CN102603070B - 用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地及其制备方法 - Google Patents
用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明主要涉及使用混合人工湿地基质净化污水中某些重金属污染物和磷的去除方面的技术。发明中确定了人工湿地基质的原料配置组成、结构和体积及质量比，并对不同配置方式的废水污染物去除效果进行了测试分析，提出了优化的配置方法。本发明对处理含重金属废水和含磷废水的人工湿地的建置与运行具有指导意义。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种污水处理技术，尤其涉及使用组合人工湿地基质净化污水中某些重金属污染物的技术。
背景技术
国外人工湿地污水处理系统的应用始于20世纪70年代初，目前，美国和加拿大已有300多个人工湿地污水处理系统，欧洲有500多个，其规模小自40m2，大至1000多公顷。国外通过对100多个废水处理型湿地的调查研究建立的一个反映湿地去污能力的重要数据库是北美数据库（NADB）。该数据库说明湿地对BOD、COD的去除率可达80～90%。对氮、磷的去除率，数据显示值要稍低于一般实验室内测试的60%和90%。复合垂直流人工湿地处理污水工艺为中国科学院水生生物研究所和德国科隆大学、奥地利维也纳农业大学共同提出，现在Gilbert Kabelo Gaboutloeloe、Michael E. Barber 以及 Claudio O. St?ckle等部分学者正在进行相关研究。
我国利用人工湿地处理废水发展较晚，现在处于起步阶段。自“七五”以来我国开展了人工湿地小试、中试到实用规模的试验，取得了人工湿地工艺特征、技术要点和工程参数等研究成果。国内对潜流人工湿地系统的研究相对较多，而对于垂直流和表面流人工湿地的研究则较少，尤其是复合垂直流人工湿地对重金属的研究相对较少。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处，而提供一种用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地。本发明所要解决的问题是选择一种优异的人工湿地基质，为污水的净化提供一种处理效果好、运行稳定、高效益、低耗能、维护管理费用低的新型人工湿地处理技术。
本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：一种用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地，其特征是，包括有如下按重量份配比的湿地基质材料为：
土壤，150~250重量份；
粒径为0.15～0.25mm的细沙， 200~300重量份；
粒径为20～40mm的砾石，200~350重量份；
粒径为2～10mm的细煤渣，100~200重量份；
污泥，100~150重量份。
还包括有如下按重量份配比的湿地基质材料：
平均粒径为10～20μm的粉煤灰，130~180重量份。
本发明还提供一种用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地的制备方法，其步骤为：
（1） 根据处理规模，修筑处理池，池深0.8～1.2m；
（2） 在所述的处理池底部铺设鹅卵石层，形成厌氧区，其深度为0.2～0.4m；在厌氧区内每隔15～20cm分段设有直径为3～5cm的PVC排水管，收集出水；PVC排水管伸出处理池；
（3） 在鹅卵石上铺放塑胶网，防止填料下漏；
（4） 将以上所述的湿地基质材料混合均匀后填装到处理池中；
（5） 将废水进水管铺设于所述的湿地基质材料上方。
所述的鹅卵石的直径为1～2cm。
所述的步骤还包括有：所述的处理池为1～3个；所述的上一级排水管为下一级的进水管，最末一个排水管与排水系统相连接。
所述的步骤还包括有：所述的处理池设置在地上或地下。
本发明采用混合基质，在6种原料中选择5种按照相同的配比组合，均匀混合成一种人工湿地基质，有利于变化基质的有效面积、渗透系数和理化性质，针对不同类型的污染物筛选出适合的人工湿地基质。
本发明采用连续进水、连续出水垂直流的运行方式，污水从上端进入到各湿地单元中，经过人工湿地基质的吸附、沉淀、过滤、降解等作用，将污染物截留下来，然后分别于出水后的一定的时间点取出水水样，进行测试分析。此种运行方式不仅避免了表面流所造成的滋生蚊虫等二次污染，而且使污水有基质接触的有效面积和有效时间增加，提高了污染物的去除效率。
本发明多个人工湿地单元同时、独立运行。使用低位水箱和阀门同时控制几个湿地单元的运行，由于低位水箱的容积小于高位水箱，模拟污水从容积为2～8m3的高位水箱进入到容积为1～4m3的低位水箱时，两个水箱的高度差为1～3m，低位水箱将一直保持水位不变，避免了由于水位变化而造成的进水负荷的变化。另外此种设计不仅节约占地面积，而且节约成本，降低了人工湿地的运行维护费用。
本发明的有益效果是，
本发明与现有的人工湿地技术相比具有以下优点：
1) 人工湿地采用砾石、黄土、粉煤灰、污泥、细煤渣、细沙6种原料，混合人工湿地基质粒径大小不等，但混合均匀，有利于区分每种基质的有效面积，便于筛选出合适的组合，用于处理不同类型的污水，处理效率高。
2) 人工湿地采用连续进水、出水的垂直流运行方式，由于混合基质的渗透系数相对较高，因此表面不会累积污水，不会产生滋生蚊虫等次生污染。
3) 由于湿地单元规模较小，人工湿地基质的有效面积为0.6m3，原料需要量小，有利于湿地单元的管理维护以及基质的处理与处置，成本较低。
4) 通过兰州交通大学环境与市政工程学院建设的人工湿地单元实验研究发现，对6种配置好的人工湿地基质测定物理化学性质，进而研究对不同进水浓度、不同处理时间的磷、镉和铅的去除效果，结果表明，6个人工湿地单元对磷和镉的去除均在90%以上，对铅的去除率在65%~95%之间，较单一逐层分布的基质类型处理效果好；不同基质的理化性质与基质对三种污染物的去除率之间有显著相关性。通过原料混合及水力沉降作用，即增加了基质的比表面积，也增加了基质的透过性和孔隙度，有利于吸附废水中的镉和铅等重金属离子，也为微生物提供了生活场所，从而起到吸附和降解水体中磷的效果。
附图说明：
图1：为本发明的结构示意图；
图2：为本发明实施例11的结构示意图。
具体实施方式：
通过下述实施例进一步说明本发明。
实施例1：一种用于处理含铅、镉涂料废水及含磷废水的垂直流人工湿地，其特征是包括有如下按重量份配比的湿地基质材料为：
土壤，150~250重量份；
粒径为0.15～0.25mm的细沙， 200~300重量份；
粒径为20～40mm的砾石，200~350重量份；
粒径为2～10mm的细煤渣，100~200重量份；
污泥，100~150重量份。
在连续进水浓度为200~600mg/L、连续进水时间24小时的条件下，基质对水体中磷的去除率达到60%以上。
在进水含Pb浓度为10~160mg/L、进水含Cd浓度为5~50mg/L、连续进水时间24小时的条件下，基质对水体中重金属离子的去除率均达到90%以上。（补充效果）
实施例2：与实施例1相同，不同的是：还包括有如下按重量份配比的湿地基质材料为：粉煤灰（平均粒径为10～20μm）：130~180重量份。
在连续进水浓度为200~600mg/L、连续进水时间24小时的条件下，基质对水体中磷的去除率达到70%以上。
在进水含Pb浓度为10~160mg/L、进水含Cd浓度为5~50mg/L、连续进水时间24小时的条件下，基质对水体中重金属离子的去除率均达到90%以上。
实施例3～9：与实施例1相同，不同的是：所述的湿地基质材料是按重量份配比的如下材料组成的：
表1 湿地基质材料配比
实施例10：见图1，一种用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地的制备方法，其是步骤为：
（1） 根据处理规模，修筑处理池1，池深0.8～1.2m；
（2） 在所述的处理池1底部铺设鹅卵石层2，所述的鹅卵石的直径为1～2cm，形成厌氧区，其深度为0.2～0.4m；并在厌氧区内每隔15～20cm分段设有直径为3～5cm的PVC排水管3，收集出水；PVC排水管3伸出处理池；
（3） 在鹅卵石上铺放塑胶网4，防止填料下漏；
（4） 将实施例1至9所述的湿地基质材料5混合均匀后填装到处理池中；
（5） 将废水进水管6铺设于所述的湿地基质材料上方。
实施例11：如图2所示，与实施例3相同，不同的是所述的步骤还包括有：所述的处理池为1～3个；所述的上一级排水管为下一级的进水管，最末一个排水管与排水系统相连接。
实施例12：与实施例3相同，不同的是所述的步骤还包括有：所述的处理池为地上或地下。
实验例13：人工湿地采用砖混结构各级均为长1m、宽1m，底部为集水区，其上铺放塑胶网，防止填料下漏。人工湿地深度为0.8m。这样在人工湿地下部形成厌氧区间，具有人工湿地前处理系统中的稳定塘或厌氧塘作用，节省了系统占地面积实验完成后便于拆除。采用砾石，黄土，粉煤灰，污泥，细煤渣，细沙6种原料，其粒径大小约为0.1～2cm，按每种原料的重量配置不同的人工湿地基质，每个湿地池采用不同的基质，池子的最低端铺上20cm厚，直径为1～2cm的鹅卵石，以覆盖底部的出水管，防止基质中较细颗粒堵塞出水管，上面铺基质总高0.6～0.7米。整个湿地池呈阶梯状。每个试验池在底部设有两个取样口，可以及时取样检测污水中污染物去除情况。
人工湿地为室外小试规模，共分为三个区域：配水区、处理区和排水区。配水区为两个规格一致的水池，用于模拟污水的配置；处理区呈三层阶梯状，每层分布一些规格一致的湿地单元（图1），每个湿地单元填充不同原料、不同配比的人工湿地基质，其粒径大小约为0.1～2cm，底部设有集水区，其上铺放塑胶网，防止填料下漏，集水区内设有PVC材料的排水管，排水管上每隔一定距离打孔，用于收集出水水样（图2）；排水区与城市污水管道相连，设于人工湿地系统最底部，防止污染地下水。人工湿地底部使用防水材料设置一层防渗层，防止污水流入地下。防渗层以上铺设鹅卵石（Φ2～4cm）形成集水区，底部设有5%的坡度，有利于排水。由于人工湿地不同深度基质中的含氧量不同，造成了人工湿地的不同处理区～好氧区、厌氧区，这样节省了系统占地面积，实验完成后便于拆除。
系统采用连续进水、连续出水的垂直流运行方式，运行周期为48小时，每个单元可以单独运行，处理相同的污水，进而分析不同人工湿地基质的去除效果。
系统的运行方式：
湿地池供水可采用循环连续供水，分别在0.25h，0.5h，1h，2h，4h，8h，16h，24h，48h取水样进行监测，每个池子可以单独运行，进而分析不同湿地池的去除效果。
二、进水工艺：
1、进水负荷：将基质装入人工湿地池(1×1×0.8m)中。人工湿地池首先用自来水连续进水，测定渗透系数，测定进水负荷为2m3/m3·d的出水时间。湿地单元前端设计两个规格一样（2m×1.5m×1.7m）的配水池，用于人工湿地原水的配置。采取连续进水、出水的垂直流式运行方式，使模拟含磷废水的进水负荷为2m3/m3·d，使模拟含铅污水的进水负荷为0.5m3/m3·d，使模拟含镉污水的进水负荷为0.5m3/m3·d。
2、模拟废水的配置：用K2HPO4分别配置浓度分别为100mg/L，200 mg/L，300 mg/L，400 mg/L，500mg/L的K2HPO4溶液（以P计），即此次实验中需要进行处理的模拟废水。连续进入模拟废水后，分别于0.25h、0.5h、1h、2h、4h、8h、16h、24h、48h，测定出水中的P含量，重复取样并测定6次。
用Pb（NO3）2分别配置浓度为10 mg/L，20 mg/L，40 mg/L，80 mg/L和160mg/L的模拟污水。湿地单元出水后，分别于4、12、24和48h时，于两个出水口处取水样，并混合成一个样品，储存在4℃下待测。
用CdCl2·2.5H2O分别配置浓度为5 mg/L,10 mg/L，20 mg/L，30 mg/L和50 mg/L的模拟污水。湿地单元出水后，分别于4、12、24和48h时，于两个出水口处取水样，并混合成一个样品，储存在4℃下待测。
3、出水污染物的测定：
（1）P含量的测定方法
采用钼锑抗分光光度法(A)测定模拟废水经过人工湿地基质处理过后，从人工湿地池中所采集水样中的P含量。
首先，取七支50ml具塞比色管，分别加入磷酸盐标准使用液0ml、0.50ml、1.00ml、3.00ml、5.00ml、10.00ml、15.00ml，加水至50ml。向比色管中加入1ml10%抗坏血酸溶液，混匀。30s后加2ml钼酸盐溶液充分混匀，放置15min。用10mm或30mm比色皿，于700nm波长处，以零浓度溶液为参比，测量吸光度，用公式(1)求得磷量。
然后，分取适量经滤膜过滤或消解的水样（使含磷量不超过30ug），加入50ml比色管中，用水稀释至标线。按绘制校准曲线的步骤进行显色和测量。并从校准曲线上查出含磷量。
磷酸盐（P，mg/l）=m/v 公式(1)
式(1)中： m——由校准曲线查得的磷量（ug）；
V——水样体积（ml）
（2） 水样中Pb，Cd含量的测定
取25mL的均匀样品（取含悬浮物的均匀水样）于聚四氟乙烯坩埚中，加入（1+1）硝酸2mL置于电热板上加热消解，确保溶液不沸腾，缓慢加热至近干（注意：防止把溶液蒸至干涸）取下冷却，反复进行这一过程，直到试样溶液颜色变浅或稳定不变。冷却后，加入硝酸若干毫升，再加入少量蒸馏水水，置电热板上继续加热使残渣溶解。冷却后用蒸馏水水定容至25mL，使溶液保持5%的硝酸酸度。使用ICP～AES测量水样中的重金属铅总量。
三、统计方法
采用Statistics(6.0)统计软件和Excel处理数据，对数据进行主成分分析(PCCA)，用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著性差异多重比较方法(LSD)进行数据的差异显著性分析。
系统运行时，首先在配水区配置好人工模拟污水，然后将配置好的污水泵入到高位原水箱（放置在最上一级的湿地单元边缘处）中，通过重力作用分别流入到两个低位水箱，低位水箱使用浮球阀控制水位，避免水位过高而溢出。低位水箱中的出水使用阀门控制出水流量在0.5m3/(m2·d)。系统采用连续进水、连续出水的垂直流运行方式，系统运行时每个湿地单元可以独立、同时运行，节省运行时间，运行周期为48小时。系统运行开始后记录各湿地单元的出水时间，分别于出水后一定时间点，两个出水口同时取样，并混合成一个样品，测定出水的污染物浓度。系统每运行一个周期后，使用自来水对每个湿地单元进行冲洗，防止基质饱和，有利于延长人工湿地的使用寿命。
人工湿地基质采用6种原料进行配置，通过对不同配比的5种基质进行研究，表明基质2在进水负荷为20mg/L、出水取样时间为24h时对废水中铅的去除效果最佳，可以高达94%。基质2主要由土壤、砾石、粉煤灰、污泥、细沙组成，其中基质中的土壤含有丰富的有机质，为重金属铅离子提供了专性吸附的载体，这种作专性吸附用使土壤颗粒和金属离子形成螯合物，在土壤颗粒表面沉淀，从而去除率污水中的重金属离子；基质中的砾石的添加，有利于增加基质的导水性，防止堵塞；从粉煤灰的理化性质来看，粉煤灰对废水中的金属离子的去除主要是通过物理吸附作用，但在一定条件下，也有一定的絮凝沉淀和过滤作用，由于粉煤灰的多孔性及其较大的比表面积，增强了粉煤灰的物理吸附效果，对去除金属离子起很大的作用；污泥中含有丰富的有机质、氮、磷等营养成分，不但有利于人工湿地植物的生长，而且可以促进重金属离子吸附于污泥颗粒表面或与污泥中的其他离子形成共沉淀，进而起到去除重金属离子的作用；细沙中含有丰富的矿物质，尤其是碳酸钙含量较高，丰富的碳酸盐含量可以使重金属离子生成碳酸盐沉淀，在重金属的初始固定过程中具有重要作用。
通过对不同配比的5种基质处理含镉废水的研究，表明基质5在进水负荷为10mg/L、出水取样时间为48h时，对镉离子的处理效果最佳，高达90.5%。基质5中的原料主要有污泥、粉煤灰、砾石、细煤渣、细沙，其中土壤、污泥、粉煤灰和砾石对重金属镉离子的去除机理与铅类似，而细煤渣在去除重金属离子时主要是共沉淀作用，由于煤渣为工业副产品，多产生于冶金行业，含有丰富的金属氧化物，如铁锰氧化物等，进而使基质呈现碱性，而重金属镉离子只有在碱性条件下才会与这些氧化物发生共沉淀作用，形成胶体，从而去除重金属离子。
通过对两个重金属离子的人工湿地处理，可以发现，在低水利负荷且水利停留时间较长时，人工湿地对污染物的去除效果最佳，均可达到90%以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地，其特征是，包括有如下按重量份配比的湿地基质材料为：
土壤，150～250重量份；粒径为0.15～0.25mm的细沙， 200～300重量份；粒径为20～40mm的砾石，200～350重量份；粒径为2～10mm的细煤渣，100～200重量份；污泥， 100~150重量份；
还包括有如下按重量份配比的湿地基质材料：
平均粒径为10～20μm的粉煤灰，130～180重量份。
2.如权利要求1所述的用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地的制备方法，其特征是，步骤为：
（1）根据处理规模，修筑处理池，池深0.8～1.2m；
（2）在所述的处理池底部铺设鹅卵石层，形成厌氧区，其深度为0.2～0.4m；在厌氧区内每隔15～20cm分段设有直径为3～5cm的PVC排水管，收集出水；PVC排水管伸出处理池；
（3）在鹅卵石上铺放塑胶网，防止填料下漏，所述的鹅卵石的直径为1～2cm；
（4）将所述的湿地基质材料混合均匀后填装到处理池中；
（5）将废水进水管铺设于所述的湿地基质材料上方；
所述的步骤还包括有：所述的处理池为1～3个；处理池之间通过所述PVC排水管相连通，最末一个PVC排水管与排水系统相连接。
3.如权利要求2所述的用于处理含铅、镉涂料废水的垂直流人工湿地的制备方法，其特征是，所述的步骤还包括有：所述的处理池设置在地上或地下。
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