CN101445300A

CN101445300A - 富营养化水体低能耗泳动床-人工湿地组合处理方法

Info

Publication number: CN101445300A
Application number: CNA2008102073285A
Authority: CN
Inventors: 杨长明; 李建华; 马锐
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-06-03

Abstract

富营养化水体低能耗泳动床－人工湿地组合处理方法，首先将富营养化景观水体通过涵管导入到配水槽，通过提水系统提升到调节池，再依次通过重力作用进入高速泳动床和人工湿地系统，出水最后回到景观水体，或者作为自来水原水。与单一人工湿地处理工艺相比较，利用人工湿地－高速泳动床组合工艺，对村镇高浊度和高有机质富营养化水体净化效果优势明显，COD_cr去除率为74－87％，；TN去除率为59－80％；NH₄ ⁺－N去除率为68－85％；TP去除率为76－91％使得整个受污染水体由过去的V类和劣V类水体，变成目前的IV类水体或优于IV类水体。同时也大大降低整个系统的维护和运行成本。本发明在对我国典型城镇富营养化污染控制、改善和提高农村环境质量，将会发挥重要作用。

Description

富营养化水体低能耗泳动床—人工湿地组合处理方法

技术领域

本发明属于水处理领域，涉及低能耗村镇高氮、高有机质富营养化自然水体生态修复技术与工艺。

背景技术

近年来，随着经济的高速发展，生活污水和工业废水大量排放，面源污染不断加剧，导致许多河流湖泊被污染，开始威胁到城市和工业供水安全及人民健康，因此，污染河水的处理已经成为一个为世人关注的焦点。水体富营养化是目前导致江河湖泊水环境污染和水域生态系统功能退化的重要表现形式，所以富营养化水体生态系统的恢复和重建已成为环境科学域工程领域的热点。目前，人们采用许多物理的和化学的方法对受污染水体进行治理和恢复，并取得了一定的效果。但是，这些传统的处理方法具有污泥产量大、能耗高和运行复杂的缺点。

人工湿地(Constructed Wetlands，CWs)是一种人工建造和监督控制的与自然湿地相类似的地面，是人为地将石、砂、土壤等一种或几种介质按一定比例构成基质，并有选择性地植入植物的污水处理生态系统。由于人工湿地具有处理效果好、建设和运行费用低、易于维护管理等优点，因而受到世界各国的普遍重视，成为近年来发展较快的一种污水处理新技术。目前国内外利用人工湿地处理富营养化水体研究已有大量报道，也有这方面的专利申请和已经被批准的专利。但是，由于人工湿地在实际运用中普遍存在着占地面积大、处理工艺单一、后期处理效果差以及能耗高(一般设计中，需要利用水泵将污染河水提升到人工湿地中)等问题，导致目前我国大规模利用人工湿地处理和净化城镇河道富营养化水体的成功实例并不多。

我们目前在崇明岛前卫实验基地的研究表明，对于有机质含量较高的村镇河道富营养化水体，采用单一的人工湿地处理工艺，出水水质效果并不理想，进水中COD的去除率仅为35-48％。一般情况下，往往为了获得更好的有机质去除效果，不得不扩大人工湿地的面积。而在我国南方村镇土地面积如此紧张的形式下，采用这种扩大人工湿地面积方式，以获取高的污水处理效率显然不太适合。另外，目前人工湿地对氨氮去除效果不佳。目前的现状要求我们必须利用、集成现有的处理技术，特别对水体中有机质具有良好的去除效果的生物(态)处理技术与工艺，才能更大发挥人工湿地的处理潜力和村镇富营养化水体的生态修复效率。

生物接触氧化法是1971年在日本开创以来，在水处理方面已得到广泛应用。该方法具有运行稳定、处理效率高、剩余污泥量小以及管理简单等特点。特别是对氨氮和难降解的有机物去除能力强、能够适应较大水质范围的变化。而且所占用面积较小，可以实现污水的高效处理。但目前该方法主要应用于污水的处理，在自然受污染水体处理实例较少。

人工湿地与生物接触氧化工艺均具有各自的优点，而且互补性强。污染水体在进入人工湿地系统前，通过生物接触氧化工艺处理，可以弥补人工湿地脱氮和去除难降解有机物能力不强等缺点，从而有利于整个系统稳定、高效运行。

发明内容

本发明的目的是针对富营养化水体高氮、高有机质含量的特点，提供一种新型的富营养化水体泳动床—复合流人工湿地处理方法组合，克服现有技术的上述缺点。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种富营养化水体低能耗生态型处理方法，采用高速泳动床(BF)和人工湿地组合工艺系统，实现对富营养化水体高效净化和修复。

进一步，通过在人工湿地系统前端设置泳动床(BF)，可以大大改善对高有机物和高氨氮含量的富营养化水体的净化效果，这是一般人工湿地系统无法实现的。

所述的人工湿地系统，考虑到泳动床出水溶解氧(DO)含量较高，采用水平潜流人工湿地水力设计，可提高单位面积处理负荷，节省占地面积。该水力设计可以改善湿地系统微环境，增强系统内硝化和反硝化作用，从而大大提升系统对总氮和氨氮的去除效果。

所述的水平潜流人工湿地系统，摒弃传统人工湿地单一的植物种植模式，采用不同植物的合理搭配，这样无论从处理效果上，还是人工湿地景观上都会起到积极作用。

所述的低能耗水循环系统，利用当地具有丰富的风能资源，和相关企业研发低能耗的风能提水系统，可以大大降低运行成本，同时对周边景观也起到提升作用。

所述的风车提水系统，该系统可以和普通潜水泵进行自动切换，当风力不足时，潜水泵提水系统自动启用，以弥补因风力过小，风力提水无法工作的缺陷。

本发明所提出的富营养化景观水体组合处理工艺，首先将富营养化景观水体通过涵管导入到配水槽，通过风力提水系统提升到调节池，再依次通过重力作用进入高速泳动床和人工湿地系统，出水最后回到景观水体，或者作为自来水原水。现进一步介绍如下：

人工湿地的设计，采用水平潜流设计模式。整个人工湿地处理系统包括：池体、基质、植物和布水系统。人工湿地基质可采用普通的不同级配的砾石、沸石和陶粒等材料，也可以采用一些新型材料，如钢渣、干渣以及改型粉煤灰等作为人工湿地基质，而且处理效果也非常好。湿地植物采用抗逆性较强、根系发达，并具有一定经济价值和景观效果的湿地植物，如芦苇、灯心草、菖蒲、香蒲美人蕉和水葱等。布水系统采用多孔管，以保证配水的均匀性。

该高速泳动床主要是利用生物接触氧化原理设计，主要包括反应槽、生物填料、曝气装置以及进水口和出水口，其中核心部件生物材料可采用亲水性聚丙烯酸纤维。在反应槽中，通过曝气形成内循环水流，并与填料及其附着生物膜发生碰撞与接触，产生同向和多重异向流，使得生物填料和生物膜处于“泳动”状态，保持较高的生物膜活性，并不会集中脱落，有利于增强硝化反硝化过程和有机物的降解作用。该装置具有占地小、处理量大、耐冲击负荷，能有效去除水中有机物等优点，由于良好的充氧效应，工艺对水中SS、COD和氨氮的去除效果较好。

低能耗提水系统：本发明中可采用活塞式风能提水系统，这类提水机是在风力作用下，利用风轮转动所产生的扭矩带动曲柄连杆机构把风轮轴的旋转运动变为活塞泵的往复直线运动进行提水作业。整个提水系统主要包括：塔架、风轮机构、转动机构、活塞机构、输水管和吸水管等。主要工作原理是：在风力作用下，风轮带动转动机构(中心轮、曲轴)，并通过连杆和活塞机构相连，使活塞做上下往返运动，将水汲取到输水管中，实现提水。

配水槽和调节池一般的采用砖混结构，调节池池体离泳动床和人工湿地要有一定的高度，以保证水能通过重力作用流出，同时要安装水位控制器，以防止水溢出。

进一步，具体工艺流程为：

将富营养化河道水体通过低能耗风力提水系统，直接提升到沉淀池调节池，然后通过管道进入到高速泳动床装置，经过该装置处理后，出水再通过管道，利用重力流进入人工湿地系统，最后经过人工湿地处理后的出水直接回排到被处理的水体中，也可作为村镇景观水体和自来水厂原水。

整个处理系统中，不同组成部分设置阀门和流量计，以控制流量，保持系统进、出水稳定。另外，在分别在人工湿地和泳动床出水阀门处设置取水孔，用作水质分析取样。

另外，为了便于分析和比较，村镇富营养化水体通过风力提水机进入沉淀池调节池后，通过另一条管道直接进入人工湿地，即超越高速泳动床，形成独立的人工湿地处理系统，以便和组合处理系统净化效果进行对比，以显示该组合工艺的优势。该独立处理系统由阀门进行控制，组合工艺运行时，该阀门处于关闭状态。

由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：

1、由于将高速泳动床技术集成到人工湿地处理系统中，并通过生物膜的降解作用，可以大大削减了出水中有机质的含量。同时，由于高有机质的富营养化水体在进入人工湿地处理系统之前，经过高速泳动床处理后，水中总氮、氨氮以及有机质含量明显降低，这样可以大大降低因有机质积累导致的人工湿地生态系统基质阻塞和水流不畅问题的产生，特别是克服了单纯采用人工湿地对氨氮去除效果差的缺点，从而可明显提高人工湿地生态系统处理效率，提高了出水水质等级。

2、本方案中所采用的是水平潜流人工湿地处理系统，一方面是考虑其独特的水流方式能确保流入湿地的富营养化水体与基质和植物根系的充分接触，单位面积处理负荷。同时，人工湿地进水为高速泳动床出水，溶解氧(DO)含量较高(曝气过程)，采用水平潜流模式也不会造成湿地系统内部严重缺氧状态，有利于提高人工湿地系统的硝化反硝化强度，从而进一步增强整个系统的脱氮过程。

3、整个组合处理系统主要适合在风力资源较为丰富的地区，采用低能耗风力提水系统，大大降低能源消耗，也降低了该组合处理系统的运行成本。同时也大大改善和提高了当地的生态景观效果和旅游品位。

4、该组合处理工艺主要包括泳动床和人工湿地处理系统，结构简单，便于安装和维护。同时，还可以根据富营养化水体水质季节性的变化差异，通过调节高速泳动床的曝气量和人工湿地处理系统水力负荷，以保持出水水质的稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的低能耗泳动床—人工湿地组合处理工艺流程图。

图2是本发明实施例采用的水平潜流人工湿地系统示意图。

图3是本发明实施例高速泳动床结构示意图。

图4是本发明实施例风力提水系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合实例作进一步详细说明：

本发明所提出的村镇富营养化景观水体组合处理工艺如附图1所示，首先将村镇富营养化景观水体通过涵管导入到配水槽1，通过风力提水系统2提升到调节池3，再依次通过重力作用进入高速泳动床4和人工湿地系统5，出水最后回到景观水体，或者作为村镇自来水原水。现将主要关键配置介绍如下：

人工湿地的设计，如附图2所示，采用水平潜流设计模式。整个人工湿地处理系统包括：池体21、基质22、植物23和布水系统24。人工湿地基质可采用普通的不同级配的砾石、沸石和陶粒等材料，也可以采用一些新型材料，如钢渣、干渣以及改型粉煤灰等作为人工湿地基质，而且处理效果也非常好。湿地植物采用抗逆性较强、根系发达，并具有一定经济价值和景观效果的湿地植物，如芦苇、灯心草、菖蒲、香蒲美人蕉和水葱等。布水系统采用多孔管，以保证配水的均匀性。

高速泳动床主要是利用生物接触氧化原理设计，其结构示意图见附图3所示，主要包括反应槽31、生物填料32、曝气装置33以及进水口34和出水口35，其中核心部件生物材料32是一种亲水性聚丙烯酸纤维(日本NET株式会社研制)。在反应槽中，通过曝气形成内循环水流，并与填料及其附着生物膜发生碰撞与接触，产生同向和多重异向流，使得生物填料和生物膜处于“泳动”状态，保持较高的生物膜活性，并不会集中脱落，有利于增强硝化反硝化过程和有机物的降解作用。该装置具有占地小、处理量大、耐冲击负荷，能有效去除水中有机物等优点，由于良好的充氧效应，工艺对水中SS、COD和氨氮的去除效果较好。

低能耗提水系统设计：本发明中采用活塞式风能提水系统，这类提水机是在风力作用下，利用风轮转动所产生的扭矩带动曲柄连杆机构把风轮轴的旋转运动变为活塞泵的往复直线运动进行提水作业。整个提水系统主要包括：塔架41、风轮机构42、转动机构43、活塞机构44、输水管45和吸水管46等。主要工作原理是：在风力作用下，风轮带动转动机构(中心轮、曲轴)，并通过连杆和活塞机构相连，使活塞做上下往返运动，将水汲取到输水管中，实现提水。

进一步，具体工艺流程为：

需要说明的是：风力提水系统只是低能耗提水系统的一种，适合应用区域为风力资源较为丰富的地区。实际上，还可以采用其他低能耗提水系统，例如太阳能电池驱动提水泵提水，此不赘述。

实验例

处理对象：某养殖鱼塘水体，该水体由于长期作为养鱼塘，向水体投喂大量的饵料(其中包括猪粪)、养殖对象的排泄物和粪便以及其它一些营养物质进入养殖水体，使之呈现超负荷营养状态。特别是水体中有机质(以COD表示)和总氮含量较高，给单纯利用人工湿地系统进行处理带来困难。

低能耗泳动床—人工湿地组合处理工艺设计：

风力提水系统：由沈阳巨达机电集团公司制造，型号为FTS-50，结合该地区风力资源特点，稍加进行了改造。提升水量约在500-800m³/d。

本次试验采用的泳动床，高6.3m，直径1.8m，净容积15m3，处理负荷为300m³/d，停留时间约1.2h。整个反应槽为钢结构，泳动床生物填料为亲水性聚丙烯酸纤维，由日本NET株式会社驻大连事务所提供。聚丙烯酸纤维填充容量28.2m³，总长度2662m。

水平潜流人工湿地净化系统由某废弃的养殖鱼塘改造成，共分为2个处理单元，总面积825m2，负荷0.5m/d，处理水量约400m³/d，停留时间约24h；采用钢渣、砾石和陶粒等复合填料作为人工湿地基质，分层分段填充。下行池从上向下填充填料(依次为粒径0.5～2cm碎石及页岩陶粒0.5m厚，2～4cm钢渣0.3m厚，4～8cm碎石0.2m厚)，上行池从上向下填充填料(依次为粒径0.5～2cm碎石0.6m厚，4～8cm碎石0.2m厚)。从下行池填料床上方均匀布水，水流经床体后经上行池收集后流出。考虑到该实验基地位于生态旅游村，故采用既具有较强净化效果，由具有较好景观效果的美人蕉、菖蒲、灯心草作为湿地植物、并进行混栽，以提高湿地系统的生物多样性和稳定性。

整个低能耗泳动床—人工湿地组合处理系统自建成后，经过近两个月(2007.04.03-2007.5.30)的试运行。之后进入正式运行阶段，出水水质稳定。以2007年7月至2008年8月实验数据为例，对整个处理工艺进行了去除效果评估。在该阶段，进水水质：COD_cr 30.2～65.4mg/L；TN 1.26～5.81mg/L；NH₄ ⁺-N 0.38～1.24mg/L；TP 0.14～0.31mg/L。从进水水质可以看出，按照国家《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》，供试的景观湖水属基本属于V类水标准，而每年在5-10月份，一般属于劣V类水体，特别是COD和氨氮超标严重，水体污染严重，2007年6月份和10月份皆发生了较为严重的水华现象。

通过泳动床—复合人工湿地组合处理系统处理后，出水水质：COD_cr 8.2～18.8mg/L；TN0.11～0.87mg/L；NH₄ ⁺-N 0.05～0.65mg/L；TP 0.02～0.10mg/L。其去除率分别为：COD_cr74-87％，平均为78.2％；TN 59-80％，平均为71.4％；NH₄ ⁺-N 68-85％，平均为80.4％；TP 76-91％，平均为87.7％。

由此表明，该组合工艺系统对富营养化水体具有较好的净化和修复效果，出水水质皆达到地表III类水标准，有的指标达到II类。所以对供试的景观湖水来水，经过系统处理后的出水不但可以改善中心湖水质，同时也促进了湖水的循环，从而改善其自净能力。根据目前的监测数据表明，中心湖水已由V类和劣V类水体，变成目前的IV类水体或优于IV类水体。藻华发生频率也大大降低。

另外，为了验证本发明设计中的泳动床对水平潜流人工湿地系统的强化净化作用，我们还做了超越试验，即进水不经过高速泳动床，直接进入水平潜流湿地系统，根据实验数据发现，其TP去除率差异不大(平均86.2％)，但对CODcr和NH₄ ⁺-N的去除率仅分别为52.3％和40.1％，说明水平潜流人工湿地处理系统前端设置高速泳动床，可以大大提高脱氮效率，提高出水水质。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种富营养化水体处理方法，其特征在于：首先将富营养化景观水体通过涵管导入到配水槽，通过提水系统提升到调节池，再依次通过重力作用进入高速泳动床和人工湿地系统，出水最后回到景观水体，或者作为自来水原水。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述配水槽和调节池采用砖混结构，调节池池体离泳动床和人工湿地要有一定的高度，以保证水能通过重力作用流出；同时安装水位控制器，以防止水溢出。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高速泳动床包括反应槽，在反应槽中，通过曝气形成内循环水流，并与填料及其附着生物膜发生碰撞与接触，产生同向和多重异向流，使得生物填料和生物膜处于“泳动”状态，保持较高的生物膜活性，并不会集中脱落。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述提水系统是低能耗提水系统，采用活塞式风能提水系统，利用风轮转动所产生的扭矩带动曲柄连杆机构把风轮轴的旋转运动变为活塞泵的往复直线运动进行提水作业。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述处理系统中的不同组成部分设置阀门和流量计，以控制流量，保持系统进、出水稳定；另外，在分别在人工湿地和泳动床出水阀门处设置取水孔，用于水质分析取样。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：分别在人工湿地和泳动床出水阀门处设置取水孔，用于水质分析取样。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述人工湿地系统采用水平潜流模式，包括：池体、基质、植物和布水系统，所述基质采用砾石、沸石、陶粒、钢渣、干渣、改型粉煤灰中的一种或一种以上；所述植物采用抗逆性较强、根系发达，并具有一定经济价值和景观效果的湿地植物类型。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述植物采用芦苇、灯心草、菖蒲、香蒲美人蕉、水葱中的一种或一种以上。

9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述布水系统采用多孔管，以保证配水的均匀性。