申请日2014.04.14
公开(公告)日2014.06.25
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种农村分散式污水的生态组合处理方法及装置，步骤是：A、农村污水收集与前处理;B、生物滤池处理;C、人工湿地和稳定塘处理;D、生态景观化配置。总进水管道分别与栅格池和调节池相连，调节池经布水管与水平流生物滤池相连，水平流生物滤池经过滤筛网-布水管与垂直流生物滤池相连，垂直流生物滤池经水平放置的穿孔集水管与一级人工湿地相连，一级人工湿地经溢流堰与二级人工湿地相连，二级人工湿地经直流排水管与稳定塘相连，在稳定塘末端装有总排水管。该方法无需能耗、操作与维护简便，具有景观效果和经济收益，结构简单、投资省，实现对农村分散式生活和养殖污水的高效净化，经处理污水氮磷和COD等去除率都在80%以上。
权利要求书
1.一种农村分散式污水的生态组合处理方法，其步骤是：
A、农村污水收集与前处理：用PVC管将农村分散式生活和养殖污水收集，建立农村污水收集管网，再通过总汇水管道将污水集中引入到栅格池，栅格池用于过滤、截留大于2厘米悬浮物或漂浮物，同时对污水进行初沉淀，在南方丘陵区，分布在山脚或山边的农户居民点的生活或养殖污水通过各级管道由重力自流汇入建于低处的栅格池，栅格池出水进入调节池，调节池进一步沉降污水中固体颗粒、微生物厌氧降解污水中部分有机物，经并行管道进入水平流生物滤池;
B、生物滤池处理：调节池出水进入水平流生物滤池，水平流生物滤池填入稻草、上层栽培狐尾藻，组成稻草-狐尾藻生物滤池系统，水平流生物滤池通过稻草表明附着的大量厌氧-兼性厌氧微生物和狐尾藻植物根际好氧微生物降解作用，以及狐尾藻自身生长吸收养分，去除污水中高负荷氮磷、COD及重金属，覆盖、吸收除掉污水中臭味;
水平流生物滤池出水通过单通道布水管进入垂直流生物滤池表层，垂直流生物滤池系统从下往上由碎木块层、稻谷壳层、稻草层和旱地红壤层构成，同时，土壤层种植美人蕉、鸢尾、水竹水生植物，垂直流生物滤池处理工程单元中生物质材料：稻草、稻谷壳、碎木块、刨花，同时碎木块：大小0.5-10 cm、稻谷壳、稻草这些生物质材料为微生物的生长提供了有利环境，生物质材料表面丰富的微生物能有效降解污染物、净化水质，土壤层和美人蕉、鸢尾、水竹植物分别吸附和吸收氮、磷和重金属，垂直流生物滤池中同时设置四个不同材料层减少了占地面积，在垂直流生物滤池底部用碎木块：大小0.5-10 cm填充的碎木块层设置水平穿孔管集水，该集水管用10~30 mm粒径的砾石堆包裹防堵塞，同时与斜向上方引水管连接，垂直流生物滤池通过该出水系统把水排出进入第一级表面流人工湿地;
C、人工湿地和稳定塘处理：该级人工湿地为表面流，湿地基质是土壤，湿地植物选择梭鱼草和粉绿狐尾藻，湿地进水口先种植挺水植物梭鱼草，梭鱼草后方种植沉水植物粉绿狐尾藻，第一级人工湿地能耐400 mg/L氨氮污染，5-30 cm水深的表面流以及梭鱼草和狐尾藻植物根际泌氧形成的好氧环境，进一步促进有机污染物分解和硝化脱氮过程，同时，植物生长大量吸收氮磷营养元素，第一级人工湿地出水经溢流堰进入第二级表面流人工湿地，溢流堰增加水体中溶解氧含量，保证水体中COD、氮、磷在第二级人工湿地得到深度去除，从第一级人工湿地排出的水体含适度浓度：20 mg/L氨氮和2 mg/L磷酸盐的氮和磷养分，为第二级人工湿地中水生经济蔬菜栽培提供养分，在第二级表面流人工湿地中种植水生蔬菜，种植水蕹菜、水芹、茭白、西洋菜和荸荠，经过第二级人工湿地对水体氮、磷污染的进一步深度净化处理后，再排入稳定塘，稳定塘内前半段设置水为0.4-0.7 m，后半段水0.9-1.1 m，前后端分别种植水生植物菖蒲和睡莲，经稳定塘进一步处理后出水达到安全排放水质要求;
D、生态景观化配置：在农村分散式污水集中和处理方法中提升农村生态环境的景观美化设计，做到处理区域地表看不到污水，闻不到异味，实现农村人居环境美化：
首先，农村污水都用PVC管网收集，地表环境看不到污水;其次，生态组合处理工程系统各处理单元做了防漏、除臭、景观美化处理，栅格池和调节池四周密封、表面覆盖，看不到污水和闻不到臭味;第三是在水平流生物滤池上层种植狐尾藻，覆盖污水同时除臭;第四是在垂直流生物滤池上层土壤层种植美人蕉搭配鸢尾和水竹;第五是在第一级表面流人工湿地，种植了生长期长开花的梭鱼草、绿色成片的狐尾藻，第二级表面流人工湿地春、夏、秋季种植水蕹、茭瓜、荸荠，冬季种植西洋菜、水芹;第六是在稳定塘周边栽种菖蒲，塘中栽种睡莲，上述植物搭配栽种，美化了当地环境，改善了人居环境。
2.权利要求1所述的一种农村分散式污水的生态组合处理装置，它包括：总进水管道(1)、栅格池(2)、调节池(3)、水平流生物滤池(5)、过滤筛网-布水管(8)、垂直流生物滤池(9)、水平放置的穿孔集水管和45 oC上行输水管(13)、第一级水平流人工湿地(14)、溢流堰(17)、第二级表面流人工湿地(18)、稳定塘(21)、∟形溢流总排水管(23)，其特征在于：分散式村民生活和养殖污水通过管网集中用总进水管道(1)分别与栅格池(2)和调节池(3)相连，调节池(3)经三通式布水兼取水样管(4)与水平流生物滤池(5)相连，水平流生物滤池(5)经过滤筛网-布水管(8)与垂直流生物滤池(9)相连，垂直流生物滤池(9)经水平放置的穿孔集水管和45 oC上行输水管(13)与第一级表面流人工湿地(14)相连，第一级表面流人工湿地(14)经溢流堰(17)与第二级表面流人工湿地(18)相连，第二级表面流人工湿地(18)经─形直流排水管(20)与稳定塘(21)相连，在稳定塘(21)末端装有∟形溢流总排水管(23)。
3.根据权利要求2所述的一种农村分散式污水的生态组合处理装置，其特征在于：所述的水平流生物滤池(5)中下层放置稻草、稻草上栽种绿狐尾藻。
4.根据权利要求2所述的一种农村分散式污水的生态组合处理装置，其特征在于：所述的垂直流生物滤池(9)从下往上依次填放0.4 m碎木块层、0.4 m稻壳层、0.3 m稻草层、0.3 m红壤层，土壤层种植美人蕉。
5.根据权利要求2所述的一种农村分散式污水的生态组合处理装置，其特征在于：所述的第一级表面流人工湿地(14)前段栽种梭鱼草、后段栽种绿狐尾藻。
6.根据权利要求2所述的一种农村分散式污水的生态组合处理装置，其特征在于：所述的第二级表面流人工湿地(18)中，夏、秋季种植水蕹、茭瓜，春季、冬季种植西洋菜、水芹。
7.根据权利要求2所述的一种农村分散式污水的生态组合处理装置，其特征在于：所述的稳定塘(21)的周边栽种菖蒲，塘中种睡莲。
说明书
一种农村分散式污水的生态组合处理方法及装置
技术领域
本发明属于污水生态处理技术领域。更具体涉及一种农村分散式污水的生态组合处理方法，同时还涉及一种农村分散式污水的生态组合处理的装置，适合于农村分散式生活和养殖污水处理，可改善农村生态环境。特别是在南方丘陵区可利用地形的自然高程差，整个污水处理装置实现零动力运行，便于农村推广应用。
背景技术
近年来，随着我国农村经济的迅速发展和城镇化的不断推进，农村分散式生活和养殖污水排放量不断增加，已对周边自然水体、土壤造成严重污染。同时，农村分散式污水排放正成为流域的主要污染来源，也日益成为下游河口和湖泊的主要氮磷来源，引起水体富营养化。因此，有效处理农村污水正成为亟待解决的问题。而城市污水处理处理厂基建和运行费用高，管理复杂，这种高投入的污水处理方式难以在我国广大农村地区推广。生态处理模式包括人工湿地、土地渗漏处理工艺、氧化塘、生物滤池等多种技术，具有建设费用低、易管理、污水处理效果好等优点，为农村污水处理提供了新的出路。但单一的生态处理技术可能存在处理效果不稳定、占地面积大等缺点。因此，基于农村经济条件和当地自然环境，因地制宜研发一种具有低投资、低能耗及操作管理方便、运行费用低的稳定高效生态组合式处理工艺是实现农村污水有效控制的重要保障。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种农村分散式污水的生态组合处理方法，该方法针对当前农村分散式污水处理水平低下、农业面源污染日益严峻等环境问题，探索利用管网集中、栅格池、调节池、水平流生物滤池、垂直流生物滤池和两级表面流人工湿地、稳定塘构建农村分散式污水的生态组合处理系统，实现农村分散式生活和养殖污水的有效处理，实现污水净化及安全排放。该方法无需动力能耗、操作与维护简便，同时还具有一定的景观效果和经济收益。
本发明的另一个目的是在于提供了一种农村分散式污水的生态组合处理的装置，该装置结构简单、投资省、零动力运行、管理方便，可实现对农村分散式生活和养殖污水的高效净化，经处理污水氮磷和COD等去除率都在80%以上，同时在第二级人工湿地中种植水生经济蔬菜，实现污水中氮磷养分的再利用、资源化，产出水生经济蔬菜，稳定塘中养鱼，均可获取经济收益，进而提高农民采用该技术的积极性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
本发明利用南方丘陵区地形的自然高程差，通过管网系统集中农村分散式生活和养猪污水，在地势低处构建污水生态组合处理装置，包括栅格池、调节池、水平流生物滤池、垂直流生物滤池、第一级表面流人工湿地和第二级表面流人工湿地、稳定塘，上述处理单元有机结合，形成一套完整的农村污水处理工艺。
一种农村分散式污水的生态组合处理方法，其步骤是：
1、农村污水收集与前处理：用PVC管将农村分散式生活和养殖污水收集，建立农村污水收集管网，再通过总汇水管道将污水集中引入到栅格池。栅格池用于过滤、截留大于2厘米的悬浮物或漂浮物，并对污水进行初次沉淀。在南方丘陵区，分布在山脚或山边的农户居民点的生活或养殖污水可通过各级管道由重力自流汇入建于低处的，栅格池。栅格池出水进入调节池，调节池进一步沉降污水中固体颗粒、微生物厌氧降解污水中部分有机物。然后经并行多管道(3个以上)布水系统溢流进入水平流生物滤池。
2、生物滤池处理：调节池出水进入水平流生物滤池，水平流生物滤池填入稻草、上层栽培狐尾藻，组成稻草-狐尾藻生物滤池系统。水平流生物滤池通过稻草表明附着的大量厌氧-兼性厌氧微生物和狐尾藻植物根际好氧微生物降解作用，以及狐尾藻自身快速生长吸收养分，可去除污水中高负荷氮磷、COD及重金属等，也能覆盖、吸收除掉污水中臭味。
水平流生物滤池出水通过单通道布水管进入垂直流生物滤池表层。垂直流生物滤池系统从下往上由碎木块层、稻谷壳层、稻草层和旱地红壤层构成，同时，土壤层种植美人蕉、鸢尾、水竹水生植物。垂直流生物滤池处理工程单元中生物质材料(稻草、稻谷壳、碎木、刨花)具有较好的空隙率和透水能力，同时碎木块(大小0.5-10 cm)、稻谷壳、稻草这些生物质材料为微生物的生长提供了有利环境，生物质材料表面丰富的微生物能有效降解污染物、净化水质，土壤层和美人蕉、鸢尾、水竹植物可分别吸附和吸收氮、磷和重金属等，垂直流生物滤池中同时设置四个不同材料层可大大减少了占地面积。在垂直流生物滤池底部用碎木块(大小0.5-10 cm)填充的碎木块层设置水平穿孔管集水，该集水管用10~30 mm粒径的砾石堆包裹防堵塞，同时与斜向上方引水管连接，垂直流生物滤池通过该出水系统把水排出进入第一级表面流人工湿地。
3、人工湿地和稳定塘处理：该级人工湿地为表面流，湿地基质是土壤，湿地植物选择梭鱼草和粉绿狐尾藻。湿地进水口先种植挺水植物梭鱼草，梭鱼草后方种植沉水植物粉绿狐尾藻。梭鱼草和粉绿狐尾藻具有耐污染、生物量大、生长期长等特点。第一级人工湿地能耐受400 mg/L左右氨氮污染，5-30 cm水深的表面流以及梭鱼草和狐尾藻植物根际泌氧形成的好氧环境，进一步促进有机污染物分解和硝化脱氮过程，同时，植物快速生长能大量吸收氮磷等营养元素。第一级人工湿地出水经溢流堰进入第二级表面流人工湿地。溢流堰能增加水体中溶解氧含量，保证水体中COD、氮、磷在第二级人工湿地得到更好的去除。从第一级人工湿地排出的水体含适度浓度(<20 mg/L氨氮和< 2 mg/L磷酸盐)的氮和磷养分，为第二级人工湿地中水生经济蔬菜栽培提供养分。在第二级表面流人工湿地中可种植适合当地环境、生物量大、管理方便的水生蔬菜，如在我国南方可种植水蕹菜、水芹、茭白、西洋菜和荸荠。经过第二级人工湿地对水体氮、磷污染的进一步深度净化处理后，再排入稳定塘。稳定塘内前半段设置水较浅约为0.4-0.7 m，后半段水较深近0.9-1.1 m，前后端分别种植水生植物菖蒲和睡莲，经稳定塘处理后出水达到安全排放水质要求。
4、生态景观化配置：在本发明的农村分散式污水集中和处理方法中考虑了提升农村生态环境的景观美化设计，做到处理区域地表看不到污水，闻不到异味，实现农村人居环境美化的效果。
首先，农村污水都用PVC管网收集，地表环境看不到污水。其次，生态组合处理工程系统各处理单元做了相应的防漏、除臭、景观美化等处理，如：栅格池和调节池四周密封、表面覆盖，看不到污水和闻不到臭味;第三是在水平流生物滤池上层种植狐尾藻，覆盖污水同时除臭;第四是在垂直流生物滤池上层土壤层种植美人蕉搭配鸢尾和水竹;第五是在第一级表面流人工湿地，种植了生长期长且开花的梭鱼草、绿色成片的狐尾藻，第二级表面流人工湿地春、夏、秋季种植水蕹、茭瓜、荸荠，冬季种植西洋菜、水芹;第六是在稳定塘周边栽种菖蒲，塘中栽种睡莲。上述这些植物搭配栽种，美化了当地环境，改善了人居环境。
一种农村分散式污水的生态组合处理装置，该装置包括：农村分散式污水汇集管网、栅格池、调节池、“三通”式布水兼取水样管、水平流生物滤池、过滤筛网和布水管、垂直流生物滤池、稻草、稻谷壳、碎木块和刨花、水平放置的穿孔集水管(砾石堆包裹)和45 oC斜向上排水管、第一级表面流人工湿地、高生物量水生植物梭鱼草和粉绿狐尾藻、溢流堰、第二级表面流人工湿地、水生经济作物(水蕹菜、水芹、茭白、西洋菜和荸荠)、“─”形直流排水管、稳定塘、菖蒲、睡莲、“∟”形溢流排水管。其特征在于：分散式村民生活和养殖污水通过管网集中用总进水管道分别与栅格池和调节池相连，调节池经三通式布水兼取水样管与水平流生物滤池相连，滤池填有稻草并在上层栽培狐尾藻，形成稻草-狐尾藻生物滤池系统。水平流生物滤池经过滤筛网-布水管与垂直流生物滤池相连，
该垂直流生物滤池系统从下往上由碎木块层、稻谷壳层、稻草层和旱地红壤层构成，其中，土壤层种植美人蕉、鸢尾、水竹水生植物。垂直流生物滤池经水平放置的穿孔集水管和45 oC上行输水管与第一级表面流人工湿地相连，湿地进水口先种植挺水植物梭鱼草，梭鱼草后方种植沉水植物粉绿狐尾藻。第一级表面流人工湿地经溢流堰与第二级表面流人工湿地相连，该级湿地中主要种植水生蔬菜，如适合我国南方种植的水蕹菜、水芹、茭白、西洋菜和荸荠。第二级表面流人工湿地经─形直流排水管与稳定塘相连，稳定塘分为前后两端，根据种植的水生植物菖蒲和睡莲的不同，设置不同水深。稳定塘末端，装有∟形溢流总排水管。
栅格池和调节池深度分别为0.5 m和1.0 m。调节池可蓄水深0.4~1.0 m，“三通”式布水兼取水样管上装有开关用于控制调节池中水深，当工艺流程中生物滤池和人工湿地要进行管理时，通过关闭开关让污水在调节池中暂时存放、不排入水平流生物滤池，污水在调节池进行初步厌氧降解。“三通”式布水兼取水样管的一个出口连接水平流生物滤池，水平流生物滤池深0.7 m，可控制水深0.6 m。污染减轻的污水经过过滤筛网和布水管进入垂直流生物滤池的稻草层(土壤层下方)，垂直流生物滤池深1.5 m，依次填充0.3 m红壤、0.3 m稻草层、0.4 m稻壳层和0.4 m碎木块层，可控制水深1.1 m左右，布设管和集水管均采用UPVC管，布水管直接连接到土壤层下方稻草层，集水管为水平放置的四周开孔直管(四周包裹砾石堆放堵塞)，置放于碎木块层，与集水管连接的为引水管，引水管成斜上方45 oC布设，引水管向上到稻草层中部后连接一直行排水管，排水管将处理污水直接排入人工湿地。第一级表面流人工湿地由稻田和低洼地改建过来，整地、下挖0.1 m左右后，下挖的土壤堆置周边，加宽湿地边界防止渗漏，分别在前段和后段栽种梭鱼草和狐尾藻，两种植物栽种面积比为1:3左右，前后植物段水深都可控制0.3 m左右。第一级人工湿地前段种植栽种挺水植物梭鱼草以便去除悬浮物和泥沙、后段栽种狐尾藻(吸收氮磷污染，同时对流经污水进行富氧)，湿地处理出水沿着溢流堰自流进入第二级水平流人工湿地进行深度处理。第二级表面流人工湿地也由稻田和低洼地改建过来整地、下挖0.1 m左右(田块下挖深度由地形即其与第一级人工湿地的高层差决定)，保证与第一级人工湿地保持0.1 m以上的自然落差，水深可控制在0.3 m左右，具体水深根据栽种的水生蔬菜决定，栽种水芹、西洋菜、水蕹菜时水深在0.1~0.2 m，栽种茭瓜时水深可达0.3 m左右。稳定塘按前、后段分别下挖0.5 m和1 m，前后段面积比为1:1，下挖土壤堆放四周，加宽塘基，防止水往外渗漏，稳定塘前段周边和中间分别栽种挺水植物菖蒲，后段栽种沉水植物睡莲。
另外，栅格池、调节池、水平流生物滤池和垂直流生物滤池的长宽比都约为1.5-2:1，栅格池和调节池面积按1:10设计;调节池、水平流生物滤池和垂直流生物滤池面积比为2.5:2.5:1;第一级和第二级表面流人工湿地长宽比约为3:1、面积比1:1.5;稳定塘长宽比为3:1，与第二级表面流人工湿地面积比按1:1设计。具体尺寸根据需要处理的农村污水总量和地形特点稍做调整。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本发明方法工艺流程的设计参考水利工程、生态工程、污水处理工程的相关理论与技术，并结合服务农村区域范围内的污水产生量、分布情况以及发展规划等因素，可以适应农村污水成分复杂多变的特点，实现农村分散式生活和养殖污水高效净化。
1.处理效率高：本发明方法在拦截污水中大的杂物后进入调节池，利用物理沉降、微生物作用等初步降解过程去除一定悬浮物和COD等;水平流生物滤池、垂直流生物滤池和第一级人工湿地作为强化处理单元，去除大部分COD、氮、磷污染;第二级人工湿地和稳定塘作为深度处理单元，实现出水达标排放。该处理工艺避免了单一处理类型只能处理某些污染物质或某个浓度范围的污染物质的污水处理模式，出水干净、稳定。处理出水透明、清澈，无异味，对水体中污染物处理效率整体保持在80%以上，即排水中COD、总磷、总氮和氨氮分别低于60mg/L、1 mg/L、20mg/L和8mg/L，出水水质指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准，对农村污水中氮磷达到深度处理去除效果。
2.“零动力”运行：结合当地自然背景条件(土地面积、地形、气象、水文因素等)，选具有自然高程差的田块、洼地或塘，构建的处理工艺系统达到“零动力”运行要求。
3.建设运行费用低、管理简单：根据工艺流程中不同处理单元的特点，使用处理材料多为农村易获取的材料如稻草、稻谷壳、碎木屑、红壤等，建设成本低。整个工艺流程的管理主要是调节沉淀池沉积淤泥的定期清理，人工湿地的植物定期收割、除虫等，管理简单。以构建一个日处理能力30 t/d的本发明处理工艺系统来说，需要利用土地面积约1500m2，前期投资费用约5万元左右。工程运行开始后，动力费为0元/年，人工费和维护修缮费主要包括需日常维护人员负责淤泥清除、植物补种、收割管理等，月工资300元/月)，整个组合工艺一年运行总成本不大。
4. 良好的生态环境效应、社会效应：本发明农村污水处理系统可以做到让处理农村区域地表不见污水，农村污水处理后达标排放进入下游河道，能有效控制农业面源污染;同时水平流生物滤池、垂直生物滤池、人工湿地、稳定塘等处理单元都搭配种植水生植物，具有很好的观赏价值;另外，在养殖废水处理达标的情况下，人工湿地、稳定塘可种植无害水生蔬菜，创造经济效益，便于该发明技术在农村推广应用。