两相分层式生活污水渗滤处理系统

摘要

本发明属于生活污水分散式处理领域，公开了一种硝化反硝化两相分离的两段式多介质土壤层污水渗滤处理系统，包括硝化段和设置在硝化段下方的反硝化段，所述硝化段包括天然沸石填料层、铺设在天然沸石填料层底部的前段排水卵石层以及设置在前段排水卵石层下方的前段排水假底，所述反硝化段包括渗滤层、土壤模块层、后段排水卵石层及设置在后段排水卵石层下方的后段排水假底，所述硝化段与反硝化段之间距离为25-50cm。相对于传统的MSL系统，本发明系统对生活污水TN尤其是无机氮的去除有所改善；节省材料，避免了人工通风，运行能耗更低；系统处理效果良好，且不易堵塞。

说明书

技术领域

本发明属于生活污水分散式处理领域，具体涉及了一种硝化反硝化两相分离的两段式多介质土壤层污水渗滤处理系统。

背景技术

集中式污水处理中，在处理水部分回用的情况下，考虑给水排水，污水在城市管网中至少进行了三次输送，这种处理方式是以巨大的能量损失为代价的，尤其对于居住比较分散的中小城市 (镇)、广大农村及偏远地区而言，是明显不符合可持续发展的要求的。目前国内外科学家都积极倡导污水分散处理思想，即就地处理就地回用，实现水平衡和水循环。污水的分散式处理理念已经越来越受到人们的重视。

多介质土壤层系统 (multi soil layering treatment, MSL)是日本学者在20世纪90年代首次提出的，该系统将土壤渗滤系统分为混合模块层(Soil mixture blocks, SMB)、渗滤层(permeable layers, PL)，其土壤模块呈砖块式交错堆叠，SMB层和PL层轮流交替排列，其内能形成多个好氧、厌氧环境促进污染物去除。该系统中，进水通过毛细管作用能均匀渗滤到系统的PL层及SMB层，相对于传统土地处理系统，不仅可保持较大的水力负荷，还明显改善了的堵塞问题。

已有的研究表明：在长期运行的情况下（9~10年），MSL系统能持续保持对生活污水中 BOD₅和总磷的高效去除（去除率分别在90%和80%以上）；而总氮的去除则明显受到进水水质、通风情况及温度等的影响。尤其在有人工通风的情况下，总氮去除有较大下降（去除率仅50%左右），这主要是由于系统中硝酸盐氮的反硝化过程受限。有学者指出改善条件以促进反硝化反应是提高地下渗滤系统总氮去除率的关键。

本专利发明人通过试验，证实了前人的结论：在MSL 系统中，NH+ 4-N的吸附和硝化主要发生在系统的上层，反硝化发生在SMB层。同时证明，在较小的层厚下，系统对BOD₅的去除已经很明显，上述结果使得MSL系统在只填充两层介质（高度约30 cm）时，尽管进水C:N达到约(4~6):1，出水C:N也只剩下约1:1~2:1，这将造成系统中下层由于缺乏碳源而对氮的进一步去除作用微乎其微，这也许是MSL系统整体对总氮去除效果欠佳的主要原因之一。

发明内容

针对传统MSL系统存在的问题，本专利发明人开发出两相分层式生活污水渗滤处理系统。首先，富含COD、氨氮的生活污水经过前段天然沸石层，利用天然沸石的阳离子交换作用富集污水中的氨氮，并驯化出大量硝化菌群完成氨氮的高效硝化，并同时保证该层出水COD不至于过小；随后，污水经过后段MSL系统，利用前段出水剩余COD及土壤模块中的天然有机物质作为反硝化碳源, 完成COD和硝态氮的同步去除。两段的出水均通过开孔的排水假底自然滴下，有助于污水的复氧及再分配。本发明建造和运行成本低廉，能高效去除生活污水特别是化粪池出水的COD、氮磷等污染物，适于散户型甚至村镇小型生活污水的净化处理。

本发明提供了一种两相分层式生活污水渗滤处理系统。该新型组合渗滤系统通过设置两段不同的填料层，构建起分别适宜于自养硝化菌群和异养菌群的差异化环境，实现高效的去除生活污水中氨氮和COD的目的。

具体来看，针对上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

两相分层式生活污水渗滤处理系统，包括硝化段和设置在硝化段下方的反硝化段，所述硝化段包括天然沸石填料层、铺设在天然沸石填料层底部的前段排水卵石层以及设置在前段排水卵石层下方的前段排水假底，所述反硝化段包括渗滤层、土壤模块层、后段排水卵石层及设置在后段排水卵石层下方的后段排水假底，所述硝化段与反硝化段之间距离为30-50cm。

作为优选，所述的所述的土壤模块层由土壤、锯屑和铁屑按照干重比75:10:15的比例均匀混合而成。

作为优选，所述的前段排水假底到渗滤层的距离为30-50cm。该设计有利于污水在第二段的均匀分配，强化污水的中间滴水复氧。

作为优选，所述的天然沸石填料层的填料粒径为1-3 mm，层高为 30-50 cm。该段滤料孔隙较大，水力停留时间较短，主要起到硝化器的作用，吸附并完成污水中相当一部分NH+ 4-N的硝化并保持出水中适宜的碳氮比；

作为优选，所述的前段排水假底和后段排水假底采用钢混结构，开孔率为20-30%。排水假底采用开孔率较大的孔隙型排水假底主要提供对填料层的支撑作用。

作为优选，所述的渗滤层采用天然沸石，粒径为1-3 mm。

作为优选，所述的反硝化段采用多介质土壤层系统（Multi-soil-layering, MSL），层高为50-100cm。层高相对较大，可跟据进水水质设置为50~100 cm，水力停留时间较长，主要营造异养菌群，最终同步去除有机物、无机氮和磷。最终出水经由孔隙型排水假底汇入出水收集渠道。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

(1)相对于传统的MSL系统，该系统对生活污水TN尤其是无机氮的去除有所改善。

(2)节省材料，避免了人工通风，运行能耗更低。

(3)系统处理效果良好，且不易堵塞。

附图说明

图1是本发明的两相分层式生活污水渗滤处理系统的构建结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1与实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1

两相分层式生活污水渗滤处理系统，包括硝化段和设置在硝化段下方的反硝化段，所述硝化段包括天然沸石填料层1、铺设在天然沸石填料层1底部的前段排水卵石层2以及设置在前段排水卵石层2下方的前段排水假底3，天然沸石填料层1的填料粒径为1-3 mm，层高为 30-50 cm。所述反硝化段包括渗滤层4、土壤模块层5、后段排水卵石层6及设置在后段排水卵石层6下方的后段排水假底7，前段排水假底3和后段排水假底7采用钢混结构，开孔率（面积比）为20-30%。其中，渗滤层4采用天然沸石，粒径为1-3 mm。土壤模块层5由土壤、锯屑和铁屑按照干重比75:10:15的比例均匀混合而成；前段排水假底3到渗滤层4的距离为30-50cm。

具体的：(1)系统分两层建造，分别营造适宜硝化菌群和异养菌群生长的差异化生境。(2)系统前段进水系统前段进水采用间歇进水模式，可采用类似生物滤池的旋转布水器的型式。(3)前段(硝化段)仅采用粒度均一的天然沸石为填料，填料粒径为1~3 mm，层高较小，为25~50 cm，该段滤料孔隙较大，水力停留时间较短，主要起到硝化器的作用，吸附并完成污水中相当一部分NH+ 4-N的硝化并保持出水中适宜的碳氮比；(4)沸石填料底部铺设排水卵石层，填料层的支撑采用开孔率较大的孔隙型排水假底，出水直接渗漏入下一段。(5)系统前段排水假底距后段间隔30~50cm，以利于污水在第二段的均匀分配，强化污水的中间滴水复氧。(6)系统后段(反硝化段)采用多介质土壤层系统(Multi-soil-layering, MSL)，层高相对较大，可跟据进水水质设置为50~100 cm，水力停留时间较长，主要营造异养菌群，最终同步去除有机物、无机氮和磷；(7)MSL的渗滤层(PL)采用天然沸石，粒径1~3 mm, 土壤模块层(SMB)材料由土壤、锯屑和铁屑按照干重比75:10:15的比例均匀混合而成。(8)MSL系统的最终排水也采用与前段相同的模式，最终出水经由孔隙型排水假底汇入出水收集渠道。(9)两段的排水假底可采用钢混结构，开孔率(面积比)为20~30%。

实验室用葡萄糖、氯化铵等配制生活污水水质为COD=200~350 mg/L, NH+ 4-N=35~50 mg/L, TN=50~70 mg/L, TP=5~8 mg/L。 

采用铁架支撑，有机玻璃粘制反应器。按照图1搭建处理装置。其中硝化段高度为41 cm（包含卵石层）；采用天然沸石为填料，填料粒径为1~3 mm. 反硝化段高度为62 cm（含卵石层，共填充4层）；其中PL层采用天然沸石，粒径1~3 mm,层厚5 cm, SMB层材料由土壤、锯屑和铁屑按照干重比75:10:15的比例均匀混合而成，层厚8 cm。

装置启动时以污水厂硝化污泥接种，系统进水用定时器控制潜水泵进水，以7天为周期，逐步调大进水负荷，驯化挂膜。系统稳定时，控制进水表面水力负荷为200~300 L/(㎡·d)，观测其对污水COD、NH+ 4-N、TN及TP的去除效果。

实验结果显示，该系统运行稳定时，在上述进水浓度及负荷条件下，依靠装置自然通风，能够实现对生活污水COD、NH+ 4-N、TN及TP的稳定去除。污水COD、NH+ 4-N、TN及TP去除率分别稳定达到92.7%、88.5%、72.6%、76.6%；相应的去除负荷分别为63.7、9.2、10.9、1.2 g/(㎡·d)。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。