CN101066808A

CN101066808A - 一种通气折流式人工湿地模拟装置

Info

Publication number: CN101066808A
Application number: CNA2007100687733A
Authority: CN
Inventors: 李松; 陈英旭; 曹志洪
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: CN100482601C

Abstract

本发明公开了一种通气折流式人工湿地模拟装置。它具有通气折流式人工湿地本体，装填于有机玻璃容器中，人工湿地本体由上至下依次铺设有粘土层、砂石层、煤渣层、砾石层，砾石层底部右侧设有出水管，出水管管口处设有第二截止阀，砾石层与煤渣层之间设有第三折流挡板，煤渣层与砂石层之间设有第二折流挡板，第二折流挡板上方铺设有布气管，布气管经针阀、气体转子流量计与空气泵相接，砂石层与粘土层之间设有第一折流挡板，粘土层内铺设有布水管，布水管经第一截止阀、液体转子流量计与水泵相接，水泵位于进水水箱内。本发明适用于人工湿地模拟处理污水，可调节通气量和进出水量，水力停留时间长，内装有三层填料，能够实现污水同时高效脱氮除磷。

Description

一种通气折流式人工湿地模拟装置

技术领域

本发明涉及一种通气折流式人工湿地模拟装置。

背景技术

随着社会经济的发展，人口数量的剧增，各种污染也相应增加。其中水污染(工业废水、生活污水、农业面源污水)最为严重，据有关资料显示，我国已有85％的江河湖泊受到不同程度的污染，仅1994年全国城市废水排放量高达360亿吨，其中80％废水未经处理直接排入江河湖泊。进入21世纪以来，人们更注重生活质量的提高，无论是政府还是个人都认识到水污染问题的严重性，这就需要找到一条解决该问题的有效途径。近年来，随着社会主义新农村建设在全国的推行，加强农村生态环境改造，加强农村基础设施建设已成为国家“十一五”工作的重点，其中尤以水环境的治理，污水处理设施及设备的研制为主。本发明就是针对人工湿地处理污水中的脱氮难实际问题，开发通气折流式人工湿地，以提高污水处理效果，特别是脱氮效率。

采用人工湿地技术净化污水始于1953年德国的Max Planck研究所，该研究所的Seidel博士在研究中发现芦苇能去除大量有机物和无机物。到20世纪70年代末期逐渐发展成为一种独具特色的新型污水处理技术。人工湿地污水处理技术具有处理效果好、出水水质稳定、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低、对负荷变化适应能力强、适于处理间歇排放的污水等主要特点。同时，人工湿地对保护野生动物和提高局部地区景观的美学价值也有益处。因此，大力开发人工湿地污水处理技术，对我国水环境污染的治理具有重大的意义，在我国具有广泛的发展前景。

多年的研究表明，人工湿地能够利用基质-微生物-植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化，同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。

在人工湿地中氮主要是通过微生物的硝化和反硝化作用、植物的吸收、氨的挥发以及基质的吸附和过滤等过程而去除。废水中的氮以无机氮和有机氮两种形式存在，无机氮可以被人工湿地中的植物吸收，合成植物蛋白质，最后通过植物的收割形式从湿地系统中去除。但这一部分氮仅占总氮量的8％～16％。有机氮的去除，是先将有机氮转变成氨氮，氨氮再经好氧作用转变成亚硝酸盐氮，亚硝酸盐氮再被还原成硝酸盐氮，硝酸盐氮最后经反硝化作用，释放氮气。

人工湿地系统中氮去除效率取决于湿地植物根区附近土壤的氧化还原状况，因为硝化作用要求在好氧的条件下进行，而反硝化作用要求在厌氧的条件下进行。目前人工湿地系统TN去除率不高的主要原因是硝化-反硝化途径不畅通，由于系统缺氧，不能提供良好的硝化作用环境条件，因而不能产生大量的反硝化作用底物——硝酸盐，为反硝化作用打下基础。要使硝化-反硝化途径畅通，提高氮的去除率最重要的是提高湿地系统中的硝化作用强度。其措施包括：对进入湿地的污水进行曝气，以增加水中的DO；或使污水中的氮素物质在进入人工湿地前作预处理，使之转化成NO₃ ^--N；也可以增加湿地植物的密度，或采用间歇进水方法，提高系统中的氧浓度。

根据污水在湿地中的流动方向和流动方式不同可将潜流型湿地系统分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地3种类型。不同类型的湿地对污染物的去除效果不同，具有各自的优缺点。

(1)表面流人工湿地系统。表面流人工湿地类似于天然沼泽，具有泥底，水面暴露于大气，污水在人工湿地的表层流动，水位较浅，一般在0.1～0.6m。其对废水的净化主要是通过植物、基质和内部微生物之间的物理、化学、生物学过程相互作用而实现的。表面流人工湿地全年或一年中大多数时间都有表面水存在，停留时间较长，因此对悬浮物、有机物的去除效果较好。然而，因为废水中的绝大部分有机物的去除是长在植物水下茎、杆上的生物膜来完成，所以这种系统难以充分利用生长在基质表面的生物膜和生长丰富的植物根系对污染物进行降解，处理能力较低。此外，表面流人工湿地能稳定有效的去除总氮，但对磷的去除效果相对较低。

(2)水平潜流人工湿地系统。水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得名。它由一个或几个填料床组成，床体充填基质。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大，对BOD，COD，SS，重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，是日前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统。它的缺点是控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不如垂直流人工湿地。

(3)垂直潜流人工湿地系统。在垂直潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。该系统的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统。落干/淹水时间较长，控制相对复杂。

国外所建成的人工湿地中，潜流型人工湿地占相当大的比例。如在新西兰使用的大约80个人工湿地系统中，表面流湿地占45％，潜流型人工湿地占33％，混合型人工湿地占14％。在美国、欧洲、澳大利亚和南非等地已建成的和正在建设的人工湿地处理系统中，大部分是潜流型湿地。

如何提高处理效果，需要从以下几个方面进行改进提高。

(1)加强湿地植物的筛选工作，选择一些耐污能力强，去污效果好的湿地植物，同时加强多种植物的合理搭配的研究，因为单一物种的净化能力总是有限的。通过植物的合理搭配，既有利于群落的快速形成，也具有较高污染物净化能力，还具有较高的观赏价值，同时对人工湿地杂草生物的抑制以及对减少残体对湿地植物生长的影响均有重要意义。

(2)重点研究在提高人工湿地氧化硝化能力的同时如何提高其反硝化能力，解决硝态氮的高效去除问题。

(3)填料的类型直接影响湿地系统的净化能力，尤其是对磷的去除。因此，加强填料的筛选，特别是几种填料的合理搭配，也是今后应该优先考虑的工作。另外，如何防止填料堵塞，使其长久保持处理能力也是值得研究的一个课题。

纵观国内外文献资料，通常潜流型人工湿地主要由3部分组成：基质、植物和布水系统。目前人工湿地系统可用的基质主要有土壤、碎石、砾石、煤块、细沙、粗砂、煤渣、多孔介质(LECA)、硅灰石和工业废弃物中的一种或几种组合的混合物。基质一方面为植物和微生物生长提供介质，另一方面通过沉积、过滤和吸附等作用直接去除污染物。潜流型人工湿地中使用的植物主要有香蒲、芦苇、灯心草等，这些植物可增加湿地基质的遇水性，此外还能与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境，将氧气传输至根区，形成特殊的根际微生态环境、这一微生态环境具有很强的净化废水的能力。在美国，大约40％的潜流型湿地只种植香蒲一种植物，欧洲国家则多数种植芦苇，也有一些系统种植了多种组合植物。布水系统主要是将进水按一定方式均匀地分布在处理系统中，并且保证不发生短流和堵塞，在潜流型人工湿地处理系统中多采用穿孔管布水系统。

随着研究的发展，对湿地去污能力的研究不再停留在定性上，而是更注重定量的研究。其中一个反映湿地去污能力的重要数据库是NADB(NorthAmerican Data Base)，它是通过对100多个废水处理型湿地的调查研究而建立(Knight et al.，1992)。该数据库说明湿地对BOD、COD的去除率可达80～90％，但对氮、磷的去除率相对较低，而且变化也较大，一般在50％左右。J.T.A.Verhoeven和A.F.M.Meuleman(1999)通过对渗漏湿地十年的研究，也得出了反应湿地去污能力的一些数据。从实践的角度来说，人工湿地的去污能力会更强。因为它们的目的性更明确，而且可在最大程度上受人为控制。在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟的人工湿地，基本上都能达到尾水排放标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种通气折流式人工湿地模拟装置。

通气折流式人工湿地模拟装置具有通气折流式人工湿地本体，装填于有机玻璃容器中，人工湿地本体由上至下依次铺设有粘土层、砂石层、煤渣层、砾石层，砾石层底部右侧设有出水管，出水管管口处设有第二截止阀，砾石层与煤渣层之间设有第三折流挡板，煤渣层与砂石层之间设有第二折流挡板，第二折流挡板上方铺设有布气管，布气管经针阀、气体转子流量计与空气泵相接，砂石层与粘土层之间设有第一折流挡板，粘土层内铺设有布水管，布水管经第一截止阀、液体转子流量计与水泵相接，水泵位于进水水箱内。

所述的布水管布置于粘土层中，采用潜流式进水，布水管管径10～50mm，布水管下方开有1～3mm的出水小孔，小孔间距为1～3cm，布水管上端距粘土层表面为0.15m～0.20m。布气管埋于砂石层之间，布气管下端距第一折流挡板为0.03m～0.05m。第一折流挡板、第二折流挡板、第三折流挡板与人工湿地边界距0.20m～0.30m。人工湿地长宽比为1∶1～2∶1，深度为0.4～1.1m，砾石层底部的坡度为1‰～3‰。出水管采用PVC管，管径为10～30mm。粘土层、砂石层、煤渣层、砾石层的厚度比为：3∶3∶3∶4～4∶3∶3∶4，砂石粒径为3～10mm，煤渣粒径为10～50mm，砾石粒径为50～200mm。

本发明具有的有益效果主要表现在以下几个方面：(1)本发明采用的潜流式布水可以解决一般自由表面流人工湿地在夏天存在的孽生蚊蝇、散发臭味的环境污染问题，同时在表层种植吸附植物，从而增加了人工湿地的可观赏性。(2)将砂石层和煤渣层、煤渣层和砾石层之间各设置一折流挡板，可使污水由原来的从湿地表面纵向流向填料床的底部变为从湿地表面折流经个各填料床层而后流出湿地，从而有效增加了污水在湿地中的水力停留时间，使各填料床层中的微生物及化学物质能对污水进行更彻底净化处理。(3)对砂石层以上部分进行好氧曝气，使其中形成好氧环境，有利于氮的氧化过程，有效提高湿地的脱氮效果，且这一曝气过程也对植物根部吸收也有一定好处，使植物生长更加旺盛。(5)因煤渣对磷的吸收效果较佳，因此设置煤渣层这一填料床层，有利于提高该湿地对污水中磷的去除效果。(6)砾石层底部有一定坡度(1‰～3‰)，有利于处理后的水进入出水管，排出人工湿地之外。

附图说明

附图是通气折流式人工湿地模拟装置结构示意图；

图中：液体转子流量计1、第一截止阀2、进水水箱3、水泵4、气体转子流量计5、针阀6、空气泵7、植物8、布水管9、粘土层10、第一折流挡板11、砂石层12、布气管13、第二折流挡板14、煤渣层15、有机玻璃容器16、第三折流挡板17、砾石层18、出水管19、第二截止阀20

具体实施方式

本发明重点考虑了以下几点因素。1)一般自由表面流人工湿地在夏天存在的孽生蚊蝇、散发臭味这一问题，使人工湿地的可观赏性大大降低。因此，本发明采用的潜流式布水，既有利于植物根部对污水的净化，又能增加了人工湿地的可观赏性。2)一般垂直潜流湿地系统污水直接从湿地表面纵向流向填料床的底部，水力停留时间短，不利于湿地对污水的充分净化处理。因此，本发明采用折流的方式，大大增加了污水在湿地中的水力停留时间，使湿地能充分发挥潜能，对污水进行有效处理。3)一般湿地系统中水体均处于厌氧状态，而氮的转化则需要经过一个好氧的环节，这就大大降低了湿地对污水中的氮的去除效果。因此，本发明充分考虑到这一点，对砂石层以上部分进行好氧曝气，使其中形成好氧环境使填料处于流化状态，从而有效提高湿地的脱氮效果，且这一曝气过程也对植物根部吸收也有一定好处，使植物生长更加旺盛。4)水体中磷的去除方法有多种，选择的主要根据是经济方便。因此，本发明考虑到煤渣对磷的吸收效果较佳，且经济、方便易得，因此设置煤渣层这一填料层，以提高该湿地对污水中磷的去除效果。

如附图所示，通气折流式人工湿地模拟装置具有通气折流式人工湿地本体，装填于有机玻璃容器16中，人工湿地本体由上至下依次铺设有粘土层10、砂石层12、煤渣层15、砾石层18，砾石层18底部右侧设有出水管19，出水管19管口处设有第二截止阀20，砾石层18与煤渣层15之间设有第三折流挡板17，煤渣层15与砂石层12之间设有第二折流挡板14，第二折流挡板14上方铺设有布气管13，布气管13经针阀6、气体转子流量计5与空气泵7相接，砂石层12与粘土层10之间设有第一折流挡板11，粘土层10内铺设有布水管9，布水管9经第一截止阀2、液体转子流量计1与水泵4相接，水泵4位于进水水箱3内。

所述的布水管9布置于粘土层10中，采用潜流式进水，布水管管径10～50mm，布水管下方开有1～3mm的出水小孔，小孔间距为1～3cm，布水管9上端距粘土层10表面为0.15m～0.20m。夏季不会孽生蚊蝇、散发臭味。布气管13埋于砂石层12之间，布气管下端距第一折流挡板11为0.03m～0.05m。可使其中形成好氧环境，有利于氮的氧化过程，从而提高人工湿地除氮能力，且砂石层12中有一定间隙，不会堵塞布气管13。第一折流挡板11、第二折流挡板14、第三折流挡板1 7与人工湿地边界距0.20m～0.30m。通过设置折流挡板可增加水力停留时间，增强去污能力。煤渣层15能对污水中的磷进行有效的去除，表层吸附植物选用芦苇、水葱、香蒲等，砂石层12能对污水进行过滤吸附作用，砾石层18有利用排水和增加人工湿地中的溶解氧含量。人工湿地长宽比为1∶1～2∶1，深度为0.4～1.1m，砾石层18底部的坡度为1‰～3‰。出水管19采用PVC管，管径为10～30mm。粘土层10、砂石层12、煤渣层15、砾石层18的厚度比为：3∶3∶3∶4～4∶3∶3∶4，砂石粒径为3～10mm，煤渣粒径为10～50mm，砾石粒径为50～200mm。

通气折流式人工湿地模拟装置是一个在湿地上部提供好氧环境的人工湿地，设有曝气设备，对砂石层以上部分进行曝气。整个曝气系统由空气泵和布气管组成，空气管在砂石层中呈网状均匀分布，其管底位于第一折流挡板之上约0.03m～0.05m，使截面各部分得到均匀曝气。

进水是通过水泵向人工湿地中供水，进水管设在粘土层中，呈网状均匀分布，使截面各部分布水均匀，布水管上端距粘土表层约0.15m～0.20m，位于植物根部，有利于植物吸收。出水则是通过一PVC出水管排出人工湿地，出水管位于砾石层的底部，有利于处理后的水及时排出人工湿地以外。

具体说明如下：

1)首先按图示要求将各填料层铺设完成，先铺设最底下的砾石层，铺至要求的厚度后，在其上规定位置设置第二折流挡板，而后继续铺设煤渣层，铺至要求的厚度后，在其上规定位置设置第一折流挡板以及布气管，之后开始铺设砂石层，铺设时应注意将较大颗粒的砂石铺于布气管周围，砂石层铺至要求的厚度后直接铺设粘土层，待铺至0.1～0.3m后，开始设置布水管，然后继续铺设粘土，铺完后在粘土中种植吸附植物。

2)在布水管和布气管的一端分别与水泵和空气泵相接，水泵将污水抽入通气折流式人工湿地模拟装置，布气管则对通气折流式人工湿地进行微孔曝气，提供好氧环境。

3)调节进水阀，控制进水流量为28～100m³/d，水力负荷率(HLR)为1.311.1cm/d，有机负荷为30～174kgBOD₅/ha.d，从而确保污水具有较好的处理效果。

Claims

1.一种通气折流式人工湿地模拟装置，其特征在于，它具有通气折流式人工湿地本体，装填于有机玻璃容器(16)中，人工湿地本体由上至下依次铺设有粘土层(10)、砂石层(12)、煤渣层(15)、砾石层(18)，砾石层(18)底部右侧设有出水管(19)，出水管(19)管口处设有第二截止阀(20)，砾石层(18)与煤渣层(15)之间设有第三折流挡板(17)，煤渣层(15)与砂石层(12)之间设有第二折流挡板(14)，第二折流挡板(14)上方铺设有布气管(13)，布气管(13)经针阀(6)、气体转子流量计(5)与空气泵(7)相接，砂石层(12)与粘土层(10)之间设有第一折流挡板(11)，粘土层(10)内铺设有布水管(9)，布水管(9)经第一截止阀(2)、液体转子流量计(1)与水泵(4)相接，水泵(4)位于进水水箱(3)内。

2.根据权利要求1所述的通气折流式人工湿地模拟装置，其特征在于，所述的布水管(9)布置于粘土层(10)中，采用潜流式进水，布水管管径10～50mm，布水管下方开有1～3mm的出水小孔，小孔间距为1～3cm，布水管(9)上端距粘土层(10)表面为0.15m～0.20m。

3.根据权利要求1所述的一种通气折流式人工湿地模拟装置，其特征在于，所述的布气管(13)埋于砂石层(12)之间，布气管下端距第一折流挡板(11)为0.03m～0.05m。

4.根据权利要求1所述的一种通气折流式人工湿地模拟装置，其特征在于，所述的第一折流挡板(11)、第二折流挡板(14)、第三折流挡板(17)与人工湿地边界距0.20m～0.30m。

5.根据权利要求1所述的一种通气折流式人工湿地模拟装置，其特征在于，所述的人工湿地长宽比为1∶1～2∶1，深度为0.4～1.1m，砾石层(18)底部的坡度为1‰～3‰。

6.根据权利要求1所述的一种通气折流式人工湿地模拟装置，其特征在于，所述的出水管(19)采用PVC管，管径为10～30mm。

7.根据权利要求1所述的一种通气折流式人工湿地模拟装置，其特征在于，所述的粘土层(10)、砂石层(12)、煤渣层(15)、砾石层(18)的厚度比为：3∶3∶3∶4～4∶3∶3∶4，砂石粒径为3～10mm，煤渣粒径为10～50mm，砾石粒径为50～200mm。