CN100400438C - 富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统 - Google Patents

富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，包括双通道进水单元、植物-砾石过滤沉淀单元和强化水平潜流处理单元三个部分，三个单元依次串联而成。富营养化河、湖水体和初期雨水通过双通道进水单元分别收集后进入植物-砾石过滤沉淀单元，然后再流经强化水平潜流处理单元，最后出水。该系统建于河、湖岸边，对富营养化河、湖水体和初期雨水进行联合处理，可以防止没有初期雨水导致的植物干枯，有效去除悬浮物，成本低、防渗效果好、经久耐用。处理单元内种植芦苇、香蒲、鸢尾等水生植物，对污染物去除效率高，同时具有很好的景观效果。

Description

富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统
技术领域
本发明涉及一种污水处理系统，尤其涉及一种受污染的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，属于环境工程技术领域。
背景技术
人工湿地(Constructed  Wetlands，CWs)是近20年来发展起来的新型污水处理技术，近年来越来越受到普遍重视。
人工湿地与传统的污水处理方法(活性污泥法和稳定塘法等)相比，具有处理效果好(其对BOD5(五日生化需氧量)的去除率可达85％～95％，COD(化学需氧量)的去除率可达80％以上，处理出水中的BOD5小于10mg/L、S S(悬浮物)小于20mg/L)、氮磷去除能力强，对TN(总氮)和TP(总磷)的去除率分别可达60％和90％、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低(分别为传统二级活性污泥处理工艺的1/10至1/2)以及对负荷变化适应能力强、能耗少、无须化学药剂等优点，同时又可作为一种景观设施。因此这项技术适合我国国情(人工湿地污水处理技术在我国的发展研究潘科杨顺生陈钰四川环境2005年第24卷第2期)。
人工湿地工艺主要有三种：自由表面流、潜流和垂直流。虽然优点明显，但具体每个工艺还存在一些不足，比如自由表面流存在水与基质接触面少等缺点，从而导致硝化能力难以提高。潜流和垂直流均存在运行一段时间后，有机质堆积导致孔隙率下降，从而使处理能力降低的缺点。为了解决这些缺点，研究人员将不同的工艺组合起来，取得了一定的效果。如，陈德强等比较研究表明：下行流湿地+上行流湿地+推流床湿地对TSS(总悬浮物)、COD、BOD5的去除效果较好；下行流湿地+氧化塘对NH4 +-N(氨氮)的去除效果较好，但氧化塘中的藻类容易导致出水中的TSS增加；上行流湿地有利于对NO3 --N(硝氮)的去除；  自由表面流湿地对各项指标的去除效果均比其他组合工艺差，但将其后置可以增加出水的DO(溶解氧)含量(陈德强吴振斌成水平等不同湿地组合工艺净化污水效果的比较中国给水排水，2003，19)。但是上述组合还是存在处理单元多，相对复杂，占地面积大以及易堵塞等缺点。
以上研究及应用均集中在利用人工湿地处理生活污水、养殖废水、工业废水等方面，人工湿地在净化富营养化河、湖水体方面的应用较少，目前处于研究探索阶段，由于富营养化河、湖水体有机污染负荷较低，人工湿地的应用是以净化氮、磷为目标，所以与人工湿地在处理污水方面的应用有所不同。此外，下雨的初期雨水(即前30分钟的雨水)污染较为严重，直接排入水体会引起水体的富营养化问题，人工湿地应用于处理初期雨水的非点源污染目前没有得到应用，并且研究报道较少。为此，我们主要针对富营养化河、湖水体的水质特点，结合初期雨水的非点源污染处理要求，以去除水体中的氮、磷等营养物质为目标，对人工湿地技术进行了全方位的研究。为了克服人工湿地堵塞问题、人工湿地单纯处理初期雨水时不能保证植物对水的需求、以及人工湿地对氮、磷等营养物质的去除效率不高等不足，我们对普通的人工湿地技术进行了革新。工艺上考虑了防堵塞设计，并且把处理初期雨水与处理富营养化河、湖水体相结合，同时考虑了易于操作运行和人工湿地的景观要求，开发了富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统。
发明内容
本发明的目的是为净化富营养化河、湖水体的污染以及初期雨水的污染问题，开发了富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，解决普通人工湿地易堵塞问题，单纯处理初期雨水植物不能很好生长问题，以及自由表面流人工湿地对氮、磷等营养物质的去除效率不高等问题，同时考虑了易于操作运行和人工湿地的景观要求。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，包括双通道进水单元、植物-砾石过滤沉淀单元和强化水平潜流处理单元三个部分，三个单元依次串联而成。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述双通道进水单元包括两个进水通道，一个接初期雨水收集系统，另一个接富营养化河、湖水体进水。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述植物-砾石过滤沉淀单元内每隔5～10米设置一个砾石过滤坝，每个砾石过滤坝前设置有污泥收集坑。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述强化水平潜流处理单元内填充50～80cm厚的砾石填料，填料分为上下两层，上层高度为30～60cm，砾石粒径为1～3cm，下层高度为20～30cm，砾石粒径为3～8cm。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述强化水平潜流处理单元中间设有导流板，导流板上端与强化水平潜流处理单元表面平齐，下端过水。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述强化水平潜流处理单元后端设置有排泥井，排泥井中放置排泥泵。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述植物-砾石过滤沉淀单元与所述强化水平潜流处理单元底部用粘土防渗。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述植物-砾石过滤沉淀单元与所述强化水平潜流处理单元内种植水生植物。
本发明的复合人工湿地处理系统中，所述水生植物为芦苇、香蒲或鸢尾。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点和效果：a、以处理低浓度的富营养化河、湖水体与初期雨水为目的，水中有机物含量低。 b、系统建于河边或湖边，进水收集系统由两部分组成，用于处理富营养化湖泊、河流水体和降雨引起的初期雨水，使两部分水联合处理，当没有暴雨径流时处理富营养化的湖泊、河流水体，可以防止没有初期雨水导致的植物干枯。c、水平潜流处理单元考虑了排泥井，通过排泥井，可以去除水平潜流积累的有机质、老化生物膜，有效的防止了填料的堵塞。d、水平潜流处理单元增加了导流系统，减少了处理系统的死角，提高了处理效率。 e、系统串联植物-砾石过滤单元，有效去除悬浮物，防止后面串联的水平潜流床的堵塞问题。f、水平潜流处理单元种植芦苇、香蒲、鸢尾等水生植物，不仅对总悬浮物(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)有很好的处理效果，同时还具有很高的景观价值。
附图说明
图1为富营养化河、湖水体及初期雨水复合人工湿地处理系统的单元示意图。
图2为富营养化河、湖水体及初期雨水复合人工湿地处理系统的单元流程图。
图3为植物-砾石过滤沉淀单元的剖面示意图。
图4为强化水平潜流处理单元的平面示意图。
图5为排泥井围板图。
具体实施方式
本复合人工湿地处理系统建在河流、湖泊岸边。形状可因地制宜，依河或湖岸线而建，可按景观设计要求设计。处理水的来源包括受污染的河、湖水体和降雨引起的暴雨径流。当有暴雨径流时，关闭湖泊、河水的进水；当不下雨时，从河流、湖泊中用泵提升或利用河流、湖泊水的自然高程进水。
如图1所示，本发明的复合人工湿地处理系统包括双通道进水单元、植物-砾石过滤沉淀单元1和强化水平潜流处理单元5三个部分，三个单元依次串联而成。富营养化河流、湖泊水和暴雨径流通过双通道进水单元收集进入植物-砾石过滤沉淀单元，经过滤沉淀和预处理后，流入强化水平潜流处理单元，营养盐在此进一步去除，处理后的出水进入河流、湖泊水体。
植物-砾石过滤沉淀单元1内种植的水生植物4(例如芦苇或香蒲)起到格栅的作用，拦截大的悬浮物。植物-砾石过滤沉淀单元1中每隔5～10米设置一个砾石过滤坝2，用于进一步过滤土壤颗粒、藻类等悬浮物，砾石过滤坝2的尺寸例如可以为厚30～50cm，高30～50cm，砾石粒径为1～8cm。在植物-砾石过滤沉淀单元1内，水流形态为自由表面流。通过水生植物和过滤坝的联合作用，使得进水得到预处理。
水经植物-砾石过滤沉淀单元1处理后，流入强化水平潜流处理单元5。该强化水平潜流处理单元5内填充50～80cm厚的填料3，填料为砾石。填料分为上下两层，上层高度为30～60cm，砾石粒径为1～3cm，下层高度为20～30cm，砾石粒径为3～8cm，上层小粒径的砾石有利于植物扎根和微生物的生长，下层大粒径砾石有利于底部过水，避免填料堵塞。强化水平潜流处理单元5内种植水生植物4，例如可以是芦苇、香蒲或鸢尾。强化水平潜流处理单元5中间设有导流板6，导流板为混凝土结构，厚度例如可以为约20cm，导流板上端与强化水平潜流处理单元表面平齐，深度约为本单元深度的2/3，导流板下端过水(图中箭头表示过水方向)。由于导流板的存在，水流在向前流动的过程中有一个向下流动的过程，使处理水尽可能多地经过池内的填料，防止处理水只在表面流动而下部填料不能发挥作用，水流只在表面流动而不经过下部叫作“短流”，加入导流板后可以防止池内的“短流”，增加池内水力停留时间，从而有效地提高了氮、磷的去除效果。
强化水平潜流处理单元5的后端设置有一个排泥井8，排泥井8中放置排泥泵7。排泥泵7将泥抽到植物-砾石过滤沉淀单元，使强化水平潜流处理单元5的沉积物被植物-砾石过滤沉淀单元1沉淀和截留下来。系统运行一段时间后，由于有机质的积累和老化生物膜的脱落，会导致填料孔隙率的下降。此时可以停止进水，开启排泥井中的排泥泵，通过污泥管线9将单元5内积存的污泥抽出，回流到植物-砾石过滤沉淀单元1 。
如图2所示，本发明的双通道进水单元具体包括两个进水通道，一个接初期雨水收集系统10、一个接富营养化河流、湖泊进水11。初期雨水采用时间控制器控制进水时间，规定时间以前的初期雨水进入复合人工湿地处理系统，规定时间以后的后期雨水直接排入受纳水体。处理初期雨水过程，停止处理富营养化河、湖水体，不下雨时期再切换到处理河、湖水体进水单元。河流、湖泊水可用水泵从河流、湖泊中提升，也可以在河中建设一个橡胶坝，利用其自然高程使河水流入本发明的复合人工湿地处理系统中。两个进水通道当一个工作时另一个停止。水流按图中箭头方向依次经过植物-砾石过滤沉淀单元1和强化水平潜流处理单元5。
图3所示为本发明植物-砾石过滤沉淀单元1的剖面示意图，单元1的设计容量由初期雨水(前30分钟的雨水)最大暴雨径流量确定，当没有暴雨径流时处理富营养化的湖泊、河流水体，可以防止没有初期雨水导致的植物干枯。单元1底部例如可以用粘土防渗。在每个砾石过滤坝2的前面设置有一个深约20cm的污泥收集坑12，作为污泥收集之用，方便以后清除淤泥。图中箭头分别表示水流方向和污泥沉降方向。
图4所示为本发明的强化水平潜流处理单元5的平面示意图，单元5在中间设有过水导流板6，其可减少池内水流的“短流”，单元5的后端设有排泥井8，可以将污泥收集后，由排泥泵7将污泥抽送到上一级植物-砾石沉淀过滤单元1中。单元5底部例如可以用粘土防渗。
图5所示为本发明的排泥井围板，排泥井由混凝土板13围成。混凝土板上有板孔14，排泥井的平面尺寸大小例如可以为50×50cm，井面与强化水平潜流处理单元5同高。
整个系统所选的水生植物芦苇、香蒲、鸢尾等都是去污能力较强的物种，同时它们又具有很高的景观价值，对所种植物定期收割，可以去除污染物。
处理后的污水从强化水平潜流处理单元5的后端流出，进入河流、湖泊水体。
实施例
根据本发明的一个具体实例，富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统建在湖边，受污染湖水用潜水泵提升，通过管道进入植物-砾石过滤沉淀单元1前端。初期雨水可通过另一管道接入该单元，并用阀门控制其进水的过程。
植物-砾石过滤沉淀单元：池体为长方体砖混结构并用粘土防渗，长、宽、高的尺寸分别为：20m×1.5m×0.8m，池内填充40cm土壤，池内种植香蒲，池体有效水深可在10～40cm之间调节。在池长7m处和14m处各有一个厚约50cm，与池体等高的砾石过滤坝，过滤坝砾石粒径为2cm。本单元起到沉淀过滤的作用，去除水中的悬浮物和对水中的营养物质初步去除，减少下一单元的堵塞问题。该处理单元的出水进入下一单元强化水平潜流处理单元。
强化水平潜流处理单元：池体为长方体砖混结构，底部用粘土防渗，长、宽、高的尺寸为：20m×1.5m×1.0m，池体内填充填料，填料为砾石，砾石粒径分布为上、下两层，上层砾石填料高度为60cm，砾石填料粒径为1.5cm，下层砾石填料高度20cm，砾石粒径为5cm。在池长10m处中间部位有一混凝土导流板，厚约20cm，导流板上端与池体平齐，高约50cm，下端留有30cm用于过水的通道，该导流板减少了池内短流。池尾部设置排泥井，产生的污泥定期排出，以减少填料堵塞。池内种植芦苇、鸢尾，植物根系发达，有较好的去除氮、磷的作用，同时景观效果好，耐水淹。在池体尾部，设出水收集管，出水排入湖内水体。
该系统运行简单，从进水到出水根据水位差自动运行，湖水提升采用潜水泵，一用一备，并对进水进行计量，进水负荷控制在0.8立方米/天平方米。系统出水指标较好，可作为景观用水，有较好的透明度，出水口附近有大量沉水植物恢复。系统运行1年时间，其处理效果如下表1所示，在0.8立方米/天平方米这样的高水力负荷下，营养盐的去除效率均在60％以上。
表1系统进出水各指标及去除率
  总悬浮物(mg/l)     总氮(mg/l)     总磷(mg/l)     CODmn(mg/l)
进水   23.68     4.37     0.15     6.31
出水   2.33     1.7     0.05     5.66
去除率(％)   90     6 1     67     10

Claims (9)

1.富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，包括双通道进水单元、植物-砾石过滤沉淀单元、导流板与双层填料强化水平潜流处理单元三个部分，三个单元依次串联而成。
2.根据权利要求1所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述双通道进水单元包括两个进水通道，一个接初期雨水收集系统，另一个接富营养化河、湖水体进水。
3.根据权利要求1所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述植物-砾石过滤沉淀单元内每隔5～10米设置一个砾石过滤坝，每个砾石过滤坝前设置有污泥收集坑。
4.根据权利要求1所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述导流板与双层填料强化水平潜流处理单元内填充50～80cm厚的砾石填料，填料分为上下两层，上层高度为30～60cm，砾石粒径为1～3cm，下层高度为20～30cm，砾石粒径为3～8cm。
5.根据权利要求1所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述导流板与双层填料强化水平潜流处理单元中间设有导流板，导流板上端与强化水平潜流处理单元表面平齐，下端过水。
6.根据权利要求1所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述导流板与双层填料强化水平潜流处理单元后端设置有排泥井，排泥井中放置排泥泵。
7.根据权利要求1所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述植物-砾石过滤沉淀单元及所述导流板与双层填料强化水平潜流处理单元底部用粘土防渗。
8.根据权利要求1所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述植物-砾石过滤沉淀单元与所述导流板与双层填料强化水平潜流处理单元内种植水生植物。
9.根据权利要求8所述的富营养化河、湖水体与初期雨水复合人工湿地处理系统，其中所述水生植物为芦苇、香蒲或鸢尾。
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