生活污水处理系统及方法与流程
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种生活污水处理系统及方法。
背景技术：
我国是人口大国、农业大国，我国大部分人口分布在乡村。近年来，随着各镇区经济的快速发展和人民生活水平的提高，生活用水逐渐增多，随之产生的生活污水排放量不断增加，使得地表水体不能承受过多负荷，环境安全隐患与问题也日趋严重。过多的生活污水排放量超出水体的自净能力，造成水体污染，不但影响居民的生活质量，而且影响居民的身体健康。
2009年，住建部《生态文明时代的村镇规划与建设》报告中指出，根据住建部统计数据，2006年底乡政府驻地污水处理率仅为1.7％。可推断，农村生活污水处理率更低，农村污水基本就地排入河流和湖泊，由于污水中含有大量的有机物和氮、磷元素，使得河流湖泊的水体的环境容量和生态承载能力不堪重负，生态系统受到严重破坏，水污染问题日益加剧，由此引发大范围的蓝藻、水华，造成水质恶化，严重影响农村地区的生态环境，并对人民的生活质量和身体健康构成了危害。
此外，农村污水水质特点：农村生活污水主要有两种来源，包括：1)厨具炊事用水、淋浴、洗绦用水和冲厕所用水，主要含有有机物、氮和磷以及细菌、病毒、寄生虫等，一般不含有毒物质；2)农村居民的养殖及畜禽养殖产生的粪便、废水，主要含有氮、磷以及bod、cod、悬浮物等污染物。这些污水的水质均具有生化性好的特点。农村污水排放特点：大多数农村没有专门的污废水管网收集和处理设施，农村生活污水一般就近顺地势排放到居住点附近的道路、河道、坑塘里面，主要特点有：1)流量小，变化系数大；2)农村居民分散，生活有规律，导致污水排放早晚比白天大，夜间排放量小；3)在上午、下午、晚上都有1个高峰时段，高峰时段的出现与季节、当地农村的生活习惯等因素有关。
基于此，研究的处理工艺主要是针对生活污水的污染因子，去除水中的悬浮物、有机物、氮、磷等指标。
技术实现要素：
本发明的目的是研究一种生活污水处理系统及方法，可集成污水收集、过滤、生化、生态净化处理工艺于一体，针对分散型的污水进行处理，去除悬浮物、有机物、氮、磷等污染因子，并且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)的一级a标准。具体技术方案如下：
一种生活污水处理系统，包括厌氧调节池1、缺氧反应池2、生物滤塔单元3、潜流人工湿地4；厌氧调节池1的进水口端布置有进水管道5，厌氧调节池1和缺氧反应池2之间通过自流通道相连，缺氧反应池2内布置有提升泵6，生物滤塔单元3位于厌氧调节池1和缺氧反应池2的上方，配置有一高水位箱7，高水位箱7的进水口通过输水管道19与提升泵6相连，高水位箱7的出水口与生物滤塔单元3的顶部相连，生物滤塔单元3的底部布置有穿孔集水管8，穿孔集水管8的出水口和潜流人工湿地4相连，生物滤塔单元3和潜流人工湿地4内均设置有生物滤料。
进一步的，生物滤塔单元3和/或潜流人工湿地4内的生物滤料上还可以覆盖植被层，以实现系统在植物、土壤微生物联合作用下，综合运用物理、化学和生物作用对污水进行处理。
进一步的，生物滤塔单元3包括多级生物滤池20，生物滤池20的直径自上而下逐级增大，来自高水位箱7的进水自生物滤塔单元3顶部通过重力自上而下跌落式地进入各级滤池。从而实现全程自流生化过滤，既能有效筛滤吸附污水中的悬浮物又发生接触氧化作用，在去除有机物的同时硝化细菌好氧硝化将来水中凯氏氮转化为硝态氮、亚硝态氮。
进一步的，各级生物滤池20的底部布置有集水器13，外部设置的一圈出水槽14，各级生物滤池20的污水通过集水器13进入出水槽14,再从出水槽14顶部以跌落的形式进入下一级生物滤池20。
进一步的，各级生物滤池20为圆柱体结构，各级生物滤池20的底部布置的集水器13为圆形，外部设置的出水槽14为环形。
进一步的，高水位箱7布置于生物滤塔单元3中心位置并纵向贯穿生物滤塔单元3，其出水口端位于生物滤塔单元3的顶部。
进一步的，高水位箱7的出水口端连接有一开口朝上的喇叭状堰口10。
进一步的，高水位箱7为圆柱体结构，其出水口端的喇叭状堰口10的横截面为圆形以实现圆周均布的布水方式，以保证生物滤塔单元3的进水分布均匀。
进一步的，厌氧调节池1和缺氧反应池2共同布置在一水箱内并通过隔板分割成两个相互独立的池体。
进一步的，厌氧调节池1的容积是缺氧反应池2容积的1.5-2.5倍。
进一步的，厌氧调节池1和缺氧反应池2共同布置在一水箱内，生物滤塔单元3固定于水箱的正上方并与水箱形成一体式结构。
进一步的，穿孔集水管8的出水口端布置有与厌氧调节池1和/或缺氧反应池2相连的第一出水支管11以及与潜流人工湿地4相连的第二出水支管15。通过第一出水支管11实现部分出水的回流，回流比可控制在50-200％之间，从而进一步提高系统反硝化脱氮的效率。
进一步的，第二出水支管15上设置第二水量控制阀16，用于控制自生物滤塔单元3流向潜流人工湿地4的进水量。
进一步的，第一出水支管11布置有第一水量控制阀12，用于控制自生物滤塔单元3回流至厌氧调节池1和/或缺氧反应池2的进水量。
进一步的，潜流人工湿地4的末端设置出水渠17，出水渠17配备有出水控制阀18。
进一步的，潜流人工湿地4的出水渠17处布置有杀菌剂投放接口，可用于向出水渠17内投加杀菌剂。
进一步的，提升泵6通过太阳能电池组件供电。
本发明还公开一种生活污水处理方法，采用具有上述特征的任意一项生活污水处理系统进行污水处理，污水通过进水管道5进入厌氧调节池1，经厌氧调节池1处理后的水通过自流通道自流进入缺氧反应池2，经缺氧反应池2处理后的水通过提升泵6泵入高水位箱7，经高水位箱7稳流后的水自生物滤塔单元3顶部自上而下跌落式流径生物滤塔单元3；经生物滤塔单元3处理后的水通过穿孔集水管8排出，从而完成污水处理流程。
该系统及方法的基本处理流程为：废水收集—厌氧消解及调节—缺氧—提升泵—高位水箱—生物滤池—出水(部分回流至缺氧池和/或厌氧池)—潜流湿地—排放。可见，该系统及方法仅通过消耗一次提升能耗完成了对污水去除有机物、脱氮除磷、高效过滤、生态净水的所有作用，其耐冲击高负荷的工艺性能完全适应农村生活污水小水量、分散型高、水质波动大的特性。
本发明所公开的生活污水处理系统及方法，具有以下有益效果：
(1)结合了生化和生态两种工艺，其中生化系统包括厌氧池、缺氧池和跌落式生物滤塔，生态系统包括潜流人工湿地。多级生物滤池既能有效筛滤吸附污水中的悬浮物又能通过生物接触氧化作用去除有机物。滤塔出水回流可以进一步提高系统的脱氮除磷效率。潜流人工湿地可以通过生态自净能力进一步去除悬浮物、有机物、氮、磷等污染因子。整个系统具有耐冲击负荷能力强、水处理效率高、出水水质稳定等优点，尤其适用于水量小、分散广、水质波动大的农村分散型生活污水的处理。
(2)经该系统和方法处理后的出水水质可满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918－2002)一级a要求，而现有技术中该类处理装置的出水水质仅能达到一级b要求。
(3)该系统的全部设备组成中仅有污水提升泵一台用电设备，其余污水均可通过重力自流。其中，提升泵既可采用市电供电，其装机容量为0.1kw，合计吨水处理成本为0.2kwh/m3水，也可采用太阳能电池组件供电装置给提升水泵提供供电，从而实现“零能耗”的目的，具有节能环保、运行成本低的优点。
(4)跌落式的生物滤池设计可以在无需曝气装置的条件下提高滤池中的溶解氧含量，节省了曝气所需的能耗。
(5)该系统可将厌氧池和缺氧池布置于一水箱内，水箱与生物滤塔单元上下连接，形成一体式处理装置，从而使得整体结构紧凑、占地面积小；一体式处理装置还可以和人工湿地相结合，结构设计合理，具有功能集成性高、一次性投资成本低、景观效果好的优点。
附图说明
图1为实施例中生活污水处理系统的结构示意图
图2为实施例中水箱的断面示意图
图3为实施例中跌落式生物滤塔的断面示意图
图4为生物脱氮机理
图5为生物除磷机理
附图标注：厌氧调节池1、缺氧反应池2、生物滤塔单元3、潜流人工湿地4、进水管道5、提升泵6、高水位箱7、穿孔集水管8、输水控制阀9、圆形堰口10、出水支管11、水量控制阀12、圆形集水器13、环形出水槽14、出水支管15、水量控制阀16、出水渠17、配备出水控制阀18、输水管道19、生物滤池20。
具体实施方式
实施例中公开一种针对农村分散型生活污水处理的生活污水处理系统(简称该系统)，该系统拟采用一次提升能耗，全程自流的方式，对无序排放的生活污水进行收集处理，实现污染治理的环境目标，并实现处理装置的小型化、装备化、无人化、低成本运行，并能兼顾外观的美化效果。
下面结合附图及具体实施例对该系统作进一步说明：
参照图1、图2、图3所示，该系统包括生活污水处理一体化装置(简称一体化装置)和潜流人工湿地4，生活污水处理一体化装置主要包括厌氧调节池1、缺氧反应池2和生物滤塔单元3。
厌氧调节池1和缺氧反应池2共同布置在一个地埋式碳钢圆柱体水箱内，生物滤塔单元3固定在圆柱体水箱的正上方，形成一体化的竖直的塔状结构。圆柱体水箱具有两个池体分格，分别为厌氧调节池1和缺氧反应池2，厌氧调节池1和缺氧反应池2之间通过自流通道相连。如图2(a)和(b)所示，厌氧调节池1和缺氧反应池2可通过隔板分割成两个同心的扇形体或圆环柱体。自流通道可以设计成连通管或堰口等结构。在具体设计时，厌氧调节池1的容积可以是缺氧反应池2容积的1.5-2.5倍，实际尺寸可依据处理量进行调整。厌氧调节池1的进水口端布置有进水管道5。缺氧反应池2内底部中心位置处布置有一个提升泵6。
生物滤塔单元3由多级圆形生物滤池20组成，生物滤池的直径自上而下逐级增加，来自生物滤塔单元3顶部的高水位箱7出水口处的进水通过重力自上而下跌落式地进入各级滤池。各级生物滤池底部设置有圆形集水器13，外部设置环形出水槽14，可参考图3(a)和(b)中所示出两幅断面图，各级滤池污水通过集水器13进入出水槽14,再从出水槽14顶部以跌落的形式进入下一级生物滤池20。
生物滤塔单元3的中心位置布置有一圆柱体高水位箱7，高水位箱7纵向贯穿生物滤塔单元3，其底部的进水口通过输水管道19与提升泵6相连，其顶部的出水口位于生物滤塔单元3的顶部，作为生物滤塔单元3的进水口。输水管道19上设置有输水控制阀9，用于控制泵入高位水箱7的进水量。高水位箱5的这种纵向贯穿式结构，一方面可用于多级生物滤池单元7中各级生物滤池20的支撑固定，另一方面也有利于稳定从提升泵6泵入的进水。高水位箱7的出水口端连接有呈开口朝上且横截面为圆形的喇叭状堰口，通过圆周均布的布水方式保证生物滤塔单元3的进水分布均匀。
生物滤塔单元3的底部布置有穿孔集水管8，穿孔集水管8的出水口端分为两路出水支管，出水支管11与厌氧调节池1和/或缺氧反应池2相连，出水支管15与潜流人工湿地4相连。且在水支管11上设置有水量控制阀12，用于控制自生物滤塔单元3回流至厌氧调节池1和/或缺氧反应池2的进水量；出水支管15上设置有水量控制阀16，用于控制自生物滤塔单元3流向潜流人工湿地4的进水量。
潜流人工湿地4的末端设置出水渠17，出水渠17配备有出水控制阀18，以控制湿地内的水位高度。潜流人工湿地4的出水渠17处布置有杀菌剂投放接口，用于向出水渠17内投加杀菌剂备用。
在生物滤塔单元3和潜流人工湿地4内均设置有生物滤料并覆盖植被层。从而实现系统在植物、土壤微生物联合作用下，综合运用物理、化学和生物作用对污水进行处理。
基于该系统，废水通过进水管道5进入厌氧调节池1，并自流进入缺氧反应池2；在此过程中，通过调节厌氧调节池1发挥调节、厌氧生化作用，对水质进行稳定，通过缺氧反应池2发挥缺氧生化作用，混合好氧回流的水，实现反硝化脱氮的目的。
缺氧反应池2处理出水通过提升泵6泵入高位水箱7，在高位水箱7内稳流后，通过堰口10自流进入生物滤塔单元3。跌落式生物滤塔3接收堰口10自流来水，并在生物滤塔单元3中通过重力作用自上而下跌落式地进入各级生物滤池，以实现全程自流过滤。各级生物滤池20内部装设一定高度的生物滤料，生物滤料同时具有较高的表面积作为微生物的载体，同时又具有较高的孔隙率，保证废水流态的均匀，生物滤池20通过水力分布自然富氧，以满足好氧滤池溶解氧的要求；在对来水发生好氧生化作用又发挥其过滤截留功能，去除悬浮物，生化降解有机物，并同时发生好氧硝化作用，去除来水中的氨氮污染物。
生物滤塔单元3出水通过穿孔集水管8排出，排出的水一部分通过出水支管15进入后续潜流人工湿地4，另一部分通过出水支管11进入厌氧池和/或缺氧池。
潜流人工湿地4接纳生物滤塔单元3的部分出水，在植物、土壤微生物联合作用下，综合物理、化学和生物多种作用对污水进行处理。物理作用包括沉淀作用和植物根茵对污染物的过滤和吸附作用。化学作用主要是指人工湿地系统中由于植物、微生物、填料及酶的多样性而发生的各种化学反应过程。生物作用主要是微生物的代谢、细菌的硝化和反硝化以及植物的代谢与吸收作用对污染物的去除。进一步，可根据需要在潜流人工湿地出水渠17投加杀菌剂，以满足粪大肠杆菌指标要求。潜流湿地出水通过出水控制阀18控制水位高度，和处理程度，并预留杀菌剂接口，如需杀菌，通过杀菌剂接口向出口渠中投加杀菌剂即可。
进一步的，生活污水处理系统还可以做到无人值守，全自动运行。该系统的全部设备中仅有一台用电设备，即污水提升泵6。该提升泵6的供电可采用市电供电方式，也可采用太阳能电池板供电方式。若如采用市电供电，则装机容量为0.1kw，合计吨水处理成本为0.2kwh/m3水；若采用太阳能电池板供电装置给提升水泵提供供电的话，还可实现“零能耗”的目的。
需要说明的是，在本专利具体实施方式中，生活污水处理系统、生活污水处理系统和该系统，厌氧调节池和厌氧池，缺氧反应池和缺氧池，潜流人工湿地和人工湿地等具有类似表述的均表述的是一个意思。
当然，除实施例中所示的一体化结构外，也可以根据需求进行其它结构设计，如厌氧调节池1和缺氧反应池2并不设计在一个箱体内，即使设计在一个箱体内也不一定位于生物滤塔单元3的正下方并形成一体式结构；如箱体、高水位箱7、生物滤池20等的横截面也不限定为圆形，可以设计成矩形等其它形状。
通过以上实施例可见，该系统主要由两个有机部分组成，第一部分选用具有脱氮功能的a/a/o工艺(厌氧缺氧好氧工艺)，第二部分选用人工潜流湿地，通过水力流态上的厌氧-缺氧-好氧-潜流湿地，达到去除有机物、n、p的要求。其中，a/a/o段的好氧工艺，选用低负荷的生物滤池，还可以达到无动力、无人值守的目的，并通过设备外观的设计，兼顾设备的美观及与环境的协调；人工潜流湿地可通过植物的选择，形成良好景观效果。
污水的收集、厌氧消解、缺氧生化可共用一个地埋式碳钢水箱，箱体内部按工艺要求分隔成厌氧消解调节池与缺氧池两部分。污水的分散收集调节与厌氧消解可共用一个池体分格，既发挥调节池收集水量、均质调节的作用，又利用其厌氧条件进行生化消解，提高生化性，降低进水有机物含量；出水自流入缺氧池池体，并混合后续好氧生化过滤工艺出水回流的硝化液，发生缺氧反硝化，去除污水中硝态氮，补充后续好氧生化所需碱度。缺氧池出水通过提升泵泵入高位水箱布水，由布水区自流进入生物滤塔单元，生物滤塔单元分层(级)设置，由多级生物滤池组成，全程自流生化过滤，既能有效筛滤吸附污水中的悬浮物又发生接触氧化作用，在去除有机物的同时硝化细菌好氧硝化将来水中凯氏氮转化为硝态氮、亚硝态氮。生物滤塔单元的出水部分回流至缺氧池，部分进入潜流湿地。通过潜流作用，即利用植物根系与土壤的截留作用进一步去除悬浮物与氮、磷。
可以看出，该系统集成了厌氧、缺氧、好氧生物过滤、潜流湿地，通过不同种群的微生物的代谢作用，实现有机物、n、p以及悬浮物的有效去除；污水在该系统内仅通过消耗一次提升能耗完成了去除有机物、脱氮除磷、高效过滤的所有作用，其耐冲击负荷的工艺性能完全适应农村生活污水小水量、分散型高、水质波动大的特性。
该系统及其对应的方法包含了厌氧、缺氧、好氧和潜流湿地等多重处理工艺，涉及了生物脱氮机理、生物除磷机理和潜流湿地机理，具体内容如下：
生物脱氮机理：参照参图4所示，生物法脱氮是由有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成。
氨化指当氨基酸和其他含氮有机物被生物降解释放氨的过程。只有当有机氮被转化为氨并释放到介质中，硝化菌才能将氨氮转化为硝酸盐。硝化由自养型好氧微生物完成。氨氮首先在亚硝酸菌作用下转化为亚硝酸盐，然后，在硝酸菌作用下亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐，反应用下式表示，过程中需大量氧。
反硝化由异养兼性微生物完成，可以由下式表示：
在没有分子氧时，反硝化菌以硝态氮为电子受体，有机物作为碳源和电子供体，通过反硝化菌的同化作用(合成代谢)与异化作用(分解代谢)完成。
同化作用是
该系统中，以上生物脱氮过程主要通过缺氧-好氧生物滤池段实现。
生物除磷机理：参照图5所示，生物除磷是一个由聚磷菌(phosphorusaccumulatingorganism,paos)生长进行的复杂过程。paos具有在厌氧条件下消耗细胞内的聚磷酸盐储存碳源而在好氧/缺氧条件下消耗碳源储存磷酸盐的独特能力。
comeau和wentzel等人分别提出解释paos功能的模式，称为comeau－wentzel模式。废水经过下水道的发酵作用，大多有机物以乙酸和短链脂肪酸(short-chai氮fattyacids,scfa)的形式存在，当废水进入生物反应器厌氧区时，兼性异养微生物进行发酵产生额外的脂肪酸。paos分解胞内储存的聚磷酸盐提供atp合成所需的能量，将乙酸储存为phb。多聚磷酸盐水解形成atp时会增加胞内无机磷酸盐(pi)的浓度，pi与阳离子一起被释放到主体溶液中。
当废水进入好氧区时，废水中的溶解性有机物减少，但paos含有大量phb储存物。废水中无机磷酸盐丰富，而paos的聚磷酸盐含量低。paos为了生长，以储存的phb作为碳源和能源，进行好氧代谢，吸收在厌氧区释放的全部磷酸盐和废水中含有的初始磷酸盐。paos通过厌氧与好氧环境的交替循环去除废水中的磷。多数除磷系统都采用好氧区生成多聚磷酸储存物，也有一部分paos在缺氧条件下利用硝酸盐与亚硝酸盐作为电子受体，形成反硝化除磷系统。
该系统中，以上生物除磷过程主要通过厌氧-好氧生物滤池段实现。
潜流湿地机理：潜流人工湿地(又称人工湿地生态系统)是将污水投放到土壤经常处于水饱和状态而且生长有芦苇、香蒲等耐水植物的沼泽地上，污水沿一定方向流动，在流动的过程中，在耐水植物和土壤联合作用下，污水得到净化的一种土地处理工艺。人工湿地处理污水处理的机理十分复杂，一般认为人工湿地对污水处理综合了物理、化学和生物3种作用。物理作用包括沉淀作用和植物根茵对污染物的过滤和吸附作用。化学作用主要是指人工湿地系统中由于植物、微生物、填料及酶的多样性而发生的各种化学反应过程。生物作用主要是微生物的代谢、细菌的硝化和反硝化以及植物的代谢与吸收作用对污染物的去除。
人工湿地生态系统对污水的处理效果良好，出水水质稳定，不仅能去除有机物，而且能够除磷脱氮和去除重金属，同时具有运行管理方便、投资和运行费用低的特点。有报道利用二级串联人工湿地系统对太湖地区农村生活污水进行脱氮除磷实验研究，结果表明，人工湿地系统nh4+-n、tn和tp的去除率分别为83％～90％、80％～90％和83％～94％。
综上可见，本发明在现有的独立处理装置的基础上一体化集成，并结合潜流人工湿地，通过具有厌氧-缺氧-好氧交替的生物环境，实现生物脱氮除磷的目的，并辅以潜流湿地，对废水中的有机物、氮、磷、悬浮物做强化处理，保证出水水质达标。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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