申請(qǐng)日2013.07.31

　　公開(公告)日2013.11.20

　　IPC分類號(hào)C02F9/14

　　摘要

　　一種生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，包括沿坡地坡度從上至下依次設(shè)置的格柵池⑵、厭氧水解池⑷和階梯式土地滲濾單元，所述格柵池⑵與溝渠⑴相連通，所述階梯式土地滲濾單元包括多級(jí)護(hù)坡滲透床⑸，所述護(hù)坡滲透床⑸內(nèi)部填充有濾料⑺，護(hù)坡滲透床⑸上培植有濕生植物群落⑼，相鄰護(hù)坡滲透床⑸之間設(shè)置有用于對(duì)滲濾速度、水力停留時(shí)間、濾層內(nèi)環(huán)境和出水方式進(jìn)行控制的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件⑹。其優(yōu)點(diǎn)是：耐受農(nóng)村污水水質(zhì)水量沖擊;復(fù)氧能力旺盛不易堵塞;強(qiáng)化脫氮除磷效果;綠色節(jié)能經(jīng)濟(jì)可行;具備優(yōu)良水利和生態(tài)價(jià)值。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：包括沿坡地坡度從上至下依次設(shè)置的格柵池⑵、厭氧水解池⑷和階梯式土地滲濾單元，所述格柵池⑵與溝渠⑴相連通，所述階梯式土地滲濾單元包括多級(jí)護(hù)坡滲透床⑸，所述護(hù)坡滲透床⑸內(nèi)部填充有濾料⑺，護(hù)坡滲透床⑸上培植有濕生植物群落⑼，相鄰護(hù)坡滲透床⑸之間設(shè)置有用于對(duì)滲濾速度、水力停留時(shí)間、濾層內(nèi)環(huán)境和出水方式進(jìn)行控制的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件⑹。

　　2.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述模態(tài)轉(zhuǎn)換組件⑹，包括倒T形管⑾，所述倒T形管⑾下端一接口位于上一級(jí)護(hù)坡滲透床⑸內(nèi)，所述倒T形管⑾下端另一接口位于下一級(jí)護(hù)坡滲透床⑸上方形成低位出水口⑿，所述倒T形管⑾頂端接口位于下一級(jí)護(hù)坡滲透床⑸上方形成高位出水口⒀，所述高位出水口⒀下部設(shè)有溢流堰水槽⒁，溢流堰水槽⒁外部設(shè)有V形三角布水堰口⒂;所述低位出水口⑿末端設(shè)置有模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門⒃。

　　3.如權(quán)利要求2所述的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述V形三角布水堰口⒂的橫截面為V形，V形三角布水堰口⒂的入水側(cè)為矩形堰，V形三角布水堰口⒂的出水側(cè)為連續(xù)設(shè)置的三角堰。

　　4.如權(quán)利要求2或3所述的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述V形三角布水堰口⒂距離下一級(jí)護(hù)坡滲透床⑸的垂直高度大于30cm。

　　5.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述護(hù)坡滲透床⑸的厚度為30-100cm。

　　6.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，其特征在于：所述護(hù)坡滲透床⑸的基床沿水流方向的坡度為0.3-3%。

　　7.利用權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)的土地滲濾方法，包含如下步驟：

　�、俳�(jīng)過生態(tài)溝渠或地表漫流收集的面源污水首先進(jìn)入坡地上端的格柵池濾除垃圾和大顆粒懸浮物，出水直接流入?yún)捬跛�解池去除固體懸浮物和部分生化需氧量，同時(shí)穩(wěn)定水質(zhì);

　�、诮�(jīng)步驟①預(yù)處理的出水通過溢流堰進(jìn)入階梯式土地滲濾單元，通過生態(tài)濾層的跌水曝氧、吸附截留、微生物的降解利用和濕生植物群落的吸收轉(zhuǎn)化去除大部分生化需氧量、固體懸浮物和病原微生物，尤其是通過多級(jí)護(hù)坡滲透床之間的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件實(shí)現(xiàn)對(duì)氮磷的有效去除;

　�、劢�(jīng)步驟②土地滲濾的出水由溢流堰排出，經(jīng)過氮磷回用口用于農(nóng)田灌溉，或者通過濕地或滴濾系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，出水排入天然水體。

　　說明書

　　一種生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種應(yīng)用于丘陵地區(qū)及山區(qū)的農(nóng)村面源污染控制與污水集中處理或其他適宜的污水處理的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法。

　　背景技術(shù)

　　我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行污水點(diǎn)源污染的集中治理，迄今經(jīng)過30年的發(fā)展和完善，我國(guó)的污水點(diǎn)源污染已經(jīng)得到基本控制，尤其是在城市和工業(yè)區(qū)。然而相對(duì)的，近十年以來我國(guó)的江河湖泊水質(zhì)仍然較不理想，針對(duì)各個(gè)受污染水體的治理耗費(fèi)了大量財(cái)力人力卻仍不見持久的明顯的效果，其根本原因就在于面源污染控制的薄弱。

　　我國(guó)農(nóng)業(yè)地區(qū)占國(guó)土面積的8%以上，且多位于較發(fā)達(dá)的水系水網(wǎng)區(qū)域，這些水網(wǎng)水系流域范圍占了國(guó)土面積的35%左右，由于我國(guó)屬于多山的國(guó)家，農(nóng)業(yè)地區(qū)中有50%以上都位于丘陵及山區(qū)，一旦該地區(qū)面源污染大量通過農(nóng)田排水、雨水徑流進(jìn)入上游水系，勢(shì)必會(huì)迅速擴(kuò)散到流域全境。而在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，氮肥磷肥的使用現(xiàn)階段仍然缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，雖然我國(guó)耕地面積僅占全球的10%，氮磷肥使用量卻占全球30%。灌溉、降雨和地表徑流會(huì)帶走大量的小顆粒、水溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、各種病原微生物和垃圾，被水流攜帶進(jìn)入地表徑流繼而進(jìn)入各種水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不僅加劇了水土的養(yǎng)分流失，還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化，從地處內(nèi)陸高原的滇池到平原地區(qū)的洞庭湖、鄱陽(yáng)湖，再到沿海地區(qū)的近海區(qū)域都面臨嚴(yán)峻的富營(yíng)養(yǎng)化危機(jī)。到2012年，我國(guó)沿海及內(nèi)地的15個(gè)省區(qū)市都已經(jīng)處于面源污染高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象不僅降低了水體健康性，打破了生態(tài)平衡，還會(huì)影響到水系區(qū)域內(nèi)民眾的健康和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，面源污染導(dǎo)致的一系列惡果會(huì)對(duì)我國(guó)、對(duì)外農(nóng)業(yè)貿(mào)易、民眾生活水平乃至經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成不良影響，在“十八大”提出的建設(shè)生態(tài)文明理念就包括了對(duì)面源污染控制的重視。

　　相比于城鎮(zhèn)地區(qū)污水處理，鄉(xiāng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件有限，污水源頭分散，水質(zhì)水量波動(dòng)很大，因此很難使用常規(guī)而高耗能的污水厭氧-缺氧-好氧處理工藝(Anaerobic-Anoxic-Oxic，簡(jiǎn)稱A2/O)、序批式活性污泥反應(yīng)器(Sequencing batch reactor，簡(jiǎn)稱SBR)工藝。目前控制面源污染的技術(shù)主要包括三個(gè)方面：氮磷源頭攔截、中段控制和末端處理。由于農(nóng)業(yè)地區(qū)面積寬廣地形復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)條件限制，在中段對(duì)氮磷進(jìn)行去除難以進(jìn)行，因此得到重視和發(fā)展的是源頭攔截和末端處理。其中源頭攔截技術(shù)主要是指在氮磷產(chǎn)生區(qū)域進(jìn)行攔截和和回用，主要技術(shù)包括生態(tài)溝渠、草溝、生態(tài)塘、人工濕地和土地滲濾等，而末端處理則主要指在富氮磷污水進(jìn)入徑流和水體之前進(jìn)行截留和處理，主要技術(shù)手段包括前置庫(kù)、植被緩沖帶、生態(tài)透水壩等。

　　其中，作為一種比較古老的污水處理工藝，土地滲濾常用于農(nóng)村地區(qū)污水處理中，尤其是在西方國(guó)家。據(jù)調(diào)查在美國(guó)農(nóng)村各種形式的土地滲濾裝置普及率達(dá)到了63%，而瑞典更是達(dá)到了80%，德國(guó)、加拿大等國(guó)也有大量穩(wěn)定的土地滲濾設(shè)施在運(yùn)行。土地滲濾主要包括慢速滲濾系統(tǒng)、快速滲濾系統(tǒng)、地表漫流系統(tǒng)、人工濕地系統(tǒng)和地下滲濾系統(tǒng)等，其中快速滲濾系統(tǒng)和地下滲濾系統(tǒng)比較常用，前者經(jīng)濟(jì)適用、抗水力負(fù)荷能力突出，但是面臨處理效率較低的限制;后者處理效率較高，環(huán)境條件適應(yīng)能力較強(qiáng)，但是面臨著堵塞、缺氧和濾料老化失效的問題。同樣的,目前我國(guó)常用的土地滲濾處理技術(shù)常常面臨包括濾料堵塞、基建維護(hù)費(fèi)用、運(yùn)行能耗高、環(huán)境景觀效果不佳的缺點(diǎn)。除此之外，普通的土地滲濾系統(tǒng)對(duì)氮磷的處理主要依靠濾料吸附而非轉(zhuǎn)化降解完成，在除磷時(shí)尤其明顯，因此本發(fā)明主要針對(duì)以下目標(biāo)進(jìn)行研發(fā)：(1)耐受農(nóng)村污水水質(zhì)水量沖擊;(2)復(fù)氧能力旺盛不易堵塞;(3)強(qiáng)化脫氮除磷效果;(4)綠色節(jié)能經(jīng)濟(jì)可行;(5)具備優(yōu)良水利和生態(tài)價(jià)值。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法的目的在于提供一種低能耗、高效率的生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法，該系統(tǒng)適合我國(guó)農(nóng)村污水集中處理，具備泛用性、經(jīng)濟(jì)型、穩(wěn)定性和景觀性。

　　一種生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)，包括沿坡地坡度從上至下依次設(shè)置的格柵池2、厭氧水解池4和階梯式土地滲濾單元，所述格柵池2與溝渠1相連通，所述階梯式土地滲濾單元包括多級(jí)護(hù)坡滲透床5，所述護(hù)坡滲透床5內(nèi)部填充有濾料7，護(hù)坡滲透床5上培植有濕生植物群落9，相鄰護(hù)坡滲透床5之間設(shè)置有用于對(duì)滲濾速度、水力停留時(shí)間、濾層內(nèi)環(huán)境和出水方式進(jìn)行控制的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件6。

　　所述模態(tài)轉(zhuǎn)換組件6，包括倒T形管11，所述倒T形管11下端一接口位于上一級(jí)護(hù)坡滲透床5內(nèi)，所述倒T形管11下端另一接口位于下一級(jí)護(hù)坡滲透床5上方形成低位出水口12，所述倒T形管11頂端接口位于下一級(jí)護(hù)坡滲透床5上方形成高位出水口13，所述高位出水口13下部設(shè)有溢流堰水槽14，溢流堰水槽14外部設(shè)有V形三角布水堰口15;所述低位出水口12末端設(shè)置有模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門16。

　　所述V形三角布水堰口15的橫截面為V形，V形三角布水堰口15的入水側(cè)為矩形堰，V形三角布水堰口15的出水側(cè)為連續(xù)設(shè)置的三角堰。

　　所述V形三角布水堰口15距離下一級(jí)護(hù)坡滲透床5的垂直高度大于30cm。

　　所述護(hù)坡滲透床5的厚度為30-100cm。

　　所述護(hù)坡滲透床5的基床沿水流方向的坡度為0.3-3%。

　　本發(fā)明生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)前端設(shè)置超越管渠以保護(hù)系統(tǒng)免受暴雨和洪水沖擊。

　　本發(fā)明生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)末端設(shè)置氮磷回用接口10以便于實(shí)現(xiàn)氮磷回用。

　　一種生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾方法，包含如下步驟：

　�、俳�(jīng)過生態(tài)溝渠或地表漫流收集的面源污水(包括前期雨水和生活污水)首先進(jìn)入坡地上端的格柵池濾除垃圾和大顆粒懸浮物，出水直接流入?yún)捬跛�解池去除固體懸浮物和部分生化需氧量，同時(shí)穩(wěn)定水質(zhì);

　　②經(jīng)步驟①預(yù)處理的出水通過溢流堰進(jìn)入階梯式土地滲濾單元，通過生態(tài)濾層的跌水曝氧、吸附截留、微生物的降解利用和濕生植物群落的吸收轉(zhuǎn)化去除大部分生化需氧量、固體懸浮物和病原微生物，尤其是通過多級(jí)護(hù)坡滲透床之間的模態(tài)轉(zhuǎn)換組件實(shí)現(xiàn)對(duì)氮磷的有效去除;

　�、劢�(jīng)步驟②土地滲濾的出水由溢流堰排出，經(jīng)過氮磷回用口用于農(nóng)田灌溉，或者通過濕地或滴濾系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，出水排入天然水體。

　　本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：底端開口模式下污水由濾層底端的低位出水口直接流出，濾層水頭壓差增大，實(shí)現(xiàn)快速滲濾，通過濾層表面復(fù)氧和水位下降負(fù)壓增氧，濾層內(nèi)保持富氧狀態(tài)。此時(shí)濾料主要通過截留作用濾除大顆粒有機(jī)物，而后由濾料微生物好氧消化分解吸附的有機(jī)污染物，從而降低污水的生化需氧量和總氮、總磷，避免大顆粒污有機(jī)物堵塞濾層。在本階段中，濕生植物群落通過根系生態(tài)圈(根的吸收、呼吸，根瘤菌群和根生氮素微生物)實(shí)現(xiàn)硝化反應(yīng)，氮素以硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的形式被截留在跟際生態(tài)圈，同時(shí)濾層中的聚磷菌群落通過微生物代謝過程大量吸收粘附在菌膠團(tuán)表面的PHA(磷聚合物)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從而完成磷的去除，同時(shí)為濾層內(nèi)的生物圈提供能量來源。

　　通過倒T形管頂端出水模式下，污水由高位出水口進(jìn)入下一濾層，通過濾層進(jìn)出水水頭差值變小，濾層內(nèi)進(jìn)入慢速滲濾階段，通過跌水復(fù)氧和濾料表面復(fù)氧，由于污水停留后時(shí)間延長(zhǎng)，在該模式下濾層內(nèi)處于貧氧狀態(tài)，濾料主要通過吸附作用截留較小顆粒的有機(jī)污染物，而后被濾料中的兼性厭氧微生物消化，實(shí)現(xiàn)生化需氧量的去除，同時(shí)會(huì)釋放部分已經(jīng)吸附還未吸收轉(zhuǎn)化的氮磷化合物。在本階段，濕生植物群落根系主要通過根系的根瘤菌、跟際生態(tài)圈中的反硝化菌群實(shí)現(xiàn)貧氧反硝化反應(yīng)，好氧階段累積的硝態(tài)氮被轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖绯鰹V層散逸，氮?dú)獾纳⒁葸^程可以強(qiáng)化濾層中物質(zhì)與大氣物質(zhì)的交流。同時(shí)聚磷菌在貧氧狀態(tài)下生物活性受到抑制，開始超量釋放菌體內(nèi)的磷化合物，以PHA(磷聚合物)的形式附著在菌膠團(tuán)表面，等待進(jìn)入好氧條件下進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化。該模式濾層出水進(jìn)入溢流堰水槽14，通過V形三角布水堰口以水幕和滴濾的形式進(jìn)入下一個(gè)濾層，污水在下降和進(jìn)入濾層時(shí)通過氣液界面交換和沖擊分散實(shí)現(xiàn)復(fù)氧。

　　本發(fā)明的污水處理原理在于：通過滲濾模態(tài)的交換，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)富氧-貧氧-富氧-貧氧條件的交替作用，類似于城市污水處理廠的污水缺氧-好氧處理工藝和序批式活性污泥反應(yīng)器工藝，通過這樣的交替在同一個(gè)濾層反復(fù)實(shí)現(xiàn)去除生化需氧量，脫氮除磷，最終氮素散逸進(jìn)入大氣，磷素則主要聚集于較高等的微生物(甲殼綱、蚯蚓等)和濕生植物群落中，通過定期收割植物即可實(shí)現(xiàn)磷素的最終處置。同時(shí)完整健康的生態(tài)圈可以實(shí)現(xiàn)病原微生物的有效去除，從而實(shí)現(xiàn)污水的處理過程。生態(tài)濾層數(shù)量越多，轉(zhuǎn)換周期越短，則該系統(tǒng)處理效果越好。

　　本發(fā)明生態(tài)護(hù)坡式污水土地滲濾系統(tǒng)及其滲濾方法的優(yōu)點(diǎn)是：

　　1. 本發(fā)明通過濾料表面自然復(fù)氧、跌水復(fù)氧、負(fù)壓復(fù)氧等多種方式實(shí)現(xiàn)污水復(fù)氧，保證生態(tài)濾層中氧含量充足，既保證了生化需氧量處理效果，還可以有效避免濾層堵塞;

　　2. 本發(fā)明通過多濾層的串聯(lián)和模態(tài)轉(zhuǎn)換組件實(shí)現(xiàn)了各濾層富氧-貧氧的交替轉(zhuǎn)換，可以有效強(qiáng)化氮磷去除效率，尤其是普通處理系統(tǒng)難以降解的磷素;

　　3. 通過控制模態(tài)轉(zhuǎn)換組件還可以有效控制濾層滲濾速度，在雨季或暴雨來臨時(shí)除了開啟超越管渠之外還可以增加快濾濾層數(shù)量實(shí)現(xiàn)對(duì)水量沖擊的有效應(yīng)對(duì);在旱季中可以適當(dāng)增加慢濾層數(shù)以應(yīng)對(duì)水量減少和水質(zhì)惡化;其中生態(tài)濾層濾料和濕生植物群落可以在長(zhǎng)期浸沒或極端干旱狀態(tài)下保證正常生長(zhǎng);本發(fā)明對(duì)于農(nóng)村污水處理領(lǐng)域中常見的水量水質(zhì)沖擊變化有較強(qiáng)的耐受力;

　　4. 本發(fā)明建立在生態(tài)護(hù)坡的基礎(chǔ)上，階梯式土地滲濾單元本身可以作為坡地護(hù)坡，可以有效減少水土流失、山體滑坡、泥石流等災(zāi)害帶來的危害，保障民居群落經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的安全;如果建立在河湖塘渠的湖泊上還可以作為水利設(shè)施使用，同時(shí)具備污水源頭處理和保護(hù)區(qū)域水利安全的功能;

　　5. 本發(fā)明在構(gòu)建的生態(tài)護(hù)坡呈階梯狀，每個(gè)階層都種植濕生植物，通過濾層跌水、出水和植物群落的有機(jī)組合模擬出了“花園瀑布”式的景觀效果，同時(shí)通過結(jié)合植物群落和水流的光合作用和溫度濕度調(diào)蓄作用共同賦予了本系統(tǒng)巨大的生態(tài)景觀價(jià)值;

　　6. 本發(fā)明有效利用了丘陵地區(qū)民居和田地的高差，系統(tǒng)尾水既可流入收納水體，也可以自然流入田地、菜地中實(shí)現(xiàn)氮磷回用，既實(shí)現(xiàn)了資源回收也省去污水深度處理環(huán)節(jié);

　　7. 本發(fā)明利用坡地的天然地形減少了基建投入，同時(shí)在收集、處理、排放、回用過程中不依靠任何人造能源和動(dòng)力，完全實(shí)現(xiàn)零能耗;在需要維修更換時(shí)也可以快速便捷地完成，最大程度的節(jié)省了經(jīng)濟(jì)投入，還可以通過產(chǎn)出綠色植物和生態(tài)觀感實(shí)現(xiàn)資源反哺。