CN102633407B

CN102633407B - 土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统

Info

Publication number: CN102633407B
Application number: CN 201210101870
Authority: CN
Inventors: 薛龙; 李建华; 杨长明; 蔡雯娟
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: CN102633407A

Abstract

本发明涉及一种土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，采用复合潜流的人工湿地模式，由人工湿地池体、土壤柱组合基质系统、湿地植物系统与配水系统组成。土壤柱组合基质系统是整个人工湿地系统的核心，包括前过滤单元、组合基质脱氮单元、组合基质除磷单元、精过滤单元，其中组合基质脱氮单元与除磷单元中设置土壤柱。人工湿地植物系统由芦苇、香蒲、茭白等水生植物混种组成，覆土种植于组合基质脱氮单元与组合基质除磷单元上。人工湿地池体与配水系统相配合，构造出垂直向下流、垂直向上流、水平潜流等多流态的人工湿地系统。本发明产品各部分设计合理、结构科学、占地少、运行成本低、管理方便，是一种有效净化污染水体的新型人工湿地技术。

Description

土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统。

背景技术

人工湿地是根据天然湿地净化污水的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净化能力的污水处理技术。在设计和建造人工湿地过程中，可以在进出水方式、流态、基质及植物等方面进行选择和搭配，来优化人工湿地生态系统中的物理、化学和生物作用，通过三个方面的协同作用来去除污水中的污染物，使水质得到净化。

根据湿地中水面位置不同，人工湿地通常分为表面流人工湿地系统和潜流人工湿地系统。表面流人工湿地在内部构造、生态结构和外观上都十分类似于天然湿地，但经过科学的设计、运行管理和维护，去污效果优于天然湿地系统。表面流人工湿地的水面位于湿地基质以上，其水深一般为0.3~0.5m。潜流人工湿地的水面位于基质层以下，是目前广泛研究和应用的湿地处理系统。根据潜流人工湿地中的水流状态可将其分为水平潜流系统和垂直流系统。

人工湿地处理技术目前已广泛应用于污染水体治理中，在处理工艺方面也日趋成熟，目前这方面已有大量专利申请与授权。然而，目前人工湿地在内部流态方面多以单一流态（水平流或垂直流）为主，单一流态不利于构造湿地系统多样化的微环境，且无法充分发挥湿地系统基质的作用；在基质方面，人工湿地多以单一基质或多种基质的简单搭配为主，无法综合考虑物理化学作用与微生物作用对水质净化的贡献。因此，有针对性地构造人工湿地多流态结构，将水平流与垂直流相结合，有目的地设计不同功能单元的基质组成，采用加强脱氮除磷能力的基质，已成为目前人工湿地系统设计的创新突破点。本发明基于以上设计理念创作形成了土壤柱组合基质复合流人工湿地系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统。

本发明提出的土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，采用复合潜流的人工湿地模式，由人工湿地池体、土壤柱组合基质系统、湿地植物与配水系统组成，土壤柱组合基质系统位于人工湿地池体内，土壤柱组合基质系统自左向右分为前过滤单元I、组合基质脱氮单元II、组合基质除磷单元III和精过滤单元IV，前过滤单元I自上而下由第一细砾石层1与第一粗砾石层2组成，第一细砾石层1厚为28－32cm，第一粗砾石层2厚为28-32cm；组合基质脱氮单元II自上而下由细沸石层4和粗沸石层5组成，细沸石层4厚为28-32cm，粗沸石层5厚为28-32mm；组合基质除磷单元III自上而下由第二细砾石层12、钢渣层7和第二粗砾石层13组成，第二细砾石层12厚为18-22cm，钢渣层7厚为8-12cm，第二粗砾石层13厚为28-32cm；精过滤单元由第三细砾石层14构成，厚为58-62cm；组合基质脱氮单元II和组合基质除磷单元III顶部设有土壤层3，土壤层3上种植湿地植物11；组合基质脱氮单元II和组合基质除磷单元III内垂直均匀布置有土壤柱6；土壤柱6一端位于人工湿地池体内底部，另一端位于土壤层3底部；所述配水系统采用配水隔板，前过滤单元I与组合基质脱氮单元II连接处下部设有第一配水隔板8，组合基质脱氮单元II和组合基质除磷单元III连接处上部设有第二配水隔板9，组合基质除磷单元III和精过滤单元IV连接处下部设有第三配水隔板10；其中水流方向为：前过滤单元I为垂直向下流，组合基质脱氮单元II和组合基质除磷单元III为水平潜流，精过滤单元IV为垂直向上流。

本发明中，所述人工湿地系统池体采用高强度PVC板或混凝土结构，人工湿地系统长宽比不小于3：1，单个人工湿地系统池体宽度小于等于6m，若宽度过大，应设置导流板分隔。

本发明中，第一配水隔板8高为78-82cm，下部18-22cm处镂空；第二配水隔板9高为38-42cm，上部镂空；第三穿孔隔板10高为68-72cm，下部23-27cm处镂空。

本发明中，第一细砾石层1、第二细砾石层12和第三细砾石层14采用的细砾石粒径为5~10mm。

本发明中，第一细砾石层2和第二细砾石层13采用粗砾石粒径为15-20mm。

本发明中，细沸石层4的细沸石粒径为10-15mm，粗沸石层5粗沸石的粒径为15-30mm。

本发明中，所述土壤柱6采用的土壤为疏松河边土壤，其长宽高为20cm×20cm×60cm，设置密度4个/m³。

本发明中，湿地植物采用芦苇、香蒲或茭白中至少一种。

本发明中，所采用的基质材料中砾石、沸石、钢渣在使用前需进行冲洗处理，钢渣需要较大的冲洗强度，每天早晚各冲洗一次，持续三天。土壤柱所选土壤采用河边疏松土壤，施工时采用高强度PVC板固定为立方柱体，先将土壤填入，然后将周遭基质填入，待全部填埋完毕后，将PVC板抽出。

本发明中，由于基质选取特殊，尤其是除磷单元中含有碱性基质钢渣，因此需要选取具有较好耐碱性的水生植物作为湿地植物，且在野外环境中生命力强、生物量大的植物，本发明综合选取了芦苇、香蒲、茭白作为人工湿地植物，采用多种植物混种的方式，以实现不同植物相配合，并使得多种植物根系相结合最大程度上利用基质空间，以加强整个系统的净化作用。

由于采用以上组合基质人工湿地系统技术方案，本发明具有以下优点：

1、土壤柱组合基质复合流人工湿地系统可处理微污染富营养化河水、农村养殖废水、湖体水、初期雨水、污水厂尾水，本发明主要针对N、P污染物的去除。

2、组合基质系统采用土壤柱、沸石、钢渣、砾石相结合，沸石具有很强的氮吸附能力，钢渣具有较好的离子交换能力，能够有效吸附水中磷，土壤柱一方面可向基质系统中引入大量微生物，促进基质系统生成硝化反硝化能力强的生物膜，另一方面可促进植物根系在基质系统中延伸，有利于促进基质系统中的空气流通，同时丰富了基质系统中的生境类型，为不同微生物生长繁殖提供很好的生存空间。土壤对多种有机物具有较强的吸附作用，使之固定于土壤中，通过微生物的生物氧化，转化为易被植物吸收的低分子有机质或无机质。

3、人工湿地植物系统采用芦苇、香蒲、茭白等多种植物混种，充分发挥植物地上与地下空间的互补作用，更好地发挥不同植物根系与微生物之间的协同作用，最大程度促进系统硝化反硝化能力。

4、整个系统采用复合流态，水流在系统中依次经过垂直向下流、水平潜流、垂直向上流，增加了水流过程上的生境多样性，形成厌氧、好氧反复交替的微生物生存环境，促进系统内部微生物群落的多样性，最终加强系统的硝化反硝化能力。

5、本发明处理微污染水体时，整个系统占地小、投资少、运行稳定、管理方便，系统基质使用时间长，当系统出现堵塞情况时，只需更换前过滤单元中的基质即可。本系统脱氮除磷能力强，可有效去除微污染水体中的氮磷，系统出水可以稳定达到地表水III或II类水标准，是一种有效的微污染水体脱氮除磷净化技术。

附图说明

图1为本发明反应装置示意图。

图中标号：I、II、III、IV分别为前过滤单元、组合基质脱氮单元、组合基质除磷单元、精过滤单元；1为第一细砾石层，2为第一粗砾石层，3为土壤层，4为细沸石层，5为粗沸石层，6为土壤柱，7为钢渣层，8、9、10分别为第一隔水板、第二隔水板和第三隔水板，11为湿地植物，12为第二细砾石层，13为第二粗砾石层，14为第三细砾石层。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

下面通过实施例对本发明进行进一步详细说明：

实施例1：

实验地点：某地瓶窑镇张堰村

处理对象：张堰村村级河道中的微污染水体，该水体污染源主要为农村面源污染、农村生活污水与养殖废水，水中有机物含量相对较小，氮磷污染为主要的水质问题。

基于本发明中提出的土壤柱组合基质复合流人工湿地系统，我们设计了三套不同的组合基质复合流人工湿地系统，人工湿地池体由PVC板焊接而成，长宽高尺寸为1.4m×0.4m×0.7m，内部由PVC板分隔成四个区域：前过滤单元I、组合基质脱氮单元II、组合基质除磷单元III、精过滤单元IV，长度分别为0.1、0.6、0.6、0.1m，基质总厚度为0.6m，控制有效水深为0.55m，处理水力负荷为630mm/d，停留时间为1天。由图1所示，本系统由人工湿地池体、土壤柱组合基质系统、湿地植物系统与配水系统组成。土壤柱组合基质系统分为前过滤单元I、组合基质脱氮单元II、组合基质除磷单元III、精过滤单元IV，其结构如图1所示。前过滤单元由细砾石层1与粗砾石层2组成，细砾石粒径5~10mm，层厚30cm，粗砾石粒径15-20mm，层厚30cm；组合基质脱氮单元由土壤层3、细沸石层4、粗沸石层5与土壤柱6组成，土壤层厚5~10cm，细沸石粒径10-15mm，层厚30cm，粗沸石粒径15-30mm，层厚30mm，土壤柱为20cm×20cm×60cm的立方体；组合基质除磷单元由土壤层3、细砾石层1、钢渣层7、粗砾石层2与土壤柱6组成，土壤层厚10cm，细砾石粒径5-10cm，层厚20cm，钢渣粒径15-20mm，层厚10cm，粗砾石粒径15-30mm，层厚30cm；精过滤单元由细砾石层1构成，细砾石粒径5-10mm，层厚60cm。特别需要注意的是，系统土壤采用河边疏松土壤，切不可使用农田土壤。河水由向下流经前过滤单元I、向上流经组合基质脱氮单元II、水平潜流经组合基质除磷单元III、向上流经精过滤单元IV，整个人工湿地系统构造多种流态，使水流在系统内部尽量多地经过基质，在系统内形成多种微系统以促进硝化反硝化作用，最终达到增大脱氮除磷的效果。其中，三套装置的组合基质与植物系统有所不同，具体配置见下表：

表1 组合基质复合流人工湿地模型基质与植物组成

此人工湿地系统模型于3月份装配并种上植物，稳定运行一个月后进行水质指标检测，对漕桥溪河水水质进行监测(结果见表2)，COD_cr平均浓度为26.60 mg·L^-1，平均浊度为12.5 NTU，有机物含量与浊度较低；TN及TP的平均含量分别为2.36 mg·L^-1、0.11 mg·L^-1，且TN及分别以无机氮、正磷酸盐为主要赋存形态。结合地表水环境质量标准（GB3838-2002）可知，COD_cr值、TN、TP分别列入IV类、劣V类水及V类水标准，漕桥溪河水富营养化现象非常严重。由表1还可知，复合流态的人工湿地系统对富营养化水体的处理效果较好，监测指标COD_cr、TN、TP、NH₄ ⁺-N与NO₃ ^--N等的出水数值均显著下降，平均去除率分别为53.83%、50.10%、77.27%、63.07%和55.73%。对照地表水环境质量标准（GB3838-2002），出水的COD_cr、TN及TP分列于I类、IV类、II类水标准。可见，组合基质复合流人工湿地系统对富营养化水体的净化效果非常显著。

表2 组合基质复合流人工湿地系统进出水污染物浓度及其平均去除率

实施例2：

工程地点：某地瓶窑镇漕桥溪与北苕溪交汇处

处理对象：漕桥溪河道中的微污染水体，该水体污染源主要为农村面源污染、农村生活污水与养殖废水，水质水量特点为：水量较大、有机物含量少、营养盐浓度相对较高，因此去除营养盐是处理工艺的主要目的。

基于本发明中提出的土壤柱组合基质复合流人工湿地系统，我们设计了日处理能力2000m³/d的富营养化河水人工湿地处理示范工程，工程位于漕桥溪流交汇处的河漫滩上，上游来水主要污染源为农田灌溉废水、暴雨径流、养殖业废水与部分生活污水，原水水质属于地表IV~V类水，处理目标为达到湖库III类水标准，此人工湿地系统建设目的主要为下游水源地保护区提供水质水源保障，并进一步为太湖流域水污染控制作出入河污染物削减贡献。

人工湿地系统共占地10亩，由进水渠、前过滤单元、组合基质脱氮单元、组合基质除磷单元、精过滤单元、出水渠组成，核心部分为前过滤单元、组合基质脱氮单元、组合基质除磷单元、精过滤单元组成的人工湿地系统，此系统共分4组，每组宽度为17.5m，每组湿地中间设置2块倒流板分割，前过滤单元、组合基质脱氮单元、组合基质除磷单元、精过滤单元分别长1.5m、10m、10m、1.5m，各单元间按要求设置配水墙。各单元池壁均设置防渗膜，并于底部铺设厚10cm水泥砖一层。基质厚度均为60cm，基质配比与基质粒径均于以上发明中一致。植物采用生物量大、抗逆性强的本地物种芦苇、香蒲、茭白，并进行混种以提高质地湿地系统多样性与植物根系稳定性。

人工湿地工程建成后，经三个月（2011.07-2011.09）运行调试后，系统出水水质稳定。以2011年10月至12月系统稳定的监测水质为例，对整个处理工艺进行去除效果评估。稳定运行期间，进水水质：COD_cr22.2~29.1 mg·L^-1，TN1.96~2.84 mg·L^-1，TP0.055~0.101 mg·L^-1，NH₄ ⁺-N 0.36~0.92 mg·L^-1，浊度4.11~29.1NTU。根据《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》，漕桥溪河水水质总体属于V类，水中氮磷超标较为严重，夏季多出现水华现象。经人工湿地系统处理后，出水水质：COD_cr16.1~18.5mg·L^-1，TN1.34~2.18mg·L^-1，TP0.013~0.045mg·L^-1，NH₄ ⁺-N0.14~0.57mg·L^-1，浊度0.76~3.11NTU。出水水质基本达到国家地表水III类水标准，部分指标接近II类。综上所述，分析湿地系统稳定运行后，湿地系统净水能力良好，能明显改善漕桥溪水质，出水可直接排入北苕溪，能够为下游区域饮用水水源地提供水质保障。

Claims

1.一种土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，其特征在于采用复合潜流的人工湿地模式，由人工湿地池体、土壤柱组合基质系统、湿地植物与配水系统组成，土壤柱组合基质系统位于人工湿地池体内，土壤柱组合基质系统自左向右分为前过滤单元(I)、组合基质脱氮单元(II)、组合基质除磷单元(III)和精过滤单元(IV)，前过滤单元(I)自上而下由第一细砾石层(1)与第一粗砾石层(2)组成，第一细砾石层(1)厚为28－32cm，第一粗砾石层(2)厚为28-32cm；组合基质脱氮单元(II)自上而下由细沸石层(4)和粗沸石层(5)组成，细沸石层(4)厚为28-32cm，粗沸石层(5)厚为28-32mm；组合基质除磷单元(III)自上而下由第二细砾石层(12)、钢渣层(7)和第二粗砾石层(13)组成，第二细砾石层(12)厚为18-22cm，钢渣层(7)厚为8-12cm，第二粗砾石层(13)厚为28-32cm；精过滤单元由第三细砾石层(14)构成，厚为58-62cm；组合基质脱氮单元(II)和组合基质除磷单元(III)顶部设有土壤层(3)，土壤层(3)上种植湿地植物(11)；组合基质脱氮单元(II)和组合基质除磷单元(III)内垂直均匀布置有土壤柱(6)；土壤柱(6)一端位于人工湿地池体内底部，另一端位于土壤层(3)底部；所述配水系统采用配水隔板，前过滤单元(I)与组合基质脱氮单元(II)连接处下部设有第一配水隔板(8)，组合基质脱氮单元(II)和组合基质除磷单元(III)连接处上部设有第二配水隔板(9)，组合基质除磷单元(III)和精过滤单元(IV)连接处下部设有第三配水隔板(10)；其中水流方向为：前过滤单元(I)为垂直向下流，组合基质脱氮单元(II)和组合基质除磷单元(III)为水平潜流，精过滤单元(IV)为垂直向上流。

2.根据权利要求1所述的土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，其特征在于所述人工湿地池体采用高强度PVC板或混凝土结构，人工湿地池体长宽比不小于3：1，单个人工湿地池体宽度小于等于6m。

3.根据权利要求1所述的土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，其特征在于第一配水隔板(8)高为78-82cm，下部18-22cm处镂空；第二配水隔板(9)高为38-42cm，上部镂空；第三配水隔板(10)高为68-72cm，下部23-27cm处镂空。

4.根据权利要求1所述的土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，其特征在于第一细砾石层(1)、第二细砾石层(12)和第三细砾石层(14)采用的细砾石粒径为5~10mm。

5.根据权利要求1所述的土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，其特征在于细沸石层(4)的细沸石粒径为10-15mm，粗沸石层(5)粗沸石的粒径为15-30mm。

6.根据权利要求1所述的土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，其特征在于所述土壤柱(6)采用的土壤为疏松河边土壤，其长宽高为20cm×20cm×60cm，设置密度4个/m³。

7.根据权利要求1所述的土壤柱组合基质复合流人工湿地处理系统，其特征在于湿地植物采用芦苇、香蒲或茭白中至少一种。