一种模块化耦合污水处理系统的制作方法

本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种模块化耦合污水处理系统。

背景技术：

农业面源污染是指农村生活和农业生产活动中，溶解的或固体的污染物，如农田中的土粒、氮素、磷素、农药重金属、农村禽畜粪便与生活垃圾等有机或无机物质，从非特定的地域，在降水和径流冲刷作用下，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏，使大量污染物进入受纳水体(河流、湖泊、水库、海湾)所引起的污染。农业面源污染已经成为当前地表水体污染的主要来源。全球每年用于粮食生产的1.2亿吨氮中，只有10％被人类直接消费，大部分未使用的氮则被分散到广泛的环境中，最终汇入地表水体，成为主要的面源污染源。农业则是导致过量养分排放到水体中的最主要驱动因素。研究表明，太湖约58％和40％比例的总氮和总磷来自于农业产生的面源污染。

生态沟渠作为拦截农田径流氮、磷的手段是农业面源污染治理的重要内容之一，可有效拦截、净化农田排水中的氮磷污染物质，减小农田流失氮、磷进入水体的风险，并提高水体的自净能力，生态沟渠受到越来越多的重视和推广。但是，生态沟渠在应用过程中具有净化效果不稳定、净化效率低的缺点。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的在于提供一种可根据污水水质和当地地形进行适宜组合的模块化耦合污水处理系统，本发明提供的系统适用于农村生活污水和农业面源污水的治理，确保净化效果的稳定性和高效性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种模块化耦合污水处理系统，所述系统的处理模块包括多级生态塘、多级跌水充氧式生态沟渠和多级跌水坝中的两种或三种；

所述处理模块的耦合方式为：

多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联；

或为：多级跌水坝、多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联；

或为：多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝依次串联。

优选的，所述多级生态塘包括依次连通的接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘。

优选的，所述接触氧化塘中的填料为改性丝瓜络；

所述生物稳定塘中种植有挺水植物；所述挺水植物的载体为箱式生态浮床；所述箱式生态浮床中的填料为改性丝瓜络；

所述沉水涵氧塘中种植有沉水植物。

优选的，所述接触氧化塘中填料的填充量为接触氧化塘体积的40～60％。

优选的，所述改性丝瓜络的制备方法包括以下步骤：

将丝瓜络在碱性溶液中浸泡20～40min后取出，并洗涤至中性，得到改性丝瓜络。

优选的，所述多级跌水充氧式生态沟渠包括由高到低依次阶梯式相连的若干个生态沟渠；每一个生态沟渠通过末端底部的卡扣和下一个生态沟渠嵌套。

优选的，所述多级跌水充氧式生态沟渠中铺有鹅卵石，单个生态沟渠中所铺鹅卵石的厚度为4～6cm；所述鹅卵石的直径为2～5cm。

优选的，所述多级跌水坝包括若干个跌水台阶，每个跌水台阶的高度为200～300mm。

优选的，所述系统还包括污水储备池和恒流泵；所述污水储备池中的污水通过恒流泵进入处理模块中。

本发明提供了一种模块化耦合污水处理系统，所述系统的处理模块包括多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝中的两种或三种；所述处理模块的耦合方式为：多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联；或为：多级跌水坝、多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联；或为：多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝依次串联。本发明提供的处理系统由多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝中的两种或三种耦合组成，在实际应用时可以根据农村地势、污水水质选择不同的耦合方式，并且本发明提供的系统无需增加曝气、搅拌等设备，降低了污水处理设备及运行费用，操作简便、管理容易，非常适合于农村污水治理理念；并且本发明提供的系统水处理效果稳定，净化效率高，不仅适用于农村生活污水和农业面源污水的治理，未来还有望应用于城镇污水和湖泊富营养化水体的修复和治理中，具有广阔的应用前景。实施例结果表明，使用本发明的系统对农村污水进行处理，出水中cod、氨氮(nh4⁺-n)、总氮(tn)和总磷(tp)均具有较高的去除率。

附图说明

图1为本发明中多级生态塘的结构示意图；

图2为本发明中多级跌水充氧式生态沟渠的结构示意图；

图3为本发明中4级跌水充氧式生态沟渠的结构示意图；

图4为本发明中多级跌水坝的结构示意图；

图5为本发明中多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠耦合系统的结构示意图；

图6为本发明中多级跌水坝、多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠耦合系统的结构示意图；

图7为本发明中多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝耦合系统的结构示意图；

图5～7中：1-多级生态塘，2-多级跌水充氧式生态沟渠，3-多级跌水坝，4-污水储备池，5-恒流泵。

具体实施方式

本发明提供了一种模块化耦合污水处理系统，所述系统的处理模块包括多级生态塘、多级跌水充氧式生态沟渠和多级跌水坝中的两种或三种；

所述处理模块的耦合方式为：

多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联；

或为：多级跌水坝、多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联；

或为：多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝依次串联。

本发明所述系统的处理模块包括多级生态塘。在本发明中，所述多级生态塘优选包括依次连通的接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘；所述接触氧化塘中的填料优选为改性丝瓜络；所述改性丝瓜络在接触氧化塘中的填充体积优选为接触氧化塘体积的40～60％，更优选为50％。

在本发明中，所述改性丝瓜络的制备方法优选包括以下步骤：将丝瓜络在碱性溶液中浸泡20～40min后取出，并洗涤至中性，得到改性丝瓜络。在本发明中，所述碱性溶液优选为氢氧化钠溶液本发明对所述碱性溶液的用量没有特殊要求，能够将丝瓜络完全浸泡即可；所述碱性溶液的质量分数优选为2～10％，具体的可以为2％、5％和10％；所述浸泡的温度优选为25℃，时间优选为20～40min，更优选为30min；在本发明的具体实施例中，所述浸泡优选在恒温水浴条件(25℃)下进行，若丝瓜络上浮，可放置重物将其下压至完全浸没。浸泡完成后取出，先用大量自来水冲洗，后用去离子水漂洗至漂洗液呈中性即可。

天然丝瓜络是广泛存在于自然界的一种天然缓释填料，本发明通过改性处理将其制备成超疏水材料，减少羟基以降低亲水性，将其制备成一种可持续供给碳源的缓释填料，延长其在水中的使用寿命，同时还能改善丝瓜络填料的挂膜性能，使其易于挂膜，兼顾微生物挂膜的载体和提供反硝化脱氮所需的碳源两方面功能，能有效解决大面积村落生活污水及面源污染物脱氮除磷过程中的碳源不足问题；同时，改性丝瓜络填料不仅是水体微生物的优良载体，还是水体氮、磷等污染物的高效吸附材料，微生物的降解作用和改性丝瓜络本身的吸附作用，可达到吸附-解吸的动态模式，有效解决普通吸附材料吸附饱和后无法有效拦截污染物的弊端；而且，本发明使用的改性丝瓜络填料还具有取材方便，价格低廉、环保无污染的特点。

本发明使用改性丝瓜络填料为接触氧化塘中微生物的挂膜提供载体，从而实现对污水中有机污染物的高效拦截和微生物降解。

在本发明中，所述生物稳定塘中优选种植挺水植物；所述挺水植物的载体优选为箱式生态浮床；所述箱式生态浮床中的填料优选为改性丝瓜络，填充率为50％；所述改性丝瓜络的制备方法和上述方案相同，在此不再赘述，本发明对所述箱式生态浮床没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的箱式生态浮床即可；本发明对所述挺水植物的种类没有特殊要求，种植适合当地生长的挺水植物即可；在本发明的具体实施例中，还可以在所述生物稳定塘中养殖适合当地生长的水禽。在生物稳定塘中，本发明将改性丝瓜络和水生植物联合利用，克服了采用植物净化的单一手段所面临的缺点和植物的季节性问题，确保污水处理效果的稳定性，且通过在塘中种植水生植物、进行水产和水禽养殖，形成人工生态系统，在太阳能(日光辐射提供能量)作为初始能量的推动下，通过生态稳定塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水的有机污染物进行降解和转化。

在本发明中，所述沉水涵氧塘中种植有沉水植物。本发明对所述沉水植物的种类没有特殊要求，种植适合当地生长的沉水植物即可。在所述沉水涵氧塘中，利用沉水植物的光合与呼吸作用，构建生态食物链系统，实现水质深度净化。

在本发明中，所述接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘互相连通，在本发明的具体实施例中，所述接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘优选通过隔板隔开；所述接触氧化塘和生物稳定塘之间的隔板上部高度与多级生态塘四周高度平齐，在隔板底部开口，以供水流通过，确保接触氧化塘与生物稳定塘中缓释填料﹑箱式浮床水生植物与污染水体的充分接触；所述开口的高度优选为20～30cm；所述生物稳定塘和沉水涵氧塘之间的隔板高度低于多级生态塘四周高度10～20cm，从而使生物稳定塘中的水从隔板漫过进入沉水涵氧塘，这样可以减少进入沉水涵氧塘中的颗粒物等杂质。本发明对所述接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘的具体尺寸没有特殊要求，优选根据水处理量和地理位置进行调节，作为本发明的一个具体实施例，所述多级生态塘的尺寸和结构如图1所示，图1中自左至右依次为接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘，图中箭头表示水流方向。

本发明所述系统的处理模块包括多级跌水充氧式生态沟渠。在本发明中，所述多级跌水充氧式生态沟渠包括由高到低依次阶梯式连接的若干个生态沟渠；每个生态沟渠具体为敞口长方体状，末端底部设计有卡扣，用于和下一个生态沟渠嵌套，连接方式具体为：第一级生态沟渠右侧底部通过卡扣和第二级生态沟渠的左侧顶部相连，第二级生态沟渠的右侧底部通过卡扣和第三级生态沟渠的左侧顶部相连，依次类推；单个生态沟渠的坡度为0°，即水平放置；在本发明中，所述多级跌水充氧式生态沟渠中优选铺有鹅卵石；单个生态沟渠中所铺鹅卵石的厚度优选为4～6cm，更优选为5cm；所述鹅卵石的直径优选为2～5cm，更优选为3～4cm。本发明经多级跌水充氧，便于生物膜在鹅卵石上繁殖生长。本发明还优选在两个生态沟渠连接处、水流较缓处种植水生植物，形成跌水充氧和生态沟渠多功能，加强净化效果，同时还能美化环境、增加经济效益。

在本发明中，所述多级跌水充氧式生态沟渠优选由不锈钢板加工而成，本发明对每个生态沟渠的长、宽、高尺寸以及多级跌水充氧式生态沟渠的级数没有特殊要求，根据水处理量以及水质进行设计即可。作为本发明的一个具体实施例，所述多级跌水充氧式生态沟渠的具体尺寸如图2所示，图2中单个生态沟渠的长为1000mm，宽为800mm，高为500mm，为敞口长方体，两个生态沟渠连接处的不锈钢板高度优选低于其他三面的不锈钢板，以便于水流流下；在本发明的具体实施例中，优选以图2中的尺寸为依据，采用fr数(弗劳德数)进行缩放和矫正水流条件；当所述多级跌水充氧式生态沟渠的级数为4时，其结构示意图如图3所示。

传统生态沟渠沿水流方向都遵守氧垂曲线的规律，本发明多级跌水充氧式生态沟渠为一种无动力曝气系统，可不借助水流动力而实现下游不同渠段溶氧的补给，有助于污染物的去除和增强渠道植物的生长代谢，强化对n、p的去除、渗滤等拦截作用，同时可大大减少能耗。

本发明所述系统的处理模块包括多级跌水坝；所述多级跌水坝包括若干个跌水台阶，每个跌水台阶的高度优选为200～300mm，更优选为250mm，每个跌水台阶的宽度优选为1000mm；所述跌水台阶两侧优选设置有挡板，本发明对所述多级跌水坝两侧挡板的高度没有特殊要求，能够保证水流不漫出即可。在本发明中，所述多级跌水坝的总级数优选通过式i进行计算：

n²＝(c0－cn)/cx式i；

式i中，c0为未处理水体污染物浓度，cn为预计净化后浓度，cx为单级跌水台阶去除率，n为跌水坝级数。

在本发明中，所述多级跌水坝优选由不锈钢板加工而成，在本发明的具体实施例中，优选先用不锈钢板加工出若干个跌水单元，每个跌水单元包括3～4级跌水台阶，再通过卡扣将多个跌水单元靠陡峭的地面或地面支撑物在垂直方向上嵌套，形成所需级数的跌水坝；通过加工成跌水单元再嵌套的方式可以降低加工和运输的难度。在本发明的具体实施例中，所述多级跌水坝可依农村地势而建，靠水的重力作用流过跌水台阶，达到多级跌水富氧效果。作为本发明的一个具体实施例，所述多级跌水坝的尺寸如图4所示。

本发明提供的系统的水处理模块包括上述方案所述多级生态塘、多级跌水充氧式生态沟渠和多级跌水坝中的两种或三种；所述处理模块的耦合方式包括三种，具体为：

第一种：将多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联，即将多级生态塘前置于多级跌水充氧式生态沟渠，结构示意图如图5所示。在这种耦合方式中，多级生态塘的沉水涵养塘和多级跌水充氧式生态沟渠连通，所述沉水涵氧塘侧面设置有出水口，以供水流流出并延多级跌水充氧式生态沟渠往下游流动。在这种耦合方式中，所述多级生态塘起到高效净化水质，阻拦部分氮、磷的作用，还具有美化农村生态环境，改善农村循环用水水质条件的功能，同时还可兼做调节池起到调控水量变化的作用，解决了传统生态沟渠系统中缺少调节池，现代村落污水水量波动较大，平时降水会导致地表径流量增大，氮、磷等营养元素溢流至生态沟渠不同渠段，导致处理效果不佳等问题。在本发明中，这种耦合方式适用于水量波动较大﹑水质属于地表水v类水水质的富营养化水。

第二种：所述多级跌水坝、多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联，即在第一种耦合方式中前置多级跌水坝，结构示意图如图6所示。在这种耦合方式中，多级跌水坝和多级生态塘的接触氧化塘连通，水流从多级跌水坝上靠重力作用流下，进行充分的富氧，然后流入多级生态塘中进行脱氮除磷，然后从多级生态塘中流出进入多级跌水充氧式生态沟渠中进行进一步接触氧化，深度去除污水中的有机物。在本发明中，这种耦合方式适合于地势陡峭的山地农村，可将水跌宕而下，在增加水体溶解氧的同时将水流跌宕至生态沟渠，经多级生态塘拦截降解后再由多级跌水充氧式生态沟渠起到导向水流。

第三种：所述多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝依次串联，结构示意图如图7所示。这种耦合方式中，多级跌水充氧式生态沟渠和多级生态塘的接触氧化塘连通，多级生态塘的沉水涵氧塘和多级跌水坝连通，水流通过多级跌水充氧式生态沟渠进行接触氧化，去除污水中的有机物，然后流入多级生态塘中进行脱氮除磷，再从多级生态塘中流出进入多级跌水坝中进行进一步富氧和去除有机物。在本发明中，这种耦合方式适合水量变化不大，但场地有限的情况，首先利用生态沟渠进行水流引导和初级净化，再依次经多级生态塘拦截降解﹑多级跌水坝跌宕增加水体溶解氧和视觉美感。

在上述方案中，当各个模块进行串联时，相邻模块优选通过卡扣连接，本发明对所述卡扣的结构没有特殊要求，能够实现连接即可。

本发明提供了三种耦合方式，在实际应用时可根据农村地势、污水水质选择不同的耦合方式，并且本发明提供的系统无需增加曝气、搅拌等设备，降低了污水处理设备及运行费用，操作简便、管理容易，非常适合于农村污水治理理念。

在本发明中，所述系统优选还包括污水储备池和恒流泵；所述污水储备池中的污水通过恒流泵进入处理模块中。

本发明对上述方案所述系统的具体应用方法没有特殊要求，先将污水储备在污水储备池中，利用恒流泵将污水输送至系统中，使污水依次通过上述处理模块即可，在本发明的具体实施例中，所述系统优选通过连续运行方式运行；本发明对污水在系统中的水力停留时间、日处理量等均没有特殊要求，在具体实施例中根据污水水质和各个模块的尺寸进行调节即可。

下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联进行污水处理，结构示意图如图5所示。其中多功能生态塘依次包括接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘，每个塘的尺寸均为1.0m高×1.0m宽×1.0m长，接触氧化塘和生物稳定塘之间的隔板高度与多级生态塘四周高度平齐，隔板下方开有高度为25cm的开口，生物稳定塘和沉水涵氧塘的隔板高度为90cm，具体尺寸见图1；

多级跌水充氧式生态沟渠的级数为4级，每一个沟渠为由不锈钢板加工而成的长1000mm、宽800mm、高500mm的敞口长方体，四个沟渠自上而下嵌套，形成4级跌水充氧式生态沟渠，具体尺寸见图2。

使用上述系统对农村生活污水进行处理，先将污水储备至污水储备池中，使用恒流泵将污水提入多级生态塘中，依次通过接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘后流入多级跌水充氧式生态沟渠。

当耦合系统运行方式为连续运行，进水水质cod为186mg·l^-1﹑tn为54.53mg·l^-1﹑nh4⁺-n为33.37mg·l^-1﹑tp为11.20mg·l^-1，进水负荷为3000l/h时，7天后对出水水质进行分析，所得结果如表1所示，可知经本实施例的系统处理后，污水中cod的去除率为82.44％，tn去除率为81.42％，nh4⁺-n的去除率为74.83％，tp去除率为81.25％。

表1.“塘-生态沟渠”耦合系统中进﹑出口水质检测结果

当耦合系统运行方式为连续运行，进水水质cod为207.67mg·l^-1﹑tn为60.80mg·l^-1﹑nh4⁺-n为45.23mg·l^-1﹑tp为14.87mg·l^-1，进水负荷为6000l/h时，7天后对出水水质进行分析，所得结果如表2所示，可知经本实施例的系统处理后，污水中cod的去除率为79.45％，tn去除率为79.44％，nh4⁺-n的去除率为73.77％，tp去除率为80.04％。

表2.“塘-生态沟渠”耦合系统中进﹑出口水质检测结果

实施例2

将多级跌水坝、多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠依次串联进行污水处理，结构示意图如图6所示，其中多级跌水坝的级数为3级，台阶高度为200mm，宽度为1000mm，多级跌水坝的总高度为600mm，具体尺寸见图4；多级生态塘和多级跌水充氧式生态沟渠的尺寸等设置条件和实施例1一致；

使用上述系统对农村生活污水进行处理，先将污水储备至污水储备池中，使用恒流泵将污水提入多级跌水坝中，依次通过多级生态塘的接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘后流入多级跌水充氧式生态沟渠。

当耦合系统运行方式为连续运行，进水水质cod为211.33mg·l^-1﹑tn为56.13mg·l^-1﹑nh4⁺-n为39.67mg·l^-1﹑tp为18.00mg·l^-1，进水负荷为3000l/h时，7天后对出水水质进行分析，所得结果如表3所示，可知经本实施例的系统处理后，污水中cod的去除率为90.22％，tn去除率为82.07％，nh4⁺-n的去除率为91.60％，tp去除率为81.48％。

表3.“跌水坝-塘-生态沟渠”耦合系统中进﹑出口水质检测结果

当耦合系统运行方式为连续运行，进水水质cod为192.00mg·l^-1﹑tn为47.30mg·l^-1﹑nh4⁺-n为35.43mg·l^-1﹑tp为17.27mg·l^-1，进水负荷为6000l/h时，7天后对出水水质进行分析，所得结果如表4所示，可知经本实施例的系统处理后，污水中cod的去除率为89.06％，tn去除率为80.06％，nh4⁺-n的去除率为90.31％，tp去除率为80.70％。

表4.“跌水坝-塘-生态沟渠”耦合系统中进﹑出口水质检测结果

实施例3

将多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝依次串联进行污水处理，结构示意图如图7所示；其中多级跌水充氧式生态沟渠、多级生态塘和多级跌水坝的尺寸等设置参数和实施例2一致。

使用上述系统对农村生活污水进行处理，先将污水储备至污水储备池中，使用恒流泵将污水提入多级跌水充氧式生态沟渠中，依次通过多级生态塘的接触氧化塘、生物稳定塘和沉水涵氧塘后流入多级跌水坝。

当耦合系统运行方式为连续运行，进水水质cod为175.86mg·l^-1﹑tn为43.97mg·l^-1﹑nh4⁺-n为29.63mg·l^-1﹑tp为15.30mg·l^-1，进水负荷为3000l/h时，7天后对出水水质进行分析，所得结果如表5所示，可知经本实施例的系统处理后，污水中cod的去除率为84.41％，tn去除率为81.42％，nh4⁺-n的去除率为87.74％，tp去除率为82.35％。

表5.“生态沟渠-塘-跌水坝”耦合系统中进﹑出口水质检测结果

当耦合系统运行方式为连续运行，进水水质cod为161.67mg·l^-1﹑tn为41.39mg·l^-1﹑nh4⁺-n为28.40mg·l^-1﹑tp为15.97mg·l^-1，进水负荷为3000l/h时，7天后对出水水质进行分析，所得结果如表6所示，可知经本实施例的系统处理后，污水中cod的去除率为83.09％，tn去除率为41.39％，nh4⁺-n的去除率为86.03％，tp去除率为82.88％。

表6.“生态沟渠-塘-跌水坝”耦合系统中进﹑出口水质检测结果

由以上实施例可以看出，本发明提供的系统无需增加曝气、搅拌等设备，操作简便、管理容易，非常适合于农村污水治理理念，且水处理效果稳定，净化效率高，具有广阔的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。