CN101638264B - 海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置。处理装置自左至右包括预处理区、主体反应区以及出水区，预处理区包括有进水管、布水管、海绵、进气管和微孔曝气器，主体反应区由间隔的第一单元、第二单元和第三单元三级垂直流人工湿地串联而成，主体反应区底部设有砾石布水层；第一单元内分布有生物陶粒层，生物陶粒层顶部覆盖有水生植物根系区，第二单元内分布有砾石和钢渣层，砾石和钢渣层顶部设有水生植物根系区，第三单元内分布有沸石层，沸石层顶部设有水生植物根系区，每个单元均被分成左右两格，其左侧一格高度高于右侧一格高度；预处理区和主体反应区通过穿孔布水板相连，穿孔布水板位于砾石布水层一端，出水区包括出水管。本发明具有污染物去除率高、系统运行稳定、水力负荷大大提高、占地面积小、运行及维护成本低等诸多优点。

Description

海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置

技术领域

本发明涉及一种海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置。

背景技术

我国目前城镇的污水处理率很低，大部分生活及生产废水不经处理直接排入河道，造成水体严重污染，同时随着我国城镇用水量和排水量不断增加，以好氧活性污泥法为主的城市污水处理技术，表现为虽然污染物去除率高，但基础投资及运行费用高等缺点，致使许多污水处理厂难以筹资兴建或因成本高而难以维持运转。人工湿地技术由于处理水质好、污泥产量少人工湿地污水处理技术具有处理效果好、氨氮去除能力强、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对于负荷变化适应能力强等主要特点，同时可改善生态环境而成为国内外普遍关注的水处理技术。

在人工湿地处理工艺发展过程中，复合流人工湿地是发展最快的领域之一。目前人工湿地的研究和应用主要集中在富营养化水体的治理，应用于生活污水的处理则存在堵塞、供氧不足、水力负荷小、占地面积大等问题，限制了其广泛应用。如何强化人工湿地的相关技术：防堵塞、保证供氧，在满足处理效果的前提下提高水力负荷，是摆在我们面前的挑战性课题。

湿地中堵塞层的形成是由于有机固体物在填料内部颗粒间隙的沉积、填料间隙生物生长和分解以及填料内发生的化学沉淀反应等而产生的，跟填料粒径、有机物负荷、进水悬浮物浓度、污水水质状况和微生物的活动等因素有关。根据美国100多个构建湿地的调查，有将近一半的湿地在投入运行后的5年内形成了堵塞。构建湿地堵塞后，湿地系统渗透系数明显减小，改变了其水力特征及传质过程，从而影响系统运行。对于复合垂直流构建湿地，堵塞还会形成基质表面严重集水，阻隔氧气向基质层内扩散，从而降低有机质及氮素物质的去除率。

人工湿地系统截留或降解有机物以及营养盐的效能与填料的特性及粒径分配、供氧能力及氧分布、水流流态、排污方式等有关。首先，高效人工湿地技术中不仅要使填充填料有足够的比表面积满足微生物附着和水处理的需要，还应使污水顺畅地流过系统不出现堵塞问题。但是单纯的选用小粒径填料增加比表面积改善处理效果状况时易出现堵塞问题。为了解决堵塞问题，国内外相继开发出了几种防堵塞湿地系统及预防堵塞措施：①间歇性运行模式。例如一种垂向流与斜向流相结合的双流态防堵塞人工湿地系统，这种系统主要特点是通过定期排空池体，池内的污泥随水流一起被带出，从而起到防堵塞的作用，但是定期排水工作量大，而且排出的混合泥水量也较大，这就给湿地增加了二次处理问题。对于已经严重堵塞的填料层可采取的恢复措施有停床休作或轮作、更换表层砂等手段；②土壤动物修复。利用土壤动物修复堵塞人工湿地也是比较新颖的一个解决堵塞问题的方案，即向湿地中投放土壤动物蚯蚓，通过蚯蚓的正常生活行为松动基质同时起到清扫和疏通基质的作用，此方法费用低廉，施工维护简单，但是蚯蚓的生长对环境有一定的要求，比如说温度，不同温度条件下蚯蚓的生长繁殖状况不同，另外含水率对其也有影响，土壤中含水量太高对蚯蚓的活动十分不利，系统运行维护困难；③污水水质预处理技术。例如通过在湿地前设置格栅、沉淀槽等预处理设施，减少进入湿地的颗粒物质，避免人工湿地局部堵塞或减缓湿地堵塞的进程，但这样截留下来的只是大颗粒物质，其余的溶解性及胶体性有机物仍可进入人工湿地中引起非物理性堵塞；④优化填料粒径分布或新型填料的使用。在满足湿地的处理要求前提下，采用较粗粒径的填料或采用多层滤料，以此提高填料的穿透深度，增加整个填料层的含污能力。同时，亦可改善布水情况，避免局部堵塞；⑤跌落复氧或人工曝气。由于进水中的有机物及氨氮含量大于系统的供氧量，加上微生物活动对氧的需求，导致了系统氧供需矛盾。通过增加系统溶解氧量，促进生物活性，氧化降解有机物及氨氮物质，即可提高处理效率，亦可缓解堵塞问题。

以上预防堵塞的技术虽然在实践中取得一定的效果，但构建湿地系统堵塞仍是一个普遍现象，目前国内外对堵塞问题还没有很好的对策。构建湿地堵塞的过程及其影响因素比较复杂，单靠某种技术难以解决堵塞问题，在湿地的设计与运行中应综合、系统地考虑各种因素及过程以预防堵塞。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置。

本发明提出的海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置，处理装置自左至右包括预处理区、主体反应区以及出水区，其中：

预处理区包括有进水管17、布水管16、海绵9、进气管10和微孔曝气器15，进水管17位于预处理区一侧，进水管17通过管道分别连接布水管16，进气管10从预处理区顶部插入预处理区内，进气管10连接微孔曝气器15，海绵9分布于预处理区内；

主体反应区为复合流人工湿地主体部分，由间隔的主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元三级垂直流人工湿地串联而成，主体反应区底部设有砾石布水层4；主体反应区第一单元内分布有生物陶粒层1，生物陶粒层1顶部覆盖有水生植物根系区14，主体反应区第一单元被分成左右两格，第一格的高度高于第二格，第一格的水生植物根系区14顶部一侧设有三角堰5；主体反应区第二单元内分布有砾石和钢渣层2，砾石和钢渣层2顶部设有水生植物根系区14，同样的，主体反应区第二单元被分成左右两格，第三格的高度高于第四格，主体反应区第三单元内分布有沸石层3，沸石层3顶部设有水生植物根系区14，第三格的水生植物根系区14顶部一侧设有三角堰5，主体反应区第三单元被分成左右两格，第五格的高度高于第六格，第五格的水生植物根系区14顶部设有三角堰5；

预处理区和主体反应区通过穿孔布水板11相连，穿孔布水板11位于砾石布水层4一端，

出水区包括出水管8，出水管8位于主体反应区一侧。

本发明中，主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元均设有穿孔套管，每个穿孔套管均由穿孔内管12和穿孔外管13组合而成，穿孔外管13套于穿孔内管12外，穿孔内管12和穿孔外管13每隔18-22mm均开有小孔，小孔的孔径为3-5mm。

本发明中，主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元的穿孔套管为2-4套。

本发明中，主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元自上而下均设有穿孔集水管6，穿孔集水管6连接取样阀7。

本发明中，穿孔内管13内填充填料与所在单元填充填料一样。位于主体反应区第一单元的穿孔内管13内填充生物陶粒，位于主体反应区第二单元的穿孔内管13内填充砾石和钢渣，位于主体反应区第三单元的穿孔内管13内填充沸石。

本发明综合地考虑系统相关因素和处理机理，提出了海绵强化复合流人工湿地处理生活污水的装置。即通过海绵强化一级预处理技术去除进水悬浮物和大部分有机物避免物理性堵塞，并结合系统组成优化，优化水流流态，合理分配滤层组成和结构(粒径分布)，结合微氧预曝气及跌落复氧技术，改善运行方式，从而改变系统的还原状态、减少胞外聚合物和腐殖质的积累，缓解系统堵塞问题及系统供氧不足问题，在不降低运行效果的前提下提高系统的水力负荷，提升系统的运行能力。

本发明旨在解决湿地运行中由于堵塞而造成湿地运行周期缩短甚至终止运行的问题，以达到延长湿地运行时间及提升系统的运行能力的目的。

本发明的技术方案是：海绵预处理与复合流人工湿地相结合。

(1)生活污水通过集水池收集后经提升泵提升进入人工湿地处理系统。进水通过布水管均匀布水，使得水以推流形式流过填充海绵的预处理区。

(2)预处理区装填海绵材料，并压实。海绵材料具有比表面积大、孔隙大的特点，这利于生物附着生长以及纳污和流水通畅。海绵材料在此起到过滤、截留进水中悬浮物的作用，同时还起到作为生物膜附着填料的作用。大部分有机物及悬浮物在预处理区得到截留或降解。

(3)为提高进入后续人工湿地污水中的溶解氧浓度，在预处理区设置管道进行微氧曝气。同时，还可以起到维持预处理区生物膜活性的作用。

(4)预处理区与复合流人工湿地主体区通过底部穿孔布水板连接，经海绵填料过滤后的水经过底部穿孔布水板均匀进入后续人工湿地底部的砾石布水区。

(5)复合流人工湿地主体部分由间隔的三级垂直流人工湿地串联而成，形成整体推流、潜流的复合流态。

生物陶粒、钢渣、沸石和蛭石的堵塞情况不明显。同时，在处理污水中有机物方面，生物陶粒比沸石、钢渣、砾石、页岩等综合去除能力强；在处理污水中各种形态的氮方面，沸石好于钢渣、生物陶粒、砾石、页岩等；在处理污水中各种形态的磷方面，钢渣好于生物陶粒、砾石、蛭石、页岩、沸石等。结合污水水质特点和处理的要求，在人工湿地中去除污水中污染物质的顺序为：有机物、总磷、氨氮/总氮。故而，填料的填充顺序为：生物陶粒、钢渣+砾石、沸石。另外，系统前端污染负荷高，得填充纳污能力强的大粒径填料，以免系统堵塞。随后，污染物浓度在湿地中随水流方向逐步降低，填料的粒径可以逐渐变小，保证系统的除污能力。

因此，主体反应区第一单元垂直流人工湿地的填充填料为10-16mm的生物陶粒层，第二单元填充填料为6-10mm钢渣和砾石层，第三单元填充填料为8-16mm的沸石层，每一单元的主体填料高度为400～500mm。每一单元底部铺设200mm厚的砾石布水层4，砾石的粒径为10～20mm，起均匀布水和承托上部填料的作用。其中，沸石、生物陶粒主要为了去除有机物、氨氮、总氮服务，钢渣和砾石为去除总磷服务。

填料上部为水生植物根系区，其高度为100～200mm，利于植物扎根生长。最好考虑无土栽培水生植物，植物的栽培、固定结合人工草皮等形式进行。

(6)为提高污水中溶解氧浓度，采用三级跌氧。污水在每一单元上升区经三角跌水堰跌落出水，跌落过程与空气接触复氧。

(7)为便于观察填料情况以确定是否需要更换填料，每一单元设置一个穿孔套管，穿孔外管管径为DN65，穿孔内管管径为DN40，穿孔内管底部封闭，管子均每隔18-22mm均开有小孔，小孔的孔径为3-5mm。。定期取出内管观察分析填料情况确定是否需要更换填料；每一单元自上而下设置穿孔集水管6，穿孔集水管6连接取样阀7，取水样分析不同位置水质情况，以确定系统动态运行状况。

(8)为强化布水均匀性，每一单元出水均采用三角跌水堰出水。

与传统水平潜流人工湿地相比，本发明的特点如下：

(1)本装置采用海绵强化去除进水中悬浮物质，极大地降低了颗粒态物质对后续人工湿地的物理性堵塞，去除了绝大部分颗粒态有机物及部分溶解态有机物，从而降低了湿地中对氧的需求量，并降低了生物性堵塞的风险。

(2)本装置采用多级复合流(上下折流+潜流)人工湿地，水流通过垂直导向板上下折流，这种构造可使得污水在反应器内能够与填料充分接触，从而确保出水水质。

(3)填料及粒径分配上综合了填料的特性和除污规律。填料的填充顺序为：生物陶粒、钢渣+砾石、沸石，并且沿水流方向填料粒径逐级减小。

(4)本装置采用三角堰出水，能更好的实现出水均匀，并可避免装置内出现短流等布水不均现象。

(5)本装置采用逐级跌氧，以促进废水在处理过程中的复氧，从而使得系统形成多级A/O串联形式，提高氨氮的硝化能力和总氮的去除能力。

(6)双层开孔竖管的设置改善了供氧条件，有利于有机物的去除和脱氮。同时，在运行过程中可通过双层开孔竖管实时监测微生物和填料特性。

(7)可以实现分散污水现场就地处理，并可将污水处理与绿化建设相结合，一途多用。

(8)本装置可根据使用对象的规模和特点加以调整，运行灵活。

(9)本装置填料底部铺设一层砾石，更好的实现了反应器中的均匀布水。

附图说明

图1为海绵强化人工湿地总平面图，包括预处理区和主体反应区以及出水区。

图2为海绵强化人工湿地之立面图。

图3为海绵强化人工湿地之预处理区进水管示意图。

图4为海绵强化人工湿地之人工湿地进水区穿孔布水板示意图。

图5为海绵强化人工湿地之三角堰5示意图。

图6为海绵强化人工湿地之穿孔套管剖面示意图。

图中标号：1为生物陶粒层，2为砾石和钢渣层，3为沸石层，4为砾石布水层，5为三角堰，6为穿孔集水管，7为取样阀，8为出水管，9为海绵，10为进气管，11为穿孔布水板，12为穿孔内管，13为穿孔外管，14为水生植物根系区，15为微孔曝气器，16为布水管，17为进水管。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：如图1所示，为海绵强化人工湿地总平面图，包括预处理区、主体反应区以及出水区。其中预处理区包括有进水管17，进水布水管16、海绵9、进气管10、微孔曝气器15；主体反应区为复合流人工湿地主体部分，由间隔的三级垂直流人工湿地串联而成，包括生物陶粒层1、砾石和钢渣层2、沸石层3、砾石布水层4、穿孔集水管6、取样阀7、穿孔布水板11、水生植物根系区14等；出水区包括出水管8。

如图2所示，预处理单元的装置有布水管16(见图3)、海绵9、进气管10、微孔曝气器15等。其中，生活污水通过集水池收集后经提升泵提升进入人工湿地处理系统。进水通过布水管均匀布水，使得水以推流形式流过预处理区；预处理区装填海绵9，并压实。海绵9具有较大的比表面积，利于生物附着生长，同时具有大的孔隙，利于纳污和流水通畅。海绵9在此起到过滤、截留进水中悬浮物的作用，同时还起到作为生物膜附着填料的作用。大部分有机物及悬浮物在预处理区得到截留或降解；为提高进入后续人工湿地污水中的溶解氧浓度，在预处理区设置管道进行微氧曝气。同时，还可以起到维持预处理区生物膜活性的作用；出水通过图2所示湿地底部的穿孔布水板11进入湿地底部的砾石布水层4区。

如图2所示，复合流人工湿地主体部分由间隔的三级垂直流人工湿地串联而成，形成整体推流、潜流的复合流态。每一级人工湿地表层均覆盖根系土壤(或人工草皮)，中间放置填料，底部铺设砾石布水层4。第一单元垂直流人工湿地的填充填料为10-16mm的生物陶粒层1，第三单元填充填料为6-10mm钢渣和砾石层3，第二单元填充填料为8-16mm的沸石层2，每一单元的主体填料高度为400～500mm。每一单元底部铺设200mm厚的砾石布水层4，砾石的粒径为10～20mm，起均匀布水和承托上部填料的作用。其中，沸石、生物陶粒主要为去除有机物、氨氮、总氮服务，钢渣和砾石为去除总磷服务。

填料上部为高100～200mm的水生植物根系区4，这利于水生植物扎根生长及植株固定。最好考虑无土栽培水生植物，植物的栽培、固定结合人工草皮等形式进行。

水流在主体反应区的走向为折板流向，即下进-上出式。为提高污水中溶解氧浓度，采用三级跌氧。污水在每一单元上升区经三角堰跌落出水，跌落高度为50mm，跌落过程与空气接触复氧，以此增加系统的溶解氧浓度。

如图3所示，进水通过布水管16达到均匀布水的目的，布水管16间距为200mm，为达到曝气均匀每间隔200mm设置一个微孔曝气器15。

如图4所示，布水板16为预处理区与后续人工湿地区间的隔板，在距离隔板底部20cm处等距(孔距40mm)、等孔径(孔径R10)开孔，生活污水经预处理后出水通过图3所示的穿孔布水板11进入湿地底部的砾石布水层4区，可以起到均匀布水的作用。

如图5所示，三角堰5作为出水堰以及各级跌水堰，其高为10mm，宽为25mm。

如图6所示，穿孔套管由DN40穿孔内管12与DN65穿孔外管13组合而成，DN40穿孔内管12中填料布置与其周围填料布置相同，穿孔内管12与DN65穿孔外管13均每隔20mm开一个孔，孔径5mm。定期取出内管可观察填料的状况，据此确定系统运行状况。每一单元均设置两套穿孔套管。穿孔孔径3-5mm及孔距18-22mm。

本装置的具体工作过程如下：

污水首先进入预处理区，通过海绵9进行过滤，大颗粒物质及部分有机物质被截留在海绵9中。预处理区同时进行微氧曝气，这可使进入主体反应装置的溶解氧保持在较高的水平，并起到维持预处理区生物膜活性及截留和降解有机物的作用。预处理出水经由穿孔布水板11进入主体反应区第一单元。经过一段时间后，海绵中的污染物质堵塞滤袋致使出水不流畅，此时需要取出冲洗后重新填入预处理区。

污水在主体反应区第一单元的第一格自下而上依次经过砾石布水层4、生物陶粒层1、水生植物根系区14、塑料草皮，然后经过三角堰5进入第二格，此时污水自上而下流动，经过砾石布水层4后进入主体反应区第二单元。此后的水流向与主体反应区第一单元相同。最终处理出水经过三角堰出水。

运行过程中，通过对穿孔套管内管中填料的定期分析，即可分析微生物生长状况及确定系统运行状况。

Claims (5)

1.一种海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置，处理装置自左至右包括预处理区、主体反应区以及出水区，其特征在于：

预处理区包括有进水管(17)、布水管(16)、海绵(9)、进气管(10)和微孔曝气器(15)，进水管(17)位于预处理区一侧，进水管(17)通过管道分别连接布水管(16)，进气管(10)从预处理区顶部插入预处理区内，进气管(10)连接微孔曝气器(15)，海绵(9)分布于预处理区内；

主体反应区为复合流人工湿地主体部分，由间隔的主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元三级垂直流人工湿地串联而成，主体反应区底部设有砾石布水层(4)；主体反应区第一单元内分布有生物陶粒层(1)，生物陶粒层(1)顶部覆盖有第一水生植物根系区，主体反应区第一单元被分成左右两格，第一格的高度高于第二格，第一格的水生植物根系区顶部一侧设有第一三角堰；主体反应区第二单元内分布有砾石和钢渣层(2)，砾石和钢渣层(2)顶部设有水生植物根系区，同样的，主体反应区第二单元被分成左右两格，第三格的高度高于第四格，主体反应区第三单元内分布有沸石层(3)，沸石层(3)顶部设有水生植物根系区，第三格的水生植物根系区顶部一侧设有第二三角堰，主体反应区第三单元被分成左右两格，第五格的高度高于第六格，第五格的水生植物根系区顶部设有第三三角堰；

预处理区和主体反应区通过穿孔布水板(11)相连，穿孔布水板(11)位于砾石布水层(4)一端，

出水区包括出水管(8)，出水管(8)位于主体反应区一侧。

2.根据权利要求1所述的海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置，其特征在于主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元均设有穿孔套管，每个穿孔套管均由穿孔内管和穿孔外管组合而成，穿孔外管套于穿孔内管外，穿孔内管和穿孔外管每隔18-22mm均开有小孔，小孔的孔径为3-5mm。

3.根据权利要求2所述的海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置，其特征在于主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元的穿孔套管为2-4套。

4.根据权利要求1所述的海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置，其特征在于主体反应区第一单元、主体反应区第二单元和主体反应区第三单元自上而下均设有穿孔集水管，穿孔集水管连接取样阀。

5.根据权利要求1所述的海绵防堵塞强化复合流人工湿地生活污水处理装置，其特征在于位于主体反应区第一单元的穿孔内管内填充生物陶粒，位于主体反应区第二单元的穿孔内管内填充砾石和钢渣，位于主体反应区第三单元的穿孔内管内填充沸石。

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