CN103253772A - 一种水平潜流人工湿地固体碳源强化脱氮系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种以热塑性可生物降解聚酯为固体碳源的强化脱氮水平潜流人工湿地系统。该系统包括进水管（1）、布水区（2）、湿地粗填料区（3）、湿地细填料区（4）、固体碳源投加管（5）、固体碳源强化反硝化区（6）、湿地植物（7）、集水区（8）、放水孔（9）、排水区（10）和排放管（11）。本湿地系统可提高污水的碳氮比，实现低碳氮比污水中硝酸盐的去除。本系统具有持续脱氮能力强、运行维护简单等优点。

Description

一种水平潜流人工湿地固体碳源强化脱氮系统
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种以热塑性可生物降解聚酯为碳源的强化脱氮水平潜流人工湿地系统，适用于去除低C/N比污水中的硝酸盐。
背景技术
氮素污染是我国水环境存在的主要问题之一。低有机污染水的氮素污染问题是我国完成点源控污之后未来环境污染的突出问题。这类低C/N的水如果不经过进一步处理，直接汇流入湖泊、水库等敏感水体，将导致严重的水环境污染问题。水环境中的硝酸盐主要来源于工农业的直接排放或其它含氮化合物通过硝化作用转化而成。
人工湿地是具有效率高、投资低、运转费低、维持费低等优点的可靠的污水处理技术。在处理水量不大、水质变化不很大、管理水平不很高的城镇污水，如我国农村、中小城镇的污水处理中得到了较多的应用。人工湿地系统对氮的去除包括基质吸附、过滤、沉淀、氨的挥发、植物吸收和微生物的氨化、硝化和反硝化作用。其中微生物的硝化、反硝化作用是最主要的途径。针对低碳氮比的污水，碳源不足已成为限制人工湿地脱氮性能的关键因素。解决的方法多见于在进水中补充液体碳源，如甲醇、葡萄糖和果糖。这些做法会造成部分碳源在湿地上层发生好氧分解，造成碳源的浪费，增加不必要的污水处理成本。另外，投加液体碳源需要精确的计量与投加设备，增加成本的同时也给运行与管理带来了不便。
向人工湿地系统中添加富含纤维素的植物材料作为反硝化所需的有机碳源可以避免添加液体碳源的弊端，但是植物材料本身含有一定的氮和磷，在其作为碳源的同时这些污染物也会释放至湿地中，另外植物材料还存在持续供碳能力弱、投加不方便等问题。
已报道的研究表明，热塑性可生物降解聚酯，包括聚己内酯（PCL）、聚羟基丁酸酯（PHB）、聚羟基戊酸酯（PHV）、PHB-PHV共聚物、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚乳酸（PLA）、聚羟基丁酸戊酸酯/聚乳酸共混物（PHBV/PLA）等均可在填充床中作为固体碳源及反硝化微生物的载体，实现强化反硝化。但是，人工湿地系统与填充床体系有显著性差异，如人工湿地系统的停留时间要远长于填充床。
发明内容
本发明的目的是克服传统人工湿地脱氮性能的不足，提供一种水平潜流人工湿地固体碳源强化脱氮系统。
本发明根据水平潜流人工湿地的特征，通过结合热塑性可生物降解聚酯作为反硝化固体碳源的特点，构建了持续稳定的强化脱氮体系。其具体技术方案是：一种以热塑性可生物降解聚酯为固体碳源的强化脱氮水平潜流人工湿地系统，包括进水管、布水区、湿地粗填料区、湿地细填料区、固体碳源投加管、固体碳源强化反硝化区、湿地植物、集水区、放水孔、排水区和排放管。所述固体碳源投加管设置在湿地靠近进水管一端的1/3处，所述固体碳源投加管直插入所述固体碳源强化反硝化区中，且并排设置有若干个，每个之间的间隔至少为20cm；通过湿地中不同区域填料粒径的控制，使所述固体碳源投加管投加的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源能分布至所述固体碳源强化反硝化区中，随后热塑性可生物降解聚酯类固体碳源在微生物的作用下逐步分解，缓释出能被反硝化微生物直接用于反硝化的低分子量有机物，使所述系统持续稳定的去除低碳氮比污水中的硝酸盐。
本发明的系统，所述各个区域均设置在人工湿地中，所述进水管和所述排放管各位于湿地的两端；所述湿地粗填料区满布于湿地的底部，在湿地的后段设置有深度自上到下的集水区，在集水区的底部是放水孔，通至排水区，排水区连接排放管。在所述湿地粗填料区上部满布所述湿地细填料区，所述布水区设置在所述湿地细填料区的前端（靠近进水管的那端）；在所述湿地细填料区中种植有湿地植物。所述固体碳源强化反硝化区和所述固体碳源投加管设置在湿地靠近进水管一端的1/3处，所述固体碳源投加管直插入所述固体碳源强化反硝化区中，且并排设置有若干个，每个之间的间隔至少为20cm。
本发明中所述湿地粗填料区所采用的基质为砾石，粒径为8～15mm。
本发明中所述湿地细填料区所采用的基质为土壤或细沙，填充厚度不超过15cm，其上种有湿地植物。
本发明中所述固体碳源投加管采用直径10～15cm的PVC管，管口下端深入湿地细填料区以下5cm。
本发明中所述固体碳源强化反硝化区位于固体碳源投加管的正下方，长为25cm，宽与湿地等同，采用的基质为砾石，粒径为3～5cm。热塑性可生物降解聚酯类固体碳源投加至砾石空隙。
本发明中所述通过固体碳源投加管投加的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源为聚己内酯（PCL）、聚羟基丁酸酯（PHB）、聚羟基戊酸酯（PHV）、PHB-PHV共聚物、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚乳酸（PLA）、聚羟基丁酸戊酸酯/聚乳酸共混物（PHBV/PLA）中的一种或任意组合，粒径为3～5mm。
本发明中所述热塑性可生物降解聚酯类固体碳源投加至固体碳源强化反硝化区的方式为：热塑性可生物降解聚酯类固体碳源先补加至固体碳源投加管中，未能落入固体碳源强化反硝化区基质空隙的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源则用水冲入即可。
本发明中所述热塑性可生物降解聚酯类固体碳源投加至固体碳源强化反硝化区的投加量为：热塑性可生物降解聚酯类固体碳源初次投加体积不超过固体碳源强化反硝化区基质空隙的体积；运行1～3年后，热塑性可生物降解聚酯类固体碳源按每去除1kg硝态氮需1～3kg固体碳源的比例投加，每年投加1～2次。
本发明具有以下优点：
1、本发明所采用的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源同时充当微生物反硝化所需还原力的来源和生物膜的载体，克服使用传统液体碳源生物脱氮工艺中碳源投加量不易控制的缺点，碳源微生物利用率高。
2、本发明所采用的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源的密度比水大，形状及粒度便于投加，与富含纤维素的材料（如秸秆）相比，持续供碳能力强，运行维护简便，并且其本身不会带入氮、磷等污染物。
3、本发明提供的一种水平潜流人工湿地固体碳源强化脱氮系统可用于低碳氮比地表水、地下水和城市污水处理厂出水的脱氮处理。
附图说明
图1为本发明系统总体结构主视（示意）图；
图2为本发明系统总体结构俯视（示意）图；
其中，1：进水管、2：布水区、3：湿地粗填料区、4：湿地细填料区、5：固体碳源投加管、6：固体碳源强化反硝化区、7：湿地植物、8：集水区、9：放水孔、10：排水区、11：排放管。
具体实施方式
为进一步说明本发明，结合以下实施例具体说明：
参见图1、2，本发明的系统，所述各个区域均设置在人工湿地中，进水管1和排放管11各位于湿地的两端；湿地粗填料区3满布于湿地的底部，在湿地的后段设置有深度自上到下的集水区8，在集水区8的底部是放水孔9，通至排水区10，排水区10连接排放管11。在湿地粗填料区3上部满布湿地细填料区4，布水区2设置在湿地细填料区4的前端（靠近进水管1的那端）；在湿地细填料区4中种植有湿地植物7。固体碳源强化反硝化区6和固体碳源投加管5设置在湿地靠近进水管1一端的1/3处，固体碳源投加管5直插入固体碳源强化反硝化区6中，且并排设置有若干个，每个之间的间隔至少为20cm。本发明的系统使用时，水经过布水区2进入湿地粗填料区3和湿地细填料区4，在湿地细填料区4上种植有湿地植物7，在湿地靠进水管1端前1/3处直插装有并排布置的彼此间隔至少为20cm的固体碳源投加管5，用以投加固体碳源进入固体碳源强化反硝化区6，经湿地处理后的水经集水区8收集后由放水孔9进入排水区10，最终由排放管11排出。
本实施例中所述湿地细填料区4所采用的基质为土壤，填充厚度为15cm，其上种有湿地植物7（可以是芦苇、美人蕉等）；湿地粗填料区3所采用的基质为砾石，粒径为8～15mm；固体碳源投加管5采用直径15cm的PVC管，管口下端深入湿地细填料区4以下5cm；固体碳源强化反硝化区6位于固体碳源投加管5的正下方，长为25cm，宽与湿地等同，采用的基质为砾石，粒径为3～5cm；所投加热塑性可生物降解聚酯类固体碳源为聚己内酯（PCL），粒径为3～5mm；PCL先补加至固体碳源投加管5中，未能落入固体碳源强化反硝化区6基质空隙的PCL则用水冲入；PCL初次投加体积取决于固体碳源强化反硝化区6基质空隙的体积，在此不予限定。
本实施例中其工作过程是：
（1）按照上述水平潜流人工湿地固体碳源强化脱氮系统的要求，构建处理水量为100L/d的系统。
（2）开始湿地进水，进水硝态氮浓度均值为50mg/L，水力停留时间为1d。
（3）实验结果表明，硝态氮的去除率超过90%，1年后需补加2.4kg的PCL。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种水平潜流人工湿地固体碳源强化脱氮系统，其特征在于：包括进水管（1）、布水区（2）、湿地粗填料区（3）、湿地细填料区（4）、固体碳源投加管（5）、固体碳源强化反硝化区（6）、湿地植物（7）、集水区（8）、放水孔（9）、排水区（10）和排放管（11）；所述固体碳源投加管（5）设置在湿地靠近进水管（1）一端的1/3处，所述固体碳源投加管（5）直插入所述固体碳源强化反硝化区（6）中且并排设置有若干个，每个之间的间隔至少为20cm；通过湿地中不同区域填料粒径的控制，使所述固体碳源投加管（5）投加的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源能分布至所述固体碳源强化反硝化区（6）中，随后热塑性可生物降解聚酯类固体碳源在微生物的作用下逐步分解，缓释出能被反硝化微生物直接用于反硝化的低分子量有机物，使所述系统持续稳定的去除低碳氮比污水中的硝酸盐。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述湿地粗填料区（3）所采用的基质为砾石，粒径为8～15mm。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述湿地细填料区（4）所采用的基质为土壤或细沙，填充厚度不超过15cm，其上种有湿地植物（7）。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述固体碳源投加管（5）采用直径10～15cm的PVC管，管口下端深入湿地细填料区（4）以下5cm。
5.如权利要求1或4所述的系统，其特征在于：所述固体碳源强化反硝化区（6）位于固体碳源投加管（5）的正下方，长为25cm，宽与湿地等同，采用的基质为砾石，粒径为3～5cm；热塑性可生物降解聚酯类固体碳源投加至砾石空隙。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述固体碳源强化反硝化区（6）填充的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源为聚己内酯、聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯、PHB-PHV共聚物、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸、聚羟基丁酸戊酸酯/聚乳酸共混物中的一种或任意组合，粒径为3～5mm。
7.如权利要求1或6所述的系统，其特征在于：所述热塑性可生物降解聚酯类固体碳源投加至固体碳源强化反硝化区（6）的方式为热塑性可生物降解聚酯类固体碳源先补加至固体碳源投加管（5）中，未能落入固体碳源强化反硝化区（6）基质空隙的热塑性可生物降解聚酯类固体碳源用水冲入即可。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述热塑性可生物降解聚酯类固体碳源初次投加至固体碳源强化反硝化区（6）的投加体积不超过固体碳源强化反硝化区（6）基质空隙的体积；运行1～3年后，热塑性可生物降解聚酯类固体碳源按每去除1kg硝态氮需1～3kg固体碳源的比例投加，每年投加1～2次。
9.权利要求1-8任一项所述的系统用于低碳氮比地表水、地下水和城市污水处理厂出水的脱氮处理。
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