本發(fā)明涉及的生態(tài)碳纖維SBBR與人工濕地組合污水處理系統(tǒng)，屬于污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域，是一種可以用于小區(qū)生活污水處理以及大中型河道排污口截污凈化的試驗(yàn)裝置和方法，處理后水質(zhì)要求常溫下達(dá)到《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2002)標(biāo)準(zhǔn)。

背景技術(shù)：

中水又稱再生水、回用水，是國際公認(rèn)的城市第二水源。我國“十三五”規(guī)劃指出，要全面節(jié)約和高效利用資源，實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，實(shí)施再生水利用工程，以水定產(chǎn)、以水定城，建設(shè)節(jié)水型社會。因此，城鎮(zhèn)污水的回用對節(jié)水型社會的建設(shè)尤為重要，對于水資源充沛地區(qū)，中水回用可以節(jié)約截污納管費(fèi)用，減輕管網(wǎng)和污水處理的壓力，同時還能防止管道輸送不當(dāng)引起的河道污染等問題；而對于水資源匱乏地區(qū)，采用城鎮(zhèn)集約化污水回用技術(shù)，將再生水用于沖廁、洗車、綠化等，可以為該地區(qū)提供新的“水源”，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)我國水資源的高效利用。

對于中水回用，國內(nèi)外已經(jīng)有了很多成熟的經(jīng)驗(yàn)。北京市高碑店污水處理廠的中水回用工程可以實(shí)現(xiàn)二級污水處理廠出水再處理后大規(guī)?；赜?，每天約有9000m³的中水供廠區(qū)使用，其余部分可作為城市綠化用水。大連機(jī)車車輛廠也實(shí)施了中水回用工程，工廠綠化、沖廁及冷卻水等都用上了中水，年節(jié)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凈化污水2.7億立方米，相當(dāng)于100萬人口一年的用水量。

我國在中水回用方面與一些發(fā)達(dá)國家相比還存在不小的差距，實(shí)際的運(yùn)行情況也不容樂觀。很多以小區(qū)為單位自建的中水回用系統(tǒng)由于進(jìn)水水源不穩(wěn)定、回用規(guī)模較小，出現(xiàn)了設(shè)施得不到充分利用，中水供給不穩(wěn)定，且成本較高等問題。因此通過改進(jìn)中水回用系統(tǒng)，降低城鎮(zhèn)居民生活污水回用成本，將對中水回用工程起到極大的推動作用。

然而現(xiàn)行的生活污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(tǒng)中溶解氧的競爭，反硝化菌與聚磷菌對碳源的競爭等，這使得污水的同步脫氮除磷很難有效實(shí)現(xiàn)，從而阻礙了中水的穩(wěn)定回用。因此，隨著目前生活污水氮磷含量的不斷加重，水體排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，尋求一種針對中水回用的能夠高效脫氮除磷、運(yùn)行穩(wěn)定且節(jié)能的污水組合處理系統(tǒng)尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種小型生活污水回用裝置和方法，提出將生態(tài)碳纖維SBBR與人工濕地相結(jié)合，通過后置人工濕地的強(qiáng)化處理，使得整個系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷的同時還具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益，符合當(dāng)代可持續(xù)發(fā)展的要求。

本發(fā)明提出的“生態(tài)碳纖維SBBR與人工濕地組合處理系統(tǒng)”，其具體技術(shù)方案如下：

系統(tǒng)由生態(tài)碳纖維SBBR反應(yīng)器和垂直潛流人工濕地裝置串聯(lián)組成；生態(tài)碳纖維SBBR裝置由進(jìn)水系統(tǒng)、主反應(yīng)器、厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、排水、排泥系統(tǒng)構(gòu)成，生態(tài)碳纖維SBBR裝置主反應(yīng)器底部設(shè)有與蠕動泵連接的進(jìn)水管，以多個曝氣頭作為空氣擴(kuò)散器位于主反應(yīng)器內(nèi)部底端，優(yōu)選位于進(jìn)水管上面，使得反應(yīng)器內(nèi)曝氣均勻，鼓風(fēng)機(jī)通過氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)與曝氣頭連接；運(yùn)用循環(huán)泵進(jìn)行厭氧循環(huán)以替代原始的攪拌系統(tǒng)，即運(yùn)用循環(huán)泵將主反應(yīng)器上部和下部的連接使水能夠循環(huán)；主反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有DO測定儀，下端面設(shè)有排泥系統(tǒng)，主反應(yīng)器中部設(shè)有排水口；主反應(yīng)器固定有生態(tài)碳纖維填料，生態(tài)碳纖維填料由一系列聚丙烯塑料和碳纖維編成的環(huán)狀毛刷結(jié)構(gòu)，碳纖維突出環(huán)狀結(jié)構(gòu)成為環(huán)狀毛刷結(jié)構(gòu)的毛刷，碳纖維固定在圓環(huán)結(jié)構(gòu)上，采用硬質(zhì)鐵絲(如直徑為3mm)替代傳統(tǒng)尼龍繩將環(huán)狀毛刷結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來，環(huán)狀毛刷結(jié)構(gòu)之間具有一定的間隔(如10cm)，采用鐵絲主要目的是保證碳纖維填料之間保持相互獨(dú)立，防止在反應(yīng)器中因曝氣作用出現(xiàn)互相纏繞現(xiàn)象，不能使碳纖維束在水體中完全擴(kuò)散開，阻礙微生物在其表面充分掛膜吸附。

所述人工濕地裝置是由有機(jī)玻璃制成得圓柱形裝置，參見附圖中圖1和圖4。人工濕地裝置內(nèi)，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，天然土壤層上種有濕地植物；來自SBBR反應(yīng)器的出水經(jīng)由濕地布水管均勻進(jìn)入到濕地系統(tǒng)中，通過間歇運(yùn)行模式使得濕地床體內(nèi)部出現(xiàn)連續(xù)的好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，使硝化作用和反硝化作用可以在濕地系統(tǒng)中連續(xù)進(jìn)行。

陶粒層、礫石層、沸石層、天然土壤層的厚度比優(yōu)選150:100:150:100。

SBBR反應(yīng)器用于解決污水處理過程中負(fù)荷波動過大的問題，并在前處理中大幅度削減污染物濃度，后置人工濕地用于進(jìn)一步脫氮除磷。

所述生態(tài)碳纖維(Carbon fiber，CF)是經(jīng)丙酮改性后的PAN-ACF，纖維強(qiáng)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(tǒng)中為微生物提供較為廣闊的附著空間。

所述SBBR裝置采用序批式污水處理模式，由進(jìn)水系統(tǒng)、主反應(yīng)器、厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、排水、排泥系統(tǒng)以及自控裝置組成，污水在主反應(yīng)器內(nèi)完成反應(yīng)、沉淀、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(jìn)水系統(tǒng)包括進(jìn)水管、蠕動泵，于距裝置底部100mm處進(jìn)水；所述厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是運(yùn)用循環(huán)泵進(jìn)行厭氧循環(huán)以替代原始的攪拌系統(tǒng)，反應(yīng)中優(yōu)選厭氧循環(huán)量固定為5L·min^-1；所述曝氣系統(tǒng)是采用鼓風(fēng)曝氣，通過空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣強(qiáng)度，以多個(如3個)細(xì)沙曝氣頭作為空氣擴(kuò)散器使得反應(yīng)器內(nèi)曝氣均勻；所述排水系統(tǒng)包括蠕動泵和出水管，于距底部350mm處出水至水量調(diào)節(jié)池；所述排泥系統(tǒng)為SBBR底部半球形排泥裝置，直接將剩余污泥排出池外；所述自控設(shè)備均為電子定時器，控制各設(shè)備的啟閉。

所述人工濕地(Constructed wetlands)是通過科學(xué)的設(shè)計(jì)和改造，選用特定的基質(zhì)與植物構(gòu)建出的復(fù)雜、獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，它可利用物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對污水的處理凈化。裝置由有機(jī)玻璃制成，填料根據(jù)反應(yīng)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，濕地植物優(yōu)選用菖蒲。

組合處理系統(tǒng)運(yùn)行具體流程如下：

(1)將生態(tài)碳纖維用蒸餾水清洗后烘干；

(2)將城市污水處理廠的活性污泥作為接種污泥進(jìn)行悶曝活化；

(3)將生態(tài)碳纖維懸掛于SBR反應(yīng)器內(nèi)，并將活化后的污泥投加到反應(yīng)器中進(jìn)行系統(tǒng)生物膜的培養(yǎng)。

(4)SBBR運(yùn)行周期為8h，其中進(jìn)水10min、厭氧75min，好氧240-270min，沉淀60min，出水、空閑65-95min，DO保持在3.07～4.09mg/L之間。SBBR出水作為人工濕地進(jìn)水，人工濕地采取間歇運(yùn)行模式，停留時間約為12h，水力負(fù)荷為0.024m³/(m²·h)。

作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明所述的步驟(4)中，好氧改為為240min，出水、空閑95min。

(5)人工濕地裝置運(yùn)行，其中進(jìn)水處理12h，放空復(fù)氧12h。

常溫下(如10-35℃)，組合處理系統(tǒng)中SBBR裝置主要去除COD和氨氮，人工濕地主要去除TN和TP，其中人工濕地對TP的去除效果尤為明顯；低溫下(常溫，如10-35℃)，組合處理系統(tǒng)中SBBR裝置對COD和氨氮的降解起到主要作用，而人工濕地對COD和氨氮的降解貢獻(xiàn)率較低。

本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明所提供的組合處理系統(tǒng)兼具兩種污水處理技術(shù)的優(yōu)勢，并能夠充分發(fā)揮人工濕地的處理效能以降低SBBR系統(tǒng)的能耗，在保證出水水質(zhì)的情況下，使得組合工藝的綜合運(yùn)行費(fèi)用最低，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)生態(tài)碳纖維SBBR系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)，自控程度高，操作簡單；

(2)人工濕地運(yùn)行成本低，具有良好生態(tài)效應(yīng)，與小區(qū)綠化相得益彰，可抵消裝置用地的消極影響；

(3)前置SBBR系統(tǒng)可有效防止人工濕地堵塞并減小人工濕地的占地面積，而人工濕地又可以進(jìn)一步去除SBBR系統(tǒng)出水中的氮磷，實(shí)現(xiàn)組合處理系統(tǒng)的高效脫氮除磷。

因此，結(jié)合小區(qū)生活污水處理工程的特點(diǎn)和要求，采用本發(fā)明的生態(tài)碳纖維SBBR與人工濕地組合處理系統(tǒng)處理小區(qū)生活污水在技術(shù)上具有很高的統(tǒng)一性，這是運(yùn)用此組合工藝處理小區(qū)生活污水進(jìn)行此試驗(yàn)的前提和基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的組合處理系統(tǒng)工藝流程圖；

圖2是SBBR系統(tǒng)俯視圖；

圖3是SBBR系統(tǒng)A-A剖面圖；

圖4是人工濕地俯視圖。

圖中：1-排泥系統(tǒng)；2-蠕動泵；3-鼓風(fēng)機(jī)；4-氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5-生態(tài)碳纖維；6-生物膜；7-塑料圓環(huán)；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(huán)導(dǎo)流槽；13-出水口；14-土壤；15-濕地布水管。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作方式，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

本發(fā)明的組合處理系統(tǒng)由生態(tài)碳纖維SBBR裝置和人工濕地處理裝置組成參見附圖中圖1、圖2和圖3，所述生態(tài)碳纖維SBBR裝置由進(jìn)水系統(tǒng)、主反應(yīng)器、厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、排水、排泥系統(tǒng)以及自控裝置組成。污水經(jīng)蠕動泵2由進(jìn)水池進(jìn)入到主反應(yīng)器中，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)由蠕動泵2潷水至中間水量調(diào)節(jié)池，剩余污泥由排泥系統(tǒng)1排出。生態(tài)碳纖維5通過支架9懸掛于反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)過程中將在其上形成生物膜。在反應(yīng)過程中，厭氧階段由蠕動泵2抽出厭氧循環(huán)導(dǎo)流槽12中的污水再從反應(yīng)器底部進(jìn)入反應(yīng)器中，從而完成厭氧循環(huán)；好氧階段，采用鼓風(fēng)機(jī)3送氧，由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)4控制曝氣強(qiáng)度，反應(yīng)器內(nèi)DO含量由DO測定儀8測定；系統(tǒng)設(shè)備的啟閉均由電子定時器控制。

本發(fā)明中，最為關(guān)鍵的是生態(tài)碳纖維SBBR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式，為增強(qiáng)SBBR反應(yīng)器的脫氮除磷效果，并克服了SBBR工藝脫氮效率不高與連續(xù)流分段反應(yīng)時間固定池容限制等缺點(diǎn)，SBBR反應(yīng)器采取如下設(shè)計(jì)與運(yùn)行方式：

(1)SBBR反應(yīng)器采取底部進(jìn)水、上端潷水模式，微孔曝氣頭裝設(shè)于反應(yīng)容器底部，位于生態(tài)碳纖維填料下方，鼓風(fēng)機(jī)通過管路與裝于反應(yīng)容器內(nèi)的曝氣頭相連，整個反應(yīng)器運(yùn)行都采用自動控制；

(2)SBBR反應(yīng)器設(shè)有填料固定支架，生態(tài)碳纖維填料由一系列聚丙烯塑料圓環(huán)和碳纖維束組成，碳纖維束纏繞在圓環(huán)上達(dá)到固定目的，本發(fā)明用硬質(zhì)鐵絲(直徑為3mm)替代傳統(tǒng)尼龍繩將圓環(huán)串聯(lián)起來，圓環(huán)之間間隔10cm，采用鐵絲主要目的是保證碳纖維填料之間保持相互獨(dú)立，防止在反應(yīng)器中因曝氣作用出現(xiàn)互相纏繞現(xiàn)象，不能使碳纖維束在水體中完全擴(kuò)散開，阻礙微生物在其表面充分掛膜吸附。

(3)SBBR反應(yīng)器采用分段式進(jìn)水模式分散進(jìn)水負(fù)荷，分為進(jìn)水一反應(yīng)一沉淀一排水的序批間歇操作、厭氧內(nèi)循環(huán)一好氧曝氣交替進(jìn)行和分步進(jìn)水三個基本特征，提高了裝置的抗沖擊負(fù)荷能力和處理能力，脫氮效率高，并且處理效果穩(wěn)定。

生態(tài)碳纖維(Carbon fiber，CF)是經(jīng)丙酮改性后的PAN-ACF，由國家碳纖維工程技術(shù)研究中心與北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心聯(lián)合研發(fā)，專利號為201110425930.8，纖維強(qiáng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)后放入索氏提取器內(nèi)并用丙酮進(jìn)行10小時表面脫膠處理；

步驟二：將脫膠處理后的碳纖維用去離子水沖洗去除表面的丙酮及殘余在碳纖維表面的碳纖維膠，制得生物碳纖維；

步驟三：將步驟二所得生物碳纖維截成數(shù)段，制得束狀或圓盤狀生物碳纖維水處理填料；

步驟四：將制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(gòu)成水草狀仿生結(jié)構(gòu)，隨流動的水體飄動。

進(jìn)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(qiáng)度為3.5－4.9GPa，拉伸模量為220－240GPa。

所述人工濕地裝置是由有機(jī)玻璃制成得圓柱形裝置，參見附圖中圖1和圖4。裝置內(nèi)徑200mm，高600mm，壁厚8mm，裝置中所有填料根據(jù)反應(yīng)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(yīng)器的出水經(jīng)由濕地布水管均勻進(jìn)入到濕地系統(tǒng)中，通過間歇運(yùn)行模式使得濕地床體內(nèi)部出現(xiàn)連續(xù)的好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，使硝化作用和反硝化作用可以在濕地系統(tǒng)中同時進(jìn)行。

實(shí)施例1：

采用人工合成污水為原水，原水水質(zhì)：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污水的最佳工況條件與最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)，常溫下，當(dāng)SBBR系統(tǒng)進(jìn)水10min，厭氧75min，曝氣240min，沉淀60min，出水、閑置95min，溶解氧在3.07～4.09mg/L之間時，組合工藝能夠?qū)崿F(xiàn)能耗最低情況下的達(dá)標(biāo)出水。此模式下，SBBR系統(tǒng)對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達(dá)到94.6％、94.8％、85.4％、61.1％。人工濕地采取間歇運(yùn)行模式以進(jìn)一步脫氮除磷，其中進(jìn)水12h，放空復(fù)氧12h，穩(wěn)定后濕地對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達(dá)到39.3％、47.3％、61.5％、70.7％。此模式下整體組合工藝表現(xiàn)出了良好的脫氮除磷性能，系統(tǒng)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(dá)到96.7％、97.3％、94.4％、88.6％。

實(shí)施例2：

采用北京化工大學(xué)6號樓生活污水為原水，具體水質(zhì)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(dāng)SBBR系統(tǒng)進(jìn)水10min，厭氧75min，曝氣240min，沉淀60min，出水、閑置95min，溶解氧在3.07～4.09mg/L之間時，SBBR系統(tǒng)對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達(dá)到90.70％、87.46％、67.30％、62.86％。人工濕地采取間歇運(yùn)行模式以進(jìn)一步脫氮除磷，其中進(jìn)水12h，放空復(fù)氧12h，穩(wěn)定后濕地對COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達(dá)到58.34％、40.78％、49.33％、82.82％。此模式下整體組合工藝表現(xiàn)出了良好的脫氮除磷性能，系統(tǒng)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(dá)到96.12％、92.57％、83.43％、93.62％。

本發(fā)明通過小試研究，得到了組合工藝處理生活污水的最佳工況條件與最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)。為生態(tài)碳纖維SBBR與人工濕地組合處理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化推廣建立了標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程。

在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明的技術(shù)工作流程如下：

生活污水通過集水管道進(jìn)入初沉池，沉淀去除部分懸浮物以及有機(jī)物，以改善后續(xù)生物處理構(gòu)筑物的運(yùn)行條件，起到調(diào)節(jié)水量、穩(wěn)定水質(zhì)的作用。

初沉池中的水由水泵抽出進(jìn)入到生態(tài)碳纖維SBBR池，SBBR池的運(yùn)行周期根據(jù)人工濕地對污染物的去除效果確定。在常溫或高溫下，濕地植物生長較好，且組合系統(tǒng)微生物活性都較高，因此可以相應(yīng)縮短SBBR池曝氣的時間和強(qiáng)度以降低組合系統(tǒng)總能耗。在冬季低溫下，人工濕地處理效果下降，且組合系統(tǒng)微生物活性降低，因此需提高SBBR池曝氣的時間和強(qiáng)度，在水量不大的情況下，還可適當(dāng)延長系統(tǒng)水力停留時間以提升污水處理效果。在實(shí)際工程中，應(yīng)在充分發(fā)揮人工濕地的最大處理效果的前提下，根據(jù)不同水質(zhì)水量，反向地對SBBR池的運(yùn)行周期進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到節(jié)能目的。

本發(fā)明的組合處理系統(tǒng)在能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)中水回用的同時，還具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益，可廣泛用于農(nóng)村集中式和分散式污水處理、城市小區(qū)中水回用以及大中型河道排污口的截污凈化工程。