CN101987760A - 一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地 - Google Patents

一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地，人工湿地由布水区、填料区、曝气装置、集水区、湿地植物组成。布水区和集水区为大粒径碎石。填料区位于布水区与集水区之间，依次为中粒径碎石、中粒径沸石、细粒径碎石。在沸石段底层铺设曝气管，曝气量可调。污水经过预处理，去除悬浮物和部分污染物，进入人工湿地净化处理。本发明可大大提高水平潜流人工湿地中污水的溶解氧浓度，再生沸石的氨氮吸附能力，维持系统高效、稳定的氮去除率。

Description

一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地
技术领域
本发明涉及污水处理人工湿地，具体地说是一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地，是一种通过添加可调控曝气装置来提高脱氮效率的水平潜流式人工湿地污水处理技术。
背景技术
人工湿地污水处理技术是20世纪70年代兴起的一种污水生态处理技术，其具有投资少、运行费用低、管理方便、无二次污染等优点，近年来已成功用于生活污水、农村点源和面源污染、暴雨径流、以及湖泊富营养化等方面的治理，并取得了显著的成效。
人工湿地根据水流方式可以分为：自由表面流人工湿地(SFW)，水平潜流人工湿地(SSFW)和垂直潜流人工湿地(VFW)。其中，水平潜流人工湿地由于其投资成本较低，效率较高，近年来应用最为广泛。但是，硝化能力弱，尤其是低温条件下氮的去除率较低，限制了水平潜流湿地的进一步推广应用。
人工湿地对氮的去除主要包括氨化、植物摄取、基质吸附和湿地中微生物的硝化/反硝化作用，其中后两者的贡献最大。但它们都存在局限性。一：微生物硝化需要的溶解氧不足。常见的人工湿地处理中，氮的去除主要依靠微生物的硝化/反硝化作用，但是微生物的生长受到很多因素的制约：如温度、pH、ORP等，尤其是硝化菌需要有充足的氧气和适宜的温度。在低温地区为保证硝化反应的顺利进行，氧气供给充分就显得非常必要。而人工湿地中氧的供给主要依靠植物的根际传输，和进水中所带的溶解氧。现有研究表明植物供给的氧远不能满足人工湿地中氧的需要，湿地内植物的非根际区一般处于缺氧状态；而进水中所携带的氧，主要消耗在人工湿地的前端，用于COD的去除，难以满足后续氨氮硝化的需要。二：沸石基质容易吸附饱和，且再生比较困难。一些研究表明，沸石由于其特有的“分子筛”结构，可以迅速吸附污水中的氨离子，在人工湿地中应用可以短期内保证氮的高效去除。但是，沸石氨氮吸附饱和后，在人工湿地中原位再生，目前还没有经济实用的解决办法。现有的研究表明，依靠硝化菌硝化是沸石吸附饱和后，原为再生的比较可行的解决方法。但湿地中溶解氧不足，限制了硝化菌的硝化作用，使得沸石的原位再生率低于50％。为此，如何保证人工湿地脱氮效率的稳定，成为目前急需解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术所存在的不足，提供一种能增加所处理废水溶解氧，使得湿地床体中沸石能够原位再生，从而提高低温脱氮效率的水平潜流人工湿地技术。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地，人工湿地由布水区、填料区、曝气装置、集水区、防渗层(HPDE膜+沙土层)、湿地植物组成。
一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地，其整体为条带状凹槽形床体结构，从左至右依次由布水区、填料区和集水区组成，填料区从左至右依次由碎石一区、沸石区和碎石二区组成，
其中，布水区和集水区内填充有粒径60-120mm的碎石，碎石一区和沸石区分别填充有粒径10-40mm碎石和沸石，碎石二区填充有粒径5-10mm碎石；
在沸石区底层铺设曝气管，形成曝气区，曝气管与床体外鼓风机的出风口相连。
在床体底部可铺设一层HPDE膜作为防渗层，在HPDE膜与填料间铺设一层沙子层，作为HPDE膜的保护层。
填料区从左至右填充填料的三段间有效长度比例为：碎石一区、沸石区、碎石二区＝(1-4)∶(1-2)∶(1-3)。
所述曝气装置，是指在沸石区底层铺设曝气管，根据氨氮去除效果或沸石氨氮吸附饱和情况，进行间歇、连续曝气，曝气量可调。
所述曝气装置，主要指湿地床体底层铺设PVC管，每平方米铺管2-10米，在管上均匀开曝气孔5-20个/米，孔径为2-5mm，通过床体外鼓风机曝气。为防止曝气管上开孔堵塞，管上开孔朝下，管壁上包纱网。
所述曝气装置，主要有两个功能：一、暖季时，硝化细菌活性较好(温度适宜)，曝气主要为了满足硝化细菌的需要，再生沸石的氨氮吸附能力，气水比(V/V)在6-2；二、寒季时，曝气主要是为了满足COD去除的需要，曝气量较小或者不用曝气，气水比(V/V)在3-0，此时氨氮去除主要依靠沸石吸附。
所述填料粒径存在差异，主要是由于各段填料功能不同，碎石一区和沸石区选用较大粒径是为了能提高大气复氧强度，有益于COD去除和氨氮的硝化；碎石二区选用小粒径填料是为了实现湿地床体厌氧环境，满足反硝化的需要。
考虑低温对污染物去除的影响，冬季低温时在所述人工湿地表层添加草炭土(50-200mm)，进行保温。在床体上方填料表面铺设有草炭土层，草炭土层上可种植有湿地植物。
所述湿地植物，包括：芦苇、香蒲、鸢尾、美人蕉之一或者几种组合。
处理步骤为：污水经过预处理，去除悬浮物和部分污染物，进入人工湿地净化处理。本发明可大大提高水平潜流人工湿地中污水的溶解氧浓度，再生沸石的氨氮吸附能力，维持系统高效、稳定的氮去除率。
本发明的有益效果：
(1)本发明可以解决人工湿地冬季低温脱氮效率低的问题，可以提高脱氮效率20-40％，维持全年脱氮效率稳定；
(2)本发明拓展了水平潜流人工湿地的适应范围，可以在一个床体内完成脱氮，与组合湿地相比(需要添加垂直流湿地进行硝化)，减少了占地，减免了出水回流；
(3)本发明通过添加曝气装置，即在人工湿地沸石填料底层铺设PVC管，每平方米铺管2-10米，在管上开孔5-20个/米，孔径为2-8mm，通过床体外鼓风机曝气，既能提高COD的去除效果，又能再生沸石的氨氮吸附能力，保证常年湿地出水COD、氨氮浓度达标，有效解决人工湿地COD冬季去除率降低和沸石填料氨氮吸附饱和的问题；
(4)本发明在鼓风曝气的同时，提高了湿地床体内的污水温度，有利于低温时污染物的去除。
附图说明：
图1低温强化脱氮的水平潜流人工湿地结构图示；
图中标号：1进水口；2布水区；3填料区；4碎石一区；5沸石区；6碎石二区；7曝气管；8鼓风机；9集水区；10草炭土；11湿地植物；12出水口；13出水井。
具体实施方式
本发明在水平潜流人工湿地床体的中间段添加沸石强化脱氮，在沸石底层添加曝气管，通过床体外鼓风机曝气；
在沸石区底层铺设曝气管，其与床体外鼓风机的出风口相连，曝气管鼓风机共同构成一曝气装置，视氨氮去除效果或沸石氨氮吸附饱和情况，进行间歇或者连续曝气。低温强化脱氮过程：曝气时间、曝气量可调，寒季采用间歇曝气且曝气量较小，主要为了去除COD；暖季采用连续曝气，主要为了恢复沸石的氨氮吸附能力和去除氨氮。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地，其整体为条带状凹槽形床体结构，从左至右依次由布水区、填料区和集水区组成，填料区从左至右依次由碎石一区、沸石区和碎石二区组成，
其中，布水区和集水区内填充有粒径60-120mm的碎石，碎石一区和沸石区分别填充有粒径10-40mm碎石和沸石，碎石二区填充有粒径5-10mm碎石；
在沸石区底层铺设曝气管，形成曝气区，曝气管与床体外鼓风机的出风口相连。
在床体上方填料表面铺设有草炭土层，草炭土层上种植有湿地植物。
在床体底部铺设一层HPDE膜作为防渗层，在HPDE膜与填料间铺设一层沙子层，作为HPDE膜的保护层。
填料区从左至右填充填料的三段间有效长度比例为：碎石一区、沸石区、碎石二区＝2∶1∶1。
布水区2中上部设置有进水口1，集水区9下部设置有出水口12，集水区9外侧设置有一出水井13，集水区9下部侧壁上设置的出水口12与出水井13相连通；
本发明提出的低温强化脱氮水平潜流人工湿地，污水经过预处理，去除悬浮物和部分污染物，通过进水口1进入人工湿地。污水在人工湿地内依次经过布水区2、填料区3、集水区9、出水口12、出水井13。其中，布水区2和集水区9填料粒径为60-100mm；填料区3依次为碎石一区4、沸石区5、碎石二区6，碎石一区和沸石区填料粒径为10-40mm，碎石二区填料粒径为5-10mm。曝气管7预埋在沸石区5底层，曝气管7通过湿地外部的鼓风机8曝气。本实例曝气管为PVC管，每平方米铺管4米，在管上开孔10个/米，孔径为4mm。人工湿地表层有100mm的草炭土10，栽种湿地植物芦苇11。运行效果显示，COD去除率在90％以上，氨氮去除率稳定在80％以上，出水能达到《城市污水处理厂污染物排放标准》一级(A)标准；沸石吸附氨氮饱和后能恢复80％左右的吸附能力。
工作过程：
污水经过预处理，去除悬浮物和部分污染物，进入人工湿地净化处理；
经过预处理的污水，从进水口1进入人工湿地，在碎石一区4完成对COD的大部分去除，氨氮的去除主要发生在沸石区5(其中，寒季低温时氨氮的去除主要依靠沸石的吸附，此时硝化菌硝化作用强度较弱；暖季高温时氨氮的去除通过沸石吸附和硝化菌硝化来共同实现)，在碎石二区6通过反硝化作用，实现对TN的去除。
曝气时间、曝气量可调，寒季采用间歇曝气且曝气量较小，主要为了去除COD；暖季采用连续曝气，主要为了恢复沸石的氨氮吸附能力和去除氨氮。
由工程实例可知，人工湿地中沸石用量的多少，对氨氮去除效率影响较大。而沸石的用量，需要根据生活污水日处理量、湿地进水氨氮浓度、湿地出水需要达到的氨氮浓度、年均气温等指标来确定。本发明建议水平流人工湿地用于低温强化脱氮处理时，沸石用量应能保证一年的生活污水氨氮出水达标，实际工程中可以根据工程实际情况进行调整。

Claims (6)

1.一种低温强化脱氮的水平潜流人工湿地，其特征在于：
其整体为条带状凹槽形床体结构，从左至右依次由布水区、填料区和集水区组成，填料区从左至右依次由碎石一区、沸石区和碎石二区组成，
其中，布水区和集水区内填充有粒径60-120mm的碎石，碎石一区和沸石区分别填充粒径10-40mm碎石和沸石，碎石二区填充有粒径5-10mm碎石；
在沸石区底层铺设曝气管，形成曝气区，曝气管与床体外鼓风机的出风口相连。
2.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：在床体上方填料表面铺设有草炭土层，草炭土层上种植有湿地植物。
3.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：在床体底部铺设一层HPDE膜作为防渗层，在HPDE膜与填料间铺设一层沙子层，作为HPDE膜的保护层。
4.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：填料区从左至右填充填料的三段间有效长度比例为：碎石一区、沸石区、碎石二区＝(1-4)∶(1-2)∶(1-3)。
5.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：曝气区每平方米铺管2-10米，在管上开孔5-20个/米，孔径为2-8mm，管壁包纱网。
6.根据权利要求1所述的人工湿地，，其特征在于：所述湿地植物为芦苇、香蒲、鸢尾、美人蕉之一或者一种以上组合。
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