng)濟發(fā)展造成不良影響，在“十八大”提出的建設(shè)生態(tài)文明理念就包括了對面源污染控制的重視。
相比于城鎮(zhèn)地區(qū)污水處理，鄉(xiāng)村地區(qū)經(jīng)濟條件有限，污水源頭分散，水質(zhì)水量波動很大，因此很難使用常規(guī)而高耗能的污水厭氧-缺氧-好氧處理工藝(Anaerobic-Anoxic-Oxic，簡稱A2/O)、序批式活性污泥反應(yīng)器(Sequencing batch reactor，簡稱SBR)工藝。目前控制面源污染的技術(shù)主要包括三個方面：氮磷源頭攔截、中段控制和末端處理。由于農(nóng)業(yè)地區(qū)面積寬廣地形復(fù)雜和經(jīng)濟條件限制，在中段對氮磷進行去除難以進行，因此得到重視和發(fā)展的是源頭攔截和末端處理。其中源頭攔截技術(shù)主要是指在氮磷產(chǎn)生區(qū)域進行攔截和和回用，主要技術(shù)包括生態(tài)溝渠、草溝、生態(tài)塘、人工濕地和土地滲濾等，而末端處理則主要指在富氮磷污水進入徑流和水體之前進行截留和處理，主要技術(shù)手段包括前置庫、植被緩沖帶、生態(tài)透水壩等。
其中，作為一種比較古老的污水處理工藝，土地滲濾常用于農(nóng)村地區(qū)污水處理中，尤其是在西方國家。據(jù)調(diào)查在美國農(nóng)村各種形式的土地滲濾裝置普及率達到了63%，而瑞典更是達到了80%，德國、加拿大等國也有大量穩(wěn)定的土地滲濾設(shè)施在運行。土地滲濾主要包括慢速滲濾系統(tǒng)、快速滲濾系統(tǒng)、地表漫流系統(tǒng)、人工濕地系統(tǒng)和地下滲濾系統(tǒng)等，其中快速滲濾系統(tǒng)和地下滲濾系統(tǒng)比較常用，前者經(jīng)濟適用、抗水力負荷能力突出，但是面臨處理效率較低的限制;后者處理效率較高，環(huán)境條件適應(yīng)能力較強，但是面臨著堵塞、缺氧和濾料老化失效的問題。同樣的,目前我國常用的土地滲濾處理技術(shù)常常面臨包括濾料堵塞、基建維護費用、運行能耗高、環(huán)境景觀效果不佳的缺點。除此之外，普通的土地滲濾系統(tǒng)對氮磷的處理主要依靠濾料吸附而非轉(zhuǎn)化降解完成，在除磷時尤其明顯，因此本發(fā)明主要針對以下目標進行研發(fā)：(1)耐受農(nóng)村污水水質(zhì)水量沖擊;(2)復(fù)氧能力旺盛不易堵塞;(3)強化脫氮除磷效果;(4)綠色節(jié)能經(jīng)濟可行;(5)具備優(yōu)良水利和生態(tài)價值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法的目的在于提供一種低能耗、高效率的生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法，該系統(tǒng)適合我國農(nóng)村污水集中處理，具備泛用性、經(jīng)濟型、穩(wěn)定性和景觀性。
一種生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，包括沿坡地坡度從上至下依次設(shè)置的格柵池2、厭氧水解池4和階梯式土地滲濾單元，所述格柵池2與溝渠1相連通，所述階梯式土地滲濾單元包括多級護坡滲透床5，所述護坡滲透床5內(nèi)部填充有濾料7，護坡滲透床5上培植有濕生植物群落9，相鄰護坡滲透床5之間設(shè)置有用于對滲濾速度、水力停留時間、濾層內(nèi)環(huán)境和出水方式進行控制的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件6。
所述模態(tài)轉(zhuǎn)換組件6，包括倒T形管11，所述倒T形管11下端一接口位于上一級護坡滲透床5內(nèi)，所述倒T形管11下端另一接口位于下一級護坡滲透床5上方形成低位出水口12，所述倒T形管11頂端接口位于下一級護坡滲透床5上方形成高位出水口13，所述高位出水口13下部設(shè)有溢流堰水槽14，溢流堰水槽14外部設(shè)有V形三角布水堰口15;所述低位出水口12末端設(shè)置有模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門16。
所述V形三角布水堰口15的橫截面為V形，V形三角布水堰口15的入水側(cè)為矩形堰，V形三角布水堰口15的出水側(cè)為連續(xù)設(shè)置的三角堰。
所述V形三角布水堰口15距離下一級護坡滲透床5的垂直高度大于30cm。
所述護坡滲透床5的厚度為30-100cm。
所述護坡滲透床5的基床沿水流方向的坡度為0.3-3%。
本發(fā)明生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)前端設(shè)置超越管渠以保護系統(tǒng)免受暴雨和洪水沖擊。
本發(fā)明生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)末端設(shè)置氮磷回用接口10以便于實現(xiàn)氮磷回用。
一種生態(tài)護坡式污水土地滲濾方法，包含如下步驟：
①經(jīng)過生態(tài)溝渠或地表漫流收集的面源污水(包括前期雨水和生活污水)首先進入坡地上端的格柵池濾除垃圾和大顆粒懸浮物，出水直接流入?yún)捬跛獬厝コ腆w懸浮物和部分生化需氧量，同時穩(wěn)定水質(zhì);
②經(jīng)步驟①預(yù)處理的出水通過溢流堰進入階梯式土地滲濾單元，通過生態(tài)濾層的跌水曝氧、吸附截留、微生物的降解利用和濕生植物群落的吸收轉(zhuǎn)化去除大部分生化需氧量、固體懸浮物和病原微生物，尤其是通過多級護坡滲透床之間的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件實現(xiàn)對氮磷的有效去除;
③經(jīng)步驟②土地滲濾的出水由溢流堰排出，經(jīng)過氮磷回用口用于農(nóng)田灌溉，或者通過濕地或滴濾系統(tǒng)進行深度處理，出水排入天然水體。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：底端開口模式下污水由濾層底端的低位出水口直接流出，濾層水頭壓差增大，實現(xiàn)快速滲濾，通過濾層表面復(fù)氧和水位下降負壓增氧，濾層內(nèi)保持富氧狀態(tài)。此時濾料主要通過截留作用濾除大顆粒有機物，而后由濾料微生物好氧消化分解吸附的有機污染物，從而降低污水的生化需氧量和總氮、總磷，避免大顆粒污有機物堵塞濾層。在本階段中，濕生植物群落通過根系生態(tài)圈(根的吸收、呼吸，根瘤菌群和根生氮素微生物)實現(xiàn)硝化反應(yīng)，氮素以硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的形式被截留在跟際生態(tài)圈，同時濾層中的聚磷菌群落通過微生物代謝過程大量吸收粘附在菌膠團表面的PHA(磷聚合物)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)營養(yǎng)物質(zhì)從而完成磷的去除，同時為濾層內(nèi)的生物圈提供能量來源。
通過倒T形管頂端出水模式下，污水由高位出水口進入下一濾層，通過濾層進出水水頭差值變小，濾層內(nèi)進入慢速滲濾階段，通過跌水復(fù)氧和濾料表面復(fù)氧，由于污水停留后時間延長，在該模式下濾層內(nèi)處于貧氧狀態(tài)，濾料主要通過吸附作用截留較小顆粒的有機污染物，而后被濾料中的兼性厭氧微生物消化，實現(xiàn)生化需氧量的去除，同時會釋放部分已經(jīng)吸附還未吸收轉(zhuǎn)化的氮磷化合物。在本階段，濕生植物群落根系主要通過根系的根瘤菌、跟際生態(tài)圈中的反硝化菌群實現(xiàn)貧氧反硝化反應(yīng)，好氧階段累積的硝態(tài)氮被轉(zhuǎn)化為氮氣溢出濾層散逸，氮氣的散逸過程可以強化濾層中物質(zhì)與大氣物質(zhì)的交流。同時聚磷菌在貧氧狀態(tài)下生物活性受到抑制，開始超量釋放菌體內(nèi)的磷化合物，以PHA(磷聚合物)的形式附著在菌膠團表面，等待進入好氧條件下進行吸收轉(zhuǎn)化。該模式濾層出水進入溢流堰水槽14，通過V形三角布水堰口以水幕和滴濾的形式進入下一個濾層，污水在下降和進入濾層時通過氣液界面交換和沖擊分散實現(xiàn)復(fù)氧。
本發(fā)明的污水處理原理在于：通過滲濾模態(tài)的交換，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)富氧-貧氧-富氧-貧氧條件的交替作用，類似于城市污水處理廠的污水缺氧-好氧處理工藝和序批式活性污泥反應(yīng)器工藝，通過這樣的交替在同一個濾層反復(fù)實現(xiàn)去除生化需氧量，脫氮除磷，最終氮素散逸進入大氣，磷素則主要聚集于較高等的微生物(甲殼綱、蚯蚓等)和濕生植物群落中，通過定期收割植物即可實現(xiàn)磷素的最終處置。同時完整健康的生態(tài)圈可以實現(xiàn)病原微生物的有效去除，從而實現(xiàn)污水的處理過程。生態(tài)濾層數(shù)量越多，轉(zhuǎn)換周期越短，則該系統(tǒng)處理效果越好。
本發(fā)明生態(tài)護坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法的優(yōu)點是：
1. 本發(fā)明通過濾料表面自然復(fù)氧、跌水復(fù)氧、負壓復(fù)氧等多種方式實現(xiàn)污水復(fù)氧，保證生態(tài)濾層中氧含量充足，既保證了生化需氧量處理效果，還可以有效避免濾層堵塞;
2. 本發(fā)明通過多濾層的串聯(lián)和模態(tài)轉(zhuǎn)換組件實現(xiàn)了各濾層富氧-貧氧的交替轉(zhuǎn)換，可以有效強化氮磷去除效率，尤其是普通處理系統(tǒng)難以降解的磷素;
3. 通過控制模態(tài)轉(zhuǎn)換組件還可以有效控制濾層滲濾速度，在雨季或暴雨來臨時除了開啟超越管渠之外還可以增加快濾濾層數(shù)量實現(xiàn)對水量沖擊的有效應(yīng)對;在旱季中可以適當增加慢濾層數(shù)以應(yīng)對水量減少和水質(zhì)惡化;其中生態(tài)濾層濾料和濕生植物群落可以在長期浸沒或極端干旱狀態(tài)下保證正常生長;本發(fā)明對于農(nóng)村污水處理領(lǐng)域中常見的水量水質(zhì)沖擊變化有較強的耐受力;
4. 本發(fā)明建立在生態(tài)護坡的基礎(chǔ)上，階梯式土地滲濾單元本身可以作為坡地護坡，可以有效減少水土流失、山體滑坡、泥石流等災(zāi)害帶來的危害，保障民居群落經(jīng)濟財產(chǎn)的安全;如果建立在河湖塘渠的湖泊上還可以作為水利設(shè)施使用，同時具備污水源頭處理和保護區(qū)域水利安全的功能;
5. 本發(fā)明在構(gòu)建的生態(tài)護坡呈階梯狀，每個階層都種植濕生植物，通過濾層跌水、出水和植物群落的有機組合模擬出了“花園瀑布”式的景觀效果，同時通過結(jié)合植物群落和水流的光合作用和溫度濕度調(diào)蓄作用共同賦予了本系統(tǒng)巨大的生態(tài)景觀價值;
6. 本發(fā)明有效利用了丘陵地區(qū)民居和田地的高差，系統(tǒng)尾水既可流入收納水體，也可以自然流入田地、菜地中實現(xiàn)氮磷回用，既實現(xiàn)了資源回收也省去污水深度處理環(huán)節(jié);
7. 本發(fā)明利用坡地的天然地形減少了基建投入，同時在收集、處理、排放、回用過程中不依靠任何人造能源和動力，完全實現(xiàn)零能耗;在需要維修更換時也可以快速便捷地完成，最大程度的節(jié)省了經(jīng)濟投入，還可以通過產(chǎn)出綠色植物和生態(tài)觀感實現(xiàn)資源反哺。
