專利名稱：凈化雨/污水的生物－生態過濾系統及其操作方法
技術領域：
本發明屬于利用環境工程技術和生態工程技術處理雨/污水的集成技術，特別涉及一種凈化雨/污水的生物-生態過濾系統及其操作方法。
背景技術：
城市面源污染是水環境質量惡化的主要原因之一。城市的面源污染從時間上看，污染源排放具有間斷性，污染物晴天累積，雨天排放；從污染物種類上看，城市面源污染物有總懸浮物、總氮、總磷、CODcr、大腸桿菌、石油烴類、重金屬、農藥等，污染物種類、排放強度與城市的發展程度、經濟活動類型以及居民行為等因素密切相關，自然背景效應很低。在點源污染得到基本治理以后，源自城鎮或其他重污染區的暴雨徑流就變成了水體污染的主要來源。
城市面源污染排放時，大量懸浮物進入水體直接改變水體的物理生境，降低透光度，淤積水體。營養物質的過量輸入則引起受納水體富營養化，使藻類或有害植物如鳳眼蓮等瘋長，導致水體質量惡化。而致病性細菌、石油烴類、重金屬類污染物質則會毒害水生生物，降低飲用水水質資源并威脅人類健康。城市面源還會造成地下水污染，損害城市景觀，影響社會經濟的可持續發展，危害人體健康。
在面源污染中，有一類特殊的污染源，具有污染濃度高，水量小、水量穩定和常年排放。這類污染源從大尺度上看是一些離散的點，具有面源的特征，在小尺度上呈現出點源特征。由于離城市管網遠或缺少資金，這類污染源一般就近排放，嚴重的污染了水體。對這類污染源一般采用就近處理后回用或排放，可以減少管道的投資；水用于回用，還可以節省水資源。對濃度較高的小點源，一般采用環境工程設施即可。但對污染物濃度較低的小點源采用污水處理工藝處理會濃度低很難正常運行，不采用生化處理又很難去除其中的溶解性污染，如果直接采用濕地等生態方法處理又會因濃度太高而效果不好，縮短濕地壽命。
許多工程和管理措施均能夠有效地減少面源污染。美國學者(Novotny)提出，所有減少地表徑流和水土流失的措施均能夠減少面源污染。德國科學家(Bendorf)發現，在河道型水庫上修建的前置庫能夠有效地減少進入水庫的泥沙和磷氮等營養物質。新西蘭學者發現，長期用來穩定岸邊帶的河邊緩沖帶技術可以顯著減少進入水體的面源污染物負荷。美國學者(Mitsch)發現湖邊的人工和天然濕地系統能夠大量持留面源污染物。
對于面源中的小點源，在環境工程研究已經很成熟。對濃度較高的點源一般采用生化方法處理。對濃度較低的點源，一般采用物化法處理，如過濾、混凝、加藥氣浮法等，與生物膜生化處理連用，可以提高處理效果。
濕地能夠大量持留面源污染物，但是地占地面積大，單位面積處理能力低。
過濾具有對水體中的懸浮物去除效果好，設備體積小、動力設施簡單，運行管理方便，處理出水對水體中的動植物影響小等特點，在景觀水體處理中常被采用。但是常規過濾方法對水體中的溶解性污染物基本沒有去除效果，溶解性污染物會在水體中累積。曝氣生物濾池系統是利用生物膜法處理水中的污染物，對溶解性和非溶解性污染物均有良好去除效果，但是需要曝氣設備，能耗大，運行管理復雜和噪聲大。而地表水體污染物濃度很低，微生物不易生長，使得曝氣生物濾池運行困難。
發明內容
本發明的目的之一在于提供一種凈化雨/污水的生物-生態過濾系統，為雨/污水處理提供一條高效低耗、資源化的途徑。
本發明的另一目的在于提供一種凈化雨/污水的生物-生態過濾系統的操作方法。
本發明的環境友好型雨/污水凈化回用技術中的生態濾池利用前置沉淀池收集儲存點源附近的雨水，減少濕地單位時間處理量，可以將少濕地的面積，同時可以去除了水中的大部分污染物，延長濕地的使用年限。利用多級濕地串聯，可以提高和保證濕地的去除效率。
本發明的環境友好型雨/污水凈化回用技術中的生物濾池是利用一般過濾系統，對進水方式和濾料進行改進，具有曝氣生物濾池的特點，能去除水體中的溶解性污染物。
本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統是由環境工程單元生物濾池和生態工程單元生態濾池組合而成，其特征在于一沉淀池I通過管路與生態濾池IV相連通；一沉淀池II通過管路與生物濾池III相連通，生物濾池III通過管路與生態濾池IV相連通；生態濾池IV通過管路與清水池V相連通。
濃度較低的小點源污水和點源附近雨水均設置前置沉淀池收集；利用生物濾池的過濾和濾料上形成的生物膜處理低濃度小點源污水，可有效地降解有機污染物，同時去除氨氮、總懸浮固體；利用生態濾池的過濾和植物的生長吸收進一步凈化生物濾池出水；暴雨徑流中的污染物直接利用生態濾池處理；處理水回用或用于澆灌。生物濾池和生態濾池常年運行處理污水，雨天多余暴雨徑流收集后逐步處理。
本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統的工藝流程是污水首先進入沉淀池II沉淀去除部分懸浮顆粒污染物后，進入生物濾池III，在生物濾池中經過濾和生物降解后進入生態濾池IV；經生態濾池的進一步過濾和植物的吸收降解；暴雨徑流首先進入沉淀池I收集，在沉淀池沉淀后緩慢泵入生態濾池IV處理；處理后的污水或暴雨徑流儲存在清水池V中。
本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統中的生物濾池III主要由濾料、布水區、三角堰、濾板、短柄濾頭、進水管、反沖洗管、清水收集管、頂蓋、反沖洗泵、污水泵等單元組成。
一濾板將生物濾池III分為上填料區、下布水區兩個區；濾板為穿孔板(帶有小孔)，在濾板的小孔處安裝有短柄濾頭；在濾板下方的布水區安裝有清水收集管、反沖洗管；在濾板上方裝的填料區裝填有濾料，在濾料的上方一三角堰安裝在生物濾池III的側壁上，一進水管安裝在三角堰的上方。
所述的生物濾池III的頂部有頂蓋，在頂蓋上設有觀察通風孔。
所述生物濾池III的進水管與污水泵相連，污水泵安裝在沉淀池II中，反沖洗管與反沖洗泵相連，反沖洗泵安裝在清水池V中；清水收集管的另一端與生態濾池IV上的污水管相連通。
所述生物濾池內濾料為陶粒濾料，進水管出水跌水；生物濾池III可以根據需要設置成一個或一個以上的并聯。
本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統中的生態濾池IV主要由沉淀池、濕地、污水管、雨水進水管、濕地進水或出水管道、基質、水生植物、雨水泵、水泥隔板等構成。
在生態濾池IV中由水泥隔板將生態濾池IV分隔為濕地一、濕地二、濕地三及沉淀池，在沉淀池外側的邊壁上安裝有污水管、雨水進水管，雨水進水管與沉淀池I中的雨水泵連接；在生態濾池IV的另一側壁上安裝有與清水池V相連通的管道。
所述的濕地一、濕地二、濕地三串聯運行，濕地的基質自下而上由壤土、泥碳、蛭石、粗砂、鋼渣、卵石和土工布按一定順序填埋而成，在基質上栽種有水生植物，濕地一、濕地二、濕地三間有一定高度差，自與沉淀池相鄰的濕地一向濕地三逐漸降低；所述的污水管、雨水進水管，其高度比濕地一頂部的基質略高。濕地進、出水管按高、低排列。
所述的水泥隔板上安裝有通水的管道，為沉淀池的一側壁的隔板上的管道在濕地的基質上部，濕地一、濕地二之間隔板上的管道在濕地的基質底部，濕地二、濕地三之間隔板上的管道在濕地的基質上部，為生態濾池IV一側壁的隔板上的管道在濕地的基質底部。
本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統的操作方法如下小點源污水和點源附近雨水分別為沉淀池I、II收集；利用生物濾池III的過濾和濾料上形成的生物膜處理濃度較低小點源污水中的有機污染物，同時去除氨氮、總懸浮固體；利用生態濾池IV的過濾和植物的生長吸收進一步凈化處理生物濾池出水；暴雨徑流中的污染物直接利用生態濾池IV處理；處理后的水由清水池V收集回用或用于澆灌。生物濾池III和生態濾池IV常年運行處理污水，雨天多余暴雨徑流經沉淀池I收集后逐步處理。
本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統的具體操作方法可參見圖1～3小點源污水經沉淀池II收集沉降后經過污水泵11提升，由進水管6跌入生物濾池III中，經濾料區1處理后由短柄濾頭5進入布水區2，經過清水收集管8收集后由生態濾池的污水管16進入生態濾池的沉淀池12，通過進水管18進入濕地一13，經過過濾和吸收后由底部管道19進入濕地二14中，從濕地二14上部管道20收集后進入濕地三15中，經過濕地三15過濾和吸收處理后經過底部出水管21收集排入清水池V中儲存。生物濾池III運行一段時間后進行反沖洗，反沖洗時先關掉清水收集管8和污水泵11；然后打開反沖洗泵10，反沖洗水經過反沖洗管7進入布水區2，在布水區2整流后經由短柄濾頭5進入濾料區沖洗濾料；反沖洗水經三角堰3收集后排到沉淀池II中。
暴雨徑流經過沉淀池I收集沉淀，由雨水泵24提升經過雨水進水管17進入生態濾池的沉淀池12中，經過進一步沉淀后，經由進水管18進入濕地一13中，經過過濾和吸收后由底部管道19進入濕地二14中，從濕地二14上部管道20收集后進入濕地三15中，經過濕地三15過濾和吸收處理后經過底部出水管21收集后排入清水池V中儲存。
本發明將生物濾池與生態濾池結合集成為雨/污水凈化回用技術，利用生物濾池的過濾和濾料上形成的生物膜處理污水中的有機污染物，同時去除氨氮、總懸浮固體；利用生態濾池的過濾和植物的生長吸收進一步凈化生物濾池出水；暴雨徑流中的污染物直接利用生態濾池處理；將處理后的雨/污水用于回用或澆灌。這不僅可以降低面源污染，還可以節省水資源；同時設計時考慮城市景觀效應，使該系統在與周邊環境相適應，是一項具有發展前途的技術。
本發明的凈化雨/污水雨/污水的生物-生態過濾系統具有如下優點1、將環境工程和生態工程結合，利用生物濾池作為離散型小點源污水處理的主體，利用生態濾池處理暴雨徑流和進一步處理生物濾池的出水。該集成技術具有處理效果好、能耗低、操作方便等優點。
2、處理后的污水和雨水可回用或用于澆灌，節省了水資源。
3、利用前置沉淀池收集雨水和污水，降低了生態工程的處理壓力，節省了工程投資。
4、生物濾池采用進水跌水和陶粒濾料等措施，使生物濾池具有同時去除不溶性污染物和溶解性污染物的功能，該生物濾池不需要曝氣系統，具有能耗低、噪音小等優點；設計時，采用多個小濾池并聯的方式，減少了生物濾池反沖洗的瞬時用水量，降低了生物濾池對配套設施的要求。
下面結合附圖及實施例對本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統及其操作方法作進一步的說明。
圖1.本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統的示意圖。
圖2.本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統的生物濾池的示意圖。
圖3.本發明的凈化雨/污水的生物-生態過濾系統中的生態濾池的示意圖。
附圖標記I.沉淀池 II.沉淀池 III.生物濾池IV.生態濾池 V.清水池1.濾料 2.布水區3.三角堰4.濾板 5.短柄濾頭 6.進水管7.反沖洗管 8.清水收集管9.頂蓋10.反沖洗泵 11.污水泵 12.沉淀池13.濕地 14.濕地 15.濕地16.污水管17.雨水進水管18、19、20、21.濕地進水和出水管 22.填料23.水生植物 24.雨水泵 25.隔板具體實施方式
實施例1請參見圖1。本發明的系統是由環境工程單元生物濾池和生態工程單元生態濾池組合而成。
一沉淀池I通過管路與生態濾池IV相連通；一沉淀池II通過管路與生物濾池III相連通，生物濾池III通過管路與生態濾池IV相連通；生態濾池IV通過管路與清水池V相連通。
生物濾池III如圖2所示，所述生物濾池內濾料為陶粒濾料；生態濾池IV如圖3所示，隔板為水泥隔板。
用本發明的系統對武漢動物園大象館的污水進行處理。
武漢動物園大象館是該動物園重要的景觀之一。該館飼養了大象2只，飼料為青草。大象館每天上午8～9點清洗飼料房間。清洗時先清掃糞便，轉移到轉運站，由垃圾車拉走，然后用自來水沖洗地面，沖洗水直接外排入馬倉湖；動物飲用水槽整天補充，多余的水溢流后與沖洗水一條管道排出，沖洗水和動物飲用水溢流水水量共約5噸/天。
大象館旁邊是一片坡地，坡地與屋頂的暴雨徑流匯集后排入馬倉湖。
污水主要是大象館場館沖洗水。沖洗前期污染濃度高，TSS1000～1367mg/L，CODcr728～100mg/L，TN42.1～60mg/L，TP8～13mg/L。在沉淀池與自來水混合稀釋后，污染物濃度降低，進入生物濾池的水質如下TSS60～100mg/L，CODcr40～70mg/L，TN8～12mg/L，TP0.5～1.0mg/L暴雨徑流的主要污染物是懸浮顆粒，利用沉淀池沉降后進入生態濾池的水質如下TSS50～90mg/L，CODcr120～200mg/L，TN10～18mg/L，TP0.2～0.8mg/L針對大象館的水質狀況，采用了本發明的環境友好型雨/污水凈化回用技術對大象館的雨/污水進行處理。生物濾池和生態濾池常年運行，其中生態濾池還處理暴雨徑流。
考慮動物園的景觀情況，在設計時將生態濾池設計為半園形，生物濾池周圍種植竹林，同時對坡地進行整理，種植喜陰植物。處理后的雨/污水用于澆灌或排入附近的干塘。
結果表明前置沉淀池，不僅可以收集雨/污水，還具有預處理及均勻水質的作用。
比較生物濾池進出水系統運行穩定后經處理后總氮去除率為50～60％，總磷的去除率為16～25％，CODCr去除率為60～70％。TSS去除率為80～95％。生物濾池的出水經過生態濾池的進一步處理，比較生態濾池的污水進出水，總氮去除率為50～60％，總磷的去除率為50～60％，由于CODCr和TSS濃度很低，去除率不高，在20％左右。
比較生態濾池雨水的進出水總氮去除率為50～60％，總磷的去除率為25～40％，CODCr去除率為60～70％，TSS去除率80～90％。
經過生態濾池和生態濾池的處理，雨污水的出水水質為CODCr維持在20mg/L以下，TN維持在5mg/L以下，TP維持在0.2mg/L以下，TSS維持在10mg/L以下。
對本研究的環境友好型雨/污水凈化回用技術的工程應用研究表明該系統具有處理效果顯著、能耗低、環境友好等特點。
權利要求
1.一種凈化雨/污水的生物-生態過濾系統，是由環境工程單元生物濾池和生態工程單元生態濾池組合而成，其特征在于一沉淀池I通過管路與生態濾池IV相連通；一沉淀池II通過管路與生物濾池III相連通，生物濾池III通過管路與生態濾池IV相連通；生態濾池IV通過管路與清水池V相連通。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征是所述的生物濾池III是一個或一個以上的并聯。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征是所述的生物濾池III主要由濾料、布水區、三角堰、濾板、短柄濾頭、進水管、反沖洗管、清水收集管單元構成；一濾板將生物濾池III分為上填料區、下布水區兩個區；濾板為穿孔板，在濾板的通孔處安裝有短柄濾頭；在濾板下方的布水區安裝有清水收集管、反沖洗管；在濾板上方裝的填料區裝填有濾料，在濾料的上方一三角堰安裝在生物濾池III的側壁上，一進水管安裝在三角堰的上方。
4.根據權利要求3的系統，其特征是所述的生物濾池III的進水管與污水泵相連，污水泵安裝在沉淀池II中，反沖洗管與反沖洗泵相連，反沖洗泵安裝在清水池V中；清水收集管的另一端與生態濾池IV上的污水管相連通。
5.根據權利要求1或2所述的系統，其特征是所述的生物濾池III的頂部有頂蓋，在頂蓋上設有觀察通風孔。
6.根據權利要求3所述的系統，其特征是所述的生物濾池III的頂部有頂蓋，在頂蓋上設有觀察通風孔。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征是所述的生態濾池IV主要由沉淀池、濕地、污水管、雨水進水管、濕地進水或出水管道、基質、水生植物、雨水泵、隔板構成；在生態濾池IV中由隔板將生態濾池IV分隔為濕地一、濕地二、濕地三及沉淀池；在沉淀池外側的邊壁上安裝有污水管、雨水進水管，雨水進水管與雨水泵連接；在生態濾池IV的另一側壁上安裝有與清水池V相連通的管道；所述的濕地一、濕地二、濕地三串聯運行，濕地的基質自下而上由壤土、泥碳、蛭石、粗砂、鋼渣、卵石和土工布按順序填埋而成，在基質上栽種有水生植物；自與沉淀池相鄰的濕地一向濕地三逐漸降低；所述的污水管、雨水進水管，其高度比濕地頂部的基質高；所述的隔板上安裝有通水的管道，為沉淀池的一側壁的隔板上的管道在濕地的基質上部，濕地一、濕地二之間隔板上的管道在濕地的基質底部，濕地二、濕地三之間隔板上的管道在濕地的基質上部，為生態濾池IV一側壁的隔板上的管道在濕地的基質底部。
8.根據權利要求7所述的系統，其特征是所述的雨水進水管與沉淀池I中的雨水泵連接；在生態濾池IV的另一側壁上安裝的管道與清水池V相連通。
9.一種根據權利要求1～8任一項所述的系統的操作方法，其特征是小點源污水和點源附近雨水分別為沉淀池I、II收集；利用生物濾池III的過濾和濾料上形成的生物膜處理濃度較低小點源污水中的有機污染物，同時去除氨氮、總懸浮固體；利用生態濾池IV的過濾和植物的生長吸收進一步去除生物濾池出水；暴雨徑流中的污染物直接利用生態濾池IV處理；處理后的水由清水池V收集。
全文摘要
本發明屬于利用環境工程技術和生態工程技術處理雨/污水的集成技術，特別涉及一種凈化雨/污水的生物－生態過濾系統及其操作方法。該系統由環境工程單元生物濾池和生態工程單元的生態濾池組合而成。生物濾池可去除污水中的有機污染物、氨氮、總懸浮固體等，且不需要曝氣設備；生態濾池可采用多級串聯，提高了生態濾池的處理效果，前置沉淀池的設置可以減小生態濾池的負荷，利用生態濾池的過濾和植物的生長吸收可進一步凈化生物濾池出水；暴雨徑流中的污染物可直接利用生態濾池處理。本發明具有處理效果顯著、運行成本低、環境友好、節省水資源等特點，處理后的雨/污水可回用或澆灌。
文檔編號C02F3/32GK1927737SQ20051009587
公開日2007年3月14日 申請日期2005年9月6日 優先權日2005年9月6日
發明者單保慶, 劉俊新, 郭雪松, 魏源送, 趙建偉 申請人:中國科學院生態環境研究中心