《人工快速滲濾污水處理系統》是鐘佐燊和楊小毛於2004年9月17日申請的專利，該專利的公布號為CN1676469，申請號為2004100739518，授權公布日為2005年10月5日，發明人是鐘佐燊、楊小毛。
《人工快速滲濾污水處理系統》公開了一種人工快速滲濾污水處理系統，它由隔柵池、預沉池和快濾池組成。所述快滲池內填充有人工配置的人工濾料，此種人工濾料是由一定顆粒級配的一般填料和特殊填料按體積比為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、沸石砂和磁鐵礦砂三種天然礦物按體積比為90:8:2比例組成。該發明快滲池採用乾濕交替的運轉方式進行污水處理，水力負荷周期很短，一天24小時內布水4次，每次布水15－20分鐘，即頻繁淹水頻繁落乾。該發明CRI系統的水力負荷一般為1.0－1.5米/天（立方米/平方米·天），處理每方污水占地面積約為0.8平方米/立方米·天。該發明CRI系統不受場地限制套用範圍廣、且建設投資少、管理費用低、水力負荷高、操作方便、易於管理。
2018年12月20日，《人工快速滲濾污水處理系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《人工快速滲濾污水處理系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：人工快速滲濾污水處理系統
- 公布號：CN1676469
- 授權日：2005年10月5日
- 申請號：2004100739518
- 申請日：2004年9月17日
- 申請人：鐘佐燊、楊小毛
- 地址：北京市海淀區學院路29號中國地質大學水資源與環境學院
- 發明人：鐘佐燊、楊小毛
- Int.Cl.：C02F1/44
- 代理機構：北京北新智誠智慧財產權代理有限公司
- 代理人：趙郁軍
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
傳統的快速滲濾污水處理系統（Rapid Infiltration系統，簡稱“RI系統”）是污水土地處理技術的一種。它選用滲透性好的天然砂土地作為快滲池場地，把污水布在快滲池上，通過污水下滲土層時產生複雜的物理、化學和生物作用使污水得到淨化。RI系統實現污水處理的原理是：利用天然砂土地作為快滲池，通過快滲池乾濕交替的運轉方式對污水進行處理。污水在快滲池裡淹水和落乾過程是相互交替進行的，一次淹水和一次落乾為一個水力負荷周期，水力負荷周期是RI系統一個重要的運轉參數，RI系統通過調整水力負荷周期使出水質量達到最優的效果。
RI系統突出的優點是：它是利用滲透性好的天然砂土地作為快滲池進行污水處理，所以建設投資省，運轉費用低，操作方便，易於管理，出水水質優於常規的活性污泥法二級污水處理系統。
RI系統突出的缺陷是：
（1）嚴格地受到場地條件限制，沒有滲透性好的天然砂土地就不能形成RI系統，就不能採用RI技術進行污水處理。
（2）由於天然砂土地滲透性的非均質性，所以水力負荷低，一般只有0.3-0.4米/天（立方米/平方米·天）。
（3）系統占地面積大，處理每方污水占地面積為2.5-3.3平方米/立方米·天。
雖然RI系統具有十分突出的優點，但在我國人多地少的國情下，其突出的缺餡嚴重地阻礙著它的廣泛套用。
截至2004年9月，大中小城市多採用類似於常規活性污泥法的二級污水處理系統。其缺點是：建設投資大，運行費用高。
發明內容
專利目的
為了解決RI系統受場地限制套用範圍窄、占地面積大、水力負荷低，以及常規的活性污泥法二級污水處理系統建設投資大、運行成本高等諸多問題，《人工快速滲濾污水處理系統》的目的是提供一種建設投資少、管理費用低、水力負荷高、操作方便、易於管理的人工快速滲濾污水處理系統，即CRI系統。
技術方案
一種人工快速滲濾污水處理系統，它由隔柵池、預沉池和快滲池組成；其特徵在於：所述快滲池內填充有人工配置的人工濾料，此種人工濾料是由顆粒級的一般填料和特殊填料按體積比為9:1的比例混合而成；所述一般填料為天然砂；所述特殊填料是由大理石砂或石灰石砂、沸石砂和磁鐵礦砂三種天然礦物按體積比為90:8:2比例混合而成。
所述快滲池採用乾濕交替的運轉方式進行污水處理，水力負荷周期很短，一天24小時內布水4次，每次布水15-20分鐘，即頻繁淹水頻繁落乾。
所述快滲池為半地下式、磚混結構；所述快滲池結構分一般結構和強化氮去除結構兩種。
所述一般結構的快滲池分兩層：底部為墊層，填粒徑為30-40毫米的礫卵石或碎石，層厚0.4米；墊層上部10厘米為反濾層，填料為鵝卵石，該層從上至下顆粒由細變粗；墊層底部設集水管，每單個快滲池的集水管與總排水管相連，處理後的污水通過總排管排出；頂層為濾層，填一般填料和特殊填料的混合物，層厚1.2米，濾層表面設布水管；快滲池池壁高出濾層表面0.3米作為保護高度，整個快滲池的總高度為1.9米。
所述強化氮去除結構的快滲池分兩層：底部為墊層，填粒徑為30-40毫米的礫卵石或碎石，層厚0.7米；墊層上部10厘米為反濾層，填料為鵝卵石，該層從上至下顆粒由細變粗；墊層底部設集水管，每單個快滲池的集水管要彎到離池底0.65米處與總排水管連線，處理後的污水通過總排管進入清水池；頂層為濾層，填一般填料和特殊填料的混合物，層厚1.2米，濾層表面設布水管；快滲池池壁高出濾層表面0.3米作為保護高度，快滲池的總高度2.2米；所述快滲池的池底作防滲處理，且在離池底0.7米的周邊也要防滲。
所述一般填料中Cu值＜5.0、粒徑＜0.075毫米的百分含量＜5％為合格填料；一般填料的滲透係數K＝HL/R，其中，HL為水力負荷，R為校正因子，一般取值為0.05-0.06。
《人工快速滲濾污水處理系統》人工快速滲濾污水處理系統還包括快濾池、配水池和清水池；所述快濾池和配水池位於所述預沉池和快滲池之間；所述清水池位於所述快滲池之後；
該快濾池分為兩層：上層為濾層，層高0.6-0.7米，濾料為粒徑2毫米的均粒石英砂或大理石砂；底層為墊層，填料為粒徑30-40毫米的一般礫卵石或碎石或鵝卵石，層高0.4米，墊層上部10厘米為反濾層，填料為鵝卵石，該反濾層從上至下顆粒由細變粗；在濾層表面設有布水管；快濾池池壁高出濾層表面0.3米作為保護高度，快濾池的總高度為1.3-1.4米。
改善效果
《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統的水力負荷一般為1.0-1.5米/天（立方米/平方米·天），處理每方污水占地面積約為0.8平方米/立方米·天。《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統不受場地限制套用範圍廣、且建設投資少、管理費用低、水力負荷高、操作方便、易於管理。《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統適用於無冰凍期或冰凍期短的廣大地區，適用於受污染的河渠水、城市污水和生活污水的處理以及污水深度處理，處理出水水質完全達到國家有關的環境質量標準。
附圖說明
圖1為《人工快速滲濾污水處理系統》人工快速滲濾污水處理系統（CRI系統）系統圖；
圖1
圖2為《人工快速滲濾污水處理系統》工藝流程圖。
圖2
技術領域
《人工快速滲濾污水處理系統》涉及一種污水處理系統，即人工快速滲濾（Constructed Rapid Infiltration）污水處理系統，簡稱“人工快滲系統”或“CRI系統”。
權利要求
1、一種人工快速滲濾污水處理系統，它由隔柵池、預沉池和快滲池組成；其特徵在於：所述快滲池內填充有人工配置的人工濾料，此種人工濾料是由顆粒級的一般填料和特殊填料按體積比為9:1的比例混合而成；所述一般填料為天然砂；所述特殊填料是由大理石砂或石灰石砂、沸石砂和磁鐵礦砂三種天然礦物按體積比為90:8:2比例混合而成。
2、根據權利要求1所述的人工快速滲濾污水處理系統，其特徵在於：所述快滲池採用乾濕交替的運轉方式進行污水處理，水力負荷周期很短，一天24小時內布水4次，每次布水15-20分鐘，即頻繁淹水頻繁落乾。
3、根據權利要求1或2所述的人工快速滲濾污水處理系統，其特徵在於：所述快滲池為半地下式、磚混結構；所述快滲池結構分一般結構和強化氮去除結構兩種。
4、根據權利要求3所述的人工快速滲濾污水處理系統，其特徵在於：所述一般結構的快滲池分兩層：底部為墊層，填粒徑為30-40毫米的礫卵石或碎石，層厚0.4米；墊層上部10厘米為反濾層，填料為鵝卵石，該層從上至下顆粒由細變粗；墊層底部設集水管，每單個快滲池的集水管與總排水管相連，處理後的污水通過總排管排出；頂層為濾層，填一般填料和特殊填料的混合物，層厚1.2米，濾層表面設布水管；快滲池池壁高出濾層表面0.3米作為保護高度，整個快滲池的總高度為1.9米。
5、根據權利要求3所述的人工快速滲濾污水處理系統，其特徵在於：所述強化氮去除結構的快滲池分兩層：底部為墊層，填粒徑為30-40毫米的礫卵石或碎石，層厚0.7米；墊層上部10厘米為反濾層，填料為鵝卵石，該層從上至下顆粒由細變粗；墊層底部設集水管，每單個快滲池的集水管要彎到離池底0.65米處與總排水管連線，處理後的污水通過總排管進入清水池；頂層為濾層，填一般填料和特殊填料的混合物，層厚1.2米，濾層表面設布水管；快滲池池壁高出濾層表面0.3米作為保護高度，快滲池的總高度2.2米；所述快滲池的池底作防滲處理，且在離池底0.7米的周邊也要防滲。
6、根據權利要求1或4或5所述的人工快速滲濾污水處理系統，其特徵在於：所述一般填料中Cu值＜5.0、粒徑＜0.075毫米的百分含量＜5％為合格填料；所述一般填料的滲透係數K＝HL/R，其中，HL為水力負荷，R為校正因子，一般取值為0.05-0.06。
7、根據權利要求1～5之一所述的人工快速滲濾污水處理系統，其特徵在於：該人工快速滲濾污水處理系統還包括快濾池、配水池和清水池；所述快濾池和配水池位於所述預沉池和快滲池之間；所述清水池位於所述快滲池之後；該快濾池分為兩層：上層為濾層，層高0.6-0.7米，濾料為粒徑2毫米的均粒石英砂或大理石砂；底層為墊層，填料為粒徑30-40毫米的一般礫卵石或碎石或鵝卵石，層高0.4米，墊層上部10厘米為反濾層，填料為鵝卵石，該反濾層從上至下顆粒由細變粗；在濾層表面設有布水管；快濾池池壁高出濾層表面0.3米作為保護高度，快濾池的總高度為1.3-1.4米。
實施方式
《人工快速滲濾污水處理系統》公開的人工快速滲濾污水處理系統（簡稱CRI系統）是針對RI系統的缺陷提出的，它對RI系統進行了重大的改進。如圖1所示，《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統包括預處理單元和主反應單元。
預處理單元由隔柵池、預沉池、快濾池和配水池組成，其主要功能是使污水水質均化、沉砂、截留較大的漂浮物和懸浮物，並去除部分顆粒COD（化學需氧量），防止主反應單元中的快滲池的快速堵塞，保持快滲池穩定的滲濾速度。
主反應單元為快滲池。主反應單元的主要功能是：使經過預處理單元處理的污水在從主反應單元快滲池的上面自上而下向下滲濾的過程中，產生綜合的物理、化學和生物反應，使污染物得以去除，其中主要是生物化學反應，它使有機污染物通過生物降解而去除。
《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統與傳統的RI系統的區別在於：
1、《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統中快滲池內填充的不是天然土層，而是人工配置的人工濾料。此種人工濾料是由一定顆粒級的天然砂和特殊填料混合而成。此種人工濾料的套用，使得《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統可以不受場地的限制，不依賴滲透性好的天然砂土地也可以實現對污水的處理，同時既保證了有較高的水力負荷，又能改進處理效果，保證滿足出水要求的處理目標。
在正常運行過程中，CRI系統快滲池濾料表面生長著生物膜。當污水流過時，通過吸附和過濾作用截留污水中的懸浮物和部分污染物；同時，因濾料表面（特別是快滲池上部濾料）生長著豐富的生物膜，當污水滲過濾料時，具有高比表面積的濾料表面所形成的生物膜對污水進行快速淨化。與RI系統一樣，CRI系統也採用淹水-落乾相交替的運行方式。它防止生物膜的快速生長引起的堵塞，又有利於有機污染物的好氧和厭氧生物降解。落乾期滲池大部分為好氧環境，淹水期滲池為厭氧環境，所以快滲池內經常是好氧和厭氧環境相互交替，有機污染物通過好氧生物降解和厭氧生物降解被去除。就氮而言，落乾時產生銨化和硝化作用，淹水期產生反硝化作用，氮通過上述轉化過程而被去除。
2、《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統還增設了人工快濾池，其主要目的是使污水水質均化、濾除部分懸浮固體（SS）和顆粒COD（化學需氧量），防止主反應單元快滲池堵塞，保持快滲池穩定的滲濾速度。但是，在處理受污染河渠水時，在進水SS較低的情況下，前處理中的快濾池和配水池可不設。
如圖1所示，《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統中的隔柵池、預沉池、配水池和清水池是常用的污水處理裝置，《人工快速滲濾污水處理系統》沒有特殊的要求，故在此不再詳述。下面只對人工快濾池和快滲池進行闡述。
CTI系統中的快濾池分為兩層：上層為濾層，層高0.6-0.7米，濾料為粒徑2毫米的均粒石英砂或大理石砂，濾層表面設有布水管；底層為墊層，層高0.4米，填料為粒徑30-40毫米的鵝卵石或碎石或礫卵石，為了減小反衝洗的水頭損失，最好是用鵝卵石。墊層上部10厘米為反濾層，填料為鵝卵石，該反濾層從上至下顆粒由細變粗（從3毫米逐步過渡到20毫米），其目的是防止反衝洗快濾池時濾層細小顆粒進入墊層引起堵塞。快濾池保護高度為0.3米，總高度1.3-1.4米。
快濾池採用下向流，濾速一般為40米/天；為了防止堵塞，快濾池要定期反衝洗（如圖2所示），反衝洗強度一般為8L/平方米·S，反衝洗時間一般為5分鐘，反衝洗出水返回預沉池。
快滲池是《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統的主反應單元，也是《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統的核心部分，它的設計對CRI系統來說是至關重要的。
整個快滲場地可按具體情況分為若干個快滲池，各快滲池間可用磚砌的隔牆隔開；也可不設隔牆，而是在快滲池表面用土田埂隔成若干個滲池。單個滲池的大小視所設計的布水能力而定，一般以能使快滲池能快速布滿水為原則。
每個快滲池為半地下式、磚混結構，池底視場地具體情況作適當的防滲處理。快滲池有兩種結構：一般結構和強化氮去除結構。
一、一般結構的快滲池
快滲池分上下兩層。底部為墊層，填墊層填料，層高0.4米，墊層上部10厘米為反濾層，該反濾層從上至下顆粒由細變粗（從3毫米逐步過渡到20毫米），其目的是防止反衝洗時快濾池濾層細小顆粒進入墊層引起堵塞；墊層底部設集水管，每單個快滲池的集水管與總排水管相連，處理後的污水通過總排管進入清水池。頂層為濾層，填一般填料和特殊填料，這兩種填料充分混合後裝填，層厚1.2米，濾層表面設布水管。快滲池池壁高出濾層表面0.3米作為保護高度。快滲池總高度1.9米。
填充在快滲池墊層中的墊層填料為一般碎石或礫卵石，粒徑一般為30-40毫米。
填充在快滲池濾層中的一般填料為天然砂。一般填料即天然砂的選定是通過顆粒級配的分析，測定不均勻係數Cu值以及粒徑＜0.075毫米的百分含量而定的。Cu值＜5.0、粒徑＜0.075毫米的百分含量＜5％者為合格填料。
通過達西儀測定快滲池濾層滲透係數K值。根據滲透係數K值用下式計算水力負荷HL值
HL＝K×R（1）
K＝HL/R（2）
式中，HL為水力負荷，米/天或米米·天；K為滲透係數（或滲濾速度），米/天；R為校正因子，無量綱，R值是個經驗係數，一般取值為0.05-0.06。
如HL值已確定，可用公式（2）算得一般填料所要求的K值。若所選用的填料的K值與用公式（2）算得K值大致相當，則所選用的填料為合格填料。一般填料占總填料的90％。
填充在快滲池濾層中的特殊填料由大理石砂（或石灰石砂）、沸石砂和磁鐵礦砂三種天然礦物組成，其組成比例（體積比）為90:8:2。特殊填料占總填料的10％。其顆粒級配和滲透係數要求同一般填料。裝填時，將一般填料和特殊填料充分混合後裝填。
二、強化氮去除結構的快滲池
這是快滲池的另一種結構，它是在處理出水氮去除率要求較高時使用。它與一般結構的快滲池的差別是：墊層厚度增加到0.7米，總高度增加到2.2米；墊層底部設集水管，但集水管要彎到離池底0.65米處與總排水管連線，其目的是在墊層內形成一個飽水帶，以利於反硝化；此結構除池底要防滲外，離池底0.7米的周邊也要防滲。其它與一般結構的快滲池相同。
不論是一般結構的快滲池，還是強化氮去除結構的快滲池，其占地面積按公式（3）計算
W＝Q/HL（3）
式中，W為快滲池總占地面積，平方米；Q為每天的處理量，立方米/天；HL為水力負荷，米/天。
《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統適用的HL值範圍一般是1.0-1.5米/天（平方米/立方米·天），通過提高前處理對SS的處理效果，HL值也可提高到2.0米/天（平方米/立方米·天）。
HL值的大小視出水水質要求和所能提供處理場地的大小而定。一般來說，出水水質要求高，水力負荷設計值相對要小一些，以保證出水水質要求。但是，如果所提供的場地面積較小，則水力負荷設計值相對要提高；水力負荷提高，可能會降低去除效果，此問題可通過改變水力負荷周期來解決。
《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統中的快滲池也是採用乾濕交替的運轉方式，即在快滲池裡淹水和落乾相互交替。一次淹水和一次落乾為一個水力負荷周期。
RI系統的水力負荷周期很長，淹水時間一般是1-3天，落乾時間一般是4-10天。CRI系統的水力負荷周期與RI系統的水力負荷周期完全不同，CRI系統的水力負荷周期很短，一般是一天24小時內布水4次，每次布水15-20分鐘，即頻繁淹水頻繁落乾。水力負荷周期的長短視進水水質情況和出水水質要求作適當調整。由於CRI系統的水力負荷比RI系統的水力負荷高好幾倍，所以，CRI系統的水力負荷周期切記過長，過長會引起污染物的穿透，處理效果會明顯下降，出水達不到設計標準。但是，最優的水力負荷周期要通過具體的調試和運行來確定。水力負荷周期是CRI系統最重要的運行參數，科學合理地確定最優的水力負荷周期是該系統成敗的關鍵。
《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統可以適用以下情況：
進水水質：CODCrBOD5SSNH4-NTP80-500毫克/升、50-200毫克/升、30-150毫克/升、15-50毫克/升、3.0-5.0毫克/升。
適用的地區：CRI系統主要適用於無冰凍期或冰凍期短的廣大地區。
適用的污水類型：它適用於城市污水的集中處理、小城鎮（尤其是排水管網不健全的城鎮）污水的分散處理、受污染河道水處理以及二級污水的深度處理。
《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統與傳統的RI系統相比，既保持了傳統RI系統建設投資低、運轉費用省、出水水質優於常規的二級處理、操作方便和易於管理的優點，又克服了RI系統的嚴重缺陷：
（1）採用人工填料大大提高了系統的水力負荷，克服了RI系統水力負荷低的缺陷。CRI系統的水力負荷一般為1.0-1.5米/天（立方米/平方米·天），是RI系統的3-5倍。
（2）大大降低了占地面積，處理每方污水占地面積約為0.8平方米/立方米·天，僅是RI系統的的1/4-1/3。
（3）由於快滲池是人工構築的，機動靈活，不受場地條件限制，完全克服了RI系統受場地條件限制而不能普遍套用的缺陷。
另外，《人工快速滲濾污水處理系統》CRI系統與常規活性污泥法相比具有以下優點：
（1）由於主反應單元快滲池填料採用粒徑小於2毫米的天然砂，濾床的表面積大，污水能與顆粒表面的生物膜充分接觸，床內既有好氧菌也有厭氧菌，它們是固定在砂粒表面經長期馴化的優勢菌，因此其出水質量一般都優於常規的活性污泥法的二級處理出水。
（2）投資少，方水投資約500元/立方米·天（不含征地費），僅為常規的活性污泥法投資的約1/2。
（3）運行費用省，方水直接運行費0.2元/立方米左右，約為常規的活性污泥法的1/3。
（4）除預沉池產生極少量的污泥外，不產生活性污泥，省去處理活性污泥的設施、費用以及其對環境的影響。
（5）無須二沉池。
（6）該系統抗衝擊負荷較強，進水COD濃度最高可達500-600毫克/升；系統短期停止運行對快滲池內的微生物影響很小，甚至停止運行3～4個月後，3～5天就能恢復至原有的處理能力，常規的活性污泥法並不具備此種性能，所以CRI系統特別適合於污水產生量不穩定的分散的小型污水處理。
經實驗證明，《人工快速滲濾污水處理系統》對受污染的河渠水處理後，出水質量一般可以達到國家《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）的V類水質標準，有時可達到IV類或III類水質標準（除氮磷外）；對於城市污水和生活污水，處理後出水質量可以達到國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級標準A或B的標準。
榮譽表彰
2018年12月20日，《人工快速滲濾污水處理系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
