一种人工快渗池、水气处理工艺和人工快渗填料制备方法与流程

1.本发明涉及人工快渗池、处理工艺和制备方法，尤其涉及一种人工快渗池、水气处理工艺和人工快渗填料制备方法。


背景技术：

2.人工快渗技术是包括潜流式人工湿地在内的一种污水土地处理法技术之一，详情可参见中国发明专利《人工快速渗滤污水处理系统装置》(申请号cn200410073951.8，公开日2005年10月5日)，人工快渗技术简称cri，cri技术至今已有30年的研究和应用历史，并在2004年逐步成熟并申报了发明专利。cri技术的核心为cri填料，为天然河沙及矿物质矿砂混合加工人工快渗填料。填料表面附着大量具有污染物净化的微生物，在污水周期性的“淹水-落干-淹水
……”
的过程中通过“微生物污染物吸附-池体复氧-微生物分解-微生物污染物吸附
……”
的周期过程以实现污水净化。cri系统形成了很好的微生态环境，可以富集附着好氧异养菌群净化有机物质、自养型好氧硝化菌群净化氨氮，此外还有少量的硫细菌和微量反硝化菌可以分解硫化物质和硝酸盐脱氮。
3.《人工快速渗滤污水处理系统装置》公开内容包括：“快渗池内填充有人工配置的人工滤料，此种人工滤料是由一定颗粒级配的一般填料和特殊填料按体积比为9:1的比例混合而成；一般填料是天然砂，特殊填料是由大理石砂或石灰石砂、沸石砂和磁铁矿砂三种天然矿物按体积比为90:8:2比例组成。本发明快渗池采用干湿交替的运转方式进行污水处理，水力负荷周期很短，一天24小时内布水4次，每次布水15～20分钟，即频繁淹水频繁落干。本发明cri系统的水力负荷一般为1.0～1.5m/d(m3/m2·
d)，处理每方污水占地面积约为0.8m2/m3·
d。”4.该cri技术在相当长久的一段时间里，具有较为广泛的污水处理的应用场景。但是该在先申请专利的核心技术cri填料具有以下几个较为难以克服的缺点：
5.一、人工快渗系统的除总磷(tp)的效率较低，处理磷是依赖于特种填料(即萤石、磁铁矿、石灰石砂)吸附作用，其吸附容量有限，多年长时间使用后容易除磷效率下降，需要重新补充。
6.二、人工快渗系统除氨氮过程需要消耗碱度，而人工快渗填料主要依赖于采用石灰石颗粒来给系统的硝化反应提供碱度，同样为耗材，需要日后补充，且石灰石颗粒全部填料均混合填装，而氨氮的硝化作用集中在表层50cm以内，所以下层数十厘米厚的填料掺加石灰石石米没有用，造成的浪费较多。
7.三、人工快渗所使用的天然河沙和矿砂品质较为不稳定，特别是普通填料所用的天然河沙，由于运输半径限制，造成各地河沙成分、强度、球度等指标差异巨大，甚至有用机制砂替代天然河沙，造成每个项目填料的品控难度较大，人工快渗填料质量控制不稳定。同时，采用的矿砂和河沙来源不明，容易存在较多复杂伴生矿污染物，如铬、镉、砷、铜、铅、锌等重金属，也造成了人工快渗技术不宜轻易在饮用水或者高品质水净化领域应用。
8.四、人工快渗系统只用于处理污水或微污染的水，而不能用于净化气体，应用范围
过于狭隘。
9.五、人工快渗填料所用的普通填料和特殊填料，都是自然资源，90％是天然河沙、10％是矿物质砂(萤石、磁铁矿、石灰石砂)开采均消耗大量自然资源，特别是天然河沙开采过程直接破坏河流水生态，破坏水生动植物的生态系统，且都是不可再生资源。
10.综上所述，现有技术已经不能完全满足人们的要求，亟需得到改进。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种人工快渗池、水气处理工艺和人工快渗填料制备方法，解决现有技术存在的缺憾。
12.本发明采用如下技术方案实现：
13.一种用于水气处理的人工快渗池，包括供水路和/或气路进、出的池体，以及若干个用于进行水气处理的功能层，在所述功能层内设置有用于进行污水/废气处理的填料，其特征在于，所述功能层具体包括：用于培养接种微生物的填料层、用于级配填筑的阻隔层和用于收集水或分散恶臭voc气体的承托层。
14.进一步的，若干个功能层纵向安装在池体内，自上而下依次为填料层、阻隔层和承托层。
15.进一步的，所述填料层的厚度为1～1.5米，填料层内设置有1～3mm料径的填料砂；所述阻隔层的厚度为0.1～0.2米，在阻隔层内设置有6～15mm粒径的填料石子；所述承托层的厚度为0.4～0.6米，在承托层内设置有20～40mm粒径的填料块。
16.进一步的，在填料层上方安装有用于进入污水的布水管，在承托层内铺设有用于排出水的集水管。
17.进一步的，在承托层内铺设有用于进入气体的通气管，在填料层的上边安装有用于加湿的洒水喷头。
18.一种水气处理的人工快渗工艺，其特征在于，所述水气处理工艺具体包括：经过预处理的污水通过布水管从池体上方进入水气处理池，布水的方式为连续或者间歇式，污水首先接触填料层的表面，并在填料层上形成自由水面，通过自上而下的渗流方式，沿着填料层垂直流入池体下部的阻隔层和承托层，在承托层再次形成自由水面，承托层内上的自由水面同时经过承托层的集水管排出池体，完成净化过程。
19.进一步的，水气处理的人工快渗池的功能层均生长附着有用于对污染物质吸附降解的微生物，废气从池底部的通气管进入池体中，气体自下而上的依次从承托层、阻隔层、填料层穿过，各个功能层均设置有用于对废气中污染物质进行吸附降解的微生物，填料层上方的洒水喷头对填料层表面进行喷水加湿。
20.进一步的，用作气体净化时，填料层上方的洒水喷头进行喷水加温时，水分中添加有微量元素磷。
21.一种活性生物质碳人工快渗填料的制备方法，其特征在于，将生物质发电厂的炉渣，经过筛除、分选出1～3mm粒径的炉渣，去除杂质，进行水洗、化学浸渍和微生物接种，改性之后而制成人工快渗的填料；同理，分选出6～15mm粒径的炉渣用作人工快渗池的阻隔层，分选出20～40mm粒径的炉渣块用作人工快渗池的承托层。
22.本发明具备的有益技术效果是：
23.与现有技术相比，本发明不仅在填料来源上更加充足，成本更可控、填料的品质均一性更可控，而且不使用成分不明来源不清的矿物质，其安全性更加可靠，特别是在用于供水领域处理时更加可靠。
24.abc填料省去了cri填料需要补充矿物质(钙铁系金属盐)的环节，在降低了生产管理复杂性的同时，其品质更加均一，同时采用单一类型仅有不同粒径差异的abc填料，其加工和施工管理管控更加方便。
25.abc填料本身具备的吸附性能且比表面积比通粒径的石子大很多，可以更好的发挥磷吸附作用，特别是对于原专利cri快渗池中的阻隔层和承托层而言依旧均有浸泡接触吸附磷的能力。因此本设计中abc快渗池充分利用了cri快渗池下部无法正常使用的约1/3左右的空间(通常厚度为40～60cm)。
26.更具独特的是abc填料快渗池，不仅可以净化污水，还可以用于集中式恶臭及voc净化，充分扩大了人工快渗的应用领域，不局限于污水处理。如同生物滴滤池一样，abc快渗池也是环境污染治理领域中为数不多的可以水气两用的净化工艺。
附图说明
27.图1是水气处理池的剖面示意图和水路的进出路径。
28.图2是水气处理池的剖面示意图和气路的进出路径。
具体实施方式
29.通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。
30.大背景：
31.污水土地处理法技术包括人工湿地(表流式、潜流式、亚潜流式)、地表漫流(山林草地)、慢渗(si)、快渗(ri)等传统技术，以及近30年来在我国发展的人工快渗(cri)技术，污水的土地处理法具有管理方面、建设费用较低、运行费用低的优点，也具有占地面积较大、效率较低的缺点，因此单独使用时通常用于低浓度、微污染污水的净化，或者作为常规污水处理工艺末端提标升级使用。
32.人工快渗技术(cri技术)是20世纪晚期1990年底出现，并在21世纪前十年快速发展的一项较为新颖的污水土地处理法，该工艺借鉴了欧美国家传统快渗(ri)工艺的理念，以人工复配填料替换天然土壤层的方式，选择了适宜微生物生长的天然河沙，并配备可以缓释调节ph值和利于磷吸附的部分矿物质砂混合而成的人工填料。利用砂层中丰富的微生物对水中的污染物进行吸附～降解反应进行净化，不仅成10～100倍的加大了系统水力负荷，而且尽量绝大多数地保留了原有处理效率、处理效果。
33.小背景：
34.人工快渗技术经过近30年的发展，已经达到了较为稳定且存在了技术瓶颈，主要是集中在总氮脱氮效率极低的问题、占地面积较大不能再继续压缩的问题、老一代快渗技术需要更换填料的问题、人工快渗填料所需的河沙和矿砂是档次较高的资源不容易获取。
由于矿业资源价格持续上涨，也造成了cri填料的生产成本逐步增加。同时优质、适用的cri填料沙源已经逐步枯竭，采砂破坏河流和矿山生态环境，这些问题也制约着快渗填料的原料品质，使技术可持续性降低，加之本身河沙运输半径的影响，各地cri填料加工品质不一，难以统一的填料品质影响了技术积累，因而限制了技术的应用与发展。
35.人工快渗现有的技术方案：
36.根据原有的底层技术(cn200410073951.8人工快速渗滤污水处理系统装置)表述：“快渗池内填充有人工配置的人工滤料，此种人工滤料是由一定颗粒级配的一般填料和特殊填料按体积比为9:1的比例混合而成；一般填料是天然砂，特殊填料是由大理石砂或石灰石砂、沸石砂和磁铁矿砂三种天然矿物按体积比为90:8:2比例组成。原发明快渗池采用干湿交替的运转方式进行污水处理，水力负荷周期很短，一天24小时内布水4次，每次布水15～20分钟，即频繁淹水频繁落干。本发明cri系统的水力负荷一般为1.0～1.5m/d(m3/m2·
d)，处理每方污水占地面积约为0.8m2/m3·
d。”37.本技术将活性生物质材料(简称“abc材料”)采用筛分水系化学浸渍微生物接种后的作为快渗池填料(简称“abc填料”)替代以往人工快渗用河沙(高品质石英砂)和铁系钙系矿物质砂混合的填料，可以弥补或者提升很多以往人工快渗技术的缺点，这些缺点具体如下：
38.现有的技术——《人工快速渗滤污水处理系统装置》(cn200410073951.8)存在的缺点：
39.1、cri填料品质不稳定，而abc材料品质成分性状更加趋同稳定，快渗池所填筑的填料的品质控制较为容易。较短的河沙运输半径问题，决定了人工快渗填料在现有的经济成本条件下只能就地取材，但是每个项目所处地区不同，决定了河沙成分品质硬度问题肯定是不同的，因此构成人工快渗90％的填料成分的质量是不稳定的，也是造成了人工快渗污水厂站填料都是每个项目单独出具具体配方，各项目之间由于地域差异造成填料不同，甚至造成了运行数据相互对比借鉴性较差，不能直接照搬参考。
40.本发明采用活性生物质炭填料替代较为复杂的河沙复合填料，将采用过筛的1～3mm粒径的活性生物质炭砂作为填料，由于其来源只有秸秆、草木、稻壳等植物生物质，所以其成分构成比较稳定。例如几乎大多数，sio2占30～45％、fe3o4占5～15％，不同产地填料成分的极端误差在20％以内，且多在10％以内，极大的消除了填料品质的不确定性。
41.2、cri填料的原料河沙和矿砂价格较高且获取难度较大，而abc材料是生物质电厂炉渣废物，并且其获取成本较低获取方便。河沙是常用建材，优质河沙更是大型建筑最需要的水泥的骨料，作为一种不可再生的资源，其价格逐年上涨，且运输过程中含水较高又造成了运输成本较高。磁铁矿萤石等矿物质也是较为稀缺不可再生资源，价格也是逐年走高。而本发明采用abc材料来源于生物质发电厂的炉渣，属于半活性炭半玻璃体混合物性质，全国各地分布非常广泛，作为生物质电厂的废物，固其来源较为稳定。同时abc材料以往作为农业草木灰的一种可用于农业还田，防止农田氮磷流失、促进农作物增产，其来源安全可靠。在本设计中，利用其碱性特点易于提供污水处理过程中硝化所需碱度并具有很强的无机磷吸附能力。
42.3、cri填料需要掺加石灰石和磁铁矿砂用于水中磷原子吸附并提供硝化菌所需的碱度，而本技术采用abc填料本身具有较强的磷吸附能力且提供硝化菌所需的碱度。abc填
料中含有铁镁钙成分比例(≥15％左右)远超cri填料铁镁钙的比例(≤10％)，说明生物质abc填料比石英砂 矿物砂的组合更适合做人工快渗填料。
43.4、cri填料用的是建筑行业建材，而abc填料所用的原料是生物质发电厂的废物，后者比前者更加环保绿色，更加体现了循环经济节能减排的生态理念。生物质发电产生的秸秆焚烧的abc材料替换人工快渗的填料可以变废为宝，既可用于生物挂膜净化污染物吸附无机磷，还可以节约cri技术的应用成本，提高填料品质控制的同时，减少资源消耗，更加体现了绿色环保的生态追求。
44.人工快渗所用的普通填料(天然河沙)和特殊填料(萤石、磁铁矿、石灰石)都是自然资源，特别是用量巨大的普通填料本质上就是天然河沙，采砂本身就是非常破坏自然生态环境，破坏河流底栖动物和鱼类的生境，长期受到自然环境保护组织所诟病。而采用abc填料时，特别是对于污水或者微污染水质净化时，可以全部替换cri的特殊填料，并且可以不拘泥于10％的比例，可以按照不少于10％的比例与天然河沙混合，甚至已经可以实现100％的使用abc填料完全替代cri的普通和特殊填料，部分或者全部替代日趋紧张的河沙资源，减少自然资源的取用进而保护生态。
45.5、cri技术填料层底部为普通石子石块组成了承托层和阻隔层，其有效成分只有上部约1～1.5厚度的cri砂状填料。而本技术采用abc材料后，底部可以分别采用6～15mm、20～40mm直径的活性生物质碳块作为底部阻隔层和承托层，因此比传统cri技术更加能够充分利用底部40～60cm的集水空间，相当于给cri系统又增加了50％左右容量，大幅利用了cri工艺闲置的水力停留时间(hrt)，让阻隔层和承托层与水充分浸泡式接触，充分利用abc易于吸收无机磷的特点，更加利于净化系统对总磷(tp)的去除。
46.6、来源安全：cri填料的特殊填料磁铁矿萤石石灰石制成矿砂，而半生矿难免来源复杂特别是存在重金属(铬、铅、锌、铜、镍、砷、镉)等矿砂也是在铁矿伴生矿物质之一，而天然河沙由于大气干湿沉降面源污染及工业污染的沉积难免存留持久性有机物(persistent organic pollutants，pops)、重金属离子及环境内分泌干扰素激素(environmental endocrine disruptors，edcs)等环境激素。而活性生物质abc材料，其来源为农业领域秸秆、稻壳、树木枝叶、竹木等农林作物，且经过高温氧化处理消除了各类有机质，故其来源较为明晰安全，没有复杂的不明物质、重金属、有毒非金属矿物在其中，因此对于在较为敏感的饮用水净化领域或者水源地微污染净化领域时，要比直接使用来源复杂的矿砂类的cri填料更具安全性。
47.本专利远超现有技术水平及超越本领域技术人员的预期，采用abc活性生物制碳填筑的快渗池，作为污水处理，可以自上而下过滤净化；而作为恶臭(本文中的“恶臭”含voc，下同)则可以从下至上从内之外的方式实现恶臭气体净化。
48.为了区别传统现有技术的人工快渗工艺，对活性生物质炭构成的人工快渗池，在本文中可以简称为“abc快渗池”，核心填料活性生物质炭(activated biomass carbon)砂或者块，均称为“abc填料”。对应的水气净化工艺，又称之为“abc人工快渗工艺”。在本专利中，人工快渗池即对水气进行处理的水气处理池。
49.如图1和图2所示的水气处理池，包括供水路和/或气路进、出的池体，以及若干个用于进行水气处理的功能层，在功能层内设置有用于进行污水/废气处理的填料，功能层具体包括：用于培养接种微生物的填料层、用于级配填筑的阻隔层和用于收集水气的承托层，
若干个功能层纵向安装在池体内，自上而下依次为填料层2、阻隔层3和承托层4，填料层2、阻隔层3和承托层4安装在池体池壁1的内侧，构成了水气处理池的整体结构。在污水经过填料层2的过程中，填料层中生长附着有微生物发生吸附及生化反应，实现水中污染物的净化，并因为存在硝化过程，故在一定程度上消耗了填料层中的碱度。而阻隔层3和承托层4均具有磷污染物吸附能力，可以继续净化处理。应当注意的是：在本发明中“水气处理”的含义并不局限于同时处理水气，而是说在进行环境污染治理时可以实现污水处理或恶臭(含voc)气体净化。
50.优选的，填料层2的厚度为1～1.5米，填料层2内设置有1～3mm料径的填料砂；阻隔层3的厚度为0.1～0.2米，在阻隔层3内设置有6～15mm粒径的填料石子；承托层4的厚度为0.4～0.6米，在承托层4内设置有20～40mm粒径的填料块。
51.优选的，填料层2的填料砂、阻隔层3的填料石子和承托层4的填料块，均为abc填料，也即前文所述的核心填料：活性生物质炭的砂或块。
52.优选的，在填料层2上方安装有用于进入污水的布水管5，在承托层4内铺设有用于排出水的集水管6。在这个实施例中，设置布水管5和集水管6的作用是对经过预处理的污水进行处理，处理工艺为：经过预处理的污水通过布水管从池体上方进入水气处理池，布水的方式为连续或者间歇式，污水首先接触填料层的表面，并在填料层上形成自由水面，通过自上而下的渗流方式，沿着填料层垂直流入池体下部的阻隔层和承托层，在承托层再次形成自由水面；承托层内上的自由水面同时经过承托层的集水管排出池体，完成净化过程。
53.污水处理工艺的原理是：经过预处理的污水通过布水管5从池体上方进入由池体池壁1构成的快渗池，采用连续或者间歇式布水方式，首先接触填料层2的表面，并在填料层2上可以形成自由水面，通过自上而下的渗流方式，沿着填料层2垂直流入池体下部的阻隔层3和承托层4，在承托层再次形成自由水面，同时经过承托层4的集水管6排出池体，完成一个完整的净化过程。在污水经过填料层2的过程中，与填料层中生长附着的微生物(膜)发生吸附及生化反应实现水中污染物的净化，并因为存在硝化过程，故在一定程度上消耗了填料层中的碱度。而阻隔层3和承托层4均具有磷污染物吸附能力，可以继续净化处理。
54.优选的，在承托层4内铺设有用于进入气体的通气管8，在填料层2的上边安装有用于加湿的洒水喷头7。在这个实施例中，设置洒水喷头7和通气管8的作用是进行废气净化处理，水气处理池的功能层均生长附着有用于对污染物质吸附降解的微生物，废气从池底部的通气管8进入池体中，气体自下而上的依次从承托层4、阻隔层3、填料层2穿过，各个功能层均设置有用于对废气中污染物质进行吸附降解的微生物，填料层2上方的洒水喷头7对填料层表面进行喷水加湿。由于废气净化微生物的需求，通过洒水喷头7对填料层2表面进行喷水加湿，以便于为废气净化abc填料加湿，所喷水中根据需要可以适当添加磷等微量元素。喷水和通气可以连续，也可以间歇进行。如果存在气体通量变小(即堵塞倾向)则应暂停通入废气，而只用充入空气的方式养护填料层，并松动填料层。在处理恶臭或voc气体发生恶性堵塞后可以停产等待生物膜厌氧水解后堵塞自行恢复，或采用通入清洁空气采用好氧氧化的方式恢复，或通入强氧化剂(如臭氧)的方式处理难降解有机物后进行恢复。
55.值得注意的是，abc快渗池用于水气体净化工艺时，在填料层2的表面容易长草，区别于人工湿地类的技术，通常则应尽可能地拔除表面杂草、清除苔藓地衣避免填料被草根和苔藓地衣堵塞。
56.优选的，abc快渗池中填料层2采用abc填料，而阻隔层3和承托层4采用非abc填料，从专利保护的角度看，不能因为承托层4和阻隔层3不采用abc填料而认为没有落入本专利所附权利要求的保护范围。abc填料中如果混合掺加其他惰性材料、或者分层填筑其中部分层次选用其他惰性材料时，例如粒径相似的沙子、石子、石块，则原理相同，视为同为本发明的等同替换技术特征。abc填料可以100％的全部替换原cri技术的特殊填料，但是对普通填料和承托层、阻隔层的替换不做强制比例限制，可以全部使用abc填料，也可以继续保留不限制比例继续使用河沙、石子、石块作为快渗池的普通填料、阻隔层、承托层。
57.abc快渗池用作恶臭气体或voc气体净化时，如果填料层2表层不通过洒水喷头7增加湿度，或者通过其他方式增加水分也是同一发明。同时如果在通气管8进气之前对气体进行加湿，也是具有同样效果的，也视为等同的替代技术方案。
58.本发明在实际应用中，技术效果与池体的厚度和外形(方形/圆形)无关，而与填料填筑顺序有关，自下至上的顺序为：
①
承托层(集水用的石块层或均匀扩散气体的石块层，通常会底部放坡)、
②
阻隔层(防止上层砂状填料流到下部的级配填装方案)、
③
填料层(用于接种微生物吸附、降解污染物的关键层)，顺序比厚度重要，能够获得更佳的技术效果。
59.一种活性生物质碳填料的制备方法/制备工艺：将生物质发电厂的炉渣，经过筛除、分选出1～3mm粒径的炉渣，去除杂质，进行水洗、化学浸渍和微生物接种，改性之后而制成。在本制备方法/制备工艺中，活性生物质炭(abc)由生物质发电厂烧结的炉渣组成，生物质发电厂只烧秸秆、稻壳、甘蔗渣之类的农业废弃物，炉渣是具有活性炭和玻璃双重性质的混合物。通常都没筛分的，如果需要用作填料，需要筛分、水洗之后才能用，大约有1/3的成分经过筛分后是可以用于本项目abc填料填筑。
60.本发明通过对人工快渗技术核心填料颠覆式的更换为活性生物质炭(activated biomass carbon，简称abc，如无特殊说明，在本发明中abc均指的是活性生物质炭)填料，不仅克服了人工快渗填料质量不稳定的问题，而且采用弱碱性填料省去了为增加硝化过程所需碱度而添加石灰石石米的环节，且活性生物质碳填料本身具备良好磷吸附和捕获能力，又省去了人工快渗填料用于除磷而添加萤石石米和磁铁矿砂的成本，对快渗填料的成本是极大的节约，采用稳定品质的填料(成分、配比、尺寸)可以实现技术在各地的横向应用对比，便于技术积累。同时，本发明提出了采用下进上出的模式来净化恶臭及部分挥发性有机物(voc)废气，充分利用填料层微生物的蓄积量来培养出更多利于污染净化的菌群，超越了现有技术的人工快渗污水处理工艺。
61.当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。