CN102531187B - 一种层叠式垂直流-水平潜流组合湿地处理生活污水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水处理相关技术领域，特别是一种层叠式垂直流-水平潜流组合湿地处理生活污水的方法，由层叠式垂直流湿地和水平潜流湿地两部分构成，按照层叠式垂直流湿地在前，水平潜流湿地在后的顺序串联起来形成紧凑的组合式人工湿地系统。所述层叠式垂直流湿地包括有多层填充不同粒径基质的滤床模块，污水从层叠式垂直流湿地的顶部布洒下来，自上而下逐级进入各层滤床模块进行处理，污水到达层叠式垂直流湿地的最底层后，通过设置在层叠式垂直流湿地底部的穿孔花墙进入后一级水平潜流湿地进一步净化处理，最后从水平潜流湿地的上端出水。本发明强化了通风复氧效果，提高了组合湿地污染物处理能力，同时减少了占地面积，并能有效防止堵塞。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理相关技术领域，特别是一种层叠式垂直流-水平潜流组合湿地处理生活污水的方法。
背景技术
人工湿地是20世纪50年代后发展起来的一种污水处理技术，并在70年代后在全世界范围内进行了广泛的研究。与传统的污水处理技术相比，由于其具有对污染负荷变化适应能力强、工程基建和运行成本低、对污染物能有效处理、运行和维护管理简单、具有良好的景观效果等诸多优点，人工湿地污水处理技术在世界各地广泛使用。特别是在90年代以后，研究者们为了获得更好的净化效果以及对出水氮素更高标准的要求，各种复合人工湿地系统应运而生，常见的复合湿地主要有：垂直流-水平潜流复合湿地、水平潜流-垂直流复合湿地（设置回流）、垂直流-表面流复合湿地、复合垂直流湿地等。
在人工湿地污水处理系统中，供氧不足是影响净化效果的限制性因子，特别是对氮素的去除。在常见的几种复合人工湿地中，垂直流-水平潜流复合湿地不需设置回流且能充分利用垂直流湿地复氧能力强，对耗氧有机物去除效果好、硝化能力强以及水平潜流湿地反硝化能力强的特点，促进了微生物的硝化-反硝化脱氮，形成对氮素去除具有独特优势的复合湿地系统。正因为其优点，在众多复合湿地类型中，垂直流-水平潜流复合湿地的应用最为广泛。
但是，传统的垂直流-水平潜流复合湿地污水处理技术也存在缺点和不足之处，主要表现在以下几个方面：
①复氧能力仍然有限。人工湿地主要依靠自然复氧和湿地植物根际的氧化机制，氧化能力有限。垂直流湿地相比于水平潜流湿地具有更好的复氧效果，在污染负荷较低时能取得理想的净化效果，但当污染负荷较高时，这些氧量难以达到充分降解有机物并将氨氮转化的目的，易造成出水有臭味、有机物和氨氮浓度偏高等问题。此外，垂直流湿地供氧量的不足，不能产生大量的硝酸盐氮作为反硝化作用的底物，导致复合湿地系统中硝化-反硝化途径不畅通，限制了总氮的去除。
②易堵塞。当进水污染负荷较高时，容易造成湿地中污染物积累，致使填料渗透系数减少，污水流通不畅，导致在湿地表面形成积水层，阻碍了空气中的氧气进入基质层，降低了好氧微生物的活性。
③反硝化碳源不足。反硝化细菌还原硝酸盐必须有电子供体，即碳源的存在。通过垂直流湿地基质沥滤、吸附，生物膜的降解作用去除了进水中大部分有机物，碳源不足成为限制水平潜流湿地反硝化脱氮的重要因素。
④占地面积较大。传统的垂直流-水平潜流复合湿地所能承受的水力负荷和污染负荷较低，占地面积较大是该技术广泛推广应用的主要限制性因子。
发明内容
本发明的目的在于提供一种投资费用低、占地面积小，复氧能力强、不易堵塞且对高浓度有机污染物、氮磷和新型微量有机污染物（如抗生素、内分泌干扰素等）去除效果好的层叠式垂直流-水平潜流组合湿地处理生活污水的方法。
采用的技术方案如下：
一种层叠式垂直流-水平潜流组合湿地处理生活污水的方法，由层叠式垂直流湿地和水平潜流湿地两部分构成，按照层叠式垂直流湿地在前，水平潜流湿地在后的顺序串联起来形成紧凑的组合式人工湿地系统。所述层叠式垂直流湿地包括有多层填充不同粒径基质的滤床模块，污水从层叠式垂直流湿地的顶部布洒下来，自上而下逐级进入各层滤床模块进行处理，达到多级串联式布水效果，保证了空气在布水的间隙中进入滤料，使其与基质充分接触并不断净化；污水到达层叠式垂直流湿地的最底层后，通过设置在层叠式垂直流湿地底部的穿孔花墙进入后一级水平潜流湿地进一步净化处理，最后从水平潜流湿地的上端出水。处理系统层叠在一起的构筑形式节省了占地土地，改善了处理功能和创建了较好的景观效果。
进一步的，所述的层叠式垂直流湿地由多个独立的滤床模块自上而下串联构成；每个滤床模块的高度为30~60cm；每两个滤床模块间留有间隔，间隔为10~30cm，以强化模块间的通风效果，形成良好的自然曝气复氧效果。此构筑方法，可根据地形和污水的特点，适当增减滤床模块，以及根据目标污染物的特点有针对性地填充基质。
更进一步的，所述滤床模块分别填充高炉渣、陶粒和/或砾石作为基质。通过基质的高效沥滤、吸附、沉淀作用去除污染物；作为微生物生长附着的载体；为植物的生长提供介质支持。
进一步的，所述水平潜流湿地为长方体床体结构，水平潜流湿地的填充基质为砾石，采用底部进水，上部出水的模式，并设有放空管道。
更进一步的，所述水平潜流湿地包括进水区和集水区，在进水区和集水区填充粒径为40~60mm的砾石；其他区域填充粒径为5~20mm的砾石。进水和集水区域填充大粒径基质，使进水、出水流畅，不易发生短流和堵塞现象；小粒径基质比表面积大，吸附能力强，作为主处理层。
进一步的，所述层叠式垂直流湿地和水平潜流湿地种植美人蕉、香蒲和/或芦竹。通过植物的直接吸收作用去除一部分氮磷营养盐；通过在植物根系形成好氧、兼性厌氧及厌氧的微环境，为不同种类微生物生长提供适宜生境，达到有机污染物和氮素去除的目的；在污水处理过程中构造良好的景观效果。
进一步的，将一部分未经过层叠式垂直流湿地处理的污水直接进入层叠式垂直流湿地的底部作为补充碳源，与经过层叠式垂直流湿地处理后的水混合，使混合后的污水的碳氮比大于5 : 1，所述碳氮比（C:N）为有机物中碳的总含量与氮的总含量的比，作为补充碳源的污水与层叠式垂直流湿地的顶部表面进水的体积比为1 : 4至1 : 7。此方法用于解决由于垂直流湿地对有机物的去除所导致的水平潜流湿地反硝化脱氮碳源不足的问题。
本发明具有以下突出特点：
①节省占地面积。将垂直流湿地以滤床模块的形式层叠构建，并与水平流湿地有机组合，形成紧凑的处理系统，减少了占地面积，小于这几种单项技术的平面结合，更小于某一种技术单独使用时的占地面积，与传统复合湿地相比节省近1/4~1/2的占地面积。
②提高净化效率。层叠式垂直流湿地滤床模块间的通风层，有效解决了湿地系统氧源不足的问题，使垂直流湿地形成良好的好氧环境，增强了好氧微生物活性，提高了对有机物和氨氮的处理效率，同时有利于后续水平潜流湿地对污染物的进一步去除。与传统复合人工湿地技术相比，本发明对污染物的去除具有更明显的优势。
③防止堵塞。本发明中垂直流湿地的构建模式，使滤床模块形成良好的空气对流效果，增强了水力传导能力。湿地所形成的良好好氧环境，使床体积累的悬浮颗粒物易被好氧微生物迅速降解，防止堵塞，延长湿地使用寿命。
附图说明
图1 为层叠式垂直流-水平潜流组合湿地中层叠式垂直流湿地结构图；
图2 为层叠式垂直流-水平潜流组合湿地中水平潜流湿地结构图；
图3 为层叠式垂直流-水平潜流组合湿地结构图。
图中：1-进水布水管；2-一级滤床模块；3-二级滤床模块；4-三级滤床模块；5-碳源补充管；6-水生植物；7-自然通风层；8-穿孔花墙连通孔；9-水平潜流湿地；10-出水口；11-放空管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明的层叠式垂直流-水平潜流组合湿地可选择具有一定坡度的地形而建，适用于生活污水的二级处理、二级处理出水的深度处理以及富营养化水体的治理等。
本发明的层叠式垂直流-水平潜流组合湿地（图3）由层叠式垂直流湿地（图1）和水平潜流湿地（图2）两部分构成，按照层叠式垂直流湿地在前，水平潜流湿地在后的顺序串联起来形成紧凑的组合式人工湿地系统。
污水经过粗格栅和细格栅后（图中未标示），通过水泵抽取进入层叠式垂直流湿地表面的布水管1均匀布水，依次自流进入多个滤床模块2，3，4处理，后通过穿孔花墙连通孔8进入水平潜流湿地9进一步净化处理，最后从水平潜流湿地9上端的出水口10出水。
层叠式垂直流湿地（图1）由多个独立的滤床模块自上至下串联构成，每个垂直流模块的高度为30~60cm，填充基质为高炉渣、陶粒、砾石等。此外，每两个模块间留有10~30cm的间隔，强化模块间的通风效果。根据地形和污水的特点，可适当增减滤床模块，以及根据目标污染物的特点有针对性地填充基质。
水平潜流湿地（图2）为传统的长方体床体结构，高度为60~80cm，基质为砾石；采用底部进水，上部出水的模式，并设有放空管道；进水和集水区填充粒径为40~60mm的大粒径砾石，其他区域填充粒径为5~20mm的小粒径砾石。
层叠式垂直流湿地和水平潜流湿地种植植物量较大、根系发达且景观效果好的水生植物，如美人蕉、香蒲、芦竹等。
进水管中安装有球阀和流量计（图中未标示），以控制污水流量。
污水碳源补充管5，一端跟进水管相连并安装有球阀和流量计（图中未标示），另一端直接伸到层叠式垂直流湿地最底部布水。
水平潜流湿地9的长宽比为2~4:1，面积为层叠式垂直流湿地（图2）的2~4倍。
本发明污水中有机物和氮素去除的方法是：层叠式垂直流湿地床体基本处于好氧状态，污水通过滤床时，滤料截留了污水中的悬浮物质，使微生物很快繁殖起来，微生物又进一步吸附污水中溶解性和胶体有机物，逐渐增长并形成了以好氧微生物为优势类群的生物膜，实现对污水中有机物的吸附氧化和氨氮的完全硝化；水平潜流湿地床体基本处于缺氧或厌氧状态，形成以兼性厌氧微生物和厌氧微生物为优势类群的生物膜，污水中残留的有机物被进一步降解，反硝化细菌则以进水中携带的有机物及补充的碳源进行反硝化脱氮，同时通过收割湿地植物去除一部分氮素。
本发明污水中磷素去除的方法是：在层叠式垂直流湿地中，磷细菌等微生物的生物化学反应及酶的催化作用将进水中的有机磷促水解无机化，转化为易被基质吸附和植物吸收的形式，同时好氧环境极有利于聚磷微生物生长，通过过量摄磷作用去除部分磷素；填充的基质如高炉渣和陶粒等对磷素有很强的吸附能力，能去除污水中大部分的磷；在水平潜流湿地中，通过小粒径砾石的吸附和沉淀作用，以及湿地植物的同化作用进一步去除磷素。
实施例1
层叠式垂直流-水平潜流组合湿地构建于东江边某区域，用于生活污水的处理。污水通过粗格栅和细格栅后，经水泵提升进入层叠式垂直流湿地，从顶部布洒下来，自上而下逐级进入三个滤床模块处理，污水到达层叠式垂直流湿地最底层后，通过设置在层叠式垂直流湿地底部的穿孔花墙进入后一级水平潜流湿地进一步净化处理，最后从水平潜流湿地的上端出水。层叠式垂直流-水平潜流组合湿地各组成部分的设计参数如下：
设计处理量24m3/d。
层叠式垂直流湿地设计尺寸为4m×4m×1.6m（长，宽，高），由三个滤床模块构成。三个滤床模块的设计尺寸分别为（长，宽，高）4m×4m×0.35m、4m×4m×0.35m和4m×4m×0.6m，其中第一个滤床模块与第二个滤床模块、第二个滤床模块与第三个滤床模块的间隔均为0.15m；层叠式垂直流湿地最底部的与水平潜流湿地连通的穿孔花墙尺寸为10cm×10cm；层叠式垂直流湿地三个滤床模块填充的基质厚度分别为30cm、30cm和55cm，基质分别为高炉渣、陶粒和砾石，每个滤床模块基质分三层，上层大粒径、中层小粒径、下层大粒径；种植的植物为美人蕉。
水平潜流湿地设计尺寸为8m×4m×0.6m（长，宽，高）。采用底部进水，上部出水的模式，并设有放空管道，其中进水口为层叠式垂直流底部的穿孔花墙，出水口为水平潜流湿地上部的穿孔花墙，尺寸均为10cm×10cm；填充基质为砾石，厚度为55cm，进水和集水区域填充大粒径，其他区域填充小粒径；种植的植物为芦竹。
运行方式：按0.125m/d，0.25m/d，0.5m/d三种水力负荷运行。通过阀门和转子流量计控制进水水量。
处理效果：CODcr进水平均浓度192mg/L，出水37mg/L，去除率为80.7%；NH4 +-N进水平均浓度28.5mg/L，出水4.5mg/L，去除率为84.2%；TN进水平均浓度35.2mg/L，出水11.7mg/L，去除率为66.8%；TP进水平均浓度3.2mg/L，出水0.6mg/L，去除率为81.3%；壬基酚进水平均浓度为1700ng/L，出水351ng/L，去除率为79.3%；双酚A进水平均浓度为1200ng/L，出水为230ng/L，去除率为80.8%；罗红霉素进水浓度为1700ng/L，出水为431ng/L，去除率为74.6%。
Claims (6)
1.一种层叠式垂直流-水平潜流组合湿地处理生活污水的方法，由层叠式垂直流湿地和水平潜流湿地两部分构成，按照层叠式垂直流湿地在前，水平潜流湿地在后的顺序串联起来形成紧凑的组合式人工湿地系统，其特征在于，所述层叠式垂直流湿地包括有多层填充不同粒径基质的滤床模块，生活污水从层叠式垂直流湿地的顶部布洒下来，自上而下逐级进入各层滤床模块进行处理，污水到达层叠式垂直流湿地的最底层后，通过设置在层叠式垂直流湿地底部的穿孔花墙进入后一级水平潜流湿地进一步净化处理，最后从水平潜流湿地的上端出水；所述的层叠式垂直流湿地由多个独立的滤床模块自上而下串联构成；每两个滤床模块间留有间隔，间隔为10~30cm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个滤床模块的高度为30~60cm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤床模块分别填充高炉渣、陶粒和/或砾石作为基质。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水平潜流湿地为长方体床体结构，水平潜流湿地的填充基质为砾石，采用底部进水，上部出水的模式，并设有放空管道。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层叠式垂直流湿地和水平潜流湿地种植美人蕉、香蒲和/或芦竹。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将一部分未经过层叠式垂直流湿地处理的污水直接进入层叠式垂直流湿地的底部作为补充碳源，与经过层叠式垂直流湿地处理后的水混合，使混合后的污水的碳氮比大于5 : 1，作为补充碳源的污水与垂直流湿地的顶部表面进水的体积比为1 : 4至1 : 7。
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