CN116534983B

CN116534983B - 一种高效处理农村灰水的生态耦合系统及其应用

Info

Publication number: CN116534983B
Application number: CN202310487931.8A
Authority: CN
Inventors: 孔令涛; 朱志伟; 李亚惠
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2023-04-28
Filing date: 2023-04-28
Publication date: 2023-12-01
Anticipated expiration: 2043-04-28
Also published as: CN116534983A

Abstract

本发明属于生活污水治理技术领域，具体涉及一种高效处理农村灰水的生态耦合系统及其应用。包括下行垂直潜流湿地主体和设置在湿地主体出水口的砂滤装置，湿地主体在竖直方向设置填料层、砾石层和承托层，填料层内部还设置有阴极层，砾石层和承托层之间设置有阳极层，阴极层和阳极层通过电路连接，构成耦合系统内的微生物燃料电池组；砂滤装置在竖直方向设置用于过滤处理水体的活性砂滤层和砾石承托层，底部设置耦合系统出水口。本发明提供的生态耦合系统能够对以有机物为主要污染物的生活灰水进行处理，处理后水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918‑2002)一级A标准，解决农村生活灰水的净化与排放问题。

Description

一种高效处理农村灰水的生态耦合系统及其应用

技术领域

本发明属于生活污水治理技术领域，具体涉及一种高效处理农村灰水的生态耦合系统及其应用。

背景技术

农村生活污水主要包括厕所污水(黑水)、洗澡水、洗衣水、洗面盆水及厨房污水等，其主要产生于村民的生活过程，因此，污水的污染物主要是有机质、氮、磷等，基本不含有毒有害污染物。

根据农村生活污水的产生来源，可将其分为黑水和灰水。从下表1中可以看出，生活污水中的黑水、灰水水量分别占生活污水总量的20％、80％；黑水中的氮素、磷素约占生活污水的90％，灰水仅占10％；在有机质方面(以COD计)，黑水与灰水基本上各占50％。生活黑水的污染物浓度高，但污水量小，在一天内具有排放时段均散、排放次数与排放量稳定的特点，成年人每人每天如厕4-6次。生活灰水的污染物浓度低，但水量大，在一天内具有排放时段集中、排放次数与排放量波动的特点，排放时段多集中在早上与晚上，约为一天生活灰水排放总量的90％。另外，相比于生活黑水，灰水的日排放量与季节存在关联。一般而言，由于村民洗衣、洗浴等环节用水量的变化，夏季灰水日排放量高于冬季的日排放量。

表1新鲜生活黑水与灰水的水质水量特征

近年来，农村用户卫生厕所建设和改造使得我国大部分以旱厕为主的农村地区对粪污进行了单独有效的处置，但除却厕所粪污之外的其他生活灰水如何解决，仍然是这部分农村地区人居环境整治顺利推进的关键问题。

农村生活污水处理技术多种多样，目前净化槽、A²O-MBR等一体化处理设备是我国农村污水处理的主要技术，但是这些一体化设备的主要处理对象是黑水与灰水完全混合的农村污水。根据农村生活灰水的特征，若是利用这些设施处理源分离后的生活灰水，不仅建设、运维成本高，而且还会造成能源浪费等。

目前，国外对于生活灰水的处理技术，多数是采用动力或者微动力的一体化组合技术如RBC、UASB对灰水进行处理，这些技术多数是适用于俱乐部、学校等特定场合的。

国内关于生活灰水处理的技术，研究则相对较少。专利CN214693789U公开了一种用于农村灰水处理的多孔复合填料装置，灰水被蚯蚓滤池过滤后流进第一箱体内，灰水中残留的油脂会堆积在水面，除油后流入第二箱体内经过水草和多孔复合填料内微生物的净化，但该装置配有气泵，增加动力消耗，同时也加大了后期的运维难度，装置内部设置吸油毡，需要经常更换，同样加大了后期运维的难度。专利CN114605037A公布了供一种农村灰水循环利用一体化处理系统，处理后污水的回用途径主要是作农田、绿地灌溉和生活杂用，但该系统对进水生活灰水有明确要求，进水中的COD、BOD、氨氮、阴离子表面活性剂、总大肠杆菌浓度分别不大于150mg/L、80mg/L、25mg/L、0.799mg/L、2.4×10⁴个/L，这明显限制了该设施的应用，同时需要定期向消毒池添加缓释氯片，不仅增加了后期的投资，还增加了运维的频次。

因此，针对农村生活灰水，研发一种“高效率、低成本、运行维护简单”的系统，以此实现源分离后农村生活灰水中有机物的深度矿化，解决厕所废水之外的农村生活灰水的净化与排放问题，是一项十分必要的工作，具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明首先提供一种高效处理农村灰水的生态耦合系统。

本发明采用的技术手段如下：

一种高效处理农村灰水的生态耦合系统，包括下行垂直潜流湿地主体和设置在湿地主体出水口的砂滤装置，所述下行垂直潜流湿地主体在竖直方向自上至下分别设置用于过滤处理水体的填料层、砾石层和承托层，所述填料层内部还设置有阴极层，阴极层为不锈钢丝网；所述砾石层和承托层之间设置有阳极层，阳极层为内部埋设有一层不锈钢丝网的黄铁矿填料，所述阴极层和阳极层通过电路连接，构成耦合系统内的微生物燃料电池组；

所述砂滤装置在竖直方向自上至下分别设置用于过滤处理水体的活性砂滤层和砾石承托层，砂滤装置底部设置耦合系统的出水口。

优选的，所述填料层厚度35cm，填料层靠近顶部2/3厚度的位置设置为气液交界面，所述阴极层厚度1～3mm，设置在填料层的气液交界面处，且阴极层的不锈钢丝网下底面贴合气液交界面。优选的，所述阳极层厚度10cm，其中不锈钢丝网厚度1～3mm，目数12目；阳极层使用的黄铁矿填料为粒径4～8mm的黄铁矿颗粒。

优选的，所述填料层由粒径0～4mm的石英砂、煅烧鸡蛋壳和火山岩按照体积比例2:1:1混合组成；所述砾石层由粒径5～10mm的砾石组成，砾石层厚度40～60cm；所述承托层由粒径10～20mm的砾石组成，承托层的厚度为10～20cm。

优选的，所述砂滤装置中，活性砂滤层由粒径小于1mm的河砂组成，活性砂滤层厚30cm；所述砾石承托层由粒径5～10mm的砾石组成，砾石承托层的厚度为10cm。

优选的，所述活性砂滤层的河砂表面设置有微生物膜层，所述微生物膜层厚度0.1～2mm，由变形杆菌门、放线菌门、扁平菌门、酸杆菌门、绿弯菌门中一种或多种微生物混合组成。

优选的，所述填料层和活性砂滤层内均种植植物，植物在所述填料层和活性砂滤层上方形成植物种植层，所述植物包括挺水湿地植物和耐寒湿地植物。

优选的，所述承托层底部设置出水口，出水口和砂滤装置之间还设置有澄清池，所述砂滤装置与澄清池顶部的溢流出水口连接。

优选的，所述下行垂直潜流湿地主体和砂滤装置均设置在地面下方，填料层和活性砂滤层的表面均与地面平齐。

本发明还提供一种如上所述的高效处理农村灰水的生态耦合系统在农村生活灰水处理中的应用，利用黄铁矿强化阳极的微生物燃料电池型人工湿地+浅层活性砂滤装置处理的水体尤其是农村生活灰水，出水COD一般在30mg/L以下，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。

本发明的工作原理：待处理水体如生活灰水自流进入黄铁矿强化阳极的微生物燃料电池型人工湿地的上部，由于细粒径的混合填料层的结构与位置、进水充氧、植物根系泌氧等为该层提供了良好的氧气供应，生活灰水中的部分有机物、氨氮、磷酸盐等在此被降解或矿化去除；阴极区位于气液交界面处，与阳极相比，氧气相对充足，在此情况下，可以增加阴极区电子受体的供应，进而增加系统的电子转移能力；中粒径骨架填料层为传统的砾石层，砾石层位于液面以下，由于缺少曝气措施，覆盖在砾石表面的微生物多为厌氧微生物，有机物等污染物在此发生厌氧降解；阳极区的强化材料为黄铁矿，其的主要成分是FeS₂，在厌氧环境中，在铁氧化/还原菌的作用下，通过Fe²⁺/Fe³⁺电对的相互转化，有机物在厌氧环境中作为电子供体，将部分电子转移给Fe³⁺，另一部分电子传输至阴极，Fe³⁺在得到电子之后，转变Fe²⁺，Fe²⁺在铁氧化菌的作用下，失去电子转化为Fe³⁺，如此反复循环，促进灰水中有机物等污染物的微生物电化学降解，进而使得其从灰水得以去除；生活灰水从澄清池流出后，进入砂滤装置，活性砂滤层的河砂表面接种好氧微生物，可以加快砂滤降解有机物等污染物的启动周期，砂滤的自由排水，也促进了大气复氧，使得砂滤系统内，保持良好的氧气供应，利于污染物的去除。

本发明的有益效果如下：

本发明利用黄铁矿强化阳极的微生物燃料电池型人工湿地+浅层活性砂滤装置构建高效处理农村灰水的生态耦合系统，湿地和砂滤装置串联可实现对生活灰水的深度处理，提高水质处理效果。微生物燃料电池型人工湿地中设置的黄铁矿可以强化微生物燃料电池型人工湿地的阳极，提高阳极区产电菌的数量、丰度以及活性，进而提高有机物等污染物的去除效率；浅层活性砂滤装置一方面接种好氧微生物，缩短了砂滤的启动周期，另一方面自由排水，可以保证良好的大气复氧，有益于好氧微生物的生长。

本发明的生态耦合系统是无动力消耗系统，经过实验验证其出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准，可以直接排放或用于农田灌溉及生活杂用如冲厕等。

本生态耦合系统属于生态生物电化学工艺，与现有的净化槽等一体化设施相比，建设成本更低；由于该系统无动力消耗，生活灰水依靠重力流在设施内流动，因此，运行维护成本也较低。在满足同样出水的标准的情况下，本发明系统的设施建设成本仅为净化槽等一体化处理设施的1/2～1/7，运维费用大约为其1/4～1/8，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明生态耦合系统的结构示意图；

图2为微生物燃料电池的设置示意图；

图3为本发明实施例2中生活灰水经过生态耦合系统处理前后的水体COD含量变化；

图4为本发明实施例3中生活灰水经过生态耦合系统处理前后的水体LAS含量变化。

图中附图标记的含义如下：

10-湿地主体11-进水口12-出水口

20-填料层30-砾石层40-承托层

51-阴极层52-阳极层53-不锈钢丝网54-黄铁矿填料55-电路

60-植物种植层

70-澄清池71-溢流出水口

80-砂滤装置81-活性砂滤层82-砾石承托层83-耦合系统出水口

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明。

实施例1

如图1-图2所示，一种高效处理农村灰水的生态耦合系统，其特征在于，包括下行垂直潜流湿地主体10和设置在湿地主体出水口12的砂滤装置80，所述下行垂直潜流湿地主体10在竖直方向自上至下分别设置用于过滤处理水体的填料层20、砾石层30和承托层40，所述填料层20内部还设置有阴极层51，所述砾石层30和承托层40之间设置有阳极层52，阴极层51和阳极层52通过电路55连接，构成耦合系统内的微生物燃料电池组。

上述填料层20由粒径0～4mm的石英砂、煅烧鸡蛋壳和火山岩按照体积比例2:1:1混合组成，总厚度35cm；上述煅烧鸡蛋壳是经900℃高温煅烧使碳酸钙基本转化为氧化钙的鸡蛋壳。砾石层30由粒径5～10mm的砾石组成，总厚度40～60cm；承托层40由粒径10～20mm的砾石组成，总厚度为10～20cm。

填料层20靠近顶部2/3厚度的位置设置为气液交界面，阴极层51设置在填料层20的气液交界面处，阴极层51为不锈钢丝网53，厚度1～3mm，不锈钢丝网53下底面贴合气液交界面。砾石层30位于液面以下，属于厌氧环境，阳极层52设置在砾石层30下方，阳极层52为内部埋设有一层不锈钢丝网53的黄铁矿填料54，阳极层52厚度10cm，其中不锈钢丝53网厚度1～3mm。阳极层52使用的黄铁矿填料为粒径4～8mm的黄铁矿颗粒，阴极层51和阳极层52的不锈钢丝网目数均为12目。砂滤装置80在竖直方向自上至下分别设置用于过滤处理水体的活性砂滤层81和砾石承托层82，砂滤装置80底部设置耦合系统出水口83。

上述活性砂滤层81由粒径小于1mm的河砂组成，活性砂滤层81厚30cm；所述砾石承托层82由粒径5～10mm的砾石组成，砾石承托层82的厚度为10cm。

填料层20和活性砂滤层81内均种植植物，植物在所述填料层20和活性砂滤层81上方形成植物种植层60，所述植物包括芦苇、香蒲等生长周期长的大型挺水湿地植物和花叶芦竹、四季常绿鸢尾、再力花等耐寒湿地植物。植物的种植密度根据湿地大小选择，例如15～25株/m²等。

本系统中，承托层40底部设置出水口12，出水口12和砂滤装置80之间还设置有澄清池70，所述砂滤装置80与澄清池70顶部的溢流出水口71连接。

当本耦合系统用于对农村生活灰水如卫生间洗衣水、洗澡水、洗面盆水和杂排水以及厨房漂洗水等处理时，生活灰水先去除大部分悬浮物，然后依靠重力由湿地主体10的进水口11流入湿地主体10，自上而下流动，通过湿地系统内部设置的填料层20上部、阴极层51、填料层20下部、砾石层30，然后进入阳极层52。

填料层20的2/3部位位于气液交界面以上，能够进行良好的大气复氧，利于有机物好氧降解、氮的硝化反应。填料层20中火山岩对生活灰水中的氨氮具有较强的吸附效能，煅烧的鸡蛋壳钙含量增加，有利于生活灰水中磷的吸附。通过向作为骨架填料的石英砂中添加火山岩和鸡蛋壳，增强了对生活灰水中氨氮与总磷的去除。

阳极层52为黄铁矿强化的阳极区域，不锈钢丝网53置于黄铁矿填料54中部，在有铁存在的条件下，在自然环境中，很容易生长铁氧化菌与铁还原菌。通过黄铁矿产生Fe²⁺，Fe²⁺/Fe³⁺电对在厌氧环境中的作用下，通过自然条件下定殖富集的铁氧化菌/铁还原菌进行相互转化，不仅可以提高阳极区产电菌的丰度、活性，还可以降低系统的内阻，加速水中有机物等污染物的降解。随后出水经过承托层40，由出水口12进入澄清池70，接着从澄清池70的溢流出水口71进入浅层活性砂滤装置80，砂滤装置80中，活性砂滤层81厚度仅为30cm，且为自由排水状态，有利于未被降解的溶解性有机物等污染物在此进行好氧降解，活性砂滤层81的河砂表面设置有微生物膜层，微生物膜层可用接种好氧微生物的生活灰水流经活性砂滤层81设置，微生物膜层厚度0.1～2mm，由变形杆菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、扁平菌门(Planctomycetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)中的一种或多种微生物组成，微生物膜层的设置能缩短砂滤降解有机物的启动周期。生活灰水在活性砂滤层81为自由排水状态，有助于自然复氧，利于未被降解的溶解性有机物等污染物在此进行好氧降解。砂滤装置80是对黄铁矿强化阳极的微生物燃料电池型的人工湿地出水的深度净化，最终出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准。

本发明的下行垂直潜流湿地主体10以及澄清池70、砂滤装置80均可设置在地面下方，填料层20和活性砂滤层81的表面均与地面平齐。在一个具体案例中，下行垂直潜流湿地主体10的进水口11设置进水管道，进水管道内直径110mm，进水管道中心低于地面30cm设置。

本发明提供的生态耦合系统，可以选择制作成为含有或不含有植物种植层的预制件。湿地主体10、澄清池70以及砂滤装置80采用不锈钢板或PVC板材加工出所需大小，再分别设置填料层20、砾石层30、承托层40以及微生物燃料电池的阴极层51和阳极层52、活性砂滤层81和砾石承托层82。

实施例2

对农村灰水进行处理，农村灰水与黑水进行源头分离，黑水作为肥料回用农田，生活灰水进入首先进入预处理单元，去除较大的颗粒性污染物同时部分有机物等污染物在此进行厌氧降解，随后生活灰水通过进水口11进入下行垂直潜流湿地主体10，在细粒径填料层20，部分污染物被填料层20截留，然后进入中粒径砾石层30，砾石层30属于湿地的骨架填料层，多数污染物在此被砾石表层的微生物膜降解，最后进入承托层40，由出水口12流入澄清池70，经过澄清池70澄淀后，通过溢流出水口71进入砂滤装置80，未被去除的污染物主要以溶解性有机物为主，在生活灰水进入浅层活性砂滤设施后，得到进一步的净化，最终出水由耦合系统出水口83流出被接收利用。

某农村家庭产生的生活灰水，进水水质指标范围如下：COD：125～429mg/L，LAS:7.1～20.6mg/L，TN:12.2～44.8mg/L，氨氮：9.6～22.8mg/L，TP：1.1～2.5mg/L，SS：80～253mg/L，浊度：71.6～211.9NTU，pH：6.91～7.46。

如图3、图4所示，通过铁碳强化的微生物燃料电池型湿地进行处理，在稳定出水期间，出水指标如下：COD：32mg/L、LAS：0.09mg/L,去除率分别为89.3％、99.3％，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准。

其它指标TN：6.4mg/L、氨氮：4.8mg/L、TP：0.9mg/L、SS：6mg/L、浊度：2NTU，除了TP满足一级B标准外，其余指标满足一级A标准。

长时间运行本系统，在对生活灰水连续处理约150天后，本生态耦合系统仍能够正常运行，没有出现堵塞等现象。

本系统在传统微生物燃料电池型人工湿地的基础上，利用黄铁矿电离Fe²⁺的能力，加强阳极区电子转移速度，进而提高阳极区的产电菌的丰度、数量与活性，增加阳极区的有机物等污染物的去除性能。该设施在普通砂滤的基础上，通过向生活灰水中接种好氧微生物，使河砂表面覆盖一层好氧生物膜，同时再加上自由排水的作用，强化大气复氧功能，维持好氧微生物生长所需的环境，达到进一步去除生活灰水中有机物等污染物的目的。

实施例3

在巢湖流域选择有一定代表性的乡村家庭开展铁矿为阳极强化材料的微生物燃料电池型人工湿地与浅层活性砂滤耦合工艺处理农村灰水的中试研究，研究区位于合肥市肥东县石塘镇马集社区。首先分析乡村家庭源分离后的农村灰水的水量与水质特征，其次评价生态耦合工艺处理农村灰水的运行效果，为该工艺在乡村进一步推广应用提供参考。

实验用黄铁矿强化阳极的微生物燃料电池型的人工湿地与浅层活性砂滤设施外体用不锈钢钢板制作而成，采用地埋式建造，种植层上种植湿地植物为芦苇与四季鸢尾。

生活灰水进水水质指标如下：COD：111～478mg/l，LAS:6.9～32.6mg/l，TN:10.951.7mg/l，氨氮：7.8～28.1mg/l，TP：0.7～2.7mg/l，SS：76～276mg/l，浊度：56.9～232.3NTU，pH值：6.87～7.51。

通过黄铁矿强化阳极的微生物燃料电池型的人工湿地与浅层活性砂滤设施处理，在稳定出水期间，出水中主要污染指标COD、LAS平均浓度值分别为28mg/L、0.05mg/L，去除率分别为90.6.3％、99.7％，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准，其他指标TN、氨氮、TP、SS、浊度平均值分别为5.1mg/L、3.9mg/L、0.4mg/L、5mg/L、1NTU，均满足一级A标准。该设施在运行约160天后，仍正常运行，没有出现堵塞等现象。

本发明提供的生态耦合系统，利用黄铁矿强化阳极的微生物燃料电池型人工湿地与浅层活性砂滤处理设施在处理以有机物为主要污染物的农村生活灰水时，在达到同样出水标准的情况下，如满足一级A或B标准，本设施的建设成本、运维成本要远低于现有的净化槽等一体化污水处理设备，可以取得良好的经济效益；同时，本发明的全工艺过程，均采用生态、微生物电化学的工艺处理生活灰水，无额外动力消耗，因此，可以取得良好的生态效益。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种高效处理农村灰水的生态耦合系统，其特征在于，包括下行垂直潜流湿地主体（10）和设置在湿地主体出水口（11）的砂滤装置（80），所述下行垂直潜流湿地主体（10）在竖直方向自上至下分别设置用于过滤处理水体的填料层（20）、砾石层（30）和承托层（40），所述填料层（20）内部还设置有阴极层（51），阴极层（51）为不锈钢丝网（53）；所述砾石层（30）和承托层（40）之间设置有阳极层（52），阳极层（52）为内部埋设有一层不锈钢丝网（53）的黄铁矿填料（54），所述阴极层（51）和阳极层（52）通过电路（55）连接，构成耦合系统内的微生物燃料电池组；

所述填料层（20）厚度35 cm，填料层（20）靠近顶部2/3厚度的位置设置为气液交界面，所述阴极层（51）厚度1~3 mm，设置在填料层（20）的气液交界面处，且阴极层（51）的不锈钢丝网（53）下底面贴合气液交界面；所述填料层（20）由粒径0~4 mm的石英砂、煅烧鸡蛋壳和火山岩按照体积比例2:1:1混合组成；所述砾石层（30）由粒径5~10 mm的砾石组成，砾石层（30）厚度40~60 cm；所述承托层（40）由粒径10~20 mm的砾石组成，承托层（40）的厚度为10~20 cm；

所述砂滤装置（80）在竖直方向自上至下分别设置用于过滤处理水体的活性砂滤层（81）和砾石承托层（82），砂滤装置（80）底部设置耦合系统出水口（83）；所述活性砂滤层（81）由粒径小于1 mm的河砂组成，活性砂滤层（81）厚30 cm；所述砾石承托层（82）由粒径5~10 mm的砾石组成，砾石承托层（82）的厚度为10 cm；所述活性砂滤层（81）的河砂表面设置有好氧微生物膜层，所述微生物膜层厚度0.1~2 mm，由变形杆菌门、放线菌门、扁平菌门、酸杆菌门、绿弯菌门中的一种或多种微生物混合组成；

所述填料层（20）和活性砂滤层（81）内均种植植物，植物在所述填料层（20）和活性砂滤层（81）上方形成植物种植层（60），所述植物包括挺水湿地植物和耐寒湿地植物。

2.如权利要求1所述的一种高效处理农村灰水的生态耦合系统，其特征在于，所述阳极层（52）厚度10 cm，其中不锈钢丝网（53）厚度1~3 mm，目数12目，阳极层（52）使用的黄铁矿填料为粒径4~8 mm的黄铁矿颗粒。

3.如权利要求1所述的一种高效处理农村灰水的生态耦合系统，其特征在于，所述承托层（40）底部设置出水口（12），出水口（12）和砂滤装置（80）之间还设置有澄清池（70），所述砂滤装置（80）与澄清池（70）顶部的溢流出水口（71）连接。

4.如权利要求1所述的一种高效处理农村灰水的生态耦合系统，其特征在于，所述下行垂直潜流湿地主体（10）和砂滤装置（80）均设置在地面下方，填料层（20）和活性砂滤层（81）的表面均与地面平齐。

5.一种如权利要求1所述的高效处理农村灰水的生态耦合系统在农村生活灰水处理中的应用。