[0001]
本发明涉及一种基于农业废弃物碳缓释强化生物脱氮同步除磷的改进型人工快渗一体化装置及其应用，属于污水处理技术领域。
背景技术：
[0002]
我国大多数的农村地区尤其是中西部干旱、半干旱地区，农村污水处理设施严重滞后，污水处理效果差，造成受纳水体污染严重，严重威胁水资源质量，生活污水处理迫在眉睫。干旱、半干旱地区人口量小且分布较分散，污水量小且波动大、污水收集困难，加之经济水平低，投入到污水处理上的资金和精力有限，基建设施不完全，这直接制约了污水处理技术推广和应用，因此，需要寻求经济适用、运行稳定可靠、能耗低、处理效果好、操作简单的污水处理工艺。
[0003]
与传统污水处理技术相比，人工快速渗滤系统具有占地面积较小、运行成本低(投资仅为常规污水处理的1/3～1/2)和不排泥，水力负荷高、操作管理简便等优点，在处理小城镇及农村生活污水和受污染的地表水时效果明显。
[0004]
人工快速渗滤系统是在传统土壤渗滤系统基础上，采用渗透性能良好的渗滤介质如天然河砂代天然土层，大大提高了水力负荷(1～3m/d)，采用干湿交替布水方式，并充分利用渗滤介质过滤截留、吸附及其微生物代谢作用以降解水体中污染物，达到净化水质的目的，其中微生物的代谢作用对污染物的去除占据主导地位。人工快速渗滤池上部呈现好氧环境，快渗池下部呈现缺氧/厌氧环境，污水中的有机物主要在好氧微生物的作用下被氧化降解，有机氮在微生物的作用下转化为氨氮，氨氮在人工快速渗滤系统中需要经历填料吸附、硝化和反硝化3 个过程，通过生物机制与非生物机制协同去除，其中，在快渗池上部好氧条件下，氨氮通过硝化作用转化为硝态氮，在快渗池下部缺氧/厌氧环境条件下，硝态氮通过反硝化作用被去除，人工快速渗滤系统对cod、bod以及nh
3-n的去除效果分别可达85％、90％、90％以上，然而由于有机碳源在快渗池上部被去除导致下部有机碳源不足，在快渗池下部的厌氧反硝化受到一定限，导致人工快速渗滤系统对tn的去除率低，约为10～30％。通过投加外加碳源如甲醇、乙醇、乙酸钠以及葡萄糖等化合物可以改善人工快渗系统的脱氮效果，但这些液体碳源的投加存在投加量难以控制、过量易造成二次污染、成本偏高等问题，且甲醇等物质的投加需要一定的微生物适应期，通过探索廉价易得的碳源比如天然植物或农业废弃物，来实现“以废治废”是一种很好的选择，但是天然植物或农业废弃物存在释碳不够持久、效果不稳定等问题。此外，人工快速渗滤系统对tp的去除是在主要通过化学沉淀与吸附作用，而普通的填料对磷的吸附效果十分有限，一般来说，人工快速渗滤系统对tp的去除率仅为40～60％。
[0005]
因此，开发出一种新型的高效脱氮除磷的人工快速渗滤系统对推广人工快速渗滤技术的应用，对实现水资源的综合利用，提高对能源的利用效率，实现绿色经济的可持续发展有重要意义。
技术实现要素：
[0006]
针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于农业废弃物碳缓释强化生物脱氮同步除磷的改进型人工快渗一体化装置及其应用，该装置结构简单，对污水的脱氮除磷效果好。
[0007]
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
[0008]
一种基于农业废弃物碳缓释强化生物脱氮同步除磷的改进型人工快渗一体化装置，包括进水箱、进水管、布水器、人工快渗池、出水管；所述进水箱通过进水管与布水器相连通，所述进水管上设有蠕动泵，所述布水器安装在人工快渗池顶部，所述人工快渗池包括上下互通的上池体和下池体，上池体顶部开口，上池体内从上至下依次设有保护层、布水层、第一滤料层、毛细阻断层，下池体和上池体法兰连接，下池体内从上至下依次设有缓释碳源层、第二滤料层、承托层，所述出水管一端与承托层底部相连通，另一端与毛细阻断层底部平齐。
[0009]
作为优选方案，所述上池体底部设有圆形穿孔板，穿孔板直径与人工快渗池内径相同，穿孔板与固设在上池体底部的上法兰盘固定连接。
[0010]
作为优选方案，所述进水管上设有时控开关。
[0011]
作为优选方案，所述的第一滤料层采用粒径分别为0.7～1mm、1～2mm、1～ 2mm、1～1.5mm的天然河砂、沸石、石灰石和蜂窝状钢渣均匀混合填充，所述天然河砂、沸石、石灰石以及蜂窝状钢渣的体积百分比为65％：20％：5％：10％，第一滤料层内的填料上生长附着有硝化细菌。
[0012]
作为优选方案，所述的布水层采用粒径20mm～30mm的鹅卵石进行填充，毛细阻断层采用粒径为16～32mm的砾石进行填充。
[0013]
作为优选方案，所述的第二滤料层上部采用粒径分别为0.7～1mm、1.5mm、 1～2mm的天然河砂、海绵铁、锰砂均匀混合填充，下部采用粒径3～5mm活性焦进行填充，所述天然河砂、海绵铁、锰砂、活性焦的体积百分比为69％：10％： 1％：20％，第二滤料层内附着生长有反硝化细菌。
[0014]
作为优选方案，所述的缓释碳源层采用具有优异释碳性能的农林废弃物。
[0015]
作为进一步优选方案，所述农林废弃物为玉米芯、小麦秸秆、核桃壳、榆木屑中的至少一种。
[0016]
作为优选方案，所述毛细阻断层和承托层的上方均设有尼龙网。
[0017]
上述装置在污水处理上的应用，步骤为：进水箱内的待处理生活污水在蠕动泵的作用下经进水管进入布水器中，在布水器的作用下，污水均匀进入人工快渗池内，依次流经布水层，第一滤料层，毛细阻断层，穿孔板，缓释碳源层，第二滤料层二以及承托层，最后经出水管排出。
[0018]
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
[0019]
(1)基建运行成本低。首先，本发明装置为一体化的人工快速渗滤系统，占地面积小，减少了构筑物的数量；其次，该装置采用干湿交替运行，自然复氧的方式进行复氧，无需耗氧；然后，该系统选取天然河砂、沸石、钢渣等作为填料，来源广泛，价格低廉；最后，该系统采用农业废弃物作为缓释碳源材料来源广，价格低，不仅节省了购买传统外加碳源化合物的费用，而且为农林废弃物资源化利用提供了一种新途径，解决了碳源不足导致传统人
工快速渗滤系统反硝化受限的问题。
[0020]
(2)脱氮除磷性能高。本发明所优选的填料组合与级配使得对氮磷的吸附效果好，蜂窝状钢渣与沸石填料为微生物的生长提供有利的条件，出水管高度与毛细阻断层底部齐平保证了池体下部的厌氧环境，缓释碳源材料的添加，为反硝化提供碳源，从而提高脱氮效率。海绵铁与锰砂填料的使用可以提高系统对磷的去除效果。
[0021]
(3)操作维护简单。本发明装置通过调节蠕动泵中的转子可以来调节进水负荷，通过时控开关可以来调节系统的湿干比(即淹水时间与落干时间的比值) 与水力负荷周期；通过对上层填料进行翻动更换可以改善系统发生堵塞的情况，通过对法兰组件的拆卸可以实现缓释碳源中农林废弃物的定期更换，其中，拆卸法兰组件后可将上池体变成一个整体，穿孔板可对上池体内的填料进行阻隔支撑，暴露出缓释碳源层直接对其进行更换，操作简单快速，且不会影响系统污水的下渗，相比将上部全部填料翻出或者直接设计成两段式可以节省工作量与占地面积。
附图说明
[0022]
图1是本发明的结构示意图；
[0023]
图2是本发明法兰组件和穿孔板的结构示意图；
[0024]
附图标记：
[0025]
1、进水箱；2、进水管；21、蠕动泵；22、时控开关；3、布水器；4、人工快渗池；41.上池体；42、保护层；43、布水层；44、第一滤料层；45、毛细阻断层；46、下池体；47、缓释碳源层；48、第二滤料层；49、承托层；5、穿孔板；6、出水管；7、法兰组件；
具体实施方式
[0026]
结合图1和图2，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
[0027]
如图1和图2所示，一种基于农业废弃物碳缓释强化生物脱氮同步除磷的改进型人工快渗一体化装置，包括进水箱1、进水管2、布水器3、人工快渗池4、出水管6；
[0028]
所述进水箱1通过进水管2与布水器3相连通；所述进水管2上设有蠕动泵 21和时控开关22，蠕动泵21用于将进水箱1中的污水提升至布水器3中，进水流量通过调节蠕动泵21的转速控制，时控开关22用于控制布水时间；所述布水器3安装在人工快渗池4顶部；
[0029]
所述人工快渗池4包括上下互通的上池体41和下池体46；所述上池体41 顶部开口，底部设有圆形穿孔板5，穿孔板5直径与人工快渗池4内径相同，上池体41内从上至下依次设有保护层42、布水层43、第一滤料层44、毛细阻断层45，所述保护层42高度在20cm左右，保护层42内不填充任何填料，所述布水层43高度为10cm，布水层43采用粒径20mm～30mm的鹅卵石进行填充，以起到均匀布水的作用，所述第一滤料层44采用粒径分别为0.7～1mm、1～2mm、 1～2mm、1～1.5mm的天然河砂、沸石、石灰石和蜂窝状钢渣均匀混合填充，天然河砂、沸石、石灰石以及蜂窝状钢渣的体积百分比为65％：20％：5％：10％，其中，石灰石用来补充人工快渗系统上部硝化作用消耗的碱度，沸石以及蜂窝状钢渣对氨氮的吸附性能较好，并且钢渣多孔比表面积大的特点利于微生物的生长，第一滤料层44内的填料上生长附着有硝化细菌；所述毛细阻断层45的高度为10cm，毛细阻断层45采用粒径为16～32mm的砾
石进行填充，其作用防止毛细现象的产生使系统的水力条件变差；所述下池体46和上池体41通过法兰组件7法兰连接，所述法兰组件7包括上法兰盘、下法兰盘、螺栓，上法兰盘和下法兰盘分别固设在上池体41底部和下池体46顶部，上法兰盘和下法兰盘通过螺栓紧固，上法兰盘与穿孔板5固定连接；所述下池体46内从上至下依次设有缓释碳源层47、第二滤料层48、承托层49；所述缓释碳源层47的高度为10cm，缓释碳源层47采用具有优异释碳性能的农村地区天然农林废弃物如玉米芯、小麦秸秆、榆木屑等进行填充，为人工快渗系统下部的反硝化作用提供碳源；所述第二滤料层48上部采用粒径分别为0.7～1mm、1.5mm、1～2mm的天然河砂、海绵铁、锰砂均匀混合填充，下部采用粒径3～5mm活性焦进行填充，天然河砂、海绵铁、锰砂、活性焦的体积百分比为69％：10％：1％：20％，其中，海绵铁具有优异的除磷与除氧性能，锰砂的添加可以防止海绵铁出现板结，提高系统的除磷效果，活性焦具有较大的比表面积和发达的中孔结构可进一步对出水进行净化，第二滤料层48内附着生长有反硝化细菌；所述承托层49高度为10cm，采用粒径20mm～30mm的鹅卵石进行填充，起到支撑上层的作用；其中，为防止上层细小滤料进入毛细阻断层45和承托层49，毛细阻断层45和承托层49的上方均设有尼龙网；
[0030]
所述出水管6一端与承托层49底部相连通，另一端(出水口)与毛细阻断层45底部平齐，以保证下池体46始终处于厌氧环境。
[0031]
采用上述装置对污水进行处理的方法，步骤为：进水箱1内的待处理生活污水在蠕动泵21的作用下经进水管2进入布水器3中，在布水器3的作用下，污水均匀进入人工快渗池4内，依次流经布水层43，第一滤料层44，毛细阻断层 45，穿孔板5，缓释碳源层47，第二滤料层48二以及承托层49，最后经出水管6排出，其中，进水的水力负荷为0.5～1.5m/d，通过时控开关3调节装置的湿干比(即淹水时间与落干时间的比值)为1：(3～5)。
[0032]
采用上述方法对污水进行处理，进水水质指标为：cod
cr
＝80～400mg/l, bod5＝68～320mg/l,nh
3-n＝18～52mg/l,tn＝20～56mg/l,tp＝3.5～5.7mg/l；出水管出水水质指标为：cod
cr
＝5.6～48mg/l,bod5＝6.8～9.6mg/l,nh
3-n＝2.9～ 4.2mg/l,tn＝6.4～12.3mg/l,tp＝0.46～0.49mg/l，cod
cr
,bod5,nh
3-n,tn 和tp去除率分别为88～93％,90～97％，84～92％，68～78％和86～92％，出水水质达到了《城镇污水处理理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中的一级a 排放标准。
[0033]
原理：
[0034]
污水进入人工快速渗滤池后，污水中的cod，n，p等污染物先被池中的填料过滤截留吸附，然后在微生物作用下进一步被降解。cod的去除主要发生在人工快渗池4的上部好氧区域第一滤料层44中，由于第一滤料层44中填料以及生物膜的吸附截留以及絮凝等作用，易溶解的小颗粒有机物可被微生物直接吸附降解转化为自身物质，较大颗粒有机物进一步被水解后方可被微生物利用。村镇生活污水中n主要存在形式为nh
3-n与有机氮，在第一滤料层44中nh
3-n与有机氮在好氧细菌的作用下转化为no
3–
n和no
2–
n，no
3–
n和no
2–
n进入下池体46的缓释碳源层47与第二滤料层48，虽然进入第二滤料层48内的cod 不足，难以满足反硝化菌对有机碳源的需求，但是缓释碳源层47可以为反硝化提供充足的碳源，第二滤料层48内的海绵铁填料的除氧作用以及出水管6出水端高度的设置可以为反硝化提供厌氧环境，使no
3–
n和no
2–
n可以在厌氧环境中在反硝化细菌的作用下转化为n2o以及n2排出。污水中p的去除主要依靠快渗池中第一滤料层44以及第二滤料层48二中填料的吸附作用以
及第二滤料层 48中海绵铁与含氧水反应生成fe
2+
，进一步氧化生成fe
3+
与po
43-生成沉淀使p 得以去除。第二滤料层48中活性焦具有发达的中孔结构，可去除cod、色度、胶体等污染物，进一步净化出水，最终实现对污染物高效去除。
[0035]
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种基于农业废弃物碳缓释强化生物脱氮同步除磷的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，包括进水箱、进水管、布水器、人工快渗池、出水管；所述进水箱通过进水管与布水器相连通，所述进水管上设有蠕动泵，所述布水器安装在人工快渗池顶部，所述人工快渗池包括上下互通的上池体和下池体，上池体顶部开口，上池体内从上至下依次设有保护层、布水层、第一滤料层、毛细阻断层，下池体和上池体法兰连接，下池体内从上至下依次设有缓释碳源层、第二滤料层、承托层，所述出水管一端与承托层底部相连通，另一端与毛细阻断层底部平齐。2.如权利要求1所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述上池体底部设有圆形穿孔板，穿孔板直径与人工快渗池内径相同，穿孔板与固设在上池体底部的上法兰盘固定连接。3.如权利要求1所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述进水管上设有时控开关。4.如权利要求1所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述的第一滤料层采用粒径分别为0.7～1mm、1～2mm、1～2mm、1～1.5mm的天然河砂、沸石、石灰石和蜂窝状钢渣均匀混合填充，所述天然河砂、沸石、石灰石以及蜂窝状钢渣的体积百分比为65％：20％：5％：10％，第一滤料层内的填料上生长附着有硝化细菌。5.如权利要求1所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述的布水层采用粒径20mm～30mm的鹅卵石进行填充，毛细阻断层采用粒径为16～32mm的砾石进行填充。6.如权利要求1所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述的第二滤料层上部采用粒径分别为0.7～1mm、1.5mm、1～2mm的天然河砂、海绵铁、锰砂均匀混合填充，下部采用粒径3～5mm活性焦进行填充，所述天然河砂、海绵铁、锰砂、活性焦的体积百分比为69％：10％：1％：20％，第二滤料层内附着生长有反硝化细菌。7.如权利要求1所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述的缓释碳源层采用具有优异释碳性能的农林废弃物。8.如权利要求7所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述农林废弃物为玉米芯、小麦秸秆、核桃壳、榆木屑中的至少一种。9.如权利要求1所述的改进型人工快渗一体化装置，其特征在于，所述毛细阻断层和承托层的上方均设有尼龙网。10.采用权利要求1～9任一所述的装置在污水处理上的应用，其特征在于，步骤为：进水箱内的待处理生活污水在蠕动泵的作用下经进水管进入布水器中，在布水器的作用下，污水均匀进入人工快渗池内，依次流经布水层，第一滤料层，毛细阻断层，穿孔板，缓释碳源层，第二滤料层以及承托层，最后经出水管排出。
技术总结
本发明公开了一种基于农业废弃物碳缓释强化生物脱氮同步除磷的改进型人工快渗一体化装置及其应用，属于污水处理技术领域。该装置包括进水箱、进水管、布水器、人工快渗池、出水管；进水箱通过进水管与布水器相连通，进水管上设有蠕动泵，布水器安装在人工快渗池顶部，人工快渗池包括上下互通的上池体和下池体，上池体顶部开口，上池体内从上至下依次设有保护层、布水层、第一滤料层、毛细阻断层，下池体和上池体法兰连接，下池体内从上至下依次设有缓释碳源层、第二滤料层、承托层，所述出水管一端与承托层底部相连通，另一端与毛细阻断层底部平齐。本发明装置结构简单，对污水的脱氮除磷效果好。氮除磷效果好。氮除磷效果好。
技术开发人、权利持有人：王林 孙启雅 李咏梅 严婷婷 何云鹏
