申请日2019.11.28
公开(公告)日2020.02.04
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16
摘要：
本发明涉及一种潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置及方法，属于污水处理领域。该装置包括潮汐流湿地单元Ⅰ、潮汐流湿地单元Ⅱ、沉淀池和生物接触反应池，潮汐流湿地单元Ⅰ与潮汐流湿地单元Ⅱ平行设置，沉淀池的出水管Ⅰ、出水管Ⅱ分别与潮汐流湿地单元Ⅰ、潮汐流湿地单元Ⅱ的进水管连通，潮汐流湿地单元Ⅰ、潮汐流湿地单元Ⅱ的出水管均与生物接触反应池连通，生物接触反应池的池体中心设置出水管，生物接触反应池的出水管分别与潮汐流湿地单元Ⅰ、潮汐流湿地单元Ⅱ的进水管连通，生物接触反应池底部设置污泥斗。本装置可高效去除污水中的污染物，较强的抗冲击负荷能力，可有效延缓湿地基质堵塞，提高湿地处理能力和运行寿命。
权利要求书
1.一种潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：包括潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)、沉淀池(4)和生物接触反应池(7)，潮汐流湿地单元Ⅰ(1)与潮汐流湿地单元Ⅱ(13)平行设置，沉淀池(4)的出水管Ⅰ、出水管Ⅱ分别与潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)的进水管连通，潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)的出水管均与生物接触反应池(7)连通，生物接触反应池(7)的池体中心设置出水管，生物接触反应池(7)的出水管分别与潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)的进水管连通，生物接触反应池(7)底部设置污泥斗(9)。
2.根据权利要求1所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：生物接触反应池(7)底部设置有布水器(8)，潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)的出水管均与布水器(8)连通。
3.根据权利要求2所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：污泥斗(9)底端外接污泥泵。
4.根据权利要求1所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：生物接触反应池(7)的出水管上设置有定时开关(5)和水泵(12)，生物接触反应池(7)的出水管分别通过进水管Ⅰ、进水管Ⅱ与潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)的进水管连通。
5.根据权利要求4所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：沉淀池(4)的出水管Ⅰ、沉淀池(4)的出水管Ⅱ、潮汐流湿地单元Ⅰ(1)的出水管、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)的出水管、进水管Ⅰ、进水管Ⅱ上均设置有电子闸门(3)。
6.根据权利要求1所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：生物接触反应池(7)内悬挂设置有若干列生物膜填料(10)。
7.根据权利要求6所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：生物接触反应池(7)内悬挂设置有缓释碳源包(11)。
8.根据权利要求1所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)的结构相同且都包括基质和湿地植物(2)，湿地植物(2)种植在基质顶部，基质底部填充设置有砾石底层，基质顶部填充设置有砾石顶层，砾石底层与砾石顶层之间填充设置有生物炭颗粒。
9.根据权利要求1所述潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，其特征在于：沉淀池(4)、潮汐流湿地单元Ⅰ(1)、潮汐流湿地单元Ⅱ(13)和生物接触反应池(7)内壁均设置有防渗层且外壁设置有止水钢板层。
10.潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理方法，其特征在于：采用潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，具体步骤如下：
(1)将污水输送至沉淀池中进行沉淀预处理，预处理污水通过沉淀池的出水管Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅰ的进水管流入潮汐流湿地单元Ⅰ中进行污水处理预设时间;
(2)潮汐流湿地单元Ⅰ处理的污水经潮汐流湿地单元Ⅰ的出水管和生物接触反应池底部的布水器流入生物接触反应池中，然后闲置复氧预设时间，再将预处理污水通过沉淀池的出水管Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅰ的进水管流入潮汐流湿地单元Ⅰ中进行污水处理预设时间;潮汐流湿地单元Ⅰ处理污水时间等于闲置复氧时间;
(3)生物接触反应池底部布水器布水冲刷生物膜填料表面的老化生物膜，生物接触反应池中污水经生物膜填料净化处理;在潮汐流湿地单元Ⅰ处理的污水经潮汐流湿地单元Ⅰ的出水管和生物接触反应池底部的布水器流入生物接触反应池中时，生物接触反应池中的污水经生物接触反应池出水管的水泵、进水管Ⅱ输送至闲置复氧期的潮汐流人工湿地单元Ⅱ中处理，潮汐流人工湿地单元Ⅱ处理的水排放后闲置复氧预设时间;潮汐流湿地单元Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅱ处理污水时间相等且闲置复氧时间相等，潮汐流湿地单元Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅱ处于相反的污水处理-排空状态;
(4)潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置运行预设时间，潮汐流湿地单元Ⅰ与潮汐流湿地单元Ⅱ处理级位置互换，预处理污水通过沉淀池的出水管Ⅱ和潮汐流湿地单元Ⅱ的进水管流入潮汐流湿地单元Ⅱ中进行污水处理，生物接触反应池中的污水经生物接触反应池出水管的水泵、进水管Ⅰ输送至闲置复氧期的潮汐流人工湿地单元Ⅰ中处理。
说明书
一种潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及一种潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置及方法，属于污水处理领域。
背景技术
随着社会和经济的快速发展，各类污水的排放量逐年增长。但经济欠发达或人口密度小的地区的污水处理设施建设并不完善，存在大量生活污水等直排入河流或湖泊的现象，造成受纳河流湖泊水体受到污染，水体功能下降，威胁流域的生态安全。因此，亟需通过污水收集管网建设、集中式和分散式污水处理设施的建设提高农村地区生活污水处理覆盖率，提升农村环境的整体水平。
人工湿地技术是一种分散式污水生态处理技术，通过湿地基质截留、吸附、微生物的转化分解和湿地植物的吸收利用共同去除污染物，具有建设及运行费用低、管理方便、出水水质良好和生态环境附加价值高等优点，被广泛应用于农村等地的生活污水的处理中。
但传统人工湿地工艺的脱氮效能常常受到水中溶解氧和有机碳源含量不足的限制，且常因过高的污染负荷造成污染物长期去除效果较差，湿地堵塞等问题。潮汐流人工湿地模拟自然潮汐过程，通过进水-反应-排空复氧的运行模式提升湿地氧气含量，增强硝化效果，创造交替的好氧-缺氧/厌氧环境条件，是一种较为有效的强化湿地脱氮效能的运行方法。然而，单一的潮汐流人工湿地系统仍然存在占地面积大、污染物去除负荷低、高负荷下污染物去除效果不佳、基质易堵塞等问题，如何以人工湿地为基础构建适用于农村等地的低成本高效且可持续性强的污水处理系统仍是相关领域的难点之一。除此之外，湿地是排放温室气体的重要源头之一，如何减少湿地温室气体排放也是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有人工湿地污水处理技术应用存在的上述技术问题，提供一种适用于处理各类分散型污水的潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合装置，本发明将沉淀池、“饱和—排空”运行工况相反的两级潮汐流人工湿地和生物接触反应池进行有机组合，在优化设计的运行方案下通过该多流程处理装置去除污水中的各种污染物质，缩短污水处理所需时间，提升污水处理效果，可满足对不同C/N比的污水脱氮除磷和有机物去除的要求。采用生物炭颗粒作为湿地基质填料，还有利于温室气体减排。
本发明的潮汐流湿地-生物接触反应池复合装置，用于处理不同C/N的分散型污水。潮汐流湿地因较强的复氧能力，可为硝化和有机物分解的微生物活动提供较好的条件，生物接触反应池长期保持一定水体的厌氧或兼氧状态，为反硝化微生物提供适合的场所分解硝化反应的产物，同时进一步去除各类污染物。湿地进水先经沉淀池沉淀，可有效去除水中颗粒物，同时两组湿地系统交替作为先处理级，有效延缓湿地床体堵塞，延长湿地使用寿命。
本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，包括潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13、沉淀池4和生物接触反应池7，潮汐流湿地单元Ⅰ1与潮汐流湿地单元Ⅱ13平行设置，沉淀池4的出水管Ⅰ、出水管Ⅱ分别与潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13的进水管连通，潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13的出水管均与生物接触反应池7连通，生物接触反应池7的池体中心设置出水管，生物接触反应池7的出水管分别与潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13的进水管连通，生物接触反应池7底部设置污泥斗9。
所述生物接触反应池7底部设置有布水器8，潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13的出水管均与布水器8连通。
优选的，布水器8为脉冲布水器，在脉冲进水时冲刷已有生物膜，有利于促进新生物膜生长;
进一步地，所述污泥斗9底端外接污泥泵。
所述生物接触反应池7的出水管上设置有定时开关5和水泵12，生物接触反应池7的出水管分别通过进水管Ⅰ、进水管Ⅱ与潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13的进水管连通。
进一步地，所述沉淀池4的出水管Ⅰ、沉淀池4的出水管Ⅱ、潮汐流湿地单元Ⅰ1的出水管、潮汐流湿地单元Ⅱ13的出水管、进水管Ⅰ、进水管Ⅱ上均设置有电子闸门3。
所述生物接触反应池7内悬挂设置有若干列生物膜填料10;
进一步地，所述生物接触反应池7的顶端和底端均设置有横杆6，生物膜填料10悬挂设置在横杆6之间，悬挂密度为9-12串/平米。
进一步地，为处理低C/N污水，所述生物接触反应池7内悬挂设置有缓释碳源包11为低C/N比污水提供反硝化脱氮所需碳源，缓释碳源可为芦苇秸秆等生物质碳源。
更进一步地，所述生物接触反应池7顶部设有可拆卸的不透明盖板，不透明盖板上开设有小孔便于污水处理产生的气体逸散，反应池长期处于淹水状态，有利于反硝化等过程的进行;
所述潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13的结构相同且都包括基质和湿地植物2，湿地植物2种植在基质顶部，基质底部填充设置有砾石底层，基质顶部填充设置有砾石顶层，砾石底层与砾石顶层之间填充设置有生物炭颗粒。
进一步地，所述砾石顶层的砾石粒径小于砾石底层的砾石粒径;
更进一步地，潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13的潮汐流湿地单元床体填料包括小粒径砾石(5-10mm)、大粒径砾石(10-30mm)和生物炭颗粒(3-10mm)，小粒径砾石填充在床体表层，占整个床体体积1/3;生物炭颗粒填充在床体中部，占整个床体体积1/3;大粒径砾石填充在床体下层，占整个床体体积1/3;
所述沉淀池4、潮汐流湿地单元Ⅰ1、潮汐流湿地单元Ⅱ13和生物接触反应池7内壁均设置有防渗层且外壁设置有止水钢板层;池体使用防渗混凝土浇筑，防水处理后可避免污水渗出污染土壤和地下水。
潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理方法，采用潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置，具体步骤如下：
(1)将污水输送至沉淀池中进行沉淀预处理，预处理污水通过沉淀池的出水管Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅰ的进水管流入潮汐流湿地单元Ⅰ中进行污水处理预设时间;
(2)潮汐流湿地单元Ⅰ处理的污水经潮汐流湿地单元Ⅰ的出水管和生物接触反应池底部的布水器流入生物接触反应池中，然后闲置复氧预设时间，再将预处理污水通过沉淀池的出水管Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅰ的进水管流入潮汐流湿地单元Ⅰ中进行污水处理预设时间;潮汐流湿地单元Ⅰ处理污水时间等于闲置复氧时间;
(3)生物接触反应池底部布水器布水冲刷生物膜填料表面的老化生物膜，生物接触反应池中污水经生物膜填料净化处理;在潮汐流湿地单元Ⅰ处理的污水经潮汐流湿地单元Ⅰ的出水管和生物接触反应池底部的布水器流入生物接触反应池中时，生物接触反应池中的污水经生物接触反应池出水管的水泵、进水管Ⅱ输送至闲置复氧期的潮汐流人工湿地单元Ⅱ中处理，潮汐流人工湿地单元Ⅱ处理的水排放后闲置复氧预设时间;潮汐流湿地单元Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅱ处理污水时间相等且闲置复氧时间相等，潮汐流湿地单元Ⅰ和潮汐流湿地单元Ⅱ处于相反的污水处理-排空状态;
(4)潮汐流人工湿地耦合生物接触反应池的复合污水处理装置运行预设时间，潮汐流湿地单元Ⅰ与潮汐流湿地单元Ⅱ处理级位置互换，预处理污水通过沉淀池的出水管Ⅱ和潮汐流湿地单元Ⅱ的进水管流入潮汐流湿地单元Ⅱ中进行污水处理，生物接触反应池中的污水经生物接触反应池出水管的水泵、进水管Ⅰ输送至闲置复氧期的潮汐流人工湿地单元Ⅰ中处理。
具体的，污水进入复合装置中的沉淀池进行预处理，而后流入潮汐流湿地单元Ⅰ1，停留处理3～6小时后进入生物接触反应池7;潮汐流湿地单元Ⅰ1放空闲置3～6小时;潮汐流湿地单元Ⅰ1污水进入生物接触反应池前，池中一半体积已处理的污水经水泵抽入另一个处于闲置期的潮汐流人工湿地单元Ⅱ13中处理3～6小时，而后污水最终排放，潮汐流湿地单元Ⅱ13放空闲置3～6小时;潮汐流湿地单元Ⅱ13排水的同时，潮汐流湿地单元Ⅰ1闲置期结束，再次通入沉淀池来水;潮汐流湿地单元Ⅰ1和潮汐流湿地单元Ⅱ13污水处理和放空的时间相等，但处于相反的污水饱和处理-排空状态，即潮汐流湿地单元Ⅰ1处于污水饱和处理状态时，潮汐流湿地单元Ⅱ13处于污水排空状态，潮汐流湿地单元Ⅰ1处于污水排空状态时，潮汐流湿地单元Ⅱ13处于污水饱和处理状态;
潮汐流湿地单元Ⅰ1和潮汐流湿地单元Ⅱ13的处理和放空闲置时间长短视污水中污染物浓度的高低而定，污水浓度越高，放空闲置时间越长;
污水从沉淀池流入潮汐流湿地单元、以及从潮汐流湿地单元流入生物接触反应池均以电子阀门进行控制，通过重力流实现;污水从生物接触反应池流入另一个潮汐流湿地单元通过水泵提升实现;水泵每次开启时长控制在5～10分钟。
系统运行1-2月后，沉淀池出水端由潮汐流湿地单元Ⅰ1换为潮汐流湿地单元Ⅱ13，污水先在潮汐流湿地单元Ⅱ13中处理后排入生物接触反应池7，再进入潮汐流湿地单元Ⅰ1处理后排出，按此循环。
本发明的有益效果：
(1)本发明复合装置串联使用三种功能不同的构筑物，可在较短的水力停留时间下达到高效的污水处理效果;沉淀池主要去除水中悬浮物，也可一定程度去除有机物，作为水解酸化池使用。潮汐流湿地单元排空后基质进行复氧，微生物通过硝化作用将NH4+其转化为NO3-，当下一周期进水时即可发生反硝化作用去除NO3-;同时包括微生物胞外分泌物在内的有机物被分解。潮汐流的运行方式还有利于磷的去除;生物接触反应池保持优势的缺氧/厌氧环境，有利于反硝化脱氮等过程的进行;本发明中各构筑物的水力停留时间较短，污染物经一定处理即进入下一处理级，充分利用多级处理达到高效的污水处理效果;
(2)本发明复合装置相比于多级组合湿地或单一生物接触反应池系统，占地面积小，水处理构筑物利用效率高;沉淀池出水以一定运行时间间隔交替先进入其中一个潮汐流湿地单元，可充分利用两个湿地单元的除污容量，有效延缓湿地堵塞，延长湿地使用寿命;
(3)本发明复合装置可根据不同进水的C/N比向生物接触反应池供应低成本外加碳源以强化反硝化脱氮效果，外加碳源可方便地进行替换。整个系统对不同水质的适应性好，抗冲击负荷能力强;
(4)本发明复合装置采用生物炭作为湿地基质，其具有较强的氮磷吸附能力，有利于污染物通过吸附作用被去除，潮汐运行方式有助于恢复湿地基质的吸附容量;同时生物炭具有较大的比表面积，可为微生物的附着提供有利空间，增强了污染物通过微生物途径被去除的效能;生物炭的应用还可以提高湿地植物定植初期的成活率和长势，减少湿地系统单位污染物去除量下温室气体的排放量;
(5)本发明复合装置运行耗能较少;通过将不同水处理构筑物放置在不同高度，形成地势差，整个流程的多数阶段污水可依靠重力流入下一级水处理构筑物;整个系统仅使用一个污水提升水泵，减少了耗电量和电气设备购置和维护费用。（发明人：常军军;寄博华;陈金全;申时立;邓盛炯）