CN101525208A - 村镇污水与垃圾集约处理与资源化绿色工程 - Google Patents

Abstract

村镇垃圾和污水的集约处理与资源化绿色工程是完全不用矿物能和电能的环境工程方法，它以嫌氧发酵制取甲烷(沼气)，使垃圾和污泥中的有机质分解殆尽，获得清洁、高发热量的沼气，它可供民用或工业用，或处理工艺中自用。它使污水经历好氧环境、嫌氧发酵及土地处理和曝气，从而达到排放或养殖、种植水质。它引入太阳能有机农产品禽畜品高产多用大型温室技术的原理，克服季节对生物处理的制约，使整个处理过程的微生物和植物处于最佳温度条件，四季和任何地理条件均能高效产出甲烷，净化水质。农业环境总是具有点多，面广和量少、分散的特点，城市环境处理方法对三农完全不适用，而本技术可在省投资，长有效条件下集约、优化解决。

Description

村镇污水与垃圾集约处理与资源化绿色工程

本发明属于环境工程和农村生态环境建设工程，也是生物热能供应工程。

我国正迅速走向农村城镇化甚至城市化的阶段，由于农村人口和面积均大大超过当前城市的人口和面积，对村镇污水与垃圾的处理与资源化日趋迫切和严重，从长远看，其重要性将超越城市环保的重要性。

近年国内外都关心村镇环境保护，并提出了许多解决办法，但是这些方法都存在一些缺点。

新加坡将建第一条“绿色通道”，将垃圾焚烧后的灰烬铺于柏油路下。这些灰烬得到了处理，但其成份——其中的磷、钾等元素，未能再循环，有了绿色，却中止了肥料循环。

内蒙古鄂尔多斯市东胜区建成了垃圾联合厌氧发酵生产线，它能将垃圾和污水厂的污泥一起处理，最后形成固液态肥料和沼气。此技术综合利用了城市固态和半固态废弃物，但人工分拣机械化生产线上的塑料纤维类，磁选金属物，风吹破玻璃，余下的进入垃圾发酵大罐。这处理过程复杂，投资大，处理能力有限，且污水问题未能解决，显然不适用于广大农村。

奥林匹克森林公园构建了源分离及生活废物资源化循环利用的实用工程系统，解决了污水处理达标和废物的肥化处理、有机肥应用等技术措施，符合废物资源化和节能减排等环保理念。这是首次在公园建立生活排污源分离与就地资源化闭路循环系统。但这技术只有在奥运会配套，工程不计投资，只要生态和国际影响的示范工程中使用，显然不适用于广大农村。其由清华大学开发有源分离即单独收集尿液、负压分离大便的负压源分离系统，是任何农村所无法实施(无力投资)的阳春白雪，奥运会是此“昙花”唯一机遇。

湖北省恩施州生态家园户用沼气池项目于近日获联合国批准，成功注册为清洁发展机制(CDM)项目。这项目由中国农科院农业环境与持续发展研究所主持开发的项目，预计可在10年内为3.3万农户带来6000万元的直接经济效益。该技术以每户沼气池建设为重点，实现“一池三改”模式，把沼气池建设同改厨、改圈、改厕结合起来，减少农户人、猪粪便及污水的甲烷排放，并将甲烷供农户生活用能(热)。该技术充分考虑农村环境保护的特点，但没有集约化的优点，因此它单项工程数与农户数等同，众多工程的人力物力投资巨大，也有美中不足。

上述技术均见诸近日报导，可见，对废水废物处理至今尚无集约化的十全十美的方法，更无普遍适用于广大农村的方法。

本发明博采迄今为止的城市污水和垃圾处理方法之所长，结合农村污水和垃圾富含有机质而它们又是生物处理与利用对象的特点，及污染源点多分散又不宜高度集中处理，必须节省初期投资和管理费用的农村特点，提出村镇污水与垃圾的集约处理与资源化系统工程(以下简称治污工程)，这是在农村建设环境友好型和资源节约型社会，使三农快速现代化的利民技术。

治污工程可以是相邻几村共用，亦可一镇、几镇共用，每个工程的处理能力由服务区内污水和垃圾的总量而定。

工程的位置选择要由当地地形、夏季主导风向、村镇分布、道路等等而定。在理想情况下，工程位置选在服务区较中间的位置，在低洼区(以利污水聚集和垃圾运输方便，但应避开洪水区)，在夏季主导风向的下风位置(以使居民完全不受污染空气的影响，但在村庄密集的地区难考虑)。说明书附图1是工程选址的示意图。图中100、90、80为地形等高线。图幅内为宽缓的山谷。3个发酵地位于谷中。它们坡下方为污水土地处理区(如虚线圈出的范围)。发酵池上坡或周围为几个村庄(图中斜线块状图)，它们接收各村庄运来的垃圾和污水。正常情况下由两个发酵池产生甲烷(另一个备用)，由池顶的集气罩集甲烷，再由管路送到各户，供烧水、做饭和煮饲料，冬天烧土暖气供热等。我国除两广外，冬季的气温很低，不利或不能供甲烷菌的高速繁殖所需的温度，这时可由自产的甲烷气为发酵池加温。即使在两广，自然气温也不一定是适合甲烷菌生长的最佳温度。所以以自产甲烷调节发酵池温度，在任何气候和地区也是必要的。垃圾和污水在甲烷菌的嫌氧发酵下，产出甲烷，并作高温无菌化处理。在有机物分解殆尽后，由池底的螺旋运输机将发酵后的残渣排出，这时，原垃圾和污泥已无菌化，且显著减量，可由人工拣捡分类：主要为塑料残品、金属残体和少量建材垃圾、泥砂等。前两类可回收利用，后两类可直接去铺路填沟。此外，半污水中还有少量泥质。对此可在出池口建沉淀池，将它沉积集中，此沉淀泥富含钾和磷以及钙，是很好的肥料，可直接施用于果木等。若污泥中有重金属或放射性则将它掺入制砖土中，让它们固化于砖体中。这过程有害成份被“稀释”。若成品砖中放射性仍超标，这超标砖可深埋于新建公路的路基下，必要时上面再铺铅板。

经嫌氧处理后的污水，自流进入土地处理区。这时的污水在土地表面缓慢流动或渗入地下渗流，最后流渗入低端的跌水沟。这过程，污水经好氧处理，过滤和植物根系的吸收，一般已净化成合格的灌溉用水。在启用的头1-2年，要经常测水质，看它是否合乎农用水或排放标准，必要时加以再处理。掌握水质正常和规律后，可改为抽样检测。

土地处理区的植物群落的人工选择和培育：基本要求是全为沼生或湿地植物，要草本和木本搭配，尽可能全为多年生草本和常绿木本，且都是根系发育的品种。在冬季寒冷地区(我国几乎所有省区)可建太阳能大型温室(土地处理温室)，在不耗矿物能和电能的条件下，维持冬季的高温或恒温。在极寒冷的亚寒带也可考虑以甲烷补温。经嫌氧处理后的污水，若其中重金属等超标，且好氧处理过程也不能使水质达标时，可选择对该种重金属有很强吸附、吸收作用的植物，混栽于土地处理温室区，以它们消除或降低重金属。

产甲烷属是个庞大的属，它的各种、亚种的产CH₄能力不同，对垃圾和污水的适应性也不同，为此，应从众多甲烷种属中符选出产CH₄能力强并且当地垃圾和污泥适合它高速繁殖的菌株，测定它(们)的最佳培养温度，将发酵池的温度调控，以达到该菌株的最佳生长条件，并高产CH₄。必要时以专用发酵罐培养种子液，定期将对数生长期的菌液喷酒于发酵池，使这最佳菌株在发酵池中总处于优势菌落。

整个治污工程都是生物处理，这种环境工程技术对有机物为主的废弃物和污水是很成熟的、有效的，因而不存在颠覆性风险。生物处理的缺点是，它受季节的影响大，即使在冬暖夏热的两广，其在冬天的处理效果也不佳；在其它冬冷的地区，生物处理效果近于零(因微生物停止活动，植物的生理活动也极慢)。这是生物处理未能普及的根本原因。

本发明将太阳能有机农产品禽畜品高产多用大型温室技术引入治污工程，将此技术的原理与治污工程实践相结合，从而使生物处理工艺完全摆脱季节影响，并且实现处理环境的温度最优化，从而达到最高效的治污效果。具体方法是：将发酵池建成东西延长，正南立面，朝南缓坡的有顶棚建筑，南立面用PMMA加强阳光采集，使冬季的阳光从日出到日落全部采集到发酵池内，造成四季常温的发酵环境。将土地处理区建成太阳能大型温室，其南立面也以PMMA加强阳光采集，造成一个四季常温的植物生长环境。

治污工程的处理对象中，生活垃圾相对很少，而污水量相对很大，在进入发酵池时，新进入的常温(低温)污水常使池内发酵环境降温，从而使产甲烷菌的活动受低温影响。这就需要提前给污水加温，加温到与发酵所需的温度(一般为30℃±)。为此，来自污水源的污水先进入污水加温盘，污水在此盘上以薄层水缓慢流过，起部分好氧发酵和曝气的作用，但主要是接受加温过程。热源是PMMA采集的阳光。加温盘类似于太阳能大型温室，它立面朝正南，顶棚为向正南倾斜的平面，立面和顶棚面均由PMMA加强冬季采光，(它在夏季拒光，可免温度过高)。加温盘另一热源为甲烷锅炉提供的暖气，暖气管铺设于其底部。这暖气管供热主要用于污水量过大，流经加温盘后水温达不到要求时补温；在夜间无阳光、温度达不到时也可以此加温。加温盘要尽可能大些，特别是长些，使污水以极其薄的水层较长时间在盘上加温，既使水加温又起部分发酵的作用。加温盘的下游方向与发酵池相连，加热后的薄层水可单独流入一个发酵池。盘上设刮板，盘下有底启式排料门，当盘上固体、半固体较多时，可用刮板将它们排入发酵池。

每个发酵池都有螺旋式运输机，当发酵池在发酵过程，启动螺旋式运输机，它起搅拌作用。当发酵池排料门开启时，它将嫌氧发酵后的残渣推出发酵池，经嫌氧处理的半污水也排出、流经排出口外的长形沉淀池，将污泥渣留于沉淀池，半清水进入土地处理温室。

治污工程的整个工艺都是生物处理，因此它对垃圾和污水的处理是最全面彻底的。甲烷菌在活动过程中要消耗大量的氮，磷、钾和微量元素；其发酵剩下的污泥(沉淀物)也含氮、磷、钙和微量元素，它们可作为有机肥料送住果园。经嫌氧发酵处理的半清水的有机质和矿物肥料在土地处理温室为植物所吸收、吸附，和为土壤所过滤和吸附。

经温室土地处理后的清水，在下游有跌水曝气坝，对清水作最后的净化。

经净化的清水，可达到排放或农业灌溉用水标准。水可供种植、养殖用，也可供居民洗涤用水和冲厕用水。

治污工程完全不用电，也很少用动力，所用动力机械全部采用甲烷发动机，它们包括提升水位的水泵、运输搅拌的螺旋运输机、刮板机以及运料(甲烷)汽车。固定设备排放的CO₂，可用管道送往土地处理温室和普通用途的太阳能大型温室，作为气肥促使植物增产。

农村的固体废弃物比它排放的污水要少得多，而污水中有机质含量又不高，所以农村治污工程所产生的甲烷气量主要将消耗在工程自用设备上，余下的甲烷是不足以供给居民生活用热的。为此要扩大甲烷产量，这当然得加大治污工程的产气能力，就要增加造甲烷的原料。甲烷原料可收购当地的秸秆等农业废弃物，也可扩大土地处理温室的面积，以其产出的草木植物为原料。当以这两种植物体为原料造甲烷时，可将发酵罐培养出的、正值对数生长期的优质甲烷菌液体接入，然后进入发酵池发酵。显然只要当地居民用热和生产需要，可将甲烷生产能力进一步扩大，这时的治污工程已成为生物能源工厂，处理垃圾和污水只是其附带功能。

甲烷除直接供农户外，还可以用它烧锅炉，锅炉产生的蒸汽，可供前述加温盘用，也可以蒸汽的方式用管道输往各农户和工厂。不过，甲烷燃烧也产生CO₂。在有丰富风能资源地区，建议首选风力电锅炉。甲烷还是重要的化工原料，可供给有机化工厂生产许多化工产品。

说明书附图中，图1为农村治污工程平面布置图。图中，1为村镇位置(范围)。2为输污水管道。3为加温盘。4为发酵池。5为沉降池。6为土地处理大型温室。7为跌水曝气坝。

图2为治污工程流程图。图中，1为垃圾和污水源。2为垃圾运送路径。3为污水输送管道。4为污水分配管。5为加温盘。6为集水槽。7为排水排污物下开排料门。8为发酵池。9为池盖及其顶的集气管道。10为集气管。11为自用供气管(供螺旋式输送机等)。12为供用户送气管。13为垃圾投放口。14为残渣排放口(可开关，可排放经嫌氧菌发酵后的残渣和半清水。残渣用池中的螺旋输送机排出)。15为污泥沉淀池。16为半清水进土地处理大型温室的进水口。17为太阳能土地处理大型温室。18跌水曝气坝。19为集清水槽。20为排水口。21为供用户排水口(或接排水管)。22为加温盘正南立面的PMMA采光板。23为发酵池正南面立面的PMMA采光板。24为太阳能土地处理大型温室的正南立面的PMMA墙面。

图3为甲烷锅炉。其中1为搪瓷大锅。2为甲烷喷嘴。3为储热耐火砖。4为输送甲烷管。5为热电耦。6为地面保温层。7为水位器。8为保温锅盖。9为输蒸气管。

Claims (10)

1、村镇垃圾和污水集约处理与资源化绿色工程，其特征在于：

a、将垃圾和污水一起处理；

b、以生物方法处理；

c、以发酵池嫌氧发酵和土地处理好氧处理；

d、四季不耗矿物能源，不用电；

e、不用任何化学药剂；

f、筛选优秀甲烷菌种，培养后拌入原料植物体；

g、充分利用垃圾和污水中的有机、无机成份；

h、主要产品为甲烷，可供工艺自用，农户用和工业用，可按需生产；

i、经处理水可达排放或农业灌溉用水标准；

j、除用垃圾和污泥外，还可利用任何植物作原料；

k、一次投资小，且长期有效；

l、所需劳力少，运营成本低，管理简单；

m、适用于各种地理和气候条件；

n、没有二次污染，绿色工艺和产品。

2、根据权利要求1所述特征，污水经预热(在加温盘加热到30℃±)后进入发酵池。

3、根据权利要求1所述特征，经加温的污水进入发酵池与垃圾一起嫌氧发酵，产出甲烷。

4、根据权利要求1所述特征，发酵池内设螺旋运输机，起搅拌或排料作用。

5、根据权利要求1所述特征，垃圾经发酵减量后再将残渣分拣和分别利用。

6、根据权利要求1所述特征，经嫌氧的产甲烷菌作用后的半清水进入土地处理大型温室的氧化处理和植物处理，达到排放或农业灌溉用水的标准。

7、根据权利要求1所述特征，加温盘、发酵池和在大型温室均以它们的正南方的立面，以PMMA板材加强采光。

8、根据权利要求1所述特征，冬天加温盘、发酵池和大型温室均为周围闭合，上面加盖的封闭环境。

9、根据权利要求1所述特征，可按需供甲烷，甲烷量很大时，可扩大工程规模，直至成为生物燃料工厂。

10、根据权利要求1所述特征，除利用垃圾和污泥外，还可用秸秆等植物体作原料。

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