申请日2009.06.04
公开(公告)日2010.12.08
IPC分类号B09B3/00; C02F3/32
摘要
本发明涉及分散型农村居民生活污水处理及矿化垃圾利用-“以废治废”技术，属于固体废物资源利用与环境保护领域。本发明的优点在于采用矿化垃圾填料的序批式处理工艺，充分发挥矿化垃圾对磷的强吸附、人工湿地以及序批式反应器除污能力等优势，协同实现对农村分散居民生活污水的处理。其特征在于选用的矿化垃圾，由于形成过程和机理的特殊性，矿化垃圾又具有许多土壤所无法比拟的优越性，如有良好的多孔结构和巨大的表面积、和微生物相丰富等优点，尤为重要的是矿化垃圾具有磷吸附容量大和吸附态磷的解吸率低的优点。通过构造由不同粒径级配组成的矿化垃圾床填料以及表层种植植物形成人工湿地，针对农村生活污水间歇进水的典型特征，在序批式反应器污水池内按照“进水-反应-出水-闲置”4阶段运行。其中调节“反应”阶段时间可控制处理水量和水质，“闲置”阶段时间让矿化垃圾填料上层进行复氧，提高床体内的含氧量，从而利于微生物的好氧代谢和硝化反应的进行。污水经布水管道纵向流到矿化垃圾填料床的底部，在底部细料处实现反硝化过程。本发明的序批式矿化垃圾湿地床处理分散型农村生活污水的方法，具有构建简单、材料易获取和经济实效等优点和广阔的应用前景。
权利要求书
1.序批式矿化垃圾湿地床处理分散型农村生活污水的方法，其特征在于选用的矿化垃圾是生活垃圾在垃圾填埋场相对封闭的环境条件下，即垃圾填埋场封场数年后(南方地区8～10年以上，北方地区10～15年以上)，垃圾中易降解物质基本降解完成，可生物降解的物质含量小于5%，垃圾外观类似于腐殖质，呈微颗粒状，质地疏松，具有无数微孔隙，这样的垃圾称之为矿化垃圾。
2.序批式矿化垃圾湿地床处理分散型农村生活污水的方法，其特征在于按照权利1要求选用的矿化垃圾经过开挖、晾晒和简单筛分后，可以得到类腐殖质的原料，然后再分为过2mm～2cm筛细料和过2cm～10cm筛的粗料，将上述填料按照“下细上粗”分层填入序批式矿化垃圾湿地床内。
3.序批式矿化垃圾湿地床处理分散型农村生活污水的方法，其特征在于按照权利2所述级配组成的矿化垃圾床填料在序批式反应器污水池内按照“进水-反应-出水-闲置”4个阶段运行。其中，调节“反应”阶段时间介于8～16小时来控制进水水量和出水水质，“闲置”阶段时间介于4～6小时让矿化垃圾填料上层进行复氧，提高床体内的含氧量。
4.序批式矿化垃圾湿地床处理分散型农村生活污水的方法，其特征在于序批式矿化垃圾湿地床体内上层选种旱伞草、芦苇和灯芯草具有直根系、须根系且根系较为发达的植物，采用污水经布水管道亚表面(表土下20～40cm处)纵向流到矿化垃圾填料床底部的方式进水。
说明书
序批式矿化垃圾湿地床处理分散型农村生活污水的方法
技术领域
本发明涉及分散型农村居民生活污水处理及固体废物“以废治废”资源化利用新技术，属于资源利用与环境保护领域。
背景技术
目前城市生活污水收集和处理率较高，对水环境的污染已得到有效控制。而农村生活污水已经成为广大农村地区面源污染的重要源，农村地区的生活污水个体产生量少，但由于人口数量多，没有任何生活污水的收集和处理措施，使农村生活污染源成为影响水环境的重要因索，且随着农村生活方式的改变而加剧[郭红岩，王晓蓉，朱建国，等.太湖流域非点源氮污染对水质影响的定量化研究[J].农业环境科学学报，2003，22(2)：150-153.]。
农村生活污水的产生、水量和水质具有下列特征：(1)分散并远离排污管网及大水体，受纳水环境容量小;(2)污水收集率、处理率低、管理水平低，污水一般不经任何处理直接排入附近河流湖泊，加剧了水环境的污染;(3)污水排放不均匀，瞬时变化较大，日变化系数一般在3.0～5.0之间;(4)主要是洗涤、沐浴和部分卫生洁具排水，水量因地区性经济程度的差异而不同。有机物和氮、磷等营养物含量较高，一般不含有毒物质，污水中还含有合成洗涤剂以及细菌、病毒、寄生虫卵等;(5)一般排水量少，所含有机物浓度相对偏高，COD最高浓度达到2000mg/L;(6)农村生活污水中富含氮磷，从总磷排放负荷来看，生活污水占60%，是引起水体富营养化的重要原因。
以常州市为例，其农村人口近150万人，至今多采取污水宅前屋后土壤中自然下渗、粪便储存在各式粪池中就地处理的简易方法，严重污染周围环境，威胁农村的生态安全。困难在于星罗棋布的小村落和农村分散居民，其特点在于生活污水未纳入管网系统，且周围受纳水体环境容量小[徐洪斌，吕锡武，李先宁，等.太湖流域农村生活污水污染现状调查研究[J].农业环境科学学报，2007，26(增刊)：375-378.]。基于农村的经济基础和管理水平的现状，应因地制宜的采用投资省、能耗低、管理简便的农村生活污水处理技术。因此，为分散农村居民生活污水的就地处理找一条出路的任务迫在眉睫。对此，国内外已有相关研究，其中人工湿地较为多见。
1人工湿地
人工湿地是使用于农村生活污水处理的一种经济的合理的生态型技术，它不仅可因地制宜利用现有的场地和地形条件，通过植物的吸收利用和微生物及物理化学的共同作用实现对废水的处理，同时利于对处理后出水的资源化利用，是目前研究较为广泛的处理技术。但该工艺难以直接接受未经预处理的原水，要求进入该处理工艺的废水经过应有的预处理以降低进水中的SS和CODcr，因而多与其它工艺组合应用以获得稳定的处理效果。同时人工湿地存在效率低、占地面积大、季节性影响等缺点。
2.分散型农村生活污水处理技术
农村生活污水处理系统的构建应确立“因地制宜、生物生态、综合利用、系统集成”的理念，本着处理成本低、除污效能高、实现资源化利用的原则，采用生物和生态相结合的处理方式，形成符合农村生活污水水质、水量及排放和收集特征的处理技术。
我国农村生活污水成分日益复杂且水质水量波动性很大，因此，农村生活污水处理的具体工艺必须具有较强的抗冲击负荷能力且能有效去除污染物，同时需具备易管理、投资省和运行成本低优点，针对上述典型特征，对现有的污水处理技术进行筛选，考虑农村生活污水进水的间歇性、对冲击负荷的适应性和设计的灵活性，相对于其他工艺，SBR工艺以其灵活性、高效性和经济性在农村(小区)生活污水处理方面优势显著[赵钰，李多松，钱雄，栾晓丽.SBR处理小区污水最佳运行工况研究.水科学与工程技术，2008，6：56-58.]。
3.SBR工艺
SBR法是间歇式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)的简称，又称为序批式活性污泥法。SBR活性污泥法是在单一的反应器内按时间顺序完成进水、反应(曝气)、沉淀、排水、待机(闲置)全过程，从而达到污水处理的目的。SBR法具有工艺简单，基建与运行费用低;生化反应推动力大、速度快、效率高;耐冲击负荷能力较强;操作灵活、易维护等优点。
缺点是需要动力曝气或者搅拌，同时有污泥的产生，需要排泥。针对这一缺陷，本专利设计采用矿化垃圾填料填充与反应池内形成床体。
4矿化垃圾填料
矿化垃圾是生活垃圾在垃圾填埋场相对封闭的环境条件下，即垃圾填埋场封场数年后(南方地区8～10年以上，北方地区10～15年以上)，垃圾中易降解物质基本降解完成，可生物降解的物质含量小于3%，垃圾外观类似于腐殖质，呈微颗粒状，质地疏松，具有无数微孔隙，这样的垃圾称之为矿化垃圾。由于形成过程和机理的特殊性，矿化垃圾又具有许多土壤所无法比拟的优越性，如有良好的多孔结构和巨大的表面积、生物相丰富等优点[杨玉江，赵由才，边炳鑫.垃圾填埋场矿化垃圾对废水中磷的吸附特性研究[J].苏州科技学院学报(工程技术版).2004，17(1)：1-5]。尤为重要的是矿化垃圾具有磷吸附容量大和吸附态磷的解吸率低的优点，从而应用于大型卧式矿化垃圾反应床处理多种废水[李鸿江，赵由才.矿化垃圾反应床处理渗滤液工程示范及其尾水净化技术研究.同济大学博士论文，上海，2008]。
(1)垃圾填埋场渗滤液
上海市老港废弃物填埋场的40号填埋单元构建处理能力为100m3渗滤液/d的卧式矿化垃圾反应床示范工程。两年多的监测数据表明，卧式矿化垃圾床三级出水的NH3-N、SS、BOD5、TP、色度、臭味、重金属含量等污染指标均低于国家二级排放标准，COD值在一年25%的时间里满足二级排放标准，全年可满足三级纳管排放标准。该工艺吨基建投资费用为1.32万元，吨处理运行成本仅为5.1元。
(2)工业废水类
含酚废水：矿化垃圾反应床体对苯酚、2-氯酚、4-氯酚、2，4-二氯酚的去除试验表明，矿化垃圾床经50d的驯化期后可以达到较快的酚类物质降解速率。当进水有机酚质量浓度为20mg/L时，在连续配水时间6h、干湿比8∶1、配水速率0.254cm/min的条件下，苯酚的去除率大于95%;2-氯酚、4-氯酚和2，4-二氯酚的去除率分别为90.1%、88.6%和85.2%。
焦化废水：试验证明矿化垃圾反应床对焦化废水的COD、NH3-N和几种POPs有很好的去除效果。当进水COD浓度为900～1450mg/L时，单级矿化垃圾反应床体对COD、NH3-N、挥发酚和几种典型杂环化合物的去除率分别为82%、95%、98%和64%;两级回流矿化垃圾床体对相应的COD、NH3-N、挥发酚和几种典型杂环化合物的去除率可以达到92%、96%、99%和74%。
(3)畜禽废水处理
常规的畜禽废水处理工艺主要是采用厌氧贮存与农田灌溉相结合的治理模式。邵芳等人在实验室内进行了6个月的矿化垃圾床处理畜禽废水试验。结果表明，矿化垃圾处理系统对畜禽废水中色度、SS、COD、BOD5、NH3-N和总磷的平均去除率分别为64.7%、54.29%、75.33%、88.71%、94.55%和99.83%;COD、BOD5和NH3-N的出水浓度分别为185.61mg/L、14.94mg/L和26.79mg/L，达到了畜禽废水的行业排放标准。
(4)城市生活污水处理
郭亚丽采用矿化垃圾床处理城市生活污水，2年的运行结果表明，城市生活污水的COD从进水的400～500mg/L降低至10～50mg/L，NH3-N从25～50mg/L降低至5～10mg/L。该工艺产生极少量的污泥，适用于日污水量小于1000吨的中、小城镇、宾馆等污水的处理，吨处理费为0.2元。
矿化垃圾作为一种全新的污水处理填料，优势显著，但上述矿化垃圾填料床占地面积大、未合理分配利用矿化垃圾颗粒级配、且运行一段时间后传统易堵塞。本发明设计构建的序批式矿化垃圾填料湿地床具有占地面积小、流程简单、日常维护方便、抗冲击负荷性能好、无需曝气和固液分离装置、运行中无污泥产生、运行成本低等优点，适于现有分散农村居民生活污水的就地处理。
发明内容
本发明的目的是利用矿化垃圾填料的特性，通过优化组合序批式污水处理工艺(Sequencing Batch Reactor，SBR)形成序批式矿化垃圾湿地，运行进水、反应、出水和闲置4阶段。然后，出水通过重力作用流出再经一段人工湿地处理，出水汇集于储水池，通过泵里提升冲厕(图1)。
本发明的目的是通过以下技术方案和措施来达到的。
本发明的序批式矿化垃圾湿地床处理分散型农村生活污水的方法，其特征在于矿化垃圾填料的选用，具体步骤如下：垃圾填埋场封场数年后(南方地区8～10年以上，北方地区10～15年以上)，将上述矿化垃圾经过开挖、晾晒和简单筛分后，可以得到类腐殖质的原料，然后再分为过2mm筛细料和过2mm～2cm筛的粗料，将上述分别填入序批式矿化垃圾湿地床内，床内少量种植植物。
生活污水三格化粪池的出水通过管道在床内填料亚表面下(离填料表面20～30cm)均匀布水(图1)，设计库容使得进水后床体处于不饱和状态，运行一段时间后出水闲置，等待第二次进水。
序批式矿化垃圾湿地床出水通过第二级的人工湿地再进行净化处理，截留水流冲洗携带的矿化垃圾细料，最后出水汇集于储水池(图1)。
具体实施方法：
现将本发明的实施方法叙述如下：
实施例一：序批式矿化垃圾湿地床处理农村生活污水-单户型，设计人口5人，处理水量1.2～3.6m3/d。设计库容4.0m3，有效库容3.8m3，深1.0m，长2.0m，宽2.0m。
矿化垃圾过2mm筛细料填充高度45cm，过2mm～2cm筛的粗料填充高度50cm(图2)。种植旱伞草，种植密度3～4株/m2。生活污水三格化粪池的出水在填料表面20-30cm处设置带孔污水灌溉管道布水。运行2～3个周后至稳定状态，处理后出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B要求。
通过管道在床内填料亚表面下(离填料表面20～30cm)均匀布水(附图1b)，设计库容使得进水后床体处于不饱和状态，保持反应时间8～10小时，运行一段时间后出水闲置5～8小时使上层矿化垃圾粗料复氧，同时等待第二次进水。
序批式矿化垃圾湿地床出水通过第二级的人工湿地再进行净化处理，截留水流冲洗携带的矿化垃圾细料。最后出水汇集于储水池(附图1)。再利用泵提升至高位水箱供冲厕使用或灌溉等其他用途。
实施例二：序批式矿化垃圾湿地床处理农村生活污水-多户型，设计人口15人，处理水量3.6～10.8m3/d。设计库容15.0m3，有效库容14.0m3，深1.5m，长5.0m，宽2.0m。
矿化垃圾过2mm筛细料填充高度80cm，过2mm～2cm筛的粗料填充高度60cm(图2)。种植旱伞草，种植密度3-4株/m2。生活污水三格化粪池的出水在填料表面20～30cm处设置带孔污水灌溉管道布水。运行3～4个周后至稳定状态，处理后出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B要求。
通过管道在床内填料亚表面下(离填料表面20～30cm)均匀布水(附图2b)，设计库容使得进水后床体处于不饱和状态，保持反应时间12～15小时后，出水闲置4～5小时使上层矿化垃圾粗料复氧，同时等待第二次进水。
序批式矿化垃圾湿地床出水通过第二级的人工湿地再进行净化处理(深1m，宽2m，长0.5m)，截留水流冲洗携带的矿化垃圾细料。最后出水汇集于储水池(附图2)。再利用泵提升至高位水箱供冲厕使用或灌溉等其他用途。
本发明的优点：
本发明的主要优点如下：
采用矿化垃圾填料的序批式处理工艺，充分发挥矿化垃圾、SBR工艺除污的协同作用，实现对农村分散居民生活污水的处理，优势显著：
1)整体处理工艺系统无须供氧等动力消耗，投资省、运行维护简单，作为一种高效好氧/厌氧交替处理工艺，其运行负荷高、处理能力强，因而占地小，且与人工湿地组合运行，可有效实现工艺紧凑、运行稳定、低投资低成本的目标;
2)、不受地形制约，既可单独建造，也可几户联台建造，处理后的生活污水可返回冲厕，对分散农户家庭供水管网未能覆盖且使用抽水马桶等卫生器具非常适用;
3)、处理系统可实现污泥的内部消化，无须外排;每隔2～3年清运更换矿化垃圾填料即可，清运出矿化垃圾填料可作为肥料还田。
4)利用矿化垃圾处理生活污水，实现“以废治废”，利于农村区域污染物的就地消纳，环境质量的改善。
