CN101708897B - 斜面潜流人工湿地水处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种斜面潜流人工湿地水处理工艺。斜面潜流人工湿地水处理工艺由进水管、通气管、集水管、防渗膜、基质层和植物组成。湿地断面为四边形，分成硝化区和反硝化区，待处理水相应地分成两股分别进入这两个区。硝化区进水完成硝化后进入反硝化区，与反硝化区进水混合并利用其中碳源进行反硝化，从而实现对NH4₊ ^-N和TN的去除。本发明的特点为：在同一块湿地内进行硝化-反硝化反应，处理污水的单级湿地脱氮率提高到50％以上；净化过程中水依靠重力流动，处理过程不需动力也不需运行维护；可以利用河道边坡、山地斜坡建设，也可以根据不同的景观要求，将湿地表面可以设计成不同坡度，使湿地景观更加丰富。

Description

斜面潜流人工湿地水处理工艺

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种斜面潜流人工湿地水处理工艺。

背景技术

人工湿地作为一种生态水处理技术，在全球范围内得到广泛认同。以英国为例，其已在近20年的时间里建成了1000余个人工湿地。“十五”以来，人工湿地逐渐成为我国环保科技领域一个新的研究热点，并开始在部分农村和偏远社区得到较大规模的应用。实践证明，人工湿地具有运行费用低、适合农民管理、易融入农村环境、可以分散化和小型化建设的优点，十分适合于农村或偏远社区的污水处理，在村镇水污染治理领域具有很大的推广潜力。

目前，人工湿地在处理农村污水(尤其是含有高浓度氨氮的化粪池排水)时仍然存在一些不足之处，脱氮效率低是其中最突出的一个方面。据报道，欧洲长期运行的工程化人工湿地对氨氮(NH₄ ⁺-N)的典型去除率区间只有35～50％。如何提高人工湿地的脱氮效率，是目前人工湿地技术研究领域的热点。

1983年，德国科学家提出了人工湿地根区(root zone)脱氮理论，这一理论认为人工湿地植物能将光合作用产生的氧通过气道输送至根区，使根区附近出现好氧/缺氧微环境，从而为湿地脱氮创造条件。根区理论对于近代人工湿地技术的发展起到了十分重要的作用，但是近年来逐渐受到质疑。越来越多的人认为，在人工湿地净化过程中发挥关键作用的不是植物，而是基质。发明人认为，植物在脱氮过程中的贡献是由植物的生理极限和湿地承受的污染负荷共同决定的。近几年，为了降低工程投资，人工湿地正朝着占地越来越小、污染负荷越来越高的方向发展。一旦负荷大于植物供氧和吸收营养物的上限值，人工湿地中起关键作用的净化单元就将逐渐从植物转向基质。

在通过强化基质脱氮来提高人工湿地的脱氮效率时，人工湿地增氧、调节硝化反硝化反应、碳源分配是最重要的三个环节。通常，垂直流湿地(Vertical Flow ConstructedWetland，VF)由于大气复氧条件好而被认为一个硝化反应器，水平流湿地(HorizontalFlow Constructed Wetland，HF)则由于缺少气一水界面而被认为一个反硝化反应器。将垂直流湿地与水平流湿地串联起来，被证明可以取得满意的脱氮效果。但是，由于硝化与反硝化反应分别在两个不同的湿地中进行，这不仅增加了处理流程，而且增加了占地面积和基建费用。

如何能够在不增加湿地占地的情况下，使一个湿地同时进行硝化和反硝化反应，同步去除NH₄ ⁺-N和TN，就成为了一个值得研究的方向。发明人称之为人工湿地单级脱氮技术。

发明人曾经提出序批式人工湿地(Cyclic Batch Flow Constructed Wetland，CBW，ZL200510028580.6)和改进型序批式人工湿地(Modified Cyclic Batch Flow ConstructedWetland，MCBW，ZL 200510111535.7)，其以潮汐往复流为特征，通过调节运行水位来实现单级脱氮。这里以改进型序批式人工湿地为例，说明如下：改进型序批式人工湿地由湿地植物、基质、人造树根和控制系统组成，其具体步骤为：周期开始时，集水管上阀门关闭，布水系统将污水均匀地分布在基质水平断面，污水向下渗流，由于基质孔隙未被水饱和，污水在孔隙间与空气充分接触并与微生物、介质和植物根系作用，介质与根系上的微生物处于硝化环境；随着污水不断流入，基质底部形成饱和浸润面并逐渐上升，饱和浸润面以下的基质孔隙被污水充满，污水缺乏与空气接触机会，但是继续与微生物、介质和植物根系发生相互作用，这部分介质与根系上的微生物处于反硝化环境；当饱和浸润面上升到设定值时，集水管上的阀门开启，基质中的水依靠重力迅速排空，在这个过程中大气从湿地表面孔隙进入上层基质并向下扩散；当饱和浸润面低于人造树根的通气支管后，空气通过人造树根直接进入底层基质并向上扩散；当湿地中的水完全排空以后集水管上阀门关闭，周期结束。这种人工湿地通过时空交替的缺氧/好氧环境，提高了人工湿地的单级脱氮能力。不足之处在于，潮汐往复流的运行条件增加了湿地的控制要求。

此外，污水处理人工湿地正朝着结合绿地、景观和园林的方向发展。然而，见诸报道的人工湿地平面都采用水平设计，形式单一，景观上可以发挥的空间不大。

针对这些不足之处，本发明提出一种斜面潜流人工湿地(Inclined subsurface flowconstructed wetland，ISF)水处理工艺，以期实现控制简单的单级脱氮过程和多样化的景观效果。

发明内容

本发明的目的在于提出一种斜面潜流人工湿地水处理工艺。

本发明提出的斜面潜流人工湿地水处理工艺，采用斜面潜流人工湿地水处理装置，所述人工湿地水处理装置由进水管1、通气管2、集水管3、防渗膜4、基质层和植物组成，基质层与水平面呈10～40°坡度，基质层自下而上分别为集水层5、粗砂层6、石子层7和覆土层8，基质层上方种植植物，基质层四周设有防渗膜4，水浸润面9位于石子层，以水浸润面9为界，基质层被分成上部硝化区和下部反硝化区，硝化区和反硝化区均设有进水管，通气管2垂直插入硝化区，集水层5一侧连接集水管3；具体步骤如下：

部分待处理水进入硝化区以非饱和状态流动，水浸润面以上基质层孔隙间除水流外的部分充满空气，有利于好氧硝化反应进行，水中的NH₄ ⁺-N被微生物氧化为NO₃ ^--N，完成硝化反应；之后，这部分的处理水进入水浸润面以下，与从反硝化区进水管进入的待处理水相混合，水浸润面以下基质层孔隙被水充满，充氧条件差，有利于反硝化反应进行，反硝化区的微生物利用反硝化区进水管的待处理水中碳源还原硝化区内处理水中的NO₃ ^--N，NO₃ ^--N被还原为N₂气，从而实现一块湿地对NH₄ ⁺-N和TN的去除；

硝化区和反硝化区进水的水量分配关系为：

$\left\{\begin{array}{c}Q=\mathrm{xQ}+\mathrm{yQ}\\ x+y=1\end{array}\right.$

其中：Q为总进水量，x为硝化区进水量系数，x＝0.5～0.9，y为反硝化区进水量系数，y＝0.1～0.5。

本发明中，基质层沿宽度方向的断面为四边形，深度为0.8-1.2m，集水层5采用粒径为2-8cm的砾石，粗砂层6采用粒径为0.8-2mm的工程粗砂，石子层7采用粒径为2-4cm的砾石，覆土层8由工程粗砂与原土混合而成。

本发明中，所述植物可以选择根系较发达的水生植物，如芦苇、香蒲、美人蕉，或可以种植草皮。

本发明中，以水浸润面为界，基质层内包括硝化区和反硝化区两个部分，相应的进水管也分成两个区，使待处理水分别进入硝化区和反硝化区。硝化区设置通气管2，以补充好氧反应所需要的氧气。反硝化区设置集水管3，收集净化水并排出湿地。

本发明中，硝化区进水管和反硝化区进水管均沿表面以下10-20cm倾斜布置(如图1)，或者硝化区进水管沿表面以下10-20cm倾斜布置，反硝化区进水管在集水管出水口以上5-15cm处水平布置(如图2)。

本发明中，通气管2由水平支管和竖直管连接组成，水平支管位于集水管3出口以上15-35cm处水平布置，竖直管伸出基质层外，竖直管顶部安装有雨帽，防止杂物进入。

本发明提出的斜面潜流人工湿地水处理工艺，具有以下优点：

(1)在同一块湿地内进行硝化反应和反硝化反应，处理污水的单级湿地脱氮率提高到50％以上；

(2)净化过程中水依靠重力流动，不需要动力也不需要水位调节措施，在控制上比序批式人工湿地和改进型序批式人工湿地更加简单；

(3)可以利用河道边坡、山地斜坡构建人工湿地，也可以根据不同的景观要求，将湿地表面可以设计成不同坡度，使湿地景观更加丰富。

附图说明

图1为本发明的一种结构图示。

图2为本发明的另一种结构图示。

图3为本发明的俯视图。

图中标号：1为进水管，2为通气管，3为集水管，4为防渗膜，5为集水层，6为粗砂层，7为石子层，8为覆土，9为水浸润面，θ为坡度。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1：将本斜面潜流人工湿地处理工艺用于某村落生活污水的处理。该村化粪池排水及厨房排水经管道被收集和输送到该村的一条河边，经过折板沉淀池流入斜面潜流人工湿地，最后排入河道。斜面潜流人工湿地设计平均日处理规模8m³/d。河道边坡宽约4.5m，坡比约为1∶5。利用河道边坡构建斜面人工湿地。斜面人工湿地的水平投影尺寸为10.5×3.8＝40m²，倾角θ＝11度，设计水力负荷为0.2m³/m².d。湿地四周采用砖砌挡土墙，原土夯实后铺防渗膜，然后填装基质和管件。基质层深度1.2m，由下至上依次填装石子作为集水层5(de＝4-6cm)、粗砂层6(de＝1mm)、小石子作为石子层(de＝1-2cm)、粗砂(de＝1mm)与原土混合物作为覆土层8。以斜面人工湿地的最低点标高为0，集水管3出口标高为90cm、通气管2的水平支管标高为1.1m，布水支管平行在湿地坡面以下15cm。

运行工况一：

实际运行水力负荷0.1m³/m².d，硝化区和反硝化区等量配水，即x＝y＝0.5。出水达到一级B排放标准，NH₄ ⁺-N去除率达到89％，TN去除率为29％。

表1-运行工况一时的水质情况

注：表中单位为mg/L。

运行工况二：

实际运行水力负荷0.1m³/m².d，硝化区和反硝化区不等量配水，即x＝0.74，y＝0.26。出水达到一级B排放标准，NH₄ ⁺-N去除率为61％，TN去除率达到52％。

表2-运行工况二时的水质情况

注：表中单位为mg/L。

Claims (5)

1.一种斜面潜流人工湿地水处理工艺，其特征在于采用斜面潜流人工湿地水处理装置，所述斜面潜流人工湿地水处理装置由进水管(1)、通气管(2)、集水管(3)、防渗膜(4)、基质层和植物组成，基质层与水平面呈10～40°坡度，基质层自下而上分别为集水层(5)、粗砂层(6)、石子层(7)和覆土层(8)，基质层上方种植植物(10)，基质层四周设有防渗膜(4)，水浸润面(9)位于石子层，以水浸润面(9)为界，基质层被分成上部硝化区和下部反硝化区，硝化区和反硝化区均设有进水管，通气管(2)垂直插入硝化区，集水层(5)一侧连接集水管(3)；具体步骤如下：

部分待处理水进入硝化区以非饱和状态流动，水浸润面以上基质层孔隙间除水流外的部分充满空气，有利于好氧硝化反应进行，水中的NH₄ ⁺-N被微生物氧化为NO₃ ^--N，完成硝化反应；之后，这部分的处理水进入水浸润面，与从反硝化区进水管进入的待处理水相混合，水浸润面以下基质层孔隙被水充满，充氧条件差，有利于反硝化反应进行，反硝化区的微生物利用反硝化区进水管的待处理水中碳源还原硝化区内处理水中的NO₃ ^--N，NO₃ ^--N被还原为N₂气，从而实现一块湿地对NH₄ ⁺-N和TN的去除；

硝化区和反硝化区进水的水量分配关系为：

$\left\{\begin{array}{c}Q=\mathrm{xQ}+\mathrm{yQ}\\ x+y=1\end{array}\right.$

其中：Q为总进水量，x为硝化区进水量系数，x＝0.5～0.9，y为反硝化区进水量系数，y＝0.1～0.5。

2.根据权利要求1所述的斜面潜流人工湿地水处理工艺，其特征在于基质层沿宽度方向的断面为四边形，深度为0.8-1.2m，集水层(5)采用粒径为2-8cm的砾石，粗砂层(6)采用粒径为0.8-2mm的工程粗砂，石子层(7)采用粒径为2-4cm的砾石，覆土层(8)由工程粗砂与原土混合而成。

3.根据权利要求1所述的斜面潜流人工湿地水处理工艺，其特征在于所述植物(10)采用根系较发达的水生植物或草皮。

4.根据权利要求1所述的斜面潜流人工湿地水处理工艺，其特征在于硝化区进水管和反硝化区进水管均沿坡面以下10-20cm倾斜布置，或者硝化区进水管沿坡面以下10-20cm倾斜布置，反硝化区进水管在集水管出水口以上5-15cm处水平布置。

5.根据权利要求1所述的斜面潜流人工湿地水处理工艺，其特征在于通气管(2)由水平支管和竖直管连接组成，水平支管位于集水管(3)出口以上15-35cm处水平布置，竖直管伸出基质层外，竖直管顶部安装有雨帽。

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