CN102557330A - 一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统。本发明专利涉及一种废水处理设备，是适用于低C/N比废水处理并进行处理水回用的土地处理装置。本发明中废水依次流经水平潜流和垂直潜流人工湿地，然后出水部分回流到水平潜流人工湿地中，通过出水水位调节和利用溶解氧(DO)梯度在垂直潜流人工湿地中实现好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox)的耦合，以提高复合湿地系统对低C/N比废水的脱氮效率。在复合人工湿地系统中填充了碎砖块和海蛎壳等比表面积大，孔隙发达，吸附能力好的填料，大大提高了系统的生物持有量，保证了较高的磷素和氮素去除效率。该设备具有结构简单、多功能、高效低成本、易操作管理、运行稳定、能够实现同步脱碳氮除磷等优点，处理出水可直接用于回用，地表能种植景观植物，可以与生态建设及城镇绿化功能相结合。

Description

一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统

技术领域

本发明专利涉及一个低碳氮比废水同步脱碳氮除磷的An/O型复合人工湿地系统。属于水污染控制领域。

背景技术

近年来，随着经济的发展，工业、农业和城市生活污水中氮磷元素(尤其是氨氮)的含量越来越高。大量的氮磷废水未经适当处理直接排入水体，严重污染了水体环境，导致大量河流湖泊严重富营养化，沿海赤潮频繁发生，对人类健康也带来了严重危害，进一步加剧了我国水资源短缺的矛盾，严重制约着可持续发展战略的实施。其中最重要的污染物---氨氮来源广泛，含量大，除生活污水、畜禽养殖废水外，大量的工业废水，如炼油废水、食品工业废水、垃圾填埋场渗滤液、以及污泥脱水液等都含有大量的氨氮，很多种类的废水不仅氮磷含量较高，而且多数情况下C/N比很低，给氨氮的无害化处理带来了很多困难。

传统的生物脱氮除磷方法在污水治理方面起到了一定的作用，但仍存在很多缺陷。如：氨氮完全硝化需消耗大量的氧，增加了动力消耗；对C/N比较低的废水或者高碳氮磷废水，需外加有机碳源；好氧生物除磷过程增加了动力消耗且会产生大量的剩余污泥；整个处理工艺流程较长，占地面积大且基建投资高等。近几年发展的几种新型的生物脱氮除磷工艺虽然具有降低能耗，节省碳源，污泥产量少占地小等优点，但新工艺对废水水质条件要求苛刻，处理设备构造和操作较复杂，建设和运行成本依然很高，且系统生物持有量较低，运行不稳定，易受外界环境条件影响且设备中不同功能微生物容易相互影响，处理效率低下。而人工湿地作为一种20世纪70年代发展起来的新型污水处理工艺，以其“一高三低一不”的特点(即高效率、低投资、低运转费用、低维持技术和基本不耗电)引起了越来越多的关注，是正在不断得到应用和发展的面源、点源污染处理实用新技术。但其本身也存在着占地面积大、氮、磷去除负荷低等问题，且单级人工湿地系统已难以达到污水深度处理的要求。

因此，随着国家节能减排法规的实施和污水生态处理的不断深入研究，针对目前低C/N比废水处理难度高的情况，研究和开发结构简单、建设和运行成本低、多功能、低耗高效、易操作管理、运行稳定、能够实现同步脱碳氮除磷的新型多级复合式串联人工湿地系统，已成为污水脱碳氮除磷生态处理发展的必然途径。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种能够实现低碳氮比废水的同步脱碳氮除磷的An/O型复合人工湿地系统。本发明专利利用水平潜流人工湿地(HSSF)较强的反硝化能力和垂直潜流人工湿地(VSSF)较强的硝化能力，采用回流装置将两个独立的人工湿地系统串联，借鉴活性污泥工艺当中的前置反硝化生物脱氮工艺(即An/O工艺)，可充分利用污水当中的有机碳源，有效地提高系统的脱氮效率并平衡系统酸碱度。在垂直潜流人工湿地(VSSF)系统中，通过出水水位调节管调节系统内水位将整个基质填料层分为饱和层和非饱和层，通过在其中实现好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox)的有效协作进一步提高系统当中的氨氮去除率，并丰富系统当中氮素去除的路径。在水平潜流人工湿地(HSSF)和垂直潜流人工湿地(VSSF)当中设置多功能复合填料层，其中掺加了沿海地区特有的海蛎壳(oyster shells)颗粒和碎砖块强化对污水当中磷素的去除。最终成功实现废水中碳、氮、磷元素的同步去除，相比于其他处理设备具有绝对优势。本发明专利具有处理效率高，结构简单，运行稳定，操作灵活，不易堵塞，无需外加有机碳源和碱度以及运行费用较低等优点。

本发明专利由沉淀池、水平潜流人工湿地(HSSF)、垂直潜流人工湿地(VSSF)和回流池组成污水处理系统。水平潜流人工湿地(HSSF)长宽比为3∶1～2∶1，基质填料层分为三层，自上而下分别为：红壤层(混合河砂和腐殖土)、多功能复合填料层(混合海蛎壳颗粒、碎砖块和膨胀蛭石)、砾石层，水平潜流人工湿地(HSSF)采用穿孔管布水，其前后端分别填充砾石作为布水区和集水区。布水区、基质填料层和集水区之间设置导流板进一步导流布水，在水平潜流人工湿地(HSSF)进水处设置回流管与回流池中的回流泵相连接。湿地当中种植芦苇或者香蒲等根系泌氧能力强的草本植物，通过植物吸收去除一部分的氮磷元素。垂直潜流人工湿地(VSSF)高度应≥60cm，基质填料层分为三层，自上而下分别为：河砂层(混合红壤和腐殖土)、多功能复合填料层(混合海蛎壳颗粒、碎砖块、沸石和膨胀蛭石)、砾石层，垂直潜流人工湿地(VSSF)采用穿孔管表面均匀布水，出水采用出水水位调节管，可在垂直潜流人工湿地(VSSF)的基质填料层当中创造饱和层与非饱和层，利用好氧氨氧化菌(AOB)、厌氧氨氧化菌(Anammox)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的共同协同作用，丰富湿地当中的脱氮途径。湿地当中种植芦苇或香蒲，通过植物吸收去除一部分的氮磷元素。回流池当中设置回流泵，可将垂直潜流人工湿地(VSSF)的出水(硝化液)回流入水平潜流人工湿地(HSSF)强化其反硝化的能力。回流比可由回流泵流量控制。污水和回流硝化液分别从沉淀池和回流池由计量泵泵入水平潜流人工湿地(HSSF)。

本发明专利的辅助部分

1.水样采集管

为了考察水平潜流人工湿地(HSSF)和垂直流人工湿地(VSSF)在运行过程中对污水中各个污染物指标的去除情况，在水平潜流人工湿地(HSSF)和垂直流人工湿地(VSSF)基质填料层中的特定位置埋设多孔PVC管作为水样采集管，以方便分析系统对污水的处理效果，经验表明长期运行后水样采集管有堵塞的危险，因此在水样采集管外表面包裹防止堵塞的网膜是必需的，以保证水样的正常采集。

2.布水区

为保证水平潜流人工湿地(HSSF)布水均匀，在水平潜流人工湿地(HSSF)进水端设置布水区，布水区内填充粒径均匀的大块砾石，进水在布水区内均匀分布后水平推流至湿地出水端。布水区的设置可有效减少水平潜流人工湿地内的水力死区，保证系统内良好的水力流态，使进水中的污染物得到充分降解。

3.集水区

为保证水平潜流人工湿地(HSSF)集水均匀，减少系统内的水力死区，在水平潜流人工湿地(HSSF)出水端设置集水区，集水区内填充粒径均匀的大块砾石，处理后的废水在集水区内被均匀收集而后通过出水管排出。集水区的设置可保证系统内良好的水力流态，并防止湿地末端出现雍水现象。

4.导流板

为了保证湿地内部良好的水力流态以及布水区和集水区的稳定性，在布水区、填料层和集水区之间设置导流板。废水经过布水区后通过导流板更加均匀的分配入填料层，并通过集水区导流板均匀收水，且导流板的设置可保证布水区和集水区的稳定性，防止填料层的小粒径颗粒堵塞布水区和集水区进而影响其布水和收水功能。

5.溢流设施

为了防止雨季时暴雨对系统的冲击，在调节池、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和回流池当中都设置有溢流管，当暴雨导致水力负荷过大时，污水可直接从溢流管流走，以保护本污水处理系统免受冲击。

6.材料选用

在试验和实际生产中，可以根据具体情况选定相应的材质：实验室小试规模可选用有机玻璃或PVC板材等材料，中试或更大规模可采用钢混结构或砖混结构等。

本发明专利的启动和稳定运行部分

1.设备的组装

为了取得高的污水处理效率，必须把各个子系统和一些其他附属设施组合连接起来，组成一套完整的污水处理系统。其中的附属设施包括其本身的，诸如在人工湿地当中的特定位置埋设水样采集管、ORP电极和DO电极；通过管路把回流泵和回流管相连接使得回流池内的硝化液回流入水平潜流人工湿地为其反硝化作用提供电子受体，确保污水处理系统的顺利进行。还有一些是设备以外的，如配电箱与系统的连接、自控系统参数的设定等，把附件与本发明专利组合在一起从而构成了一套完整的水处理工艺。

2.多功能复合填料的填充

系统启动时，由于水平潜流人工湿地(HSSF)和垂直潜流人工湿地(VSSF)功能不同，因此不同人工湿地当中填充的复合填料成分也不同。水平潜流人工湿地(HSSF)当中自上而下填料层为：红壤层(混合河砂和腐殖土)、多功能复合填料层(混合海蛎壳颗粒、碎砖块和膨胀蛭石)、砾石层；布水区和集水区区域内填充砾石以均匀布水，并在布水区、复合填料区和集水区之间设置导流板以均匀布水；垂直潜流人工湿地(VSSF)当中自上而下填料层为：河砂层(混合红壤和腐殖土)、多功能复合填料层(混合海蛎壳颗粒、碎砖块、沸石和膨胀蛭石)、砾石层。

3.设备的启动

当设备组装、填料填充工作完成之后，可以准备启动系统。设备启动时宜采用人工模拟废水以减少其他因素的影响，探明本发明专利启动时实现污水碳氮磷同步去除的关键参数控制条件，包括：水平潜流人工湿地(HSSF)的反硝化能力、有机物去除情况、磷素的去除情况；垂直潜流人工湿地(VSSF)的硝化能力，调节出水水位时的厌氧氨氧化情况以及氮素迁移转化的多样性，不同回流比对系统氮素脱除的影响等。用计量泵把人工模拟废水泵入该设备的进水口，同时回流装置也都开始运行。

4.设备运行过程中出水指标的监测工艺参数的确定及工程调控。

在设备运行过程中，一些污染物指标如COD、BOD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N、PO₄ ^3--P、TN和TP等参数可反映本发明专利对废水的处理效果和运行状态，通过监测可从宏观判断系统中水平潜流人工湿地(HSSF)和垂直潜流人工湿地(VSSF)对污染元素的去除情况以及随控制条件的变化情况。NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N、TN和N₂O可反映垂直潜流人工湿地(VSSF)当中氮素的脱除和氮素的迁移转化路径，探讨提高湿地系统氮素脱除的能力。按照一定浓度梯度逐步提高原水中各污染物的浓度以提高本发明专利的污染物负荷，增强其处理能力。通过对DO、pH值和氧化还原电位(ORP)等参数的调控可优化反应设备的运行状态。

5.设备的稳定运行

在反应器启动成功以后，通过稳定维护运行，保证各种运行参数稳定。之后可通过泵入实际废水考察本发明专利在实际中的应用。

本发明专利与现有技术相比具有以下优点：

1.氮素去除率高，无需外加碳源，运行费用低。本发明专利在运行过程中，垂直潜流人工湿地(VSSF)处理后的硝化液经回流池由回流泵回流入水平潜流人工湿地(HSSF)中，利用水平潜流人工湿地(HSSF)进水当中的有机碳源进行反硝化作用，充分利用了进水中的有机碳源。水平潜流人工湿地(HSSF)出水进入垂直潜流人工湿地(VSSF)后，由于垂直流人工湿地(VSSF)中的出水水位调节管将湿地分为饱和层和非饱和层，因此污水当中的氨氮由于湿地当中溶解氧浓度(DO)的差异，部分氨氮分别转化为硝酸盐和亚硝酸盐，此时，好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox)通过协同作用将大部分的氨氮氧化去除。因此，本发明专利可将有机碳源的消耗量降到较低的水平，且无需人工曝气，大大减少了运行费用。

2.通过出水水位调节管调节出水水位实现了垂直潜流人工湿地(VSSF)当中好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox)三种功能微生物的有效协同，从而实现了污水中氨氮的有效去除，丰富了湿地当中氮素的迁移转化途径。在湿地填料层当中创造非饱和与饱和的环境，利用溶解氧(DO)梯度在湿地当中实现好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox)的耦合：好氧氨氧化菌(AOB)可将氨氮氧化为亚硝酸盐，亚硝酸盐氧化菌(NOB)可将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，厌氧氨氧化菌(Anammox)可利用亚硝酸盐将氨氮还原为N₂，因此，本发明专利中的垂直流人工湿地(VSSF)利用其独特的结构特点和运行方式，实现了三种功能微生物的有效协同，大大增强了氨氮的脱除效率。

3.磷素去除率高，生物持有量高。本发明专利分别在水平潜流人工湿地(HSSF)和垂直潜流人工湿地(VSSF)当中设置红壤层(混合河砂和腐殖土)、多功能复合填料层(混合海蛎壳颗粒、碎砖块和膨胀蛭石)和河砂层(混合红壤和腐殖土)、多功能复合填料层(混合海蛎壳颗粒、碎砖块、沸石和膨胀蛭石)，这些基质填料层当中分别含有较高的Al、Fe和Ca元素，有利于污水当中磷素的吸附沉淀去除，且所用填料比表面积均较大，有利于生物膜的生长附着，提高了本发明专利当中的生物持有量，从而提高了本发明专利对污水的处理效果。

附图说明

图1、图2是本发明专利的平面图和剖面图，具体细节详见说明书附图。

该设备在运行过程中，通过进水泵从沉淀池中精确的把底物(低碳氮比废水或者高碳氮磷废水)泵入水平潜流人工湿地(HSSF)的进水口，废水在水平潜流人工湿地(HSSF)的填料层中水平推流，而后水平潜流人工湿地(HSSF)出水通过表面布水方式进入垂直潜流人工湿地(VSSF)，通过出水水位调节管出水之后进入回流池，由回流泵将回流液泵入水平潜流人工湿地(HSSF)。

具体实施方式

本发明专利包括沉淀池1、出水泵2、水平潜流人工湿地(HSSF)3、垂直潜流人工湿地(VSSF)4、回流池5、回流泵6、溢流管7、多孔水样采集管8。

具体实施方式一：沉淀池1出水由出水泵2通过出水管1-1进入水平潜流人工湿地(HSSF)3，通过进水管3-1进入布水区3-2均匀布水，再经导流板3-3导流之后进入填料层3-4，在集水区3-5通过出水管3-6进入垂直潜流人工湿地(VSSF)4，通过垂直潜流人工湿地(VSSF)4的表面布水管4-1均匀布水，污水流经填料层4-2之后在集水区4-3通过出水水位调节管4-4流入回流池5，回流液由回流泵6回流入水平潜流人工湿地(HSSF)3的回流管3-7，进而进行反硝化作用。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式在垂直潜流人工湿地(VSSF)4设置有出水水位调节管4-4，出水水位调节管4-4通过调节水位可在垂直潜流人工湿地(VSSF)4中的填料层4-2中创造非饱和层和饱和层，从而实现好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox)三种功能微生物的有效协同，丰富系统当中氮素脱除的途径，大大提高本发明专利的氨氮去除效率。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中的回流泵6可调节回流液流量，实现系统不同的回流比，进而优化水平潜流人工湿地(HSSF)3的反硝化能力，并充分利用进水当中的有机碳源，进一步保证本发明专利较高的脱氮效率。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式在水平潜流人工湿地(HSSF)当中设置有布水区3-2、集水区3-5和导流板3-3，沉淀池1进水由进水泵2通过水平潜流人工湿地(HSSF)3的进水管3-1进入布水区3-2，并通过导流板3-3进一步将进水均匀分布于填料层3-4横截面，而后通过集水区3-5均匀收水，有效减少了水平潜流人工湿地(HSSF)3的水力死区，保证了湿地内部良好的水力流态。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式在水平潜流人工湿地(HSSF)3和垂直潜流人工湿地(VSSF)4中填充复合填料层3-4和4-2，复合填料层中填充了碎砖块和沿海地区特有的海蛎壳颗粒，并在其中掺加了氨氮吸附能力良好的沸石和磷素吸附能力良好的膨胀蛭石，从而保证了较高的磷素和氮素去除率，且由于所选用填料均具有较大的比表面积，有利于生物膜的生长附着，大大提高了系统的生物持有量。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式增加有溢流管7，当系统遭受暴雨冲击或水力负荷较大时，沉淀池1、水平潜流人工湿地(HSSF)3、垂直潜流人工湿地(VSSF)4和回流池5均可利用各自的溢流管7降低系统受冲击程度，保证本发明专利的有效运行。

Claims (6)

1.一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统，其特征在于：沉淀池(1)出水由出水泵(2)通过出水管(1-1)进入水平潜流人工湿地(HSSF)(3)，通过进水管(3-1)进入布水区(3-2)均匀布水，再经导流板(3-3)导流之后进入填料层(3-4)，在集水区(3-5)通过出水管(3-6)进入垂直潜流人工湿地(VSSF)(4)，通过垂直潜流人工湿地(VSSF)(4)的表面布水管(4-1)均匀布水，污水流经填料层(4-2)之后在集水区(4-3)通过出水水位调节管(4-4)流入回流池(5)，回流液由回流泵(6)回流入水平潜流人工湿地(HSSF)(3)的回流管(3-7)，进而进行反硝化作用。

2.根据权利要求1所述的一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统，其特征在于它在垂直潜流人工湿地(VSSF)(4)设置有出水水位调节管(4-4)，出水水位调节管(4-4)通过调节水位可在垂直潜流人工湿地(VSSF)(4)中的填料层(4-2)中创造非饱和层和饱和层。

3.根据权利要求1所述的一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统，其特征在于它的回流泵(6)可调节回流液流量，实现系统不同的回流比。

4.根据权利要求1所述的一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统，其特征在于它在水平潜流人工湿地当中设置有布水区(3-2)、集水区(3-5)和导流板(3-3)，沉淀池(1)进水由进水泵(2)通过水平潜流人工湿地(HSSF)(3)的进水管(3-1)进入布水区(3-2)，并通过导流板(3-3)进一步将进水均匀分布于基质填料层(3-4)横截面，而后通过集水区(3-5)均匀收水。

5.根据权利要求1所述的一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统，其特征在于它在水平潜流人工湿地(HSSF)(3)和垂直潜流人工湿地(VSSF)(4)中填充复合填料层(3-4)和(4-2)，复合填料层中填充了碎砖块和沿海地区特有的海蛎壳颗粒，并在其中掺加了氨氮吸附能力良好的沸石和磷素吸附能力良好的膨胀蛭石。

6.根据权利要求1所述的一种强化处理低C/N比废水的An/O型复合人工湿地系统，其特征在于它增加有溢流管(7)，当系统遭受暴雨冲击或水力负荷较大时，沉淀池(1)、水平潜流人工湿地(HSSF)(3)、垂直潜流人工湿地(VSSF)(4)和回流池(5)均可利用各自的溢流管(7)降低系统受冲击程度。

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