[0001]
本发明涉及一种针对入河排污口排水的耦合炭基膜生物反应装置及其方法，属于污水处理与水体环境治理技术领域。
背景技术：
[0002]
随着经济的持续发展及城市人口的不断增长，通过点源、城市与农村面源、水体沉积物等产生的污染远远超过水体的自净容量，导致城市河道黑臭水体普遍存在。其主要原因是城市岸上截污管网不完善，存在晴天污水漏排和雨天污染溢流排放入河现象。
[0003]
入河排污口是城市排水管道汇集雨污水径流的出口，同样也是雨污水径流中大量污染物进入河道的源头与通道。鉴于城市一些地方排污口截污纳管计划相对落后、黑臭河道整治要求滞后，很多城市排污口排污问题暂时无法解决，因此，排污口的净化成为目前黑臭河道治理中亟待解决的问题，而排污口净化截污措施的设立至关重要。
[0004]
对河道排污口的处理方式主要有旁路净化系统、花坛式净化槽、排污口净化槽、原位净化廊道等，当前净化系统普遍存在处理能力偏低、出水水质偏差的特点，尤其对于水质较好、要求较高的受纳水体而言该问题更为突出，此外，入河排污口水质水量在丰水期和枯水期变化很大，对处理系统的适应性提出了更高的要求。
技术实现要素：
[0005]
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种针对入河排污口排水的耦合炭基膜生物反应装置及其方法，通过工艺有机组合和设计优化，实现对雨水口丰枯水期排水的高效处理和净化。
[0006]
本发明所采用的具体技术方案如下：
[0007]
一种针对入河排污口排水的耦合炭基膜生物反应装置，其包括位于池体内部的主体单元和超越单元；在主体单元进水端的池体侧壁上开设排污口，外部的排污管通过排污口将污水排入主体单元内；主体单元的出水端设有溢流堰，溢流堰的另一端设置超越单元；溢流堰将主体单元和超越单元完全分隔；
[0008]
所述主体单元包括填料模块、曝气装置、mbr膜组件和抽吸泵；填料模块包括填料和填料架，填料均匀负载于填料架上，填料架底部与池体底部固定连接，填料架与水流方向垂直且两侧分别与池体的侧壁连接固定，使得水流经填料完全处理后流向后方；所述填料模块为多个且间隔设置；
[0009]
相邻的填料模块之间设有曝气装置和mbr膜组件，曝气装置固定于池体底部，mbr膜组件位于曝气装置的上方；mbr膜组件的出水端外接出水管，出水管上设有抽吸泵，用于将主体单元内的水流排出；
[0010]
所述超越单元包括截污挂篮和渗透模块；所述截污挂篮固定于超越单元所在池体的上部，且顶部低于溢流堰的顶部；截污挂篮将所在处池体的水平横截面完全覆盖，将从溢流堰流出的水流全部进行筛滤处理；截污挂篮的下部设有渗透模块，渗透模块内填充有吸
附材料；渗透模块底部的池体上开设渗流孔，从渗透模块底部流出的水流能从渗流孔排出。
[0011]
作为优选，所述填料为弹性填料，填料的有效填充率为10％～30％。
[0012]
进一步的，所述填料采用聚烯烃类或聚酰胺立体弹性填料。
[0013]
作为优选，所述mbr膜组件为中空纤维膜组件，膜孔径为微滤级别。
[0014]
作为优选，所述溢流堰的高度高于主体单元内的枯水期水位0.1～0.3m。
[0015]
作为优选，所述截污挂篮包括挂篮和截污网袋，截污网袋固定于挂篮内；挂篮上开设有若干孔洞，截污网袋采用100～300g/m2的土工织物制成。
[0016]
作为优选，所述吸附材料为上层陶粒、下层颗粒活性炭。
[0017]
本发明的另一目的在于提供一种根据上述任一所述耦合炭基膜生物反应装置处理入河排污口排水的方法，其具体如下：
[0018]
从排污管排出的污水首先进入主体单元；当污水与填料模块接触时，通过填料上负载的微生物作用，对污水进行生物处理；设于主体单元池体底部的曝气装置对污水进行曝气，同时为填料上微生物的生长提供氧气；通过设于mbr膜组件出水管上的抽吸泵，为mbr膜组件的进水端和出水端提供压力差，使得主体单元内的污水进入mbr膜组件进行处理，并沿着出水管流出主体单元；
[0019]
当从排污管排出的污水在主体单元内的水位低于溢流堰的高度时，所有从排污管排出的污水不进入超越单元，均通过主体单元进行处理后并从出水管排出所述耦合炭基膜生物反应装置；
[0020]
当从排污管排出的污水在主体单元内的水位高于溢流堰的高度时，经主体单元处理后的污水溢流通过溢流堰进入超越单元；经截污挂篮将污水中的悬浮物进行初步拦截过滤，随后污水进入渗透模块，通过渗透模块内吸附材料的吸附作用，对污水进一步处理；同时，吸附材料表面生成的生物膜能对污水进行生物降解。
[0021]
作为优选，所述曝气装置按照气水比24:1提供曝气量。
[0022]
作为优选，当主体单元为枯水期水位时，还向所述主体单元内投加颗粒生物炭，以延长mbr膜组件的使用寿命。
[0023]
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0024]
1)本发明综合利用mbr耦合炭基赋予本装置中微生物持留量高、菌群结构丰富的特点，能够高效去除进水中有机及无机污染物，降低出水氨氮、总磷以及cod浓度；
[0025]
2)本发明装置的处理效率高；本装置中活性污泥浓度(mlss)高达8000～15000mg/l，外加微滤膜过滤作用，cod去除率达到90％左右，出水氨氮可控制在1mg/l、总磷0.2mg/l以下，悬浮物(ss)和浊度接近零；
[0026]
3)本发明的装置能够适应不同雨季排污水质水量变化，耐冲击负荷；装置分为两个单元，实现了针对不同水质水量排水的高效处理方案，即使丰水期水质水量突然变化，也能将所排雨污水全部处理，在与河水完全混合前得到充分净化。
附图说明
[0027]
图1为本发明反应装置的结构示意图；
[0028]
图2为实施例中废水cod去除情况的变化示意图；
[0029]
图3为实施例中废水氨氮和总磷去除情况的变化示意图；
[0030]
图4为实施例中r1、r2工艺运行性能对比的变化示意图，其中，(a)为cod和氨氮的去除率对比，(b)为跨膜压差变化情况对比；
[0031]
图中：排污管1、池体2、填料3、填料架4、曝气装置5、mbr膜组件6、河岸7、抽吸泵8、出水管9、截污挂篮10、渗透模块11、溢流堰12。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0033]
对雨水口实施修复工艺，主要构型为耦合炭基强化功能菌群富集的膜生物(mbr)反应系统，其利用膜分离设备将活性污泥和大分子有机物截留，提高活性污泥浓度以及有效控制水力停留时间和污泥停留时间。为适应雨污混排口水量水质波动大的突出问题，本发明提供了一种针对入河排污口排水的耦合炭基膜生物反应装置，该耦合炭基膜生物反应装置包括位于池体2内部的主体单元和超越单元。
[0034]
如图1所示，在主体单元池体2一侧的壁面上开设排污口，作为整个耦合炭基膜生物反应装置的进水端，外部的排污管1通过该排污口将污水排入主体单元内。沿水流方向，主体单元池体2的另一侧设有溢流堰12，作为主体单元的出水端。溢流堰12的一面设置为主体单元，另一面设置为超越单元，溢流堰12将主体单元和超越单元完全分隔。溢流堰12的高度可以根据实际情况进行调整。溢流堰12的高度要高于主体单元内枯水期水位且低于主体单元内丰水期水位，一般将溢流堰12的高度设为高于主体单元内的枯水期水位0.1～0.3m。主体单元内枯水期水位指的是当地处于旱季或降雨量较低时从排污管1排入主体单元内的污水水位，此时需要处理的污水较少，污水进入主体单元后无法通过溢流堰12进入超越单元。主体单元内丰水期水位指的是当地降雨量较大时雨污水从排污管1排入主体单元内的污水水位，此时需要处理的水量较大，污水进入主体单元后能够通过溢流堰12进入超越单元，实现进一步的处理。
[0035]
主体单元为强化mbr处理单元，包括填料模块、曝气装置5、mbr膜组件6和抽吸泵8。填料模块包括填料3和填料架4，填料3均匀负载于填料架4上，填料架4底部与池体2底部固定连接，填料架4与水流方向垂直且填料架4的两侧分别与池体2的侧壁连接固定，使得水流经填料3完全处理后才流向后方。填料模块可以为多个且相邻填料模块之间间隔设置。填料3可以采用聚烯烃类或聚酰胺立体弹性填料，弹性填料有比表面积大、不结团、挂膜容易、使用寿命长和价格低廉等诸多优势。填料3的有效填充率为10％～30％，有效填充率指的是填料所占容积/池体的总有效容积，考虑到膜组件占地、雨水口水质特征及经济成本等问题，弹性填料的有效填充率优选为15％。在主体单元内设置填料以使微生物挂膜生长形成生物膜，填料的作用一方面是提高生物量保证处理能力，另一方面是为微生物提供固定生长的附着点，避免在流量骤大情况下大量流失于河道。
[0036]
相邻的填料模块之间设有曝气装置5和mbr膜组件6，曝气装置5固定于池体2的底部，mbr膜组件6位于曝气装置5的上方。mbr膜组件6为中空纤维膜组件，膜孔径为微滤级别。mbr膜组件6的出水端外接出水管9，出水管9上设有抽吸泵8提供压力差，用于将主体单元内的水流排出。
[0037]
主体单元能够有效去除常流状态下的雨污混排口cod、nh
4+-n、tp、细菌、病毒等，出
水水质达到ⅳ类及以上指标，为整套工艺核心部分，预计水力停留时间为6h。
[0038]
超越单元包括截污挂篮10和渗透模块11。截污挂篮10固定于超越单元所在池体2的上部，且顶部低于溢流堰12的顶部。截污挂篮10将所在处池体2的水平横截面完全覆盖，将从溢流堰12流出的水流全部进行筛滤处理。截污挂篮10包括挂篮和截污网袋，截污网袋固定于挂篮内，挂篮上开设有若干孔洞，截污网袋采用100～300g/m2的土工织物制成。雨污水经溢流堰进入后，径流中较大垃圾(如塑料、树枝、泥沙等)将被截污挂篮截留。
[0039]
截污挂篮10的下部设有渗透模块11，渗透模块11内填充有吸附材料。利用吸附材料本身以及其附着生长的生物膜，通过物理过滤、吸附作用、生物代谢等作用对流经的废水进行处理，使丰水期雨水口陡增大量排水得以高效净化。吸附材料可以采用上层陶粒、下层颗粒活性炭的填充方式。生物炭具有巨大的比表面积、多孔结构、丰富的表面官能团和矿物组分，可充分发挥吸附固定作用和强化微生物对雨水中污染物的降解作用。渗透模块11底部的池体2上开设渗流孔，从渗透模块11底部流出的水流能从渗流孔排出。
[0040]
超越部分为生物截留处理单元，底部铺设有复合渗透材料，可对瞬流状态下污染物起到截留、吸附及后续生物净化的作用。两部分中间由溢流堰分开，旱季或中小雨量时的雨污混排口排水将全部经由主体处理单元处理；当处于大雨量雨季时，水量大且水质较好，超出处理单元处理能力的水量经溢流堰到生物截留处理单元，经渗透材料初滤吸附后排入河道。
[0041]
利用上述耦合炭基膜生物反应装置处理入河排污口排水的方法，具体如下：
[0042]
从排污管1排出的污水首先进入主体单元。当污水与填料模块接触时，通过填料3上负载的微生物作用，对污水进行生物处理。设于主体单元池体底部的曝气装置5对污水进行曝气，同时为填料3上微生物的生长提供氧气，曝气装置5可以按照气水比24:1提供曝气量。通过设于mbr膜组件6出水管9上的抽吸泵8，为mbr膜组件6的进水端和出水端提供压力差，使得主体单元内的污水进入mbr膜组件6进行处理，并沿着出水管9流出主体单元。
[0043]
当从排污管1排出的污水在主体单元内的水位低于溢流堰12的高度时，所有从排污管1排出的污水不进入超越单元，均通过主体单元进行处理后并从出水管9排出耦合炭基膜生物反应装置。在旱季或中小雨量的雨季时在主体处理单元中投加颗粒生物炭以强化处理能力，生物炭将通过吸附、成核、菌群调控等途径将增强mbr体系的污染物去除和污泥持留能力，改善混合液性质，进而有效缓解mbr膜污染，延长mbr膜组件6的使用寿命。
[0044]
当从排污管1排出的污水在主体单元内的水位高于溢流堰12的高度时，经主体单元处理后的污水溢流通过溢流堰12进入超越单元。经截污挂篮10将污水中的悬浮物进行拦截过滤，随后污水进入渗透模块11，通过渗透模块11内吸附材料的吸附作用，对污水进一步处理。同时，吸附材料表面生成的生物膜能对污水进行生物降解。
[0045]
实施例
[0046]
本实施例中，对浙江长兴长兴港凤凰小区入河排污口处理进行了实验室条件下的模拟。根据当地水文水质资料，该排放口处排水水质属于劣
ⅴ
类，cod、nh
4+-n和tp平均浓度在枯水期和丰水期分别为250、3、1.5mg/l和200、2、1mg/l。实验室反应器构型同样采用本发明的耦合炭基膜生物反应装置，该装置的具体构造如上所述，此处不再赘述。
[0047]
具体的，主体单元的处理量为4l/h，主体单元容积为12l，规格为长30cm，宽20cm，高20cm的有机玻璃容器。填料采用聚烯烃类或聚酰胺立体弹性填料，规格为丝条直径4cm，
长度15cm。主体单元内放置三组填料模块，每组填料架上系接四组弹性填料。在相邻填料模块放置中空纤维膜膜组件，中空纤维膜材料为聚偏氟乙烯(pvdf)，选择膜组件外壳外径为50mm，总长为180mm，平均孔径为0.22um，膜组件共两组。池体底部采用bsd-q-192球冠式微孔曝气器，按照汽水比24:1提供曝气量。
[0048]
根据丰水期实测水量所得经验数据，选取该混排口水量变化系数为2.6，该系数涵盖了本地区90％暴雨强度导致的水量变化，因而能满足绝大多数暴雨情况雨污水的处理，计算得超越单元模拟处理水量为6.4l/h。该单元底部铺设有“陶粒+颗粒生物炭”复合吸附材料的渗透模块，渗透模块的总高度为10cm，陶粒在下层且高度为5cm，颗粒生物炭在上层且高度为5cm，雨污水流过该渗透模块的实际停留时间为0.4h。主体单元与超越单元之间溢流堰高出模拟枯水期水位2cm。
[0049]
本实施例采用上述耦合炭基膜生物反应装置处理模拟排污口排水的操作过程如下：反应器运行60天，运行开始到第20天为第一阶段，第21天～第30天为第二阶段，第31天～第50天为第三阶段，第51天～第60天为第四阶段。其中，第一、三阶段对枯水期排水进行模拟处理，第二、四阶段对丰水期排水进行模拟处理。第一、三阶段进水cod、nh
4+-n和tp浓度约为250、3、1.5mg/l，进水流量均为4l/h。第二、四阶段进水cod、nh
4+-n和tp浓度约为200、2、1mg/l，其中第二阶段进水流量为7l/h，第四阶段进水流量为10.4l/h。
[0050]
同时为了对比体现本发明中添加碳基材料的效果，本实施例中同时设置了对照对照试验r1和r2。其中，r1反应器在主体单元中投加颗粒生物炭，且超越单元渗透模块的下层为颗粒生物炭；r2反应器为对照组，主体单元中未投加颗粒生物炭，且超越单元渗透模块内填充单一均质滤料陶粒。
[0051]
如图2所示，在耦合炭基膜生物反应装置连续运行时间内，四个阶段cod去除率在90％左右，出水cod浓度均在30mg/l以下，表现出良好的处理性能。其中，第一、三阶段出水cod浓度小于第二、四阶段，基本可控制在20mg/l以下。说明去除cod方面该反应装置在枯水期表现较好。图3为连续运行下出水氮磷浓度，经过处理可将出水氨氮控制在1mg/l以下，总磷控制在0.2mg/l以下，表明该反应装置具有优异的脱氮除磷性能，可有效削减入河营养物质进而缓解河流富营养化的发生。
[0052]
如图4所示，反应装置与对照组相比，cod和氨氮去除率均高于对照组，表明生物质碳的投加对处理性能有明显提升作用。且跨膜压差上升速率较对照组更缓慢，表明生物炭投加对mbr缓解膜污染具有促进作用。在该反应装置中，生物炭将通过吸附、成核、菌群调控等途径增强了mbr体系的污染物去除和污泥持留能力，改善混合液性质，进而有效缓解mbr膜污染。
[0053]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种针对入河排污口排水的耦合炭基膜生物反应装置，其特征在于，包括位于池体(2)内部的主体单元和超越单元；在主体单元进水端的池体(2)侧壁上开设排污口，外部的排污管(1)通过排污口将污水排入主体单元内；主体单元的出水端设有溢流堰(12)，溢流堰(12)的另一端设置超越单元；溢流堰(12)将主体单元和超越单元完全分隔；所述主体单元包括填料模块、曝气装置(5)、mbr膜组件(6)和抽吸泵(8)；填料模块包括填料(3)和填料架(4)，填料(3)均匀负载于填料架(4)上，填料架(4)底部与池体(2)底部固定连接，填料架(4)与水流方向垂直且两侧分别与池体(2)的侧壁连接固定，使得水流经填料(3)完全处理后流向后方；所述填料模块为多个且间隔设置；相邻的填料模块之间设有曝气装置(5)和mbr膜组件(6)，曝气装置(5)固定于池体(2)底部，mbr膜组件(6)位于曝气装置(5)的上方；mbr膜组件(6)的出水端外接出水管(9)，出水管(9)上设有抽吸泵(8)，用于将主体单元内的水流排出；所述超越单元包括截污挂篮(10)和渗透模块(11)；所述截污挂篮(10)固定于超越单元所在池体(2)的上部，且顶部低于溢流堰(12)的顶部；截污挂篮(10)将所在处池体(2)的水平横截面完全覆盖，将从溢流堰(12)流出的水流全部进行筛滤处理；截污挂篮(10)的下部设有渗透模块(11)，渗透模块(11)内填充有吸附材料；渗透模块(11)底部的池体(2)上开设渗流孔，从渗透模块(11)底部流出的水流能从渗流孔排出。2.根据权利要求1所述的耦合炭基膜生物反应装置，其特征在于，所述填料(3)为弹性填料，填料的有效填充率为10％～30％。3.根据权利要求2所述的耦合炭基膜生物反应装置，其特征在于，所述填料(3)采用聚烯烃类或聚酰胺立体弹性填料。4.根据权利要求1所述的耦合炭基膜生物反应装置，其特征在于，所述mbr膜组件(6)为中空纤维膜组件，膜孔径为微滤级别。5.根据权利要求1所述的耦合炭基膜生物反应装置，其特征在于，所述溢流堰(12)的高度高于主体单元内的枯水期水位0.1～0.3m。6.根据权利要求1所述的耦合炭基膜生物反应装置，其特征在于，所述截污挂篮(10)包括挂篮和截污网袋，截污网袋固定于挂篮内；挂篮上开设有若干孔洞，截污网袋采用100～300g/m2的土工织物制成。7.根据权利要求1所述的耦合炭基膜生物反应装置，其特征在于，所述吸附材料为上层陶粒、下层颗粒活性炭。8.一种根据权利要求1～7任一所述耦合炭基膜生物反应装置处理入河排污口排水的方法，其特征在于，具体如下：从排污管(1)排出的污水首先进入主体单元；当污水与填料模块接触时，通过填料(3)上负载的微生物作用，对污水进行生物处理；设于主体单元池体底部的曝气装置(5)对污水进行曝气，同时为填料(3)上微生物的生长提供氧气；通过设于mbr膜组件(6)出水管(9)上的抽吸泵(8)，为mbr膜组件(6)的进水端和出水端提供压力差，使得主体单元内的污水进入mbr膜组件(6)进行处理，并沿着出水管(9)流出主体单元；当从排污管(1)排出的污水在主体单元内的水位低于溢流堰(12)的高度时，所有从排污管(1)排出的污水不进入超越单元，均通过主体单元进行处理后并从出水管(9)排出所述耦合炭基膜生物反应装置；
当从排污管(1)排出的污水在主体单元内的水位高于溢流堰(12)的高度时，经主体单元处理后的污水溢流通过溢流堰(12)进入超越单元；经截污挂篮(10)将污水中的悬浮物进行初步拦截过滤，随后污水进入渗透模块(11)，通过渗透模块(11)内吸附材料的吸附作用，对污水进一步处理；同时，吸附材料表面生成的生物膜能对污水进行生物降解。9.根据权利要求8所述处理入河排污口排水的方法，其特征在于，所述曝气装置(5)按照气水比24:1提供曝气量。10.根据权利要求8所述处理入河排污口排水的方法，其特征在于，当主体单元为枯水期水位时，还向所述主体单元内投加颗粒生物炭，以延长mbr膜组件(6)的使用寿命。
技术总结
本发明公开了针对入河排污口排水的耦合炭基膜生物反应装置及其方法，其装置包括位于池体内部的主体单元和超越单元；在主体单元进水端的池体侧壁上开设排污口，外部的排污管通过排污口将污水排入主体单元内；主体单元的出水端设有溢流堰，溢流堰的另一端设置超越单元；溢流堰将主体单元和超越单元完全分隔；主体单元包括填料模块、曝气装置、MBR膜组件和抽吸泵；超越单元包括截污挂篮和渗透模块；本发明可针对不同水质水量入河口排水进行高效处理，枯水期雨污混排口排水将全部经由主体单元处理，丰水期水量大且水质较好时，超出主体单元处理能力的水量经溢流堰到超越单元，经渗透材料初滤吸附后排入河道，最大程度保证河流水质提升与生态恢复。质提升与生态恢复。质提升与生态恢复。
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