CN103274530A

CN103274530A - 一种强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统

Info

Publication number: CN103274530A
Application number: CN2013102424348A
Authority: CN
Inventors: 沈志强; 周岳溪
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-19
Also published as: CN103274530B

Abstract

本发明涉及一种强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统，包括上下两层，上层为强化硝化区，下层为强化反硝化区；所述上层包括布水管、湿地细填料区、强化复氧和固体碳源补充管、氨氮吸附-再生区、湿地植物；下层包括砾石过渡层、固体碳源填充区、湿地填料区、集水区、集水管、虹吸排水管；所述集水管位于集水区中，一起位于湿地系统的最底层，其上依次是湿地填料区、固体碳源填充区、砾石过渡层、氨氮吸附-再生区和湿地细填料区，布水管横向排列于所述湿地细填料区中；湿地植物种植于湿地的表层。本发明的系统具有持续脱氮能力强、运行成本低、维护简单等优点。

Description

一种强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种适用于去除低碳氮比污水中氨氮的强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统。

背景技术

氨氮是我国水系的主要污染物之一，如不进行有效的处理，将导致严重的水环境污染问题。垂直流人工湿地是一种高效、低成本的污水处理技术，在城市暴雨径流、村镇生活污水、工业废水及农业排水处理等领域中得到了较多的应用。但是，垂直流人工湿地存在脱氮能力较弱的显著性缺陷。垂直流人工湿地中，氮的去除主要是靠基质吸附、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。常规的垂直流人工湿地中以厌氧过程为主，体系主要靠植物根系复氧及水流非饱和流动来强化氧扩散，但是复氧量不能满足大量有机物降解和氨氮硝化的需求。因此常规垂直流人工湿地的硝化能力弱。另外，反硝化所需碳源的不足已成为限制人工湿地脱氮性能的关键因素。

潮汐流和间歇流等改进型垂直流人工湿地可以通过强化体系复氧来提高微生物氧化氨氮性能。除了提高湿地复氧效率以外，改进垂直流人工湿地填料也可以强化人工湿地去除氨氮的性能。沸石作为对氨氮具有高度选择性的天然矿物，已成为了人工湿地中改善氨氮去除性能的热点。但是沸石有一定的吸附容量，吸附逐渐饱和时沸石人工湿地的除铵性能大为降低。为此，如何保障稳定持续的除铵能力，是沸石人工湿地污水处理技术的关键问题。

在人工湿地中补充天然的富含纤维素类的固体物质可以解决有机碳不足限制反硝化反应而造成的脱氮效率低下的问题，同时避免添加液体碳源的弊端。这些富含纤维素类物质包括木屑、稻壳、香蒲、芦苇竿等，但是这些物质本身含有一定量的氮磷，使用的过程会给人工湿地系统带来污染。

因此，根据现有垂直流人工湿地脱氮能力较弱的问题，亟需有针对性的开发强化硝化和反硝化过程的技术，以构建适用于去除低碳氮比污水中氨氮的新型垂直流人工湿地系统。

发明内容

本发明所解决的技术问题是克服传统垂直流人工湿地脱氮性能的不足，提供一种适用于去除低碳氮比污水中氨氮的强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统。

本发明采用的技术方案是：

一种强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统，包括上下两层，上层为强化硝化区，下层为强化反硝化区；所述上层包括布水管、湿地细填料区、强化复氧和固体碳源补充管、氨氮吸附-再生区、湿地植物；下层包括砾石过渡层、固体碳源填充区、湿地填料区、集水区、集水管、虹吸排水管；所述集水管位于集水区中，一起位于湿地系统的最底层，其上依次是湿地填料区、固体碳源填充区、砾石过渡层、氨氮吸附-再生区和湿地细填料区，布水管横向排列于所述湿地细填料区中；湿地植物种植于湿地的表层；所述强化复氧和固体碳源补充管竖向均匀分布于湿地系统中，其管口上端凸出于湿地表层，管口下端深入至所述固体碳源填充区的上表面；所述强化复氧和固体碳源补充管的管下部有通气孔，虹吸排水管位于湿地系统的一侧，与集水管连通。

本发明的系统，所述湿地细填料区分为两层，底层填充粒径为5mm的砾石5cm，上层填充的基质为土壤或细沙，填充厚度为5cm，其上种有湿地植物。

本发明的系统，所述强化复氧和固体碳源补充管采用直径为5～15cm的PVC管；强化复氧和固体碳源补充管从上往下依次穿过湿地细填料区、氨氮吸附-再生区和砾石过渡层，其管口上端在湿地细填料区上表面以上10～20cm，管口下端深入至固体碳源填充区的上表面；强化复氧和固体碳源补充管位于氨氮吸附-再生区的部分中，其下部不超过30cm的部分交错开有直径为2～3mm向上倾斜45度的圆形通气孔（位于外壁的孔口在下），相邻两排小孔圆心间的间距为8～20mm，同排相邻小孔圆心间的间距为8～15mm；强化复氧和固体碳源补充管均匀分布于人工湿地，彼此间及其与湿地四周的间距不小于30cm。

本发明的系统，所述氨氮吸附-再生区所采用的基质为沸石和石灰石，填充厚度为15～40cm；沸石和石灰石的粒径分别为5～20mm和3～5mm；沸石和石灰石按质量比为2～10：1的比例混合均匀后填充。

本发明的系统，所述砾石过渡层所采用的基质为砾石，粒径为10～15mm，填充厚度为3～8cm。

本发明的系统，所述固体碳源填充区位于强化复氧和固体碳源补充管的下方，长和宽与湿地等同，厚度为10～30cm，采用的基质为砾石，粒径为2～4cm，固体碳源被投加至砾石空隙。

本发明的系统，所述固体碳源填充区填充的固体碳源为人工或微生物合成的可完全生物降解的聚合物，可以是聚碳酸酯（PPC）、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。本发明中所述固体碳源投加至固体碳源填充区的方式分为两种：初次投加在湿地建设期，固体碳源填充区的砾石基质填充好后，将固体碳源直接投加至砾石基质空隙；运行一段时间后的投加方式为固体碳源分批先补加至强化复氧&固体碳源补充管中，未能落入固体碳源填充区基质空隙的固体碳源则用水冲入即可。本发明中所述固体碳源初次投加体积不超过固体碳源填充区基质空隙的体积；运行后，固体碳源按每去除1kg氮需1～2.5kg固体碳源的比例投加，每年投加1次。

本发明的系统，所述湿地填料区所采用的基质为砾石，粒径为5～10mm，填充厚度为10～30cm。

本发明的系统，所述虹吸排水管的顶端与氨氮吸附-再生区高度的10～30cm处平齐，虹吸排水管的排水口与氨氮吸附-再生区的下表面平齐，以根据氨氮负荷调整饱和浸润面的变化高度。

本发明的湿地系统，以间歇式进水，虹吸出水的方式运行，具体进水和间歇时间根据氨氮负荷而定；在进水阶段，低碳氮比进水中的氨氮首先在湿地上层氨氮吸附-再生区沸石的吸附作用下从污水中转移至沸石，随后在强化复氧和固体碳源补充管的强化复氧作用下，由沸石表面生物膜中的硝化微生物将氨氮氧化为硝酸盐；氨氮吸附-再生区所产生的硝态氮随水流进入湿地下层的强化反硝化区，然后反硝化细菌在固体碳源填充区中所缓释出碳源的条件下实现硝酸盐的去除。固体碳源填充区需要补加的固体碳源通过强化复氧和固体碳源补充管进行补加，从而实现低碳氮比污水中氨氮长期稳定、高效的强化去除。

本发明中所述强化复氧和固体碳源补充管的强化复氧作用主要通过虹吸排水管的瞬间排水所产生的吸力将空气吸入氨氮吸附-再生区或在进水间歇期空气中氧气自然扩散至氨氮吸附-再生区而实现。

本发明具有以下优点：

1、本发明将氨氮的去除分为两个部分，并分别在两个不同的区域实现。湿地上层强化硝化区可实现氨氮的吸附及生物再生（硝化）解吸，下层强化反硝化区可将上层强化硝化区产生的硝酸盐还原为氮气，从而实现低碳氮比污水中氨氮的完全去除。

2、氨氮硝化过程所需的氧气通过自动强化复氧的方式实现，无需曝气。

3、反硝化所需的碳源由固体碳源（同步作为反硝化微生物碳源和生物膜载体）提供，避免了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。

附图说明

图1为本发明湿地系统总体结构主视（示意）图；

图2为本发明湿地系统总体结构俯视（示意）图；

图3为本发明湿地系统中的强化复氧和固体碳源补充管的结构（示意）图；

其中，1：布水管；2：湿地细填料区；3：强化复氧和固体碳源补充管；4：氨氮吸附-再生区；5：湿地植物；6：砾石过渡层；7：固体碳源填充区；8：湿地填料区；9：集水区；10：集水管；11：虹吸排水管；12：通气孔。

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，本发明具有明显的功能分区，湿地上层主要实现强化硝化，下层主要实现强化反硝化。湿地上层强化硝化区由布水管1、湿地细填料区2、强化复氧和固体碳源补充管3、氨氮吸附-再生区4、湿地植物5组成；下层强化反硝化区由砾石过渡层6、固体碳源填充区7、湿地填料区8、集水区9、集水管10、虹吸排水管11组成。集水管10位于集水区9中，一起位于湿地系统的最底层，其上依次是湿地填料区8、固体碳源填充区7、砾石过渡层6、氨氮吸附-再生区4和湿地细填料区2，布水管1横向排列于湿地细填料区2中；湿地植物5种植于湿地的表层；强化复氧和固体碳源补充管3竖向均匀分布于湿地系统中，其管口上端凸出于湿地表层，管口下端深入至固体碳源填充区7的上表面；强化复氧和固体碳源补充管3的管下部有通气孔12，虹吸排水管11位于湿地系统的一侧，与集水管10连通。湿地以间歇式进水，虹吸出水的方式运行。在进水阶段，低碳氮比污水经湿地细填料区2中的布水管1进入氨氮吸附-再生区4，污水中的氨氮先被氨氮吸附-再生区4中的沸石吸附，随后在强化复氧和固体碳源补充管3的强化复氧作用下，由沸石表面生物膜中的硝化微生物将氨氮氧化为硝酸盐；氨氮吸附-再生区4所产生的硝态氮随水流经过砾石过渡层6进入固体碳源填充区7，并在固体碳源缓释出有机物的条件下被反硝化细菌还原为氮气；脱落的生物膜或残存的污染物经过湿地填料区8的进一步处理后，水经集水区9的集水管10收集，最后由虹吸排水管11排出。运行一段时间后，固体碳源通过强化复氧和固体碳源补充管3进行补加，从而实现长期稳定的运行。

本实施例中所述湿地细填料区2分为两层，底层填充粒径为5mm的砾石5cm，上层填充的基质为土壤，填充厚度为5cm，其上种有湿地植物5美人蕉；氨氮吸附-再生区4所采用的基质为沸石和石灰石，填充厚度为30cm，沸石和石灰石的粒径分别为10mm和5mm，沸石和石灰石按质量比为4：1的比例混合均匀后填充；砾石过渡层6所采用的基质为砾石，粒径为10mm，填充厚度为5cm；强化复氧和固体碳源补充管3采用直径为10cm的PVC管，其均匀分布于人工湿地，彼此间及其与湿地四周的间距为30cm，管口上端在湿地细填料区2上表面以上10cm，管口下端深入至固体碳源填充区7的上表面，其下部5～25cm部分交错开有直径为3mm向上倾斜45度的圆形小孔（位于外壁的孔口在下），相邻两排小孔圆心间的间距为8mm，同排相邻小孔圆心间的间距为8mm；固体碳源填充区7采用的基质为砾石，粒径为3cm，长和宽与湿地等同，厚度为30cm，固体碳源被投加至砾石空隙；固体碳源填充区7填充的固体碳源为聚丁二酸丁二醇酯（PBS），粒径为3～5mm；固体碳源填充区7的砾石基质填充好后，将固体碳源直接投加至砾石基质空隙为初次投加，运行一段时间后的投加方式为固体碳源分批先补加至强化复氧和固体碳源补充管3中，未能落入固体碳源填充区7基质空隙的固体碳源则用水冲入；湿地填料区8所采用的基质为砾石，粒径为10mm，填充厚度为20cm；虹吸排水管11的顶端与氨氮吸附-再生区4高度的20cm处平齐，虹吸排水管11的排水口与氨氮吸附-再生区4的下表面平齐，饱和浸润面的变化高度为20cm，饱和浸润面的瞬间变化产生的吸力将大气中的氧经由强化复氧和固体碳源补充管3吸入，并由其上的小孔扩散至氨氮吸附-再生区4中。

本实施例中其工作过程是：

（1）按照上述强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统的要求，构建处理水量为50L/d的系统。

（2）开始湿地进水，进水氨氮浓度均值为50mg/L，水力停留时间为1d，每天进水2次，每次进水时间为半小时，进水期和间歇期的比值为1：23。

（3）实验结果表明，系统能持续稳定的运行，氨氮和总氮的去除率均超过90%，1年后需补加1.7kg的PBS。

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

1.一种强化脱氮功能分区型垂直流人工湿地系统，其特征在于：在所述湿地系统里包括上下两层，上层为强化硝化区，下层为强化反硝化区；所述上层包括布水管（1）、湿地细填料区（2）、强化复氧和固体碳源补充管（3）、氨氮吸附-再生区（4）、湿地植物（5）；下层包括砾石过渡层（6）、固体碳源填充区（7）、湿地填料区（8）、集水区（9）、集水管（10）、虹吸排水管（11）；所述集水管（10）位于集水区（9）中，一起位于湿地系统的最底层，其上依次是湿地填料区（8）、固体碳源填充区（7）、砾石过渡层（6）、氨氮吸附-再生区（4）和湿地细填料区（2），布水管（1）横向排列于所述湿地细填料区（2）中；湿地植物（5）种植于湿地的表层；所述强化复氧和固体碳源补充管（3）竖向均匀分布于湿地系统中，其管口上端凸出于湿地表层，管口下端深入至所述固体碳源填充区（7）的上表面；所述强化复氧和固体碳源补充管（3）的管下部有通气孔（12），虹吸排水管（11）位于湿地系统的一侧，与集水管（10）连通。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述湿地细填料区（2）分为两层，底层填充粒径为5mm的砾石5cm，上层填充的基质为土壤或细沙，填充厚度为5cm，其上种有湿地植物（5）。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述强化复氧和固体碳源补充管（3）采用直径为5～15cm的PVC管；强化复氧和固体碳源补充管（3）从上往下依次穿过湿地细填料区（2）、氨氮吸附-再生区（4）和砾石过渡层（6），其管口上端在湿地细填料区（2）上表面以上10～20cm，管口下端深入至固体碳源填充区（7）的上表面；强化复氧和固体碳源补充管（3）位于氨氮吸附-再生区（4）的部分中，其下部不超过30cm的部分交错开有直径为2～3mm向上倾斜45度的圆形通气孔（12），相邻两排小孔圆心间的间距为8～20mm，同排相邻小孔圆心间的间距为8～15mm；强化复氧和固体碳源补充管（3）均匀分布于人工湿地，彼此间及其与湿地四周的间距不小于30cm。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述氨氮吸附-再生区（4）所采用的基质为沸石和石灰石，填充厚度为15～40cm；沸石和石灰石的粒径分别为5～20mm和3～5mm；沸石和石灰石按质量比为2～10：1的比例混合均匀后填充。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述砾石过渡层（6）所采用的基质为砾石，粒径为10～15mm，填充厚度为3～8cm。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述固体碳源填充区（7）位于强化复氧和固体碳源补充管（3）的下方，长和宽与湿地等同，厚度为10～30cm，采用的基质为砾石，粒径为2～4cm，固体碳源被投加至砾石空隙。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述固体碳源填充区（7）填充的固体碳源为人工或微生物合成的可完全生物降解的聚合物，为聚碳酸酯、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/聚乳酸共混物的一种或任意组合，粒径为3～5mm。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述湿地填料区（8）所采用的基质为砾石，粒径为5～10mm，填充厚度为10～30cm。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述虹吸排水管（11）的顶端与氨氮吸附-再生区（4）高度的10～30cm处平齐，虹吸排水管（11）的排水口与氨氮吸附-再生区（4）的下表面平齐，以根据氨氮负荷调整饱和浸润面的变化高度。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述湿地以间歇式进水，虹吸出水的方式运行。