CN101575157B - 复合潮汐流人工湿地处理污水的方法及其处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合潮汐流人工湿地处理污水的方法及其处理系统。所述方法是将污水先经地下引水管收集到调节池,由污水泵提升进入高位水箱,然后经两级串联的潮汐流人工湿地处理后流入蓄水池,两级潮汐流人工湿地均包括床体、布水管和处理介质;在两级湿地均选择性地种植植物。本发明同时提供了实现所述处理方法的系统。本发明处理成本低、占地面积小、脱氮除磷效果好。

Description

复合潮汐流人工湿地处理污水的方法及其处理系统
技术领域
[0001] 本发明属于污水处理技术领域,具体涉及一种复合潮汐流人工湿地处理污水的方法及其处理系统。
背景技术
[0002] 潮汐流人工湿地是近几年提出的一种人工湿地类型。在潮汐流人工湿地中,对湿地床体交替进行充满污水和排干操作。在污水流入床体的过程中,床体中的空气逐渐被挤出和消耗,床体基质逐渐被淹没。当污水完全充满床体后就进行排水,在这个过程中,大气中的新鲜空气被带入床内。这样,水流的方式类似一个活塞空气压缩机。通过这种交替的进出水和空气运动,氧的传递和消耗量大大提高,极大地提高了湿地的处理效果。另外,潮汐流人工湿地系统在运行过程中能使介质和污水有最大限度的充分接触,提高了湿地系统利用率,同时也克服了垂直流湿地布水不均的问题(Sun等,1998 ;Sun等,1999)。
[0003] 人工湿地单元的运行方式可根据其处理规模的大小及处理目的不同,对表面流和潜流人工湿地类型进行多种方式的组合,一般有单一式、并联式、串联式和综合式四种。该技术存在的不足有:(1)系统整体缺氧,充氧能力较低。虽然间歇式进水改善了氧状况,但进水中的溶解氧不能提供良好的硝化作用环境条件,不能产生大量硝酸盐作为反硝化作用的底物,使硝化-反硝化途径不畅通,限制了总氮去除率。(2)基质的除磷效果不很理想。
发明内容
[0004] 为了克服现有污水单级潮汐流人工湿地处理方法的不足,本发明的首要目的是提供一种处理成本低、占地面积小、脱氮除磷效果较好的复合潮汐流人工湿地处理污水的方法。
[0005] 本发明的另一目的是提供实现上述方法的复合潮汐流人工湿地处理系统。
[0006] 本发明的目的通过下述技术方案来实现:
[0007] 提供一种复合潮汐流人工湿地处理污水的方法,包括如下步骤:污水先经地下引水管收集到调节池,由污水泵提升污水进入高位水箱,然后依次经过两级串联的潮汐流人工湿地进行处理,最后进入蓄水池出水。整个潮汐流人工湿地系统呈三级阶梯状,占地面积很小。系统最主要的部分一处理池结构由两个部分组成:一级潮汐流人工湿地处理单元和二级潮汐流人工湿地处理单元,分别处于第三和第二级阶梯,处于最底层的第一级阶梯是蓄水池。调节池用于调节污水流量和水质的,污水泵置于调节池中抽取污水;蓄水池用于贮存潮汐流人工湿地处理出水,使用清水泵将蓄水回流至潮汐流人工湿地。
[0008] 两级潮汐流人工湿地均包括床体、多孔管道和基质,还可以种植植物。在一级潮汐流人工湿地的底部布有多孔管道,污水经过一级潮汐流人工湿地处理单元的基质,然后进入二级潮汐流人工湿地处理单元,通过基质的渗滤到达蓄水池,最后通过出水管排出。多孔管道可采用PVC材质的管道。
[0009] 两级处理单元的基质均为50%高炉渣和50%中粗砂混合填料,50%指体积比百分数。潮汐流湿地单元采用底部均匀布水,每级湿地单元的出水均能自流至下一级。出水在蓄水池收集后可用水泵回流至一级湿地单元重新进行处理。
[0010] 此外,根据湿地去除机理可知,污染物特别是COD和NH/-N的去除效果很大程度上受湿地中DO水平的影响。现有潮汐流人工湿地的进、出水口均位于湿地的底部,进水时被截留而又未来得及被分解的有机物很容易被反向流动的出水带出池体以外,直接影响出水水质;而且大量颗粒状的有机污染物积累在湿地的底部会使湿地内部严重缺氧,长久甚至可能会导致堵塞。伯明翰大学最近研究的成果表明潮汐流人工湿地氧耗最大的时刻发生在水被排出床体、有机污染物留在基底内时。因此,湿地床中的氧气是否充足,直接影响了潮汐流人工湿地的处理效果和使用寿命。为了不增加能耗,本发明通过设计类似“烟囱”的多孔竖管的自然抽力以强化大气的自然复氧效果。方法如下:在系统的第一级潮汐流人工湿地床中设置了若干根多孔竖管,竖管置入湿地中的长度占竖管总长度的2/3,此段密集钻有小孔,小孔大小和分布密度不作特殊要求,参照常规技术。其余1/3长度的部分暴露于空气中,例如采用150cm长的PVC多孔竖管,其置入填料中的长度为100cm。系统排水的过程中,PVC管路中与大气接触时间较长的废水被引入湿地,改善了湿地的缺氧状态。
[0011] 当系统排干时,由于湿地内部的氧浓度远远低于大气中的氧浓度,此浓度差将引起大气中的氧气通过PVC竖管上的大量小孔向湿地内部扩散,从而进一步强化了湿地床体的复氧速率和水平。
[0012] 二级湿地单元在系统不运行期间保持池底部淹水,优选淹水深度占池高的1/3,在运行前才把其中的水排空,营造厌氧环境。将两级潮汐流串联,以发挥各自的硝化与反硝化的作用。
[0013] 在基质的选择方面,已往研究表明高炉渣能有效除磷,但是单纯高炉渣会导致出水PH值偏高、填料容易板结,而且成本较高。有鉴于此,本复合潮汐流人工湿地系统采用50%高炉渣和50%中粗砂混合物作为填料,以改善单纯使用高炉渣的不足。所使用高炉渣的主要成分是氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、少量的氧化锰(MnO2)等。其中CaO、Si02、Al203、Mg0、Mn02的含量占高炉渣总成分的97%以上,其中每一种物质的含量没有具体要求。中粗砂的主要成分是石英。
[0014] 本发明优选高炉洛粒径约在0.5mm〜2.5mm之间,中粗砂的粒径约在0.05mm〜0.25mm 之间。
[0015] 在种植植物的选择上,一级湿地单元种植美人蕉,种植密度为9株/m2 ;二级湿地单元种植象草,种植密度为9株/m2。美人蕉分株繁殖,株高I〜2m,在微碱性的土壤中生长良好。是一种既具去污能力又具观赏效果的植物。象草喜温热湿润气候,不耐低温,对土壤适应性强。利用美人蕉和象草的植物吸收作用去除部分的氮和磷。
[0016] 本发明还可以应用于处理氮磷含量明显高于城市污水的化粪池污水。
[0017] 本发明同时提供了实现上述方法的复合潮汐流人工湿地处理系统,包括引水管、调节池、高位水箱、一级潮汐流人工湿地、二级潮汐流人工湿地和蓄水池,所述蓄水池通过污水泵和污水管与高位水箱相连,高位水箱通过布水管与一级潮汐流人工湿地连接,一级潮汐流人工湿地和二级潮汐流人工湿地通过布水的管相连而相连接,二级潮汐流人工湿地通过出水管与蓄水池相连接 ,蓄水池设有回流管道与一级潮汐流湿地连接;所述一级和二级潮汐流人工湿地均包括床体、布水管和填充基质(处理介质),并可种植有湿地植物,布水管位于基质层表面以下(优选表面以下IOcm)并均匀开设小孔。高位水箱内的污水沿着污水管进入一级潮汐流人工湿地布水管,经过布水管小孔投配在基质中,经过一级潮汐流人工湿地处理后的污水进入二级潮汐流人工湿地的布水管投配在二级潮汐流人工湿地床体内的基质中,经处理后的出水自流至蓄水池。所述潮汐流人工湿地垂直布设有多孔竖管,以强化复氧速率,如上所述,所述多孔竖管置入基质中的长度占竖管总长度的2/3,此段密集钻有小孔。所述管道均可以采用现有PVC管。所述基质为50%高炉渣和50%中粗砂的混合物,50%均为体积百分数,所述高炉渣的粒径为0.1〜0.5cm,中粗砂的粒径为0.05〜0.2cm0
[0018] 作为一个优选的方案,所述一级潮汐流人工湿地、二级潮汐流人工湿地和集水池呈三级阶梯构造,更好地保证系统占地面积小、脱氮除磷效果较好的效果。
[0019] 本发明所述的处理系统中一级和二级潮汐流人工湿地可以分别作为一个单元,视污水处理的具体情况可以将至少两个这样的单元串联使用,获得需要的处理效果。
[0020] 所述复合潮汐流人工湿地系统处理化粪池污水中有机物和脱氮方法是:将两级潮汐流人工湿地进行串联,化粪池污水由高位水箱自流进入一级潮汐流人工湿地通过PVC布水管进行均匀布水,经过一级潮汐流人工湿地处理单元的物理沉降,填料过滤和拦截作用后,去除大部分SS (悬浮物)、C0D (化学需氧量)、B0D5 (五日生化需氧量),通过PVC多孔竖管的复氧作用,在氧气充足的情况下进行污水的硝化作用,接着流向底部进入二级潮汐流人工湿地处理单元,利用二级潮汐流人工湿地完成对有机物的大部分去除,在有适当的碳氮比和厌氧条件下通过反硝化作用和水生植物等的吸附降解吸收完成对氮的部分去除。在本系统中,每次向湿地床中注水时,湿地中的空气被迫从床体中排出,而当排水的时候空气又能迅速进入床体中,这样有节奏的气、水运动,促使床体形成好氧、厌氧环境,有利于硝化和反硝化的进行。
[0021] 所述复合潮汐流人工湿地系统去除化粪池污水中磷的方法是:利用微生物及植物的吸收以及填料的物理化学作用去除的。具体方法是:在两级潮汐流人工湿地系统中填充对磷有一定吸附作用 的处理基质,具体为高炉渣和中粗砂的混合基质。利用两级潮汐流人工湿地系统中基质的作用以及湿地植物(一级潮汐流人工湿地为美人蕉,二级潮汐流人工湿地为象草)的吸收作用可以有效的去除污水中的磷。
[0022] 本发明与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
[0023] (I)本发明在一级湿地安装多孔竖管,营造好氧环境,二级湿地在系统不运行期间保持池高度的1/3淹水,营造缺氧/厌氧环境,以发挥各级湿地单元的长处,实现高的脱氮率。结果证实,多孔竖管强化了床体的复氧,能显著提高氨氮的转化率,安装了 PVC多孔竖管的一级湿地单元与没安装PVC多孔竖管的二级湿地单元相比,氨氮净化率从30.11%提高到 53.01%。
[0024] (2)本发明以50%高炉渣和50%中粗砂混合物作为处理介质(基质),无论在去除有机质还是在脱氮除磷效果上都与高炉渣无显著的差异,混合基质不但保持了高炉渣良好的除磷基础,而且由于加入的中粗砂成分减少了基质的孔隙度而增加了基质对污染物质的截留能力,此外还显著减少了出水PH值偏高和基质板结的现象。同时因为高炉渣的价格为中粗砂的3〜4倍,成本大大降低了。
[0025] (3)本发明利用一级潮汐流人工湿地去除部分TN(总氮)、TP(总磷)、COD(化学需氧量)、BOD5 (五日生化需氧量)、SS (悬浮物),利用ニ级潮汐流人工湿地完成C0D、B0D5、SS和TP的部分去除功能。当水力负荷分别为0.5和1.0m3/ (m2 • d)吋,系统对COD的去除率分别高达83.03和76.49%,当水力负荷分别等于0.5、1.0和1.5m3/(m2 • d)时,系统对BOD5的去除率分别为86.4,68.86和71.15%,都表现出对有机物良好的去除效果。
[0026] (4)本发明选择在ー级湿地种植美人蕉,在ニ级湿地种植象草,利用美人蕉和象草的植物吸收作用去除部分的氮和磷,既具去污能力又具观赏效果。
附图说明
[0027] 图1本发明复合潮汐流人工湿地系统エ艺流程图;
[0028] 图2本发明复合潮汐人工湿地系统立体图;
[0029] 图3本发明复合潮汐流人工湿地系统剖面图;
[0030] 图4现有单级潮汐流人工湿地不同停留时间下各系统对COD的浄化效果
[0031] 图5现有单级潮汐流人工湿地不同停留时间下各系统对BOD5的浄化效果
[0032] 图6现有单级潮汐流人工湿地不同停留时间下各系统对TP的浄化效果
[0033] 图7现有单级潮汐流人工湿地不同停留时间下各系统对NH/-N的浄化效果
[0034] 图8现有单级潮汐流人工湿地不同停留时间下各系统对TKN的浄化效果
具体实施方式
[0035] 下面结合实施例及附图对本发明作进ー步详细的描述。
[0036] 实施例1
[0037] 本发明复合潮汐流人工湿地处理系统由“ー级潮汐流湿地単元+ ニ级潮汐流湿地単元+蓄水池”三个部分组成。高位水箱、ー级潮汐流人工湿地、ニ级潮汐流人工湿地和蓄水池等単元结构是由管道连接而成的。高位水箱通过污水管与ー级潮汐流人工湿地连接、ニ级潮汐流人工湿地通过ニ级潮汐流人工湿地布水管与ー级潮汐流人工湿地出水管相连。
[0038] 复合潮汐流人工湿地系统由床体和布水管、处理介质组成,床体的床壁用不渗漏材料做成,床壁为水泥抹面的砖结构,底部为混凝土结构。
[0039] 复合潮汐流人工湿地处理系统的ー级潮汐流人工湿地和ニ级潮汐流人工湿地的设计尺寸长X宽X高均为IOOcmX IOOcmX 100cm,集水池的设计尺寸长X宽X高为IOOcmX 100CmX60Cm,整套系统都为砖结构水泥抹面。本实施例中系统采用基质总体积50%的高炉渣和50%体积的中粗砂混合物作为填料,孔隙度为44.77%。
[0040] 在ー级潮汐流人工湿地床体中种植植物美人蕉,ニ级潮汐流人工湿地基质中种植象草,种植密度均为9株/m2。
[0041] 本实施例还在每套子系统的ー级潮汐流湿地単元上分別布设了 5根PVC多孔竖管,PVC竖管长150cm,其中置入湿地单元中的长度为100cm,此段密集钻有小孔。本实例分别在Al和BI两个湿地单元各植入了 5根PVC多孔竖管。2006年10月23日〜2006年11月I日间(共5次),同时对2个湿地单元采用HLR为0.5m3/(m2*d)、不回流、不停留的灌水方式灌水,并监测出水氨氮含量。结果证实,多孔竖管强化了床体的复氧,能显著提高氨氮的转化率,安装了 PVC多孔竖管的ー级湿地単元与没安装PVC多孔竖管的ニ级湿地単元相比,氨氮净化率从30.1 1%提高到53.01%。[0042] 如附图1、附图2和附图3所示,PVC布水管分布在基质层表面下,通常分布于基质表面层以下IOcm处,系统两级串联的潮汐流人工湿地布水管分布在床体的底部,其长度与床体长度相当,其中一端密封。ー级潮汐流湿地的出水管与ニ级潮汐流湿地的布水管相连接、ニ级潮汐流湿地的出水管排水入蓄水池。蓄水池有水泵和管道与ー级潮汐流湿地相连接用于污水的回流,即蓄水池的出水(可与内碳源污水混合后)通过水泵提升进入管道回流到ー级级潮汐流人工湿地再处理。
[0043] 在ー级潮汐流人工湿地的布水主管上装有ー级潮汐流水量控制阀门和水表,利用阀门和水表的共同作用控制ー级潮汐流人工湿地的进水和回流污水的量,进而控制整个系统的水力负荷。
[0044] 运行管理方式:复合潮汐流人工湿地系统连续运行了 8个月(2006年9月〜2007年4月)。开始两个月为启动期,按水力负荷(HRL) =0.5m3/(m2*d),回流3次运行,每3天运行一次,并取样监测水质。从2006年11月开始采用3种水力负荷(0.5、1.0、1.5m3/(m2 -d))和3种回流次数(分别不回流、回流I次、回流2次)的组合而成的运行方式(共9种)交替运行。毎次实验系统运行时间为ld,水力停留时间(HRT)约为14h。
[0045] 本实施例供试污水取自华南农业大学资源环境学院五号楼公厕三级化粪池出水。水质监测结果表明,该化粪池出水水质除N、P含量是一般城市污水的2〜3倍外,COD、BOD5含量与一般城市污水相似。
[0046] 本发明是这样实现污水处理的:化粪池污水自地下引水管进入调节池,经过污水泵提升到高位水箱,然后沿着污水管进入ー级潮汐流人工湿地布水管,在布水主管上设有控制水量控制阀门5和计量水表6,ー级潮汐流人工湿地布水管位于基质层表面以下IOcm处,污水通过ー级潮汐流人工湿地布水管均匀开设的小孔投配在ー级潮汐流人工湿地床体内的基质中,污水经过基质层,由于基质的过滤截留和吸附作用以及植物根系的摄取作用完成对耗氧有机物和TP的大部分去除。在ー级潮汐流湿地上还布设了 5根PVC多孔竖管,以增加湿地填料与空气的接触面积,增强大气的复氧作用,营造好氧的床体环境,有利于氮的硝化作用。经过ー 级潮汐流人工湿地处理后的污水进入ニ级潮汐流人工湿地的布水管,均匀进入ニ级潮汐流人工湿地进行处理。ニ级潮汐流人工湿地布水管位于基质层表面以下IOcm处,污水通过ニ级潮汐流人工湿地布水管均匀开设的小孔投配在ニ级潮汐流人工湿地床体内的基质中,利用ニ级潮汐流人工湿地完成对有机物的大部分去除,在有适当的碳氮比的条件下通过反硝化作用和水生植物等的吸收完成对氮的部分去除。ニ级湿地単元在系统不运行期间保持池底部淹水30cm,在运行前才把其中的水排空,营造厌氧环境。ニ级潮汐流人工湿地的出水可以自流至蓄水池,蓄水池内的水可以通过水泵和连接到ー级潮汐流湿地的管道回流。
[0047] 由于串联的两级潮汐流人工湿地呈阶梯状,ー级潮汐流人工湿地的出水(包括经过处理的污水和由蓄水池回流的水体)通过ー级潮汐流人工湿地出水管和ニ级潮汐流人エ湿地布水管直接进入ニ级潮汐流人工湿地,成为ニ级潮汐流人工湿地的进水。ニ级潮汐流人工湿地床体内的污水处理过程与第一级潮汐流人工湿地的处理过程基本相同,区别在于进水是由经过ー级潮汐流人工湿地处理的污水和回流的水,或者ー级潮汐流人工湿地处理后的污水构成。
[0048] 本实施例中系统处理效果(mg/L, *%)如表1、表2、表3、表4和表5所不。表1、表2、表3、表4和表5分别为化粪池污水经复合潮汐流人工湿地系统处理后,污水中的COD、BOD5, NH4+-N、TP、TN浓度变化情况。
[0049] 实施例2
[0050] 在本实施例中,两级潮汐流人工湿地基质层填充的基质为高炉渣,高炉渣的直径
0.1〜0.5cm。其它与实施例1相同。
[0051] 本实施例中系统处理效果(mg/L, *%)如表1、表2、表3、表4和表5所不。表1、表2、表3、表4和表5分别为化粪池污水经复合潮汐流人工湿地系统处理后,污水中的C0D、BOD5, NH4+-N、TP、TN浓度变化情况。
[0052] 本发明实施例涉及的人工湿地尺寸仅为ー附图參考,并不作为限定本发明范围的内容,其他规格湿地參照本发明方法皆可实现处理效果。
[0053] 现有单级潮汐流人工湿地的处理效果列于附图4〜8中,其中曲线1、2、3分别为随机选取的现有单级潮汐流人工湿地处理效果曲线;从附图4〜8中的处理效果与表I〜5中本发明复合潮汐流人工湿地对污水的处理效果各项水质指标的比较来看,均是复合潮汐流人工湿地的处理效果 好过单级潮汐流人工湿地的处理效果。
Figure CN101575157BD00091
Figure CN101575157BD00101
Figure CN101575157BD00111
Figure CN101575157BD00121
Figure CN101575157BD00131

Claims (3)

1.一种复合潮汐流人工湿地处理污水的方法,其特征在于包括以下步骤: 污水先经地下引水管收集到调节池,由污水泵提升污水进入高位水箱,然后依次经过两级串联的一级潮汐流人工湿地处理和二级潮汐流人工湿地处理,最后进入蓄水池出水;整个潮汐流人工湿地系统呈三级阶梯状,占地面积很小,一级潮汐流人工湿地处理单元和二级潮汐流人工湿地处理单元,分别处于第三和第二级阶梯,处于最底层的第一级阶梯是蓄水池;调节池用于调节污水流量和水质,污水泵置于调节池中抽取污水;蓄水池用于贮存潮汐流人工湿地处理出水,使用清水泵将蓄水回流至潮汐流人工湿地; 两级潮汐流人工湿地均包括床体、多孔管道和基质;在一级潮汐流人工湿地的底部布有多孔管道,污水经过一级潮汐流人工湿地处理单元的基质,然后进入二级潮汐流人工湿地处理单元,通过基质的渗滤到达蓄水池,最后通过出水管排出; 两级处理单元的基质均为体积比百分数为50%的高炉渣和50%的中粗砂混合填料;潮汐流湿地单元采用底部均匀布水,每级湿地单元的出水均能自流至下一级;出水在蓄水池收集后用水泵回流至一级湿地单元重新进行处理; 在系统的第一级潮汐流人工湿地床中设置了若干根多孔竖管,竖管置入湿地中的长度占竖管总长度的2/3,此段密集钻有小孔,小孔大小和分布密度不作特殊要求,参照常规技术,其余1/3长度的部分暴露于空气中,系统排水的过程中,PVC多孔竖管中与大气接触时间较长的废水被引入湿地,改善了湿地的缺氧状态; 二级湿地单元在系统不运行期间保持池底部淹水,在运行前才把其中的水排空,营造厌氧环境,将两级潮汐流串联,以发挥各自的硝化和反硝化的作用。
2.根据权利要求1所述复合潮汐流人工湿地处理污水的方法,其特征在于所述第一级潮汐流人工湿地中种植美人蕉;所述第二级潮汐流人工湿地中种植象草。
3.一种实现权利要求1所述方法的复合潮汐流人工湿地处理系统,其特征在于包括引水管、调节池、高位水箱、一级潮汐流人工湿地、二级潮汐流人工湿地和蓄水池,所述调节池是通过污水泵和水管与高位水箱相连,高位水箱通过布水管与一级潮汐流人工湿地连接,一级潮汐流人工湿地和二级潮汐流人工湿地通过布水管的相连而相连接,二级潮汐流人工湿地通过出水管与蓄水池相连接,蓄水池设有回流管道与一级潮汐流湿地连接;所述一级和二级潮汐流人工湿地均包括床体、布水管和基质,布水管位于基质层表面以下并均匀开设小孔; 所述一级潮汐流人工湿地、二级潮汐流人工湿地和蓄水池呈三级阶梯构造。
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