本实用新型属于污水处理技术领域，具体涉及一种生态型人工快渗系统。
背景技术：
近年来，由于工业、农业废水的排放日益增多以及洗涤剂的大量使用，水环境中的氮素污染问题日趋严重。当进入水体的氮含量过高时，容易与磷素污染物一起引发水体富营养化，导致藻类及其他浮游生物迅速生长繁殖，水体溶解氧量含量下降，水质恶化，进而导致鱼类及其他水生生物的大量死亡。此外，亚硝酸盐和硝酸盐在水环境中还可形成具有“三致”效应的N-亚硝基化合物，直接或间接危害人体健康。因此，污水脱氮备受关注。
目前应用最广泛的脱氮技术是生物脱氮，常见工艺可分为活性污泥法和生物膜法两大类。生物脱氮比物理化学脱氮更加经济，但是也存在诸多缺点：(1)通常在多个反应器内进行，工艺流程较长，占地面积较大，基建费用较高；(2)硝化过程需要设置曝气池进行充氧曝气以维持硝化菌群的生物活性，反硝化过程往往需要外加甲醇、乙醇或乙酸等碳源补充物及碱，增加了投资和运行费用；(3)为使系统内污泥的浓度维持在适宜范围，往往需要对污泥和硝化液进行回流，设备能耗和运行费用随之增加；(4)系统抗冲击能力较弱，硝化菌和反硝化菌易受到进水条件和外界环境变化的冲击而影响出水水质；(5)产生的剩余污泥需及时进行处理或处置，增加了处理费用，而处理或处置不当时将造成二次污染。因此，探寻一种经济高效环保的脱氮方法已经成为污水脱氮领域的研究热点与难点。
人工快渗是近年来开发的一种新型污水生态处理技术，不仅适用于生活污水处理，也非常适合于受污染河水的净化改善。该技术多采用渗透性能良好的天然介质作为主要渗滤材料代替天然土层，综合了人工湿地和传统土壤渗滤系统的优势，特别适合于污水来源分散、污水处理设施不完善的农村或边远地区。传统人工快渗系统对氨氮(NH3-N)的去除效果较好，可达80％以上，然而对总氮(TN)的去除效果却较差，往往不足30％，难以达标排放。若能实现人工快渗系统的高效脱氮，将有利于该技术的进一步推广应用，为受污染河流、农村分散污水、中小城镇生活污水以及市政管网尚未覆盖的边远地区污水处理提供实用性强的环保技术，对我国实施污水资源化、实现水资源可持续利用具有重要应用价值。
技术实现要素：
本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、脱氮效能高的生态型人工快渗系统。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种生态型人工快渗系统，包括快渗池本体，所述快渗池本体内设有进水区、硝化区、滞留区、过渡区、反硝化区以及出水 区，所述过渡区位于滞留区和反硝化区下方，待处理污水从进水区依次渗入硝化区、滞留区，再经过渡区升流至反硝化区，所述硝化区用于初步处理待处理污水中的氨氮，所述滞留区用于初步处理硝化区产生的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，所述过渡区用于连通滞留区和反硝化区，所述反硝化区用于进一步处理硝化区产生的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。
优选地，所述反硝化区采用改性玉米芯作为填料，所述改性玉米芯采用反硝化污泥接种。
优选地，所述改性玉米芯包括高压蒸汽改性玉米芯、酸改性玉米芯或碱改性玉米芯中的一种，粒径为2～5mm。
优选地，所述硝化区采用均匀混合的粗河砂、细河砂以及沸石砂作为填料，所述粗河砂粒径为0.55～0.85mm，所述细河砂粒径为0.15～0.35mm，所述沸石砂粒径为1～2mm。
优选地，所述粗河砂、细河砂、沸石砂体积比为4～7：2～5：1～4。进一步的，所述粗河砂、细河砂、沸石砂优选体积比为5：3：2。
优选地，所述滞留区采用均匀混合的粗石英砂、细石英砂、火山岩作为填料，所述粗石英砂粒径为1～1.5mm，所述细石英砂粒径为0.2～0.8mm，所述火山岩粒径为1.5～2.7mm。
优选地，所述粗石英砂、细石英砂、火山岩体积比为3～6：2～5：2～4。进一步的，所述粗石英砂、细石英砂、火山岩体积比为4：4：2。
优选地，所述过渡区采用鹅卵石作为填料，所述鹅卵石粒径5～18mm，鹅卵石上方铺设有隔离层一，所述隔离层一用于防止滞留区和反硝化区的填料随水流入而堵塞连通口。
优选地，所述出水区采用碎石作为填料，所述碎石粒径为5～10mm，出水区与反硝化区之间铺设有隔离层二，所述隔离层二用于防止反硝化区的填料随水流出。
优选地，所述人工快渗系统还包括定时器和流量计，所述定时器(7)和流量计(8)安装于进水区之前，用于控制进水时间和流量。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的生态型人工快渗系统，通过硝化-滞留-反硝化过程实现氮素污染物的高效去除。总体而言，结构简单、操作简便、占地面积小，基建投资少；无需曝气供氧和污泥回流，节约电耗；不产生剩余污泥，减少二次污染。该生态型人工快渗系统实用价值高，尤其适合于受污染河流、农村分散污水、中小城镇生活污水以及市政管网尚未覆盖的边远地区污水的脱氮处理，值得在业内推广。
附图说明
图1是本实用新型生态型人工快渗系统结构示意图。
附图标记说明：1、进水区；2、硝化区；3、滞留区；4、过渡区；5、反硝化区；6、出水区；7、定时器；8、流量计；9、隔离层一；10、隔离层二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明：
如图1所示，本实用新型生态型人工快渗系统的机构示意图，包括快渗池本体，快渗池本体内设有进水区1、硝化区2、滞留区3、过渡区4、反硝化区5、出水区6、定时器7以及流量计8。过渡区4位于滞留区3和反硝化区5下方，滞留区3与反硝化区5通过过渡区4相互连通。待处理污水从进水区1依次渗入硝化区2、滞留区3，在滞留区3停留一段时间后经过渡区4升流至反硝化区5，在反硝化区5停留一段时间后从出水区6排出。定时器7和流量计8安装于进水区1之前。进水区1通过定时器7和流量计8控制进水时间和流量。
硝化区2主要用于去除待处理污水中的大部分氨氮，该区采用粗河砂、细河砂、沸石砂均匀混合作为填料。滞留区3主要用于去除少部分硝化区2产生的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，同时为反硝化区5提供更稳定的进水水质和更适宜的反硝化环境，该区采用粗石英砂、细石英砂、火山岩均匀混合作为填料。过渡区4主要用于连通滞留区3和反硝化区5，使滞留区3的出水能够顺利流入反硝化区5，该区采用鹅卵石作为填料。反硝化区5主要用于去除大部分硝化区2产生的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。该区采用改性玉米芯作为填料。出水区采用碎石作为填料。
以下通过具体实施例，对本实用新型的结构进行进一步详细说明，以进一步展示本实用新型的原理：
在本实施例中，快渗池本体采用PVC板材制成，包括左侧池和紧邻于左侧池的右侧池。进水区1、硝化区2、滞留区3从上至下依次设置于左侧池内，出水区6和反硝化区5设置于右侧池内，且出水区6位于反硝化区5的上方。过渡区4设置于左侧池和右侧池的底部，位于滞留区3和反硝化区5的下方。在本实施例中，进水区1尺寸(长×宽×高)为(10×10×20)cm、硝化区2尺寸为(10×10×100)cm、滞留区3尺寸为(10×10×55)cm、过渡区4尺寸为(20×10×5)cm、反硝化区5尺寸为(10×10×50)cm、出水区6尺寸为(10×10×5)cm。
硝化区2中的填料，粗河砂、细河砂、沸石砂分别占总体积的50％、30％、20％，粒径分别为0.55～0.85mm、0.15～0.35mm、1～2mm。控制湿干比为1:3，水力负荷周期为8h，通过淹水/落干交替运行的方式实现自然复氧，在有氧条件下通过亚硝酸菌和硝酸菌的作用，将截留在填料表面的污染物中的氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，从而实现氨氮的高效去除。
滞留区3中的填料，粗石英砂、细石英砂、火山岩分别占总体积的40％、40％、20％， 粒径分别为1～1.5mm、0.2～0.8mm、1.5～2.7mm。控制水力停留时间为8h，在缺氧条件下通过反硝化菌的作用，将硝化区2产生的亚硝酸盐或硝酸盐还原成分子态氮或一氧化二氮释放出来，由于硝化区2消耗了大部分有机物，滞留区3存在有机碳源不足、反硝化菌活性较差的缺点，因而反硝化脱氮难以进行的彻底，出水中总氮的浓度依然较高。
值得说明的是，硝化区2中的粗河砂、细河砂、沸石砂的体积比，滞留区3中粗石英砂、细石英砂、火山岩的体积比，并不限于本实施例所述。可以根据实际需求进行相应的调整。在经过本发明人大量的实验对比后，优选粗河砂、细河砂、沸石砂体积比为4～7：2～5：1～4，优选粗石英砂、细石英砂、火山岩体积比为3～6：2～5：2～4。进一步的，当粗河砂、细河砂、沸石砂按体积比为5：3：2时，氨氮的去除更高效。当粗石英砂、细石英砂、火山岩按体积比为4：4：2时，可以更好的将亚硝酸盐或硝酸盐还原成分子态氮或一氧化二氮释放出来。
过渡层4中的填料，鹅卵石粒径5～18mm，鹅卵石上方铺设有隔离层一9。隔离层一9采用两层单位重量为400克/平方米的无纺土工布，用于防止滞留区3和反硝化区5的填料随水流入而堵塞连通口。
反硝化区5中的填料，改性玉米芯粒径为2～5mm。改性玉米芯在填充前采用反硝化污泥进行接种。本发明人采用的接种方法如下：将改性玉米芯、反硝化污泥混合液(MLVSS为10g/L)、人工配水(硝态氮为50mg/L)按照体积比4：1：5投入密闭反应器(有效容积为20L)内以30r/min的速度搅拌，温度控制在(25±1)℃，8h后排出上清液6L，再新加人工配水6L，循环三次后滤出改性玉米芯填入反硝化区。控制水力停留时间为8h，在缺氧条件下通过附着在改性玉米芯表面的反硝化菌，利用改性玉米芯作为固体缓释碳源，将硝化区2和滞留区3产生的亚硝酸盐或硝酸盐还原成分子态氮或一氧化二氮释放出来。由于改性玉米芯具有良好的释碳能力和微生物附着性能，反硝化区5有机碳源充足、反硝化菌活性较好，系统对总氮去除率较高。
改性玉米芯的制备方法如下：将玉米芯洗净后晒干，破碎成粒状，再分别通过高压蒸汽、酸、碱对其进行预处理。预处理的目的在于破坏玉米芯表面的木质素或半纤维素，促进内部纤维素的分解，提高其释碳能力，为反硝化提供适宜浓度的碳源，同时使反硝化微生物与纤维素接触更为紧密，为反硝化微生物提供良好的载体，从而获得更好的脱氮效果。
预处理的具体方法如下：
方法1：取玉米芯放入121℃高压蒸汽锅中蒸20min；
方法2：取玉米芯按固体质量/液体体积为1/40的比例投入质量分数为2％的硫酸溶液中，加热煮沸20min；
方法3：取玉米芯按固体质量/液体体积为1/40的比例投入质量分数为2％的氢氧化钠溶液中，加热煮沸20min。
自然冷却后，用去离子水清洗至中性，置于85℃烘箱中烘干至恒重，分别制得高压蒸汽改性玉米芯、酸改性玉米芯、碱改性玉米芯。
需要说明的是，玉米芯的改性不限于上述方法，上述方法的目的是为了得到高压蒸汽改性玉米芯、酸改性玉米芯、碱改性玉米芯。因此也可以采用其它方法或者参数得到改性玉米芯。
出水区6中的填料，碎石粒径为5～10mm。出水区与反硝化区之间铺设有隔离层二10。隔离层二10为两层单位重量为400克/平方米的无纺土工布，用于防止反硝化区5的填料随水流出。显然，隔离层一9和隔离层二10均可以采用其他材料。
以下通过具体应用例对本实用新型进行进一步的详细说明，以进一步展示本实用新型的优点：
取西南某高校学生公寓区的生活污水作为本实用新型的进水，主要水质指标如下：COD浓度为270～380mg/L，NH3-N浓度为27～39mg/L，TN浓度为30～51mg/L，TP浓度为3.5～4.5mg/L，SS浓度为290～350mg/L，pH为6.9～7.6，进水前滤除大块悬浮物。
运行参数如下：从进水区1进水，每周期进水6L，控制硝化区2的湿干比为1：3，水力负荷周期为8h，污水在滞留区3和反硝化区5分别停留8h，在下一周期进水的压力下，前一周期的污水从滞留区3经过渡区4流入反硝化区5，在反硝化区5停留8h后，再从出水区6排出，循环运行。
每1～2d监测一次进出水水质，其中COD采用重铬酸钾法，NH3-N采用纳氏试剂比色法，TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。通过进出水COD、NH3-N、TN浓度的变化情况，考察不同改性玉米芯作反硝化碳源对人工快渗系统脱氮性能的强化效果。
结果表明，高压蒸汽改性玉米芯作反硝化碳源时，人工快渗系统稳定期出水COD、NH3-N、TN的浓度分别为20.8～39.5mg/L、1.7～3.5mg/L、12.3～16.7mg/L，平均去除率分别为90.7％、92.7％、66.3％；酸改性玉米芯作反硝化碳源时，人工快渗系统稳定期出水COD、NH3-N、TN的浓度分别为28.4～46.4mg/L、2.0～3.8mg/L、8.3～11mg/L，平均去除率分别为89.0％、92.0％、76.9％；碱改性玉米芯作反硝化碳源时，人工快渗系统稳定期出水COD、NH3-N、TN的浓度分别为24.9～39.8mg/L、3.2～3.4mg/L、5.9～7.5mg/L，平均去除率分别为为90.2％、90.5％、84.3％。由此可见，3种不同预处理方法得到的改性玉米芯作反硝化碳源时，脱氮效能均优于传统人工快渗系统，其中碱改性玉米芯的释碳能力最强，反硝化脱氮效果也最好。
综上所述，本实用新型提供的生态型人工快渗系统，通过硝化-滞留-反硝化过程实现氮素污染物的高效去除。利用玉米芯为反硝化提供碳源和微生物载体，从而提高人工快渗系统的脱氮效率，同时可以减少废弃玉米芯对环境的污染，为其再利用提供一条新途径。总体而言，结构简单、操作简便、占地面积小，基建投资少；无需曝气供氧和污泥回流，节约电耗；不产生剩余污泥，减少二次污染。该生态型人工快渗系统实用价值高，尤其适合于受污染河流、农村分散污水、中小城镇生活污水以及市政管网尚未覆盖的边远地区污水的脱氮处理，值得在业内推广。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。