CN103253822B - 一种复合型人工湿地尾水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型人工湿地尾水处理系统，属于污水处理技术领域。该系统主要包含预处理和人工湿地系统两部分。预处理部分包括曝气氧化池和生态砾石床；人工湿地系统融合了稳定塘的设计，将垂直流人工湿地与表面流人工湿地进行组合，梯级排列稳定塘串联其中；待处理尾水依次通过曝气氧化池、生态砾石床、垂直流人工湿地、稳定塘，最终经过表面流人工湿地出水。本系统将物理、化学和生物手段有机的结合，有效改善尾水水质，使出水基本达到地表水环境标准Ⅲ类水质，可直接回用于河道生态环境补水、城市杂用水等，具有投资低、操作简单、能耗低、环境效益和生态效益较高等优势。

Description

一种复合型人工湿地尾水处理系统

技术领域

本发明涉及一种复合型人工湿地尾水处理系统，尤其是基于预处理-垂直流-稳定塘-表面流湿地的尾水处理系统，属于污水处理技术领域。

背景技术

随着人口增长和社会经济的快速发展，工业废水和生活污水的排放量日益增加，为了保证经济建设与环境保护的协调发展，各地大量兴建污水处理厂，对污废水进行集中处理，处理后尾水一般直接排入水体。污水处理厂的建设和运行在一定程度上减轻了地表水的污染负荷，有效保证了地表水环境质量和功能。然而，基于污水处理厂大多执行国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级B排放标准，而根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中水域功能和分类标准中规定，地表水中最低标准为Ⅴ类水，主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。两标准中主要指标对比见下表1，可以看出现行污水处理厂排放标准仍然劣于地表水Ⅴ类标准，说明污水处理厂尾水即使达标排放仍然会加重地表水环境的恶化。

表1污水处理厂排放标准与地表水环境Ⅴ类水标准对比表

^*备注：当水温>12℃时，NH₃-N的控制指标为8mg/L；水温≤12℃时，NH₃-N的控制指标为15mg/；按一年1/3时间水温≤12℃，NH₃-N的控制指标为10mg/L。

目前污水处理厂尾水一般直接排放，或是对污水处理厂进行提标建设使尾水排放标准达到一级A后再排入水体。根据江苏省住房和城乡建设厅编制的《江苏省太湖流域城镇污水处理厂提标建设技术导则》中的相关建设参考标准，按照处理规模划分，若将出水水质从一级B标准提升为一级A标准，提标改造用地标准为0.50~0.15m²/(m³·d)，工程费用投资估算指标为950~420元/(m³·d)。因此，污水处理厂提标处理存在投资、运行和维护费用较高、系统运行能耗高、景观效果差等问题。一般情况下，污水处理厂的投资和运行费用高达生物-生态处理系统的2~10倍。

现行人工湿地技术主要以单个湿地为主要处理单元，受占地面积较大、易堵塞、处理效果受季节性影响较大等因素限制，较少应用于尾水处理领域，多用于处理COD含量较高的农村生活污水，处理规模小，应用范围有限，且处理效果稳定性不高。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种成本低、效果好、基于垂直流-稳定塘-表面流湿地的复合型人工湿地尾水处理系统。

技术方案：一种复合型人工湿地尾水处理系统，包含预处理系统部分和人工湿地处理系统部分；所述预处理系统部分包括曝气氧化池和生态砾石床；所述人工湿地处理系统部分包括稳定塘、垂直流人工湿地与表面流人工湿地；所述垂直流人工湿地与表面流人工湿地梯级组合，稳定塘串联在两个湿地之中；污水处理厂尾水通过曝气氧化池前端的进水口流入曝气氧化池；经曝气池处理后的水通过出水口进入生态砾石床；生态砾石床的出水口与垂直流人工湿地的进水口连通；所述稳定塘一端连通垂直流人工湿地的出水口，另一端连通表面流人工湿地的进水口。

所述曝气氧化池为钢筋砼结构，其上部设有用于使微生物附着的片状无纺布，无纺布通过固定在曝气氧化池的上部的横杆形成多道布水渠，曝气氧化池的底部设有微孔曝气管，微孔曝气管与位于曝气氧化池外面的多个鼓风机连接。

所述生态砾石床内的填料为砾石和吸附能力强的活性填料（如活性炭、矿渣、贝壳粉碎物等）；所述垂直流人工湿地内的填料从上之下依次是：表面铺设细沙，其次是细砾石，再向下为卵石，最后为碎石；所述垂直流人工湿地的表面铺设有多孔进水管。

所述稳定塘的水深控制在1-1.5米，其采用三塘梯级串联组合，塘中布设增氧机。用三塘梯级串联组合，以增加水力停留时间，增大水体流动性，增加溶解氧浓度，促进污染物的分解。稳定塘的设置还可结合当地鱼塘改造，因地制宜，节约成本。其水深控制在1m-1.5m之间，阳光照射其中，增加水体的溶解氧浓度，营造好氧环境。在稳定塘周边种植挺水植物（如芦苇、香蒲、美人蕉、茭白、再力、鸢尾等），塘内种植浮叶植物（如荷花、睡莲、菱角等）和沉水植物（苦草、伊乐藻、菹草等），同时放养鱼、虾、螺、蚌类等水生动物。

所述垂直流人工湿地采用PVC管分级配水方案，即，在垂直流人工湿地表面布设有配水管，配水管的布置呈网格状；所述底部设有穿孔集水管，穿孔集水管的出水口即为垂直流人工湿地的出水口。

所述表面流人工湿地四周设围堤，内部开挖弯曲、窄浅的小沟渠，在延长水力停留时间的同时，增加水和土壤接触的面积，增强湿地的净化能力，设计表面流水深不超过0.4m。处理后的尾水可回用于周边农业灌溉、河道生态环境补水、城市杂用水、林地浇灌用水等。

生态砾石床和垂直流湿地底部铺设有防水土工布，进行防渗。

还包括排水控制工程，排水控制工程主要指处理系统中各排水控制建筑物，包括泵站、涵洞、倒虹吸和顶管。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的复合型人工湿地尾水处理系统将人工湿地系统与其他系统优化组合，遵循尾水中主要污染物的转化规律，在一定程度上有效的改善了现行人工湿地系统适用范围小、处理规模小、投资高、占地大、难管理、处理效果受气候影响大等缺点。系统将物理、化学和生物处理手段有机的结合，综合考虑投资、处理规模、管理及长期有效运行等诸多因素，最终形成一种可以推广应用的、处理规模较大、投资低、具有较高环境效益和生态效益的成熟稳定的尾水处理系统。具体效果如下：

1、将人工湿地系统与预处理系统优化组合，加强系统处理效果，改善湿地占地大、易堵塞、受气候影响大的缺点。预处理部分首先在曝气池中增加了水中溶解氧的含量，为氨氮的硝化反应提供了可靠保障。大量有机物被生物膜吸附降解，有机氮被氨化后，在曝气条件下容易发生硝化反应，大大提高了尾水中氨氮的去除率。经曝气池处理后的水通过布水渠进入生态砾石床。由于不与表面和大气接触，生态砾石床处于缺氧和厌氧状态，水直接进入床的中、底部，有利于曝气池氧化产生的硝态氮进行反硝化反应，产生N₂O和N₂。生态砾石床的脱氮作用提高了氮的去除率。另外，生态砾石床还有截留曝气塘中脱落的生物膜和悬浮物的作用，防止堵塞湿地。

2、将不同类型湿地组合，提高系统的稳定性。人工湿地部分分为垂直流湿地和串联的表面流湿地。垂直流人工湿地具有对水质、水量变化适应性强、出水稳定等特点。其表层为好氧层，易发生硝化反应，有利于氨氮的硝化；底层为厌氧层，为反硝化反应营造条件，有利于氮的去除，湿地内部相当于多个好养-厌氧反应器的组合。而表面流湿地为好氧—兼性—缺氧状态，与垂直流湿地共同组成一个大的厌氧和好氧反应器，进行硝化和反硝化反应。

3、融入稳定塘的设计，提高系统的可处理规模和抗冲击能力。稳定塘采用三塘梯级串联组合，以增加水力停留时间，增大水体流动性，增加溶解氧浓度，促进污染物的分解。同时在稳定塘中种植不同类型的水生植物，并放养鱼类和底栖生物。通过塘中微生物的吸附分解、水生植物的吸收转化以及水生动物的生命活动等共同作用，建立具有自我净化能力的生态系统，以达到再次去除氮、磷及有机物的目的。此塘对于氮磷的去除有着良好的效果，同时稳定塘还能起到缓冲水体与美化环境的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的系统流程图；

图2为本发明实施例中曝气氧化池剖面图；

图3为本发明实施例中生态砾石床纵剖面图；

图4为本发明实施例中垂直流湿地剖面图；

图5为本发明实施例中稳定塘内植物分布种植示意图；

图6为本发明实施例中梯级稳定塘组合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实施例以洪泽尾水处理工程的研究为例，阐述本发明，复合型人工湿地尾水处理系统包含预处理部分和人工湿地处理部分的同时，融入了稳定塘的设计。其中预处理部分由曝气氧化池和生态砾石床组成，人工湿地部分分为垂直流与表面流人工湿地的梯级组合，稳定塘串联在两个湿地之中。工程建于大寨河以北，宽400m，长约4800m的规划绿化带内，共需占地约100万m²。

预处理部分首先在曝气池中增加了水中溶解氧的含量，为氨氮的硝化反应提供了可靠保障。大量有机物被生物膜吸附降解，有机氮被氨化后，在曝气条件下容易发生硝化反应，大大提高了尾水中氨氮的去除率。经曝气池处理后的水通过布水渠进入生态砾石床。由于不与表面和大气接触，生态砾石床处于缺氧和厌氧状态，水直接进入床的中、底部，有利于曝气池氧化产生的硝态氮进行反硝化反应，产生N₂O和N₂。生态砾石床的脱氮作用提高了氮的去除率。另外，生态砾石床还有截留曝气塘中脱落的生物膜和悬浮物的作用，防止堵塞垂直流湿地。

人工湿地部分分为垂直流湿地和串联的表面流湿地。垂直流人工湿地具有对水质、水量变化适应性强、出水稳定等特点。其表层为好氧层，易发生硝化反应，有利于氨氮的硝化；底层为厌氧层，为反硝化反应营造条件，有利于氮的去除，湿地内部相当于多个好养-厌氧反应器的组合。而表面流湿地为好氧—兼性—缺氧状态，与垂直流湿地共同组成一个大的厌氧和好氧反应器，进行硝化和反硝化反应。

稳定塘为好氧型处理塘，水深控制在1-1.5米，阳光照射其中，有利于植物的生长，大气中的氧气可溶于水中，营造好氧环境。在稳定塘中种植不同类型的水生植物，并放养鱼类和底栖生物。通过塘中微生物的吸附分解、水生植物的吸收转化以及水生动物的生命活动等共同作用，建立具有自我净化能力的生态系统，以达到再次去除氮、磷及有机物的目的。此塘对于氮磷的去除有着良好的效果，同时稳定塘还能起到缓冲水体与美化环境的作用。

（1）曝气氧化池，如图2所示：

在钢筋砼结构的气池中加入生物膜载体-片状的无纺布，无纺布通过固定在曝气氧化池的上部的横杆形成多道布水渠，含有营养物质和接种微生物的尾水流动一定时间后，微生物会附着在无纺布表面，并生长和繁殖，形成一层薄的生物挂膜。借助其吸附能力，为浮游生物提供栖息场所和食物，从而构建了完整的生态体系，提高水体的自净功能。曝气氧化池的底部设有微孔曝气管，微孔曝气管与位于曝气氧化池外面的多个鼓风机连接，通过曝气充氧，利用池中片状微生物床的好氧菌和硝化菌分解有机物，进行硝化反应将NH₃-N转化为NO₃--N，从而达到净化水体的效果。

按2万m³/d的进水规模为一个单元，需要建设容积为5760m³的曝气氧化池，其有效容积为3300m³，由四小格组成一个单元，每格尺寸为30×20×2.4m，有效停留时间（HRT）3.96h，气水比3∶1。配鼓风机5台，4台运行一台备用。性能参数为：Q=10.4m³/min，P=5000mmH₂O，N=18kW。所以根据10万m³/d的进水规模，需建设5个运行单元，另外增加一个备用单元。曝气氧化池总容积为34560m³，占地约为14400m²。

（2）生态砾石床，如图3所示：

生态砾石床主要是参照自然界水体自净的原理而设计，其主要填料为砾石和吸附能力强的活性填料（如活性炭、矿渣、贝壳粉碎物等），通过填料上生长的微生物起到吸附分解有机物，将硝态氮还原成氮氧化物，从而达到脱氮的目的。具有造价和运行费用低、水力负荷高的特点。

生态砾石床按照处理2万m³/d进水为一个单元，按单元式建设有利于根据污水处理厂的建设规模进行灵活调整。生态砾石床每单元容积为10560m³，由四小格组成，每小格尺寸为60×20×2.2m，内充填料空隙度为40%，有效停留时间（HRT）5.07h。砾石床内填料按照一定的级配，放置一定厚度的砾石、矿渣，可有效去除NH3-N并吸附、置换尾水中的P，同时去除悬浮物。砾石床体表层覆盖通气性小砾石（其间可掺杂瓜子片），种植根系发达的挺水植物，其生物量大，既有净化能力，又有景观效果。工程共建设生态砾石床63360m³，占地约28800m²。

（3）垂直人工湿地，如图4所示：

a湿地面积

垂直流人工湿地的水力负荷一般位于0.001m/d-1m/d之间，考虑到国内现有正常运行人工湿地的水力负荷值，结合本项目实际情况及优缺点，水力负荷取0.2m/d。

根据湿地面积公式：

As=Q/q

其中：As——湿地面积；

Q——湿地进水流量；

q——湿地水力负荷，取0.2m/d；

根据以上公式，以一个单元处理2万m³/d尾水计算，需建造垂直流湿地面积为10万m2，分为50小块，每块面积为40×50m²。为了延长湿地运行期限，降低运行管理费用，应对湿地轮流使用，保持干湿交替，因此在每个湿地单元增加10块备用湿地。即每单元建设垂直流湿地12万m²，共60小块。系统处理规模达到10万m³/d时，共需建设5个单元，共60万m²，300小块。

设计填料深1.2m，各层分布为：表面10cm厚度层铺设细沙，向下30cm厚度层铺设粒径为6mm的细砾石，再向下40cm厚度层铺设粒径为12mm的卵石，最后40cm厚度层铺设粒径为30-60mm的碎石，多孔进水管铺设在表面。填料的空隙度为38%，底部坡度1‰以保障进水顺畅。

b湿地植物选择

植物是人工湿地系统的重要组成部分，通过吸收污染物质、根系供氧以及为微生物提供能源及生存环境，植物能够直接或者间接的影响湿地系统的污水处理效果，在湿地净化污水的过程中扮演重要角色。然而，湿地植物对污染物的去除能力受到污水性质、进水负荷、气候条件、植物种类等多种因素的影响。考虑对洪泽地区气候的适应性及景观效果等因素，选择生物量大、根系发达、能再生易繁殖、适宜淹水条件、生长速度快且净化能力强的植物，如芦苇、美人蕉、香蒲、茭白、再力花、鸢尾等。从经济和净化效果方面考虑，以芦苇和美人蕉为主，也可种植香蒲和茭白，增加植被的多样性，若考虑景观效果，可选择再力花和鸢尾。

c配水及集水渠

垂直流湿地各处理单元采用PVC管分级配水方案，主要分为四级：主配水干管、1级配水管、2级配水管和穿孔配水管。单植物池旁边设有一根主配水干管，长50m，管径为300m。中间设一根1级配水管，长40m，管径150mm。在1级配水管上，每间隔6m设置2级配水管，方向与1级配水管垂直，长25m，管径110mm。2级配水管上，每间隔2m设置穿孔配水管，方向与1级配水管平行。即单根2级配水管上共有12根穿孔配水管，管径75mm，长5.5m。穿孔管上孔距15cm，孔径7mm。各管道管径列于表7.2-1。

植物池底部共设置2级收集管，1级集水干管管长40m，间隔10m，共计5根，管径120mm。2级为穿孔集水管，垂直于1级管，间隔4m，长5m，管径90mm。单根1级集水管上共20根穿孔管。孔距15cm，孔径20mm。每两块湿地之间建一集水渠，设计渠宽1.5m，高为1.5m，与湿地填料床底部落差0.3m。集水渠将收集的出水直接导入稳定塘。

湿地种植植被后，遮盖表面的布水和收集管道，起到净化水质并改善景观的效果

（4）稳定塘，如图5所示：

稳定塘的设置应结合当地鱼塘的改造，因地制宜，节约成本。其水深控制在1m-1.5m之间，阳光照射其中，增加水体的溶解氧浓度，营造好氧环境。在稳定塘周边种植挺水植物（如芦苇、香蒲、美人蕉、茭白、再力、鸢尾等），塘内种植浮叶植物（如荷花、睡莲、菱角等）和沉水植物（苦草、伊乐藻、菹草等），同时放养鱼、虾、螺、蚌类等水生动物。

稳定塘宽350m，长600m，面积为210000m²。采用三塘梯级串联组合，以增加水力停留时间，增大水体流动性，增加溶解氧浓度，促进污染物的分解，在塘中可布设增氧机。图6为梯级稳定塘的组合示意图。在设计水深为1.5m时，按10万m³/d的进水规模，水力停留时间为3.15d，BOD₅表面负荷率为15.5kg/104m²·d。

稳定塘建成后，既美化环境，也能增加工程的生态效应。

（5）表面流人工湿地

表面流湿地设计面积为25万m²，水力负荷为0.4m/d，结合现状土地形状，分为三块，分别为1038*62m、1381*87m和1048*63m。设计表面坡度为1‰，结合现有土地利用情况，因地制宜。充分利用现有水稻田、杨树林、草地等的土壤条件，选择种植芦苇、香蒲、茭白、美人蕉等植物。湿地四周设围堤，内部开挖弯曲、窄浅的小沟渠，在延长水力停留时间的同时，增加水和土壤接触的面积，增强湿地的净化能力，设计表面流水深不超过0.4m。处理后的尾水回用于周边农业灌溉、河道生态环境补水、城市杂用水、林地浇灌用水等，多余部分排入淮河入海水道。

（6）辅助工程

a防渗工程

由于工程所在区域地下水埋深较浅，为防止尾水下渗污染地下水，需对净化系统进行防渗处理。其中曝气池为钢筋砼结构，无需额外增加防渗工程。而尾水经过垂直流人工湿地后，水质明显改善，不会对地下水产生不良影响。因此只需在生态砾石床和垂直流湿地底部铺设防水土工布进行防渗。

b排水控制工程

排水控制工程主要指处理系统中各排水控制建筑物，包括泵站、涵洞、倒虹吸和顶管。方案共新建2座泵站共12台提升泵，1座涵洞和4座倒虹吸。泵站分别位于1#表面流湿地南侧和苏北灌溉总渠南侧。涵洞位于渠南干渠边1座，提升泵站2边一座。倒虹吸分别用于穿一分干及花河2座，穿二分干及双喜河2座。

c景观工程

沿项目两侧，尤其是靠近高速公路一侧种植高大乔木（如杨树、柳树、水杉、池杉、合欢等）。采用交叉排列种植方式，多选易存活的本地树种。栽植的乔木应距地下管线2m以外，防止植物根系破坏地下管网系统。在各单元沿线种植低矮的灌木，尤其是曝气氧化池附近需要大面积绿化，一方面可以阻挡气味，同时在周边形成错落有致、高低结合的植被层次景观。

d监控检测设施

在系统进水口、出水口，稳定塘出水口分别设置一台自动监测设备，主要监测指标为流速流量、BOD₅、COD_Cr、总氮、总磷和NH₃-N。在曝气氧化池、生态砾石床、稳定塘及总出水口分别设置1个人工监测点，在不同植物配制的垂直流湿地出水口各设置1个人工监测点，在各水利工程节点设置1个监测点，共13个监测点，主要监测指标为pH、TP、TN、NH₃-N、COD_Cr、BOD₅、DO、SS和水温。

污水处理厂尾水经过本实施例提供的复合型人工湿地处理系统后，出水水质中COD_Cr和BOD₅可以达到Ⅲ类以上，去除率分别为75%和84%以上。而NH₃-N和TP则可以达到Ⅳ标准，去除率分别为85%和73%。此外，TN的系统去除率也可以达到63.5%，含量达到7.30mg/l。

Claims (7)

1.一种复合型人工湿地尾水处理系统，其特征在于：将以物理化学处理为主的预处理系统部分和以生物处理为主的人工湿地处理系统部分按照污染物转化规律有机结合；所述预处理系统部分包括曝气氧化池和生态砾石床；所述人工湿地处理系统部分包括稳定塘、垂直流人工湿地与表面流人工湿地；所述垂直流人工湿地与表面流人工湿地梯级组合，稳定塘串联在两个湿地之中；污水处理厂尾水通过曝气氧化池前端的进水口流入曝气氧化池；经曝气氧化池处理后的水通过出水口进入生态砾石床；生态砾石床的出水口与垂直流人工湿地的进水口连通；所述稳定塘一端连通垂直流人工湿地的出水口，另一端连通表面流人工湿地的进水口，流经表面流人工湿地后出水；

所述曝气氧化池为钢筋砼结构，其上部设有用于使微生物附着的片状无纺布，无纺布通过固定在曝气氧化池的上部的横杆形成多道布水渠，曝气氧化池的底部设有微孔曝气管，微孔曝气管与位于曝气氧化池外面的多个鼓风机连接；

所述生态砾石床内的填料为砾石和吸附能力强的活性填料；生态砾石床表层覆盖通气性小砾石，表层种植根系发达的挺水植物。

2.如权利要求1所述的复合型人工湿地尾水处理系统，其特征在于：所述垂直流人工湿地内的填料从上之下依次是：表面铺设细沙，其次是细砾石，再向下为卵石，最后为碎石；所述垂直流人工湿地的表面铺设有多孔进水管。

3.如权利要求1所述的复合型人工湿地尾水处理系统，其特征在于：所述稳定塘的水深控制在1-1.5米，其采用三塘梯级串联组合，塘中布设增氧机。

4.如权利要求1所述的复合型人工湿地尾水处理系统，其特征在于：所述垂直流人工湿地采用PVC管分级配水方案，即在垂直流人工湿地表面布设有配水管，配水管的布置呈网格状；底部设有穿孔集水管，穿孔集水管的出水口即为垂直流人工湿地的出水口。

5.如权利要求1所述的复合型人工湿地尾水处理系统，其特征在于：所述表面流人工湿地四周设围堤，内部开挖弯曲、窄浅的小沟渠。

6.如权利要求1或4所述的复合型人工湿地尾水处理系统，其特征在于：生态砾石床和垂直流人工湿地底部铺设有防水土工布，进行防渗。

7.如权利要求1所述的复合型人工湿地尾水处理系统，其特征在于：还包括排水控制工程，排水控制工程主要指处理系统中各排水控制建筑物，包括泵站、涵洞、倒虹吸和顶管。