农村饮用水处理方法

技术领域

本发明属于净水技术领域，尤其是一种农村饮用水处理方法。

背景技术

饮用水水质是影响农村居民身体健康的重要因素，农村地域广泛，很多地区的饮用水并未经过处理而直接饮用，具有一定的安全隐患。由于不同地域的水质不同，因此饮用水的处理方案要根据当地水质制定，本发明主要针对川西高原地区的饮用水进行处理。

川西高原地区的饮用水水质研究可参考：闫宗平，赵英，刘剑.川西高原集中式饮用水源地水质现状与水质安全评价的结论与对策，鲁东大学学报（自然科学版），2019,35（2）：143—149。水中超标物质主要包括总氮、总磷以及锰、铁等重金属，因此，处理工艺重点在于去除总氮、总磷以及重金属。

总氮、总磷常用的去除方式为微生物法，即微生物在厌氧或者好氧条件下分解氮、磷，一般是通过设置填料，微生物附着在填料上形成生物膜，对通过的水进行处理。但微生物必须要在合适的温度下才能保持活力，川西高原地区的温度较低，特别是冬季，微生物活性难以维持，导致处理效果不好。为了提高温度，常用的方式为电加热，但电加热消耗电能，设备运行成本增加，此外，余热传输至附近的环境中，影响当地生态。

重金属常用的去除方法为吸附法，即通过添加吸附剂对水中的重金属进行吸附，从而降低重金属含量。目前，重金属吸附剂有多种，有的为液态，有的为固态，液态吸附剂一次性添加量不能过多，否则多余的吸附剂会成为新的污染物，添加量难以准确控制，且吸附重金属后生成悬浮物或者沉淀，需要再次处理或者定期清理沉淀污泥，维护比较麻烦。因此最好采用不能溶解于水的不溶性固态吸附剂，这种吸附剂一般是制成滤芯或者填料板，吸附剂吸附饱和后需要进行定期更换，现有滤芯或者填料板通过扣合、螺钉连接等连接方式进行安装，导致更换时需要打开吸附设备，拆下连接件，取出旧的吸附剂，再装入新的吸附剂，安装连接件，操作不便，在更换的过程中，需要中断水处理过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种农村饮用水处理方法，用于川西高原地区的饮用水处理，确保微生物的活性，同时降低运行成本。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：农村饮用水处理方法，包括

S1、在第一池体中去除氮、磷：

所述第一池体的外壁设置有帕尔帖效应板，帕尔帖效应板的热端朝向第一池体，冷端朝外；

在农村生活污水处理设备中设置微生物燃料电池，微生物燃料电池产生的电流通入帕尔帖效应板，帕尔帖效应板将冷端的热量传输至热端，提高第一池体的温度；

所述第一池体内部设置有微生物填料，微生物填料上的生物膜去除水中的氮、磷；

S2、在第二池体中去除重金属：

经过第一池体处理后的水通入第二池体，向第二池体中投放重金属吸附剂，吸附水中的重金属。

进一步地，步骤S1中，设置太阳能电池板，太阳能电池板向帕尔帖效应板供电。

进一步地，步骤S1中，微生物填料包括从下至上依次设置的下火山岩颗粒层、中火山岩颗粒层和上火山岩颗粒层，所述下火山岩颗粒层的粒径为30至50mm，中火山岩颗粒层的粒径为10至20mm，上火山岩颗粒层的粒径为5至10mm；所述下火山岩颗粒层、中火山岩颗粒层和上火山岩颗粒层分别设置在一网箱内，所述第一池体的下部设置有支撑板，所述下火山岩颗粒层设置在支撑板上，所述支撑板上设置有多个通孔，所述支撑板的下方设置有进水腔，进水腔的底壁设置有集泥槽；

将待处理的水通入进水腔，水依次经过下火山岩颗粒层、中火山岩颗粒层和上火山岩颗粒层，水中的固体杂质被下火山岩颗粒层、中火山岩颗粒层和上火山岩颗粒层过滤掉，同时下火山岩颗粒层、中火山岩颗粒层和上火山岩颗粒层表面的生物膜去除水中的氮、磷。

进一步地，所述支撑板上设置有多根竖直的导向柱，所述下火山岩颗粒层的网箱、中火山岩颗粒层的网箱和上火山岩颗粒层的网箱上均设置有竖直的套筒，所述套筒套在导向柱上并与导向柱滑动配合。

进一步地，所述上火山岩颗粒层的套筒下端向下延伸形成延长段，所述延长段由中火山岩颗粒层的套筒进行支撑，使得上火山岩颗粒层与中火山岩颗粒层之间具有充氧间距，所述充氧间距的侧壁设置有进气管，所述进气管的上端口位于外部空气中，且进气管的上端口设置有集气罩；

吹风时，外部的空气通过集气罩进入进气管，然后进入充氧间距，提高水中的氧气含量。

进一步地，步骤S2包括

S21、测量水的密度；

S22、制备重金属吸附剂装载球，所述重金属吸附剂装载球的整体密度大于水的密度，使得重金属吸附剂装载球能够沉入水中；

S23、利用竖直的隔板将第二池体分隔为吸附腔和回收腔，所述隔板的底部设置有连通吸附腔和回收腔的回收孔，所述吸附腔的底壁沿朝向回收孔的方向向下倾斜；所述吸附腔内设置有支撑网板，所述支撑网板的一端与吸附腔的侧壁铰接，另一端的下表面设置有弹簧，所述支撑网板的上表面设置有竖直的推杆；

将经过第一池体处理后的水通入吸附腔的底部；将步骤S22制备的重金属吸附剂装载球投入吸附腔，重金属吸附剂装载球沉入水中并落在支撑网板上，重金属吸附剂装载球内的重金属吸附剂吸附水中的重金属；需要更换重金属吸附剂装载球时，利用推杆推动支撑网板向下转动，支撑网板倾斜，重金属吸附剂装载球沿着支撑网板滑落并向下沉入水底，然后沿着吸附腔的底壁向下滚落至回收腔，将回收腔中的重金属吸附剂装载球捞出；支撑网板上的重金属吸附剂装载球全部滑落之后，停止对推杆施加推力，支撑网板在弹簧的作用下复位，并向吸附腔中投入新的重金属吸附剂装载球。

进一步地，所述回收腔的底壁低于吸附腔的底壁，且回收腔的底部设置有网篮，网篮连接有提升绳；重金属吸附剂装载球滚动至网篮中，回收重金属吸附剂装载球时，将网篮提起即可。

进一步地，所述重金属吸附剂装载球包括空心塑料球和塑料网壳，所述塑料网壳由两个半球扣合而成，所述空心塑料球位于塑料网壳内部，重金属吸附剂处于空心塑料球与塑料网壳之间。

本发明的有益效果是：1、微生物燃料电池是利用微生物分解有机物，同时释放出电子和质子，电子在介质中传递即可形成电流。微生物燃料电池在污水处理领域的应用逐渐被推广。随着农村居民对生活要求的提高，生活污水处理设备的建设也逐步推进，生活污水中含有浓度较高的有机物，适合微生物燃料电池的运行环境。因此，本发明将农村生活污水处理和饮用水处理相结合，采用微生物燃料电池对生活污水进行处理，使得微生物燃料电池产生一定的电流，同时将电流通入第一池体外壁的帕尔帖效应板，依据帕尔帖效应，热量会从帕尔帖效应板的冷端传输至热端，从而提高第一池体的温度，保证微生物填料上的微生物具有较好的活性，进而确保氮、磷的去除效果。

2、在对第一池体进行加热保温的同时不消耗额外的电能，运行成本低。

3、由于热量是从外界环境传递至第一池体内部，避免外部生态环境受到热污染。

附图说明

图1是本发明第一池体的示意图；

图2是帕尔帖效应板的示意图；

图3是微生物燃料电池与帕尔帖效应板的连接示意图；

图4是第二池体的示意图；

图5是重金属吸附剂装载球的示意图；

附图标记：1—第一池体；11—太阳能电池板；12—下火山岩颗粒层；13—中火山岩颗粒层；14—上火山岩颗粒层；15—网箱；16—支撑板；17—进水腔；18—集泥槽；19—进气管；110—集气罩；111—导向柱；112—套筒；2—第二池体；21—重金属吸附剂装载球；211—空心塑料球；212—塑料网壳；22—隔板；23—吸附腔；24—回收腔；25—回收孔；26—网篮；27—提升绳；28—支撑网板；29—弹簧；210—推杆；3—第三池体；31—阳极板；32—阴极板；33—质子交换膜；4—帕尔帖效应板；41—热端板；42—冷端板；43—P型半导体；44—N型半导体。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的农村饮用水处理方法，包括

S1、在第一池体1中去除氮、磷：

如图1所示，第一池体1的外壁设置有帕尔帖效应板4，帕尔帖效应板4的热端朝向第一池体1，冷端朝外。

第一池体1可采用金属池体，通过预制成型，然后运输至饮用水处理点并进行安装施工。第一池体1外形呈长方体或者正方体形，顶部设置可开闭的顶盖，在处理过程中，顶盖将第一池体1封闭，避免外部的杂物、动物或者人掉落至第一池体1中。

帕尔帖效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。目前，帕尔帖效应常用于制冷设备。本发明采用的帕尔帖效应板4如图2所示，包括热端板41、冷端板42和多个交替设置的N型半导体44和P型半导体43，热端板41和冷端板42采用绝缘板，N型半导体44和P型半导体43位于热端板41和冷端板42之间，且热端板41和冷端板42首尾通过铜板依次连接。通入直流电后，热量会从冷端板42传递至热端板41，从而实现吸收外部热量并对第一池体1进行加热。

考虑到设备成本，帕尔帖效应板4无需覆盖第一池体1的所有外壁，可以设置多块帕尔帖效应板4，均匀分布在第一池体1的外壁，且多块帕尔帖效应板4之间并联连接，未覆盖帕尔帖效应板4的部分设置保温层。

在农村生活污水处理设备中设置微生物燃料电池，微生物燃料电池产生的电流通入帕尔帖效应板4，帕尔帖效应板4将冷端的热量传输至热端，提高第一池体1的温度。

微生物燃料电池是利用微生物分解有机物，同时释放出电子和质子，电子在介质中传递即可形成电流。随着农村居民对生活要求的提高，生活污水处理设备的建设也逐步推进，生活污水中含有浓度较高的有机物，适合微生物燃料电池的运行环境。

本发明的微生物燃料电池如图3所示，包括第三池体3，第三池体3的内腔由竖直的质子交换膜33分隔为阳极腔和阴极腔，阳极腔内设置有阳极板31，阴极腔内设置有阴极板32，阳极板31和阴极板32分别连接有导线，导线与帕尔帖效应板4相连，形成回路。阳极腔中的微生物分解污水中的有机物并产生电子，电子通过质子交换膜33进入阴极腔，并通过阴极板32、导线到达帕尔帖效应板4，使得回路中产生电流，产生电流后，帕尔帖效应板4即产生帕尔帖效应，对冷端进行制冷，对热端进行制热。

第一池体1内部设置有微生物填料，微生物填料上的生物膜去除水中的氮、磷。

本发明根据生活污水中富含有机物的特点，采用清洁、环保、无能耗的微生物燃料电池对据生活污水中的有机物进行分解，同时将微生物燃料电池产生的电流通入帕尔帖效应板4，利用帕尔帖效应对第一池体1进行制热，提高第一池体1内的温度，从而提升微生物填料上的微生物活性，促进微生物的正常生长繁殖，保证氮、磷的去除效果。

本发明结合生活污水处理、饮用水处理、微生物燃料电池以及帕尔帖效应，无需消耗额外的电能，设备运行成本低，生态、环保，且不会对外部环境造成热污染，有利于维持当地生态。

高原地区太阳能丰富，因此，可以设置太阳能电池板11，具体地，将太阳能电池板11架设在第一池体1旁边，太阳能电池板11连接逆变器和蓄电池，利用太阳能电池板11发电并将电能存储在蓄电池中，蓄电池再并向帕尔帖效应板4供电。太阳能电池板11和微生物燃料电池同时供电，可以增大电流，提高帕尔帖效应板4的制热量。

微生物填料可以是现有的蜂窝管填料、半软性填料、组合填料等，优选的，微生物填料包括从下至上依次设置的下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14，下火山岩颗粒层12的粒径为30至50mm，中火山岩颗粒层13的粒径为10至20mm，上火山岩颗粒层14的粒径为5至10mm；下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14分别设置在一网箱15内，网箱15呈长方体形，由6块网板围成腔体，用于装载火山岩颗粒。第一池体1的下部设置有支撑板16，下火山岩颗粒层12设置在支撑板16上，支撑板16上设置有多个通孔，支撑板16的下方设置有进水腔17，进水腔17的底壁设置有集泥槽18。

火山岩密度低，填料安装、更换省力，此外，火山岩表面具有较多的微孔，比表面积大，可以提供较大面积的场所供微生物繁殖、生长，从而保证污水处理效果。通过设置多层不同粒径的火山岩颗粒，可以对水中的固体杂质如泥沙、树叶等进行多次过滤，降低固态杂质的含量。

进水腔17连接有进水管，进水管与附近的水源相连，将待处理的水通入进水腔17，水依次经过下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14，水中的固体杂质被下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14过滤掉，同时下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14表面的生物膜去除水中的氮、磷。

集泥槽18用于收集泥沙、污泥等固体杂质，集泥槽18设置在进水腔17的底壁中间位置，且进水腔17的底壁朝着集泥槽18向下倾斜，使得污泥等固体杂质进入集泥槽18，集泥槽18的底部可以设置排污管，排污管的上端位于地面之上。每隔一段时间，可以将排污泵与排污管相连，将集泥槽18内的污泥吸出。排污完成后，拆下排污泵并携带至下一个饮用水处理点，无需设置固定排污泵。此外，在运行一段时间后，下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14内部间隙中会逐渐产生污泥和固体杂质，因此，每隔一段时间可以停止进水，通过排污管将第一池体1中的水抽出，并对上火山岩颗粒层14、中火山岩颗粒层13和下火山岩颗粒层12进行反冲洗，产生的污水流入集泥槽18，利用排污管将污水抽出。

为了便于安装和更换下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14，支撑板16上设置有多根竖直的导向柱111，下火山岩颗粒层12的网箱15、中火山岩颗粒层13的网箱15和上火山岩颗粒层14的网箱15上均设置有竖直的套筒112，套筒112套在导向柱111上并与导向柱111滑动配合。

安装下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14时，将套筒112套在导向柱111上，然后将下火山岩颗粒层12、中火山岩颗粒层13和上火山岩颗粒层14下放即可，操作非常方便。

上火山岩颗粒层14的套筒112下端向下延伸形成延长段，延长段由中火山岩颗粒层13的套筒112进行支撑，使得上火山岩颗粒层14与中火山岩颗粒层13之间具有充氧间距，充氧间距的侧壁设置有进气管19，进气管19的上端口位于外部空气中，且进气管19的上端口设置有集气罩110；吹风时，外部的空气通过集气罩110进入进气管19，然后进入充氧间距，提高水中的氧气含量。

由于饮用水原水中溶氧量较低，处于缺氧状态，适合厌氧微生物和缺氧微生物的生长繁殖，不利于好氧微生物生长繁殖，为了保证氮、磷的去除效果，饮用水最好能够经过厌氧微生物、缺氧微生物和好氧微生物分别进行处理。为了促进好氧微生物的生长，传统的增氧方式为曝气，曝气设备运行消耗电能，运行成本高。

本发明通过在上火山岩颗粒层14与中火山岩颗粒层13之间设置充氧间距，并且设置集气罩110和进气管19，集气罩110迎风设置，外部的空气可以通过集气罩110进入进气管19，再进入充氧间距，使得充氧间距中的水的含氧量提升。由于高原地区经常会有大风，因此，集气罩110和进气管19可将较多的空气输送至充氧间距，具有不错的增氧效果。为了防止空气中的杂质进入进气管19，可以在集气罩110的端口设置滤网。

S2、在第二池体2中去除重金属：

经过第一池体1处理后的水通入第二池体2，向第二池体2中投放重金属吸附剂，吸附水中的重金属。

第二池体2如图4所示，第一池体1与第二池体2相连，通过在第一池体1的顶部开设溢流口，溢流口连接输水管，输水管通向第二池体2的底部，即可将第一池体1处理后的水通入第二池体2的底部。

重金属吸附剂采用不溶于水的固体颗粒吸附剂，吸附剂吸收达到饱和后，则需要更换新的吸附剂，为了便于旧吸附剂的回收和新吸附剂的投放，本发明具体采用以下步骤：

S21、测量水的密度。采用现有常规方式在第一池体1上层取样检测即可。

S22、制备重金属吸附剂装载球21，所述重金属吸附剂装载球21的整体密度大于水的密度，使得重金属吸附剂装载球21能够沉入水中。将重金属吸附剂制成球形的重金属吸附剂装载球21，有利于滚动。

S23、利用竖直的隔板22将第二池体2分隔为吸附腔23和回收腔24，所述隔板22的底部设置有连通吸附腔23和回收腔24的回收孔25，所述吸附腔23的底壁沿朝向回收孔25的方向向下倾斜；所述吸附腔23内设置有支撑网板28，所述支撑网板28的一端与吸附腔23的侧壁铰接，另一端的下表面设置有弹簧29，所述支撑网板28的上表面设置有竖直的推杆210。

在弹簧29的支撑下，支撑网板28基本处于水平状态，支撑网板28的边缘与吸附腔23侧壁之间的间隙较小，不会让重金属吸附剂装载球21通过，使得支撑网板28能够稳定支撑重金属吸附剂装载球21。

将经过第一池体1处理后的水通入吸附腔23的底部；将步骤S22制备的重金属吸附剂装载球21投入吸附腔23，重金属吸附剂装载球21沉入水中并落在支撑网板28上，重金属吸附剂装载球21内的重金属吸附剂吸附水中的重金属；需要更换重金属吸附剂装载球21时，利用推杆210推动支撑网板28向下转动，支撑网板28倾斜，重金属吸附剂装载球21沿着支撑网板28滑落并向下沉入水底，然后沿着吸附腔23的底壁向下滚落至回收腔24，将回收腔24中的重金属吸附剂装载球21捞出；支撑网板28上的重金属吸附剂装载球21全部滑落之后，停止对推杆210施加推力，支撑网板28在弹簧29的作用下复位，并向吸附腔23中投入新的重金属吸附剂装载球21。

推杆210的上端延伸至吸附腔23的顶部，本发明更换重金属吸附剂时只需要向推杆210施加向下的推力，使支撑网板28上的重金属吸附剂装载球21全部滑落至水底，然后松开推杆210，再添加新的重金属吸附剂装载球21，最后将旧的重金属吸附剂装载球21捞出即可，不需要拆装连接件，操作方便。

重金属吸附剂装载球21的具体结构如图5所示，包括空心塑料球211和塑料网壳212，塑料网壳212由两个半球扣合而成，空心塑料球211位于塑料网壳212内部，且空心塑料球211处于自由状态，可以在塑料网壳212内部滚动，重金属吸附剂处于空心塑料球211与塑料网壳212之间。

空心塑料球211的密度低于水，用于降低重金属吸附剂装载球21的整体密度，使得重金属吸附剂装载球21的整体密度略大于水的密度，能够沉入水中即可，从而减轻重金属吸附剂装载球21对支撑网板28的压力。塑料网壳212上设置有细密的小孔，使得水能够进入塑料网壳212内部并与重金属吸附剂接触。通过常规的计算以及试验，即可确定重金属吸附剂的添加量，满足重金属吸附剂装载球21的整体密度小于水的密度，且重金属吸附剂装载球21中的重金属吸附剂吸附达到饱和后，重金属吸附剂装载球21的整体密度大于水的密度。

旧的重金属吸附剂装载球21回收后，空心塑料球211与塑料网壳212可以再次使用，降低成本。

为了便于将回收腔24底部的重金属吸附剂装载球21捞出，回收腔24的底壁低于吸附腔23的底壁，且回收腔24的底部设置有网篮26，网篮26采用不锈钢丝网篮，网篮26连接有提升绳27；重金属吸附剂装载球21滚动至网篮26中，回收重金属吸附剂装载球21时，将网篮26提起即可。重金属吸附剂装载球21取出后，再将网篮26下放至回收腔24的底部即可，操作非常方便。

综上，本发明结合农村生活污水处理，微生物燃料电池对生活污水进行处理的同时向帕尔帖效应板4供电，提高第一池体1的温度，使第一池体1内的微生物保持较好的活性，进而确保氮和磷的去除效果，无需消耗电能，运行成本低，也不会造成环境污染。

新重金属吸附剂装载球21的添加和旧重金属吸附剂装载球21的取出操作方便，无需同时进行，也无需中断水处理，后期维护成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。