針對中水回用的生態碳纖維SBBR與人工溼地組合處理系統及處理方法與流程
2023-07-30 09:42:42 6
本發明涉及的生態碳纖維SBBR與人工溼地組合汙水處理系統，屬於汙水生物處理技術領域，是一種可以用於小區生活汙水處理以及大中型河道排汙口截汙淨化的試驗裝置和方法，處理後水質要求常溫下達到《城市汙水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T18921-2002)標準。
背景技術：
中水又稱再生水、回用水，是國際公認的城市第二水源。我國「十三五」規劃指出，要全面節約和高效利用資源，實行最嚴格的水資源管理制度，實施再生水利用工程，以水定產、以水定城，建設節水型社會。因此，城鎮汙水的回用對節水型社會的建設尤為重要，對於水資源充沛地區，中水回用可以節約截汙納管費用，減輕管網和汙水處理的壓力，同時還能防止管道輸送不當引起的河道汙染等問題；而對於水資源匱乏地區，採用城鎮集約化汙水回用技術，將再生水用於衝廁、洗車、綠化等，可以為該地區提供新的「水源」，進一步實現我國水資源的高效利用。
對於中水回用，國內外已經有了很多成熟的經驗。北京市高碑店汙水處理廠的中水回用工程可以實現二級汙水處理廠出水再處理後大規模回用，每天約有9000m3的中水供廠區使用，其餘部分可作為城市綠化用水。大連機車車輛廠也實施了中水回用工程，工廠綠化、衝廁及冷卻水等都用上了中水，年節約水20萬噸，取得了良好的效果。美國加利福尼亞州每年利用淨化汙水2.7億立方米，相當於100萬人口一年的用水量。
我國在中水回用方面與一些發達國家相比還存在不小的差距，實際的運行情況也不容樂觀。很多以小區為單位自建的中水回用系統由於進水水源不穩定、回用規模較小，出現了設施得不到充分利用，中水供給不穩定，且成本較高等問題。因此通過改進中水回用系統，降低城鎮居民生活汙水回用成本，將對中水回用工程起到極大的推動作用。
然而現行的生活汙水脫氮除磷工藝存在著各種矛盾，如：硝化菌與聚磷菌對系統中溶解氧的競爭，反硝化菌與聚磷菌對碳源的競爭等，這使得汙水的同步脫氮除磷很難有效實現，從而阻礙了中水的穩定回用。因此，隨著目前生活汙水氮磷含量的不斷加重，水體排放標準的日趨嚴格，尋求一種針對中水回用的能夠高效脫氮除磷、運行穩定且節能的汙水組合處理系統尤為重要。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種小型生活汙水回用裝置和方法，提出將生態碳纖維SBBR與人工溼地相結合，通過後置人工溼地的強化處理，使得整個系統在實現高效脫氮除磷的同時還具有良好的環境、經濟效益，符合當代可持續發展的要求。
本發明提出的「生態碳纖維SBBR與人工溼地組合處理系統」，其具體技術方案如下：
系統由生態碳纖維SBBR反應器和垂直潛流人工溼地裝置串聯組成；生態碳纖維SBBR裝置由進水系統、主反應器、厭氧內循環系統、曝氣系統、排水、排泥系統構成，生態碳纖維SBBR裝置主反應器底部設有與蠕動泵連接的進水管，以多個曝氣頭作為空氣擴散器位於主反應器內部底端，優選位於進水管上面，使得反應器內曝氣均勻，鼓風機通過氣體轉子流量計與曝氣頭連接；運用循環泵進行厭氧循環以替代原始的攪拌系統，即運用循環泵將主反應器上部和下部的連接使水能夠循環；主反應器內設有DO測定儀，下端面設有排泥系統，主反應器中部設有排水口；主反應器固定有生態碳纖維填料，生態碳纖維填料由一系列聚丙烯塑料和碳纖維編成的環狀毛刷結構，碳纖維突出環狀結構成為環狀毛刷結構的毛刷，碳纖維固定在圓環結構上，採用硬質鐵絲(如直徑為3mm)替代傳統尼龍繩將環狀毛刷結構串聯起來，環狀毛刷結構之間具有一定的間隔(如10cm)，採用鐵絲主要目的是保證碳纖維填料之間保持相互獨立，防止在反應器中因曝氣作用出現互相纏繞現象，不能使碳纖維束在水體中完全擴散開，阻礙微生物在其表面充分掛膜吸附。
所述人工溼地裝置是由有機玻璃製成得圓柱形裝置，參見附圖中圖1和圖4。人工溼地裝置內，從底部開始向上以此按級配填裝粒徑8～10mm的陶粒層、粒徑6～8mm的礫石層、粒徑3～5mm的沸石層以及天然土壤層，天然土壤層上種有溼地植物；來自SBBR反應器的出水經由溼地布水管均勻進入到溼地系統中，通過間歇運行模式使得溼地床體內部出現連續的好氧、缺氧和厭氧狀態，使硝化作用和反硝化作用可以在溼地系統中連續進行。
陶粒層、礫石層、沸石層、天然土壤層的厚度比優選150:100:150:100。
SBBR反應器用於解決汙水處理過程中負荷波動過大的問題，並在前處理中大幅度削減汙染物濃度，後置人工溼地用於進一步脫氮除磷。
所述生態碳纖維(Carbon fiber，CF)是經丙酮改性後的PAN-ACF，纖維強度高，使用壽命長，且具有良好的生物相容性和極大的比表面積，能夠在SBBR系統中為微生物提供較為廣闊的附著空間。
所述SBBR裝置採用序批式汙水處理模式，由進水系統、主反應器、厭氧內循環系統、曝氣系統、排水、排泥系統以及自控裝置組成，汙水在主反應器內完成反應、沉澱、排水等工序，不存在空間上控制的障礙，處理過程靈活。所述進水系統包括進水管、蠕動泵，於距裝置底部100mm處進水；所述厭氧內循環系統是運用循環泵進行厭氧循環以替代原始的攪拌系統，反應中優選厭氧循環量固定為5L·min-1；所述曝氣系統是採用鼓風曝氣，通過空氣轉子流量計控制曝氣強度，以多個(如3個)細沙曝氣頭作為空氣擴散器使得反應器內曝氣均勻；所述排水系統包括蠕動泵和出水管，於距底部350mm處出水至水量調節池；所述排泥系統為SBBR底部半球形排泥裝置，直接將剩餘汙泥排出池外；所述自控設備均為電子定時器，控制各設備的啟閉。
所述人工溼地(Constructed wetlands)是通過科學的設計和改造，選用特定的基質與植物構建出的複雜、獨特的生態系統，它可利用物理、化學和生物的三重協同作用實現對汙水的處理淨化。裝置由有機玻璃製成，填料根據反應器大小，從底部按級配填裝陶粒層、礫石層、沸石層以及天然土壤層，溼地植物優選用菖蒲。
組合處理系統運行具體流程如下：
(1)將生態碳纖維用蒸餾水清洗後烘乾；
(2)將城市汙水處理廠的活性汙泥作為接種汙泥進行悶曝活化；
(3)將生態碳纖維懸掛於SBR反應器內，並將活化後的汙泥投加到反應器中進行系統生物膜的培養。
(4)SBBR運行周期為8h，其中進水10min、厭氧75min，好氧240-270min，沉澱60min，出水、空閒65-95min，DO保持在3.07～4.09mg/L之間。SBBR出水作為人工溼地進水，人工溼地採取間歇運行模式，停留時間約為12h，水力負荷為0.024m3/(m2·h)。
作為進一步地改進，本發明所述的步驟(4)中，好氧改為為240min，出水、空閒95min。
(5)人工溼地裝置運行，其中進水處理12h，放空復氧12h。
常溫下(如10-35℃)，組合處理系統中SBBR裝置主要去除COD和氨氮，人工溼地主要去除TN和TP，其中人工溼地對TP的去除效果尤為明顯；低溫下(常溫，如10-35℃)，組合處理系統中SBBR裝置對COD和氨氮的降解起到主要作用，而人工溼地對COD和氨氮的降解貢獻率較低。
本發明的有益效果在於，本發明所提供的組合處理系統兼具兩種汙水處理技術的優勢，並能夠充分發揮人工溼地的處理效能以降低SBBR系統的能耗，在保證出水水質的情況下，使得組合工藝的綜合運行費用最低，其優點如下：
(1)生態碳纖維SBBR系統抗衝擊負荷強，自控程度高，操作簡單；
(2)人工溼地運行成本低，具有良好生態效應，與小區綠化相得益彰，可抵消裝置用地的消極影響；
(3)前置SBBR系統可有效防止人工溼地堵塞並減小人工溼地的佔地面積，而人工溼地又可以進一步去除SBBR系統出水中的氮磷，實現組合處理系統的高效脫氮除磷。
因此，結合小區生活汙水處理工程的特點和要求，採用本發明的生態碳纖維SBBR與人工溼地組合處理系統處理小區生活汙水在技術上具有很高的統一性，這是運用此組合工藝處理小區生活汙水進行此試驗的前提和基礎。
附圖說明
圖1是本發明的組合處理系統工藝流程圖；
圖2是SBBR系統俯視圖；
圖3是SBBR系統A-A剖面圖；
圖4是人工溼地俯視圖。
圖中：1-排泥系統；2-蠕動泵；3-鼓風機；4-氣體轉子流量計；5-生態碳纖維；6-生物膜；7-塑料圓環；8-DO測定儀；9-填料懸掛支架；10-菖蒲；11-陶粒、沸石等；12-厭氧循環導流槽；13-出水口；14-土壤；15-溼地布水管。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本發明的結構及工作方式，但本發明並不限於以下實施例。
本發明的組合處理系統由生態碳纖維SBBR裝置和人工溼地處理裝置組成參見附圖中圖1、圖2和圖3，所述生態碳纖維SBBR裝置由進水系統、主反應器、厭氧內循環系統、曝氣系統、排水、排泥系統以及自控裝置組成。汙水經蠕動泵2由進水池進入到主反應器中，反應結束後經由蠕動泵2潷水至中間水量調節池，剩餘汙泥由排泥系統1排出。生態碳纖維5通過支架9懸掛於反應器內，反應過程中將在其上形成生物膜。在反應過程中，厭氧階段由蠕動泵2抽出厭氧循環導流槽12中的汙水再從反應器底部進入反應器中，從而完成厭氧循環；好氧階段，採用鼓風機3送氧，由氣體轉子流量計4控制曝氣強度，反應器內DO含量由DO測定儀8測定；系統設備的啟閉均由電子定時器控制。
本發明中，最為關鍵的是生態碳纖維SBBR反應器的設計與運行模式，為增強SBBR反應器的脫氮除磷效果，並克服了SBBR工藝脫氮效率不高與連續流分段反應時間固定池容限制等缺點，SBBR反應器採取如下設計與運行方式：
(1)SBBR反應器採取底部進水、上端潷水模式，微孔曝氣頭裝設於反應容器底部，位於生態碳纖維填料下方，鼓風機通過管路與裝於反應容器內的曝氣頭相連，整個反應器運行都採用自動控制；
(2)SBBR反應器設有填料固定支架，生態碳纖維填料由一系列聚丙烯塑料圓環和碳纖維束組成，碳纖維束纏繞在圓環上達到固定目的，本發明用硬質鐵絲(直徑為3mm)替代傳統尼龍繩將圓環串聯起來，圓環之間間隔10cm，採用鐵絲主要目的是保證碳纖維填料之間保持相互獨立，防止在反應器中因曝氣作用出現互相纏繞現象，不能使碳纖維束在水體中完全擴散開，阻礙微生物在其表面充分掛膜吸附。
(3)SBBR反應器採用分段式進水模式分散進水負荷，分為進水一反應一沉澱一排水的序批間歇操作、厭氧內循環一好氧曝氣交替進行和分步進水三個基本特徵，提高了裝置的抗衝擊負荷能力和處理能力，脫氮效率高，並且處理效果穩定。
生態碳纖維(Carbon fiber，CF)是經丙酮改性後的PAN-ACF，由國家碳纖維工程技術研究中心與北京市水處理環保材料工程技術研究中心聯合研發，專利號為201110425930.8，纖維強度高，使用壽命長，且具有良好的生物相容性和極大的比表面積，能夠在SBBR系統中為微生物提供較為廣闊的附著空間。步驟如下：
步驟一：將碳纖維纏繞成束狀結構後放入索氏提取器內並用丙酮進行10小時表面脫膠處理；
步驟二：將脫膠處理後的碳纖維用去離子水衝洗去除表面的丙酮及殘餘在碳纖維表面的碳纖維膠，製得生物碳纖維；
步驟三：將步驟二所得生物碳纖維截成數段，製得束狀或圓盤狀生物碳纖維水處理填料；
步驟四：將製得的束狀或圓盤狀生物碳纖維水處理填料垂直放置在水中，構成水草狀仿生結構，隨流動的水體飄動。
進一步地，所述束狀或圓盤狀生物碳纖維水處理填料中的生物碳纖維拉伸強度為3.5－4.9GPa，拉伸模量為220－240GPa。
所述人工溼地裝置是由有機玻璃製成得圓柱形裝置，參見附圖中圖1和圖4。裝置內徑200mm，高600mm，壁厚8mm，裝置中所有填料根據反應器大小，從底部按級配填裝150mm厚的陶粒層(粒徑8～10mm)、100mm厚的礫石層(粒徑6～8mm)、150mm厚的沸石層(粒徑3～5mm)以及100mm厚的天然土壤層。來自SBBR反應器的出水經由溼地布水管均勻進入到溼地系統中，通過間歇運行模式使得溼地床體內部出現連續的好氧、缺氧和厭氧狀態，使硝化作用和反硝化作用可以在溼地系統中同時進行。
實施例1：
採用人工合成汙水為原水，原水水質：COD：400～500mg/L，氨氮：20～25mg/L，TN：30～35mg/L，TP：4.0～5.0mg/L，PH：7～8。得出組合工藝處生活汙水的最佳工況條件與最優的經濟運行參數，常溫下，當SBBR系統進水10min，厭氧75min，曝氣240min，沉澱60min，出水、閒置95min，溶解氧在3.07～4.09mg/L之間時，組合工藝能夠實現能耗最低情況下的達標出水。此模式下，SBBR系統對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達到94.6％、94.8％、85.4％、61.1％。人工溼地採取間歇運行模式以進一步脫氮除磷，其中進水12h，放空復氧12h，穩定後溼地對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達到39.3％、47.3％、61.5％、70.7％。此模式下整體組合工藝表現出了良好的脫氮除磷性能，系統出水COD、氨氮、TN、TP濃度均值分別為13.89、0.535、2.047、0.286mg/L，去除率分別能夠達到96.7％、97.3％、94.4％、88.6％。
實施例2：
採用北京化工大學6號樓生活汙水為原水，具體水質如下：COD：278～398mg/L，氨氮：45～67mg/L，TN：60～85mg/L，TP：4.3～7.6mg/L，pH值為7.3～7.6。常溫下，當SBBR系統進水10min，厭氧75min，曝氣240min，沉澱60min，出水、閒置95min，溶解氧在3.07～4.09mg/L之間時，SBBR系統對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達到90.70％、87.46％、67.30％、62.86％。人工溼地採取間歇運行模式以進一步脫氮除磷，其中進水12h，放空復氧12h，穩定後溼地對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達到58.34％、40.78％、49.33％、82.82％。此模式下整體組合工藝表現出了良好的脫氮除磷性能，系統出水COD、氨氮、TN、TP濃度均值分別為13.56、4.086、11.598、0.319mg/L，去除率分別能夠達到96.12％、92.57％、83.43％、93.62％。
本發明通過小試研究，得到了組合工藝處理生活汙水的最佳工況條件與最優的經濟運行參數。為生態碳纖維SBBR與人工溼地組合處理系統產業化推廣建立了標準化工藝流程。
在實際應用中，本發明的技術工作流程如下：
生活汙水通過集水管道進入初沉池，沉澱去除部分懸浮物以及有機物，以改善後續生物處理構築物的運行條件，起到調節水量、穩定水質的作用。
初沉池中的水由水泵抽出進入到生態碳纖維SBBR池，SBBR池的運行周期根據人工溼地對汙染物的去除效果確定。在常溫或高溫下，溼地植物生長較好，且組合系統微生物活性都較高，因此可以相應縮短SBBR池曝氣的時間和強度以降低組合系統總能耗。在冬季低溫下，人工溼地處理效果下降，且組合系統微生物活性降低，因此需提高SBBR池曝氣的時間和強度，在水量不大的情況下，還可適當延長系統水力停留時間以提升汙水處理效果。在實際工程中，應在充分發揮人工溼地的最大處理效果的前提下，根據不同水質水量，反向地對SBBR池的運行周期進行調整，以達到節能目的。
本發明的組合處理系統在能夠穩定實現中水回用的同時，還具有良好的環境、經濟效益，可廣泛用於農村集中式和分散式汙水處理、城市小區中水回用以及大中型河道排汙口的截汙淨化工程。