一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统及方法，该系统是由多介质固定生物床和多介质潮汐流生态湿地构成。所述系统处理方法的步骤如下：污水由提升泵提升进入多介质固定生物床，在微动力通风的条件下，多介质固定生物床将有机物和氨氮得到有效降解，多介质固定生物床出水进入潮汐流人工湿地，进一步去除总氮和总磷。本发明的优点是将多介质固定生物床与潮汐流人工湿地有机组合，发挥各自的功能优势，达到同时高效率去除污水中有机物、氨氮、总氮和总磷的目的。该系统投资少，运行成本低，基本不产生剩余污泥、低维护、无人值守，可实现公路附属设施污水的深度脱氮除磷及资源化回用。
【专利说明】一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统及方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境保护【技术领域】，具体涉及一种服务区、收费站、养护工区、管理所 等公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前公路服务区采用的污水处理技术主要有化粪池处理、生物处理和生态处理 等。由于化粪池处理出水水质较差，目前已经很少直接应用于新建的服务区。而具有耐冲 击负荷、处理效率高的二级处理技术成为主流，其中生物处理法以接触氧化、SBR和MBR等 方法为主，生态处理法常用的是人工湿地和土壤渗滤技术等。
[0003] 2009年交通运输部科学研究院的公路污水处理调研结果显示，以接触氧化工艺为 核心的地埋式一体化污水处理设备占调查设备总数的81. 1 %。接触氧化法在公路附属设施 污水处理领域得到广泛应用的同时也发现其存在运行成本高、处理水质一般、设备易发生 故障、污泥产生量大、北方地区冬季处理不达标等问题，导致很多公路附属设施污水处理设 备无法正常运转。
[0004] 生物膜法的主要形式有：生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法。生物膜法工艺简 单、投资少、运行费用低、操作简单、适应性强，多用于中小型污水处理。生物滴滤池是生物 滤池的一种，且依靠自然通风供氧，运行费用低，运行稳定、易于管理，适用于小城镇、农村 生活污水等中小型污水处理。但采用单一的生物滤池处理污水，对C0D有较好的去除效果， 对N和P的去除效果不佳。
[0005] 人工湿地技术具有出水水质好、景观效果好、运行维护简单等优点，在南方有一定 场地空间的服务区具有很好的推广应用前景。国内学者已经对人工湿地技术应用于服务区 污水处理进行了一些初步的尝试，取得了一定的成绩，如肖冬燕、李向阳、李红艳、李虹等对 人工湿地技术应用于服务区污水处理及回用领域进行了技术适宜性分析和科学论证，钱鸿 等在安徽六潜高速潜山服务区采用了水平潜流人工湿地的处理方法，陈伟莉在广梧高速建 城服务区、虎岩服务区，黄小云等在湖北某服务区采用了接触氧化+人工湿地的处理方法， 均取得了理想的处理效果。但在部分工程应用过程中，发现该技术存在启动调试滞后、建设 成本偏高、易堵塞、场地受限等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的意义在于克服现有技术中的不足之处，提供一种公路附属设施污水多介 质生物生态协同处理系统及方法。
[0007] 本发明的技术方案如下：一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统及 方法，系统是由多介质固定生物床和潮汐流生态湿地构成。其步骤如下：污水经过格栅去 除较大固体杂质，进入污水调节池，均化水质、水量，由提升泵提升进入多介质固定生物床， 在微无动力通风的条件下，多介质固定生物床内形成交替的好氧区、兼氧区、缺氧区和厌氧 区，从而有机物和氮磷得到有效降解，多介质固定生物床出水进入潮汐流人工湿地进行深 度处理，湿地出水达标排放或资源化回用。
[0008] 所述多介质生物生态协同处理系统由多介质固定生物床和多介质潮汐流人工湿 地构成。
[0009] 所述多介质固定生物床为封闭塔层结构，采用模块化设计，由布水系统（11)、封闭 式塔层筐（4)、布孔载体填料筐（7)、多介质功能载体填料（8)及集水系统（10)构成。封 闭式塔层筐（4)内铺设增温支撑网格栅（6)，增温支撑网格栅（6)上放置布孔载体填料筐 (7)，布孔载体填料筐（7)内装填多介质功能载体填料（8)，多介质功能载体填料（8)分层装 填，层与层之间安装增氧分散器（9)。
[0010] 所述多介质固定生物床的多介质功能载体填料（8)为改性火山岩、大孔聚醚生物 载体和/或微孔聚醚载体，根据功能、按照级配一种或几种组合装填。
[0011] 所述增温支撑网格栅（6)为水热交换装置，北方季冻区冬季运行时采用暖气换热 器为多介质固定生物床增温，其实水温保持在12_20°C之间，保障多介质固定生物床中微生 物的活性。
[0012] 所述多介质固定生物床的布孔载体填料筐（7)为底部透气的安全无毒塑料筐，塑 料筐通孔率为10 %?90 %，载体填料级配自上而下顺次、交替布置不同通孔率的布孔载体 填料筐，控制调节通风量，构建缺氧、厌氧、兼氧、好氧的净化环境。
[0013] 所述多介质潮汐流人工湿地是由湿地植物（12)、透气基质层（15)、布水层（16)、 湿地布水系统（13)，多介质滤层（17)，集水层（18)、湿地出水系统（14)，池底防渗层（19)、 湿地复氧系统（20)、控制系统组成。
[0014] 所述多介质潮汐流人工湿地为地面开挖一个长方池体，池体四周与池底防渗层 (19)铺设粘土或土工布，透气基质层（15)位于布水层（16)上方，填充原生介质，其上栽种 湿地植物（20)，布水层（16)位于多介质滤层（17)上方，其中铺设湿地布水系统（13)，多 介质滤层（17)置于布水层（16)与集水层（18)之间，湿地出水系统（14)位于集水层（18) 中，池底防渗层（19)位于集水层（18)下方，多介质滤层（17)中横向、纵向铺设、安插通气 管路，构成湿地复氧系统（20)。
[0015] 所述多介质潮汐流人工湿地的集水层（18)填充2?10cm砾石，多介质滤层（17) 从上而下依次填充多层滤料，由1?3mm沸石、粒径1?3mm火山岩陶粒、3?5mm火山岩陶 粒、3?5mm天然火山岩组合填充，层厚60?100cm。
[0016] 所述多介质潮汐流人工湿地采用序批式操作方式，模拟潮汐流控制进水、淹水、排 水、复氧时间，实现系统淹水反应，排空复氧功能。进水与淹水阶段：通过自动控制系统，通 过湿地布水系统（13)均匀布水，重力作用下由上而下均匀通过多介质滤层（17)，系统液位 逐步上升至系统运行水位时，停止布水。系统进入淹水阶段，污水在多介质滤层（17)内通 过物理、化学、生物的协同作用得以净化。排水与复氧阶段：淹水时间结束，排水系统开启， 人工湿地瞬间排水，系统内水位迅速下降，集水层（18)收集并通过出水系统（14)排出。人 工湿地系统内水位迅速下降的同时，系统进入排空复氧阶段，大气中的氧通过湿地复氧系 统（20)与基质孔隙迅速进入湿地系统，供系统内微生物利用。排空复氧结束后，系统重新 进水，开始运行下一周期。
[0017] 一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统及方法：污水经过格栅去除 较大固体杂质，进入污水调节池，均化水质、水量，由提升泵提升进入多介质固定生物床，多 介质固定生物床顶部载体填料层的上方设置布水系统，利用布水系统将进水均匀分布在载 体填料上，与功能载体填料表面附着生长的生物膜充分接触净化，由于布孔载体填料筐底 部开孔个数变化，不同区域通风条件，通风量不同，功能载体填料内自上而下交替形成好氧 区、兼氧区、缺氧区和厌氧区，从而有机物和氮磷得到有效降解。水流顺次通过各功能载体 填料层，最底部功能载体填料层出水进入潮汐流人工湿地，通过湿地布水系统均匀布水，并 在重力作用下自上而下均匀进入多介质滤层，在多介质滤层内通过物理、化学、生物的协同 作用，得以深度净化，当系统液位逐步上升至系统运行水位时，通过自控系统控制湿地进水 系统停止工作，并控制淹水时间，淹水时间结束，排水系统开启，人工湿地瞬间排水，系统内 水位迅速下降，集水层收集并通过出水系统排出。人工湿地系统内水位迅速下降的同时，大 气中的氧通过复氧系统与基质孔隙迅速进入潮汐流人工湿地系统，供系统内微生物利用。
[0018] 本发明的优点：本发明是将多介质固定生物床与潮汐流人工湿地技术集成发挥各 自的优势，集成系统达到低成本、生态化、高效率、少维护的目的。多介质固定生物床采用 孔隙度高、负载量大的高效固定微生物的功能载体填料，调整改善传统生物滤池结构，采用 敞开式框架、分层结构，控制调整通风供氧条件，并通过层间分散、加强改善氧气利用效率， 在多介质固定生物床内构建集好氧、兼氧、缺氧以及厌氧于一体的微生物生长环境，从而达 到去除有机物和脱氮除磷的目的。通过潮汐流人工湿地对多介质固定生物床出水的深度处 理，解决了现有的公路附属设施污水处理系统存在的脱氮除磷效果较差、出水难以稳定达 标等问题。通过增设增温支撑网格栅水热交换装置，解决北方季节性冰冻地区公路附属设 施污水冬季稳定运行及达标排放问题。该系统具有抗冲击负荷能力强、终年运行稳定、设备 结构简单、紧凑，操作管理方便、不需专人值守，运行维护费用低、易管理、美化环境的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1发明装置系统结构示意图
[0020] 图中数字说明：1为调节池、2为结构隔板、3为提升泵、4为封闭式塔层筐、5为支 撑层、6为增温支撑网格栅、7为布孔载体填料筐、8为功能载体填料、9为增氧分散器、10为 集水系统、11为布水系统、12为湿地植物、13为湿地布水系统、14为湿地出水系统、15为透 气基质层、16为布水层、17为多介质滤层、18为集水层、19为防渗层、20为湿地复氧系统。
【具体实施方式】
[0021] 下面列举3个实施例，并结合附图对本发明进一步说明，但本发明不只限于实施 例
[0022] 实施例1
[0023] 本发明的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统及方法是由多介 质固定生物床和潮汐流人工湿地构成。前设调节池（1)，调节池为一设有进水口、检查口的 埋地池，调节池设有结构隔板（2)。多介质固定生物床为塔层结构，采用模块化设计，由布 水系统（11)、封闭塔层筐（4)、布孔载体填料筐（7)、功能载体填料⑶及集水系统（10)构 成。封闭塔层筐（4)内铺设增温支撑网格栅（6)、增温支撑网格栅（6)上放置布孔载体填料 筐（7)，布孔载体填料筐（7)内装填功能载体填料（8)，功能载体填料（8)分层装填，层与层 之间安装增氧分散器（9)。潮汐流人工湿地是由湿地植物（12)、透气基质层（15)、布水层 (16)、湿地布水系统（13)，多介质滤层（17)，集水层（18)、湿地出水系统（14)，池底防渗层 (19)、湿地复氧系统（20)、控制系统组成。该系统在地面开挖一个长方池体中，池体四周与 池底防渗层（19)铺设粘土或土工布，透气基质层（15)位于布水层（16)上方，填充原生介 质，其上栽种湿地植物（20)，布水层（16)位于多介质滤层（17)上方，其中铺设湿地布水系 统（13)，多介质滤层（17)至于布水层（16)与集水层（18)之间，湿地出水系统（14)位于集 水层（18)中，池底防渗层（19)位于集水层（18)下方，多介质滤层（17)中横向、纵向铺设、 安插通气管路，构成湿地复氧系统（20)。
[0024] 污水经过格栅去除较大固体杂质，进入污水调节池，均化水质、水量，由提升泵（3) 提升进入多介质固定生物床，通过布水系统（11)将进水均匀分布在功能载体填料（8)上， 在重力作用下，与功能载体填料（8)表面附着生长的生物膜充分接触净化，并通过增温支 撑网格栅（6)增温，通过增氧分散器（9)增氧。水顺次通过各功能载体填料（8)层，最底部 功能载体填料（8)层出来的进入潮汐流人工湿地，通过湿地布水系统（13)均匀布水，并在 重力作用下自上而下均匀进入多介质滤层（17)，当系统液位逐步上升至系统运行水位时， 通过自控系统控制湿地进水系统停止工作，并控制淹水时间，淹水时间结束，排水系统开 启，生态湿地瞬间排水，系统内水位迅速下降，集水层（18)收集并通过出水系统（14)排放 或回用。
[0025] 实施例2
[0026] 多介质固定生物床为方形或圆形塔层结构，系统高3m，采用分层的模块结构，共 分4层，每层高40cm，每层间距30cm，功能载体填料自上而下依次装填：第一层为大孔网状 聚醚载体5-8_、第二层为：天然火山岩8_、第三层为：微孔聚醚载体3-5_、第四层天然火 山岩2-3mm ：
[0027] 潮沒流人工湿地系统高lm,透气基质层10cm、布水层10cm、生态滤层60cm、集水层 20cm,多介质滤层共4层，1?3mm火山岩陶粒：1?3mm沸石：3?5mm火山岩陶粒：3? 5mm天然火山岩=1:1 :1:1，
[0028] 多介质固定生物床水力负荷2. 0m3/m2 ·d、潮汐流人工湿地在水力负荷0· 3m3/m2 ·d 情况下，水温12_20°C，系统进水C0D200mg/L、氨氮30mg/L、TP3mg/L时，出水C0D30mg/L、氨 氮2. Omg/L，TPO. 4mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。
[0029] 实施例3
[0030] 方法与实例2相同，多介质固定生物床为方形塔层结构，系统高3m，采用分层的模 块结构，共分4层，每层高40cm，每层间距30cm,功能载体填料自上而下依次装填载体填料： 第一层为大孔网状聚醚载体5-8_、第二层为：轻质火山岩陶粒8_、第三层为：微孔聚醚载 体3_5mm、第四层为火山岩2_3mm。
[0031] 潮沒流人工湿地系统高lm,透气基质层10cm、布水层10cm、多介质滤层60cm、集 水层20cm,多介质滤层共4层，1?3mm火山岩陶粒：1?3mm沸石：3?5mm火山岩陶粒： 3?5mm天然火山岩=1:1 :1:1，
[0032] 多介质固定生物床水力负荷4. 0m3/m2 ·d、潮汐流人工湿地在水力负荷0· 6m3/m2 ·d 情况下，水温12_20°C系统进水C0D200mg/L、氨氮30mg/L、TP3mg/L时，出水C0D50mg/L、氨 氮7mg/L，TPO. 8mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。
【权利要求】
1. 一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其特征在于：所述多介质生 物生态协同处理系统由多介质固定生物床和多介质潮汐流人工湿地构成。
2. 根据权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其 特征在于：所述多介质固定生物床为封闭塔层结构，采用模块化设计，由布水系统（11)、封 闭式塔层筐（4)、布孔载体填料筐（7)、多介质功能载体填料（8)及集水系统（10)构成；封 闭式塔层筐（4)内铺设增温支撑网格栅（6)，增温支撑网格栅（6)上放置布孔载体填料筐 (7)，布孔载体填料筐（7)内装填多介质功能载体填料（8)，多介质功能载体填料（8)分层装 填，层与层之间安装增氧分散器（9)。
3. 根据权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其特 征在于：所述多介质固定生物床的多介质功能载体填料（8)为改性火山岩、大孔聚醚生物 载体和/或微孔聚醚载体，中的一种或几种组合。
4. 根据权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其特 征在于：所述增温支撑网格栅（6)为水热交换装置。
5. 根据权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其特 征在于：所述多介质固定生物床的布孔载体填料筐（7)为底部透气的安全无毒塑料筐，塑 料筐通孔率为10%?90%，载体填料级配自上而下顺次、交替布置不同通孔率的布孔载体 填料。
6. 根据权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其特 征在于：所述多介质潮汐流人工湿地是由湿地植物（12)、透气基质层（15)、布水层（16)、湿 地布水系统（13)，多介质滤层（17)，集水层（18)、湿地出水系统（14)，池底防渗层（19)、湿 地复氧系统（20)、控制系统组成。
7. 根据权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其 特征在于：所述多介质潮汐流人工湿地为地面开挖一个长方池体，池体四周与池底防渗层 (19)铺设粘土或土工布，透气基质层（15)位于布水层（16)上方，填充原生介质，其上栽种 湿地植物（12)，布水层（16)位于多介质滤层（17)上方，其中铺设湿地布水系统（13)，多 介质滤层（17)置于布水层（16)与集水层（18)之间，湿地出水系统（14)位于集水层（18) 中，池底防渗层（19)位于集水层（18)下方，多介质滤层（17)中横向、纵向铺设、安插通气 管路，构成湿地复氧系统（20)。
8. 根据权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统，其特 征在于：所述多介质潮汐流人工湿地的集水层（18)填充2?10cm砾石，多介质滤层（17) 填充多层滤料，由1?3mm沸石、粒径1?3mm火山岩陶粒、3?5mm火山岩陶粒、3?5mm 天然火山岩从上至下依次组合填充，层厚60?100cm。
9. 利用权利要求1所述的一种公路附属设施污水多介质生物生态协同处理系统进行 生物生态协同处理的方法，其特征在于：所述多介质潮汐流人工湿地采用序批式操作方式， 模拟潮汐流控制进水、淹水、排水、复氧时间，实现系统淹水反应，排空复氧功能； 其中，进水与淹水阶段：通过自动控制系统，通过湿地布水系统（13)均匀布水，重力作 用下由上而下均匀通过多介质滤层（17)，系统液位逐步上升至系统运行水位时，停止布水， 系统进入淹水阶段，污水在多介质滤层（17)内通过物理、化学、生物的协同作用得以净化； 排水与复氧阶段：淹水时间结束，排水系统开启，人工湿地瞬间排水，系统内水位迅速 下降，集水层（18)收集并通过湿地出水系统（14)排出，人工湿地系统内水位迅速下降的同 时，系统进入排空复氧阶段，大气中的氧通过湿地复氧系统（20)与基质孔隙迅速进入湿地 系统，供系统内微生物利用； 排空复氧结束后，系统重新进水，开始运行下一周期。
【文档编号】C02F3/30GK104085990SQ201410341340
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】刘学欣, 籍国东, 鲁亚义, 白雪原, 孔亚平, 高硕晗, 薛铸 申请人:交通运输部科学研究院, 北京大学