CN102276110B - 一种修复微污染水体的方法及潜流人工湿地系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种修复微污染水体的方法，1）微污染水体先进入第一级水处理区进行沉砂并实现均匀布水；2）再进入第二级水处理区-湿地床，湿地床主要由填料和水生植物构成，水生植物为芦竹，填料由上层填料和下层填料构成，上层填料为砾石，砾石粒径为5～10mm；下层填料为页岩砖，页岩砖粒径为10～60mm，水生植物的根系生长于填料中；3）最后进入第三级水处理区以均化出水水质，即可排出进入外部水体。本发明具有以下优点：(1)无能耗、不易堵塞。(2)投资少、运行管理方便。(3)抗冲击负荷能力强。(4)氮磷去除率高、具有一定经济效益。

Description

一种修复微污染水体的方法及潜流人工湿地系统
技术领域
本发明涉及一种污染水体的修复方法及对应的修复污染水体的“芦竹—页岩砖”改进型潜流人工湿地系统，本方法特别适用于无能耗低成本的微污染水体修复，属于市政与环保工程领域。
背景技术
微污染水源水是指受到有机物污染, 部分水质指标超过《地表水环境质量标准》( GB3838-2002) Ⅲ类水体标准的水体。微污染水一般是由于工业、农业和生活等方面产生的污水未经适当处理，直接排入供水水源导致的。微污染水主要含有颗粒物、微量有机物、农药、氨氮等有害污染物。微污染水中的微污染物质具有污染范围大、影响范围广的特点，可直接通过生态系统的生物链进行富集。随着工业的迅速发展，微污染水源水污染日益严重，有害物质逐年增多，尤其是近年来水源水体的富营养化现象不断加重，水体中有机物种类和数量激增以及藻类大量繁殖，严重威胁人体健康。
目前，微污染水体的修复方法主要分为物理方法、化学方法和生物－生态方法。常用的物理方法有：①冲刷/稀释；②曝气复氧；③机械除藻；④疏浚底泥。化学方法有：①化学沉淀法；②钝化法；③酸碱中和；④化学除藻等。生物－生态法有：①植被群落恢复；②生物操控等。目前，国内外对微污染水体的修复技术主要集中在生物—生态修复，主要技术包括平板膜—生物反应器净化法、流化床预处理工艺、弹性填料生物接触氧化技术、固定化微生物处理技术、人工湿地处理技术等。
人工湿地处理方法作为一种近自然生态的处理方法，其研究和应用近年来在国内外日益受到重视，其突出特点是操作管理方便，无能耗，费用低，且净化效果较好。近几年人工湿地逐渐被用于处理微污染水体。
但人工湿地对微污染水体的处理存在一些不足：①水力负荷低：在高水力负荷下，人工湿地对污染物的去除效果十分有限，一般而言为达到较好的处理效果，应保持较低的水力负荷。②氮磷污染物去除率低：目前大部分处理微污染水体的人工湿地采用美人蕉、芦苇、菖蒲等作为湿地植物，采用碎石、卵石、砾石等作为湿地填料，氮磷污染物去除率较低，平均为30%~50%。③湿地植物需要收割：美人蕉、芦苇和菖蒲等湿地植物在冬季均会枯萎衰败，不仅需要及时收割防止植物在湿地中腐烂，释放氮磷等营养物质，而且污染物去除率也会随着植物活性的下降而降低。④填料易饱和：碎石、卵石和砾石等湿地填料饱和吸附量较低，其表面光滑的特性不利于微生物的附着和生长。⑤易堵塞：由于人工湿地中装填了大量填料，在拦截颗粒污染物，为微生物提供生长载体的同时，填料的空隙不断被颗粒物堵塞。因此，大量研究结果发现，在运行初期人工湿地的处理效果往往较高，而随着处理时间的增长，处理效果逐渐下降。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种氮磷去除率高、抗冲击负荷能力强、不易堵塞的修复微污染水体的方法。
本发明还同时基于上述方法设计了一套修复微污染水体的潜流人工湿地系统。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种修复微污染水体的方法，其修复步骤为：
1）微污染水体先进入第一级水处理区，在第一级水处理区进行沉砂并实现均匀布水；
2）经第一级水处理区处理后的微污染水体进入第二级水处理区，第二级水处理区为湿地床，湿地床主要由填料和水生植物构成，水生植物为芦竹，栽种密度为10~20株/m2；填料由上层填料和下层填料构成，上层填料为砾石，砾石粒径为5~10mm；下层填料为页岩砖，页岩砖粒径为10~60mm，水生植物的根系生长于填料中；
3）经第二级水处理区处理后的微污染水体进入第三级水处理区，第三级水处理区用于均化出水水质，经第三级水处理区处理后的微污染水体即可排出进入外部水体；
本方法采用水平流态，运行方式为连续进水，水力负荷控制为1.0 ~3.0 m3/m2·d。
一种修复微污染水体的潜流人工湿地系统，它主要由第一级水处理区、第二级水处理区和第三级水处理区构成，第一级水处理区为进水区，进水区下部收口形成集砂斗，集砂斗以上的部分为沉砂区，沉砂区上设有进水管；第二级水处理区为湿地床，湿地床主要由填料和水生植物构成，水生植物为芦竹，栽种密度为10~20株/m2；填料由上层填料和下层填料构成，上层填料为砾石，砾石粒径为5~10mm；下层填料为页岩砖，页岩砖粒径为10~60mm，水生植物的根系生长于填料中；第三级水处理区为出水区，在第三级水处理区的底部设有排水管；第一级水处理区和第二级水处理区之间通过两者的公共墙上的过水孔连通，第二级水处理区和第三级水处理区之间通过两者的公共墙上的过水孔连通。
所述第二级水处理区横截面为矩形，长宽比为3~4：1，底部沿水流方向有1%~2%向下的坡度。
所述上层填料高度为0.1~0.2 m，下层填料高度为0.5~0.8m。
所述页岩砖粒径为40~60mm或20~40mm或10~20mm，也可由下至上依次由粒径为40~60mm的大粒径页岩砖、20~40mm的中粒径页岩砖和10~20mm的小粒径页岩砖构成。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
(1) 无能耗、不易堵塞。
由于芦竹湿地池底设有坡度，微污染水体靠重力流的方式进入系统处理后排放，湿地阻力小，不需采用推流、搅拌等设备，无能耗。芦竹湿地采用进水区和湿地床结合的方式，受污染水体中颗粒性污染物先经进水区沉砂后进入湿地床处理，减少了进入湿地床的颗粒性物质，而湿地床中的填料结合不同的水质设置单一粒径或组合粒径的页岩砖，使湿地床不易堵塞，进而延长湿地寿命。
(2) 投资少、运行管理方便。
该系统的附加投资仅限于湿地床填料和水生植物，而湿地中的填料和植物均为当地易见，方便就近取材，且不会造成生态入侵。芦竹作为一种四季常青的植物，不需要因植物枯萎进行季节性收割。芦竹湿地在运行过程中也无需较高的管理水平，具有较为稳定的运行状态，是一项管理运行方便的技术。
(3) 抗冲击负荷能力强。
本方法中的进水区对进入湿地的微污染水起到沉砂、消能蓄水和均匀配水的作用。湿地床下层填料粒径按照实际进水情况设计也进一步减缓水力负荷的冲击。
(4) 氮磷去除率高、具有一定经济效益。
由于页岩砖是由页岩土烧制而成，页岩土具有较强的氮吸收能力。另外，页岩砖富含钙镁氧化物和铁铝氧化物，在水体中极易与磷酸盐结合，生成化学沉淀。因此，湿地中的页岩砖填料仅具有较强的氮磷吸附能力。另一方面，页岩砖表面多孔隙的特性有利于微生物的附着生长，利于提高湿地系统的污染物去除能力。芦竹(Arundodonaxl)，禾本科芦竹属，多年生，生物量产量极高，具有较强的氮磷吸收能力。芦竹地下根茎发达，根系深，为微生物生长提供了良好的生长繁殖环境，利于微生物脱氮除磷。另外，芦竹适应性极强且耐寒，四季常青，可以确保冬季湿地对污染物的净化效果。因芦竹含有丰富的纤维素，可以用于造纸、发酵产酒精以及热能发电等，具有一定的经济效益。根据相关研究，芦竹纤维乙醇最大产量可达23.83%，1吨芦竹干物质可折合标准煤0.62吨。
附图说明
图1-本发明剖面结构示意图；
图2-本发明俯视图；
图3-图1A-A剖面图。
图中标号：1-进水管，2-沉砂区，3-集砂斗，4-上层填料，5-下层填料，6-水生植物，7-公共墙，8-出水井，9-排水管，10-过水孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明修复微污染水体的方法，其修复步骤为：
1）微污染水体先进入第一级水处理区，在第一级水处理区进行沉砂并实现均匀布水；
2）经第一级水处理区处理后的微污染水体进入第二级水处理区，第二级水处理区为湿地床，湿地床主要由填料和水生植物构成，水生植物为芦竹，栽种密度为10~20株/m2；填料由上层填料和下层填料构成，上层填料为砾石，砾石粒径为5~10mm；下层填料为页岩砖，页岩砖粒径为10~60mm，水生植物生长于湿地床的填料中；
3）经第二级水处理区处理后的微污染水体进入第三级水处理区，第三级水处理区用于均化出水水质，经第三级水处理区处理后的微污染水体即可排出进入外部水体；
本方法采用水平流态，运行方式为连续进水，水力负荷控制为1.0~3.0 m3/m2·d。
一种修复微污染水体的潜流人工湿地系统，它主要由第一级水处理区A、第二级水处理区B和第三级水处理区C构成，第一级水处理区A为进水区，进水区下部收口形成集砂斗3，集砂斗3以上的部分为沉砂区2，沉砂区2上设有进水管1。第二级水处理区B为湿地床，湿地床主要由填料和水生植物6构成，水生植物6为芦竹，栽种密度为10~20株/m2。填料由上层填料4和下层填料5构成，上层填料4为砾石，砾石粒径为5~10mm；下层填料5为页岩砖，页岩砖粒径为10~60mm，水生植物6的根系生长于填料中。第三级水处理区C为出水区，采用竖向设置形成出水井8，在第三级水处理区的底部设有排水管9；第一级水处理区A和第二级水处理区B之间通过两者的公共墙7上的过水孔10连通，第二级水处理区B和第三级水处理区C之间通过两者的公共墙7上的过水孔10连通。
所述第二级水处理区横截面为矩形，长宽比为3~4：1，底部沿水流方向有1%~2%向下的坡度。
所述上层填料高度为0.1~0.2 m，下层填料高度为0.5~0.8m。
所述页岩砖粒径为40~60mm或20~40mm或10~20mm。
所述下层填料由下至上依次由粒径为40~60mm的大粒径页岩砖、20~40mm的中粒径页岩砖和10~20mm的小粒径页岩砖构成。
下面通过实例进一步描述本发明。
实例：本发明应用于某微污染河水处理中，该河流为当地饮用水源地主要补给河流。“芦竹—页岩砖”改进型潜流人工湿地修建于河流末端附近的空旷地，整体为砖混结构，水平流态，长4m，宽1.0m，高1.0m(超高0.1m，有效高度0.9m)，底面坡度2%。芦竹湿地共分为进水区、湿地床和出水区，进水区长0.5m，宽1.0m，高1.0m，其中沉沙区高0.6m，沉砂斗高0.3m，超高0.1m。湿地床长3.0m，宽1.0m，高1.0m，超高0.1m。湿地床填料系统自下而上依次为20cm页岩砖(粒径40~60mm)、30cm页岩砖(粒径20~40mm)、30cm页岩砖(粒径10~20mm)和10cm砾石(粒径5~10mm)。湿地植物采用芦竹，栽种密度为10~20株/m2。在湿地末端设置出水区，长0.5m，宽1.0m，高1.0m，底部设置排水管DN50 UPVC。湿地底部和四周以水泥墙封闭，并进行防渗处理。湿地采用连续进水的运行方式，水力负荷控制为1.5m3/m2·d。
监测结果表明：进入湿地的微污染水中高锰酸盐指数(COD)的进水浓度在3.51~6.41mg/L之间，NH4 +-N的进水浓度在0.47~1.69mg/L之间，总氮(TN-N)的进水浓度在1.44~3.83mg/L之间，TP-P的进水浓度在0.08~0.22mg/L之间。经过芦竹湿地处理后，出水中COD的出水浓度在2.10~4.41mg/L之间，NH4 +-N的出水浓度在0.08~0.47mg/L之间，TN-N的出水浓度在0.54~1.02mg/L之间，TP-P的出水浓度在0.02~0.04mg/L之间。湿地对COD的去除率在22.54%~44.91%之间，NH4 +-N的去除率在48.88%~84.11%范围之间，对TN的去除率在52.51%~77.59%范围之间，TP的去除率在56.45%~83.21%之间。系统对COD、NH4 +-N、TN和TP的平均去除率分别为34.08%、73.40%、63.50%和70.68%。微污染水体经“芦竹—页岩砖”改进型潜流人工湿地处理后，污染物出水浓度均满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准的要求。
主要技术参数
进水区长0.3~0.5m，宽0.8~1.0m，总高0.7~1.0m，保护高0.1m。其中沉砂区高0.4~0.6m，沉砂斗高0.2~0.3m；湿地床长2.5~3.0m，宽0.8~1.0m，高0.7~1.0m，保护高0.1m，长宽比为3~4：1，底部坡度1%~2%；湿地床上层填料为砾石填料(粒径5~10mm)，高度0.1m，下层填料高度为0.5~0.8m，可根据具体情况分别采用不同粒径的页岩砖填料或组合，包括大粒径40~60mm、中粒径20~40mm、小粒径10~20mm；湿地植物采用具有较高污染物富集性能兼有经济价值芦竹，栽种密度均为10~20株/m2；出水区长0.3~0.5m，宽0.8~1.0m，高0.8~1.0m，保护高0.1m；进水区、湿地床和出水区之间采用穿孔花墙连通，出水由DN50~DN150 UPVC管经出水井底部排放。”芦竹—页岩砖”改进型潜流人工湿地采用水平流态，采取连续进水的运行方式，水力负荷控制水力负荷控制为1.0~3.0m3/m2·d之间。

Claims (10)

1. 一种修复微污染水体的方法，其特征在于，其修复步骤为：
1）微污染水体先进入第一级水处理区，在第一级水处理区进行沉砂并实现均匀布水；
2）经第一级水处理区处理后的微污染水体进入第二级水处理区，第二级水处理区为湿地床，湿地床主要由填料和水生植物构成，水生植物为芦竹，栽种密度为10~20株/m2；填料由上层填料和下层填料构成，上层填料为砾石，砾石粒径为5~10mm；下层填料为页岩砖，页岩砖粒径为10~60mm，水生植物的根系生长于湿地床的填料中；
3）经第二级水处理区处理后的微污染水体进入第三级水处理区，第三级水处理区用于均化出水水质，经第三级水处理区处理后的微污染水体即可排出进入外部水体；
本方法采用水平流态，运行方式为连续进水，水力负荷控制为1.0~3.0 m3/m2·d。
2. 根据权利要求1所述的修复微污染水体的方法，其特征在于：所述第二级水处理区横截面为矩形，长宽比为3~4：1，底部沿水流方向有1%~2%向下的坡度。
3. 根据权利要求1或2所述的修复微污染水体的方法，其特征在于：所述上层填料高度为0.1~0.2 m，下层填料高度为0.5~0.8m。
4. 根据权利要求3所述的修复微污染水体的方法，其特征在于：所述页岩砖粒径为40~60mm或20~40mm或10~20mm。
5. 根据权利要求1所述的修复微污染水体的方法，其特征在于：所述下层填料由下至上依次由粒径为40~60mm的大粒径页岩砖、20~40mm的中粒径页岩砖和10~20mm的小粒径页岩砖构成。
6.一种修复微污染水体的潜流人工湿地系统，其特征在于：它主要由第一级水处理区、第二级水处理区和第三级水处理区构成，第一级水处理区为进水区，进水区下部收口形成集砂斗（3），集砂斗（3）以上的部分为沉砂区（2），沉砂区（2）上设有进水管（1）；第二级水处理区为湿地床，湿地床主要由填料和水生植物（6）构成，水生植物为芦竹，栽种密度为10~20株/m2；填料由上层填料（4）和下层填料（5）构成，上层填料（4）为砾石，砾石粒径为5~10mm；下层填料（5）为页岩砖，页岩砖粒径为10~60mm，水生植物的根系生长于填料中；第三级水处理区为出水区，在第三级水处理区的底部设有排水管（9）；第一级水处理区和第二级水处理区之间通过两者的公共墙（7）上的过水孔（10）连通，第二级水处理区和第三级水处理区之间通过两者的公共墙（7）上的过水孔（10）连通。
7.根据权利要求6所述的修复微污染水体的潜流人工湿地系统，其特征在于：所述第二级水处理区横截面为矩形，长宽比为3~4：1，底部沿水流方向有1%~2%向下的坡度。
8.根据权利要求6或7所述的修复微污染水体的潜流人工湿地系统，其特征在于：所述上层填料（4）高度为0.1~0.2 m，下层填料（5）高度为0.5~0.8m。
9.根据权利要求8所述的修复微污染水体的潜流人工湿地系统，其特征在于：所述页岩砖粒径为40~60mm或20~40mm或10~20mm。
10. 根据权利要求6所述的修复微污染水体的潜流人工湿地系统，其特征在于：所述下层填料（5）由下至上依次由粒径为40~60mm的大粒径页岩砖、20~40mm的中粒径页岩砖和10~20mm的小粒径页岩砖构成。
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