一种处理有机废水的高效生物方法
技术领域
本发明属于水处理领域，具体涉及一种处理有机废水的高效生物方法。
背景技术
较高浓度有机废水(COD为1000～5000mg/L)目前尚没有直接处理、且一步实现达标排放的技术方法。
现有的方法是先对较高浓度有机废水(如牛粪尿、猪粪水、鸡粪及冲洗水、屠宰污水、人粪尿、城市生活污水等)与秸秆锯末预处理后开展厌氧发酵。其产生的沼气用于生活生产；产生的副产物沼渣沼液分离后，沼渣能够进一步用于生产有机肥。经厌氧发酵后，沼液的COD浓度虽可降低到2000mg/L以下，但仍然需要经过长时间多重曝气或稀释，才能将COD浓度降低到300mg/L以下，然后可以用于农田灌溉；如需达标排放，则其COD浓度需进一步降低到100mg/L或50mg/L以下。
在上述方法中，存在发酵工艺复杂、设备投资大、曝气运行能耗高、湿地处理面积大、污水下渗、暴雨流溢等弊端或二次污染的风险。故亟需找到一种节能、经济、高效、生态、循环、可持续利用的简洁、直接处理方式。
基于此，提出本发明技术方案。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种处理有机废水的高效生物方法。所述处理有机废水的方法，具有快速高效直接处理较高浓度有机污水的能力，且旱伞草生长速度快、生物量大、转化效率高，是其他沉水植物(如狐尾藻)、浮水植物(如水葫芦等)、挺水植物(如芦苇、茭白、菖蒲等)以及湿生植物(如水蓼等)所不具备的。
发明人经观察试验及文献查阅发现，发现旱伞草具有耐较高有机废水负荷的能力。试验时，直接导入未经固液分离的猪场沼液(试验用沼液COD达2013mg/L)不影响其正常生长，并在20℃以上气温环境里生长迅速。旱伞草营养丰富、适口性好，适合做猪、牛、羊的青饲料或青贮饲料。为充分发挥旱伞草这一特性，本发明的方案是，提供一种处理有机废水的高效生物方法，包括如下步骤：
(1)旱伞草的培养：取带根旱伞草种植于透水容器盆中，静置于湿润环境，待旱伞草根系长出，得培养旱伞草；
(2)旱伞草的阵列设计：包括阵列面积的确定和培养旱伞草数量的确定；所述阵列面积为S＝(αCOD)1.3/400；所述培养旱伞草数量为N＝S·ρ；
(3)旱伞草的阵列安装：依照计算的阵列面积，选取对应的场地作为处理池，并于处理池的尾部安装溢流口和循环泵，再将培养旱伞草固定于处理池内部，即完成安装；
(4)有机废水的处理：将有机废水引入处理池的首部，启动循环泵，直至完成达标处理并排放。
需要强调的是，在突发状况时，启动循环泵，将未处理达标的有机废水重新循环到进水口，直至尾水质量达标。这是一种保护设计，用于暴雨和污水浓度突变情况下的应急保障，防止装置内的有机污水未能达标处理而排放。
在旱伞草培养阶段，选取生长旺盛的带根旱伞草(株高50～100cm)，种植到深25～30cm、直径25～30cm或边长25cm的透水容器盆(如园艺用盆，且四周及底部需打孔，孔径0.8～1cm，打孔面积比例为10～20％)内，采用级配砂石、河泥或塘泥和引种物填充至20～24cm，没过旱伞草根3～5cm，静置在水池边或水沟里7～10d，保持湿润，待旱伞草的根通过孔隙从盆孔长出，得培养旱伞草，可用于后续安装使用，然后将有机废水引入处理池。
其中，本专利采用的引种物＞95％的重量成分为生蚝壳、扇贝壳等的粗磨粉(粒度0.01～1.0mm)以及一定重量比的微生物活性菌粉。主要是为本装置的快速启动提供微生物源和微生物生长的营养素(如Ca元素等)。
同样，培养旱伞草的数量及组成的阵列面积，对于处理的效果亦是至关重要的。发明人长期验证，发现了阵列面积(S)与有机废水的COD浓度(αCOD)存在一定的拟合关系，即为S＝(αCOD)1.3/400，且R2＝1(R表示数据方差)。其中，阵列面积S的单位为m2，有机废水的COD浓度αCOD的单位为mg/L。
而在确定的阵列面积S内，需要的培养旱伞草的数量N＝S·ρ，其中，ρ表示阵列密度，即单位面积中，需设置的培养旱伞草数量，其单位为：个/m2。在本发明申请中，阵列密度是发明人经过试验后得到的最佳值，取ρ＝8～12个/m2。
具体的，假设需要处理的有机废水的αCOD分别为100mg/L、1000mg/L、2000mg/L，则需要的阵列面积S和培养旱伞草数量N如表1所示。
表1
α<sub>COD</sub>(mg/L)
100
1000
2000
处理后α<sub>COD</sub>(mg/L)
≤50
≤50
≤50
S(m<sup>2</sup>)
1
20
49
N(个)
8～12
160～240
392～588
由表1可知，即当待处理的有机废水αCOD为100mg/L时，仅需在1m2的阵列面积内设置8～12个培养旱伞草，即可完成有机废水的处理；当待处理的有机废水αCOD为1000mg/L时，仅需在20m2的阵列面积内设置160～240个培养旱伞草，即可完成有机废水的处理；当待处理的有机废水αCOD为2000mg/L时，仅需在49m2的阵列面积内设置392～588个培养旱伞草，即可完成有机废水的处理。且经过发明人实际测试，处理后的有机废水αCOD均可降至50mg/L以下。本发明对于αCOD为100～5000mg/L的有机废水均具备处理能力。需要强调的是，当有机废水负荷αCOD超过装置设计值时，应稀释后使用。
在旱伞草的阵列(池或沟)安装过程中，保证每条处理沟的长宽比≥20倍，确保有机废水充分处理。
在旱伞草的阵列(池或沟)安装过程中，需选取不会被雨水淹没的场地，并按计算得到的阵列面积平整土地，并挖深30～50cm，铺防渗膜，防止有机污水渗入地下造成二次污染，以此作为处理池；在处理池四周砌砖或石头，高度60cm，防止高浓度污水溢出，并防止暴雨满溢；在处理池内部均匀铺上级配砂石(经拌匀的石子、碎砖)、当地河泥或塘泥和引种物，能够快速启动培养旱伞草的处理活性，实现微生物对有机物的分解，以实现旱伞草根部对分解后物质的吸收，并促进旱伞草快速生长。
在处理池(沟)的一端设置首部集水坑，用于倾倒有机废水并布水、补水；于处理池的另一端设置尾部汇水坑，便于观察监测水质和安装循环水泵；并于处理池的尾部安装溢流口，处理后的达标水可从这里自然排出或泵出，再于尾部汇水坑安装循环泵，可将处理池内的水抽到首部进行循环。而旱伞草可以按“对角线”方式或“平行”方式固定排列于处理池内。也可在池内布置垄埂(采用同样的级配砂石、河泥和引种物)，将旱伞草种植在垄上，待旱伞草扎根后即可处理污水。
当开始处理有机废水时，先将有机废水引流至首部集水坑储存，使有机废水均匀分布到处理池内，在水势的作用下自然向尾部流淌。为提高装置处理效率，装置内液面需控制在距离盆内填充物表面5～10cm以下(保持旱伞草的根部不是全淹没状态)。需要强调的是，因为培养旱伞草需要适应时间，自有机废水引入处理池的首部前，需要7～10d的启动时间，达到日处理能力的设计值(1～1000L/m2·d)。其中待处理的有机废水对象较广，可以是规模化养殖场粪污等厌氧发酵后的沼液，也可以是猪粪尿、牛粪尿原液，或高浓度的餐厨污水、城市垃圾处理厂渗滤水，以及规模化水产养殖的尾水等。务必注意，初始污水的COD浓度不能太高(超过5000mg/L)，需要稀释，并进行适应性培养。
待培养旱伞草长到1.5～1.6m高时，可刈割；或在每年的5～10月期间，每个月刈割一次；培养旱伞草刈割后3～5d，需适当降低引入有机废水的量，以便减小负荷。刈割出来的旱伞草可用作青饲料、青干饲料或青贮饲料，重新进入动物食物链，也可晒干后打捆作燃料，还可编织作手工产品等，能够循环进行利用。
在夏季时也应适当遮荫，防止水温长时间超过30℃，优选20～30℃；春、秋、冬季环境日均温度低于5℃或最低温度低于0℃时，装置应扣塑料膜保温，并防止冰冻。
本发明的有益效果为：
本发明所述的处理有机废水的方法，具有快速高效直接处理较高浓度有机污水的能力，且旱伞草生长速度快、生物量大、转化效率高，而且利用方便，是其他植物不具备的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1所述旱伞草的阵列安装的单位面积示意图。
图2是实施例2所述旱伞草的阵列安装的单位面积示意图。
图中附图标记：
1-集水坑；2-汇水坑；3-溢流口；4-循环泵；5-培养旱伞草。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种处理有机废水的方法，包括如下步骤：
(1)旱伞草的培养：选取生长旺盛的带根旱伞草(株高50cm)，种植到深25cm、直径25cm的透水园艺用盆(四周及底部打孔，孔径0.8cm)内，采用级配砂石、河泥和引种物填充至20cm，静置在水池边7d，保持湿润，待旱伞草的根从盆孔长出，得培养旱伞草5；
(2)旱伞草的阵列设计：选取COD浓度为100mg/L的有机废水作为处理对象，则由公式S＝(αCOD)1.3/400和N＝S·ρ可知，阵列面积S＝1m2，培养旱伞草5数量N＝8～12个，在本实施例中取N＝8；
(3)旱伞草的阵列安装：选取不会被雨水淹没的场地，按步骤(2)计算得到的面积(1m2)平整土地，并挖深30cm，铺防渗膜，防止有机污水渗入地下造成二次污染，以此作为处理池；在处理池四周砌砖或石头，高度60cm，防止高浓度污水溢出，防止暴雨满溢；在处理池内部均匀铺上经拌匀的石子、碎砖和引种物，能够快速启动培养旱伞草5的处理活性，实现微生物对高浓度废水的分解，以实现旱伞草根部对分解后物质的吸收，并促进旱伞草植株的快速生长；在处理池的一端设置首部集水坑1(边长为100cm的正方形，比处理池深挖30cm)，池长20m(场地受限时可采用折流式)，于处理池的另一端设置尾部汇水坑2(边长为100cm的正方形，比处理区深挖30cm)，集水坑1与汇水坑2同样铺防渗膜和砌砖。并于汇水坑2安装溢流口3，处理后的达标水可从这里自然排出或泵出，再于尾部安装循环泵4，可将处理池内的水抽到首部1进行循环。而培养旱伞草5按“对角线”方式固定排列于处理池内；
(4)有机废水的处理：将有机废水引入处理池的首部1，污水在水势压力下自然向尾部渗流，边流动边处理，最后得到达标处理，到达汇水坑2；必要时启动循环泵4，直至完成处理并排放；经处理后，有机废水αCOD降至50mg/L以下；
(5)维护：在处理过程中，待培养旱伞草5长到1.5m高时，进行刈割；培养旱伞草5刈割后3d内，需适当降低引入有机废水的量，以便减小负荷；在夏季时也应适当遮荫，防止水温长时间超过30℃；春、秋、冬季环境日均温度低于5℃时，应扣塑料膜保温，并防止冰冻。
实施例2
本实施例提供一种处理有机废水的方法，包括如下步骤：
(1)旱伞草的培养：选取生长旺盛的带根旱伞草(株高100cm)，种植到深25cm、直径25cm的透水园艺用盆(四周及底部打孔，孔径1cm)内，采用级配砂石、河泥和引种物填充至20cm，静置在水沟里10d，保持湿润，待旱伞草的根从盆孔长出，得培养旱伞草5；
(2)旱伞草的阵列设计：选取COD浓度为100mg/L的有机废水作为处理对象，则由公式S＝(αCOD)1.3/400和N＝S·ρ可知，阵列面积S＝1m2，培养旱伞草5数量N＝8～12个，在本实施例中取N＝12；
(3)旱伞草的阵列安装：选取不会被雨水淹没的场地，按步骤(2)计算得到的面积(1m2)平整土地，并挖深50cm，铺防渗膜，防止有机污水渗入地下造成二次污染，以此作为处理池；在处理池四周砌砖或石头，高度60cm，防止高浓度污水溢出，防止暴雨满溢；在处理池内部均匀铺上经拌匀的石子、碎砖、引种物，能够快速启动培养旱伞草5的处理活性，实现微生物对高浓度废水的分解，以实现旱伞草根部对分解后物质的吸收，并促进旱伞草植株的快速生长；在处理池的一端设置首部集水坑1(边长为100cm的正方形，比处理池深挖50cm)，池长20m(场地受限时可采用折流式)，于处理池的另一端设置尾部汇水坑2(边长为100cm的正方形，比处理区深挖50cm)，集水坑1与汇水坑2同样铺防渗膜和砌砖。并于汇水坑2安装溢流口3，处理后的达标水可从这里自然排出或泵出，再于尾部安装循环泵4，可将处理池内的水抽到首部1进行循环。而培养旱伞草5按“平行”方式固定排列于处理池内；
(4)有机废水的处理：将有机废水引入处理池的首部1，污水在水势压力下自然向尾部渗流，边流动边处理，最后得到达标处理，到达汇水坑；必要时启动循环泵4，直至完成处理并排放；经处理后，有机废水αCOD降至50mg/L以下；
(5)维护：在处理过程中，在每年的5～10月期间，每个月刈割一次，进行刈割；培养旱伞草5刈割后5d，需适当降低引入有机废水的量，以便减小负荷；在夏季时也应适当遮荫，防止水温长时间超过30℃；春、秋、冬季环境日均温度低于0℃时，应扣塑料膜保温，并防止冰冻。
本发明还提供实施例3～5，分别处理COD浓度为1000mg/L、2000mg/L和5000mg/L的有机废水，实施例3～5的具体操作步骤同实施例1，实施例3～5的旱伞草的阵列设计如表2所示。
表2
实施例3
实施例4
实施例5
初始α<sub>COD</sub>(mg/L)
1000
2000
5000
处理后α<sub>COD</sub>(mg/L)
≤50
≤50
≤50
环境条件
23～25℃
23～25℃
23～25℃
S(m<sup>2</sup>)
20
49
161
N(个)
160
588
1288
最后，发明人又进一步试验，将6kg/d沼液处理30d，结果如表3所示。其中，试验用旱伞草沟宽0.25m、长10m、深0.2m，环境温度20-30℃。
表3
处理前
处理后
去除情况/去除率
沼液状态
黑色、稀汤状
微黄色
/
沼液pH值
8.8
7.7
呈弱碱性
沼液α<sub>COD</sub>(mg/L)
2013
43
97.9％
沼液TN(％)
0.432
0.007
98.4％
沼液TP(mg/kg)
252
2.1
99.2％
旱伞草生长情况
30～40cm
150～180cm
/
注：去除率＝(处理前数值-处理后数值)/处理前数值×100％
综上所述，本发明所述处理有机废水的高效生物方法具有显著的效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
