CN102139963A - 一种低温高效人工苔藓湿地系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温高效人工苔藓湿地系统。包括床体、基质层和苔藓植株，床体一侧布置有穿孔布水管连接进水管，另一侧布置有穿孔收集管连接出水管，床体的长宽比为2:1～10:1，高为30-40cm；基层层位于床体内，基质层由底层、中层和上层组成，底层厚度为4-5cm，中层厚度为10-20cm，由土壤和细沙复配而成，复配比为2：1-3：1；上层厚度为10-20cm，由南极苔藓湿地表层下伏土和当地土壤复配，复配比为1：1-1：2；苔藓植株位于基质层上方，苔藓植株高度为7-10cm，种植密度为1×105～4×105株/m2，苔苔藓植株选用Bryummuehlenbeckii；床体内部可设置与进水方向平行或垂直的隔板。本发明可用于低温区生活污水的处理。在10℃以下的低温条件下对氨氮、有机物、总磷、悬浮物等主要污染物具有良好的处理效果。

Description

一种低温高效人工苔藓湿地系统
技术领域
本发明属于环境保护和环境工程领域，具体涉及一种低温高效人工苔藓湿地系统。
背景技术
人工湿地处理系统是一种经济、生态型污水处理工艺，但是湿地系统在冬季的处理效果普遍较差，影响了该工艺的广泛应用。湿地工艺在冬季的运行效率差总体上表现为有机物、氨氮、总氮和总磷等多种污染物去除效率的下降，其中特别是氨氮和总氮下降显著。有研究报道在冬季低温条件下，人工湿地对N H4 +-N、TN和TP的去除率分别比夏季低12.0 %～40.0 %、12.11 %～27.0 %、6.1 %～114.0 %。甚至在一些报道中，冬季人工湿地对NH4 + - N、TP 的去除率几乎降到零, 出水中COD的不降反升。
目前普遍认为，造成这些问题的主要原因在于低温对于湿地植物和微生物群落的影响。首先是由于低温造成硝化细菌活性的显著下降，反硝化速率明显高于硝化速率，硝化作用又是脱N 的限制步骤，因此造成氨氮和总氮去除效率的降低。在冬季低温地区，人工湿地植物收割、枯萎或进入休眠状态,在生态和形态上都发生了变化，影响了植物对污染物的去除能力。由于植物泌氧能力和表面复氧速率下降导致的系统整体溶解氧降低，从而引起好氧微生物（包括好氧异养菌群和硝化菌群）代谢活性降低。而植物茎叶和根系的腐烂产生大量有机物污染水体，也间接造成了有机污染物浓度的上升。
为提高人工湿地低温处理效率，目前较为普遍的调控手段有：①优化冬季湿地的植物配置，种植耐寒性强、挺水能力强、生物量多、根区丰富、繁殖性能及氧气转输能力好的植物（如芦苇和黑麦草)。②优化植物下伏土和填料基质，选择孔隙率大、P 吸附能力强的填料基质。疏松、通气性好、比表面积大的填料基质有利于空气中的氧气进入湿地,促进硝化作用和总氮的去除；③优化进水方式和运行负荷。减小运行污染物负荷，从一定程度上提高碳、氮、磷污染物去除效果；④对湿地系统加设保温型覆盖或护围材料（如冰雪、稻草、麦杆、PVC 透气薄膜、收割湿地植物、炭化后的芦苇屑、有机填料等），减缓湿地温度变化，提高系统温度。
总体而言，通过以上上述措施，可以从一定程度上改善碳氮污染物在冬季湿地系统的中去除效果，但同时也牺牲了系统处理能力（负荷），采取的额外工程措施也增加了系统成本和管理难度，不能从根本上解决湿地处理系统低温条件下效率差的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种低温高效人工苔藓湿地系统。
本发明提出的低温高效人工苔藓湿地系统，是利用南极特有的耐寒耐污苔藓种Bryum muehlenbeckii和下伏土作为构建人工湿地材料。一方面利用了极地苔藓及其下伏土微生物群落长期在低温环境下生长驯化，具有明显的耐寒特性。选择的苔藓植株在冬季生长活性好，植株较短，根系密度较大，有利于根系氧传输。包括硝化菌群在内的苔藓下伏土根系区微生物群落也具有良好的低温活性。将极地苔藓湿地下伏土作为基质复配材料，起到对微生物接种的作用，经驯化和富集后产生耐寒性湿地床体微生物群落，降低温度对氨氮、有机物、总磷等污染物生物代谢效率的影响。另一方面，苔藓植株密度高，贴近地面，能够缓冲外界温度的波动，对于床体基质具有一定的保温效应。综合以上一些特性，显著提高人工湿地系统在冬季的污染物处理效率。
本发明提出的低温高效人工苔藓湿地系统，包括床体5、基质层和苔藓植株11，其中：床体5的一侧为进水侧，布置有穿孔布水管2，穿孔布水管2连接进水管1，另一侧为出水侧，布置有穿孔收集管3，穿孔收集管3连接出水管4，床体5的长宽比为2:1～10:1，高为30-40cm；基层层位于床体5内，基质层由底层8、中层9和上层10组成，底层厚度为4-5cm，由高炉渣、炉渣、大理石、石灰石、沸石、煤渣或钢渣中一至多种组成，中层厚度为10-20cm，由土壤和细沙复配而成，复配比为2：1-3：1；上层厚度为10-20cm，由南极苔藓湿地表层下伏土和当地土壤复配，复配比为1：1-1：2；苔藓植株11位于基质层上方，苔藓植株11高度为7-10cm，种植密度为1×105～4×105株/m2，苔苔藓植株选用Bryum muehlenbeckii；床体5内部可设置与进水方向平行或垂直的隔板。
本发明利用南极菲尔德斯半岛的极地苔藓种Bryum muehlenbeckii（图1）作为湿地种植植物，采用南极苔藓植被的根系土壤作为耐寒微生物接种材料，床体填充对磷具有良好吸附性能的基质材料，增强对磷的去除效果。污水以水平潜流形式流经人工湿地系统得到净化，人工湿地可连续运行或干湿间歇运行。
低温条件下，污水进入本湿地系统后，有机物和氨氮主要通过苔藓的根系微生物的生物吸附、生物降解，悬浮物主要通过土壤介质的过滤和吸附作用去除。由于苔藓的良好通气、泌氧作用和根际区低温硝化细菌的富集，可以保证较好的氨氮降解和硝化效率。反硝化作用主要在床体中层缺氧区发生，总磷一方面通过苔藓和根系微的生物代谢去除，另一方面底部填充的除磷基质材料也强化了总磷的低温去除。
附图说明
图1为苔藓植株Bryum muehlenbeckii。
图2为线性水平潜流人工苔藓湿地结构图。
图3为平行折板式水平潜流人工苔藓湿地结构图。
图4 为垂直折板式水平潜流人工苔藓湿地结构图。
图中标号：1为进水管，2为穿孔布水管，3为穿孔收集管，4为出水管，5为床体，6为平行隔板，7为垂直隔板，8为底层，9为中层，10为上层，11为苔藓植株。
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：利用南极菲尔德斯半岛的极地苔藓种Bryum muehlenbeckii（图1）作为湿地种植植物，采用南极苔藓植被的根系下伏土作为湿地基质接种材料，基质中采用高效磷吸收材料，构建浅层人工湿地系统，污水以水平潜流形式流经人工湿地系统得到净化。人工湿地可连续运行或干湿间歇运行。
所述的南极苔藓种Bryum muehlenbeckii，苔藓植株11高度7-10cm，苔藓种植密度为1×105～4×105株/m2。
床体5高为30-40cm，床体进水侧布置进水管1和穿孔布水管2，出水侧布置穿孔收集管3连接出水管4。根据床体的推流结构，长宽比可以制成2:1～10:1。水平潜流式床体结构可以采用：线性推流式（A）或折板推流式（B）（C）等。床体内部可设置与进水方向平行隔板6或垂直隔板7，改善流态。
位于床体5内的基质层分为3层，从下至上，底层8平铺5cm高炉渣、炉渣、大理石、石灰石、沸石、煤渣、钢渣等对磷具有良好去除性能的材料；中层9以当地土壤和细沙复配基质，厚度10～20cm，复配比例约2:1～11:1；上层10采用南极苔藓湿地表层的下伏土和当地土壤复配，厚度约10～20cm，复配比例约1:1～1:2，作为苔藓种植基质。
运行实例：
某东部农村单户生活污水冬季处理试验系统，试验器平均温度为1.11℃，最高温度小于10℃。
处理水量约50～70L/day，系统经过1个月的驯化启动，系统处理负荷约为0.16～0.22 m11/m2.day，反应床体尺寸：110cm×104cm，深度40cm，床体基质配置为：5cm高滤渣层、15cm细沙和当地土壤复配基质层（复配比例约2.5:1）、20cm南极苔藓湿地表层下伏土和当地土壤复配基质层（复配比例约1:1），苔藓经过营养培植后长度约8cm，苔藓培植密度为2.7×105株/m2。
污水首先进入调节池，通过调节池的格栅后通过蠕动泵吸进入人工苔藓湿地连续运行。进出水水质如下，经检测，污水处理水质指标可以达到《城镇污水厂污染物排放标准（GB18918-2002）》一级A标准。
序号 项目 进水浓度（mg/L） 出水浓度（mg/L） 一级A标准
1 氨氮 211～54 ≤8 8
2 总氮 27～61 ≤111 15
11 SS 611～106 ≤10 10
4 COD 154～264 ≤45 50
5 总磷 1.2～2.6 ≤0.5 0.5

Claims (1)

1.一种低温高效人工苔藓湿地系统，其特征在于包括床体(5)、基质层和苔藓植株(11)，其中：床体(5)的一侧为进水侧，布置有穿孔布水管(2)，穿孔布水管(2)连接进水管(1)，另一侧为出水侧，布置有穿孔收集管(3)，穿孔收集管(3)连接出水管(4)，床体(5)的长宽比为2:1～10:1，高为30-40cm；基层层位于床体(5)内，基质层由底层(8)、中层(9)和上层(10)组成，底层(8)厚度为4-5cm，由高炉渣、炉渣、大理石、石灰石、沸石、煤渣或钢渣中一至多种组成，中层(9)厚度为10-20cm，由土壤和细沙复配而成，复配比为2：1-3：1；上层(10)厚度为10-20cm，由南极苔藓湿地表层下伏土和当地土壤复配，复配比为1：1-1：2；苔藓植株(11)位于基质层上方，苔藓植株(11)高度为7-10cm，种植密度为1×105～4×105株/m2，苔苔藓植株选用Bryum muehlenbeckii；床体(5)内部可设置与进水方向平行或垂直的隔板。
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