CN1257854C

CN1257854C - 有脱氨除磷通气层的污水深度处理装置

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Publication number: CN1257854C
Application number: CNB2004100248836A
Authority: CN
Inventors: 孔海南; 胡湛波; 郑向勇
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: CN1583609A

Abstract

一种有脱氨除磷通气层的污水深度处理装置，在传统污水土地渗滤处理方法的渗滤层中铺设一层具有强化脱氨固磷功能的透水、透气、空心功能性型材，形成空心材料层，空心材料层把污水处理的渗滤层分为空心材料层以上的好氧生态填料层和空心材料层以下的厌氧生态填料层，生活污水靠重力向下自流依次通过好氧生态填料层、空心材料层、厌氧生态填料层，去除SS、BOD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、T-P，实现生活污水深度处理。本发明具有良好的复氧效果，较高的脱氨除磷效率，有效实现面源生活污水深度处理。

Description

有脱氨除磷通气层的污水深度处理装置

技术领域

本发明涉及一种有脱氨除磷通气层的污水深度处理装置，可对污水进行强化脱氨除磷深度处理，属于环保水处理技术领域。

背景技术

面源污染和水体富营养化严重降低了湖泊及水库等水体的水资源利用价值，已成为当前一项突出的环境和社会问题，氮和磷是引起水体富营养化的主要限制因子，当水体总磷浓度高于0.02mg/l或总氮浓度超过0.2mg/l时藻类可能发生异常繁殖，导致富营养化。如何控制造成水体富营养化的氮、磷关键影响因子，有效降低面源生活污水中氮磷含量，减少向水体中排放氮、磷的污水处理技术，是目前环境领域研究的热点之一。

面源生活污水处理技术中，污水土地处理技术与传统活性污泥法相比，由于能有效去除BOD(生化需氧量)、COD(化学需氧量)，又具有很好的脱氮除磷能力，达到污水深度处理效果，而且投资成本低、运行管理简单，有广阔应用前景并逐步得到推广应用，近年来在我国已受到广泛关注。但是，现有的污水土地处理技术也存在容易堵塞、水力负荷低及总氮去除率不高的问题。如何延长吸附饱和时间，提高处理能力，增加***脱氮作用是解决污水土地处理技术存在问题的关键。

公开号为CN1075792C的中国专利公布的方法是采用同一种原状土作为散水管布水后的土壤扩散滤层。该装置在污水的好氧区容易出现供养不足，不能满足NH₄ ⁺-N发生硝化反应的好氧条件，导致硝化率低，脱氮效率不高。

公开号为CN2286176Y的中国专利针对以上专利不足，采用不同孔隙率和透水速率的改性土壤层来做扩散滤层，逐级扩散减缓了堵塞的时间，在一定程度上提高土壤的自然好氧条件。同时，该专利还在与布水管同一水平的两侧设置了通气管，由通气装置输送空气，能保持土壤好氧状态。但是由于通气管是放置在布水管同一水平的两侧，且布水管与通气管的间距约400mm。其缺陷应有二：一是该送气管在布水层，不能使布水管下面的扩散滤层有效复氧；二是该开孔通气管的距离太大，置换空气的效率相对低，同一层面的土壤滤层易出现局部好氧(缺氧)，抑制了好氧生化反应和硝化反应，也存在脱氮效率不高的问题。

公开号为CN1460649A的中国专利公布了一种解决渗滤层堵塞的方法，通过与地表连通的侧向空气通道和高渗透性夹层联合供氧。该专利未涉及对污水进行脱氮除磷深度处理以及具有脱氮除磷的特殊功能材料层；而且空气通过设在渗滤层两侧并与地表连通的空气通道到达土壤渗滤层深度后，必需穿过透气墙在水平扩散作用下才能进入高渗透性层填料的内部，由于在渗滤层没有一个氧气的自由流动通道，复氧效率低。

传统的污水土地处理技术及以上专利的通气复氧主要有两种类型，一种是不在***渗滤层中设置通气装置，仅靠地表的氧气通过垂直扩散作用向表层土壤供氧，表层土壤的氧气在浓度差作用下再垂直扩散传到渗滤层中实现复氧；另一种是在***渗滤层增加穿孔通气管或者在渗滤层两侧设有空气通道，给***通气。前者仅使表层土壤处于好氧状态，一旦土壤出现堵塞，降低了渗透性，地表的空气通过扩散作用向渗滤层供氧的效率大大降低，抑制了渗滤层中好氧微生物的活性，使可生化的污染物去除率不高，影响出水水质，反过来又加剧土壤渗滤层的堵塞状况；后者在一定程度上改善了渗滤层的复氧状况，但都是靠有一定间距(大于500～1000mm)的穿孔通气管或空气通道埋设在渗滤层实现复氧，其缺点是通气量小，仅在通气管或空气通道周围的渗滤层材料得到复氧，不能使整个渗滤层面实现高效复氧。

土地渗滤技术在实现生活污水深度处理时也存在一个磷吸附饱和问题，处理***在使用一段时间后，因为土壤渗滤材料的磷吸附能力达到饱和，丧失除磷功能，出水不能实现深度处理。在工程应用中，希望渗滤层材料既具有良好的渗透性能有效复氧，又具有尽可能大的磷吸附饱和能力。但原状土壤不能同时具备上述功能，通常对磷酸盐有较好吸附特性的原状土壤最大饱和吸附量小于10mg/g，但渗透性较差，不适宜用于做污水处理渗滤材料；而渗透性符合处理工艺需求的土壤，吸附磷酸盐的最大饱和吸附量小于0.1～0.01mg/g，吸附磷酸盐的饱和使用年限仅为1～2年。因此，如何改变土壤渗滤层的特性，使渗滤材料既具有良好渗透性，又对磷酸盐有高吸附量，延长***使用寿命，是土地渗滤技术推广应用急需解决的关键技术之一。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种有脱氨(NH₄ ⁺-N)除磷通气层的污水深度处理装置，能提高土壤渗滤层复氧效果，增强脱氨除磷效果，缓解渗滤层堵塞问题，延长使用寿命，实现面源生活污水深度处理，防止水体富营养化现象的发生。

为实现以上目的，本发明在传统污水土地渗滤处理方法的渗滤层中铺设一层具有强化脱氨固磷功能的透水、透气、空心功能性型材，形成空心材料层，空心材料层把污水处理的渗滤层分为空心材料层以上的好氧生态填料层和空心材料层以下的厌氧生态填料层，生活污水靠重力向下自流依次通过好氧生态填料层、空心材料层、厌氧生态填料层，去除SS、BOD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、T-P，实现生活污水深度处理。

本发明的强化脱氨除磷污水深度处理装置具体结构包括：

在一个不透水池中，布置有三层污水渗滤层，上层为原状土壤层，下层为砾石集水层，中间是生态填料层，生态填料层中铺设一层空心功能性型材，形成空心材料层，空心材料层把生态填料层分为空心材料层以上的好氧生态填料层和空心材料层以下的厌氧生态填料层。空心材料层通过导气通道与装置顶部大气相通，由通气装置或自然供气复氧；在砾石集水层底部有穿孔集水管，在好氧生态填料层中设置装有细沙的防渗槽以及在防渗槽上方铺设穿孔布水管。

其中，不透水池的建构是将一块可以利用的土地挖成一个500～2000mm深的土坑，用不透水的材料铺设在底部及四周池壁，形成一个独立的不透水池子，或者在地表人工建造一个不透水池；穿孔集水管及穿孔布水管可采用PVC材料，直径根据处理能力为50～300mm，开孔率为20～80％；砾石集水层的层高，根据污水的浓度不同为100～300mm。装有细沙的防渗槽高度根据处理能力为100～250mm。好氧生态填料层可以是原状土壤或改性土壤，该层高度为100～500mm。空心材料层下部的厌氧生态填料层由原状土壤或具有还原性的渗滤材料混合均匀后填充，层高为200～500mm。

空心材料层由空心结构的功能性型材铺设而成，功能性型材是以改性的粉煤灰、煤渣、人工沸石等材料为主，外加少量添加剂加工而成的砖体型材，长×宽×高为50～500×50～500×50～200mm，每块砖体型材在高度方向的四个面均对称有穿孔，砖体型材的壁厚为10～40mm。砖体型材铺设方法是将每块型材沿穿孔方向排列，形成一个空气层面并通过导气通道与装置顶部大气相通。在不透水池的内部沿高度方向建构若干个使空心材料层的空气层与装置顶部大气相通的导气通道，由通气装置或自然供气给渗滤层复氧，导气通道有两种制作方法：一种是由砖砌；另一种是用PVC管连接而成。

本发明通过如下过程实现污水深度处理：

经过厌氧池预处理的生活污水引入本发明的穿孔布水管，污水从穿孔布水管流出后进入填满细沙的防渗槽内，在表面张力作用下被提升越过防渗槽两侧，然后自流依次进入好氧生态填料层、空心材料层、厌氧生态填料层、砾石集水层。污水中的一部分悬浮物(SS)首先被细沙截留在防渗槽中；在好氧生态填料层，形成有机物的微生物降解强化区，降解被吸附的有机物(BOD)。经过以上两个渗滤过程，大部分的有机物和悬浮物被去除。在空心材料层，通过功能材料对NH₄ ⁺-N和溶解性磷酸盐的高效特异吸附实现强化脱NH₄ ⁺-N和固磷目的；同时空心材料层生长有生物膜，降解去除一部分有机物(BOD)。污水流过空心材料层后进入厌氧生态填料层，发生反硝化反应脱NO₃ ^--N。经过以上步骤，完成SS、BOD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、T-N、T-P的去除，处理后的水从集水管导出，达标排放。

与现有技术相比，本发明在渗滤过程设置了能强化脱氨固磷的透水、透气功能性空心材料层，具有以下三个创新之处：

1、好氧生态填料层具有复氧效果：

好氧生态填料层下面的空心材料层具有一个空气层面，扩大了氧气与好氧生态填料层的接触面。除了具有传统土壤渗滤技术的通过地表垂直扩散进入渗滤层的通气方式以外，还通过空心材料层的空气层自下而上直接扩散进入好氧生态填料层的复氧。该方法有以下优点：(1)与传统没有通气装置的土地处理技术相比，增加了通气的途径，复氧效率提高20～50倍；(2)与有通气管但只有通气管周围的渗滤材料能直接接触氧气的局部复氧的工艺相比，整个渗滤层平面直接接触氧气，使渗滤层具有良好复氧效果，复氧效率提高10～40倍。

2、空心材料层具有脱氨(NH₄ ⁺-N)功能：

空心材料层通过物理化学吸附作用把NH₄ ⁺-N吸附在功能材料上，NH₄ ⁺-N在好氧条件下发生硝化反应转化为NO₃ ^--N，使NH₄ ⁺-N又从功能材料上解吸，因此，功能材料能够实现再生，长期保持其物理化学吸附NH₄ ⁺-N的功能。本发明的脱NH₄ ⁺-N效率比传统土壤渗滤方法提高30～50％。

3、该空心材料层具有固磷功能：

具有对溶解性磷酸盐的高效特异吸附，空心材料层的磷酸盐饱和吸附量为30～80mg/g，而渗透性好的原状土壤的溶解性磷酸盐最大饱和吸附量仅为0.1～0.01mg/g。与传统渗滤层相比，本发明能使***对溶解性磷酸盐的总饱和吸附量提高10～50倍，***的使用寿命与传统技术延长10～50年。

此外，该空心材料层能生长生物膜，与传统渗滤层相比，具有强化降解有机物去除BOD的功能。

附图说明

图1为本发明的污水深度处理装置结构剖面示意图。

图1中：1穿孔布水管，2细沙，3防渗槽，4导气通道，5功能性型材的开孔，6空心材料层，7穿孔集水管，8装置上部种植的植物，9原状土壤层，10好氧生态填料层，11厌氧生态填料层，12砾石集水层。

图2为本发明空心材料层的透气、透水、空心功能性型材结构示意图。

图2中：13空心功能性型材单元，5功能性型材的穿孔。

具体实施方式

以下结合本发明的装置附图对技术方法作进一步描述。

本发明的污水深度处理装置具体结构如图1所示：在一个不透水池中，将污水渗滤过程共分为三层，上层为原状土壤层9，下层为砾石集水层12，中间是生态填料层，生态填料层中铺设一层空心功能性型材13，形成空心材料层6，空心材料层6把生态填料层分为空心材料层6以上的好氧生态填料层10和空心材料层6以下的厌氧生态填料层11。空心材料层6通过导气通道4与装置顶部大气相通，由通气装置或自然供气复氧；在砾石集水层12底部有穿孔集水管7，在好氧生态填料层10中设置装有细沙2的防渗槽3以及在防渗槽3上方铺设穿孔布水管1。

其中，不透水池的建构是将一块可以利用的土地挖成一个500～2000mm深的土坑，用不透水的材料铺设在底部及四周池壁，形成一个独立的不透水池子，或者在地表人工建造一个不透水池；穿孔集水管7及穿孔布水管1可采用PVC材料，直径根据处理能力为50～300mm，开孔率为20～80％；砾石集水层1 2的层高，根据污水的浓度不同为100～300mm。装有细沙2的防渗槽3高度根据处理能力为100～250mm。好氧生态填料层10可以是原状土壤或改性土壤，该层高度为100～500mm。空心材料层下部的厌氧生态填料层11由原状土壤或具有还原性的渗滤材料混合均匀后填充，层高为200～500mm。

空心材料层6由空心功能性型材13铺设而成，空心功能性型材13的结构如图2所示，由改性的粉煤灰、煤渣、人工沸石等材料为主，添加少量添加剂加工而成的砖体型材，长×宽×高为50～500×50～500×50～200mm，每块砖体型材在高度方向的四个面均对称有穿孔5，砖体型材的壁厚为10～40mm。砖体型材铺设方法是将每块型材沿穿孔方向排列，形成一个空气层面并通过导气通道4与装置顶部大气相通。在不透水池的内部沿高度方向建构使空心材料层6的空气层与装置顶部大气相通的导气通道4，导气通道4有两种制作方法：一种是由砖砌；另一种是用PVC管连接而成。

本发明的污水处理过程及原理如下：

经过厌氧池预处理的生活污水引入本发明的穿孔布水管1，污水从穿孔布水管1流出后进入填满细沙2的防渗槽3。在防渗槽3内由表面张力作用下提升越过防渗槽3两侧，然后在重力作用下自流依次进入好氧生态填料层10、空心材料层6、厌氧生态填料层11、砾石集水层12。

污水中的悬浮物首先被细沙2截留在防渗槽3中，由于防渗槽3内被水饱和呈厌氧状态，能提高有机氮转化为无机氮的效率，为实现高效脱氮提供更多NH₄ ⁺-N。

在好氧生态填料层10中，由于下部的空气层使氧气能自下而上直接扩散使该层充分好氧，在土壤或渗滤材料团粒表面形成生物膜，增强了好氧微生物的活性，提高土壤团粒微生物的生长速度与挂膜量，形成一个有机物微生物降解的强化区，能有效降解被吸附的有机物，减少渗滤层堵塞。经过以上两个渗滤过程，大部分的有机物和悬浮物已被去除。

在空心材料层6，具有脱氨固磷功能和强化降解有机物作用，原理如下：(1)脱氨原理。空心材料层通过物理化学作用将NH₄ ⁺-N吸附在功能材料上实现脱氨目的，NH₄ ⁺-N在好氧条件下发生硝化反应转化为NO₃ ^--N，使NH₄ ⁺-N又从功能材料上解吸，因此，功能材料能够实现再生，长期保持其吸附NH₄ ⁺-N的功能；(2)固磷原理。对溶解性磷酸盐的高效特异吸附：由于该层的功能材料由改性无机材料制成，除了靠物理化学吸附作用吸附污水中溶解性磷酸盐，还通过化学吸附，使生活污水中的H₂PO₄ ^-、HPO₄ ^2-很易与材料中的铝离子、铁离子、钙离子、镁离子反应生成难溶磷酸盐，实现化学吸附去磷，增加***的磷吸附饱和能力，延长使用寿命；(3)去除有机物原理。该空心材料层是多孔结构，具有较大的比表面积和孔隙率，处于良好的好氧状态，在材料中形成生物膜，具有强化降解有机物去除BOD的功能。

当污水流过空心材料层6后进入生态土壤渗滤层的厌氧滤层11，发生反硝化反应完成NO₃ ^--N的去除。

经过以上步骤，完成SS、BOD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、T-N、T-P的去除，处理后的水从集水管导出，达标排放。

实施例：

装置渗滤面积为150m²，处理污水能力为20t/d，布水管离地表350mm，集水管离地表1500mm，渗滤层为添加20％煤渣的太湖地区夜潮土，功能性透水、透气的空心形材渗滤层高度为120mm，该功能层的顶面离地表750mm，形材单元的尺寸为300×300×120mm，形材上沿高度方向四面对称的穿孔为方形，孔的尺寸为200×60mm。处理的污水为太湖流域宜兴市某农村生活污水，进装置污水的SS、BOD、T-N、T-P分别为：120-150mg/l，100-140mg/l，20-30mg/l，2-3mg/l左右，经过以上装置处理后，出水的SS、BOD、NH₄ ⁺-N、T-N、T-P分别为：3-5mg/l，4-8mg/l，6-8mg/l，0.02-0.01mg/l左右，出水水质优于国家城镇二级污水处理厂一级排放标准(GB8978-1996)、***生活杂用水水质标准(CJ25.1-89)、***再生水用于景观水体的水质标准(CJ/T95-2000)。

Claims

1、一种有脱氨除磷通气层的污水深度处理装置，其特征在于：在一个不透水池中，将污水渗滤过程共分为三层，上层为原状土壤层(9)，下层为砾石集水层(12)，中间是生态填料层，生态填料层中铺设一层具有强化脱氨固磷功能的透水、透气、空心功能性型材(13)，形成空心材料层(6)，空心材料层(6)把生态填料层分为空心材料层(6)以上的好氧生态填料层(10)和空心材料层(6)以下的厌氧生态填料层(11)，空心材料层(6)通过导气通道(4)与装置顶部大气相通，由通气装置或自然供气复氧；在砾石集水层(12)底部有穿孔集水管(7)，在好氧生态填料层(10)中设置装有细沙(2)的防渗槽(3)以及在防渗槽(3)上方铺设穿孔布水管(1)；其中，所述的空心功能性型材(13)是由改性的粉煤灰、煤渣、人工沸石加工而成的砖体型材。