本发明属于污水处理领域，具体涉及一种由多层填料、可组装式、模块化的污水处理生物反应器。
背景技术
我国存在大量分散的污水源，典型的分散水污染源如农村生活污水、农家乐污水、旅游区公厕、乡村垃圾中转站等。由于在技术上存在缺陷，这类污水常得不到处理或处理水质达不到功能区要求。目前采用的技术也存在投资大、维护和操作缺乏专业人员管理等缺点，不太适宜当前分散式污水处理的要求。目前，生物滤池工艺相对来说比较适应于这类冲击负荷大、水质水量不稳定的场合。但在实际处理运用中，大多涉及大量土建工程，其存在占地面积大、基建费用高、建设工期长、对水量水质及可用地适应性差等缺点限制了该工艺的运用。针对以上问题，本发明构建了层叠组装式污水处理生物反应器，开发了多种介质复合而成的功能填料，利用填料塔层状结构，构建了层叠组装式填料塔，是一种可以进行工厂化生产的污水处理设备，不仅减少了占地面积，还方便了设备的运输、组装、施工，大大缩短了施工工期。设备采用了程序控制系统，可实现设备管理自动化、远程化，提高了运维效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种叠层组装式污水处理生物反应器。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种叠层组装式污水处理生物反应器，其包括进水缓冲池、循环储水池和生物填料塔；所述的进水缓冲池中设有提升泵，提升泵的出水口通过管道与循环储水池相连；所述循环储水池位于生物填料塔的底部，且循环储水池中设有循环泵，循环泵的出水口通过管道连接布水装置，布水装置设置于生物填料塔的塔顶；所述生物填料塔的结构主体由若干个填料支架层叠组装而成，其顶部为布水填料层支架，布水填料层支架下方设有若干组交替布置的好氧填料层支架和厌氧填料层支架，布水填料层支架、好氧填料层支架、厌氧填料层支架中分别装填有布水填料层、好氧填料层、厌氧填料层；至少一层好氧填料层中铺设有连通风机的通气管，且塔内的各厌氧填料层之间设有通气道，使各好氧填料层之间能形成空气流通；各填料层侧壁边缘采用密封圈包围实现防漏，相邻填料层之间设有用于层间污水通行的布水孔，泵入塔顶的污水从塔底重新回流至循环储水池中；循环储水池中设有出水管。
本发明是由多种填料模块分层、分隔叠装构建而成的塔式生物过滤装置，可采用序批进水，水循环方式运行。填料塔采用好氧层与厌氧层交替的形式，实现污水的脱氮除磷。污水通过循环泵在填料塔中多次循环处理，提高了污水的水力停留时间、减少了因布水不匀而产生的死角，可大大提高污水处理效率。填料塔每层之间可拆卸式拼接，可根据污水本身的污染物浓度、特性、出水水质要求、可用地面积等设置不同的交叠层以及不同层高。
作为优选，所述的生物填料塔中，交替布置的好氧填料层支架和厌氧填料层支架下方还设有辅助填料层支架，辅助填料层支架中填充有强化脱磷填料层和/或集水盘层。
作为优选，所述的循环储水池中设有用于检测水质参数的水质检测仪。
作为优选，所述的循环泵与布水装置之间的管道上设有止回阀和流量计。
作为优选，所述的生物填料塔中，布水填料层支架、好氧填料层支架、厌氧填料层支架、辅助填料层支架和支撑架之间通过螺栓进行连接。
作为优选，所述的出水管上设有控制出水的电磁阀。
作为优选，所述的布水装置为穿孔管或者喷头，所述布水填料层采用的填料为鹅卵石或碎石。
作为优选，所述的集水盘层空置或填有粒径3-5cm的鹅卵石，用于收集来自上方填料层的污水。
作为优选，所述的好氧填料层由直径3-10mm的沸石、蛭石、砂、石灰石、竹木颗粒物、树脂、陶粒中的一种或多种混合而成；所述的厌氧填料层由砂、发酵有机物、铁粒、炭、竹木粉、氧化铁粉、石灰石粉、粉煤灰、发泡填料、厌氧微生物菌剂中的一种或多种混合而成；所述的强化脱磷填料层为表面附着有固磷物质的固体惰性材料。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述生物反应器的污水处理方法，该方法将待处理的污水收集于进水缓冲池中，以序批式进水的方式分批输送至循环储水池中进行水循环处理；其具体步骤为：
当循环储水池内液位达到设置的下限后，运行提升泵，将进水缓冲池内部的污水输送至循环储水池，当输送的水量达到设置的上限后，提升泵停止工作，运行循环泵，将循环储水池内的污水输送至生物填料塔顶部，并通过布水装置将污水均匀分布至布水填料层中，使污水沿生物填料塔逐层向下流动；利用风机向各好氧填料层中持续供氧，使污水在塔内向下流动过程中依次进行好氧厌氧交替处理，实现脱氮除磷，然后再视出水水质要求使污水进入强化脱磷填料层中进行强化脱磷处理；塔内的污水经过内部填料的一次处理后，重新进入循环储水池并进行循环处理；在循环处理过程中，通过水质检测仪在线检测循环储水池内的水质参数，当水质参数达标后打开出水管上的电磁阀排出循环储水池内的污水；当循环储水池内部的液位达到下限后，电磁阀关闭，提升泵再次开始工作，再次泵入下一批待处理的污水，继续循环处理。
本发明的生物反应器的填料塔内部由多种功能填料复合形成层叠组装结构，实现了不同特性污水的处理，且该反应器采用序批进水，水循环方式运行，可有效减少占地面积，降低施工难度。
本发明具有如下优点：
1.本发明的生物填料塔采用了好氧层与厌氧层多次交替排列的结构，大大强化了常规生物滤池的效率，尤其是对氨氮与总氮脱除，具有很好的效率。设备对好氧层进行了强制通风曝气，更有利于脱氮除磷和有机物的去除。
2.本发明的生物填料塔为多层组装构成，便于运输与安装施工，更能适应于不同的立地场景和不同的水质要求能广泛应用。
3.本发明的填料来源广泛，价格低廉，可根据不同的污水特点选择不同的填料，使用灵活且有效减少了设备的成本。
附图说明
图1为叠层组装式污水处理生物反应器结构示意图；
图2为生物填料塔内部支架结构俯视图；
图3为图2的生物填料塔内部支架1-1剖面示意图；
图4为图2的生物填料塔内部支架2-2剖面示意图；
图5为污水处理设备整体流程图；
图中附图标记：进水缓冲池1、提升泵2、循环储水池3、循环泵4、止回阀5、流量计6、布水装置7、布水填料层8、好氧填料层9、厌氧填料层10、强化脱磷层11、集水盘层12、通气管13、风机14、出水管15、布水填料层支架16、好氧填料层支架17、厌氧填料层支架18、辅助填料层支架19、支撑架20和水质检测仪21。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明的一种叠层组装式污水处理生物反应器结构示意图。该反应器包括进水缓冲池1、提升泵2、循环储水池3、循环泵4、止回阀5、流量计6、布水装置7、布水填料层8、好氧填料层9、厌氧填料层10、强化脱磷层11、集水盘层12、通气管13、风机14、出水管15和水质检测仪21。
其中，进水缓冲池1中设有提升泵2，提升泵2的出水口通过管道与循环储水池3相连。循环储水池3位于生物填料塔的底部，且循环储水池3中设有循环泵4，循环泵4的出水口通过管道连接布水装置13，布水装置13设置于生物填料塔的塔顶，可以采用布水管或者喷头。提升泵将进水缓冲池中的污水提升至循环储水池中，循环泵则把循环储水池内的污水输送至填料塔进行循环处理。循环泵4与布水装置13之间的管道上设有止回阀5和流量计6，止回阀用于控制污水的水力负荷，流量计6用于反馈当前的水流流量数据。
如图2～4所示，本发明中的生物填料塔的结构主体可以由若干个填料支架层叠组装而成，具体包括布水填料层支架16、好氧填料层支架17、厌氧填料层支架18、辅助填料层支架19、支撑架20。各填料支架的结构基本相同，其呈中空的筒状，顶部敞口，底部开孔用于布水，每个填料支架的侧壁顶部和底部均需要设置开有安装孔的环形板，上下两个填料支架的环形板相互贴合，上下两块环形板上的安装孔刚好重合，通过螺栓插入各安装孔内实现直接的竖向固定。当需要更换或者重新组合时，也可以方便地拆卸螺栓并更换填料支架。本发明中，生物填料塔的顶部为布水填料层支架16，布水填料层支架16下方设有若干组交替布置的好氧填料层支架17和厌氧填料层支架18。布水填料层支架16、好氧填料层支架17、厌氧填料层支架18中分别装填有布水填料层8、好氧填料层9、厌氧填料层10。由此，当污水从塔顶布水后，可以向下依次交替流经好氧区、厌氧区、好氧区、厌氧区…，高效脱除污水中的氮、磷元素。当然，对于部分对出水水质中磷含量要求较高的工艺，还可以继续在交替布置的好氧填料层支架17和厌氧填料层支架18下方再设一个或多个辅助填料层支架19，辅助填料层支架19中可以填充有强化脱磷填料层11，利用具有磷吸附功能的填料对水中的磷进行强化吸附。另外，还可以在辅助填料层支架19中设置一层集水盘层12，对上方填料层流下的污水进行收集，辅助填料层支架19可以是一个或多个。整个填料塔底部通过支撑架20支撑于循环储水池3上方。
本发明的装置在运行过程中，好氧填料层9中形成好氧环境，而厌氧填料层10中形成厌氧环境，该区别是通过填料层中的是否通入空气来决定的。好氧填料层9中需要铺设管壁开孔的通气管13，且连接风机14进行鼓气。而且塔内的各厌氧填料层10之间需要设有除两端外均密闭的通气道，通气道两端的开口分别连接上下两层好氧填料层9，使各好氧填料层9之间能形成空气流通。本发明中，通气管13设置于最下方的好氧填料层9中，因此鼓入的空气可以逐层通过通气道进入上方的其他好氧填料层9中，保持所有的好氧填料层9中具有一定的氧浓度。各填料层侧壁边缘需要采用密封圈包围实现防漏。由于各填料层支架的底板上都开有直径1-5mm均匀分布的布水孔，因此各层的水流能够顺利地进入下一层，泵入塔顶的污水将从塔底重新回流至循环储水池3中，然后由循环泵再次重新泵入塔顶。循环储水池中的污水在填料塔中由循环泵提升经布水层多次循环，延长了污水与填料的接触时间，提高了污水处理效率。
循环储水池3中设有出水管15，出水管15上设有控制出水的电磁阀。循环储水池3中还可以设有用于检测水质参数的水质检测仪21，其作用可以在线输出水质参数，用于远程监视与控制，同时可控制出水水质。水质检测仪21可以采用各种现有监测设备，只要其具有目标污染物探头即可。水质检测仪21、电磁阀、以及各个泵，可以连接至中央控制系统实现自动化反馈控制。当水质检测仪21监检测到循环储水池3中的当前废水处理达标后，可以启动电磁阀排水，系统会进入下一轮处理工序，不仅延长了污水与填料的接触时间、提高效率、减小占地，还能实现设备的自动与远程管理，方便运维。
另外，本发明中的具体填料可以根据等可根据污水的特性、出水水质要求等因素进行合理选择，可以采用商业化的预制填料，也可以采用自制的填充料。例如，好氧填料层9可以由直径3-10mm的沸石、蛭石、砂、石灰石、竹木颗粒物、树脂、陶粒中的一种或多种混合而成，具体选择组分及其比例因不同污水、水质要求而变化。厌氧填料层10可以由砂、发酵有机物、铁粒、炭、竹木粉、氧化铁粉、石灰石粉、粉煤灰、发泡填料中的一种或多种混合而成，同时可以根据实际需要添加部分厌氧微生物菌剂以提高厌氧处理效果，具体选择组分及其比例因不同污水、水质要求而变化。强化脱磷填料层11可以是本身具有磷吸附能力的材料，也可以是表面附着有固磷物质的固体惰性材料。集水盘层12的主要目的是集水，其可以直接空置使水直接进入下方循环储水池，也可以填充粒径3-5cm的鹅卵石，强化收集来自上方填料层的污水。
当然，在该生物塔中，具体的塔高、填料类型、不同填料层的排列组合方式、数量等，均可根据污水的特性、出水水质要求、可用地特征等因素合理安排。
基于上述的生物反应器的污水处理方法是将待处理的污水收集于进水缓冲池1中，以序批式进水的方式分批输送至循环储水池3中进行水循环处理的，如图5所示。装置的运行模式为间歇性运行，有进水、循环、出水三个阶段，下面详细叙述其具体的处理步骤：
循环储水池3中可以预先设置水位高度检测装置，并设置一个下限高度和上限高度。当循环储水池3内液位达到设置的下限后，运行提升泵2，将进水缓冲池1内部的污水输送至循环储水池3，当输送的水量达到设置的上限后，提升泵2停止工作，运行循环泵4，将循环储水池3内的污水输送至生物填料塔顶部，并通过布水装置7将污水均匀分布至布水填料层8中，使污水沿生物填料塔逐层向下流动。同时，利用风机14向各好氧填料层9中持续供氧，形成好氧环境，而厌氧填料层10中没有空气通入，形成厌氧环境，因此污水在塔内向下流动过程中将依次进行好氧厌氧交替处理，实现脱氮除磷。然后再根据出水水质要求，必要时增设强化脱磷填料层11，使污水进入强化脱磷填料层11中进行强化脱磷处理，由此塔内的污水经过内部填料完成一次处理，从塔底重新进入循环储水池3，重新由循环泵4提升至塔顶进行下一轮循环处理。在不断地循环处理过程中，通过水质检测仪21在线检测循环储水池3内的水质参数，当水质参数达标后打开出水管15上的电磁阀排出循环储水池3内的污水；当循环储水池3排水至内部的液位达到下限后，电磁阀关闭，提升泵2再次开始工作，再次泵入下一批待处理的污水，继续循环处理。
本发明中，由于填料塔是通过叠层组装而成的，因此可以根据不同的污水处理要求灵活改变不同的填料层组合，实现对不同类型废水的快速适应能力。装置结构简单、占地面积小，并且可根据实地情况灵活组装，能有效运用于各类分散式生活污水、农家乐污水以及其它分散式污水的生物处理。下面结合本发明的若干个实际应用案例，对本发明的污水处理效果进行展示。
实施例1：分散式生活污水处理
本实施例中污水处理的基本情况如下：
处理水量：3t/d水力负荷：5m3·m-2·d-1
进水水质：cod：150-200mg/l、nh3-n：50-80mg/l、tp：2.5-5mg/l、tn：60-100mg/l
设计出水水质：cod：10-50mg/l、nh3-n：4-6mg/l、tp：1-2mg/l、tn：10-20mg/l
污水处理系统构建：
本案例中的装置基本结构与图1～4所示的装置相似，部分具体的组件如下：
1、进水缓冲池：该组件直接使用该施工点现有的厌氧罐，该厌氧罐处理水量为10t/d。
2、叠层组装式污水处理设备：循环储水池尺寸：2m×1.5m×1.1m；填料塔尺寸1.5m×1m×0.8m，填料塔中好氧层、厌氧层各有4层，每层高度为0.1m，好氧层组成成分为直径3-10mm的沸石，厌氧层组成成分为砂、发酵有机物、铁粒和炭组成的土壤混合模块；进水缓冲池中配置有一台提升泵，用于将污水提升至循环储水池；循环储水池中配置有一台循环泵，用于将循环储水池中污水经过布水管均匀输送至填料塔；填料塔配套有一台风机，用于给填料塔好氧层供氧；进水缓冲池及循环储水池中均配置有浮球液位计，用于控制池体内水位的高低。
3、运行方式：当进水缓冲池内液位达到设置的下限后，提升泵开始运行，将进水缓冲池内部的污水输送至循环储水池，当输送的水量达到设置的上限后，提升泵停止工作，循环泵开始工作，将污水通过布水管均匀输送至填料塔，污水经过填料塔内部功能填料的处理过后重新到达循环储水池并进行循环，循环时间由时间继电器控制，经过24h后循环结束水质达标，循环泵停止工作，电磁阀打开将处理达标后的水排放，第一个循环结束。排放一段时间后，循环储水池内部的液位达到下限后，电磁阀关闭，提升泵再次开始工作，第二个循环开始。
4、案例说明：该工程位于某市的一农村区域，用于处理周边8户的农村生活污水，该生活污水经由厌氧罐处理后输送至叠层组装式污水处理反应器，处理达标后经由出水井排放至旁边沟渠。该工程从2017年9月26号开始运行至今，进水水质参数随着天气变冷逐渐升高，经该生物反应器处理24小时后，出水水质均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)一级b标准，其中cod、nh3-n均能达到一级a标准。
实施例2：农家乐污水处理案例
本实施例中污水处理的基本情况如下：
处理水量：3t/d水力负荷：3m3·m-2·d-1
进水水质：cod：1000-3000mg/l、nh3-n：6-13mg/l、tp：2-6mg/l、tn：20-50mg/l
设计出水水质：cod：90-150mg/l、nh3-n：2-4mg/l、tp：0.5-1mg/l、tn：4-5mg/l
污水处理系统构建：
本案例中的装置基本结构与图1～4所示的装置相似，部分具体的组件如下：
1、进水缓冲池：利用施工点已有a2/o一体化污水处理罐，处理水量为10t/d。
2、叠层组装式污水处理设备：循环储水池尺寸：2m×2m×1.1m；填料塔尺寸2m×1.5m×1.0m，填料塔包括1个布水层，5个好氧层，3个厌氧层以及1个强化除磷层，好氧层与厌氧层相互间隔，每层高度为0.1m。布水层组成成分为粒径3-5cm的鹅卵石，好氧层组成成分为直径3-10mm的沸石，厌氧层组成成分为砂、发酵有机物、铁粒和炭组成的土壤混合模块，强化除磷层组成成分为海绵铁，其余配置与实施例1中的设备相同。
3、运行方式：与实施例1的运行方式相同。
4、案例说明：该工程位于某市的一农村区域，用于处理旁边一处农家乐排放的污水，该施工点从2015年开始利用a2/o一体化污水处理罐处理农家乐排放污水，起初处理效果较好，但由于运行时间较长后，处理效果仅为最初的一半。由于该地区地理位置特殊，附近可以利用的余地较少，因此考虑采用新开发的叠层组装式污水处理生物反应器直接连接一体化处理罐的出水管用于提高出水水质。由于农家乐污水的污染物负荷较高，因此将循环时间提高为32小时。该工程从2017年9月1号开始运行，经该生物反应器处理24小时后，出水水质除cod外均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)一级a标准，由于强化除磷层的加入，使该设备对污水总磷的去除效果明显增加。
实施例3：垃圾中转站污水处理案例
本实施例中污水处理的基本情况如下：
处理水量：1t/d水力负荷：1m3·m-2·d-1
进水水质：cod：15000-20000mg/l、nh3-n：200-600mg/l、tp：9-12mg/l、tn：300-800mg/l
设计出水水质：cod：80-100mg/l、nh3-n：20-25mg/l、tp：2-3mg/l、tn：25-40mg/l
污水处理系统构建：
本案例中的装置基本结构与图1～4所示的装置相似，部分具体的组件如下：
1、进水缓冲池：由于垃圾中转站产生的垃圾渗滤液污染物浓度较高，因此在叠层组装式污水处理设备前增加一个a/o一体化污水处理罐，处理水量为5t/d。该处理罐的a池停留时间为5天，o池为12小时，处理罐内部不设污水、污泥回流装置，通过设置在a池和o池中的生物填料达到去除部分污染物的目的。
2、层叠组装式污水处理设备：循环储水池尺寸：3m×2m×0.6m；填料塔尺寸2m×2m×1.5m，填料塔包括1个布水层，7个好氧层，5个厌氧层，1个强化除磷层以及一个集水盘层，好氧层与厌氧层相互间隔，每层高度为0.1m。布水层和集水盘层的组成成分为粒径3-5cm的鹅卵石，好氧层组成成分为直径3-10mm的沸石以及珍珠岩的混合物，厌氧层组成成分为砂、发酵有机物、铁粒和炭组成的土壤混合模块，强化除磷层组成成分为附着聚合硫酸铁和聚合硫酸亚铁的生物填料，其余配置与实施例1中的设备相同。
3、运行方式：与实施例1的运行方式相同。
4、案例说明：该工程位于某市的一个垃圾中转站，用于处理该垃圾中转站产生的垃圾渗滤液。由于该垃圾渗滤液cod浓度较高，因此，通过前置的a/o一体化污水处理罐降低部分污染物浓度。尽管如此，相比较于生活污水，该一体化处理罐出水的污染物负荷依旧较高，因此，灵活地提高了组装式设备的循环储水池体积、填料塔的高度即生物填料层层数以及该污水的循环时间，多方面结合用以提高该设备的处理效果以及最终的出水水质。该工程从2017年10月20号开始运行，经该生物反应器处理48小时后，出水水质可达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(gb6889-2008)标准。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。