CN102001797B

CN102001797B - 阶式功能强化型生物生态氧化塘以及深度净化水质的方法

Info

Publication number: CN102001797B
Application number: CN201010587812A
Authority: CN
Inventors: 吕锡武; 吴义锋; 王新刚; 朱光灿; 王哲明; 叶春
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102001797A

Abstract

本发明公开一种阶式功能强化型生物生态氧化塘，包括四周岸坡和氧化塘，所述四周岸坡由生态混凝土预制球铺装而成，岸坡上种植有水生植物；所述氧化塘中设置有隔水导流的软围隔墙，所述软围隔墙将所述氧化塘依次分隔为兼氧塘、好氧塘和水生植物塘三个功能区。本发明还公开一种利用生态氧化塘进行深度净化水质的方法。本发明生物生态氧化塘中各个功能分区根据其水质净化需求进行专门的功能构建设计，该系统可高效去除水中溶解性有机物、氮磷营养盐和悬浮固体，实现污水处理厂尾水的深度净化，经处理后尾水全年达到一级A标准排放。

Description

阶式功能强化型生物生态氧化塘以及深度净化水质的方法

技术领域

本发明属于污水处理工程技术领域，具体涉及一种用于处理城镇污水处理厂尾水的生物生态氧化塘以及利用该生物生态氧化塘进行深度净化水质的方法。

背景技术

我国整体水环境污染治理的形势十分严峻，太湖、巢湖、滇池等湖泊的富营养化趋势未能得到有效控制。为改善上述湖泊流域的水环境质量，国家对在其流域范围内的城镇污水处理厂提出了提标的要求，即要求污水处理厂的排放尾水由二级或一级B标准提升至一级A标准(GB18918-2002)或者更严格排放要求。由于城镇污水处理厂尾水提标至一级A标准(GB18918-2002)或更严格要求排放，污水深度处理工艺的开发迫在眉睫。因此，城镇污水处理厂在传统二级生化处理工艺的基础上，通常选用微絮凝/过滤、生物塘作为深度处理单元，但该处理方法工艺运行复杂，能耗较高。

传统的氧化塘主要是依靠自然生物的净化功能使污水得到处理，它能够完成生活污水、城市污水和各种有机性工业废水的处理，能够完成污水处理的一级、二级等功能处理要求。氧化塘能够充分利用地形条件，利用农用价值不高的废河道、沼泽地等，处理系统能耗较少，维护简单，建设周期短，易于施工。然而，传统氧化塘也存在一些缺陷，传统的氧化塘的去除功能是去除有机物，因而，通常对整个塘体采取延时曝气方法，以强化COD的去除效果，而氮、磷的去除效果较差。城镇污水处理厂二级处理后的尾水具有碳氮比小、硝酸盐在TN中的比例大等特点，物化净水工艺无法有效去除水中的溶解性氮磷。另外，传统的氧化塘占地面积大、运行效果不稳定、环境卫生差等，限制了其广泛应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种氮磷去除效果好的生态氧化塘。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述生物生态氧化塘进行深度净化水质的方法。

技术方案：本发明所述的生物生态氧化塘，包括四周岸坡和氧化塘，所述四周岸坡由生态混凝土预制球铺装而成，岸坡上种植有水生植物；本发明岸坡是氧化塘水生生态系统中物质交换最为强烈的区域之一，主要利用类似天然土质岸坡透水透气性，并具有一定力学强度和连续贯通孔隙的多孔混凝土预制球铺装护砌，利用多孔混凝土的连续孔隙及其铺装时自然产生的较大型空隙，为绿色植物的生长和微生物的富集提供了良好的载体，从而构建了生态塘的岸坡特定的生态系统，强化水中污染物的去除效果。岸坡上优选配置水葱、美人蕉、菖蒲等水生植物。

所述氧化塘中设置有隔水导流的软围隔墙，所述软围隔墙将所述氧化塘依次分隔为兼氧塘、好氧塘和水生植物塘三个功能区。由于氧化塘多是由原池塘或河浜改建而成，因而塘体的水力条件受多因素限制。根据氧化塘的进水、出水位置，采用软围隔墙导流技术形成塘内整体推流布局循环的水动力条件，并尽量避免塘内出现短流区。

所述兼氧塘中设置有弹性填料，填充密度为0.15m³/m³，水力停留时间控制在20h左右，其主要功能是实现反硝化作用，脱除部分氮，同时提高水中有机物的可生化性，同时还设置有间歇运行的导流曝气装置，配置功率按2.0W/m³计算，间歇运行，建议按照开机10min，停机50min模式运行，运行方式按水中溶解氧浓度0～0.5mg/L控制，水力条件为整体推流局部循环。

所述好氧塘中水力停留时间控制在8-10h左右，设置有强化水中有机物的去除效果的无纺布或毛毡介质，设置密度为0.25m³/m³，强化水中有机物的去除效果；同时还设置有间隙运行的造流式曝气机，配置功率按5～8W/m³计算，以溶解氧浓度为2.0～3.0mg/L控制造流曝气设备的间歇运行，保证了后续水生植物塘对溶解氧的需求；

所述水生植物塘水力停留时间为22-32h，设置有立体型生态浮床，所述生态浮床上部种植水生植物，床面夏秋季种植空心菜、水葫芦等，冬春季换茬为水芹和冬麦等，在植物生长季节，定期收割，水上植物种植面积比为15％～20％；下部悬挂弹性填料，塘内溶解氧浓度不小于4.0mg/L；水生植物塘利用好氧塘中的剩余溶解氧，依靠建立的立体型生物链持续去除水中的氮磷营养盐和有机物。

所述软围隔墙通过若干木桩固定在氧化塘中从而稳定的起到隔水和导流作用；所述软围隔墙的墙体由土工布制成，土工布由孔隙材料制作而成，优选长丝或短纤维无纺土工布，对水中的微生物具有较强的富集能力，强化水质净化效果。墙体下部通过长沙袋与氧化塘的底部紧密结合，墙体的上部与浮漂连接，使墙体的高度高于水面。主要依靠构造中的沙袋重力、浮漂浮力以及固定木桩，在水中按设计要求围隔水域，从而实现生态塘内水体的导流及其功能分区。

为减少风力对不同分区的扰动作用，所述软围隔墙的墙体高出水面0.3m。

所述兼氧塘、好氧塘和水生植物塘的容积比为5∶2∶3，所述兼氧塘的水深为3m以上，所述好氧塘的水深为2.5m，所述水生植物塘的水深为1～1.5m；所述岸坡的坡度为1∶1～1∶2。

所述兼氧塘为宽度为3.0m的廊道，所述弹性填料填充在廊道中；所述弹性填料设置为2.5m×1.0m的矩形单元，填充密度为0.15m³/m³，悬挂间隔为200mm，弹性填料下端距池底为0.2m，上端不高于水面，与水流方向垂直每隔4m设置一块，均匀布置。

所述好氧塘为宽度为5.0～8.0m的廊道，无纺布或毛毡采用悬挂式安装，所述无纺布或毛毡介质的密度为0.25m³/m³。

所述水生植物塘中，所述立体型生态浮床的上表面与水面平齐，下表面距塘底为0.2m。

本发明构建的生态氧化塘尤其适用于以工业废水所占比例大的城镇污水处理厂尾水的深度处理，相对于城市污水处理厂尾水水质来说，低污染工业废水具有有机物可生化性更差，碳氮比更小、硝态氮所占比例大的特点，物化处理难以有效去除水中的溶解性有机物、氮磷营养盐，新型生物生态氧化塘将塘体进行功能优化分区，配置适宜的水质净化措施，发挥各自功能，保证了出水水质的达标排放。

本发明所述的利用所述的生物生态氧化塘进行深度净化水质的方法，包括如下步骤：

(1)将污水导入兼氧塘中，水力停留时间为20～25h，利用导流曝气装置间歇运行，控制水中溶解氧浓度为0～0.5mg/L，形成整体推流局部循环的水力条件；

(2)将从兼氧塘中的出来的污水导入好氧塘中，水力停留时间为8-10h，溶解氧浓度控制在2～3mg/L，通过无纺布或毛毡介质富集微生物，曝气机间歇运行，形成好氧塘内接近完全混合的流态；

(3)将从好氧塘中出来的污水导入水生植物塘中，水力停留时间为22～32h，塘内溶解氧浓度不小于4.0mg/L，利用好氧塘中的剩余溶解氧，依靠立体型生态浮床中的生物链持续去除水中的氮磷营养盐和有机物。

步骤(1)中，导流曝气装置采取运行10min间隔50min的运行方式。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1、本发明基于平原水网地区池塘或河浜密布的地形特点，提出了一种适用于城镇污水处理厂尾水深度处理的生物生态氧化塘以及深度净化水质的方法，本发明基于软围隔墙导流、生态岸坡、人工介质富集微生物、生态浮床等多种技术的优化组合，根据城镇污水处理厂尾水碳氮比小、硝态氮比例大、可生化性差等水质特点，将生态塘构建成3个功能分区：(1)兼氧塘；(2)好氧塘；(3)水生植物塘，依次形成生态系统完整的、功能互补的城镇污水处理厂尾水生物生态氧化塘和深度处理方法，污水在生物生态塘中按照优化的水力条件依次流经各功能分区，系统中不需污水或污泥回流，生态氧化塘的运行管理简便，功能分工明确；2、污水流经兼氧塘时，水力停留时间约为20～25h，造流设备间歇运行，在兼氧塘内形成了整体推流、局部循环的水力条件，首先进行反硝化作用脱除部分硝酸盐，同时也提高了污水的可生化性，降低了好氧塘的污染负荷；3、好氧塘中的溶解氧浓度控制在2～3mg/L，的主要功能去除水中的有机物，同时为后续水生植物塘提供溶解氧，以保证立体型生态浮床微生物生理活动的需求；4、本发明生态氧化塘中各个功能分区根据其水质净化需求进行专门的功能构建设计，该系统可高效去除水中溶解性有机物、氮磷营养盐和悬浮固体，实现污水处理厂尾水的深度净化，经处理后尾水全年达到一级A标准排放；5、本发明阶式功能强化型生物生态氧化塘与传统氧化塘相比，水力负荷提高2倍以上，实现相同净化效率条件下停留时间大幅度降低，或相同水力停留时间条件下污染物净化效率大幅度提高；与微絮凝/过滤等深度处理工艺相比，氮磷等营养盐去除率高，运行管理简便、节能效果更好，本发明为城镇污水处理厂尾水深度处理提供科学的、有效的实用技术；6、本发明生物生态氧化塘的构建，基于生物-生态的水质净化原理，突破传统氧化塘占地面积大、污水处理效率差等缺陷，采用多孔材料生态护岸、软围隔墙导流、潜水曝气充氧、接触氧化、生态浮岛等多种技术优化组合，突破了物化处理工艺的管理复杂、氮去除率低的局限性，系统中不需要回流系统，强化氮磷的去除，尤其适用于城镇污水处理厂尾水深度处理；7、本发明水生植物塘中设置立体型生态浮床能够持续去除水中的有机物和氮磷等营养盐，保证生态塘出水水质达到《城镇污水处理厂污染物综合排放标准(GB18918-2002)》一级A标准或《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值(DB32/T1072-2007)》规定的尾水排放要求。

附图说明

图1为本发明阶式功能强化型生物生态氧化塘的工艺原理图。

图2为软围隔导流墙。

图3为多孔混凝土生态护岸图。

图4为无纺布介质框架单元。

图5为立体型生态浮床平面图。

图6为立体型生态浮床A-A剖面图。

图7为生态浮床植物生长托盘。

具体实施方式

下面结合附图，通过一个最佳实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

城镇污水处理厂尾水水质特点一般表现碳氮比小一般为5～10，硝态氮在氮系污染物中所占比例达80％以上，BOD₅/COD小于0.1，可生化性极差，要求深度处理工艺必须适用上述水质特点，具有较强的污染物去除功能。而且，生态塘处理工艺没有污水或污泥回流的空间和余地，必须基于水力学、环境工程学、生态工程原理，在科学划分生态塘功能分区的基础上，采用导流分流、接触氧化、射流曝气、生态构建等多学科的基本理论构建生态塘完善的生物生态系统和较强的污染物去除能力。以南京扬子石化污水处理厂尾水为例，来说明新型生物生态塘对低污染工业废水的处理效果。南京扬子石化总厂的污水处理流程为：该厂净一车间的对苯二甲酸(PTA)生产废水进行预处理和资源回收后，废水与扬子石化厂区综合污水、南京化工园区工业废水混合后再进行集中处理，处理工艺为格栅——中和——混凝气浮——匀质调节——A/O/A/O(生物膜)——沉淀——过滤，水量为4100m³/h，采用本发明技术对扬子石化原有景观池塘进行改造，对沉淀池的出水进行深度处理。

具体方案如下：

(1)多孔混凝土生态岸坡的构建

基于生态工程学的孔隙构造原理，新型生物生态氧化塘岸坡摒弃以往的硬质护岸结构，而采用类似天然土质岸坡透水透气性特点，并具有一定力学强度和连续贯通孔隙的多孔混凝土为生态岸坡构建载体，多孔混凝土的制备是由粒径1.5～25mm单一级配的碎石、PII52.5硅酸盐水泥、矿物外加剂、高性能减水剂以及碱性缓释剂等物料按一定比例配合、搅拌、压制和捣实成型，其中水灰比约为0.25。多孔混凝土自身的孔隙率为15～25％，渗透系数1.5～2.0mm/s，抗压强度为10～20MPa。本发明中将多孔混凝土预制为球形砌块进行铺装，球体中预留三维方向的通孔，球与球之间采用防锈处理的连接件予以串接固定。除多孔混凝土自身孔隙率外，球形砌块构成的铺装自然形成了47％的空隙率，为大型水生植物提供生长空间。

(2)软围隔墙导流，如图2所示：

本发明中生物生态氧化塘水力条件的优化，以生物生态氧化塘内形成整体推流、局部循环的水力条件的为目标，采用土工布等柔性材料围隔水域起到隔水和导流作用的软围隔，使水流在围隔的廊道内流动。软围隔的实施方式为：软围隔材料为长丝或混合纤维无纺土工布，土工布下部缝制直径约0.2m的沙袋，填充砂粒，利用沙袋自重使得软围隔与塘底紧密结合；软围隔的基础是在其下部开挖直径0.2m的半圆形槽，以承纳软围隔底部的沙袋；软围隔上部依靠鱼漂串的浮力托起土工布，并使其高出水面0.3m；软围隔每隔5m设置一个固定木桩，以限制软围隔在水面上漂移。

(3)生物生态氧化塘岸坡生态系统的构建，如图3所示：

生物生态氧化塘岸坡特定生态系统的构建是以多孔混凝土为载体，坡面填充土壤，联合绿色植物和微生物构建特定生态系统，以强化污染物的去除效果。多孔混凝土预制砌块铺装后，就进挖取附近地表层20mm厚的土壤填充至多孔混凝土的空隙，以诱导植物生根发芽，覆土后的坡面采用城镇污水处理厂尾水或就近地表浇洒不少于5次，每次间隔3～5天，以充分稀释多孔混凝土的释碱。然后进行坡面植被植生。坡面植被选用须根系的植物类型为主，如金鱼藻、枯草、菖蒲、水葱等，如考虑景观需要，实验证明球型根系的美人蕉等水生植物也能较好适用特定岸坡生态系统的生境。大型挺水植物的初期栽植密度为9株/m²，沉水植物为25株/m²。生态坡面经过绿色植物的生长和动物、微生物的自然富集，即形成了特定的岸坡生态系统。生态岸坡上的植物带结构依次为沉水植物、挺水植物、草本植被，实现了坡面上水生生态向陆生生态的自然过渡。岸坡特定生态系统主要通过生态坡面上的绿色植物来改善水质和修复生态，并以多孔混凝土载体和坡面基质富集微生物来进一步强化系统的稳定性。

(4)生物生态氧化塘水质净化功能分区及其水质净化措施

根据进水水质特点，采用软围隔导流墙将生态塘围隔为兼氧塘、好氧塘和水生植物塘等3个功能分区，并配置各自的水质净化设施已实现各自功能分区的环境特点，完成对不同类型污染物的去除，如图1所示。

兼氧塘：水力停留时间约20h左右，采用软围隔导流墙分割为宽度为3.0m的廊道，廊道填充弹性填料，悬挂间隔为200mm。将弹性填料设置为2.5m×1.0m的矩形单元，弹性填料下端距池底为0.2m，上端不高于水面，与水流方向垂直每隔4m设置一块，均匀布置。根据兼氧塘容积大小，配置潜水型搅拌机，配置功率为2.0W/m³(根据计算功率，选用多台均布安装)，建议采取运行10min间隔50min的运行方式，以防止水体的过度复氧。

好氧塘：水力停留时间为8-10h左右，塘内廊道宽度5.0～8.0m，设置无纺布介质以富集微生物，无纺布填料采用垂直于水平面的片状悬挂方法，见图4，填充高度同兼氧塘内的弹性填料。塘内设置潜水型的造流曝气机，配置功率为5～8W/m³(根据计算功率，选用多台均布安装)，曝气机的安装应有助于形成好氧塘内接近完全混合的流态，其运行方式为间歇运行，启闭时间按水中的溶解氧浓度而定，根据水质净化要求，好氧塘内溶解氧浓度控制在2.0～3.0mg/L。

水生植物塘：水力停留时间为22-32h，塘中设置立体型生态浮床，其安装见图5、图6、图7，生态浮岛面积占塘内水面积的20％左右。浮床上部根据季节变化选种不同的水生植物，在太湖流域范围内，每年4月份种植空心菜、水葫芦等，收割周期为15～20天；9月份换茬为水芹、黑麦草等越冬植物，收割周期为45～60天。生态浮岛的设施应保证水生植物收割换茬的工作空间，其适宜宽度为3.0m。植物载体高度与水面平齐。植物浮床下面悬挂弹性填料，填料底端距塘底为0.2m。

(5)生物生态氧化塘关键设计参数：

水力停留时间：50-87h；

兼氧塘、好氧塘和水生植物塘的适宜容积比：5∶2∶3

兼氧塘水深为3m或以上，好氧塘和水生植物塘有效深度建议分别为：2..5m和1～1.5m。

岸坡坡度：1∶1～1∶2。

生态塘的污染物去除效果见表1。

表1进出水水质监测(单位：mg/L，pH值无单位)

项目

COD

TP

TN

NH₃-N

DO

pH

BOD₅

进水水质

42～113

0.49～1.29

10.3～16.1

1.2～4.1

1.2～4.9

7.3～8.1

2.8～14.3

出水水质

32～42

0.22～0.48

4.0～6.9

0.1～0.2

1.3～3.2

7.2～7.8

2.5～4.6

一级A标准

≤50

≤0.5

≤15

≤5(8)

-

6～9

≤10

DB32标准¹

≤60

≤0.5

≤15

≤5

-

¹注：该标准为江苏省针对太湖流域的水污染控制而实施的地方标准，全称为《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值(DB32/T1072-2007)》，该标准中规定了太湖流域石油化工行业污水处理厂(工业废水＞80％)污染物排放标准。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims

1.一种阶式功能强化型生物生态氧化塘，包括四周岸坡和氧化塘，其特征在于：所述四周岸坡由生态混凝土预制球铺装而成，岸坡上种植有水生植物；所述氧化塘中设置有隔水导流的软围隔墙，所述软围隔墙将所述氧化塘依次分隔为兼氧塘、好氧塘和水生植物塘三个功能区；所述兼氧塘中设置有弹性填料，同时还设置有间歇运行的导流曝气装置；所述好氧塘中设置有强化水中有机物的去除效果的无纺布或毛毡介质，同时还设置有间隙运行的造流式曝气机；所述水生植物塘中设置有立体型生态浮床，所述生态浮床上部种植水生植物，下部悬挂弹性填料。

2.根据权利要求1所述的生物生态氧化塘，其特征在于：所述软围隔墙通过若干立式桩固定在氧化塘中从而稳定的起到隔水和导流作用；所述软围隔墙的墙体由土工布制成，墙体下部通过长沙袋与氧化塘的底部紧密结合，墙体的上部软围隔墙两侧有种植水生植物的花篮，花篮顶端高度高于水面1公分。

3.根据权利要求2所述的生物生态氧化塘，其特征在于：所述软围隔墙的墙体高出水面0.2m。

4.根据权利要求1所述的生物生态氧化塘，其特征在于：所述兼氧塘、好氧塘和水生植物塘的容积比为5∶2∶3，所述兼氧塘的水深为3m以上，所述好氧塘的水深为2.5m，所述水生植物塘的水深为1～1.5m；所述岸坡的坡度为1∶1～1∶2。

5.根据权利要求1所述的生物生态氧化塘，其特征在于：所述兼氧塘采用软围隔墙分隔为廊道，使水流成推流形式，所述弹性填料填充在廊道中；所述弹性填料设置为2.5m×1.0m的矩形单元，填充密度为0.15m³/m³，悬挂间隔为200mm，弹性填料下端距池底为0.2m，上端不高于水面，与水流方向垂直每隔4m设置一块，均匀布置。

6.根据权利要求1所述的生物生态氧化塘，其特征在于：所述好氧塘为宽度为5.0～8.0m的廊道，采用悬挂式无纺布或毛毡介质，所述无纺布或毛毡介质的密度为0.25m³/m³。

7.根据权利要求1所述的生物生态氧化塘，其特征在于：所述水生植物塘中，所述立体型生态浮床的上表面与水面平齐，下表面距塘底为0.2-0.5m。

8.根据权利要求1所述的生物生态氧化塘，其特征在于：所述水生植物塘中植物面积占水面面积的15～20％。

9.一种利用权利要求1～8中任一权利要求所述的生物生态氧化塘进行深度净化水质的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将污水导入兼氧塘中，水力停留时间为20h以上，利用导流曝气装置间歇运行，控制水中溶解氧浓度为0～0.5mg/L，形成整体推流局部循环的水力条件；

10.根据权利要求9所述的深度净化水质的方法，其特征在于：步骤(1)中，导流曝气装置采取运行10min间隔50min的运行方式。