CN103708621B

CN103708621B - 一种组合人工湿地系统及其污水处理方法

Info

Publication number: CN103708621B
Application number: CN201310721638.XA
Authority: CN
Inventors: 任洪强; 许明; 丁丽丽; 许柯; 肖椿
Original assignee: Nanjing University; Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science
Current assignee: Nanjing University; Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103708621A

Abstract

本发明公开了一种组合人工湿地系统及其污水处理方法，属于污水处理领域。一种组合人工湿地系统，它包括依次连接的三级湿地，即第一级采用表面流-潜流复合流湿地、第二级采用水平潜流湿地、第三级采用垂直潜流湿地；所述的表面流-潜流复合流湿地包括第一箱体，水平潜流湿地包括第二箱体，垂直潜流湿地包括第三箱体，第一、二、三箱体内均设置有钙铝混合型填料层，钙铝混合型填料为含铝污泥与石灰混合烧制而成，含铝污泥与石灰的质量比为1:1，在600℃条件下焙烧2h。本发明的系统和方法能高效去除尾水中COD_Cr、氨氮、总氮、总磷及氟类污染物，出水指标均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类。

Description

一种组合人工湿地系统及其污水处理方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种用于处理化工园区污水处理厂尾水的组合潜流人工湿地系统及废水的处理方法。

背景技术

根据污水在系统中流动方式的差异，人工湿地污水处理系统可分为表面流(SFCW)和潜流(SSFCW)两种类型，后者又分水平流(HSSFCW)和垂直流(VSSFCW)两种布水方式，也有的把布水方式设计成波形流动(WSSFCW)。

人工湿地对BOD、COD_Cr、SS及污染细菌的去除率可达90%以上，但对氮磷的去除率较低且不稳定。目前人工湿地应用中存在问题主要是人工湿地净化城镇污水处理厂尾水氮、磷去除难度较大。进水水质不合理的构成和冬季低温给城镇污水处理厂出水TN的稳定达标带来挑战。调研发现，在一些含工业废水的城镇污水厂的进水中，不能被氨化和生物降解的特殊含氮有机物的含量高达10mg/L以上，城镇污水处理厂进水TN构成中，不可氨化的有机氮一般约为30%，因此严重影响了城镇污水处理厂出水TN的达标。太湖流域将近50%的城镇污水处理厂为了反硝化脱氮而需投加外加碳源。低温条件致使污水处理系统中微生物数量减少，活性降低。太湖流域污水处理技术攻关成果表明，该流域污水处理厂污水的最低温度在10℃左右，当冬季水温低于15℃时，生物脱氮效果及活性污泥的硝化反硝化性能受低温的影响开始明显，城镇污水处理厂出水TN达标的难度增大。

公开号：1583604，公开日：2005-02-23，申请人：华南农业大学的中国专利文件公开了一种生活污水垂直流-水平流复合人工湿地脱氮除磷方法，该方法按垂直流人工湿地在前，水平流人工湿地在后的顺序串联起来组成复合人工湿地，生活污水首先经垂直流人工湿地，再通过水平流人工湿地，并使部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地以补充碳源；在垂直流和水平流人工湿地中都填充高效除磷基质，并在垂直流人工湿地基质上种植陆生花卉和鲜切花卉，在水平流人工湿地基质上种植蔬菜。其不足之处在于：（1）垂直流直接进水容易发生床体堵塞，研究表明，悬浮物尤其是无机悬浮物、截留但未被降解的有机悬浮物是堵塞的主要原因，堵塞过程基本发生在垂直流湿地填料的中上层。因此，增大潜流湿地进水接触面积可以有效分散悬浮物在床体的累积，同时，进一步强化潜流湿地复氧能力，提高湿地对截留有机物的降解，进而缓解垂直流湿地的堵塞作用；（2）部分尾水经水平潜流湿地处理后直接排放，由于水平潜流湿地复氧能力不强，尾水中氨氮未能有效被硝化直接排出，削弱了组合人工湿地去除氨氮、总氮能力。

发明内容

1、要解决的技术问题

针对现有技术中存在的化工园区污水处理厂尾水水质水量波动大、可生化性差、低BOD₅/N等问题，本发明提供了一种组合人工湿地系统及其污水处理方法，能高效去除尾水中COD_Cr、氨氮、总氮、总磷及氟类污染物，出水指标均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类。

2、技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种组合人工湿地系统，它包括依次连接的三级湿地，即第一级采用表面流-潜流复合流湿地、第二级采用水平潜流湿地、第三级采用垂直潜流湿地；

所述的表面流-潜流复合流湿地包括第一箱体，水平潜流湿地包括第二箱体，垂直潜流湿地包括第三箱体，第一、二、三箱体内均设置有钙铝混合型填料层，所述的钙铝混合型填料为含铝污泥与石灰混合烧制而成，含铝污泥与石灰的质量比为1:1，在600℃条件下焙烧2h。

优选地，所述的第一箱体内设倒置的梯形槽，上宽下窄，梯形槽内从上至下依次为芦苇、钙铝混合型填料层，第一进水配水管设置在第一箱体的侧壁上部；所述梯形槽的底部设置有出水集水管和第一出水管，所述的第一出水管的出水端接入所述的水平潜流湿地的上方。

优选地，所述的第二箱体内竖直设置有两个进水配水多孔隔板，两个进水配水多孔隔板与所述的第二箱体的侧壁之间分别形成进水集水区和第一出水集水区，两进水配水多孔隔板之间从上至下依次为芦苇、钙铝混合型填料层和砂石填料层，所述的第一出水集水区侧壁上设置有第二出水管。

优选地，所述的第三箱体的上部设置有第二进水配水管，所述的第二进水配水管的进水端与所述的第二出水管连接，在第二进水配水管上设置有垂直于第二进水配水管且位于水平面内的垂直竖管，垂直竖管上设置有若干孔，所述的第三箱体内从上到下依次为芦苇、钙铝混合型填料层和砂石填料层，所述的第三箱体与第二出水集水区相接，所述的第二出水集水区的底部设置有第三出水管。

优选地，所述的表面流-潜流复合流湿地、水平潜流湿地和垂直潜流湿地表面种植的芦苇的密度为16株/m²。

一种组合人工湿地系统的污水处理方法，其步骤为：

化工园区污水处理厂尾水采用分段连续进水方式，进水管路将尾水送至表面流-潜流复合流湿地，其中，部分尾水直接送至水平潜流湿地，所述的表面流-潜流复合流湿地与水平潜流湿地的进水流量比为8:2；

经步骤（1）表面流-潜流复合流湿地处理后的污水再依次通过水平潜流湿地及垂直潜流湿地，达到同时强化表面流-潜流复合流湿地与水平潜流湿地的硝化、反硝化的目的。

优选地，待处理的工业园区污水处理厂尾水水质情况为：步骤（1）中所述的化工园区污水处理厂尾水水质情况为：COD_Cr=36.68±4.30mg/L，BOD₅=7.34±1.22mg/L，NH₄ ^+-N=1.76±0.30mg/L，TN=3.39±0.62mg/L，TP=0.052±0.018mg/L，F^-=5.44±2.95mg/L。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的优点是：

（1）本发明中组合人工湿地系统包括表面流-潜流复合流湿地、水平潜流湿地及垂直潜流湿地三级串联而成，第一级表面流-潜流复合流湿地中进水与湿地三面接触，有效增大进水与湿地的接触面积，另外，由于水在表面流动，水与空气之间发生氧传质过程，复合流湿地具有很强的复氧能力，为尾水中氨氮反生硝化反应提供环境，同时去除尾水中大部分有机物，有效缓解潜流易堵塞问题，保证人工湿地系统长期稳定运行，提高人工湿地对COD_Cr、氨氮、硝态氮和总氮的去除效果；

第二级水平潜流湿地由于其自身水力疏导不好，带氧能力差，容易形成厌氧区域，易于形成有利于微生物进行反硝化的缺氧条件，可去除垂直潜流湿地出水中硝态氮，进而达到脱氮作用，稳定出水水质；

第三级垂直潜流湿地用于去除水平潜流湿地分流进水中的氨氮，同时进一步降解二级湿地出水中有机物，稳定出水水质；

（2）湿地所使用的钙铝混合型填料由废弃含铝污泥与石灰混合烧制而成，含铝污泥与石灰比例为1:1，在600℃条件下焙烧2h，以去除污泥中有机物及微生物，屏蔽其对尾水水质的影响。采用本发明的填料可有效去除尾水中磷及氟化物。人工湿地中磷的去除主要是通过填料吸附、化学沉淀、微生物和植物摄取以及与有机质结合发生的。氟的去除主要是吸附法及沉淀法，其中铝盐、钙盐是常用化学试剂。填料中阳离子交换量（CEC）、交换性钙、镁、铝、铁与磷吸附量及氟吸附量之间均存在着正相关关系，钙铝混合型填料元素分析结果表明，填料中主要含有钙、铝、镁、铁等金属元素，其中钙、铝元素分别占20.5%，19.8%。磷与氟的去除效果与填料的物理性质也有关系，其吸附量与填料的孔隙度、80%颗粒通过的粒径（D₈₀）和不均匀系数（K₈₀）呈正相关关系；这意味着单就除磷、除氟效果考虑，选择D₈₀和K₈₀较大的填料较好；这是因为大小混杂，不均匀的填料颗粒可以延长其与污水的接触时间，从而有利于填料对磷、氟的吸附；钙铝混合型填料的D₈₀和K₈₀分别是5.85，60.24。因此，与其他填料相比，本发明中的钙铝混合型填料在除磷及除氟方面有明显优势；

（3）本发明中采用多点进水方式，分别在一级垂直潜流湿地与二级水平潜流湿地进水，进水流量比为8:2。在该进水比例下，水平潜流湿地支流进水可提供反硝化反应所需合适的碳源，提高湿地系统脱氮性能。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为图1中的第一级表面流-潜流复合湿地的放大结构示意图；

图3为图1中的第二级水平潜流湿地的放大结构示意图；

图4为图1中的第三级垂直潜流湿地的放大结构示意图。

图中：1、表面流-潜流复合流湿地；11、第一箱体；12、梯形槽；13、第一进水配水管；14、出水集水管；15、第一出水管；16、芦苇；17、钙铝混合型填料层；

2、水平潜流湿地；21、第二箱体；22、进水配水多孔隔板；23、进水集水区；24、第一出水集水区；25、第二出水管；26、砂石填料层；

3、垂直潜流湿地；31、第三箱体；32、垂直竖管；33、第二出水集水区；34、第三出水管；35、第二进水配水管。

具体实施方式

以下将结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步详细介绍。

如图1所示，本发明装置主要包括三级潜流湿地：第一级表面流-潜流复合流湿地1、第二级水平潜流湿地2及第三级垂直潜流湿地3。

如图2，表面流-潜流复合流湿地1的第一箱体11具体尺寸长×宽×高为70cm×70cm×100cm，第一进水配水管13为亚克力管，其中，总管直径DN32，湿地内设梯形槽12，该梯形槽12上宽下窄。梯形槽12内的填料为钙铝混合型填料层17，厚800mm，粒径8-15mm，填料上种植有芦苇16。出水集水管14管径DN32，分布方式“T”形状分布，第一出水管15为亚克力管，直径DN32。

如图3，第二级水平潜流湿地2的第二箱体21具体尺寸长×宽×高为100cm×50cm×70cm，进水配水多孔隔板22的穿孔布置为穿孔间隔5cm，尺寸为10。两个进水配水多孔隔板22与第二箱体21的侧壁之间分别形成进水集水区23和第一出水集水区24。第一出水集水区24具体尺寸长×宽×高为25cm×50cm×70cm，两进水配水多孔隔板22之间的钙铝混合型填料层17的厚度为350mm，砂石填料层26的填料层厚为150mm。钙铝混合型填料层17上种植有芦苇16。第一出水集水区24侧壁上设置有第二出水管25。

如图4，第三级垂直潜流湿地3的第三箱体31具体尺寸长×宽×高为70cm×70cm×100cm，第二进水配水管35使用亚克力管，其中总管直径DN32，每间隔8cm向上45°开5圆孔，垂直竖管32使用直径DN32的亚克力管，沿高度每隔8cm打两个直径5小孔，通过开孔交错布置，保证布水均匀，进而提高垂直潜流湿地3净化效果。第二出水集水区33具体尺寸长×宽×高为30cm×70cm×100cm，第三出水管34为DN50，钙铝混合型填料层17厚600mm，粒径8-15mm，砂石填料层26厚200mm，粒径40-50mm。上述三级湿地内所使用的钙铝混合型填料均由废弃含铝污泥与石灰混合烧制而成，含铝污泥与石灰比例为1:1，在600℃条件下焙烧2h。

上述的组合人工湿地系统的污水处理方法，其步骤为：

（1）化工园区污水处理厂尾水采用分段连续进水方式，首先经第一级表面流-潜流复合流湿地1的第一进水配水管13进入到第一箱体11，水流一方面以表面流形式流过湿地床，接着以潜流形式流入钙铝混合型填料层17中，在填料、微生物、芦苇16共同作用下，尾水中氨氮、有机物、总磷及氟化物得到部分去除，处理水由第一出水管15流出复合流湿地；

（2）一级处理水由进水配水多孔隔板22进入到第二箱体21中，水流以水平流形式经过钙铝混合型填料层17及砂石填料层26，同时部分尾水直接进入到水平潜流湿地2，尾水中部分有机物及硝态氮在微生物作用下得到去除；

（3）二级处理水由第二出水管25进入到垂直潜流湿地3的第三箱体31，水体以向下流形式流经钙铝混合型填料层17及砂石填料层26，二级处理水中氨氮得到有效去除，有机物得到进一步降解，出水水质稳定。同时，经过三级湿地处理后，尾水中氟化物及总磷在钙铝混合型填料多级吸附过程中得到去除。

采用上述组合潜流人工湿地系统处理某化工园区污水处理厂含氟尾水，进水水质为COD_Cr=36.68±4.30mg/L，BOD₅=7.34±1.22mg/L，NH₄ ^+-N=1.76±0.30mg/L，TN=3.39±0.62mg/L，TP=0.05±0.018mg/L，F^-=5.44±2.95mg/L。采用的运行条件为：多段进水流量分配比为8:2，水力负荷为0.4m³/m²·d。处理效果：主要污染物COD_Cr、BOD₅、NH₄ ⁺-N，、TN、TP、F^-出水浓度9.28±1.59mg/L、0.25±0.04mg/L、0.08±0.02mg/L、0.37±0.06mg/L、0.002±0.001mg/L，0.46±0.07mg/L，其去除率分别为74.7%、97.6%、95.3%、89.2%、95.8%、95%。出水指标均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类。

Claims

1.一种组合人工湿地系统，其特征在于，它包括依次连接的三级湿地，即第一级采用表面流-潜流复合流湿地（1）、第二级采用水平潜流湿地（2）、第三级采用垂直潜流湿地（3）；

所述的表面流-潜流复合流湿地（1）包括第一箱体（11），水平潜流湿地（2）包括第二箱体（21），垂直潜流湿地（3）包括第三箱体（31），第一、二、三箱体内均设置有钙铝混合型填料层（17），所述的钙铝混合型填料为含铝污泥与石灰混合烧制而成，含铝污泥与石灰的质量比为1:1，在600℃条件下焙烧2h。

2.根据权利要求1所述的组合人工湿地系统，其特征在于，所述的第一箱体（11）内设倒置的梯形槽（12），上宽下窄，梯形槽（12）内从上至下依次为芦苇（16）、钙铝混合型填料层（17），第一进水配水管（13）设置在第一箱体（11）的侧壁上部；所述梯形槽（12）的底部设置有出水集水管（14）和第一出水管（15），所述的第一出水管（15）的出水端接入所述的水平潜流湿地（2）的上方。

3.根据权利要求1或2所述的组合人工湿地系统，其特征在于，所述的第二箱体（21）内竖直设置有两个进水配水多孔隔板（22），两个进水配水多孔隔板（22）与所述的第二箱体（21）的侧壁之间分别形成进水集水区（23）和第一出水集水区（24），两进水配水多孔隔板（22）之间从上至下依次为芦苇（16）、钙铝混合型填料层（17）和砂石填料层（26），所述的第一出水集水区（24）侧壁上设置有第二出水管（25）。

4.根据权利要求3所述的组合人工湿地系统，其特征在于，所述的第三箱体（31）的上部设置有第二进水配水管（35），所述的第二进水配水管（35）的进水端与所述的第二出水管（25）连接，在第二进水配水管（35）上设置有垂直于第二进水配水管（35）且位于水平面内的垂直竖管（32），垂直竖管（32）上设置有若干孔，所述的第三箱体（31）内从上到下依次为芦苇（16）、钙铝混合型填料层（17）和砂石填料层（26），所述的第三箱体（31）与第二出水集水区（33）相接，所述的第二出水集水区（33）的底部设置有第三出水管（34）。

5.根据权利要求3所述的组合人工湿地系统，其特征在于，所述的表面流-潜流复合流湿地（1）、水平潜流湿地（2）和垂直潜流湿地（3）表面种植的芦苇（16）的密度为16株/m²。

6.一种权利要求1所述的组合人工湿地系统的污水处理方法，其步骤为：

（1）化工园区污水处理厂尾水采用分段连续进水方式，进水管路将尾水送至表面流-潜流复合流湿地（1），其中，部分尾水直接送至水平潜流湿地（2），所述的表面流-潜流复合流湿地（1）与水平潜流湿地（2）的进水流量比为8:2；

（2）经步骤（1）表面流-潜流复合流湿地（1）处理后的污水再依次通过水平潜流湿地（2）及垂直潜流湿地（3），达到同时强化表面流-潜流复合流湿地（1）与水平潜流湿地（2）的硝化、反硝化作用的目的。

7.根据权利要求6所述的组合人工湿地系统的污水处理方法，其特征在于，步骤（1）中所述的化工园区污水处理厂尾水水质情况为：COD_Cr=36.68±4.30mg/L，BOD₅=7.34±1.22mg/L，NH₄ ^+-N=1.76±0.30mg/L，TN=3.39±0.62mg/L，TP=0.052±0.018mg/L，F^-=5.44±2.95mg/L。