《一文读懂净化槽处理技术及特点》

  • 来源专题:水体污染治理
  • 编译者: 王阳
  • 发布时间:2018-11-20
  • 净化槽作为一种较为成熟的分散污水处理设施,不但在日本广泛应用,也被世界所认可。早在20世纪80年代,日本就研制出可用于处理粪便污水和生活杂排水的家用净化槽,净化槽的出现,使日本所有不同地区的生活污水治理变为可能,极大的促进了日本水环境的改善和水资源循环的形成。今天小编就带您了解一下日本净化槽处理技术特点。

    一、日本的生活污水处理

    在日本,存在有几种不同的污水处理系统,采用的污水处理设备也有所区别,用来处理从每一个家庭排放的粪便污水和灰色污水(厨房,浴室,洗衣等污水)。根据污水的种类,污水处理设施的规模以及补助金制度的不同,日本主要的生活污水处理设施可划分为“公共下水道”,“农村下水道”和“净化槽”三种类型。除此以外作为粪便处理设施还有“单独式净化槽”和“日式干厕”,但这两类设施已经停止新的设置安装。

    日本生活污水处理系统图

    下水道主要是用于城市污水的处理,通过管道将家庭污水和工业污水收集到污水厂,在污水厂集中进行处理,是典型的集中式污水处理设施。

    净化槽则主要设计用来处理一家一户或楼房排放的生活污水,是一种分散式污水处理设施。净化槽可分为主要用于处理小至一家一户生活污水的「小型净化槽」和用于处理楼房、住宅小区生活污水的「中大型净化槽」。

    日本净化槽处理系统

    二、日本净化槽特点

    1、占地少,兼容原有排水系统,改造工程施工周期短,在最短的时间内实现升级改造排污处理系统并正常运营。

    2、改造后的处理系统同时具有三方面的功能:在保持原有排水系统的情况下、系统又具有污水收集、处理功能同时又可回用。

    3、安装简单,使用灵活。由于净化槽外可模块化,可依外部环境的要求不同而改变尺寸,根据现场实际情况,灵活选择其安装位置,并且其使用数量可随处理水量及处理负荷的变化而随时增减。

    4、使用自动化操作,运营维护简单、即便设备出现故障也无需开挖,只需抽干池内的污水即可维修设备排除故障。

    5、污泥产量少,可大大减少污泥的产量,降低污泥处理的费用,节省因污泥处理的占地和能耗。

    三、净化槽构造和性能

    从构造和性能上净化槽可大致分为两大类:一种是根据《净化槽构造标准》来设计制造的净化槽,这种净化槽被称为:标准构造型净化槽;另一种是净化槽厂家自主设计制造,其性能经国土交通大臣认定的净化槽,这种净化槽被称为:性能认定型净化槽。

    1.小型净化槽

    根据「净化槽构造标准」的规定,「标准构造型净化槽」的小型净化槽有三种处理工艺:沉淀分离接触曝气工艺,厌氧滤床接触曝气工艺和脱氮滤床接触曝气工艺。

    下面的图展示的是厌氧滤床接触曝气工艺小型净化槽的内部构造。这种工艺是小型净化槽采用最多的一种,也是安装数量最多的一种净化槽。污水通过管道流入厌氧滤床池,由于里面填装有滤材,污水中的固体杂物的大部分通过滤材时被去除。

    小型净化槽构造(厌氧滤床接触曝气工艺)

    厌氧滤床池的主要功能是储存被分离的固体杂物和污泥,也兼备BOD分解和通过滤材里的厌氧微生物的厌氧消化来降低污泥的产量的功能。在接触曝气池,由鼓风机将空气注入水中,在好氧微生物的帮助下水里的有机物得到降解,氨氮被氧化。经过曝气处理后的水流入沉淀池,在这里悬浮物沉入池底,上面干净的处理水流入消毒池,在那里经过氯片消毒后排放。

    2.中大型净化槽(51人槽以上)

    标准构造型的大型净化槽可分为两种类型:生物膜法类和活性污泥法类。采用生物膜法的有三种处理工艺,即接触曝气工艺,旋转接触板工艺和滴水滤床工艺。采用活性污泥法的又可再分为两种处理工艺,即标准活性污泥法工艺和高强度活性污泥法工艺。

    中大型净化槽构造(接触曝气工艺)

    各种处理工艺的构成单元设备示于下表。比如采用生物膜法的净化槽,其一级处理由沉淀池,格栅和流量调节池来进行。在流量调节池的后面,需要有污泥浓缩蓄存池或污泥浓缩池来蓄存污泥。

    标准构造型中大型净化槽的单元装置构成表(BOD去除型)

    3.性能认定型净化槽

    采用生物膜法的性能认定型净化槽流程如下图所示。这个流程图虽然与标准构造型的厌氧滤床接触曝气工艺的完全一样,性能认定型净化槽在结构和性能方面有与标准构造型不同的特点。

    (1)性能认定型净化槽大多有流量调节功能

    (2)采用了最新开发的生物反应器

    (3)水泵和鼓风机多为自动控制运行

    (4)一部分的性能认定型净化槽具有处理水BOD及TN浓度在10mg/L以下的高度处理性能

    性能认定型净化槽流程图

    性能认定型净化槽构造

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其关键组件包括激光发射器、发射光学镜头、接收光学镜头、激光接收器、控制硬件等。 空间激光通信共有两种最常用的通信体制:相干通信和非相干通信。目前,相干通信和非相干通信都已在国际上完成在轨关键技术验证,并开始了大规模的组网建设部署。相比之下,在工程应用场景中,相干体制适用于链路距离较远且速率较高的情况,而非相干体制则适用于链路距离较近且速率较低的情况。 对准捕获方式包括信标光和非信标光两种。“信标光+信号光”捕获方案是指激光通信终端使用单独的信标光。通过使用较宽的信标光束按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描。终端使用大视场的捕获探测器来监测接收信标光的质心位置,以实现对信标光的捕获和跟踪,进而将信号光引导至跟踪探测器接收视场,进行精确跟踪,最终实现激光建立通信链路。 “非信标光”捕获方案则是指在工作过程中不使用信标光,直接使用信号光进行扫描,并通过对信号光进行分光,实现光通信终端之间的捕获和跟踪功能。 卫星激光通信的技术优势和亟待突破的瓶颈 优势方面,卫星激光通信采用高频率激光作为载体,具有以下特点: 通信速率高:传统微波通信载波频率在几GHz到几十GHz范围内,而激光载波频率具有数百THz量级,比微波高 3~5个数量级,可携带更多信息,加上波分复用等手段,未来可以以Tbps速率传输信息。 抗干扰能力强:激光具有较窄的发散角,指向性好,没有卫星电磁频谱资源限制约束(因此无需申请空间频率使用许可证),通信过程中不易受外界干扰,抗干扰能力强。 保密性好:卫星激光通信波谱使用0.8~1.55μm波段,属于不可见光,通信时不易被发现。而激光发散角小,束宽极窄,在空间中不易被捕获,保证了激光通信所需的安全性和可靠性。 轻量化:激光波长比微波波长小3~5个数量级,激光通信系统所需的收发光学天线、发射与接收部件等器件与微波所需器件相比,尺寸小,重量轻,可满足空间卫星通信对星上有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。 节省建设成本:通过激光通信建立星间激光链路,可以有效减少地面信关站的建设需求;同时有助于数据流汇聚,进而简化卫星网络结构,从而多方面节省建设成本。 瓶颈方面,激光通信技术也面临着亟待突破之处: 接收机和发射机之间的瞄准系统复杂:卫星激光通信发散角小,需要光学系统以及高精度的跟瞄辅助机制完成建链。尤其是接收机和发射机之间的瞄准非常困难。空间光通信系统要完成远距离卫星间光信号的发射与接收,必须进行远距离卫星间或者空间站间目标的捕获与跟踪,前者依赖于激光通信系统,后者取决于光学跟瞄系统(PAT)。 发射天线和接收天线的效率、精度、体积、重量和成本的平衡难度较高:出于获取最小光斑的需求,发射天线可以设计成接近衍射极限,但同时给精确对准带来了困难。为了接收更多的能量信号,接收天线直径越大越好,但这会增加系统的体积、重量和成本。提高接收灵敏度十分重要。 远距离传输容易出现信号衰弱和延时等问题:卫星距离地面的高度介于600千米~3.6万千米。激光通信的实用化,仍面临较大挑战。尤其是环境对激光通信信号会有较大干扰。虽然激光通信不受电磁干扰,但大气中的气体分子、水雾、霾等与激光波长相近的粒子会引起光的吸收和散射,极大地妨碍、吸收光波的传输;同时,大气湍流也会严重地影响到信号的接收。 全球卫星激光通信发展概况 近年来,由于星座网络的战略重要性日益凸显,卫星激光通信开始吸引大众的视线,并且呈加速发展态势,成为大国间博弈的热点。 美国 2015年以来,美国已开展多项卫星激光通信验证、演示计划和产业应用,在该领域的技术发展走在全球前列。 SpaceX 2015年宣布开始布局 “星链”项目;2019年,正式将首批60颗卫星发送入轨道,在星间采用卫星光通信技术。大规模的卫星激光通信技术得到采用,使卫星激光通信正式向产业化方向发展。 美国Optical Communication and Sensor Demonstration(OCSD)卫星验证了微小卫星可以通过激光星间链路实现高速率星地通信,打破了此前对激光星间通信在体积和质量上的限制。OCSD-A星于2015年10月发射,OCSD-B/C星于2017年11月发射,分别验证了卫星对地面空间站可以通过激光星间链路实现较高的通信速率。 类似地,麻省理工学院、佛罗里达大学和美国航空航天局埃姆斯研究中心联合研制的立方卫星激光红外连接CLICK系统也用于验证星间、星地激光通信。CLICK系统可以展示低SWaP激光终端,能够进行全双工高数据速率下行和星间连接,以提高精确测距和时间同步。 2022年5月,搭载太字节红外传输器(TeraByte 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在小卫星领域,TESAT的激光产品系列提供小质量的TOSIRIS和CubeLCT。它们分别以10Gbps或100Mbps的速度传输对地数据,其中TOSIRIS仅重8kg。通过激光终端构建地球数据骨干网,TESAT可以实现近乎实时的全球数据传输。 德国Mynaric公司推出CONDOR Mk3激光终端,可提供在7500千米距离上达到10Gbps的通信速率。终端设计寿命7年,较上一代产品的通信能力有大幅提升。 中国 我国空间激光通信技术的研究工作开始于20世纪90年代,主要研究卫星激光通信整机研制,高精度光学天线和跟瞄系统优化,激光器、光放大器和探测器等核心器件服务质量提高和模块化定制等技术难点。 作为国内第一次星地激光通信在轨技术试验,“海洋二号”卫星于2011年成功入轨,通过非相干通信,可以实现2000千米距离星地通信,最高通信速率可达504Mbps。 在此之后,“墨子号”量子卫星于2016年成功发射,通过相干调制方式实现了5.12Gbps的激光通信速率,能够支持具备高维图像和视频信息的加密传输。 2016年,“天宫二号”与新疆南山地面站成功实现了激光通信实验, 其激光终端的数据下行速率为1.6Gbps。该载荷也首次实现了白昼激光通信,其载荷跟踪能力在白昼时与夜晚情况接近。 2017年,“实践十三号”卫星实现全球第一次同步轨道卫星与地面的双向高速激光通信,通信速率最高可达5Gbps,通信距离最高可以支持4.5万千米,刷新了当时国际高轨星地激光最高通信数据率。 2020年,“实践二十号”卫星与丽江地面站成功建立激光通信链路,实现从卫星到地面站最高10Gbps的下行传输速率,其他关键指标也已经对齐国际先进标准。 2023年6月,中国科学院空天信息创新研究院利用自主研制的500毫米口径激光通信地面系统,与长光卫星技术股份有限公司所属吉林一号MF02A04星成功开展星地激光通信试验,通信速率达到10Gbps,所获卫星载荷数据质量良好,可满足高标准业务化应用需求。 可以看出,中国在卫星激光通信领域的技术发展已与欧洲相当,但落后于美国。 卫星激光通信未来前景展望 卫星激光通信已显示出应用场景广泛、市场潜力巨大的乐观前景。 应用场景方面,除了在军事通信领域作用重大,可以建立军事通信网络,实现远程通信和机密通信等以外。在如下民用领域卫星激光通信开始显现出良好的应用潜力: 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