技术领域
[0001] 本
发明涉及一种跌水板组件及跌水充氧接触氧化生态沟渠。
背景技术
[0002] 第一次全国污染源普查(2010)结果显示，农业污染源是水环境主要污染源。其中COD、TN、TP年
排放量分别为1324.09万t、270.46万t、28.47万t，分别占总排放量43％、57％、67％。近年来，随着一系列村镇水污染治理方案的制定与实施，村镇水环境治理取得了一定的成效，但存在村镇处理工程虚置、处理效果恶化等问题，村镇水环境治理工作仍待进一步完成。
[0003] 目前，活性
污泥法、
生物膜法等是城市污水治理中的常用工艺，但不能简单的在村镇地区按比例缩小投入设计使用，因为传统城市污
水处理工艺投资运行成本远超村镇财政经济承受范围。针对我国村镇污水特点、经济条件及居民分布特点，村镇
污水处理技术应做到：①因地制宜，综合考虑当地经济、地势等条件。②基建
费用低、运行管理费用低，保证处理设施真正投入使用。③运行管理简单。各国村镇污水处理主导工艺不尽相同，国外处理技术不一定完全适合国内经济环境特点，不能一味的推广使用，适合我国国情的水处理技术还有待进一步研究。
发明内容
[0004] 本发明解决了
现有技术的不足而提供一种处理效果好、投资运行费用省、能耗低、操作运行容易的跌水板组件及跌水充氧接触氧化生态沟渠。
[0005] 一种跌水板组件，包括设置在出水口用于导流的导流板，所述导流板的两侧设有与导流板密封连接的挡边，所述导流板和挡边构成一个导流区；
[0006] 所述导流板上固定有与水流方向设有一夹
角的
挡板，所述挡板的两端与分别导流板两侧的挡边连接，所述挡板的高度低于挡边的高度，所述导流板上沿水流方向布设有多个挡板，从而将导流区分割为多个流动区域，所述挡板上沿挡板的延伸的方向上设有多个通孔，相邻所述流动区域通过所述通孔连通。本装置在导流板的挡板上布设通孔，由于充氧能
力与氧转移速度相关，氧的转移速度取决于气相中氧分压梯度、液相中氧的浓度梯度、气液两相之间的接触面积和接触时间、水温、污水的性质以及水流的紊流程度，挡板上布设的通孔增加了水与空气的接触面积和接触时间及增加水流紊流程度，从而增加了充氧量。
[0007] 进一步的，所述导流板上在靠近出水口的
位置设有至少一排落水孔，落水孔的设置保证出水的均匀，防止短流。
[0008] 进一步的，所述通孔的直径为2.5mm-10mm。优选5mm直径的通孔。
[0009] 进一步的，所述导流板与水平面的夹角α为0°≤α≤30°。
[0010] 进一步的，所述挡板与水流方向垂直布设。
[0011] 一种运用上述跌水板组件的跌水充氧接触氧化生态沟渠，包括从进水到出水依次布设缺氧渠、好氧渠和生物沉淀渠，所述缺氧渠的出水口和好氧渠的出水口上均设有跌水板组件，所述缺氧渠的出水通过跌水板组件进入到好氧渠，所述好氧渠的出水通过跌水板组件进入到生物沉淀渠。
[0012] 进一步的，所述缺氧渠内设有和好氧渠的底部铺设有曝气管，缺氧渠和好氧渠在出水口水面下均悬挂铺设有软性填料
碳素
纤维草，所述生物沉淀渠在出水口水面下种植绿狐尾草，所述缺氧渠、好氧渠和生物沉淀渠底部设有基质层。
[0013] 作为本装置的一种实施方式，所述生物沉淀渠设有回流装置与缺氧渠的进水连接。本例中，回流比采用50％。
[0014] 作为本装置的另一种实施方式，所述好氧渠设有回流装置与缺氧渠的进水连接。本例中，回流比采用50％。
[0015] 进一步的，所述曝气管为微孔纳米曝气管，微孔纳米曝气管的气孔细密、每米出气量较大、溶解氧率高、不易堵塞等特点，普遍适用于各种黑臭
水体增氧曝气。
[0016] 进一步的，所述软性填料碳素纤维草的铺设
密度为1.5-2g/L，所述绿狐尾草的种植密度为222-300株/m2，生物沉淀渠种植绿狐尾草的单株平均高度为 40-50cm，优选软性填料碳素纤维草的铺设密度为1.5g/L，所述绿狐尾草的种植密度为222株/m2，生物沉淀渠种植绿狐尾草的单株平均高度为40cm。
[0017] 进一步的，所述缺氧渠和好氧渠底部的基质层包括50mm厚的鹅卵石层和 200mm厚的碎石层，所述生物沉淀渠底部的基质层包括50mm厚的鹅卵石层、150mm 厚的碎石层和200mm厚的红壤层。
[0018] 综上所述，本发明针对我国村镇的实际地形
地貌情况及村镇污水的特点，采用跌水充氧接触氧化生态沟渠处理工艺，通过自主设计的跌水板组件，提高处理系统充氧效能，拟达到研发处理效果好、投资运行费用省、能耗低、操作运行容易的目的。本装置强化村镇污水处理效率，保障污水处理出水水质和村镇自然环境，对村镇环境综合
整治、我国生态文明建设有重要意义。
附图说明
[0019] 图1为本发明跌水充氧接触氧化生态沟渠的结构示意图。
[0020] 图2为本发明跌水板组件的正视图。
[0021] 图3为本发明跌水板组件的俯视图。
[0022] 图4为本发明跌水高度与KLas关系图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明：
[0024] 如图1至3所示，一种跌水板组件，包括设置在出水口用于导流的导流板 61，所述导流板61的两侧设有与导流板密封连接的挡边65，所述导流板61和挡边65构成一个导流区；
[0025] 所述导流板61上固定有与水流方向设有一夹角的挡板62，所述挡板62的两端与分别导流板61两侧的挡边65连接，所述挡板62的高度低于挡边65的高度，所述导流板61上沿水流方向布设有多个挡板62，从而将导流区分割为多个流动区域，所述挡板62上沿挡板62的延伸的方向上设有多个通孔63，相邻所述流动区域通过所述通孔63连通。所述导流板61上在靠近出水口的位置设有至少一排落水孔64，所述挡板62与水流方向垂直布设。
[0026] 一种运用上述跌水板组件6的跌水充氧接触氧化生态沟渠，包括从进水到出水依次布设缺氧渠3、好氧渠8和生物沉淀渠10，所述缺氧渠3的出水口和好氧渠8的出水口上均设有跌水板组件6，所述缺氧渠3的进水1与配水渠2连接，所述缺氧渠3的出水通过跌水板组件6进入到好氧渠8，所述缺氧渠3的出水口通过三角溢流堰4与跌水板组件6的进口连接，所述好氧渠8的出水通过跌水板组件6进入到生物沉淀渠10，所述缺氧渠3内设有和好氧渠8的底部铺设有微孔纳米曝气管，缺氧渠3和好氧渠8在出水口水面下均悬挂铺设有软性填料碳素纤维草7，所述软性填料碳素纤维草7的铺设密度为1.5-2g/L，所述生物沉淀渠10在出水口14水面下种植绿狐尾草9，所述绿狐尾草9的种植密度为222-300株/m2，生物沉淀渠10种植绿狐尾草9的单株平均高度为40-50cm，所述缺氧渠3、好氧渠8和生物沉淀渠10底部设有基质层，所述缺氧渠和好氧渠底部的基质层包括50mm厚的鹅卵石层和200mm厚的碎石层，所述生物沉淀渠底部的基质层包括50mm厚的鹅卵石层11、150mm厚的碎石层12和200mm厚的红壤层13。
[0027] 作为本装置的一种实施方式，所述生物沉淀渠设有回流装置5与缺氧渠的进水连接。本例中，回流比采用50％。
[0028] 作为本装置的另一种实施方式，所述好氧渠设有回流装置与缺氧渠的进水连接。本例中，回流比采用50％。
[0030] 本例中，设置跌水流量为250mL/min，跌水深度h＝20cm，跌水板穿孔条孔径D＝5mm，跌水板组件中导流板11的倾角α＝0°。分别在有跌水板和无跌水板条件下，通过清水性能试验得到不同跌水高度H＝32cm、40cm、50cm、60 cm、70cm、80cm时的标准氧总转移系数KLas。
[0031] 空气中的氧从气相传递到液相属于物质扩散过程，根据菲克(Fick)定律，物质在界面两侧的浓度差推动物质分子从浓度较高一侧向较低一侧转移扩散，即物质扩散速率与浓度梯度呈正比。基于Lewis和Whitman建立的“双膜理论”，充氧过程为气-液传质过程，氧由气相向液相转移。根据液相中的耗氧情况，充氧过程中的氧传递分为两种情况：
[0032] (1)在一定环境条件下(
温度、气压等)，液相中存在耗氧，
耗氧速率用R 表示，则氧传递过程用微分方程表示为：
[0033]
[0034] 式中：
[0035] KLa：测试条件下的氧总转移系数，1/min；
[0036] CS：测试条件下水中饱和溶解氧浓度，mg/L；
[0037] C：t时间对应的水中溶解氧浓度，mg/L；
[0038] R：耗氧速率，(kg/m3﹒hr)
[0039] t：充氧时间，min。
[0040] 当氧的消耗量等于氧传递量，即 属于液相存在耗氧情况的稳定状态。
[0041] (1)液相中不存在耗氧，即耗氧速率R＝0
[0042] 随充氧量增加，液相中氧浓度逐渐接近或达到饱和浓度。氧传递过程用微分方程表示为：
[0043]
[0045] ㏑(CS-C)＝㏑C-KLa (2.3)
[0046] 清水充氧过程属于第二种情况，实际情况还需对温度影响进行校正校正公式为。
[0047] KLas＝KLa×θ20T (2.4)
[0048] 清水充氧性能试验以实测㏑(CS-C)为纵坐标，时间t为横坐标，以回归法求得的公式(2.2)中斜率即为-KLa。将KLa带入公式(3.4)即可求得标准状态下的氧总转移系数KLas。KLas越大，氧的传递速度越快，本研究以标准氧总转移系数 KLas(20℃)表示充氧能力。
[0049] 试验得表1-1、图4分别为有跌水板组件和无跌水板组件条件下的标准氧总转移系数KLas随跌水高度变化关系。
[0050] 由图4、表1-1可得，有跌水板组件和无跌水板组件条件下，标准氧总转移系数KLas均随跌水高度升高而增加，达到最高点后，随跌水高度升高而降低。 Hideo Nakasone试验结论与本试验相同，其研究结果为在跌水高度40cm＜H≤ 100cm范围内，当跌水高度H＝60cm时，标准氧总转移系数KLas存在极大值。这是因为，一方面，跌水高度越高，跌水时间就越长，即空气中的氧与水接触的时间就越长，水体中溶解的氧越多；另外，跌水高度越高，跌落水体对承接水体冲击力越大，能转移更多的氧到受纳水体。由公式(2.2)可知，充氧速率与水体中亏氧量呈正比，承接水体中亏氧量减小，水体充氧速率减小，所以，随着跌水高度继续增加，水体中亏氧量迅速减小，充氧速率相应降低。另外，也有学者研究结果显示，当跌水高度H＝80cm时，标准氧总转移系数KLas又随跌水高度增加而增加，这是因为随着高度增加，跌水形态由初始的水幕出现汇集，呈柱状跌落，从而影响了充氧效率。本研究跌水流量小，跌水未出现汇集，而跌水流量对跌水板组件组件充氧效果的影响有待进一步研究。
[0051] 表1-1跌水高度与KLas关系表
[0052]
[0053] 由表1-1、图4可得，当跌水高度32cm＜H≤80cm时，有跌水板组件组件试验组标准氧总转移系数KLas均高于无跌水板组件组件试验组，说明跌水板组件组件有效强化跌水能力。分析原因为，一方面跌水板组件组件能滞留水体从而增加水体
停留时间，更有利于水体富氧；另一方面，跌水板组件组件增加了水体与空气的接触面积。
[0054] 另外，跌水高度越高，跌水板组件组件试验组标准氧总转移系数KLas与无跌水板组件组件试验组标准氧总转移系数KLas差值越小。分析原因为跌水高度超过一定值时，跌水板组件组件复氧能力无明显变化，即跌水高度越高跌水板组件组件对跌水系统充氧贡献率越小。跌水板组件组件更适合跌水高度低的条件，而较低的跌水高度在一定程度上减少了
水头的浪费，从而降低了建设成本。
[0055] 综上所述，本例中，采用本装置处理后的污水中的目标污染物COD、BOD5、 NH4+-N、TN、TP出水浓度分别为43mg/L、20mg/L、0.01mg/L、14mg/L、 0.7mg/L，去除率分别为80％、92％、99％、50％、79％。COD、BOD5、NH4+-N、 TN出水浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A 处理标准，TP出水浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002 一级B处理标准。
[0056] 跌水板组件充氧量对总需氧量贡献值大。参照A2O工艺计算跌水充氧接触氧化生态沟渠系统总供氧量，以总设计供氧量与实际机械充氧量差值估算处理系统跌水充氧量，计算得跌水充氧供氧量为123L/h，对系统总需氧量贡献率为 47％。
[0057] 本装置中还可以设置回流，强化处理系统TN的去除效果，
[0058] (一)、作为本装置的一种实施方式，所述生物沉淀渠设有回流装置与缺氧渠的进水连接。本例中，回流比采用50％。出水TN浓度及去除率分别为6mg/L、 67％。
[0059] (二)、作为本装置的另一种实施方式，所述好氧渠设有回流装置与缺氧渠的进水连接。本例中，回流比采用50％。出水TN浓度及去除率分别为9mg/L、 51％。
[0060] 出水TN均满足一级A排放标准。
[0061] (三)、而无回流设置的跌水充氧接触氧化生态沟渠处理系统出水TN浓度及去除率分别为14mg/L、50％。
[0062] 运行工况出水去除率大小关系为：(一)＞(二)＞(三)。
[0063] 上述为本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附
权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。
