CN103693811B - 一种移动式微型电解湿地污水处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种移动式微型电解湿地污水处理方法及系统。该系统包括预处理单元（1）、安装有石墨颗粒阳极电解槽（18）的下流式强化湿地区（2）、设置有铁屑阳极电解槽（19）的电解强化脱磷区（3）和设计有铁屑阴极电解槽（20）的上流式反硝化强化湿地区（4），分别强化去除悬浮固体、有机物/氨氮、磷化物和硝态氮。其中所述电解槽均为独立的推拉式抽屉箱体，并与低压稳压电源（14）相连；湿地床填料为轻质纤维球滤料；且系统配有移动滚轮（11）。本发明针对农村地区经济落后和污水源分散等特点，开发了一套简便易行、高效经济、美化环境、分散式就地处理的污水处理方法及系统。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种移动式微型电解湿地污水处理方法及系统。
背景技术
近年来，为推进城市化进程，提高农村居民生活质量，农村供水工程已逐步实施，然而，农村排水工程却一直被忽视，农村生活污水绝大部分不经任何处理直接排入河道或排出室外空地后任其渗入地下，少部分经化粪池简单处理后渗入地下，严重污染地表水和地下水。水资源短缺和水污染严重地制约着我国国民经济的健康持续发展，基础设施滞后和管理水平低下抑制了农村地区居民生活质量的改善和提高，农村地区的水环境治理成为我国环境综合治理的重要组成部分。因此，为进一步推动我国社会主义新农村的建设进程和保障农村生态环境的可持续发展，根据农村地区经济落后和污水源分散等特点，开发简便易行、高效经济、美化环境、分散式就地处理的农村污水净化技术至关重要。
人工湿地污水处理技术是一种通过模拟自然湿地而人为设计和建造的具有可控性和工程化特点的生态污水净化技术，主要以基质、植物和微生物通过物理、化学及生物作用协同完成对污水的净化。以其建设运营成本低、净化效果好等特点近年来受到了广泛关注。人工湿地污水处理模式适合我国国情，在农村以及中小城镇的污水处理中具有广阔的应用前景。但其仍面临占地面积大、水力停留时间长、处理效率低等一系列问题。
湿地床体内的氧环境及其复氧能力与有机物、氨氮等污染物的降解去除密切相关，直接影响湿地的正常运转及净化效果。然而，水平流和垂直流人工湿地作为目前应用较为广泛的人工湿地，其有限的富氧能力和较差的氧环境使得氨氮的硝化过程成为系统脱氮的关键限速步骤。传统的水平潜流人工湿地，由于基质长时间处于饱和淹没状态，植物根系泌氧和大气扩散输氧成为复氧的主要来源，但大气扩散输氧受湿地基质阻滞严重，且湿地植物根部泌氧量有限，湿地床体表现为缺氧状态。垂直流人工湿地床中水流在重力作用下在基质中非饱和流动时可加强湿地床体的氧传输能力，但大量有机物的氧化分解与氨氮的氧化去除对氧的需求仍无法充分满足。曝气人工湿地和潮汐流人工湿地等新型强化人工湿地在很大程度上提高了湿地床体的复氧能力。虽然较好的复氧能力强化了硝化过程的发生，然而这种好氧环境却抑制了反硝化过程的发生，使得湿地床系统出水中富集大量的硝态氮，直接限制了总氮的彻底脱除。
污水除磷一直是水处理领域的一个重要课题，磷在人工湿地中的去除主要通过植物吸收、微生物活动以及基质的吸附、络合和沉淀等。植物吸收和微生物活动对磷的去除贡献不大，基质的吸附和沉淀占除磷总量的70%～80%。而人工湿地床的主体填料多采用建筑砂和砾石，对可溶性磷酸盐的吸附能力很低。虽然近年来许多专家学者致力于筛选和研发对可溶性磷酸盐吸附能力较高的填料(方解石和钢渣等)，但难收集、价格高等问题依然限制着这些新型材料在人工湿地污水处理领域的广泛应用。
电解污水处理技术是近年来国内外污水处理领域的研究热点之一，通过牺牲铁/铝阳极产生絮凝剂与污水中磷酸盐进行沉淀是一种行之有效的手段。同时，电解除磷过程中产生的氢气是一种良好的电子供体。研究显示，低碳源条件下以氢气为电子供体的反硝化作用可以实现对污水中硝酸盐的有效去除。但是单独利用电解法对污水中的有机物和营养盐等污染物质进行去除，设备要求高，能量损耗大，运行成本极高，很难在经济发展水平有限的广大农村进行推广。
人工湿地相对建设成本低、运行维护简单，对有机物和氨氮具有良好的去除效果，但是由于氧环境及碳源条件的限制导致总氮去除效果受到影响，湿地基质对磷酸盐较低的吸附能力制约了人工湿地对污水中磷化物的去除；电解方法可以有效实现对污水中磷酸盐的去除，同时具备低碳源条件下提供电子供体的潜能，但是该技术能量损耗大，运行成本和设备需求都很高，不适用于广大农村地区。为了充分发挥两种技术的优势，本发明将人工湿地污水处理技术和电解法污水处理技术相结合，设计了一种移动式微型电解湿地污水处理方法及系统，具备简便易行、高效经济、美化环境、分散式就地处理的特点。
发明内容
本发明提供一种移动式微型电解湿地污水处理方法及系统，该系统中污水首先进入预处理单元进行沉淀和过滤，然后依次经过下流式好氧强化湿地区、电解强化脱磷区以及上流式反硝化强化湿地区。通过利用湿地植物、基质、微生物及电解产物的协同作用实现对污水中有机物、氮和磷的高效去除，大大缩小了传统人工湿地面积。湿地基质采用比表面积大且密度较低的轻质纤维球滤料并在系统底部设计安装了移动滚轮，使得该移动式微型电解湿地污水处理系统轻便灵活，可根据季节变化、保温需求及不同场合的需要进行移动。
实现上述方法的移动式微型电解湿地污水处理方法及系统包括预处理单元1，下流式强化湿地区2，电解强化脱磷区3，上流式反硝化强化湿地区4，进水口5，排水管6，排泥孔7，沉渣区8，进水管9，镂空板10，移动滚轮11，进水泵12，连接管13，低压稳压电源 14，正极接线柱15，负极接线柱16，导线17，石墨颗粒阳极电解槽18，铁屑阳极电解槽19，铁屑阴极电解槽20，过滤网21，湿地植物22和排磷泥口23。
污水首先在预处理单元1中进行初步沉淀和过滤，去除污水中的悬浮固体，底部沉渣通过排泥孔7进行定期清除。预处理后的污水在进水泵12的作用下通过进水管9进行提升，流经下流式强化湿地区2，该区域基质的不饱和状态保证了湿地床具备较好的氧环境，同时底部永久淹没的石墨颗粒阳极电解槽18内的石墨颗粒在电流作用下产生的氧气随着上浮力的作用经过整个下流式强化湿地区2，强化该湿地区氧环境，提高氨氮和有机物的去除效率。随后污水进入下流式强化湿地区2下部的电解强化脱磷区3，本区域主要利用铁屑阳极电解槽19内的铁屑在电流的作用下产生的Fe2+强化磷酸盐去除，铁离子一方面可直接与磷酸根形成沉淀物质，一方面可形成氢氧化铁和氢氧化亚铁胶体，对污水中的磷酸盐进行絮凝沉淀去除，沉淀物质最终在底面倾斜的沉渣区8聚集，经长期运行后可通过排磷泥口23定期清理，实现磷酸盐的永久性高效去除。最后污水通过连接管13进入铁屑阴极电解槽20，流经上流式反硝化强化湿地区4进行硝酸盐的强化去除，上流式反硝化强化湿地区4的液面与排水管6上端液面齐平，使得该区域处于厌氧状态，为反硝化细菌提供了良好的生存环境；同时在电流的作用下，铁屑阴极电解槽20可产生氢气作为反硝化过程的电子供体，在碳源不足或大部分有机物在下流式强化湿地区2去除的条件下，本区域内的反硝化作用依然具有充足的电子供体，最终实现总氮的高效脱除。处理后的污水经排水管6排出系统。石墨颗粒阳极电解槽18，铁屑阳极电解槽19以及铁屑阴极电解槽20均为独立的推拉式抽屉箱体，工作时由橡胶圈和扣锁密封固定，便于电解材料的更换及维护。本系统占地面积为处理同等污水量传统人工湿地面积的十分之一，湿地基质材料为比表面积大且密度较低的轻质纤维球滤料，并在底部设有移动滚轮11，轻便灵活，可以根据季节变化、保温需求及不同场合的需要进行移动，同时湿地床区顶部种植的湿地植物22还可作为盆景美化环境。
本发明的上述基本实施方案和优选实施方案具有以下有益效果：
（1）本发明中，将人工湿地污水处理技术与电解污水处理技术结合为一个整体，充分利用湿地植物、基质、微生物及电解产物的协同作用实现对污水中有机物、氮和磷的高效去除；同时利用连接管13将电解过程的阴阳两极相连通，即实现了电解闭合回路，同时又避免了由于电解过程两极产物易混合而导致的不同湿地区氧化还原环境的交叉破坏。
（2）本发明中，下流式强化湿地区2的非饱和状态保证了良好的氧环境，同时底部的石墨颗粒阳极电解槽18内的石墨颗粒在电流作用下产生的氧气随着上浮力的作用经过整个 非饱和湿地区，强化了湿地床的氧环境，进而增强氨氮和有机物的去除效率。
（3）本发明中，电解强化脱磷区3饱和淹没，利用铁屑阳极电解槽19内的铁屑在电流的作用下产生Fe2+，可直接与磷酸根形成沉淀，或者形成氢氧化铁和氢氧化亚铁胶体，对污水中的磷酸盐进行絮凝沉淀，实现磷酸盐的高效永久性去除。沉淀物质在底部倾斜的沉渣区8聚集，可通过排磷泥口23将其定期清理排出。
（4）本发明中，上流式反硝化强化湿地区4的液面与排水管6上端液面齐平，使得该区域处于厌氧状态，为反硝化细菌提供了良好的生存环境，同时在电流作用下，铁屑阴极电解槽20内可以产生氢气作为电子供体强化低碳源条件下反硝化过程的进行，最终实现总氮的高效脱除。
（5）本发明中，石墨颗粒阳极电解槽18和铁屑阳极电解槽19分层安装，实现了电解产氧气促进氨氮和有机物的氧化去除以及电解产生Fe2+促进磷酸盐沉淀的同步分区进行，提高系统可调控性。
（6）本发明中，石墨颗粒阳极电解槽18，铁屑阳极电解槽19以及铁屑阴极电解槽20均为独立的推拉式抽屉箱体，工作时由橡胶圈和扣锁密封固定，便于电解材料的更换及维护。
（7）本发明中，系统对于轻质纤维球滤料的利用及底部移动滚轮11的设计，使得移动式微型电解湿地污水处理系统轻便灵活，可以根据季节变化、保温需求及不同场合的需要进行移动。
（8）本发明中，石墨颗粒阳极电解槽18、铁屑阳极电解槽19以及铁屑阴极电解槽20构成的电解系统受定时继电器控制，并设置低压稳压电源14，保证了操作的灵活性和安全性。
附图说明：
附图为一种移动式微型电解湿地污水处理方法及系统的示意图。
附图标记：
1.预处理单元 2.下流式强化湿地区
3.电解强化脱磷区 4.上流式反硝化强化湿地区
5.进水口 6.排水管
7.排泥孔 8.沉渣区
9.进水管 10.镂空板
11.移动滚轮 12.进水泵
13.连接管 14.低压稳压电源
15.正极接线柱 16.负极接线柱
17.导线 18.石墨颗粒阳极电解槽
19.铁屑阳极电解槽 20.铁屑阴极电解槽
21.过滤网 22.湿地植物
23排磷泥口 a.独立的推拉式抽屉电解槽构造示意图
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不构成对本发明的限制。
污水首先在预处理单元1中进行初步沉淀和过滤，去除污水中的悬浮固体，底部沉渣通过排泥孔7可进行定期清除。
预处理后的污水在进水泵12的作用下通过进水管9进行提升，流经下流式强化湿地区2，该区域的不饱和状态保证了湿地床具备较好的氧环境，同时底部永久淹没的石墨颗粒阳极电解槽18内的石墨颗粒在电流作用下产生的氧气随着上浮力的作用经过整个下流式强化湿地区2，强化该湿地区的氧环境，提高氨氮和有机物的去除效率。
随后污水进入下流式强化湿地区2下部的电解强化脱磷区3，本区域主要利用铁屑阳极电解槽19内的铁屑在电流的作用下产生的Fe2+强化磷酸盐去除，铁离子一方面可以直接与磷酸根形成沉淀物质，一方面可以形成氢氧化铁和氢氧化亚铁胶体，对污水中的磷酸盐进行絮凝沉淀去除，沉淀物质最终在底面倾斜的沉渣区8聚集，经长期运行后打开排磷泥口23对沉渣区8的沉淀物质进行定期清理，实现磷酸盐的永久性去除。
最后污水通过连接管13进入铁屑阴极电解槽20，流经上流式反硝化强化湿地区4进行硝酸盐的强化去除，上流式反硝化强化湿地区4的液面与排水管6上端液面齐平，使得该区域处于厌氧状态，为反硝化细菌提供了良好的生存环境；同时在电流的作用下，铁屑阴 极电解槽20可以产生氢气作为反硝化过程的电子供体，在碳源不足或大部分有机物在下流式强化湿地区2去除的条件下，本区域内的反硝化作用依然具有充足的电子供体，最终实现总氮的高效脱除。处理后的污水经排水管6排出系统。
石墨颗粒阳极电解槽18，铁屑阳极电解槽19以及铁屑阴极电解槽20均为独立的推拉式抽屉箱体，工作时由橡胶圈和扣锁密封固定，便于电解材料的更换及维护。
本系统占地面积为处理同等污水量传统人工湿地面积的十分之一，湿地基质材料为比表面积大且密度较低的轻质纤维球滤料，并在底部设有移动滚轮11，轻便灵活，可以根据季节变化、保温需求及不同场合的需要进行移动，同时湿地床区顶部种植的湿地植物22还可作为盆景美化环境。
以上结合附图详细描述了本发明的实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (8)
1.一种移动式微型电解湿地污水处理系统，其特征在于：该系统包括依次连通的预处理单元(1)、下流式强化湿地区(2)、电解强化脱磷区(3)和上流式反硝化强化湿地区(4)；其中所述预处理单元(1)中部安装过滤网(21)，通过进水管(9)与下流式强化湿地区(2)相通，电解强化脱磷区(3)位于下流式强化湿地区(2)下部；所述下流式强化湿地区(2)顶部种植湿地植物(22)，基质处于不饱和状态，底部永久淹没区安装石墨颗粒阳极电解槽(18)；所述电解强化脱磷区(3)饱和淹水并安装铁屑阳极电解槽(19)，且在下部设有底面倾斜的沉渣区(8)；所述上流式反硝化强化湿地区(4)饱和淹水，顶部种植湿地植物(22)，底部安装铁屑阴极电解槽(20)，污水通过连接管(13)进入铁屑阴极电解槽(20)；所述连接管(13)将电解过程的阴阳两极相连通，既实现了电解闭合回路，同时又避免了由于电解过程两极产物易混合而导致的不同湿地区氧化还原环境的交叉破坏。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述下流式强化湿地区(2)基质的非饱和状态保证了良好的氧环境，同时底部的石墨颗粒阳极电解槽(18)内的石墨颗粒在电流作用下产生的氧气随着上浮力的作用经过整个非饱和湿地区，强化了湿地床的氧环境，进而增强氨氮和有机物的去除效率。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电解强化脱磷区(3)饱和淹水，利用铁屑阳极电解槽(19)内的铁屑在电流的作用下产生Fe2+，可直接与磷酸根形成沉淀，或者形成氢氧化铁和氢氧化亚铁胶体，对污水中的磷酸盐进行絮凝沉淀，沉淀物质在底部倾斜的沉渣区(8)聚集，可通过排磷泥口(23)将其定期清理排出实现磷酸盐的高效永久性去除。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述上流式反硝化强化湿地区(4)的液面与排水管(6)上端液面齐平，使得该区域处于厌氧状态，为反硝化细菌提供了良好的生存环境，同时在电流作用下，铁屑阴极电解槽(20)内可产生氢气作为电子供体强化低碳源条件下反硝化过程的进行，最终实现总氮的高效脱除。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述石墨颗粒阳极电解槽(18)和铁屑阳极电解槽(19)分层安装，实现了电解产氧气促进氨氮和有机物的氧化去除以及电解产生Fe2+促进磷酸盐沉淀的同步分区进行，提高系统可调控性。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述石墨颗粒阳极电解槽(18)，铁屑阳极电解槽(19)以及铁屑阴极电解槽(20)均为独立的推拉式抽屉箱体，工作时由橡胶圈和扣锁密封固定，便于电解材料的更换及维护。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统对于轻质纤维球滤料的利用及底部移动滚轮(11)的设计，使得移动式微型电解湿地污水处理方法及系统轻便灵活，可根据季节变化、保温需求及不同场合的需要进行移动。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述石墨颗粒阳极电解槽(18)、铁屑阳极电解槽(19)以及铁屑阴极电解槽(20)构成的电解系统受定时继电器控制，并设置低压稳压电源(14)，保证了操作的灵活性和安全性。
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