CN103663711A - 高效除磷的人工湿地组合基质、人工湿地系统及除磷方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效除磷的人工湿地组合基质、人工湿地系统及除磷方法，所述人工湿地组合基质包括体积配比为1:1～2:1钢渣单元与糠醛渣单元，所述钢渣单元与糠醛渣单元在湿地水流的方向上先后设置形成用于人工湿地的组合基质填充物，之后通过人工湿地系统进行高效除磷。本发明在人工湿地污水处理系统中，使用钢渣-糠醛渣组合基质作为复合基质填料，可高效并长效针对含磷污水进行处理，该人工湿地系统中的基质不易堵塞，能够以废治废，可以显著降低污水运行的处理成本，实现社会效益、经济效益及环境效益的统一。

Description

高效除磷的人工湿地组合基质、人工湿地系统及除磷方法

技术领域

本发明涉及一种用于含磷污水处理的人工湿地技术，特别是涉及一种高效除磷的人工湿地组合基质、人工湿地系统及除磷方法。

背景技术

人工湿地作为一种新型生态污水处理技术，与传统的污水处理方法相比，具有处理效果好、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低，环境美学价值高等优点，故被广泛用于处理城市生活污水、工农业生产废水等领域。

基质是人工湿地的重要组成部分，在为植物和微生物提供生长介质、为污水渗流提供良好的水力条件的同时，也能够通过沉淀、吸附和过滤等作用直接去除污染物。其种类、组配方法和高度的选择则是人工湿地污水处理技术的核心。由于污水性质存在千差万别，因而并没有一种单一基质能够有效处理所有污水。一般的填料基质由土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣等构成，这其中最常使用的是碎石，此外还有沸石、土壤、鹅卵石、煤渣、粉煤灰等。

人工湿地对磷的去除是通过湿地填料基质的理化反应、植物根系的吸收以及微生物的积累等几方面共同作用完成的。但是植物的吸收与微生物的积累作用对磷的去除只占很少的一部分。研究发现，磷的主要去除机制是基质的吸附作用，水体中的正磷酸盐，在水流流经湿地介质表面时，受到介质的吸附，此吸附能力的好坏，将取决于湿地是否有良好的水力传导性和较高的比表面积。因此，选择有效的湿地基质填料对水体中磷的去除意义重大。

而一般人工湿地基质如砂土、砾石等除磷效果较差，具有高孔隙度和吸附性的页岩、蛭石、方解石、多孔介质（LECA）等处理效果较好，但因成本较高等问题较难进行推广应用。因此，探索发现新型湿地基质填料，达到高效除磷的目的，特别是针对吸附能力强，环境危害小的工业废弃物加以发现，合理利用废弃物资源，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种原料来源丰富且成本低廉、能够以废治废将废弃物资源合理利用的高效除磷的人工湿地组合基质、人工湿地系统及除磷方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种高效除磷的人工湿地组合基质，所述人工湿地组合基质包括体积配比为1:1～2:1钢渣单元与糠醛渣单元，所述钢渣单元与糠醛渣单元在湿地水流的方向上先后设置形成用于人工湿地的组合基质填充物。

优选地，所述钢渣单元选择粒径为10～25mm的钢渣制备而成。

优选地，所述糠醛渣单元选择粒径为1～5mm的糠醛渣制备而成。

本发明的另一目的在于提供一种高效除磷人工湿地系统，所述人工湿地系统包括具有进水口和出水口的外围防渗层，其特征在于：所述人工湿地系统为水平潜流湿地系统，在水流方向上的至少部分空间内先后设置钢渣单元和糠醛渣单元，所述钢渣单元和糠醛渣单元之间的体积配比为1:1～2:1，且所述钢渣单元和糠醛渣单元之间设有透水隔离结构。

优选地，所述透水隔离结构为透水花墙或格栅。

优选地，在所述水平潜流湿地系统的进水口和出水口之间沿水流方向上，依次设有砾石布水单元、钢渣单元、糠醛渣单元、碎石集水单元，并在各个单元之间设置透水隔离结构。

优选地，所述砾石布水单元中的砾石粒径为30～5mm并沿着水流方向由大到小递减设置。

优选地，所述碎石集水单元设置在出水口处，其中的碎石粒径为5～20mm并沿着水流方向由小到大递增设置。

优选地，所述人工湿地系统的底部设有碎石层，人工湿地系统的顶部设有种植层。

本发明的又一目的在于提供一种通过人工湿地系统进行高效除磷的方法，所述方法包括如下步骤：A、制备上述的高效除磷的人工湿地组合基质；B、制造并完成上述高效除磷人工湿地系统；C、关闭出水口，在污水进入人工湿地系统的湿地床并待水位上升至淹没钢渣单元和糠醛渣单元后停止进水；D、经36～72h后，使钢渣与糠醛渣充分反应令糠醛渣改性；E、开启进水口及出水口，使所述人工湿地系统正常运行。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明在人工湿地污水处理系统中，使用钢渣-糠醛渣组合基质作为复合基质填料，可高效并长效针对含磷污水进行处理，该人工湿地系统中的基质不易堵塞，能够以废治废，可以显著降低污水运行的处理成本，实现社会效益、经济效益及环境效益的统一。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明人工湿地系统的结构示意图；

图中：

1～进水口；2～出水口；3～外围防渗层；4～钢渣单元；5～糠醛渣单元；6～透水隔离结构；7～砾石布水单元；8～碎石集水单元；9～碎石层；10～人工湿地系统；11～种植层；A～水流方向。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明提供了一种高效除磷的人工湿地组合基质、人工湿地系统及除磷方法，在本实施例高效除磷的人工湿地组合基质中，所述人工湿地组合基质包括体积配比为1:1～2:1钢渣单元与糠醛渣单元。

优选地，所述钢渣单元选择粒径为10～25mm的钢渣制备而成；钢渣主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰等的氧化物组成，主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等；并且钢渣有多孔的物理特征，具有优越的吸附效果和很好的还原特性，能够有效去除污水中的污染物，并且钢渣对磷的吸附量和最大吸附速率均远高于页岩陶粒、砾石、沸石等，是优质、长效的高吸附性人工湿地除磷基质。

优选地，所述糠醛渣单元选择粒径为1～5mm的糠醛渣制备而成；糠醛渣是以玉米芯、秸秆、花生壳、甘蔗渣等农副产品的下脚料为原料，经高温水解提取化工原料糠醛后得到的固体废渣，经分析，糠醛渣中含有40％以上的纤维素，具有较大的比表面积和丰富的微孔结构，对水中的磷有很好的吸附作用，而且其来源广泛、价格低廉，将其用于污水处理可以达到以废治废的目的；并且可通过化学改性的方式使其具有更强、更多的活性基团。在糠醛渣上引入具有碱性或鳌合性的离子基团，这在很大程度上可以改变糠醛渣原有的性质，使其具有离子交换树脂的特点，同时具有蓬松的结构，使吸附剂既具有活性炭的吸附能力，又比吸附树脂更易再生，而且稳定性高。

在本实施例中，制造并完成高效除磷人工湿地系统10，如图1所示；将上述钢渣单元4与糠醛渣单元5在湿地水流的方向上先后设置形成用于人工湿地系统10的组合基质填充物；水流方向应设置为由钢渣单元4流入糠醛渣单元5，如图1中水流方向A所示，这样的设置有利于对糠醛渣的改性。

本实施例中，在污水进入前，关闭出水口2，在污水进入人工湿地系统的湿地床并待水位上升至淹没钢渣单元4和糠醛渣单元5后停止进水；经36～72h后，使钢渣与糠醛渣充分反应令糠醛渣改性。

本发明产生上述技术效果的工作原理为：

由于钢渣属于碱性集料，其中所含的游离钙、镁氧化物与水或湿气反应可转化为氢氧化物，可造成水质二次污染，且无法正常种植湿地植物，影响了其在人工湿地中的推广应用。糠醛渣由于经过高温硫酸蒸煮水解，纤维素的网状结构和分子内的羟基基本被破坏，吸附能力减弱。且糠醛渣中还含有少量的酸类，应用于污水处理也有二次污染的危险。

本发明中钢渣的碱性可通过与糠醛渣的酸性中和得到缓解，而钢渣中所含的钙镁氧化物与水反应产生的氢氧化物，恰好可应用于糠醛渣的改性。所以，经过二者的充分反应，糠醛渣经过改性恢复高吸附力，钢渣的碱性也可经过中和而无害化。因此，钢渣-糠醛渣混合基质可作为一种优质高效的除磷人工湿地基质组合。

实施例2

在本实施例中，提供了一种高效除磷人工湿地系统10，如图1所示，所述人工湿地系统10包括具有进水口1和出水口2的外围防渗层3，所述人工湿地系统10为水平潜流湿地系统，在水流方向上的至少部分空间内先后设置钢渣单元4和糠醛渣单元5，所述钢渣单元4和糠醛渣单元5之间的体积配比为1:1～2:1，且所述钢渣单元4和糠醛渣单元5之间设有透水隔离结构6；所述透水隔离结构6为透水花墙或格栅；在所述水平潜流湿地系统的进水口1和出水口2之间沿水流方向上，依次设有砾石布水单元7、钢渣单元4、糠醛渣单元5、碎石集水单元8，并在各个单元之间设置透水隔离结构6；所述砾石布水单元7中的砾石粒径为30～5mm并沿着水流方向由大到小递减设置，经过层层过滤可清除相当一部分悬浮物等杂质，起到预处理作用，并可控制水流速度，增加水力停留时间。所述碎石集水单元8设置在出水口2处，其中的碎石粒径为5～20mm并沿着水流方向由小到大递增设置，能够防止糠醛渣外逸后随水流通过出水口；所述人工湿地系统的底部设有碎石层9，具有渗流、承托的作用，粒径选择为20～30mm；人工湿地系统的顶部设有种植层11，选用材料为土壤与细砂的混合物，种植层11中可以种植多种适宜植物，例如湿生植物等。

整个人工湿地系统工作之前，钢渣单元选择粒径为10～25mm的钢渣，糠醛渣单元选择粒径为1～5mm的糠醛渣，并且为提高糠醛渣的吸附作用及提供支撑力，以2:1～4:1的比例混合陶粒、砾石，由于糠醛渣粒径较小，为防止糠醛渣外逸至其他单元，需将上述混合物装入缝制好的透水无纺布口袋中，口袋长宽尺寸为0.3～0.5m×0.2～0.3m，将装满糠醛渣混合物的无纺布口袋整齐码放在湿地床内组成糠醛渣单元；在污水进入前，关闭出水口2，在污水进入人工湿地系统的湿地床并待水位上升至淹没钢渣单元4和糠醛渣单元5后停止进水；经36～72h后，使钢渣与糠醛渣充分反应令糠醛渣改性。

当然，对于本领域技术人员而言不难理解，也可以对糠醛渣进行造粒，即通过将糠醛渣造粒，形成8～20mm颗粒，再与陶粒或砾石以及钢渣混合，比例按照上述比例进行。

实施例3

在本实施例中，提供了一种通过人工湿地系统进行高效除磷的方法，所述方法包括如下步骤：

A、制备高效除磷的人工湿地组合基质；钢渣与糠醛渣的体积配比根据需要选择1:1～2:1；钢渣的比例根据污水中悬浮物的高低进行增减，悬浮物较高的污水应选择钢渣含量较高的配比；

B、制造并完成高效除磷人工湿地系统；水流方向应设置为由钢渣单元4流入糠醛渣单元5，如图1中水流方向A所示，这样的设置有利于对糠醛渣的改性。

C、关闭出水口2，在污水进入人工湿地系统的湿地床并待水位上升至淹没钢渣单元4和糠醛渣单元5后停止进水，以充分释放钢渣层碱性并在糠醛渣层进行中和及完成对糠醛渣的改性。

D、经36～72h后，使钢渣与糠醛渣充分反应令糠醛渣改性，可以根据湿地基质体积大小需要增加时间。

E、开启进水口1及出水口2，使所述人工湿地系统正常运行。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种高效除磷的人工湿地组合基质，其特征在于：所述人工湿地组合基质包括体积配比为1:1～2:1钢渣单元与糠醛渣单元，所述钢渣单元与糠醛渣单元在湿地水流的方向上先后设置形成用于人工湿地的组合基质填充物。

2.根据权利要求1所述的人工湿地组合基质，其特征在于：所述钢渣单元选择粒径为10～25mm的钢渣制备而成。

3.根据权利要求1所述的人工湿地组合基质，其特征在于：所述糠醛渣单元选择粒径为1～5mm的糠醛渣制备而成。

4.一种高效除磷人工湿地系统，所述人工湿地系统（10）包括具有进水口（1）和出水口（2）的外围防渗层（3），其特征在于：所述人工湿地系统（10）为水平潜流湿地系统，在水流方向上的至少部分空间内先后设置钢渣单元（4）和糠醛渣单元（5），所述钢渣单元（4）和糠醛渣单元（5）之间的体积配比为1:1～2:1，且所述钢渣单元（4）和糠醛渣单元（5）之间设有透水隔离结构（6）。

5.根据权利要求4所述的人工湿地系统，其特征在于：所述透水隔离结构（6）为透水花墙或格栅。

6.根据权利要求5所述的人工湿地系统，其特征在于：在所述水平潜流湿地系统的进水口（1）和出水口（2）之间沿水流方向上，依次设有砾石布水单元（7）、钢渣单元（4）、糠醛渣单元（5）、碎石集水单元（8），并在各个单元之间设置透水隔离结构（6）。

7.根据权利要求6所述的人工湿地系统，其特征在于：所述砾石布水单元（7）中的砾石粒径为30～5mm并沿着水流方向由大到小递减设置。

8.根据权利要求6所述的人工湿地系统，其特征在于：所述碎石集水单元（8）设置在出水口（2）处，其中的碎石粒径为5～20mm并沿着水流方向由小到大递增设置。

9.根据权利要求4所述的人工湿地系统，其特征在于：所述人工湿地系统的底部设有碎石层（9），人工湿地系统的顶部设有种植层（11）。

10.一种通过人工湿地系统进行高效除磷的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

A、制备权利要求1～3中任意一项权利要求所述的高效除磷的人工湿地组合基质；

B、制造并完成权利要求4～9中任意一项权利要求所述的高效除磷人工湿地系统；

C、关闭出水口（2），在污水进入人工湿地系统的湿地床并待水位上升至淹没钢渣单元（4）和糠醛渣单元（5）后停止进水；

D、经36～72h后，使钢渣与糠醛渣充分反应令糠醛渣改性。

E、开启进水口（1）及出水口（2），使所述人工湿地系统正常运行。

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