生活污水净化土壤沟槽及其构建方法

摘要

一种环境工程技术领域的生活污水净化土壤沟槽及其构建方法，包括：进水机构、覆土层、混合层、含有生物填料的土壤层、砾石层、细砂层、隔水层和排水机构，其中：覆土层、混合层、含有生物填料的土壤层、砾石层、细砂层和隔水层由上而下依次设置，进水机构与混合层相连接，排水机构与砾石层以及细砂层相连接。本发明不仅能使包括化粪池出水在内的生活污水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级排放标准(GB18918-2002)，而且还能有效防止沟槽处理系统发生堵塞问题。

权利要求

1.一种生活污水净化土壤沟槽，包括：进水机构、覆土层、混合层、含有生物填料的土壤层、砾石层、细砂层、隔水层和排水机构，其特征在于：覆土层、混合层、含有生物填料的土壤层、砾石层、细砂层和隔水层由上而下依次设置，进水机构与混合层相连接，排水机构与砾石层以及细砂层相连接；

所述的混合层由体积比为1∶1的砾石和粗砂混合而成。

2.根据权利要求1所述的生活污水净化土壤沟槽，其特征是，所述的进水机构包括：进水池和若干条配水槽，其中：进水池的出口与配水槽相连接，配水槽均匀设置于混合层内，配水槽宽度为200mm，其布设数量为每1.5m的横向宽度设置一个。

3.根据权利要求1所述的生活污水净化土壤沟槽，其特征是，所述的排水机构包括：集水管、储水池和抽水泵，其中：集水管的一端位于砾石层和细砂层内，另一端与内置抽水泵的储水池相连接。

4.一种根据权利要求1所述的生活污水净化土壤沟槽的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、在选定的位置开挖沟槽体，然后在沟槽体的底部及周围铺设聚乙烯防渗膜，并在聚乙烯防渗膜上依次铺设细砂层和砾石层，并在底部铺设集水管，并将集水管以5‰的坡度向出水方向铺设，并使其连接储水池，储水池中设置抽水泵以排除处理水；

第二步、在沟槽体的土壤层上方以木制网格作为生物填料的安装固定架，然后将生物填料悬吊在网格状固定架上，使生物填料垂直悬挂并在下端与沟槽体的砾石层接触；

第三步、将开挖的土壤由上往下逐步倾入槽体中，直至土壤添加到能够满足夯实后达到450mm～500mm的土壤层厚度后，将悬挂在固定架上的生物填料沿着土壤平面剪下，将网格固定架拆除，然后夯实土壤层，保证生活污水净化土壤沟槽结构的刚度；

第四步、在土壤层上铺设混合层，并沿着进水方向将混合层按5‰的坡度向集水井方向倾斜，配水槽设置在混合层前端，利用混合层对系统均匀配水，最后在混合层上加覆土层，覆土层的厚度由当地的最低气温决定，以混合层不结冰为下限，但为防止蚊蝇的发生，即使在不发生冰冻的地区，覆土层厚度也应保持在100mm以上。

5.根据权利要求4所述的生活污水净化土壤沟槽的构建方法，其特征是，所述的沟槽2

体的净深度为700mm～900mm，面积为2.5Q～5Q m，其中，Q为每天处理的以立方米为单位的污水的数值。

6.根据权利要求4所述的生活污水净化土壤沟槽的构建方法，其特征是，所述的生物填料的装填量由以下方式确定：-6

当土壤层内的土壤渗透系数小于10 cm/s时，生物填料装填密度为每立方米土壤均匀2

装填表面积大于等于40m 的填料；

-5 -6

当土壤层内的土壤渗透系数在10 -10 cm/s时，生物填料装填密度为每立方土壤均匀2

装填表面积为20-40m 的填料；

-5

当土壤层内的土壤渗透系数大于10 cm/s时，生物填料装填密度为每立方米土壤均匀2

装填表面积为10-20m 的填料。

7.根据权利要求4所述的生活污水净化土壤沟槽的构建方法，其特征是，所述的夯实土壤是指：土壤经过夯实后，不会因为土壤的密实度不够发生沉降，同时要求夯实后土壤层的厚度达到设计厚度。

说明书

生活污水净化土壤沟槽及其构建方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种环境工程技术领域的装置及其制作方法，具体是一种可防止堵塞的生活污水净化土壤沟槽及其构建方法。

背景技术

[0002] 土壤沟槽法是一种能够对生活污水进行就地达标处理的技术。土壤沟槽技术始于上世纪70年代的美国，经过30多年的发展，目前，美国EPA已将其作为家庭污水净化的一个重要方法进行推广，并已在近21％的美国家庭污水处理中获得了应用。由于土壤沟槽在使用中，具有不需要长距离铺设收集管网、运行成本低、病原体能得到良好控制、污水处理后出水水质良好等优点，从上世纪80年代中期起，日本、韩国、澳大利亚、欧洲等许多国家也开始投入资金对该技术进行了大量的研究和推广应用，从上世纪90年代起，该技术在我国也已得到了一定程度的应用。

[0003] 然而，土壤沟槽在使用中还存在着明显的不足。由于土壤沟槽的主要介质为土壤，因此，在污水过程中极易发生土壤空隙的堵塞问题。正因为这个问题的存在，澳大利亚有近70％的土壤沟槽陷于瘫痪(S.Carroll，A.Goonetilleke，W.A.Khalil，et al，Assessmentvia discriminant analysis of soil suitability for effluent renovation usingundisturbed soil columns，Geoderma，2006，131：201？17；)、美国有近72％的土壤沟槽需要经常性的开挖修整(US EPA，1997.Response to congress on use of decentralizedwastewater treatment systems.United States Environmental，Protection Agency，EPA832-R-97-001b)。究其原因，堵塞问题的发生是由于许多地区的土壤渗透性能不高、孔隙容易为污水中的颗粒状污染物和污水处理中繁殖的微生物所堵塞所致，可见，如何改进土壤沟槽介质结构使其不发生堵塞问题，已成为土壤沟槽能否稳定运行的关键点(A.Heistad，A.M.Paruch，L.Vrale，K.Adam，et al.，A high代erformance compact filter systemtreating domestic wastewater，Eecological Engineering，2006，28：374-379)。

[0004] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN2646136记载了一种“高效防堵土壤生物废水处理装置”，该技术在土壤处理装置中层搭建空气通道，可以改善系统的复氧能力，但根据孙宗健，丁爱中，滕彦国.在《人工土壤渗滤对颗粒COD的吸附及堵塞》(环境工程，2008，26(6)：39-44)中的记载，堵塞主要发生在土壤表层20cm，因此该技术仅可以缓解堵塞的速度，并不能从本质上解决堵塞问题，而且中层建立空气通道的花费较为昂贵。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种生活污水净化土壤沟槽及其构建方法，用有机纤维导流，在土壤中加入了无数个导流管，提高了土壤的渗透系数，加快污水向下的移动速度，减少污水在土壤上层的滞留量；能够使包括化粪池出水在内的生活污水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级排放标准(GB18918-2002)，而且可以有效防止系统发生堵塞的问题。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 本发明涉及生活污水净化土壤沟槽，包括：进水机构、覆土层、混合层、土壤层、砾石层、细砂层、隔水层和排水机构，其中：覆土层、混合层、土壤层、砾石层、细砂层和隔水层由上而下依次设置，进水机构与混合层相连接，排水机构与砾石层以及细砂层相连接。

[0008] 所述的进水机构包括：进水池和若干条配水槽，其中：进水池与配水槽相连接，配水槽设置在混合层内，配水槽宽度为200mm，其布设数量为每1.5m的横向宽度设置一个。

[0009] 所述的排水机构包括：集水管、储水池和抽水泵，其中：集水管的一端位于砾石层以及细砂内，另一端与内置抽水泵的储水池相连接。

[0010] 所述的覆土层包括：防冻层和地表硬化层或植被层，厚度以混合层不冻结为下限，但为防止蚊蝇的滋生，即使在不发生冰冻的地区，覆土层厚度也应保持在100mm以上；

[0011] 所述的混合层由体积比为1∶1的砾石和粗砂混合而成，其厚度为100mm～150mm，其中：砾石粒径6～10mm，粗砂直径0.5-2.0mm；

[0012] 所述的土壤层的厚度为450mm～500mm，由开挖土壤与生物填料构成；

[0013] 所述的砾石层的厚度为50mm～100mm，由6～10mm的砾石构成；

[0014] 所述的细砂层的厚度为100mm～150mm，由0.5～1.0mm的细砂构成；

[0015] 所述的隔水层是市场上出售的厚度大于1.5mm高密度聚乙烯防渗膜，防止污水污染地下水。

[0016] 本发明涉及上述生活污水净化土壤沟槽的构建方法，包括以下步骤：

[0017] 第一步、在选定的位置开挖沟槽体，然后在沟槽体的底部及周围铺设聚乙烯防渗膜，并在聚乙烯防渗膜上依次铺设细砂层和砾石层，并在底部铺设集水管，并将集水管以5‰的坡度向出水方向铺设，并使其连接储水池，储水池中设置抽水泵用于排除处理水；

[0018] 所述的沟槽体的净深度为700mm～900mm，面积为2.5Q～5Q m2其中，Q为每天处理的以立方米为单位的污水量。

[0019] 第二步、在沟槽体的土壤层上方以木制网格作为生物填料的安装固定架，然后将生物填料悬吊在网格状固定架上，使生物填料垂直悬挂并在下端与沟槽体的砾石层接触。所述的生物填料为聚烯烃类和聚酰胺构成，结构为类试管刷毛刷状，所述的生物填料设计加入量按以下方式确定：

[0020] 当土壤层内的土壤渗透系数小于10-6cm/s时，生物填料装填密度为每立方米土壤2
均匀装填表面积大于等于40m 的填料；

[0021] 当土壤层内的土壤渗透系数在10-5-10-6cm/s时，生物填料装填密度为每立方土壤2
均匀装填表面积为20-40m 的填料；

[0022] 当土壤层内的土壤渗透系数大于10-5cm/s时，生物填料装填密度为每立方米土壤2
均匀装填表面积为10-20m 的填料。

[0023] 第三步、将开挖的土壤由上往下逐步倾入槽体中，直至土壤添加到能够满足夯实后达到450mm～500mm的土壤层厚度后，将悬挂在固定架上的生物填料沿着土壤平面剪下，将网格固定架拆除，然后夯实土壤层，保证生活污水净化土壤沟槽结构的刚度。

[0024] 第四步、在土壤层上铺设混合层，并沿着进水方向将混合层按5‰的坡度向集水井方向倾斜，配水槽设置在混合层前端，利用混合层对系统均匀配水。最后在混合层上加覆土层，覆土层的厚度由当地的最低气温决定，以混合层不结冰为下限，但为防止蚊蝇的发生，即使在不发生冰冻的地区，覆土层厚度也应保持在100mm以上。

[0025] 与已有技术相比，本发明具有如下优点：(1)在采用普通土壤做土壤沟槽介质的系统中，不需要在土壤中混入砂石和铁屑等介质；(2)经过去除悬浮物预处理后的污水进入该系统后，不会因为土壤性质变化而出现系统堵塞问题，利用聚烯烃类和聚酰胺材质构成的市售刷状生物填料的导水性能，使得土壤的渗透性大大提高，摆脱了传统生活污水净化土壤沟槽对土壤选型的依赖，扩大了生活污水净化土壤沟槽使用的地域范围；(3)能够承受更大的水力负荷，当水力负荷高达20.0-40cm/d时，污水经过该系统处理后，依然可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级排放标准(GB18918-2002)。

附图说明

[0026] 图1为本发明结构示意图。

[0027] 图2为生物填料安装示意图。

[0028] 图3为生物填料在土壤层中的固定示意图。

具体实施方式

[0029] 下面对本发明的实施例作详细说明，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0030] 如图1所示，本实施例包括：进水机构、覆土层1、混合层2、土壤层3、砾石层4、细砂层5、隔水层6和排水机构，其中：覆土层1、混合层2、土壤层3、砾石层4、细砂层5和隔水层6由上而下依次设置，进水机构与混合层3相连接，排水机构与砾石层5以及细砂层6相连接。

[0031] 所述的进水机构包括：进水池7、若干个配水槽8，其中：进水池出口与配水槽相连接，配水槽设置于混合层内，将污水依靠重力自流进入沟槽中，配水槽宽度为200mm，其布设数量为：测算与其垂直的横向宽度，每1.5m的横向宽度设置一个沟槽。

[0032] 所述的覆土层1包括：防冻层和地表硬化层或植被层，厚度以混合层不冻结为下限，但为防止蚊蝇的发生，即使在不发生冰冻的地区，覆土层厚度也应保持在100mm以上；

[0033] 所述的混合层2由体积比为1∶1的砾石和粗砂混合而成，其厚度为100mm～150mm，其中：砾石粒径6～10mm，粗砂直径0.5-2.0mm；

[0034] 所述的土壤层3厚度为450mm～500mm，由开挖出的土壤与生物填料12构成；

[0035] 所述的砾石层4厚度为50mm～100mm，由6～10mm的砾石构成

[0036] 所述的细砂层5厚度为100mm～150mm，由0.5～1.0mm的细砂构成；

[0037] 所述的隔水层6是市场上出售的厚度大于1.5mm高密度聚乙烯防渗膜，用来防止污水污染地下水。

[0038] 所述的排水机构包括：集水管9、储水池10、抽水泵11，其中：集水管的一端置于砾石层与细砂层中，另一端与内置抽水泵的储水池相连接；抽水泵设置在储水池内。

[0039] 本实施例通过以下方式进行构建：

[0040] 第一步、在选定的位置开挖沟槽体，然后在沟槽体的底部及周围铺设聚乙烯防渗膜，并在聚乙烯防渗膜上依次铺设细砂层和砾石层，并在底部铺设集水管，并将集水管以5‰的坡度向出水方向铺设，并使其连接储水池，储水池中设置抽水泵以排除处理水；

[0041] 第二步、在沟槽体的土壤层上方以木制网格作为生物填料的安装固定架，然后将生物填料悬吊在网格状固定架上，使生物填料垂直悬挂并在下端与沟槽体的砾石层接触；

[0042] 第三步、将开挖的土壤由上往下逐步倾入槽体中，直至土壤添加到能够满足夯实后达到450mm～500mm的土壤层厚度后，将悬挂在固定架上的生物填料沿着土壤平面剪下，将网格固定架拆除，然后夯实土壤层，保证生活污水净化土壤沟槽结构的刚度；

[0043] 第四步、在土壤层上铺设混合层，并沿着进水方向将混合层按5‰的坡度向集水井方向倾斜，配水槽设置在混合层前端，利用混合层对系统均匀配水。最后在混合层上加覆土层，覆土层的厚度由当地的最低气温决定，以混合层不结冰为下限，但为防止蚊蝇的发生，即使在不发生冰冻的地区，覆土层厚度也应保持在100mm以上。

[0044] 如图2所示，土壤层中生物填料的安装过程需要网格状固定架A，主要用于在土壤沟槽构建过程中对土壤层的生物填料进行固定。生物填料B悬吊在固定架上，土壤通过固定架和生物填料中的空隙填入。当土壤添加到能够满足夯实后达到450mm～500mm的土壤层厚度后，将生物填料与固定架分离，撤去固定架，生物填料依靠土壤的内摩擦固定在土壤层中。

[0045] 如图3所示为土壤层的工作示意图，生物填料起到导水作用，增加了土壤的纵向透水性能，使得污水流向的主要为纵向重力流，使得土壤的渗透率增大，从而，避免了污水过程中堵塞问题的发生。

[0046] 将本实施例应用于上海市崇明县新村乡小学校园内，当地土壤的渗透系数为-4 26.2×10 cm/s，构建一个按每立方米土壤中装填表面积为10m 生物填料的生活污水净化土
2
壤沟槽，不包含覆土层时的沟槽深度为700mm，覆土后沟槽的深度为800mm，面积为2.0m，
3
设计处理水量为0.4-0.8m/d，即水力负荷为20-40cm/d。同时建一个没有生物填料的相同大小的生活污水净化土壤沟槽作为对比。取上海崇明县新村乡小学教学楼下三格化粪池出水，投配到试验装置中进行试验。进水CODCr为260.4-380.6mg/L、BOD5为116.9-183.5mg/L、SS为38-52mg/L、总磷为19.9-27.7mg/L、氨氮为23.4-38.7mg/L、总氮为31.2-57.6mg/L、pH为6.8-7.1，以40cm/d的水力负荷投配到试验装置中，经过装置后，出水的CODCr为
11.1-27.8mg/L，BOD5为5.0-8.3mg/L，SS为5.5-7.1mg/L，总磷为0.05-0.06mg/L，氨氮为
4.5-5.1mg/L，总氮为8.7-11.6mg/L，出水效果达到了城市污水处理厂一级A标准；而经过没有装载生物填料的土壤沟槽处理后，虽然能够达到相同的污水净化效果，但38天后即发生堵塞、出现污水不能下渗的问题。

[0047] 将本实施例应用于上海市崇明县新村乡小学校园内，当地土壤的渗透系数为-4 26.2×10 cm/s，构建一个按每立方米土壤中装填表面积为20m 生物填料的生活污水净化土
2
壤沟槽。不包含覆土层时的沟槽深度为900mm，覆土后沟槽的深度为1000mm，面积为2m，
3
设计处理水量为0.4-0.8m/d，即水力负荷为20-40cm/d。同时建一个没有生物填料的相同大小的生活污水净化土壤沟槽作为对比。取上海崇明县新村乡小学教学楼下三格化粪池出水，投配到试验装置中进行试验。进水CODCr为260.4-380.6mg/L、BOD5为116.9-183.5mg/L、SS为38-52mg/L、总磷为19.9-27.7mg/L、氨氮为23.4-38.7mg/L、总氮为31.2-57.6mg/L、pH为6.8-7.1，以20cm/d的水力负荷投配到试验装置中，经过装置后，出水的CODCr为
10.2-23.6mg/L，BOD5为3.0-7.2mg/L，SS为5.0-6.9mg/L，总磷为0.05-0.07mg/L，氨氮为
4.1-4.8mg/L，总氮为8.5-10.8mg/L，出水效果达到了城市污水处理厂一级A标准；而经过没有装载生物填料的土壤沟槽处理后，虽然能够达到相同的污水净化效果，但38天后即发生堵塞、出现污水不能下渗的问题。

[0048] 将本实施例应用于上海嘉定区砖瓦厂附近，当地土壤为渗透系数为2.3×10-7cm/2
s的粘土，构建一个按每立方米土壤中装填表面积为40m 生物填料的生活污水净化土壤沟
2
槽。不包含覆土层时的沟槽深度为700mm，覆土后沟槽的深度为800mm，面积为2m，设计处
3
理水量为0.4-0.8m/d，即水力负荷为20-40cm/d。同时建一个没有生物填料的同大小的生活污水净化土壤沟槽作为对比。取上海交通大学学生公寓三格化粪池出水，投配到试验装置中进行试验。进水CODCr为218.2-341.2mg/L、BOD5为147.3-165.1mg/L、SS为32-61mg/L、总磷为18.3-23.5mg/L、氨氮为27.7-35.6mg/L、总氮为36.4-51.2mg/L、pH为6.3-7.2，以20cm/d的水力负荷投配到土壤沟槽中，经处理后，出水CODCr为15.3-22.6mg/L，BOD5为3.9-6.3mg/L，SS为3.2-5.2mg/L，总磷为0.04-0.07mg/L，氨氮为2.3-4.3mg/L，总氮为
9.3-11.2mg/L，出水效果达到了城市污水处理厂一级A标准，连续运行3年，不出现堵塞问题；而经过没有装载生物填料的土壤沟槽处理，试验当天即发生堵塞、出现污水不能下渗的问题。

[0049] 将本实施例应用于上海嘉定区砖瓦厂附近，当地土壤的渗透系数为2.3×10-7cm/2
s，构建一个按每立方米土壤中装填表面积为50m 生物填料的生活污水净化土壤沟槽。不包
2
含覆土层时的沟槽深度为900mm，覆土后沟槽的深度为1000mm，面积为2m，设计处理水量为
3
0.4-0.8m/d，即水力负荷为20-40cm/d。同时建一个没有生物填料的同大小的生活污水净化土壤沟槽作为对比。取上海交通大学学生公寓三格化粪池出水，投配到试验装置中进行试验。进水CODCr为218.2-341.2mg/L、BOD5为147.3-165.1mg/L、SS为32-61mg/L、总磷为
18.3-23.5mg/L、氨氮为27.7-35.6mg/L、总氮为36.4-51.2mg/L、pH为6.3-7.2，以40cm/d的水力负荷投配到土壤沟槽中，经处理后，出水CODCr为18.2-23.6mg/L，BOD5为4.3-7.2mg/L，SS为3.3-5.6mg/L，总磷为0.04-0.06mg/L，氨氮为2.2-3.9mg/L，总氮为9.0-10.1mg/L，出水效果达到了城市污水处理厂一级A标准，连续运行3年，不出现堵塞问题；而经过没有装载生物填料的土壤沟槽处理，试验当天即发生堵塞、出现污水不能下渗的问题。 [0050] 将本实施例应用于上海交通大学校园内，当地土壤的渗透系数为3.1×10-6cm/s，
2
构建一个按每立方米土壤中装填表面积为20m 生物填料的生活污水净化土壤沟槽。不包
2
含覆土层时的沟槽深度为700mm，覆土后沟槽的深度为800mm，面积为2m，设计处理水量
3
为0.4-0.8m/d，即水力负荷为20-40cm/d。同时建一个没有生物填料的同大小的生活污水净化土壤沟槽作为对比。取上海闵行区污水处理厂初沉池出水进行处理，投配到试验装置中进行试验。进水COD为136-212mg/L，BOD7为72-137mg/L，SS为38-66mg/L，总磷为
8.9-14.3mg/L，氨氮为19.6-29.9mg/L，总氮为32.3-47.4mg/L，pH为6.3-7.2，以40cm/d的水力负荷投配到两个土壤沟槽中，经过装载了生物填料的土壤沟槽处理后，出水的CODCr为
18.2-32.8mg/L，BOD5为6.1-8.2mg/L，SS为3.2-6.3mg/L，总磷为0.03-0.11mg/L，氨氮为
4.6-6.7mg/L，总氮为10.6-13.5mg/L，出水达到了城市污水处理厂一级A标准，连续运行3年，不出现堵塞问题，而经过没有装载生物填料的土壤沟槽处理后，虽然能够达到相同的污水净化效果，但16天后即发生堵塞、出现污水不能下渗的问题。

[0051] 将本实施例应用于上海交通大学校园内，当地土壤的渗透系数为3.1×10-6cm/s，2
构建一个按每立方米土壤中装填表面积为40m 生物填料的生活污水净化土壤沟槽。不包
2
含覆土层时的沟槽深度为900mm，覆土后沟槽的深度为1000mm，面积为2m，设计处理水量
3
为0.4-0.8m/d，即水力负荷为20-40cm/d。同时建一个没有生物填料的同大小的生活污水净化土壤沟槽作为对比。取上海闵行区污水处理厂初沉池出水进行处理，投配到试验装置中进行试验。进水COD为136-212mg/L，BOD7为72-137mg/L，SS为38-66mg/L，总磷为
8.9-14.3mg/L，氨氮为19.6-29.9mg/L，总氮为32.3-47.4mg/L，pH为6.3-7.2，以20cm/d的水力负荷投配到两个土壤沟槽中，经过装载了生物填料的土壤沟槽处理后，出水的CODCr为8.9-22.7mg/L，BOD5为3.1-9.2mg/L，SS为3.0-5.1mg/L，总磷为0.03-0.10mg/L，氨氮为
4.2-6.3mg/L，总氮为10.1-12.5mg/L，出水达到了城市污水处理厂一级A标准，连续运行3年，不出现堵塞问题，而经过没有装载生物填料的土壤沟槽处理后，虽然能够达到相同的污水净化效果，但16天后即发生堵塞、出现污水不能下渗的问题。