CN101962245A

CN101962245A - 用于高浓度污水处理的循环流廊道湿地工艺及运行技术

Info

Publication number: CN101962245A
Application number: CN2009101479934A
Authority: CN
Inventors: 彭剑峰; 宋永会; 袁鹏; 向连城; 曾萍; 刘雪瑜
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: CN101962245B

Abstract

高浓度污水处理工艺，涉及一种用于高浓度污水低成本达标排放的循环流廊道湿地及其低温稳定运行技术。该廊道湿地整体呈“回”字形布局，各功能单元串联连接；高浓度污水首先进入稀释区，经储水区稀释水稀释后定时、定量提升至复合流廊道区；污水依次在廊道湿地各级单元内自流循环流动，处理出水最终进入储水区；储水区出水部分直接排放，部分作为稀释水自流进稀释区；廊道湿地前端采用大孔径组合功能填料，中后部采用天然钙型沸石填料；每年高温期采用生物和化学组合方式对沸石填料进行再生。本发明通过循环流廊道湿地中水体循环和沸石填料季节再生，能够避免高污染负荷所导致的湿地处理效率下降和局部环境恶化，实现高浓度污水的全年高效低耗达标排放。该发明具有操作简单、工艺灵活、适应性强的优点，适宜于在我国广大农村地区推广。

Description

用于高浓度污水处理的循环流廊道湿地工艺及运行技术

技术领域

本发明涉及一种循环流廊道湿地水处理工艺，通过廊道湿地内水体的循环流动和功能填料季节再生，实现高浓度污水全年的高效低耗达标排放及回用。

背景技术

畜禽养殖废水是一种常见的难处理高浓度废水，废水中COD和NH₃常高达2000～30000mg/L和500～2000mg/L。这类废水进入水环境中，必将导致受纳水体快速富营养化，水体发黑、变臭，鱼类死亡，进而导致水生态系统的最终破坏。对这类浓度高、悬浮物含量大、排放不规律的养殖废水，仅采用厌氧处理工艺难以实现废水的达标排放，而多种处理技术的结合应用必将导致处理成本的大大增加。因而，即使在发达国家，昂贵的处理成本也成为制约畜禽养殖废水达标排放的重要因素。

在中国，畜禽饲养规模正在快速增长。从1980年到2002年，畜禽养殖业在我国农业产值中所占比例从18％增加到35％；我国已成为世界最大的肉、蛋生产国，禽肉、猪肉、鸡蛋产量均居世界第一。每年，我国畜禽粪便COD的排放量高达7118万吨，远远超过我国工业废水和生活废水的排放总量。大部分畜禽养殖污染物直接或间接排入周边水体，成为农村及河湖的重要污染源。尽管畜禽养殖污水治理已受到国内重视，但常规污水处理工艺高昂的建设和运行成本导致其难以在广大农村推广，这种窘境在我国畜禽养殖区广泛存在。高效廉价的处理工艺成为畜禽养殖业良性发展的基础。

人工湿地是一种高效低耗的污水处理工艺，在世界很多地区获得广泛应用，然而传统人工湿地工艺难以直接用于处理高浓度畜禽养殖废水。例如：进水中高浓度的COD和NH₃会导致湿地中溶解氧(DO)快速消耗，水体呈厌氧状态，硝化反应中止，系统脱氮效率显著降低，湿地前端形成低处理效率区；随着水体流动，以及高浓度污染物的大量积累，湿地内低处理效率区将沿水流方向逐渐增大，最终导致整个湿地系统处于低效率水平；水体中高浓度的NH3还会抑制植物的活性，导致植物根系腐败；高浓度污水直接进入表面流湿地易导致水体恶臭，甲烷气体大量产生，而直接进入潜流湿地易导致填料堵塞；每年低温期，湿地植物及微生物活性下降，处理出水水质显著恶化。上述原因导致传统人工湿地处理工艺难以直接用于高浓度污水的达标排放，而仅用作低浓度污水的深度处理。

发明内容

本发明针对高浓度污水所导致的人工湿地处理效能降低、水质恶化等问题，研发出一种经济成本低、适宜于在我国农村广泛推广的新型循环流廊道湿地。该循环流廊道湿地以“回”字形布局降低了高浓度污染物对湿地生态环境的危害，省略了一级和二级处理单元，保障了低温期湿地单元的脱氮效能，实现了高浓度有机、氨氮废水的高效低成本达标排放。

本发明的技术方案如下：

1、一种用于高浓度污水达标排放的循环流廊道湿地处理工艺，其特征在于该工艺按如下步骤进行：首先高浓度污水直接进入循环流廊道湿地的稀释区，高浓度的COD和NH₃可以得到稀释，悬浮颗粒可有效沉淀，进入复合流廊道区的污水浓度明显降低；稀释后污水由提升装置定时、定量提升至复合流廊道区；各湿地单元内水环境不同，前端单元呈厌氧状态，后端单元呈好氧状态；依靠水体自流，污水依次以下向、上向流形式流经各湿地单元，有机物、氨氮和磷酸盐得到有效去除；处理出水进入储水区，部分回用于农业用水、养殖场洗涤用水或直接达标排放，剩余部分自流进稀释区重新进入循环。

2、循环流廊道湿地结构简单，整个工艺仅包含稀释区、复合流廊道区、储水区等3个功能区，不需配套沉淀、生物接触氧化等其他辅助单元。整个系统内仅需1台间歇运行的提升泵作为动力设备，这保持了湿地低运行成本的优点。各湿地单元的承托层中设置了曝气装置，通过调节曝气量有助于调控各单元溶解氧水平，保障硝化反应的顺利进行。

3、循环流廊道湿地前端2个湿地单元采用大孔隙率陶粒或煤渣作为填料。填料表面及内部附着生长了大量的厌氧和兼氧微生物，有助于污水中有机物和NO_x ^-的有效去除。复合流廊道区剩余3个湿地单元采用离子交换能力强的天然钙型沸石作为填料。这3个单元中水体一般呈好氧状态，通过沸石吸附和硝化机制的共同作用，NH₃能得到有效去除。此外，通过与天然钙型沸石释放的Ca²⁺结合生成磷酸钙沉淀，水体中的磷酸根也能够得到有效去除。

4、一种实现循环流廊道湿地低温稳定运行的技术，其特征在于每年4～9月的高温期，采用曝气(保持水体溶解氧DO为2～5mg/L)或投加组合再生剂(CaCl₂∶NaCl＝3∶7；添加量0.4～0.8mol/L)的方式对循环流廊道湿地中的沸石填料进行再生。这种再生方式既能保证低温期沸石填料具有较优的吸附效果，也可充分利用高温期湿地较高硝化-反硝化能力，实现NH₃的低成本去除。

5、在循环流廊道湿地中，湿地进出水与湿地内部水体循环相互独立，因而可根据污水排放量(或回用水利用状况)决定进水(或出水)采用间歇或连续的方式，而根据湿地内生物脱氮水平和进水污染物负荷决定循环比。循环流廊道湿地内水体的循环比控制在0.5～30之间，这能够有效削减进水冲击负荷对湿地运行效能影响。

本发明与现有技术相比具有以下优越性：

1、工艺简单且成本低：整个循环流廊道湿地工艺仅包含稀释区、复合流廊道区和储水区，不需一级和二级处理单元，因而整个湿地处理工艺构型简单，操作方便，造价及运行费用低，适合于在我国广大农村地区推广。

2、脱氮效率明显提高：循环流廊道湿地采取了多项措施来提高系统脱氮效果。为提高系统硝化反应速率，湿地填料底部增加了间歇运行的曝气装置，设置了干湿交替填料层，增加了自由水面，提高系统充氧效率；为保证硝化和反硝化速率之间的平衡，水体循环比和DO分布可灵活调节；为降低低温和进水冲击负荷影响，采用对NH₃具有高吸附效能的沸石作为填料。通过上述措施，能够在湿地内实现稳定的厌氧-微氧-好氧交替状态，有利于促进系统内氮的高效去除。

3、抗冲击负荷能力增强：可调节的循环比能够有效削减由进水污染物浓度突然升高所导致的进水污染负荷增长，保证系统在稳定的进水水质下长期运行；此外，循环流廊道湿地以天然钙型沸石作为填料，沸石能够通过吸附/解吸作用保持水体中NH₃的相对稳定，进而减小NH₃浓度突变对系统运行产生的影响。

4、水力条件得到优化：通过在循环流廊道湿地内设置多个功能区和湿地单元，能够在整个湿地内实现完善的复合折流流态，这有效避免了人工湿地中常见的短流现象，提高了湿地的容积利用率。

5、工艺运行方式灵活：曝气强度、循环比、进出水水量和沸石填料再生方式等多种技术措施可灵活调节，这能够显著提高工艺适应性和应用范围。

6、水循环动力设备少：尽管待处理水在循环流廊道湿地内间歇循环流动，但外加动力设施仅有稀释区内定时开关的提升泵，水体在其余单元水体依靠重力自流，因而运行能效远高于一般水下推流装置。

附图说明

图1为循环流廊道湿地平面图

图2为循环流廊道湿地工艺展开图

图中1为进水口；2为稀释区；3为提升装置；

4～8为复合流廊道区；9为储水区；10为出水口；

11为细沸石层；12为曝气管；13为溢流堰。

具体实施方式

实施例1：

高浓度污水直接流入循环流廊道湿地，在稀释区2稀释和沉淀后由提升装置3提升至复合流廊道区4，湿地处理出水进入储水区9贮存或达标排放。

稀释区2可采用矩形稳定塘的形式，并种植浮水或沉水植物。稀释区长宽比为1～3∶1，有效容积按照公式(1)设计。污水进水口1设置在稀释区溢流口附近。提升装置3采用低扬程变频潜污泵，间歇运行：

式中V_有效为稀释区有效容积，m³；

C₀为原污水中NH₃最大设计浓度，mg/L；

C为复合流廊道区NH₃进水控制浓度，低于80mg/L；

V₀污水的日处理量，m³/d；

n_提升为稀释区中提升装置的启动次数；

V_提升为稀释区中提升装置每次的提升水量，m³。

复合流廊道区4～8由五级复合流湿地单元构成(也可由一、三或七级湿地单元构成)，其中首级湿地单元4采用下向流湿地形式，其他依次为上向流湿地单元5、下向流湿地单元6和上向流湿地单元7，末端湿地单元8采用下向流形式。每个湿地单元长宽比为2～5∶1，各单元的有效水深为0.7～1.5m。复合流廊道区前端的湿地单元4、5采用大孔隙率陶粒或煤渣颗粒作为填料；复合流廊道区中后部湿地单元6、7、8采用离子交换能力强的天然钙型沸石作为填料。复合流廊道区填料层表面覆盖细沸石层11，细沸石层表面种植经济作物或景观植物；湿地单元填料层底部铺设砾石布水层，砾石层中间敷设穿孔曝气管或微孔曝气装置12。

储水区9的有效容积主要依据回用水水量设计，靠近稀释区2一侧需设置溢流堰13，池中种植浮水或挺水植物。

实施例2：

高浓度污水直接经进水管1进入稀释区2，与循环水充分混合后，高浓度污染物得以稀释，部分悬浮颗粒通过沉淀去除。

稀释后污水由提升装置3经布水设施进入湿地单元4，污水依次经细沸石层11、大孔隙填料层和砾石层下向流动。湿地表面种植水生植物，填料表面及孔隙附着生长大量兼性菌和厌氧菌。由于污水中NH₃浓度显著降低，NH₄ ⁺对水生植物及微生物生长抑制较小。该单元水体DO＜0.5mg/L，通过厌氧降解和反硝化，混合污水中的有机物、亚硝酸盐和硝酸盐可得到有效去除。

厌氧处理污水由湿地单元4底部进入上向流湿地单元5，污水依次经砾石布水层、大孔隙填料层(煤渣或陶粒)和细沸石层，进入自由水层。通过大气复氧，该单元DO保持在0.5～2mg/L。填料表面及孔隙中附着生长了大量兼性菌，有机物和NO_x ^-进一步去除。该湿地单元出水COD常年低于50mg/L，亚硝酸盐和硝酸盐基本去除。处理出水自流到下向流湿地单元6。

初步处理后的废水依次流经下向流沸石湿地单元6、上向流沸石湿地单元7和下向流湿地单元8。这3个湿地单元内DO稳定在2～5mg/L，当DO＜2mg/L时采用底部曝气装置补充DO。湿地单元内采用高吸附效能的天然钙型沸石作为填料，填料表面附着生长了大量硝化菌。高温期，硝化菌能够有效实现NH₃的快速硝化；低温期，依靠硝化作用和沸石吸附作用，处理出水NH₃能保持相对稳定，沸石中置换出来的Ca²⁺与磷酸盐化合能实现磷的有效去除。

复合流廊道区处理出水经湿地单元8底部进入储水区9，部分出水经溢流堰13直接溢流到稀释区2，剩余部分由排水闸门10连续或间歇排出湿地系统。

实施例3：

为保障循环流廊道湿地低温期稳定的NH₃和P去除效能，需对沸石填料进行季节再生。

湿地单元内沸石再生集中在4～9月，再生方式主要有化学再生或曝气生物再生，再生周期根据再生方式而存在差异。其中，化学再生一般集中在4～5月的植物生长季节，再生剂采用自制组合型再生剂。化学再生过程中停止系统进水，系统出水中含有大量的NH₄ ⁺，可以直接用于农田灌溉。曝气生物再生集中在温度较高的6～9月，通过曝气调节沸石湿地单元中DO＞2mg/L，利用高温期较高的生物活性促进水体中NH₃的硝化、NH₄ ⁺的解吸附，进而促进沸石吸附容量的部分恢复。曝气生物再生过程中湿地进出水NH₃能够达标排放，只是沸石再生周期通常较长，通常需要辅以化学再生。当再生水中出水NH₃＜30mg/L时，再生过程结束。

高温期对循环流廊道湿地内沸石进行再生，既能够保障湿地在低温期具有稳定的处理效果，也能实现沸石释出NH₃的硝化去除或农业利用，最终实现湿地的全年氨氮达标排放，以及低成本运行。

实施例4：

在实施例中，循环流廊道湿地用于畜禽养殖废水达标排放研究。

湿地主要运行参数为：稀释区水力停留时间2～6h，复合流廊道区水力停留时间4～12d，储水区水力停留时间0.5～2d；稀释区提升装置3运行4～12次/d，每次运行1～10min，污水稀释比4～16；湿地单元4中DO＜0.2mg/L，湿地单元5中DO＜1.0mg/L，湿地单元6、7和8中DO为2～5mg/L；沸石每年7～8月再生，采用CaCl₂和NaCl组合再生剂和曝气生物再生相结合的方式。

按照本实施例运行的循环流廊道湿地，当进水水质参数为：COD 420～2500mg/L，NH₃-N600～1300mg/L，TP 100～160mg/L，pH 6.5～8.0。其出水水质参数为：COD 25～65mg/L，NH₃-N 15～80mg/L，TP 2.5～6.2mg/L，pH 7.2～7.6。

Claims

1.一种用于高浓度污水达标排放的循环流廊道湿地处理工艺，其特征在于该工艺按如下步骤进行：

a)首先高浓度污水由进水口(1)直接进入循环流廊道湿地的稀释区(2)，经稀释和沉淀后由提升装置(3)定时、定量提升至下向流廊道湿地单元(4)；

b)依靠水体自流，污水依次以下向、上向流形式流经各廊道湿地单元(4～8)，处理出水进入储水区(9)；

c)储水区出水一部分直接排放(或回用)，剩余部分自流进稀释区重新进入循环。

2.根据权利要求1所述一种循环流廊道湿地，其特征在于：廊道湿地结构简单，仅设置稀释区(2)、复合流廊道区(4～8)、储水区(9)等3个功能区，不需配套其他辅助生物处理单元；全系统仅需1台动力设备，即提升水泵(3)；填料底部设置穿孔曝气管。

3.根据权利要求1所述一种循环流廊道湿地，其特征在于：廊道湿地前端2个单元(4、5)采用大孔隙率陶粒或煤渣作为填料，粒径为1.0～5.0cm；廊道湿地其余单元(6～8)采用离子交换能力强的天然钙型沸石作为填料，粒径为0.5～2.0cm。

4.根据权利要求1和3所述一种循环流廊道湿地，其低温稳定运行技术特征在于：每年4～9月的高温期，采用曝气(保持水体溶解氧DO为2～5mg/L)或投加组合再生剂(CaCl₂∶NaCl＝3∶7；添加量0.4～0.8mol/L)的方式对沸石进行再生。

5.根据权利要求1和2所述一种循环流廊道湿地，其特征在于：进出水与循环流廊道湿地内水体循环过程相对独立；湿地可采取间歇或连续进水及出水的方式，湿地内水体的循环比控制在0.5～30之间。