申请日2013.07.31
公开(公告)日2013.11.20
IPC分类号C02F9/14
摘要
一种生态护坡式污水土地渗滤系统，包括沿坡地坡度从上至下依次设置的格栅池⑵、厌氧水解池⑷和阶梯式土地渗滤单元，所述格栅池⑵与沟渠⑴相连通，所述阶梯式土地渗滤单元包括多级护坡渗透床⑸，所述护坡渗透床⑸内部填充有滤料⑺，护坡渗透床⑸上培植有湿生植物群落⑼，相邻护坡渗透床⑸之间设置有用于对渗滤速度、水力停留时间、滤层内环境和出水方式进行控制的模态转换组件⑹。其优点是：耐受农村污水水质水量冲击;复氧能力旺盛不易堵塞;强化脱氮除磷效果;绿色节能经济可行;具备优良水利和生态价值。
权利要求书
1.一种生态护坡式污水土地渗滤系统，其特征在于：包括沿坡地坡度从上至下依次设置的格栅池⑵、厌氧水解池⑷和阶梯式土地渗滤单元，所述格栅池⑵与沟渠⑴相连通，所述阶梯式土地渗滤单元包括多级护坡渗透床⑸，所述护坡渗透床⑸内部填充有滤料⑺，护坡渗透床⑸上培植有湿生植物群落⑼，相邻护坡渗透床⑸之间设置有用于对渗滤速度、水力停留时间、滤层内环境和出水方式进行控制的模态转换组件⑹。
2.如权利要求1所述的生态护坡式污水土地渗滤系统，其特征在于：所述模态转换组件⑹，包括倒T形管⑾，所述倒T形管⑾下端一接口位于上一级护坡渗透床⑸内，所述倒T形管⑾下端另一接口位于下一级护坡渗透床⑸上方形成低位出水口⑿，所述倒T形管⑾顶端接口位于下一级护坡渗透床⑸上方形成高位出水口⒀，所述高位出水口⒀下部设有溢流堰水槽⒁，溢流堰水槽⒁外部设有V形三角布水堰口⒂;所述低位出水口⑿末端设置有模态转换阀门⒃。
3.如权利要求2所述的生态护坡式污水土地渗滤系统，其特征在于：所述V形三角布水堰口⒂的横截面为V形，V形三角布水堰口⒂的入水侧为矩形堰，V形三角布水堰口⒂的出水侧为连续设置的三角堰。
4.如权利要求2或3所述的生态护坡式污水土地渗滤系统，其特征在于：所述V形三角布水堰口⒂距离下一级护坡渗透床⑸的垂直高度大于30cm。
5.如权利要求1所述的生态护坡式污水土地渗滤系统，其特征在于：所述护坡渗透床⑸的厚度为30-100cm。
6.如权利要求1所述的生态护坡式污水土地渗滤系统，其特征在于：所述护坡渗透床⑸的基床沿水流方向的坡度为0.3-3%。
7.利用权利要求1-6任一项所述的生态护坡式污水土地渗滤系统的土地渗滤方法，包含如下步骤：
①经过生态沟渠或地表漫流收集的面源污水首先进入坡地上端的格栅池滤除垃圾和大颗粒悬浮物，出水直接流入厌氧水解池去除固体悬浮物和部分生化需氧量，同时稳定水质;
②经步骤①预处理的出水通过溢流堰进入阶梯式土地渗滤单元，通过生态滤层的跌水曝氧、吸附截留、微生物的降解利用和湿生植物群落的吸收转化去除大部分生化需氧量、固体悬浮物和病原微生物，尤其是通过多级护坡渗透床之间的模态转换组件实现对氮磷的有效去除;
③经步骤②土地渗滤的出水由溢流堰排出，经过氮磷回用口用于农田灌溉，或者通过湿地或滴滤系统进行深度处理，出水排入天然水体。
说明书
一种生态护坡式污水土地渗滤系统及其渗滤方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体的说是一种应用于丘陵地区及山区的农村面源污染控制与污水集中处理或其他适宜的污水处理的生态护坡式污水土地渗滤系统及其渗滤方法。
背景技术
我国从20世纪80年代开始进行污水点源污染的集中治理，迄今经过30年的发展和完善，我国的污水点源污染已经得到基本控制，尤其是在城市和工业区。然而相对的，近十年以来我国的江河湖泊水质仍然较不理想，针对各个受污染水体的治理耗费了大量财力人力却仍不见持久的明显的效果，其根本原因就在于面源污染控制的薄弱。
我国农业地区占国土面积的8%以上，且多位于较发达的水系水网区域，这些水网水系流域范围占了国土面积的35%左右，由于我国属于多山的国家，农业地区中有50%以上都位于丘陵及山区，一旦该地区面源污染大量通过农田排水、雨水径流进入上游水系，势必会迅速扩散到流域全境。而在我国的农业生产活动中，氮肥磷肥的使用现阶段仍然缺乏科学的指导，虽然我国耕地面积仅占全球的10%，氮磷肥使用量却占全球30%。灌溉、降雨和地表径流会带走大量的小颗粒、水溶性营养物质、各种病原微生物和垃圾，被水流携带进入地表径流继而进入各种水体的营养物质不仅加剧了水土的养分流失，还会导致严重的水体富营养化，从地处内陆高原的滇池到平原地区的洞庭湖、鄱阳湖，再到沿海地区的近海区域都面临严峻的富营养化危机。到2012年，我国沿海及内地的15个省区市都已经处于面源污染高风险地区，严重的富营养化现象不仅降低了水体健康性，打破了生态平衡，还会影响到水系区域内民众的健康和农业生产活动的正常进行。从长远来看，面源污染导致的一系列恶果会对我国、对外农业贸易、民众生活水平乃至经济发展造成不良影响，在“十八大”提出的建设生态文明理念就包括了对面源污染控制的重视。
相比于城镇地区污水处理，乡村地区经济条件有限，污水源头分散，水质水量波动很大，因此很难使用常规而高耗能的污水厌氧-缺氧-好氧处理工艺(Anaerobic-Anoxic-Oxic，简称A2/O)、序批式活性污泥反应器(Sequencing batch reactor，简称SBR)工艺。目前控制面源污染的技术主要包括三个方面：氮磷源头拦截、中段控制和末端处理。由于农业地区面积宽广地形复杂和经济条件限制，在中段对氮磷进行去除难以进行，因此得到重视和发展的是源头拦截和末端处理。其中源头拦截技术主要是指在氮磷产生区域进行拦截和和回用，主要技术包括生态沟渠、草沟、生态塘、人工湿地和土地渗滤等，而末端处理则主要指在富氮磷污水进入径流和水体之前进行截留和处理，主要技术手段包括前置库、植被缓冲带、生态透水坝等。
其中，作为一种比较古老的污水处理工艺，土地渗滤常用于农村地区污水处理中，尤其是在西方国家。据调查在美国农村各种形式的土地渗滤装置普及率达到了63%，而瑞典更是达到了80%，德国、加拿大等国也有大量稳定的土地渗滤设施在运行。土地渗滤主要包括慢速渗滤系统、快速渗滤系统、地表漫流系统、人工湿地系统和地下渗滤系统等，其中快速渗滤系统和地下渗滤系统比较常用，前者经济适用、抗水力负荷能力突出，但是面临处理效率较低的限制;后者处理效率较高，环境条件适应能力较强，但是面临着堵塞、缺氧和滤料老化失效的问题。同样的,目前我国常用的土地渗滤处理技术常常面临包括滤料堵塞、基建维护费用、运行能耗高、环境景观效果不佳的缺点。除此之外，普通的土地渗滤系统对氮磷的处理主要依靠滤料吸附而非转化降解完成，在除磷时尤其明显，因此本发明主要针对以下目标进行研发：(1)耐受农村污水水质水量冲击;(2)复氧能力旺盛不易堵塞;(3)强化脱氮除磷效果;(4)绿色节能经济可行;(5)具备优良水利和生态价值。
发明内容
本发明生态护坡式污水土地渗滤系统及其渗滤方法的目的在于提供一种低能耗、高效率的生态护坡式污水土地渗滤系统及其渗滤方法，该系统适合我国农村污水集中处理，具备泛用性、经济型、稳定性和景观性。
一种生态护坡式污水土地渗滤系统，包括沿坡地坡度从上至下依次设置的格栅池2、厌氧水解池4和阶梯式土地渗滤单元，所述格栅池2与沟渠1相连通，所述阶梯式土地渗滤单元包括多级护坡渗透床5，所述护坡渗透床5内部填充有滤料7，护坡渗透床5上培植有湿生植物群落9，相邻护坡渗透床5之间设置有用于对渗滤速度、水力停留时间、滤层内环境和出水方式进行控制的模态转换组件6。
所述模态转换组件6，包括倒T形管11，所述倒T形管11下端一接口位于上一级护坡渗透床5内，所述倒T形管11下端另一接口位于下一级护坡渗透床5上方形成低位出水口12，所述倒T形管11顶端接口位于下一级护坡渗透床5上方形成高位出水口13，所述高位出水口13下部设有溢流堰水槽14，溢流堰水槽14外部设有V形三角布水堰口15;所述低位出水口12末端设置有模态转换阀门16。
所述V形三角布水堰口15的横截面为V形，V形三角布水堰口15的入水侧为矩形堰，V形三角布水堰口15的出水侧为连续设置的三角堰。
所述V形三角布水堰口15距离下一级护坡渗透床5的垂直高度大于30cm。
所述护坡渗透床5的厚度为30-100cm。
所述护坡渗透床5的基床沿水流方向的坡度为0.3-3%。
本发明生态护坡式污水土地渗滤系统前端设置超越管渠以保护系统免受暴雨和洪水冲击。
本发明生态护坡式污水土地渗滤系统末端设置氮磷回用接口10以便于实现氮磷回用。
一种生态护坡式污水土地渗滤方法，包含如下步骤：
①经过生态沟渠或地表漫流收集的面源污水(包括前期雨水和生活污水)首先进入坡地上端的格栅池滤除垃圾和大颗粒悬浮物，出水直接流入厌氧水解池去除固体悬浮物和部分生化需氧量，同时稳定水质;
②经步骤①预处理的出水通过溢流堰进入阶梯式土地渗滤单元，通过生态滤层的跌水曝氧、吸附截留、微生物的降解利用和湿生植物群落的吸收转化去除大部分生化需氧量、固体悬浮物和病原微生物，尤其是通过多级护坡渗透床之间的模态转换组件实现对氮磷的有效去除;
③经步骤②土地渗滤的出水由溢流堰排出，经过氮磷回用口用于农田灌溉，或者通过湿地或滴滤系统进行深度处理，出水排入天然水体。
本发明是这样实现的：底端开口模式下污水由滤层底端的低位出水口直接流出，滤层水头压差增大，实现快速渗滤，通过滤层表面复氧和水位下降负压增氧，滤层内保持富氧状态。此时滤料主要通过截留作用滤除大颗粒有机物，而后由滤料微生物好氧消化分解吸附的有机污染物，从而降低污水的生化需氧量和总氮、总磷，避免大颗粒污有机物堵塞滤层。在本阶段中，湿生植物群落通过根系生态圈(根的吸收、呼吸，根瘤菌群和根生氮素微生物)实现硝化反应，氮素以硝态氮、亚硝态氮的形式被截留在跟际生态圈，同时滤层中的聚磷菌群落通过微生物代谢过程大量吸收粘附在菌胶团表面的PHA(磷聚合物)，将其转变为胞内营养物质从而完成磷的去除，同时为滤层内的生物圈提供能量来源。
通过倒T形管顶端出水模式下，污水由高位出水口进入下一滤层，通过滤层进出水水头差值变小，滤层内进入慢速渗滤阶段，通过跌水复氧和滤料表面复氧，由于污水停留后时间延长，在该模式下滤层内处于贫氧状态，滤料主要通过吸附作用截留较小颗粒的有机污染物，而后被滤料中的兼性厌氧微生物消化，实现生化需氧量的去除，同时会释放部分已经吸附还未吸收转化的氮磷化合物。在本阶段，湿生植物群落根系主要通过根系的根瘤菌、跟际生态圈中的反硝化菌群实现贫氧反硝化反应，好氧阶段累积的硝态氮被转化为氮气溢出滤层散逸，氮气的散逸过程可以强化滤层中物质与大气物质的交流。同时聚磷菌在贫氧状态下生物活性受到抑制，开始超量释放菌体内的磷化合物，以PHA(磷聚合物)的形式附着在菌胶团表面，等待进入好氧条件下进行吸收转化。该模式滤层出水进入溢流堰水槽14，通过V形三角布水堰口以水幕和滴滤的形式进入下一个滤层，污水在下降和进入滤层时通过气液界面交换和冲击分散实现复氧。
本发明的污水处理原理在于：通过渗滤模态的交换，该系统可以实现富氧-贫氧-富氧-贫氧条件的交替作用，类似于城市污水处理厂的污水缺氧-好氧处理工艺和序批式活性污泥反应器工艺，通过这样的交替在同一个滤层反复实现去除生化需氧量，脱氮除磷，最终氮素散逸进入大气，磷素则主要聚集于较高等的微生物(甲壳纲、蚯蚓等)和湿生植物群落中，通过定期收割植物即可实现磷素的最终处置。同时完整健康的生态圈可以实现病原微生物的有效去除，从而实现污水的处理过程。生态滤层数量越多，转换周期越短，则该系统处理效果越好。
本发明生态护坡式污水土地渗滤系统及其渗滤方法的优点是：
1. 本发明通过滤料表面自然复氧、跌水复氧、负压复氧等多种方式实现污水复氧，保证生态滤层中氧含量充足，既保证了生化需氧量处理效果，还可以有效避免滤层堵塞;
2. 本发明通过多滤层的串联和模态转换组件实现了各滤层富氧-贫氧的交替转换，可以有效强化氮磷去除效率，尤其是普通处理系统难以降解的磷素;
3. 通过控制模态转换组件还可以有效控制滤层渗滤速度，在雨季或暴雨来临时除了开启超越管渠之外还可以增加快滤滤层数量实现对水量冲击的有效应对;在旱季中可以适当增加慢滤层数以应对水量减少和水质恶化;其中生态滤层滤料和湿生植物群落可以在长期浸没或极端干旱状态下保证正常生长;本发明对于农村污水处理领域中常见的水量水质冲击变化有较强的耐受力;
4. 本发明建立在生态护坡的基础上，阶梯式土地渗滤单元本身可以作为坡地护坡，可以有效减少水土流失、山体滑坡、泥石流等灾害带来的危害，保障民居群落经济财产的安全;如果建立在河湖塘渠的湖泊上还可以作为水利设施使用，同时具备污水源头处理和保护区域水利安全的功能;
5. 本发明在构建的生态护坡呈阶梯状，每个阶层都种植湿生植物，通过滤层跌水、出水和植物群落的有机组合模拟出了“花园瀑布”式的景观效果，同时通过结合植物群落和水流的光合作用和温度湿度调蓄作用共同赋予了本系统巨大的生态景观价值;
6. 本发明有效利用了丘陵地区民居和田地的高差，系统尾水既可流入收纳水体，也可以自然流入田地、菜地中实现氮磷回用，既实现了资源回收也省去污水深度处理环节;
7. 本发明利用坡地的天然地形减少了基建投入，同时在收集、处理、排放、回用过程中不依靠任何人造能源和动力，完全实现零能耗;在需要维修更换时也可以快速便捷地完成，最大程度的节省了经济投入，还可以通过产出绿色植物和生态观感实现资源反哺。