CN101671092B - 一种组合潮汐流人工湿地污水处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于污水处理技术领域的一种组合潮汐流人工湿地污水处理系统。该系统包括非动力自动进水器(9)、人工湿地床和非动力自动排水器(2)，所述非动力自动进水器(9)位于人工湿地床的上方，且与人工湿地床通过虹吸进水管(10)连通，所述人工湿地床从下到上依次为排水层(5)、反硝化强化层(7)、强化复氧层(8)和好氧生态砂层(17)，非动力自动排水器(2)与人工湿地床构成连通器，且通过底部排水层(5)相连通。本发明还公开了利用该系统进行污水处理的方法，包括淹水吸附和排空复氧两个阶段。本发明的组合潮汐流人工湿地污水处理系统同传统组合湿地相比，日均污水处理量增大且建设成本低。

Description

一种组合潮汐流人工湿地污水处理系统及方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种组合潮汐流人工湿地污水处理系统及方法。
背景技术
随着人口的增加和经济的快速发展，污水排放量近年来也迅速增加，导致我国水源污染、水体富营养化及环境水质恶化日趋严重。目前我国污水处理主要依赖于传统的集中式水处理工艺，虽技术和工艺日渐完善，但却面临建设运行成本费用过高的问题，使得不少地方根本建不起大型污水处理厂或不少已建因运行资金短缺也闲置不用，使得我国只有24％的工业废水和4％的生活污水经过处理排入水体。而人工湿地作为20世纪七八十年代发展起来的一种新型污水生态处理技术，以其投资少、建设运行成本低、净化效果好、去除氮磷能力强、工艺简单等特点近年来在世界各地广泛应用。
目前，根据污水在湿地床体中的流动方式，传统的人工湿地污水处理工艺可分为3种形式：表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地。表面流人工湿地与自然湿地类似，冬季容易受气候因素影响，夏季容易滋生蚊蝇。水平潜流人工湿地由于基质长时间处于饱和淹没状态，液面大气扩散复氧和植物根系泌氧能力有限，湿地床体表现为缺氧环境，不利于有机物的快速分解和氨氮的氧化去除。垂直潜流人工湿地的污水从湿地表面纵向流向填料床体底部，床体处于非饱和状态，占地面积小，处理效率高，但多因供氧不足污染物长期累积出现堵塞等问题。
人工湿地氮的去除主要包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发、植物吸收、微生物硝化反硝化作用去除。其中湿地床体中微生物的硝化反硝化作用是主导因素，其基本条件是存在大量的硝化和反硝化细菌和适宜的湿地环境条件。硝化过程需要硝化菌群和必要的好氧条件，反硝化过程需要反硝化菌群和稳定的缺氧条件，其中硝化过程是除氮的限速步骤，硝化反应能否顺利进行直接影响湿地除氮性能的高低。对于传统湿地其进水多采用自流方式，床体中溶解氧提高多依靠水面与空气的接触以及植物根区泌氧，经常造成湿地床体内部，特别是非根际区的床体，溶解氧浓度低而多处于缺氧状态，从而限制了硝化菌群的生长繁殖和硝化反应的发生，氨氮的去除效果较差，进而影响湿地的脱氮能力。同时由于传统床体复氧能力较差，使得截留在床体基质空隙中的固型有机物和悬浮物不能在下次进水之前充分的氧化分解而不断地累积叠加，其是造成床体堵塞现象的主要原因。因此，增强湿地床的复氧能力，提高床体的溶解氧浓度对提高人工湿地有机物的去除(尤其是氮的去除)和防止堵塞发生都是十分必要的。
同时，微生物对污水中有机物的分解及氨氮的氧化也是需要一定时间的，而并非瞬间完成的。其原因是微生物对污染物的去除要经过两次物质迁移过程，第一次为当污水与附着在基质表面的微生物膜接触时，污水中的污染物质由水体迁移至微生物膜表面。第二次为污染物质由微生物膜表面迁移至微生物体内通过微生物的新陈代谢氧化去除。在传统的垂直流人工湿地床体中，污水靠重力流经附着在基质上的微生物膜表面，其与微生物膜的有效接触面积和接触时间有限，使得废水中污染物不能全部吸收分解，进而影响湿地的去除效果。所以除了提高床体溶解氧水平维持微生物高活性外，增加污水与附着在基质表面微生物膜的接触面积和时间也是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合潮汐流人工湿地污水处理系统。利用该系统进行污水处理可以加强湿地床体的复氧能力，提高床体的溶解氧水平，进而大大提高人工湿地处理污染水体时对有机物和氨氮的充分氧化去除，降低基质的堵塞几率，保证湿地系统正常高效运行。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述系统进行组合潮汐流人工湿地污水处理的方法。
一种组合潮汐流人工湿地污水处理系统，包括非动力自动进水器9、人工湿地床和非动力自动排水器2，所述非动力自动进水器9位于人工湿地床的上方，且与人工湿地床通过虹吸进水管10连通，所述人工湿地床从下到上依次为排水层5、反硝化强化层7、强化复氧层8和好氧生态砂层17，非动力自动排水器2与人工湿地床构成连通器，且通过底部排水层5相连通，所述好氧生态砂层17上种植湿地植物1，床体布水主管13和布水支管14铺设在植物带的砂层上方，非动力自动排水器2中的虹吸排水管3的进水口与强化复氧层8底部齐平，虹吸进水管10的出水口位于与床体布水主管13底部齐平液面18的下面。
所述好氧生态砂层17上的植物带之间设置强化复氧沟15，可加深复氧深度和增强复氧效果。所述强化复氧沟15的基质为卵石、砾石、碎石、砂砾或沸石中的一种或几种。
在所述好氧生态层17中的砂层中放养蚯蚓，其活动可以提高基质孔隙通透性和透水性，同时抑制砂层中微生物过量繁殖，降低系统堵塞几率。
所述湿地植物1为柳树、杨树或银杏等喜水植物中一种或几种，其根系可通过分泌氧为微生物提供较为活跃的生存环境，同时其自身也可吸收部分污染物质。
所述反硝化强化层7的基质为砂、沸石、蛭石或粉煤灰中的一种或几种。
所述排水层5的基质为卵石、砾石、碎石、砂砾或沸石中的一种或几种。
床体布水主管13和布水支管14为底部打有直径范围为2-5mm的PVC水管。
所述非动力自动进水器9中与虹吸进水管10的进水口处齐平的液面12至与虹吸进水管10顶端处齐平的液面11之间的污水体积等于好氧生态砂层17的有效孔隙体积与非动力自动排水器2中与强化复氧层底部齐平液面6至与好氧生态砂层顶部齐平液面4之间的水体积之和。
一种利用上述系统进行组合潮汐流人工湿地污水处理方法，首先灌水使反硝化强化层7处于饱和状态，即非动力自动排水器2中的水位与强化复氧层8底部齐平，然后采用潮汐运行方式进行污水的处理，每个运行周期包括淹水吸附和排空复氧两个阶段，具体如下：
淹水吸附阶段：通过虹吸作用将非动力自动进水器9中的污水送入人工湿地床上面的布水管中，污水自上而下进行非饱和渗流，人工湿地床体饱和浸润面逐渐上升，在此过程中，污水充分与基质及其表面附着的微生物膜充分接触，强化基质及微生物膜对污染物的吸附截留；
排空复氧阶段：当污水饱和浸润面上升到人工湿地床好氧生态砂层17的顶部时，与人工湿地床底部相连通的非动力自动排水器2开始排出，排水采用虹吸方式，排水至浸润面回到强化复氧层8的底部，在浸润面迅速下降即水被排除的过程中，由于基质空隙水吸力作用，将大气中的气态氧迅速吸入床体中供微生物对有机物的好氧分解和氨氮的氧化，进而提高床体中氧的有效利用量。
在排空复氧阶段吸附截留在基质微空隙中的气态氧逐渐溶入水中转化为能够被微生物用于氧化有机物和氮素的溶解氧，提高微生物活性。同时，在此淹没阶段，污水可以与床体填料表面附着的微生物膜和植物根系充分接触，提高了床体基质的有效利用空间。
每个周期初的进水和周期末的排水通过非动力进水排水器在极短时间内完成，周期重复循环。
本发明的优点如下：(1)组合潮汐流人工湿地床中设置了好氧生态砂层，其在植物带的生态砂带顶层布水，充分保证污水与基质表面附着微生物膜的接触面积和接触时间。植物带间设置的强化复氧沟，可以加深复氧深度和增强复氧效果；(2)好氧生态砂层中放养蚯蚓，其活动可以提高基质孔隙通透性和透水性，同时抑制砂层中微生物过量繁殖，降低系统堵塞几率；(3)湿地植物优选柳树等喜水树种，因为柳树的抗寒耐水性能好，各种地域气候适应性强，且具有发达的根系，可以通过叶面的光和作用向床体根区传输更多的氧，进而有助于维持床体好氧微生物活性，提高有机物及氨氮的氧化分解；(4)人工湿地床下层设置了稳定厌氧反硝化强化层，其处于稳定的永久性淹水状态下，大气扩散复氧能力差，为反硝化菌群的生存和繁殖提供了良好的环境条件，可维持稳定的反硝化反应；(5)系统进水排水采用非动力自动进水器和排水器，通过虹吸原理可进行间歇式布水和排水。此外，本发明的组合潮汐流人工湿地污水处理系统同传统组合湿地相比，日均污水处理量增大且建设成本低。
附图说明
图1为本发明的组合潮汐流人工湿地污水处理系统的剖面图；
图2为本发明污水处理系统的平面图。
其中，1-湿地植物；2-非动力自动排水器；3-虹吸排水管；4-与好氧生态砂层顶部齐平液面；5-排水层；6-与强化复氧层底部齐平液面；7-反硝化强化层；8-强化复氧层；9-非动力自动进水器；10-虹吸进水管；11-与虹吸进水管顶部齐平液面；12-与虹吸进水管进水口齐平液面；13-床体布水主管；14-床体布水支管；15-强化复氧沟；16-蚯蚓；17-好氧生态砂层；18-与床体布水主管底部齐平液面
具体实施方式
下面结合附图1和2对本发明作详细说明。
由图1和2可见，本发明的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，包括非动力自动进水器9、人工湿地床和非动力自动排水器2，所述非动力自动进水器9位于人工湿地床的左上方，且与人工湿地床通过虹吸进水管10连通，所述人工湿地床从下到上依次为排水层5、反硝化强化层7、强化复氧层8和好氧生态砂层17，非动力自动排水器2与人工湿地床构成连通器，且通过底部排水层5相连通，所述好氧生态砂层17上种植柳树，在非植物带设置强化复氧沟15，好氧生态砂层17中放养蚯蚓，在床体布水主管13和布水支管14铺设在植物带的砂层上方，且用砾石覆盖，非动力自动排水器2中的虹吸排水管3的进水口与强化复氧层8底部齐平即液面6，虹吸进水管10的出水口位于与床体布水主管13底部齐平液面18的下面。
其中非动力自动进水器9中与虹吸进水管10的进水口处齐平的液面12至与虹吸进水管10顶端处齐平的液面11之间的污水体积约为好氧生态层17的有效孔隙体积与非动力自动排水器2中液面6和液面4之间的水体积之和。
床体布水主管13和布水支管14为底部打有直径范围为2-5mm的PVC水管。强化复氧沟15、强化复氧层8、排水层5的基质为砾石，反硝化强化层7的基质为普通粗砂。
好氧生态砂层17的厚度为60-80cm，强化复氧层8的厚度为10-20cm，反硝化强化层7的厚度为70-100cm。非动力自动进水器9、非动力自动排水器2的尺寸可根据具体工程现场要求进行设计，但非动力自动进水器9的体积约为人工湿地床空隙和非动力自动排水器2的体积之和，即非动力自动进水器9中与虹吸进水管10的进水口处齐平的液面12至与虹吸进水管10顶端处齐平的液面11之间的污水体积约等于好氧生态层17的有效孔隙体积和非动力自动排水器2中液面6与4之间水体积之和。
在使用本发明的系统之前先以表面流形式灌水使反硝化强化层7处于饱和状态，即非动力自动排水器2中的水位与强化复氧层8底部齐平；然后利用上述处理系统进行污水处理，每个运行周期包括淹水吸附和排空复氧两个阶段，具体方法如下：
淹水吸附阶段：污水由污水源非定期定量的流入非动力自动进水器9中，液面12不断上升直至液面11后，虹吸进水管10则通过虹吸作用在极短时间内将污水灌入湿地床体布水管，液面减低至液面12虹吸进水停止。污水通过床体布水管14流入人工湿地床，并自上而下非饱和渗流直到床体浸润面到达与强化复氧层底部齐平的液面6，然后床体浸润面逐渐上升，此过程污水充分与基质表面附着的微生物膜及基质接触，强化基质及表面的微生物膜对污染物的吸附截留。
排空复氧阶段：当非动力自动排水器2中的液面升至与好氧生态砂层顶部齐平的液面4时，非动力自动排水器2中的虹吸排水管3进行排水，将液面迅速降低至液面6，污水则由虹吸排水管3排出系统。排水过程中，由于孔隙间水吸力作用大气中的气态氧则由强化复氧沟15被吸入床体，当饱和浸润面低于强化复氧层8后，气态氧则进入强化复氧层8落水后留出的大孔隙空间并逐渐向上扩散，好氧生态层17的好氧条件，促进有机物分解和硝化作用对氨氮的氧化去除。
在排空复氧阶段截留在基质微空隙中的气态氧逐渐溶入水中转化为能够被微生物用于氧化有机物和氮素的溶解氧，提高微生物活性。同时，在此淹没阶段，污水可以与床体填料表面附着的微生物膜和植物根系充分接触，提高了床体基质的有效利用空间。
上述系统和方法可以用于处理高浓度的有机和含氮废水，例如猪场废水、高浓度废水厌氧工艺出水、皮革废水等，对于BOD浓度为800-3000mg/L，氨氮浓度为40-500mg/L的废水，较传统湿地工艺有较高的处理效率和脱氮能力。当利用该系统处理较低浓度的生活污水时，即处理BOD浓度在100-300mg/L之间，氨氮浓度在20-50mg/L之间的生活污水时，系统建设面积及成本可大大缩小，同时具有较好的处理效果。
采用本发明的污水处理系统和传统组合湿地分别对进水BOD浓度为297.6mg/L、氨氮浓度为47.2mg/L和COD浓度为361.9mg/L的污水进行处理，污染物去除效果、日处理量及建设成本见表1。
从表1中可见，本发明的人工湿地污水处理系统的日处理量为500-700L/m2·d，而传统组合湿地的日处理量仅为40-60L/m2·d；本发明的人工湿地污水处理系统同传统组合湿地相比，百吨废水建设成本可节约32万元。
表1 污染物去除效果、日处理量及建设成本
Figure G2009100935287D00091

Claims (9)

1.一种组合潮汐流人工湿地污水处理系统，包括非动力自动进水器(9)、人工湿地床和非动力自动排水器(2)，其特征在于，所述非动力自动进水器(9)位于人工湿地床的上方，且与人工湿地床通过虹吸进水管(10)连通，所述人工湿地床从下到上依次为排水层(5)、反硝化强化层(7)、强化复氧层(8)和好氧生态砂层(17)，非动力自动排水器(2)与人工湿地床构成连通器，且通过底部排水层(5)相连通，所述好氧生态砂层(17)上种植湿地植物(1)，床体布水主管(13)和布水支管(14)铺设在植物带的砂层上方，非动力自动排水器(2)中的虹吸排水管(3)的进水口与强化复氧层(8)底部齐平，虹吸进水管(10)的出水口位于与床体布水主管(13)底部齐平液面(18)的下面。
2.根据权利要求1所述的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，其特征在于，所述好氧生态砂层(17)上的植物带之间设置强化复氧沟(15)。
3.根据权利要求2所述的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，其特征在于，所述强化复氧沟(15)的基质为卵石、砾石、碎石、砂砾或沸石中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，其特征在于，在所述好氧生态砂层(17)的砂层中放养蚯蚓。
5.根据权利要求1所述的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，其特征在于，所述湿地植物(1)为柳树、杨树或银杏中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，其特征在于，所述反硝化强化层(7)的基质为砂、沸石、蛭石或粉煤灰中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，其特征在于，所述排水层(5)的基质为卵石、砾石、碎石、砂砾或沸石中的一利或几种。
8.根据权利要求1所述的组合潮汐流人工湿地污水处理系统，其特征在于，所述非动力自动进水器(9)中与虹吸进水管(10)的进水口处齐平的液面(12)至与虹吸进水管(10)顶端处齐平的液面(11)之间的污水体积等于好氧生态砂层(17)的有效孔隙体积与非动力自动排水器(2)中与强化复氧层底部齐平液面(6)至与好氧生态砂层顶部齐平液面(4)之间的水体积之和。
9.一种利用权利要求1所述的系统进行组合潮汐流人工湿地污水处理方法，其特征在于，采用潮汐运行方式进行污水的处理，每个运行周期包括淹水吸附和排空复氧两个阶段，具体如下：
淹水吸附阶段：通过虹吸作用将非动力自动进水器(9)中的污水送入人工湿地床上面的布水管中，污水自上而下进行非饱和渗流，人工湿地床体饱和浸润面逐渐上升，在此过程中，污水充分与基质及其表面附着的微生物膜充分接触，强化基质及微生物膜对污染物的吸附截留；
排空复氧阶段：当污水饱和浸润面上升到人工湿地床好氧生态砂层(17)的顶部时，与人工湿地床底部相连通的非动力自动排水器(2)开始排出，排水采用虹吸方式，排水至浸润面回到强化复氧层(8)的底部，在浸润面迅速下降即水被排除的过程中，由于基质空隙水吸力作用，将大气叶的气态氧迅速吸入床体中供微生物对有机物的好氧分解和氨氮的氧化，进而提高床体中氧的有效利用量。
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