CN111484206A - 模拟自然环境生物污水处理*** - Google Patents

Abstract

模拟自然环境生物污水处理***，模拟完全封闭、无臭的植物园仿生自然生态环境，包括依次顺序连接的四级处理流程，其中第一级处理以初沉、格栅及平膜微滤去除SS、部分COD；第二级处理中安装生物网膜生物处理槽(21)，去除COD、BOD、SS、氨氮；第三级处理中安装基质—微生物—植物复合生态槽(31)，去除COD、BOD、总P、重金属和硝酸盐氮；第四级处理中安装吸附‑消毒‑杀菌处理槽(41)，采用触媒活性炭(411)和分子态次氯酸水杀菌、消毒，并进一步去除COD、硝酸盐氮；结构紧凑，显著减少占地面积，建造投资少，运行费用低，可以适应污染物浓度相对较高的污水，可以建造于城市中心，在水资源匮乏的地区，有效实施污水处理节能环保和可持续发展。

Description

模拟自然环境生物污水处理***

技术领域

本发明涉及废水或污水的多级处理技术或生物处理技术，尤其是模拟自然环境生物污水处理***。

背景技术

各类废水排放量大，组成复杂，有些浓度甚高，颜色深，有毒有害物含量多，特别是带苯环的有机物，苯胺、硝基苯、酚、蒽醌，一般要先采用吸附、过滤、混凝、催化氧化等进行预处理，排水的可生化性不高<0.35，不能直接进入曝气槽。

环境生物学是环境科学的一个分支，研究生物与受人类干预的环境之间相互作用的规律及其机理，环境生态学主要以人文社会和环境生态学方面国际社会广泛关注的“可持续发展的理念”、“环境保护与可持续发展战略问题”。

废水生物处理日益受到人们的重视，《设计技术》2010年第4期刊登袁翀发表《环境生物技术在污水处理中的应用评述》，重点阐述利用生物方法处理高浓度有机废水、难降解有机废水、生物脱氮除磷的应用现状和发展动向。

《建筑知识》2014(000),B05刊登《环境生物技术在污水处理中的应用》公开，环境生物学是近年来新兴的一门环境学与生物学的交叉学科，污水中的大部分有机物可以为微生物的生长繁殖提供碳源等营养物质，而有机物浓度的降低使得水质改善。近年来对于环境生物技术在污水处理中的应用技术研究非常多，根据微生物作用原理列举生物发酵、生物强化、生物反应等3项技术，并对微生物学在未来污水处理中的发展做了展望。

相关专利文献公开较少。

中国专利申请201811212714.3公开一种智能仿生生活污水处理***，结合农村污水特点，采用仿生学原理，运用智能化低能耗操作理念设计的针对农村生活污水处理，出水可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918–2002中一级B标准，优化模式可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918–2002中一级A标准；***可应用在广泛的农村分散地区。也可用于服务区，旅游区等景观地区。

中国专利申请201810818877.X公开一种仿生填料污水处理装置，属于污水处理设备领域，包括布水管、仿生填料、受水池、污水回流泵和固液分离池，在装置进水、出水、出泥口均设置有流量阀。仿生填料垂直布置在布水管与受水池之间，仿生填料70％～80％暴露在空气中，仿生填料中的生物膜通过布水管布水直接利用空气中的氧进行生化反应，节约了曝气运行成本；固液分离池与受水池相连建造，其中，受水池布置在地面上方，固液分离池部分在地面以下。

污水处理的生物法就是利用微生物新陈代谢功能，使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物被降解并转化为无害的物质，使污水得以净化。在城镇污水二级处理工艺中，一般以活性污泥法为主，尤其是日处理能力在20万m3以上的情况下。其他常用的二级处理工艺近年来还有氧化沟法、SBR法、AB法等。

自然生物处理法利用在自然条件下生长、繁殖的微生物处理污水，形成水体或土壤、微生物、植物组成的生态***，对污染物进行一系列的物理、化学和生物的净化。生态***可对污水中的营养物质充分利用，有利绿色植物生长，实现污水的资源化、无害化和稳定化。自然生物处理法工艺简单、费用低、效率高，是一种符合生态原理的污水处理方式；但容易受自然条件影响，占地较大。

现有技术中，传统污水处理厂缺陷较多，一般传统污水处理厂位于城市范围之外的大型产能集中型水泥建筑群，污水处理厂占地大、辅助设施多，污水处理设施普遍不美观、气味大，不具备生态服务功能；此外，集中型处理设施，从实际产生地，市内的居民以及商业区域将污水引至处理厂，同样使得污水的再利用不得不依靠资金密集支持，需要兴建大量管道网络等辅助设施。

发明内容

本发明的目的是提供模拟自然环境生物污水处理***，在水资源匮乏的地区，有效实施污水处理节能环保和可持续发展。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：模拟自然环境生物污水处理***，包括依次顺序连接的四级处理流程，其中第一级处理***以初沉、格栅及平膜微滤去除SS、部分COD；第二级处理***中安装生物网膜生物处理槽，去除COD、BOD、SS、氨氮；第三级处理***中安装基质—微生物—植物复合生态槽，去除COD、BOD、总P、重金属和硝酸盐氮；第四级处理***中安装吸附-消毒-杀菌处理槽，采用触媒活性炭和分子态次氯酸水杀菌、消毒，并进一步去除COD、硝酸盐氮；在工作时，第一级处理，污水由泵自动提升，经污水进口通过污水管道进入主机房室内，进入第一级处理***后，先进入初沉槽依次通过粗格栅和细格栅，进行粗细格栅过滤，然后进入室内的平膜微滤槽，初步除SS和有机物后，再引出至主机房室外进入第二级处理***，即进入生物网膜生物处理槽，与其中的生物膜进行充分接触，污染物被吸附并降解；由生物网膜生物处理槽出水经中间槽沉淀后，再进入基质-微生物-植物复合生态槽进入第三级处理***，在填料、基质、植物等共同作用下进一步分离去除有机物、氮和磷、重金属等成分，出水再进入第四级处理***，通过吸附-消毒-杀菌处理槽，净化后由排水口出水水质可达一级A标准排放，同时，由初沉槽、平膜微滤槽、生物网膜生物处理槽、中间槽和基质-微生物-植物复合生态槽底部排出的污泥通过污泥管道外排。

尤其是，包括通过污水管道依次顺序连接的四级处理***，其中第一级处理***中安装初沉槽和平膜微滤槽，初沉槽中安装粗格栅和细格栅，平膜微滤槽中安装金属过滤膜；第二级处理***中安装生物网膜生物处理槽，生物网膜生物处理槽中填充多孔性担体；第三级处理***中安装基质—微生物—植物复合生态槽，基质—微生物—植物复合生态槽前端填充基质同时主体填充填料，在填料顶部有水生植物，在基质—微生物—植物复合生态槽前后两端外分别安装进水管和集水管；第四级处理***中安装吸附-消毒-杀菌处理槽，吸附-消毒-杀菌处理槽内填充触媒活性炭并喷洒分子态弱酸性HOCl水；在生物网膜生物处理槽、基质-微生物-植物复合生态槽之间连接中间槽；平膜微滤槽内上部平铺金属过滤膜，在平膜微滤槽上部即金属过滤膜上侧安装清洗喷头，清洗喷头安装在行走机构上；生物网膜生物处理槽顶部为缩颈开口，生物网膜生物处理槽内填充多孔性担体，在生物网膜生物处理槽顶部开口处设置流水进口，生物网膜生物处理槽外壁上部开流水出口，生物网膜生物处理槽底部外壁有空气进口；第一级处理***安装在主机房室内；由初沉槽、平膜微滤槽、生物网膜生物处理槽、中间槽和基质-微生物-植物复合生态槽底部连接污泥管道；基质与填料之间竖立隔离墙，在隔离墙上均匀贯穿安装多个连通隔离墙两侧的布水管。多孔性担体，具有开放性孔洞结构，具有最大的比表面积；填料安装后***孔隙率不低于0.3；触媒活性炭以椰壳活性炭为基底，表面覆盖贵金属层，触媒活性炭颗粒为20～40目，比表面积不大于1000m²/g。初沉槽的底面高于平膜微滤槽的顶面，平膜微滤槽底面位于水平面或地面以上，生物网膜生物处理槽、基质-微生物-植物复合生态槽和吸附-消毒-杀菌处理槽的顶面分别高出水平面或地面以上1M，底面低于水平面或地面以下1M；中间槽顶面与水平面或地面平齐。

尤其是，在第一级处理中，污水经管网***汇集后，经粗格栅处理，粗格栅主要用来拦截污水中的大块漂浮物，以保证后续处理构筑物的正常运行及有效减轻处理负荷，为***的长期正常运行提供保证；然后，进入平膜微滤槽，平膜微滤槽设备的工作是含有悬浮物废水流入金属过滤膜平膜表面，水在重力作用下透过金属过滤膜平膜向下方渗透，同时悬浮物被金属过滤膜平膜表面拦截，在金属过滤膜平膜上方，清洗喷头随行走机构沿轨道移动，实现悬浮物清理和平膜清洗工作；金属过滤膜拦截悬浮物快速分离，重力流实现快速过滤，悬浮物不停留，平膜微滤实现连续进水+悬浮物直接分离过滤，快速实现悬浮物和水的分离；在第二级处理中，生物网膜生物处理槽以多孔性担体作为反应介质为核心的新型生物处理***，采用多孔性担体提高悬浮固体物拦截机会，因提供较大表面积作为微生物附着、增殖介质，可累积大量及特定族群的生物膜微生物，有助于达到去除包括COD、氨氮、总氮各种污染物；在第三级处理中，利用基质—微生物—植物复合生态槽的物理、化学和生物的三重协调作用，通过沉淀与过滤、吸附、离子交换、植物吸收、微生物转化与降解、沉淀析出和泥炭加积等作用去除污染物，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进植物生长并使其增产，能吸收二氧化碳释放氧气调节区域微气候，通过植物生物量生产固碳，阻滞沙尘、降低噪声；在第四级处理中，基质-微生物-植物复合生态槽填充触媒活性炭，触媒活性炭同时还是吸附材料，可吸附氧化污水中有机物、总氮；然后经喷洒一定浓度的分子态弱酸性HOCl水，处理后的污水得以杀菌消毒后排放；分子态弱酸性HOCl水生成技术是以改良之药剂混合技术生成高浓度、pH值6弱酸性的HOCl；触媒活性炭411是以椰壳活性炭为基底，覆盖有效贵金属成分，是具有吸附氧化特性的贵金属覆盖多孔活性炭催化剂，触媒活性炭颗粒20～40目，比表面积可达1000m²/g；用于降解废水中COD：吸附(10％)/氧化(90％)。

尤其是，在第二级处理中，生物网膜生物处理槽属于穴居型固定式生物处理技术，耐水力与空气冲刷，适用于微生物生长缓慢或低负荷生物处理***；生物网膜生物处理槽采用浮动床方式操作，适合处理低负荷，高流量的操作；生物网膜生物处理槽串接于基质—微生物—植物复合生态槽之前，去除污水中难分解有机物、氨氮、总氮。

尤其是，填料包括石灰石、矿渣、蛭石、沸石、砂石、高炉渣、页岩中的至少一种。

尤其是，选配水生植物要求包括：a)根系发达，输氧能力强；b)适合当地气候环境，优先选择本土植物；c)耐污能力强、去污效果好；d)具有抗冻、抗病害能力；e)具有一定经济价值；f)容易管理；g)有一定的景观效应。

尤其是，基质-微生物-植物复合生态槽所针对的污染物或环境影响主力因子主要为氮、磷、悬浮物(SS)、有机物(BOD、COD)、重金属等，基质-微生物-植物复合生态槽对此主要去除途径包括：1)悬浮物的去除：基质的过滤、污泥沉淀及根系附着来进一步完成悬浮物(SS)去除。为防止在基质-微生物-植物复合生态槽的进水管进水口附近发生堵塞，进水前应设置预处理设施，以降低总固体浓度，一般设置沉淀槽作为预处理设施即可；2)有机物的去除：微生物在具有巨大比表面积的土壤颗粒表面形成一层生物膜，当污水流经土壤颗粒表面时，不溶性的有机物通过基质的沉淀、过滤和吸附作用被截留，然后被微小生物利用；可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及微生物的代谢过程而被分解去除。因此，基质-微生物-植物复合生态槽对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果，污水中的大部分有机物最终被异养微生物转化为微生物体、CO₂、甲烷和水；3)氮、磷的去除：污水中的氮包括无机氮和有机氮，无机氮包括氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐，有机氮包括尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶，其去除途径包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。污水中的磷包括有机磷和无机磷，其去除途径主要包括微生物同化、基质吸附、水生植物吸收及污泥沉淀，其中以基质吸附及污泥沉淀为主；4)重金属的去除：金属离子去除机理主要有：水生植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，基质-微生物-植物复合生态槽对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用。

尤其是，第三级处理设计参数如下表：

设计参数	单位	复合生态***
			COD表面负荷N<sub>COD</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	≤16
水力负荷N<sub>q</sub>	L/m<sup>2</sup>·d	≤40
			TN表面负荷N<sub>TN</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	2.5-8
NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N表面负荷N<sub>NH</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	2-5
			TP表面负荷N<sub>TP</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	0.3-0.5
停留时间T	d	≥3
			池底坡度i	％	≥0.5
填料深度h	mm	700-1000

本发明的优点和效果：模拟完全封闭、无臭的植物园仿生自然生态环境，对污水进行生物净化，出水稳定，污水处理效果显著提高，结构紧凑，显著减少占地面积，建造投资少，运行费用低，可以适应污染物浓度相对较高的污水，甚至，可以建造于城市中心，应用广泛。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图。

图2为本发明实施例中平膜微滤槽结构示意图。

图3为本发明实施例中第二级处理***结构示意图。

图4为图3中第二级处理***中微生物截留在多孔性担体网状结构中示意图。

图5为本发明实施例中基质-微生物-植物复合生态槽平面结构示意图。

图6为本发明实施例中基质-微生物-植物复合生态槽垂直剖面示意图。

图7为本发明实施例中吸附-消毒-杀菌处理槽结构示意图。

图8为本发明实施例处理工艺示意图。

附图标记包括：主机房A、污水进口B、排水口C、污水管道D、污泥管道E、第一级处理***1、第二级处理***2、第三级处理***3、第四级处理***4、中间槽5、初沉槽11、粗格栅111、细格栅112、平膜微滤槽12、金属过滤膜121、清洗喷头122、行走机构123、生物网膜生物处理槽21、多孔性担体22、流水进口23、流水出口24、空气进口25、基质-微生物-植物复合生态槽31、基质311、填料312、水生植物313、进水管314、布水管315、集水管316、吸附-消毒-杀菌处理槽41、触媒活性炭411。

具体实施方式

本发明原理在于，生态学领域的最新研究突破，以及精密的水处理工程科研成果，为城市污水处理的模式创新创造条件；仿生技术和策略与环境生物自然净化原理在众多基础与工程科学领域取得重要发展，显示出良好的应用前景。

本发明通过借鉴和模仿自然界中生物材料多样的组成、精巧的结构、温和的形成过程以及强大的功能，设计制备多种高性能膜材料，并将其应用于水处理、气体分离、有机小分子液体混合物分离等环节。

本发明以模拟植物园的工程化管理生态***的方式，实现城市污水优化处理，与传统技术相比，在达到更好的处理效果的同时，还获得耗能低，占位小，无气味，无噪音，外观大方，并且与周围环境协调的技术优势。

与现有技术相比，本发明通过建构***自然仿生生态环境，充分发挥水生植物的多重生态功能，创造更多样化的污水生物处理流程，达到本发明处理污水的目的，并且形成可持续的景观生态***，这种可持续发展污水处理模式，尤其在人口密集，土地稀缺的地区，值得大范围推广实施。

本发明中，模拟自然环境生物污水处理***，包括依次顺序连接的四级处理流程，其中第一级处理***1以初沉、格栅及平膜微滤去除SS、部分COD；第二级处理***2中安装生物网膜生物处理槽21，去除COD、BOD、SS、氨氮；第三级处理***3中安装基质—微生物—植物复合生态槽31，去除COD、BOD、总P、重金属和硝酸盐氮；第四级处理***4中安装吸附-消毒-杀菌处理槽41，采用触媒活性炭411和分子态次氯酸水杀菌、消毒，并进一步去除COD、硝酸盐氮。

本发明在工作时，第一级处理，污水由泵自动提升，经污水进口B通过污水管道D进入主机房A室内，进入第一级处理***1后，先进入初沉槽11依次通过粗格栅111和细格栅112，进行粗细格栅过滤，然后进入室内的平膜微滤槽12，初步除SS和有机物后，再引出至主机房A室外进入第二级处理***2，即进入生物网膜生物处理槽21，与其中的生物膜进行充分接触，污染物被吸附并降解；由生物网膜生物处理槽21出水经中间槽5沉淀后，再进入基质-微生物-植物复合生态槽31进入第三级处理***3，在填料312、基质311、植物313等共同作用下进一步分离去除有机物、氮和磷、重金属等成分，出水再进入第四级处理***4，通过吸附-消毒-杀菌处理槽41，净化后由排水口C出水水质可达一级A标准排放，同时，由初沉槽11、平膜微滤槽12、生物网膜生物处理槽21、中间槽5和基质-微生物-植物复合生态槽31底部排出的污泥通过污泥管道E外排。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图2所示，在第一级处理中，污水经管网***汇集后，经粗格栅处理，粗格栅111主要用来拦截污水中的大块漂浮物，以保证后续处理构筑物的正常运行及有效减轻处理负荷，为***的长期正常运行提供保证。然后，如附图2所示，进入平膜微滤槽12，平膜微滤槽12设备的工作是含有悬浮物废水流入金属过滤膜121平膜表面，水在重力作用下透过金属过滤膜121平膜向下方渗透，同时悬浮物被金属过滤膜121平膜表面拦截，在金属过滤膜121平膜上方，清洗喷头122随行走机构123沿轨道移动，实现悬浮物清理和平膜清洗工作。金属过滤膜121拦截悬浮物快速分离，重力流实现快速过滤，悬浮物不停留，平膜微滤实现连续进水+悬浮物直接分离过滤技术特点，快速实现悬浮物和水的分离。

在第二级处理中，生物网膜生物处理槽21以多孔性担体22作为反应介质为核心的新型生物处理***，如附图4所示，采用多孔性担体22提高悬浮固体物拦截机会，因提供较大表面积作为微生物附着、增殖介质，可累积大量及特定族群的生物膜微生物，有助于达到去除包括COD、氨氮、总氮各种污染物的目的。

在第三级处理中，利用基质—微生物—植物复合生态槽31的物理、化学和生物的三重协调作用，通过沉淀与过滤、吸附、离子交换、植物吸收、微生物转化与降解、沉淀析出和泥炭加积等作用去除污染物，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进植物生长并使其增产，能吸收二氧化碳释放氧气调节区域微气候，通过植物生物量生产固碳，阻滞沙尘、降低噪声。

在第四级处理中，如附图7所示，基质-微生物-植物复合生态槽31填充触媒活性炭411，触媒活性炭411同时还是吸附材料，可吸附氧化污水中有机物、总氮等。然后经喷洒一定浓度的分子态弱酸性HOCl水，处理后的污水得以杀菌消毒后排放。分子态弱酸性HOCl水生成技术是以改良之药剂混合技术生成高浓度、pH值约6弱酸性的HOCl，该HOCl水与漂白水相比不产生三卤甲烷、氯气，氧化能力高于次氯酸钠20-30倍，弱酸性，安全性高、且不腐蚀金属，自然分解不残留，除菌力强且不产生抗药性，可精准控制残余次氯酸和余氯浓度，不会造成对后续生物处理的毒性。触媒活性炭411是以椰壳活性炭为基底，覆盖有效贵金属成分，是具有吸附氧化特性的贵金属覆盖多孔活性炭催化剂，触媒活性炭411颗粒大小约20～40目，比表面积可达1000m²/g。用于降解废水中COD：吸附(10％)/氧化(90％)。

前述中，如附图3所示，在第二级处理中，生物网膜生物处理槽21属于穴居型固定式生物处理技术，耐水力与空气冲刷，适用于微生物生长缓慢或低负荷生物处理***。生物网膜生物处理槽21顶部为缩颈开口，生物网膜生物处理槽21内填充多孔性担体22，在生物网膜生物处理槽21顶部开口处设置流水进口23，生物网膜生物处理槽21外壁上部开流水出口24，生物网膜生物处理槽21底部外壁有空气进口25。生物网膜生物处理槽21采用浮动床方式操作，具有高效率、高稳定性及操作简易等特点，尤其适合处理低负荷，高流量的操作。生物网膜生物处理槽21串接于基质—微生物—植物复合生态槽31之前，去除污水中难分解有机物、氨氮、总氮等。

前述中，如附图5和6所示，水面在基质—微生物—植物复合生态槽31的填料312表面以下，水流从进水管314沿基质311通过布水管315以水平渗透或垂直渗透形式通过填料312，在水床最低位运行向集水管316出水，床体表面种植处理性能好、成活率高的如芦苇等水生植物313，净化后的水体经集水管316收集，通过液位控制器出水，基质—微生物—植物复合生态槽31床底铺防防渗膜，可起到防渗作用，可防止污水污染地下水。污水在基质—微生物—植物复合生态槽31的内部流动，水位较深，它是利用填料表面生长的生物膜、丰富的水生植物313根系及表层土和填料312截留的作用来净化污水。由于水流在地表以下流动，具有保温性能好，处理效果受气候影响小，卫生条件较好的特点，水力负荷大和污染负荷大，对BOD、COD、SS、重金属等污染指标的去除效果好，出水水质稳定，不需适应期，占地小，且无恶臭和蚊蝇孳生。

前述中，在第三级处理中，基质-微生物-植物复合生态槽31中填料312的选择要求包括：应能为水生植物313和微生物提供良好的生长环境，并具有良好的透水性，填料312安装后***孔隙率不宜低于0.3，备选填料312包括石灰石、矿渣、蛭石、沸石、砂石、高炉渣、页岩等。据报道沸石对NH₄ ⁺-N具有较高的吸附功能，如采用沸石和石灰石的结合既考虑沸石对NH₄ ⁺-N的吸附、活化土壤中难溶性P及进行生物再生作用，又利用石灰石对P的高吸附特性，达到同时脱N除P的目的。

前述中，在第三级处理中，基质-微生物-植物复合生态槽31的水生植物313选配要求包括：选配水生植物313要求包括：a)根系发达，输氧能力强；b)适合当地气候环境，优先选择本土植物；c)耐污能力强、去污效果好；d)具有抗冻、抗病害能力；e)具有一定经济价值；f)容易管理；g)有一定的景观效应。

前述中，在第三级处理中，基质-微生物-植物复合生态槽31所针对的污染物或环境影响主力因子主要为氮、磷、悬浮物(SS)、有机物(BOD、COD)、重金属等，基质-微生物-植物复合生态槽31对此主要去除途径包括：

1)悬浮物的去除：基质的过滤、污泥沉淀及根系附着来进一步完成悬浮物(SS)去除。为防止在基质-微生物-植物复合生态槽31的进水管314进水口附近发生堵塞，进水前应设置预处理设施，以降低总固体浓度，一般设置沉淀槽作为预处理设施即可。

2)有机物的去除：微生物在具有巨大比表面积的土壤颗粒表面形成一层生物膜，当污水流经土壤颗粒表面时，不溶性的有机物通过基质的沉淀、过滤和吸附作用被截留，然后被微小生物利用；可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及微生物的代谢过程而被分解去除。因此，基质-微生物-植物复合生态槽31对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果，污水中的大部分有机物最终被异养微生物转化为微生物体、CO₂、甲烷和水。

3)氮、磷的去除：污水中的氮包括无机氮和有机氮，无机氮包括氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐，有机氮包括尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶，其去除途径包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。污水中的磷包括有机磷和无机磷，其去除途径主要包括微生物同化、基质吸附、水生植物313吸收及污泥沉淀，其中以基质311吸附及污泥沉淀为主。

4)重金属的去除：金属离子去除机理主要有：水生植物313的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，基质-微生物-植物复合生态槽31对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。

参照人工湿地设计，第三级处理或深度处理时主要设计参数如下表：

设计参数	单位	复合生态***
			COD表面负荷N<sub>COD</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	≤16
水力负荷N<sub>q</sub>	L/m<sup>2</sup>·d	≤40
			TN表面负荷N<sub>TN</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	2.5-8
NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N表面负荷N<sub>NH</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	2-5
			TP表面负荷N<sub>TP</sub>	g/m<sup>2</sup>·d	0.3-0.5
停留时间T	d	≥3
			槽底坡度i	％	≥0.5
填料深度h	mm	700-1000

本发明实施例中，污水的悬浮物(SS)的去除主要通过第一级处理粗细格栅、平膜微滤完成。

本发明实施例中，模拟自然环境生物污水处理***是一个高度稳定的***，能够适应进水废水负荷的意外波动，有效持续稳定地消除处理后外排水气味，保证排水品质。模拟自然环境生物污水处理***以独特的设计理念，提高美观体验，可以被放置在任何地方，甚至包括允许废水在靠近源头的地方进行处理而不影响周围的土地价值，显著降低基础设施成本。模拟自然环境生物污水处理***以较高效益的实现方式解决水资源短缺的挑战，使处理过的水能够在使用的地方附近回收，再生水可用于多种用途，包括灌溉、工业冷却过程、送水空调冷却塔、厕所冲洗或地下水补给等。

本发明实施例中，模拟自然环境生物污水处理***采用基于PC-PLC的过程控制***，集成了操作数据的采集、显示和存储，以及操作变量的输入和应用，通过自动分析和动态变化的运行剖面，无论是水力流量的变化、进水特性的变化还是天气条件的变化，都可以保持稳定的出水流量。模拟自然环境生物污水处理***的控制和管理，依赖于安装在该***中的传感器和探头收集的数据，废水流量用电磁计和水位指示器进行测量，而能耗的优化用与控制鼓风机的变速驱动器相连的溶解氧探头的数据进行管理，泵的容量控制是通过变速驱动和电磁或气动控制器来调节阀门实现，所有设备均由PLC控制，PLC通过反馈通道对***状态进行监控，并将其显示在应用程序中。

本发明实施例中，在第二级处理中，生物网膜生物处理槽21特别适用低浓度废水，在高水力负荷下操作，对环境变异的忍受性强，污泥固液分离简单，氧气利用效率高，操作成本低。所采用的多孔性担体22，具有开放性孔洞结构，有助于水流流况的稳定。多孔性担体22具有最大的比表面积，作为微生物附着、增殖的介质，可累积大量生物膜微生物，有助于达到去除各种污染物的目的。

本发明实施例中，在第三级处理中，水生植物313在复合生态***中的作用有：将景观水中的部分污染物作为自身生长的养料而被吸收；能够将某些有毒物质的重金属富集、转化、分解成无毒物质；根系生长有利于景观水均匀地分布在水生植物313床过水断面上，向根区输送氧气创造有利于微生物降解有机污染物的良好根区环境；增加或稳定土壤的透水性。常用的水生植物313有芦苇、香蒲、菖蒲、旱伞草、美人蕉、水葱、灯心草、水芹、茭白、黑麦草等。如果通过选择有效的水生植物313组合，能够对脱氮起到良好效果，如芦苇具有较强的输氧能力，菱白具有较强的吸收氮、磷的能力，将两种植物混种对TN和氨氮的去除率分别达到了60.6％和80.9％。

本发明实施例中，在第三级处理中，基质—微生物—植物复合生态槽31在污水净化工程中促进植物的生长，增加绿化面积，并能为动植物提供栖息地，有利于生物多样性的保护。水生植物313的存在有助于创造一个松散的生物膜结构，允许氧气渗透到固定在这些根结构上的生物膜的最深层，这种清洁水和松散结构的结合会产生高效的氧气传输速率，从而降低曝气要求，这是任何好氧处理过程中最耗能的部分。实现废水的资源化与无害化，可根据不同污染物类型以及当地自然条件，构建不同类型的基质—微生物—植物复合生态子***,模拟自然生态***的运作机理,更加有效地进行各类水污染处理。

本发明实施例中，在模拟自然环境生物污水处理***实际运行后，水生植物313被收割后可集中收集起来，用做生物质能原料便可实现仿生物污水处理***的再资源化利用，同时还有可能解决传统生物质发电的原料供应与农作物争地的矛盾问题。从理论上讲，仿生物污水处理***植物有与玉米秸秆等相近的热值，具有较高的纤维素含量和较低的木质素含量，可以通过沼气发酵、燃料乙醇技术、生物质固体成型燃料技术等加以利用，成为一种较具潜力的生物质能源原料。

本发明实施例中，作为一种较佳的实现方式，第一处理所需要的室内场地可以采用别墅建筑形式，界面友好与周围环境和谐融洽，基于较小的反应器体积、较低的悬浮固体和创造性的建筑设计要素有机结合在一起，其占地面积比活性污泥的设计要小60％，土地占用少，建筑成本大幅度低。

Claims (10)

1.模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，模拟自然环境生物污水处理***，包括依次顺序连接的四级处理流程，其中第一级处理***(1)以初沉、格栅及平膜微滤去除SS、部分COD；第二级处理***(2)中安装生物网膜生物处理槽(21)，去除COD、BOD、SS、氨氮；第三级处理***(3)中安装基质—微生物—植物复合生态槽(31)，去除COD、BOD、总P、重金属和硝酸盐氮；第四级处理***(4)中安装吸附-消毒-杀菌处理槽(41)，采用触媒活性炭(411)和分子态次氯酸水杀菌、消毒，并进一步去除COD、硝酸盐氮；在工作时，第一级处理，污水由泵自动提升，经污水进口(B)通过污水管道(D)进入主机房(A)室内，进入第一级处理***(1)后，先进入初沉槽(11)依次通过粗格栅(111)和细格栅(112)，进行粗细格栅过滤，然后进入室内的平膜微滤槽(12)，初步除SS和有机物后，再引出至主机房(A)室外进入第二级处理***(2)，即进入生物网膜生物处理槽(21)，与其中的生物膜进行充分接触，污染物被吸附并降解；由生物网膜生物处理槽(21)出水经中间槽(5)沉淀后，再进入基质-微生物-植物复合生态槽(31)进入第三级处理***(3)，在填料(312)、基质(311)、植物(313)共同作用下进一步分离去除有机物、氮和磷、重金属成分，出水再进入第四级处理***(4)，通过吸附-消毒-杀菌处理槽(41)，净化后由排水口(C)出水水质可达一级A标准排放，同时，由初沉槽(11)、平膜微滤槽(12)、生物网膜生物处理槽(21)、中间槽(5)和基质-微生物-植物复合生态槽(31)底部排出的污泥通过污泥管道(E)外排。

2.如权利要求1所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，包括通过污水管道(D)依次顺序连接的四级处理***，其中第一级处理***(1)中安装初沉槽(11)和平膜微滤槽(12)，初沉槽(11)中安装粗格栅(111)和细格栅(112)，平膜微滤槽(12)中安装金属过滤膜(121)；第二级处理***(2)中安装生物网膜生物处理槽(21)，生物网膜生物处理槽(21)中填充多孔性担体(22)；第三级处理***(3)中安装基质—微生物—植物复合生态槽(31)，基质—微生物—植物复合生态槽(31)前端填充基质(311)同时主体填充填料(312)，在填料(312)顶部有水生植物(313)，在基质—微生物—植物复合生态槽(31)前后两端外分别安装进水管(314)和集水管(316)；第四级处理***(4)中安装吸附-消毒-杀菌处理槽(41)，吸附-消毒-杀菌处理槽(41)内填充触媒活性炭(411)并喷洒分子态弱酸性HOCl水；在生物网膜生物处理槽(21)、基质-微生物-植物复合生态槽(31)之间连接中间槽(5)；平膜微滤槽(12)内上部平铺金属过滤膜(121)，在平膜微滤槽(12)上部即金属过滤膜(121)上侧安装清洗喷头(122)，清洗喷头(122)安装在行走机构(123)上；生物网膜生物处理槽(21)顶部为缩颈开口，生物网膜生物处理槽(21)内填充多孔性担体(22)，在生物网膜生物处理槽(21)顶部开口处设置流水进口(23)，生物网膜生物处理槽(21)外壁上部开流水出口(24)，生物网膜生物处理槽(21)底部外壁有空气进口(25)；第一级处理***(1)安装在主机房(A)室内；由初沉槽(11)、平膜微滤槽(12)、生物网膜生物处理槽(21)、中间槽(5)和基质-微生物-植物复合生态槽(31)底部连接污泥管道(E)；基质(311)与填料(312)之间竖立隔离墙，在隔离墙上均匀贯穿安装多个连通隔离墙两侧的布水管(315)。

3.如权利要求1所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，在第一级处理中，污水经管网***汇集后，经粗格栅处理，粗格栅(111)主要用来拦截污水中的大块漂浮物，以保证后续处理构筑物的正常运行及有效减轻处理负荷，为***的长期正常运行提供保证；然后，进入平膜微滤槽(12)，平膜微滤槽(12)设备的工作是含有悬浮物废水流入金属过滤膜(121)平膜表面，水在重力作用下透过金属过滤膜(121)平膜向下方渗透，同时悬浮物被金属过滤膜(121)平膜表面拦截，在金属过滤膜(121)平膜上方，清洗喷头(122)随行走机构(123)沿轨道移动，实现悬浮物清理和平膜清洗工作；金属过滤膜(121)拦截悬浮物快速分离，重力流实现快速过滤，悬浮物不停留，平膜微滤实现连续进水+悬浮物直接分离过滤，快速实现悬浮物和水的分离；在第二级处理中，生物网膜生物处理槽(21)以多孔性担体(22)作为反应介质为核心的新型生物处理***，采用多孔性担体(22)提高悬浮固体物拦截机会，因提供较大表面积作为微生物附着、增殖介质，可累积大量及特定族群的生物膜微生物，有助于达到去除包括COD、氨氮、总氮各种污染物；在第三级处理中，利用基质—微生物—植物复合生态槽(31)的物理、化学和生物的三重协调作用，通过沉淀与过滤、吸附、离子交换、植物吸收、微生物转化与降解、沉淀析出和泥炭加积等作用去除污染物，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进植物生长并使其增产，能吸收二氧化碳释放氧气调节区域微气候，通过植物生物量生产固碳，阻滞沙尘、降低噪声；在第四级处理中，基质-微生物-植物复合生态槽(31)填充触媒活性炭(411)，触媒活性炭(411)同时还是吸附材料，可吸附氧化污水中有机物、总氮；然后经喷洒一定浓度的分子态弱酸性HOCl水，处理后的污水得以杀菌消毒后排放；分子态弱酸性HOCl水生成技术是以改良之药剂混合技术生成高浓度、pH值约6弱酸性的HOCl；触媒活性炭(411)是以椰壳活性炭为基底，覆盖有效贵金属成分，是具有吸附氧化特性的贵金属覆盖多孔活性炭催化剂，触媒活性炭(411)颗粒20～40目，比表面积可达1000m²/g；用于降解废水中COD：吸附(10％)/氧化(90％)。

4.如权利要求1所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，在第二级处理中，生物网膜生物处理槽(21)属于穴居型固定式生物处理技术，耐水力与空气冲刷，适用于微生物生长缓慢或低负荷生物处理***；生物网膜生物处理槽(21)采用浮动床方式操作，适合处理低负荷，高流量的操作；生物网膜生物处理槽(21)串接于基质—微生物—植物复合生态槽(31)之前，去除污水中难分解有机物、氨氮、总氮。

5.如权利要求1所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，填料(312)包括石灰石、矿渣、蛭石、沸石、砂石、高炉渣、页岩中的至少一种。

6.如权利要求1所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，水生植物(313)选配要求包括：a)根系发达，输氧能力强；b)适合当地气候环境，优先选择本土植物；c)耐污能力强、去污效果好；d)具有抗冻、抗病害能力；e)具有一定经济价值；f)容易管理；g)有一定的景观效应。

7.如权利要求1所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，基质-微生物-植物复合生态槽(31)所针对的污染物或环境影响主力因子主要为氮、磷、悬浮物(SS)、有机物(BOD、COD)、重金属，基质-微生物-植物复合生态槽(31)对此主要去除途径包括：1)悬浮物的去除：基质的过滤、污泥沉淀及根系附着来进一步完成悬浮物(SS)去除；为防止在基质-微生物-植物复合生态槽(31)的进水管(314)进水口附近发生堵塞，进水前应设置预处理设施，以降低总固体浓度，一般设置沉淀槽作为预处理设施即可；2)有机物的去除：微生物在具有巨大比表面积的土壤颗粒表面形成一层生物膜，当污水流经土壤颗粒表面时，不溶性的有机物通过基质的沉淀、过滤和吸附作用被截留，然后被微小生物利用；可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及微生物的代谢过程而被分解去除；因此，基质-微生物-植物复合生态槽(31)对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果，污水中的大部分有机物最终被异养微生物转化为微生物体、CO₂、甲烷和水；3)氮、磷的去除：污水中的氮包括无机氮和有机氮，无机氮包括氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐，有机氮包括尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶，其去除途径包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用；污水中的磷包括有机磷和无机磷，其去除途径主要包括微生物同化、基质吸附、水生植物313吸收及污泥沉淀，其中以基质(311)吸附及污泥沉淀为主；4)重金属的去除：金属离子去除机理主要有：水生植物(313)的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，基质-微生物-植物复合生态槽(31)对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用。

8.如权利要求1所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，第三级处理设计参数如下表：

设计参数 单位 复合生态*** COD表面负荷N_COD g/m²·d ≤16 水力负荷N_q L/m²·d ≤40 TN表面负荷N_TN g/m²·d 2.5-8 NH₄⁺-N表面负荷N_NH g/m²·d 2-5 TP表面负荷N_TP g/m²·d 0.3-0.5 停留时间T d ≥3 池底坡度i ％ ≥0.5 填料深度h mm 700-1000

。

9.如权利要求2所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，多孔性担体(22)，具有开放性孔洞结构，具有最大的比表面积；填料(312)安装后***孔隙率不低于0.3；触媒活性炭(411)以椰壳活性炭为基底，表面覆盖贵金属层，触媒活性炭(411)颗粒为20～40目，比表面积不大于1000m²/g。

10.如权利要求2所述的模拟自然环境生物污水处理***，其特征在于，初沉槽(11)的底面高于平膜微滤槽(12)的顶面，平膜微滤槽(12)底面位于水平面或地面以上，生物网膜生物处理槽(21)、基质-微生物-植物复合生态槽(31)和吸附-消毒-杀菌处理槽(41)的顶面分别高出水平面或地面以上1M，底面低于水平面或地面以下1M；中间槽(5)顶面与水平面或地面平齐。

Images