申请日2014.08.28
公开(公告)日2014.11.19
IPC分类号C02F9/14
摘要
一种水处理技术领域的农村综合污水处理系统及方法，依次连接的用于过滤水中悬浮物的预处理系统、集装箱式一体化水处理系统、土壤渗滤系统、向集装箱式一体化水处理系统提供电能的太阳能供电系统和流程控制系统。本发明能够将农村生活污水分散分质与集中一体化处理，运行管理方便，适合农村家庭污水以及养殖污水水质、水量及居住分布特点，克服了现有农村污水混合处理和家庭分散处理的不足。
权利要求书
1.一种农村综合污水处理系统，其特征在于，包括：依次连接的用于过滤水中悬浮物的 预处理系统、集装箱式一体化水处理系统、带有出水井的土壤渗滤系统、向集装箱式一体化水 处理系统提供电能的太阳能供电系统和流程控制系统，其中：
所述的太阳能供电系统包括：太阳能电池阵列和与之相连的最大功率点跟踪器、太阳能逆 变器、电能分配器和市电补给器，其中：用于吸收日照辐射能量并将其转化为电能的太阳能电 池阵列由多块太阳电池板串并联组成，最大功率点跟踪器通过扰动控制使得太阳能电池阵列向 太阳能逆变器提供稳定功率输出，太阳能逆变器将来自太阳能电池的低压直流电能升压并转换 成正弦交流电能并输出至电能分配器，电能分配器另外还接收来自最大功率点跟踪器计算所得 到的当前最大功率数据信号并确定当前最优水泵数量，市电补给器在无法获取太阳能的情况下 向集装箱式一体化水处理系统提供备用电能;
所述的集装箱式一体化水处理系统，包括：依次串联连接的用于调节水质水量的调节池、 带有缺氧填料和加复合性微生物制剂的缺氧池、生物接触氧化池和沉淀池，其中：调节池与预 处理系统相连并将预处理后的污水进行水质和水量的调节，缺氧池对污水进行降解处理后由生 物接触氧化池进行曝气，最后通过设置于沉淀池上方的输出管将处理水输出至土壤渗滤系统;
所述的坑洞结构的土壤渗滤系统设置于低于集装箱式一体化水处理系统的地表，其由上而 下依次包括：表层、布水层、复合渗滤层、底层和防渗层，其中：表层和布水层之间、底层和 防渗层之间分别设有用于均匀布水的布水管和与出水井相连的集水管，复合渗滤层至地表之间 设有若干通气管。
2.根据权利要求1所述的农村综合污水处理系统，其特征是，所述的预处理系统包括： 用于去除大颗粒悬浮物质的砖混结构制成的格栅井。
3.根据权利要求1所述的农村综合污水处理系统，其特征是，所述的扰动控制是指：
i)采集当前太阳能电池阵列最大输出功率时的供电电流，以此为中心电流，先增加1%的供 电电流，同时检测当前太阳能电池阵列的输出电压;再将后得到的电流值与电压相乘生成当前 的太阳能电池阵列输出功率;将当前的太阳能电池阵列输出功率与最大输出率功相比较，如果 当前太阳能输出功率大于最大输出功率则表明太阳光正在增强，将当前太阳能输出功率做为当 前最大功率值，并重复步骤i)直至当前太阳能电池阵列输出功率不再大于最大输出率功值，当 最大功率值保持不变时执行步骤ii);
ii)将当前最大功率值对应的电流减少1%作为的供电电流，同时检测当前太阳能电池阵列 的输出电压;再将后得到的电流值与电压相乘生成当前的太阳能电池阵列输出功率;将当前的 太阳能电池阵列输出功率与最大输出功率相比较，如果最大输出率功值小于太阳能电池阵列输 出功率则表明太阳光正在减弱，将当前太阳能输出功率作为大输出率功数据保存并重复步骤ii) 的操作，并重复步骤ii)的操作直至当前太阳能电池阵列输出功率不再小于最大输出率功值，当 最大功率值保持不变时执行步骤i)。
4.根据权利要求1所述的农村综合污水处理系统，其特征是，还包括污水处理控制系统， 该污水处理控制系统包括：流程控制器、设置于调节池、缺氧池、生物接触氧化池、沉淀池以 及出水井内的若干利用太阳能所产生的电能驱动的扬水泵及其水位控制器，其中：水位控制器 将对应安装位置处的水位信号输出至流程控制器，流程控制器向对应扬水泵发出启停指令，使 各处理单元内的水位不止于溢出或过低。
5.根据权利要求1所述的农村综合污水处理系统，其特征是，所述的生物接触氧化池内 设有作为微生物的载体的接触填料、布水装置和曝气装置，其中：曝气装置的出口与生物接触 氧化池的底部相连并输出混合富氧气水，接触填料设置于生物接触氧化池的池体上部，布水装 置设置于生物接触氧化池的底部。
6.根据权利要求1所述的农村综合污水处理系统，其特征是，所述的曝气装置包括：强 磁涡旋式超微细气泡发生腔、文丘理管、控制器以及分别与之电连接的带有流量调节阀的氧气 气源和自吸式水泵，其中：文丘理管的输入端分别与氧气气源和自吸式水泵相连，文丘理管的 输出端与强磁涡旋式超微细气泡发生腔的入水口相连。
7.根据权利要求6所述的农村综合污水处理系统，其特征是，所述的强磁涡旋式超微细 气泡发生腔的出水口设有与控制器相连的释放头，该强磁涡旋式超微细气泡发生腔的进水压力 传感器和出水压力传感器分别与控制器相连;控制器的控制输出线分别与释放头的控制输出线 和氧气流量调节阀的控制输出线相连构成闭环式控制回路。
8.根据权利要求6或7所述的农村综合污水处理系统，其特征是，所述的强磁涡旋式超 微细气泡发生腔，包括：罐体和设置于其内部的强磁涡旋管、螺旋叶片以及若干对强磁磁钢组， 其中：罐体的内壁紧贴着强磁涡旋管的最外层外壁与螺旋叶片的外缘;
所述的强磁涡旋管为涡旋状方管结构，所述强磁磁钢组固定设置于方管结构上;
所述的强磁涡旋管上的强磁磁钢带有固定孔，并通过固定孔与涡旋管壁铆接在一起，再用 环氧树脂封闭固定;
所述的螺旋叶片为等半径等螺距的连续螺旋状结构，所述的强磁磁钢组固定设置于叶片的 外缘;
所述的强磁涡旋管的两端分别设有进水口和出水口，在进、出水口上分别设有进水压力传 感器和出水压力传感器。
9.根据权利要求1所述的农村综合污水处理系统，其特征是，所述的表层的厚度为400mm， 由普通土壤与粗砂3:1混合组成;
所述的布水层的厚度200mm，由瓜子片组成;
所述的复合渗滤层的厚度为900mm，其上层为6450cm是用由粗砂和海砺壳体积比2:1 组成;下层为7450cm由粗砂和炉渣按体积比1:1组成;
所述的通气管为PVC管穿孔结构，管道上端通往地面大气，下端通至复合渗滤层中部;
所述的底层的厚度为300mm，由不同粒径的石子组成，起承托渗滤层和使污水均匀分布 的作用;
所述的防渗层由防渗土工膜构成。
10.一种根据上述任一权利要求所述系统的污水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、农户粪便污水首先进入化粪池，污水经厌氧发酵作用，其中的有机物得到部分分 解，降低了污染物负荷，提高了污水中速效养分的含量;
步骤2、经化粪池后的粪便污水汇同其它综合污水经过重力管道输送至格栅井，格栅拦截 污水中粗大的漂浮物，保护后面处理池中的水泵不受损害;
步骤3、污水通过太阳能供电系统提升进入调节池，调节池具有将污水中大分子有机物降 解为小分子有机物、N、P去除、调节水量的预处理作用，调节池出水进入缺氧池;
步骤4、污水在缺氧池反应后再溢流到生物接触氧化池，生物接触氧化池内装弹性填料及 曝气装置，污水中的有机物大部分在此得以去除;氧化池处理后的污水溢流到沉淀池，此沉淀 池兼做后续土地渗滤池配水井作用;
步骤5、沉淀池出水进入深度处理阶段，即土壤渗滤系统，在这一阶段，污水经过池内五 层滤料的过滤、吸附净化以及微生物对氨氮、磷、有机污染物进一步去除等，最终达标排放。
说明书
农村综合污水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种水处理技术领域的装置及方法，具体是一种适用于水质水量变化较 大的农村地区的农村综合污水处理系统及方法。
背景技术
在新农村建设中，农村生活污水的处理一直是一个十分棘手的问题。目前全国农村每年 产生生活污水约80多亿吨，而96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统，未经处理的生活污 水肆意排放。长期以来，农村生活污水已成为目前农村水体污染及江河湖库的主要污染源之一。
生活污水处理在工艺及设备上来说是十分成熟的。导致生活污水污染问题最主要原因是 该工艺设备难应用于农村的环境。村落建立污水处理厂存在很多局限性，如居住分散、不够稳 定(另建新居)，管网铺设耗资巨大，难于普遍建立集中污水处理设施等。采用分散式小型污水 处理装置可以解决这些难题。但现有的污水处理装置又存在以下局限性：①能耗较大，需要配 套电力设施;②施工工艺复杂，施工周期长;③效率低，产生的废弃物容易再次污然环境;④ 维护成本大等。
西南地区农村农户生活污水包括农户牲畜养殖废水、农户冲厕粪便废水和厨房洗涤及日 常盥洗废水，其成分估算如下：
传统的处理方式主要是各农户将这些废水统一或部分收集采用沼气净化处理或非耗能 型生物处理法，废水处理后直排入环境或用于灌溉。实践证明，这种处理方式尽管降低了农村 污水对环境及生态造成的破坏，但只有在排水水质要求不高时方可选用，集中的处理后农村污 水排放仍会存在较大环境风险。同时，各农户生活污水的产生量及每股污水水质的差异，导致 混合后污水的沼气产生率并不高，而直接采用非耗能型生物处理法又由于污水浓度过高致使处 理效果不是很好。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103613252A公开(公告)日 2014.03.05，公开了一种光伏有机废水处理装置和工艺，光伏有机废水经过格栅集水池，通过 水泵提升至调节池后，再提升进入反应池，同时通过药剂投加系统加入碱、絮凝剂和助凝剂进 行混凝絮凝反应，重力流入沉淀池去除废水中的悬浮物质后，进入水解酸化池进行废水的水解 酸化，将大分子有机物质转化为小分子易降解物质，提高BOD/COD后，重力流入预曝气池进 行好氧微生物降解，混合液流入膜反应器池进行进一步降解有机物，并经过膜反应器池的过滤， 抽吸出水，出水达标排放。膜反应器池中的污泥混合液按照一定比例回流至水解酸化池和预曝 气池。沉淀池中的污泥和部分污泥混合液排入污泥池，脱水后的污泥中含有大量硅粉和碳化硅 粉，可回收利用或者销售。但该技术在曝气部分中采用的是微孔曝气系统，微孔曝气装置多是 由激光在曝气装置的表面开出无数细密的小孔，高压空气透过小孔产生微气泡释放到水体中形 成溶解氧。此类装置停机后水中的细小颗粒物容易堵塞微气孔造成系统瘫痪。
中国专利文献号CN203530086U公开(公告)日2014.04.09，公开了一种牧区太阳能一 体化污水处理设备，包括光伏电池、污水泵、污泥泵、风机、调节池、厌氧池、缺氧池、好氧 池和膜生物反应器，光伏电池分别为污水泵、污泥泵和风机供电，调节池用于收集牧区污水， 污水泵置于调节池内并用于将调节池内的污水送到厌氧池内，厌氧池、缺氧池、好氧池和膜生 物反应器依次相连，膜生物反应器的出水口为一体化污水处理设备的出水口，污泥泵置于膜生 物反应器内并用于将膜生物反应器内的污泥排出或送至缺氧池内，风机通过风管为缺氧池和好 氧池提供曝气用空气。但该技术中能量由光伏电池供给，光伏电池分别为污水泵、污泥泵和风 机供电。也就说太阳能是推这套系统的运行唯一能源且污水处理系统所需电能几乎是恒定不变 的，而太阳能所能提供的电能是不断变化和时有时无的。这就造成设备每天只能在极其有限的 时间段可以运行，而多数时间会因能量不足而无法启动。
发明内容
本发明针对现有技术存在的弊端，提出一种农村综合污水处理系统及方法，将农村生活 污水分散分质与集中一体化处理，运行管理方便，适合农村家庭污水以及养殖污水水质、水量 及居住分布特点，克服了现有农村污水混合处理和家庭分散处理的不足。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种农村综合污水处理系统，包括：依次连接的用于过滤水中悬浮物的预处 理系统、集装箱式一体化水处理系统、带有出水井的土壤渗滤系统、向集装箱式一体化水处理 系统提供电能的太阳能供电系统和流程控制系统。
所述的预处理系统包括：用于去除大颗粒悬浮物质的砖混结构制成的格栅井，该格栅井 能够防止提升泵、管道、阀门的堵塞，以免损坏设备。
所述的太阳能供电系统包括：太阳能电池阵列和与之相连的最大功率点跟踪器、太阳能 逆变器、电能分配器和市电补给器，其中：用于吸收日照辐射能量并将其转化为电能的太阳能 电池阵列由多块太阳电池板串并联组成，最大功率点跟踪器通过扰动控制使得太阳能电池阵列 向太阳能逆变器提供稳定功率输出;太阳能逆变器将来自太阳能电池阵列的低压直流电能升压 并转换成正弦交流电能并输出至电能分配器，电能分配器另外还接收来自最大功率点跟踪器计 算所得到的当前最大功率数据信号并确定当前最优水泵数量，市电补给器在无法获取太阳能的 情况下向集装箱式一体化水处理系统提供备用电能。
所述的扰动控制是指：
i)采集当前太阳能电池阵列最大输出功率时的供电电流，以此为中心电流，先增加1% 的供电电流，同时检测当前太阳能电池阵列的输出电压;再将后得到的电流值与电压相乘生成 当前的太阳能电池阵列输出功率。将当前的太阳能电池阵列输出功率与最大输出率功相比较， 如果当前太阳能输出功率大于最大输出功率则表明太阳光正在增强，将当前太阳能输出功率做 为当前最大功率值，并重复步骤i)直至当前太阳能电池阵列输出功率不再大于最大输出率功值， 当最大功率值保持不变时执行步骤ii);
ii)将当前最大功率值对应的电流减少1%作为的供电电流，同时检测当前太阳能电池阵 列的输出电压;再将后得到的电流值与电压相乘生成当前的太阳能电池阵列输出功率。将当前 的太阳能电池阵列输出功率与最大输出功率相比较，如果最大输出率功值小于太阳能电池阵列 输出功率则表明太阳光正在减弱，将当前太阳能输出功率做为大输出率功数据保存并重复步骤 ii)的操作，并重复步骤ii)的操作直至当前太阳能电池阵列输出功率不再小于最大输出率功值， 当最大功率值保持不变时执行步骤i)。
所述的集装箱式一体化水处理系统，包括：依次串联连接的用于调节水质水量的调节池、 带有缺氧填料和含有CBM(Complex Beneficial Microorganisms，复合性微生物制剂)的缺氧池、 生物接触氧化池和沉淀池，其中：调节池与预处理系统相连并将预处理后的污水调节水量、水 质，保证设备能够正常运行，不会因为水量大而空转，也不因为水量下而空转，并使污水均质 化，避免高浓度污水超过处理系统负荷，造成出水水质波动根据系统能够处理水量的标准进行 调节，缺氧池对污水进行降解处理后由生物接触氧化池进行曝气，最后通过设置于沉淀池上方 的输出管将处理水输出至土壤渗滤系统。
所述的农村综合污水处理系统中优选设有污水处理控制系统，该污水处理控制系统包 括：流程控制器、设置于调节池、缺氧池、生物接触氧化池、沉淀池以及出水井内的若干利用 太阳能所产生的电能驱动的扬水泵及其水位控制器，其中：水位控制器将对应安装位置处的水 位信号输出至流程控制器，流程控制器向对应扬水泵发出启停指令，使各处理单元内的水位不 止于溢出或过低。
所述的生物接触氧化池的上端通过回流泵与缺氧池相连以实现混合液回流。
所述的生物接触氧化池内设有作为微生物的载体的接触填料、布水装置和曝气装置，其 中：曝气装置的出口与生物接触氧化池的底部相连并输出混合富氧气水，接触填料设置于生物 接触氧化池的池体上部，布水装置设置于生物接触氧化池的底部。
所述的曝气装置包括：强磁涡旋式超微细气泡发生腔、文丘理管、控制器以及分别与之 电连接的带有流量调节阀的氧气气源和自吸式水泵，其中：文丘理管的输入端分别与氧气气源 和自吸式水泵相连，文丘理管的输出端与强磁涡旋式超微细气泡发生腔的入水口相连。
所述的强磁涡旋式超微细气泡发生腔的出水口设有与控制器相连的释放头，该强磁涡旋 式超微细气泡发生腔的进水压力传感器和出水压力传感器分别与控制器相连;控制器的控制输 出线分别与释放头的控制输出线和氧气流量调节阀的控制输出线相连构成闭环式控制回路。
所述的坑洞结构的土壤渗滤系统设置于低于集装箱式一体化水处理系统的地表，其由上 而下依次包括：表层、布水层、复合渗滤层、底层和防渗层，其中：表层和布水层之间、底层 和防渗层之间分别设有用于均匀布水的布水管和与出水井相连的集水管，复合渗滤层至地表之 间设有若干通气管。
本发明涉及上述系统的处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、农户粪便污水首先进入化粪池，污水经厌氧发酵作用，其中的有机物得到部分 分解，降低了污染物负荷，提高了污水中速效养分的含量。
步骤2、经化粪池后的粪便污水汇同其它综合污水经过重力管道输送至格栅井，格栅拦 截污水中粗大的漂浮物，保护后面处理池中的水泵不受损害。
步骤3、污水通过提升泵进入调节池，调节池具有将污水中大分子有机物降解为小分子 有机物、N、P去除、调节水量的预处理作用，调节池出水进入缺氧池。
步骤4、污水在缺氧池反应后再溢流到生物接触氧化池，生物接触氧化池内装弹性填料 及曝气装置，污水中的有机物大部分在此得以去除。氧化池处理后的污水溢流到沉淀池，此沉 淀池兼做后续土地渗滤池配水井作用。
步骤5、沉淀池出水进入深度处理阶段，即土壤渗滤系统，在这一阶段，污水经过池内 五层滤料的过滤、吸附净化以及微生物对氨氮、磷、有机污染物进一步去除等，最终达标排放。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过最大功率点跟踪器和电能分配器的自动调节，将太阳能电 池阵列产生的电能最大化利用。夜间或阴雨天等无法获取太阳能的情况下市电补给器为系统提 供动力电源，以保证设备的正常运行。系统中直接参与污水处理的设备包括扬水泵、回流泵、 曝气装置、中水回用灌溉供能。在太阳能最大功率跟踪器与电能分配器、市电补给器组成的系 统控制下无论太阳能强弱与有无都能实现最大限度地利用太阳能和系统的时时可靠运行。
现有技术采用A/O+MBR膜工艺处理农村生活污水，造价高，维护不便，占地较大。本 发明采用集装箱式一体化水处理系统和土壤渗滤系统工艺，集装箱式系统减少占地面积，便于 安装与维护;土壤渗滤系统表层可以种植植物，不占地，造价低，不需要专业人员维护。
传统的A/O工艺中，利用鼓风曝气等装置进行曝气充氧，氧气利用率低，好氧反应进 行不充分。本发明采用强磁螺旋切割微气泡水体增氧装置，该装置具有结构紧凑、占地面积小、 能耗低、氧利用率高、低气蚀、无堵塞等特点，在A/O工艺中有效降解有机物与保证硝化反应 的进行。
现有的土壤渗滤系统作为一种污水处理系统目前已在农村得到了广泛应用，但其氮磷去 除效率低、占地面积大且容易堵塞的缺点阻碍了该系统的进一步推广。本发明通过土壤渗滤系 统中设计了特殊的处理层结构;土壤渗滤池内铺设PVC穿孔管增加了污水与空气的接触，增强 大气的输氧作用;渗滤层内预先着床了好氧、兼氧复合微生物;海砺壳、炉渣等的吸附作用以 及复合菌群的作用下，污水中的磷酸盐、氨氮等污染物被有效去除。并且出水井排水采用液位 计控制水位，使得土壤渗滤系统干湿调配从而改善系统的脱氮效果，增加了氨氮的去除率。