一种强化磷去除和回收的农村分散式生活污水处理工艺及处
理系统
技术领域
[0001] 本
发明属于污水深度处理工艺技术领域，具体地说是用于农村分散式生活
污水处理的系统，涉及到利用厌
氧和好氧
微生物以及化学结晶方法除磷以及污水中其他污染物质。实现农村地区污水达标排放同时进行磷资源回收的污水处理方法。
背景技术
[0002] 经国家统计局2019年最新人口调查，我国共计有乡镇45412个，乡村户数23692.7户，乡村常住人口56401万人，占总人口的41.42％。截止到2016年底我国行政村级别污水处理率仅有20％，生活污水随意排放，严重污染了周边地区河，湖，以及
地下水，危害农民的身体健康，影响农村地区的环境卫生，容易导致
疾病发生与传播，农村水环境问题受到政府和社会各界的关注，农村生活污水问题亟待解决。
[0003] 我国农村地区村庄具有分布广，
密度小，居住分散的特点，目前国内提出了很多用于农村分散式生活污水处理的工艺方案，包括人工湿地+稳定塘污水处理技术，厌氧/好氧污水处理工艺，
厌氧消化技术，MBR技术等，但很多方案存在处理效率低，技术难度高，投资多，占地面积大等问题。因此，为了真正解决农村生活污水处理问题，需要研发一种运行维护简单，成本低廉，操作方便，出水水质好的污水处理工艺。
[0004] 农村污水处理要做到简易，好维护，而传统的强化生物除磷技术需要排泥，
污泥回流，并且要对含磷污泥进行处理，操作复杂不适用于农村污水处理。与此同时，随着
水体富营养化的加剧，污水中氮、磷等物质的去除已经成为污水处理中最重要的任务之一。磷是人类生存不可缺少的营养物质，磷矿是一种难以再生的非金属矿产资源。磷矿从陆地上开采使用，最终流入大海，长此以往，根据目前已知世界磷矿贮存量推算，几十年后磷就会被开采殆尽，因此加快研发以及实施磷回收策略迫在眉睫。近十几年来磷资源回收方面受到关注，其中
磷酸盐结晶法被广泛研究，主要结晶产物为
鸟粪石(MAP)和羟基
磷灰石(HAP)。通过这两种磷酸盐结晶可以进行污水中磷资源回收再利用，但是由于该反应需在
碱性条件下进行，无法原位回收，在实际实施过程中存在很大难度，回收难度大、成本高，因此对磷资源回收技术进行改进具有很重要的意义。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对农村生活污水分散，传统的强化生物除磷技术过于复杂，实施难度高无法推广，以及磷资源回收困难等问题，提出了一种新型农村分散式生活污水处理工艺及处理系统，可以克服处理效率低，技术难度高，投资多，占地面积大等问题，同时通过蓝
铁石结晶的方法除磷，可实现对污水中磷资源的回收，降低运行和处理成本。
[0006] 根据本发明的第一方面，提供一种强化磷去除和回收的农村分散式生活污水处理工艺，包括如下步骤：
[0007] (1)生活污水首先通过格栅过滤后进入调节池，
水力停留时间5-6h。
[0008] (2)然后进入反应池处理，污水依次通过厌氧区、缺氧区、好氧区，污水在反应池中流经长有丰富
生物膜的固定床填料，与生物膜中微生物充分
接触，通过微生物的
吸附降解作用去除污水中的污染物；通过在厌氧区加入铁源(三价铁改性的
生物炭材料)，在微生物作用下还原为二价铁，并与污水中磷酸盐结合形成蓝铁石结晶实现污水中P的去除和回收；好氧区硝化液出水经回流
泵回流至缺氧区前端进行反硝化除N。
[0009] (3)然后出水经过砂滤装置后外排。
[0010] 具体情况下，反应池采用三廊道推流式，污水由进水口下端进水，
自下而上，从厌氧区到缺氧区流经固定床填料；流过厌氧区后，由上端进入缺氧区，
自上而下，从缺氧区到好氧区流经固定床填料；流过缺氧区后，再由下端进水流入好氧区，自下而上，从好氧区到出水口流经固定床填料。
[0011] 具体情况下，固定床填料为塑料材质，形状为六
角蜂窝竖管，并横向穿孔以强化污水与附着在固定床填料表面的生物膜的充分接触。
[0012] 具体情况下，在厌氧区内，在固定床填料内下部设置三价铁改性的生物炭材料，投加量为填料体积的50％-70％。
[0013] 具体情况下，通过定期将生物炭材料取出作为
土壤改良剂，同时具有磷肥的功效，可以有效回收磷资源。
[0014] 特别地，污水从格栅到调节池，到反应池，再到砂滤装置，各个构筑物之间均采用重力自流，以降低运行成本。
[0015] 优选情况下，污水在厌氧区停留时间为2h，缺氧区停留时间为2h，好氧区停留时间为8h。
[0016] 根据本发明的第二方面，提供一种强化磷去除和回收的农村分散式生活污水处理系统，包括依次连接的格栅、调节池、反应池和砂滤装置；其中反应池依次包括进水段、厌氧段、缺氧段、好氧段和出水段，厌氧段、缺氧段、好氧段三段中都设置有固定床填料，固定床填料为六角蜂窝竖管并横向穿孔；运行时，厌氧段内，在固定床填料内下部设置三价铁改性的生物炭材料，投加量为填料体积的50％-70％；好氧段底部设置有曝气器，在好氧段末端设置回流水泵，将水回流至缺氧段的前端。
[0017] 优选情况下，反应池采用三廊道推流式设计，第一、第二、第三廊道并排设置，厌氧段和缺氧段设置在第一廊道，第二、第三廊道分别为第一好氧段和第二好氧段，进水段与厌氧段之间设置有底部可连通的隔板，厌氧段和缺氧段之间设置有顶部可连通的隔板，缺氧段与第一好氧段之间设置有底部可连通的隔板，第一好氧段与第二好氧段之间设置有末端可连通的隔板，第二好氧段与出水段之间设置有顶部可连通的隔板。通过这种优化设计，反应池结构紧凑、占地面积小；并且污水在整个反应池中的各段中均采用重力自流，而且能够实现较长的停留时间，使得污水充分地与固定床填料表面的生物膜的充分反应。
[0018] 进一步地，第一、第二、第三廊道的长度、宽度和深度均相同，第一廊道中的厌氧段和缺氧段长度相同，使得污水在厌氧段、缺氧段、好氧段三段中的停留时间比为1:1:4，通过实验验证，该设计使得污水在厌氧段、缺氧段、好氧段三个区域中达到最佳的综合处理效果。
[0019] 特别地，固定床填料的六角蜂窝竖管为中空状，六边形边长为15-30mm，壁厚为0.45～0.80mm，横向穿孔的孔径为Φ10-18mm，孔间距为15-25cm。这种设计能够大大强化污水与固定床填料表面生物膜的充分接触，提高反应效果。
[0020] 优选的，格栅选择中格栅(10-40mm)，采用人工清渣的方式进行定期清理。
[0021] 进一步的，反应池的进出水口安装网格板用以过滤较大的悬浮物和漂浮物，所述网孔小于10mm。
[0022] 进一步的，填料是微生物的载体，污水经过填料时，水中的微生物和悬浮物吸附在填料表面，在填料表面形成粘液状微
生物群落，并不断在填料的内外表面附着生长，形成生物膜。生物膜与水体中的污染物充分接触并将其分解，使水质得到
净化。生物膜是由细菌、
真菌、藻类、
原生动物和后生动物以及固体杂质等构成的
生态系统，在这个系统中细菌占主导地位。在厌氧段铁还原菌将三价铁还原为二价铁；在缺氧段反硝化菌将硝态氮转化为氮气；在好氧段各种好氧菌分解转化有机物，硝化细菌将
氨氮转化为硝态氮。
[0023] 本发明具有如下有益效果：
[0024] 1.本发明厌氧/缺氧/好氧反应池采用固定床填料，污水流经附着在填料上的微生物，在微生物作用下污染物质被吸附降解，污水得到净化，无需进行污泥处理以及污泥回流，简化了污水处理流程，运行管理方便，降低了污水处理成本。
[0025] 2.本发明向反应池厌氧区加入三价铁改性的生物炭材料，经铁还原菌作用将三价铁还原为二价铁，并与磷酸根离子结合形成蓝铁石结晶，通过定期将生物炭取出可作为
土壤改良剂。该方法不仅去除了污水中的P，同时还可以有效回收磷资源，具有重大的经济效益和环境效益。
[0026] 3.本发明的除磷方法在pH中性或近于中性的条件下进行，适用于生活污水处理，无需调节pH，克服了传统化学结晶法在碱性条件下进行的技术
缺陷，节省了化学药剂投加
费用，降低污水处理成本。
[0027] 4.本发明通过砂滤装置进行污水深度处理，进一步去除了污水中的污染物质，出水水质好。
[0028] 5.本发明工艺流程简单，处理效果好，费用低，占地面积小，适用于农村分散式生活污水处理，利于大规模推广。
附图说明
[0029] 图1为本发明处理工艺的流程示意图。
[0030] 图2为本发明主体工艺AAO反应池的俯视结构示意图。
[0031] 图3为本发明主体工艺AAO反应池的剖视展开示意图。
[0032] 图4为本发明中固定床填料结构示意图。
[0033] 图5为本发明中砂滤装置结构示意图。
[0034] 其中，附图中的标记分别代表：
[0035] 1、进水段，2、厌氧段，3、缺氧段，4、好氧段，5、出水段，6、进水口，7、出水口，8、填料，9、铁源，10、第一隔板，11、第二隔板，12、第三隔板,17、第四隔板，13、第五隔板，14、曝气器，15、回流水泵，16、
回流管路，20、第一廊道，30、第二廊道，40、第三廊道，21、砂缸，22、砂粒，23、上三通
阀，24、下三通阀，25、进水管，26、反洗管，27、出水管，41、第一好氧段，42、第二好氧段，90、中空竖管，91、横孔。
具体实施方式
[0036] 下面结合实例对本
专利做进一步详细说明。但实例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制，在不偏离本发明的范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行
修改和替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
[0037] 首先，整体介绍一下本发明的一种强化磷去除和回收的农村分散式生活污水处理系统(或处理装置)。参见图1，本发明的处理系统主要包括依次通过管道连接的格栅、调节池、反应池和砂滤装置。其中，反应池为处理系统的主体设备，主要分为厌氧区(段)、缺氧区(段)、好氧区(段)三个区(段)，通常也称作AAO反应池。
[0038] 本发明对AAO反应池的结构和内充物进行了特别设计，下面结合图2-4进行详细描述。
[0039] 首先参见图2，反应池整体采用三廊道推流式设计，第一廊道20、第二廊道30、第三廊道40并排设置，厌氧段2和缺氧段3设置在第一廊道20，第二廊道30为第一好氧段41、第三廊道40为第二好氧段42。再具体参见图3，反应池依次包括进水段1、厌氧段2、缺氧段3、好氧段4和出水段5。进水段1设置有进水口6，接收来自经调节池调节后的污水。进水段1与厌氧段2之间设置有底部可连通的第一隔板10。厌氧段2和缺氧段3之间设置有顶部可连通的第二隔板11。缺氧段3与第一好氧段41之间设置有底部可连通的第三隔板12。第一好氧段41与第二好氧段42之间设置有末端可连通的第四隔板17,也即第一好氧段41的末端与第二好氧段42的始段连通。第二好氧段43与出水段5之间设置有顶部可连通的第五隔板13。出水段5设置有出水口7，出水口7与砂滤装置连接。
[0040] 具体情况下，厌氧段2、缺氧段3、好氧段4三段中都固定设置有填料8。填料8是微生物的载体，污水经过填料8时，水中的微生物和悬浮物吸附在填料8表面，在填料8表面形成粘液状微生物群落，并不断在填料8的内外表面附着生长，形成生物膜。生物膜与水体中的污染物充分接触并将其分解，使水质得到净化。生物膜是由细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物以及固体杂质等构成的生态系统，在这个系统中细菌占主导地位。
[0041] 具体参见图4，本发明的特殊之处还在于：填料8为由多个正六角形(或正六边形)的中空竖管90排列而成，整体呈蜂窝状，每个中空竖管90横向穿孔；六边形边长为15-30mm，壁厚为0.45～0.80mm，横孔91的孔径为Φ10-18mm，孔间距为15-25cm。通过这种设计，大大强化污水与固定床填料表面生物膜的充分接触，提高反应效果。
[0042] 本发明的污水处理系统运行前，在厌氧段2内的填料8下部预先设置有铁源9，铁源9为三价铁改性的生物炭材料，投加量为填料8体积的50％-70％。用生物炭作为三价铁源的载体，利用了生物炭丰富的表面积，使得三价铁源分布均匀并具有很高的负载量；另外，在污水处理时，生物炭还可以进一步吸附污水中的污染物。
[0043] 三价铁改性的生物
碳材料其制备方式有两种，分别为：①将粒径为0.5～1mm的生物炭投加于碱液中形成
混合液，再与三价铁盐溶液混合，当有红色沉淀产生时，加水稀释，并在65～70℃下搅拌2h，然后过滤烘干。所述碱液为氢氧化钠(NaOH)或氢氧化
钾(KOH)，浓度为5mol/L；所述三价铁盐溶液为
硝酸铁(Fe(NO3)3)或氯化铁(FeCl3)，浓度为1mol/L。所述生物炭与碱液的比例为1g:30mL；所述混合液与三价铁盐溶液的体积比例为1:2。②将粒径为0.5～1mm的生物炭投加于
硫酸亚铁(FeSO4)溶液中，常温下曝气1h，然后过滤烘干。所述过程溶解氧浓度为4mg/L，固液比为1:2，硫酸亚铁溶液浓度为1mol/L。其中，①制备的铁改性生物炭粒径小，
比表面积大，成本低廉，②的制备方法简单，反应条件温和，所需时间短，成品拥有较好的吸附效果。
[0044] 优选的，格栅选择中格栅(10-40mm)，采用人工清渣的方式进行定期清理。
[0045] 进一步地，AAO反应池的进出水口安装网格板用以过滤较大的悬浮物和漂浮物，所述网孔小于10mm。
[0046] 具体地，好氧段4底部设置有曝气器14，曝气器14采用鼓
风曝气，优选为
罗茨鼓风机，曝气器14采用微孔曝气，曝气器14距池底约为0.2m。在好氧段4末端设置回流水泵15，通过回流管路16与缺氧段3的前端连接。
[0047] 进一步地，本发明供电系统优选采用
太阳能供电，太阳能供电系统分别与回流水泵、曝气设备相连接。当然，在电源方便合适的情况下，也可连接常规供电系统。
[0048] 具体参见图5，本发明的砂滤装置优选为浅层砂
过滤器，由标准高速砂缸单元组成，砂缸21中充填有砂粒22，砂粒为
石英砂，锰砂和无烟
煤等，砂粒粒径一般为0.5-1.2mm。反应池出水通过进水管25连接砂缸21的顶端，之间连接有上三通阀23。砂缸21的下端连接有下三通阀24，进水管25与下三通阀24之间连接有反洗管26，下三通阀24的另一端连接出水管27。污水经过浅层砂过滤器，可进一步去除水中污染物，截留水中的大分子固体颗粒和胶体，使水澄清。浅层砂过滤器具有过滤模式和反洗模式，可定期进行反洗操作。浅层砂过滤器的过滤模式和反洗模式的切换可以采用全自动控制，其中，上三通阀23和下三通阀24优选采用
电磁阀，砂缸21中设置有压力
传感器，
压力传感器与电磁阀连接，随着杂质在砂粒层中不断聚积,内部压头损失将不断增大。当进、出水压头损失达到设定值时,系统将自动激活电磁阀使其转换至反洗状态，无需人工操作，设备安装方便且无需维护。
[0049] 下面具体介绍利用上文描述的处理系统用于农村分散式生活污水处理工艺，包括如下步骤：
[0050] (1)生活污水首先通过格栅过滤后进入调节池，水力停留时间5-6h。
[0051] (2)然后进入反应池处理，污水依次通过厌氧区、缺氧区、好氧区，好氧区硝化液出水经回流泵回流至缺氧区前端进行反硝化除N，回流比为200％。
[0052] (3)然后出水经过砂滤装置后外排。
[0053] 其中，污水在反应池中流经长有丰富生物膜的固定床填料，与生物膜中微生物充分接触，通过微生物的吸附降解作用去除污水中的污染物；通过在厌氧区加入铁源(三价铁改性的生物炭材料)，铁还原菌将三价铁还原为二价铁，并与污水中磷酸盐结合形成蓝铁石结晶实现污水中P的去除和回收。在缺氧段反硝化菌将硝态氮转化为氮气；在好氧段各种好氧菌分解转化有机物，硝化细菌将氨氮转化为硝态氮。
[0054] 具体情况下，系统运行一段时间后，将生物炭材料取出作为
土壤改良剂，同时具有磷肥的功效，可以有效回收磷资源。
[0055] 其中，砂滤装置的过滤流量为30.6m3/h–2500m3/h，反洗时间为2-3min，反洗水量<3m3，
[0057] 在某村庄建设一小型污水处理站，用于处理该村庄居民生活污水，该村庄共有200户村民，约800人，最高日产生污水量取200m3/天，最高日小时平均污水量为8.3m3/h。调节池停留时间设为6h，调节池容量为50m3。反应池停留时间为12h，体积为100m3，池深为2m，池面积为50㎡。反应池共三廊道，设每廊道宽为1.5m，反应池总宽为4.5m，总长为12m(参见图2，左右方向为宽、上下方向为长)。污水在厌氧段停留时间2h，流经长度为6m；缺氧段停留时间2h，流经长度为6m；好氧段停留时间8h，流经长度为24m。
[0058] 进水污染物指标为：SS＝150mg/L；COD＝300mg/L；BOD5＝160mg/L；NH4+-N＝35mg/L；TN＝45mg/L；TP＝4mg/L。
[0059] 经本系统运行后，出水SS稳定低于20mg/L；出水COD稳定低于60mg/L；出水BOD5稳定低于20mg/L；出水NH4+-N稳定低于8mg/L；出水TN稳定低于20mg/L；出水TP稳定低于1mg/L。
