申请日2015.12.11
公开(公告)日2016.03.02
IPC分类号C02F3/12; C02F3/32; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种生态滤池装置及其处理污水的方法，属于污水生物处理领域。它包括水箱和生态滤池壳体，生态滤池壳体中的复合填料区中填充凹土陶粒和竹丝填料，两者的质量比例为(1～3):1，复合填料区上种植农作物;凹土陶粒由凹土、面粉和铁屑按质量分数50-60%、20-25%和15-30%制备得到。本发明使用了两种填料形成复合填料，有利于形成更复杂的生态系统和更稳定的生态链，适用于单户或临近几户使用，低温条件下处理效果有保障，本发明结合了曝气生物滤池、农作物、复合填料各自的优点，净化效果好，能实现多种污染物的同步去除;而且复合填料粒径较大，可以免反冲洗过程。
摘要附图
权利要求书
1.一种生态滤池装置，包括水箱(2)和生态滤池壳体(11)，所述的生态滤池壳体(11) 包括风机(4)、布水器(6)、布气管(7)和复合填料区(8)，所述的水箱(2)通过管道与布水器(6)连接，所述的风机(4)与布气管(7)连接，生态滤池壳体(11)上还设有出水口(10)，所述的复合填料区(8)上种植农作物(9)，其特征在于：所述的复合填料区(8) 中填充凹土陶粒和竹丝填料，两者的质量比例为(1～3):1。
2.根据权利要求1所述的一种生态滤池装置，其特征在于：所述竹丝填料制作方法为：将成年的毛竹加工成长宽为0.8-1cm的方形，用体积分数为5～10%的浓硫酸浸泡成年毛竹2～3 天，然后用水冲洗后自然风干。
3.根据权利要求1所述的一种生态滤池装置，其特征在于：所述凹土陶粒的制作方法为：
a.将凹土粉碎过30～40目的筛子，然后将粉碎后的凹土与面粉和铁屑按比例混合得到混合物，其中，凹土的质量分数为50-60%，面粉的质量分数为20-25%，铁屑的质量分数为 15-30%;
b.将混合物与水按照质量比(2～3):1搅拌成糊状，然后制成粒径为0.8～1.2cm的陶粒毛坯;
c.将陶粒毛坯煅烧2～3小时成型，冷却后取出备用，煅烧温度为850～1100℃。
4.根据权利要求1所述的一种生态滤池装置，其特征在于：所述农作物(9)为水稻或水芹。
5.权利要求1中所述的生态滤池装置处理污水的方法，其步骤为：
(1)构建权利要求1所述的生态滤池装置，按照权利要求2和3中所述的方法制作竹丝填料和凹土陶粒;
(2)将竹丝填料和凹土陶粒按比例填充到复合填料区(8)，并将农作物(9)种植在复合填料区(8)中;
(3)将葡萄糖和生活污水加入水箱(2)中，将投加了葡萄糖的生活污水作为生态滤池壳体(11)的进水，葡萄糖的投加量为(100～150)mg/L;
(4)水箱(2)中的生活污水通过布水器(6)进入生态滤池壳体(11)中，利用风机(4) 和布气管(7)进行曝气，同时将好氧活性污泥加入生态滤池壳体(11)中作为接种微生物，接种体积为生态滤池壳体(11)总容积的1/3～1/5;
(5)逐步提高进水量和曝气量，进水量按照设计流量的20%、40%、60%、80%和100%这5个梯度逐步增加，每个进水量梯度保持5～7天;曝气量和进水量比例相应地保持在 (3～5):1;
(6)当进水水量达到设计流量且复合填料区(8)中出现群居钟虫和轮虫以及生物膜后，停止加入葡萄糖，直接将生活污水作为生态滤池壳体(11)的进水。
说明书
一种生态滤池装置及其处理污水的方法
技术领域
本发明属于污水生物处理领域，更具体地说，涉及一种生态滤池装置及其处理污水的方法。
背景技术
随着农村经济的发展和农村周边环境保护需要，农村生活污水的量逐年增多，随意排放导致蚊蝇滋生、污水横流、臭气熏天;农村生活污水处理也是农村生态环境保护的重要方面，对防止农村地区水体污染和富营养化具有十分重要的价值。
20世纪末，每家每户产生的生活污水都是随意排放，农村地区居住较分散，居住地大量的土地、沟渠和草地等系统自净能力足以净化农村生活污水;而不断集中的城镇化和生活水平不断提高，使城镇中心及周边农村地区的生活污水产生量大，污染也相对严重。对于农村生活污水的处理来说，基于水质特点、技术水平和经济成本考虑，目前已经积累了一定的经验;在农村地区，人工湿地处理系统和生态浮床系统等等一些成本低廉、技术水平要求低、生态效果好的生态净化工程被广泛试验、示范和采用。但是无论是人工湿地处理系统还是生态浮床系统均存在净化时间久、蚊蝇滋生严重、对水质要求相对较高和冬季净化低温净化效果差等等弊端，而且一般作为生物膜法或活性污泥法的深度处理工艺，作为独立工艺处理生活污水的效果不理想。
另外，在很多农村、城镇地区都开始尝试建立农村和村镇集中式污水处理厂，实行农村生活污水连片治理，建立农村连片治理的污水处理厂和小型污水处理站也存在一些共性的弊端，包括污水的收集难、长距离输送成本高、污水资源化水平较低、污水处理厂运行管理技术缺乏等，建立以后可能会出现建立的污水处理厂不启用，即使启用出水也很难达标排放等问题。
如何开发一些适合于农村生活污水处理的方法和技术，特别是能免于长距离生活污水输送的、污水能资源化利用的、除磷脱氮效果稳定的处理方法和技术，对农村生活污水的可持续处理和净化是具有积极意义的。相对于城市污水和工业污水而言，农村生活污水具有不同特点，如：(1)相对分散，收集困难;(2)成分相对单一，一般无任何重金属和难生物降解成分;(3)营养物质丰富，COD和蛋白质浓度较高。所以农村生活污水具有采用生物处理的可行性、资源的可利用性等优势。
经检索，中国专利申请号为201320443267.9，申请日为2013年07月24日的专利申请文件公开了一种用于农村污水脱氮除磷的多级串、并联人工湿地系统，包括表面流人工湿地单元、垂直潜流人工湿地单元、水平潜流人工湿地单元，表面流人工湿地单元连接垂直潜流人工湿地单元，垂直潜流人工湿地单元连接水平潜流人工湿地单元;表面流人工湿地单元为人工湿地系统的初始处理单元，内种植浮水植物，下部布置基质层，与其后的垂直潜流人工湿地单元串联;垂直潜流人工湿地单元为人工湿地系统的中间处理单元，并行联接有两个垂直潜流人工湿地，内种植挺水植物，从上到下依次有布水管网、布水层、基质层、排水管网的排水层，与其后的水平潜流人工湿地单元串联;水平潜流人工湿地单元为人工湿地系统的末端处理单元，内种植挺水植物，沿来水方向从前至后依次有布水管的布水层、基质层、含有排水管的排水层和出水管。该发明的垂直潜流人工湿地内部容易出现氧气供应不足的问题，微生物活性受到限制，水处理效果不稳定。
中国专利申请号为201010166392.0，申请日为2010年05月10日的专利申请文件公开了一种人工湿地耦合SBR强化脱氮除磷一体化污水净化系统，包括SBR反应池和人工湿地， SBR反应池的底部设置有穿孔曝气管，在SBR反应池的池壁上设置有排泥管、进水管、泥水溢流管和排水管，其中泥水溢流管和排水管与人工湿地的布水槽相通;人工湿地的床体包括布水槽、填料层、土层和集水槽，填料层的上部与布水槽连通，填料层的底部与集水槽连通，土层设置在填料层的上面，土层上种植有挺水植物。该发明中，污水先经过SBR反应池处理后再进入人工湿地，是一种间歇的运行方式，操作不方便。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有单一滤料生物滤池和人工湿地除磷脱氮效果低、效果不稳定等问题，本发明提供一种能解决传统生物滤池和人工湿地除磷脱氮效果偏低、除磷脱氮效果不稳定的方法。通过将不可降解填料表面稳定的界面形成相对稳定的生物膜，利用可生物降解填料提供碳源以及可降解填料表面形成的缺氧/厌氧/好氧微环境提高脱氮除磷效果，释放的碳源可改善农作物生长需求，保持农作物的良好长势，并耦合根系发达的农作物同化作用和光合作用的充氧作用。有益效果是：强化系统的生物除磷脱氮效果，稳定除磷脱氮效果和良好的农作物生长效果，无滤池堵塞问题。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种生态滤池装置，包括水箱和生态滤池壳体，所述的生态滤池壳体包括风机、布水器、布气管和复合填料区，所述的水箱通过管道与布水器连接，所述的风机与布气管连接，生态滤池壳体上还设有出水口，所述的复合填料区中填充凹土陶粒和竹丝填料，两者的质量比例为(1～3):1，所述的复合填料区上种植农作物。
优选地，将成年的毛竹加工成长宽为0.8-1cm的方形，用体积分数为5～10%的浓硫酸浸泡成年毛竹2～3天，然后用水冲洗后自然风干。
优选地，所述凹土陶粒的制作方法为：
a.将凹土粉碎过30～40目的筛子，然后将粉碎后的凹土与面粉和铁屑按比例混合得到混合物，其中，凹土的质量分数为50-60%，面粉的质量分数为20-25%，铁屑的质量分数为 15-30%;
b.将混合物与水按照质量比(2～3):1搅拌成糊状，然后制成粒径为0.8～1.2cm的陶粒毛坯;
c.将陶粒毛坯煅烧2～3小时成型，冷却后取出备用，煅烧温度为850～1100℃。
优选地，所述农作物为水稻或水芹。
上述的生态滤池装置处理污水的方法，其步骤为：
(1)构建上述的生态滤池装置，按照上述的方法制作竹丝填料和凹土陶粒;
(2)将竹丝填料和凹土陶粒按比例填充到复合填料区，并将农作物种植在复合填料区中;
(3)将葡萄糖和生活污水加入水箱中，将投加了葡萄糖的生活污水作为生态滤池壳体的进水，葡萄糖的投加量为(100～150)mg/L;
(4)水箱中的生活污水通过布水器进入生态滤池壳体中，利用风机和布气管进行曝气，同时将好氧活性污泥加入生态滤池壳体中作为接种微生物，接种体积为生态滤池壳体总容积的1/3～1/5;
(5)逐步提高进水量和曝气量，进水量按照设计流量的20%、40%、60%、80%和100%这5个梯度逐步增加，每个进水量梯度保持5～7天;曝气量和进水量比例相应地保持在 (3～5):1;
(6)当进水水量达到设计流量且复合填料区中出现群居钟虫和轮虫以及生物膜后，停止加入葡萄糖，直接将生活污水作为生态滤池壳体的进水。
优选地，所述农作物的根系在复合填料区中的埋设深度不少于12～15cm。
优选地，所述好氧活性污泥的混合液悬浮固体浓度为6000～8000mg/L。
相比于对比文件(专利申请号为201320443267.9)，本发明与单级人工强化型垂直潜流人工湿地有着本质区别，对比文件中的人工湿地是以植物同化吸收和基质吸附为主要净化力量，净化效果是十分有限的，除磷脱氮效果相对低下，植物因为没有很好的基质而生长效果较差导致植物同化效果偏差。而本发明以复合填料上大量的、生理特性差别较大的微生物为净化力量，实现有机物去除、脱氮和除磷，利用复合填料上复杂的微孔隙为微生物增殖空间、竹丝填料释放出碳源强化生物脱氮除磷过程，净化效果非常高，不会出现硝酸盐和磷素污染物去除效果差，甚至积累的问题。竹丝填料和凹土陶粒作为基质，而且竹丝填料组织中的微量元素有利于植物生长和生物酶活性提高，强化系统的生物净化功能。
相比于对比文件(专利申请号为201320443267.9)，本发明实际上是一种单级人工强化型垂直潜流人工湿地的变形，通过人工强制曝气强化了垂直潜流人工湿地内部氧气的供应和微生物活性强化，提高了微生物的降解能力和农作物根系发达程度，减少了复合填料层的堵塞。另外，通过将不可生物降解填料和可生物降解填料代替了全不可生物降解填料，改善了生态滤池内有机碳源的供给而有利于强化生物脱氮除磷效果;而且相比于单一填料而言，复合填料强化了不同特性填料间协同作用，例如：不同填料表面结构、特性有利于滋生不同特性的微生物，不同特性微生物导致的不同特性有利于污水的净化过程。相比于对比文件(专利申请号为201010166392.0)，本发明强化除磷脱氮不是根据SBR工艺实现的，是一种连续运行模式的工艺。通过在人工湿地内部补充复合填料的方式(包括可生物降解填料)，而为了防止人工湿地因为可生物降解填料降解而减少微生物附着面，补充了不可生物降解填料(凹土陶粒)。同时为了强化微生物活性和植物同化效果，通过适当的人工强化曝气的方式，减少了堵塞和消除污染物效果，提高了复合填料层好氧/缺氧/厌氧微环境的分布而提高了除磷脱氮作用。
曝气生物滤池是一种常见的污水生物处理方法技术，属于生物膜领域，一般曝气生物滤池的填料都是黏土陶粒烧结填料，黏土陶粒的成分主要是黏土，需要浪费耕地;凹土是一种能够利用的废矿物，其资源化利用能缓解陶粒制作对黏土等材料的依赖。另外，竹丝是一种使用较多的生物填料，其良好的生物亲和性、亲水性等特点使其非常适合作为填料，而且其可生物降解性适合为生物脱氮提供碳源。将凹土陶粒和竹丝填料复合使用，有利于强化生物过滤、生物脱氮、生物系统稳定等诸多优点。另外将大型水生植物(如：农作物)种植于生物滤池的顶部，不仅强化滤池系统的供氧、根际效应，而且能强化水质净化效果，形成生态修复工程系统。
本发明提供的一种新型的生态型生物滤池是基于生物填料、固体碳源填料和植物根系三者耦合的系统，生物填料和植物根系表面为微生物的附着提供场所，实现生物脱氮除磷过程，为固体碳源分解物污染物;而固体碳源是产生电子供体和能源，供给生物填料和植物根系表面微生物新陈代谢的优质碳源，改善农作物的长势。该新型的生态型生物滤池是一种适用于一户独用或临近几户居民公用的，具有良好净化效果和低维护成本的生态滤池，符合现在除磷脱氮技术和政策要求;首先，生态滤池是一种将生物接触氧化法、活性污泥法组合的方法，是一种非常适合于小水量污水处理常用的方法。其次，将凹土陶粒和竹丝填料按一定比例混合作为生物滤池的滤料，有利于将不可生物降解填料(凹土陶粒)和可生物降解填料(竹丝) 不同特性(不同表面特性、不同的生物降解性)进行有效的组合，有利于滋生不同特性的微生物种群，对强化污水的生物降解非常有帮助，而且可生物降解填料释放出来的优质碳源有助于改善农作物生长情况;最后，将大型水生植物(如：水稻或水芹)种植在组合填料中，强化组合填料中的溶解氧、根际微生物(特别是硝化菌和反硝化菌)，并能通过农作物的收割达到强化去除的目的。将生态滤池进行地埋处理或保温隔热处理，即可保持低温条件下的水质净化。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的生态滤池装置及方法适用于单户或临近几户使用，低温条件下处理效果有保障，将生态滤池进行地埋处理或保温隔热处理，即可保持低温条件下的水质净化;
(2)本发明使用了两种填料形成复合填料，有利于形成更复杂的生态系统和更稳定的生态链，而且凹土制作成陶粒，有利于拓宽凹土资源化利用途径和制作方法，竹丝是可生物降解的材料，有利于补充脱氮除磷需要的碳源，以及保持良好长势的优质碳源;
(3)本发明利用农作物作为生物滤池净化效果强化的手段，并有利于提高农村生活污水中有用成分的资源化利用;
(4)本发明结合了曝气生物滤池、农作物、复合填料各自的优点，净化效果好，能实现多种污染物的同步去除;而且复合填料粒径较大，可以免反冲洗过程;
(5)常规陶粒粒径为3-5mm，具有良好过滤功能，但是本发明采用了粒径偏大于常规滤料的凹土陶粒和竹丝填料，该滤池类似于生物接触氧化池，无堵塞之忧;改变了滤料的组成和比例，强化了滤料的净化效果和农作物生长介质;改善了农作物生长效果和污染物同化效果。