CN103771586A - 去除水中病原微生物的人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统。本发明是用2块隔板将人工湿地床体分隔为3个单元，在分隔出的3个单元中平铺填充有复合填料，在第一个单元中自进水端开始由上至下填充的复合填料是沸石、无烟煤、钢渣和生物陶粒；在第二个单元中自进水端开始，由下至上填充的复合填料是生物陶粒、镁橄榄石和无烟煤；在第三个单元中自进水端开始，由上至下填充的复合填料是沸石和生物陶粒。进水沿隔板以“下行-上行-下行”的方式与复合填料充分接触，不仅能有效削减污水厂二级生化出水的入河氮磷负荷，而且可高效去除污水厂二级生化出水的病原微生物，降低受纳水体的病原微生物污染风险。

Description

去除水中病原微生物的人工湿地系统

技术领域

本发明属于水污染控制领域，特别涉及一种可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统。

背景技术

随着我国城市化进程的快速发展，城市需水量和污水排放量也日益增加。对于水资源短缺地区，非常规水源已逐渐成为城市河流的主要补给来源。以北京温榆河流域为例，主要以城市退水、上游来水和流域分散性污水等非常规水源补给为主，其中清河污水厂排水量与温榆河干流来水量之比达1.5（杨勇等，北京温榆河流域微生物污染调查研究[J].环境科学学报，2012,32(1):9-18）。目前我国河流的水质评价主要考虑常规理化指标，但以微生物为评价指标的研究表明，按照《地面水环境质量标准》(GB3838-2002)，IV和V类水体的粪大肠菌群（FC）浓度限值分别为2×10⁴个/L和4×10⁴个/L，全国各大水系均存在严重的微生物污染，其中黄河、海河、松花江、辽河及珠江水系FC（粪大肠菌群）浓度均超过10⁶个/L，长江和淮河FC也严重超标。污水厂排水是河流微生物污染的重要来源，尤其对于非常规水源补给为主的河流（如温榆河），其主要补充水源-清河污水厂排水中粪大肠菌群浓度达10⁷个/L，导致其下游粪大肠菌群均值达6.3×10⁶个/L以上，比V类水质标准（40000个/L）仍高出2个数量级，属于重度污染（杨勇等，北京温榆河流域微生物污染调查研究[J].环境科学学报,2012,32(1):9-18）。

水体中含有多种病原微生物，是传播疾病的重要媒介。据世界卫生组织统计，全世界每年有数百万人死于因不安全水而导致的疾病，其中大部分是儿童，主要原因是致病微生物感染。作为广为应用的生态方法-人工湿地技术，具有净化污染物效果好、投资少、运行费用低、耐冲击负荷能力强、维护管理简便和生态景观性能好等优点（Song Z et al.Seasonal and annualperformance of a full-scale constructed wetland system for sewage treatment inChina[J],Ecological Engineering,2006,26(3):272-282），是实现二级生化出水深度处理的有效手段。然而，目前人工湿地的研究与应用主要集中在去除水体的有机污染物和营养盐，却对病原微生物的污染控制重视不够。国外相关研究表明，人工湿地系统（单级湿地）对病原微生物的去除率约为65%～92.6%（Vymazal et al.，Removal of enteric bacteria in constructed treatment wetlandswith emergent macrophytes:a review[J],J Environ Sci Health A Tox Hazard SubstEnviron Eng,2005,40(6-7):1355-1367），但不同于常规污染物，当进水病原微生物浓度较高时，即使去除率高达92.6%，其出水中的病原微生物数目仍较多，这对人类健康仍构成了较大的潜在威胁。因此，在重视人工湿地去除高效有机污染物、氮磷营养盐的同时，人们迫切需要研发和应用能高效控制水中病原微生物的人工湿地系统，降低病原微生物给人类和环境带来的潜在安全风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统。

本发明的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统（如图1）是用2块隔板（如PVC隔板）将人工湿地床体分隔为3个单元，且第一块隔板与人工湿地床体的底部之间留有水流通过的水道，第二块隔板的顶部低于第一块隔板的顶部，且第二块隔板的底部与人工湿地床体的底部相连接；在由第一块隔板分隔出的第一个单元的上部设置有进水管，在由第二块隔板分隔出的第三个单元的底部设置有出水管；所述的第一个单元与所述的第三个单元之间为第二个单元。

所述的人工湿地系统，基于共同去除有机污染物、氮磷和病原微生物的目的，选用钢渣、无烟煤、沸石、镁橄榄石和生物陶粒五种填料填充于由2块隔板分隔出的3个单元的内部。其中钢渣和无烟煤对病原微生物有较好的吸附去除效果，且钢渣为工业废料；沸石能有效吸附去除水中的氨氮，钢渣和镁橄榄石能有效去除磷，生物陶粒比表面积大有利于生物膜的附着生长。针对钢渣出水偏碱性的特点，无烟煤出水偏酸性的特点，选用无烟煤（出水微酸）进行中和；对五种填料进行合理配比，以实现病原微生物、有机污染物和氮磷营养盐的共同去除。

所述的第一个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由上至下平铺填充的复合填料是沸石、无烟煤、钢渣和生物陶粒；所述的第二个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由下至上平铺填充的复合填料是生物陶粒、镁橄榄石和无烟煤；所述的第三个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由上至下平铺填充的复合填料是沸石和生物陶粒。

所述的第一个单元中平铺填充的沸石、无烟煤、钢渣和生物陶粒，其填充的沸石：无烟煤：钢渣：生物陶粒的体积比优选为1:1~2:1:1；所述的第二个单元中平铺填充的生物陶粒、镁橄榄石和无烟煤，其填充的生物陶粒：镁橄榄石：无烟煤的体积比优选为1~2:1:1；所述的第三个单元中平铺填充的沸石和生物陶粒，其填充的沸石：生物陶粒的体积比优选为3~4:1。

所述的第一个单元中平铺填充有复合填料，其中平铺填充了复合填料的人工湿地系统的孔隙率为47~49%。

所述的第二个单元中平铺填充有复合填料，其中平铺填充了复合填料的人工湿地系统的孔隙率为52~54%。

所述的第三个单元中平铺填充有复合填料，其中平铺填充了复合填料的人工湿地系统的孔隙率为47~49%。

所述的第一个单元、所述的第二个单元和所述的第三个单元中分别种植有芦苇。

所述的复合填料中的沸石的粒径为2~3mm；所述的无烟煤的粒径为3~4mm；所述的钢渣的粒径为3~5mm；所述的生物陶粒的粒径为3~5cm；所述的镁橄榄石的粒径为2~3mm。

所述的镁橄榄石为市场上常见，易于获得，属橄榄石族矿物中的一种，斜方晶系，粒径为2~3mm，属正硅酸盐(Mg.Fe)₂SiO₄分子结构材料，富含MgO，Mg元素的质量百分比含量为26.02~27.31%，并经1300℃煅烧而成。

本发明的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统采用连续进水的运行方式，水流在第一个单元上部通过进水管进入人工湿地床体中，沿隔板以“下行-上行-下行”的方式通过人工湿地床体。水流在人工湿地床体中经历2次富氧，由于进水管在人工湿地床体的上部，进水在进入第一个单元并流出进入第二个单元的过程实现了第一次富氧；水流在进入第二个单元并自第二块隔板溢流进入第三个单元的“上行-下行”阶段，实现了第二次富氧。

本发明的原理在于按照病原微生物、有机污染物和氮磷营养盐共同去除的需求，合理配置不同功能的填料，同时结合人工湿地的结构优化，构成潜流式复合垂直流人工湿地系统。该人工湿地系统通过隔板增加水流与各种填料的接触时间，并利用“填料-微生物”两者间的复杂物理化学-生物作用去除水体中的病原微生物。同时利用水流“下行-上行-下行”的方式，增加人工湿地床体的富氧量，而好氧环境增加了人工湿地床体内微生物的活性，促进原生动物的捕食及微生物种间、种内的对营养物质的竞争，进一步增强了对病原微生物的去除效果。

本发明的去除水中病原微生物的人工湿地系统充分利用了各种填料的特性及其功能，不仅能有效削减污水厂二级生化出水的入河氮磷负荷，而且可高效去除污水厂二级生化出水的病原微生物，降低受纳水体的病原微生物污染风险。

本发明与现有技术相比，具有如下显著特点：

（1）本发明充分增加了水流与各种填料的接触，可高效去除水中病原微生物、有机污染物及氮磷营养盐，对污染水体或污水厂二级出水起到了很好的净化作用。

（2）本发明充分考虑了不同填料的理化性质及其污染物的去除效能，选用了对病原微生物具有特殊去除效果的钢渣和无烟煤、高效除磷基质镁橄榄石和氨氮吸附性能优良的沸石等，并通过合理配比各种填料，使该人工湿地系统具有优异的病原微生物、有机污染物和氮磷营养盐的共同去除效果。

（3）本发明的去除水中病原微生物的人工湿地系统，可通过改变隔板的结构与数量，构成不同的单元结构，形成不同的水力学特性，提升对病原微生物、有机污染物和氮磷营养盐的去除效果。

附图说明

图1.本发明的去除水中病原微生物的人工湿地系统的剖面示意图；图中箭头表示水流方向。

图2.本发明的去除水中病原微生物的人工湿地系统的平面示意图。

图3.本发明的实施例1的病原微生物（f2噬菌体）的去除效果。

图4.本发明的实施例1的COD_Cr、NH₄ ⁺-N和TP的去除效果。

附图标记

A.沸石    B.无烟煤    C.钢渣    D.生物陶粒    E.镁橄榄石

1.进水管  2.隔板      3.出水管  4.开孔

具体实施方式

实施例1

请参见图1和图2。试验所用的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统是一个由PVC板制成的容器，其尺寸规格为0.6mx0.5mx0.3m（长×宽×高），该容器中用2块PVC隔板将人工湿地床体分隔为3个单元，每单元的长为0.2m。第一块隔板2与人工湿地床体的底部之间留有水流通过的水道，第二块隔板2的顶部低于第一块隔板的顶部，且第二块隔板的底部与人工湿地床体的底部相连接；沿进水方向在由第一块隔板分隔出的第一个单元的人工湿地床体的上方布设有进水管1，在该进水管上均匀开有开孔4用于布水（如图2所示），在由第二块隔板分隔出的第三个单元的底部设置有出水管3，通过该出水管上均匀开设的小孔进行集水后出水（如图2所示）；所述的第一个单元与所述的第三个单元之间为第二个单元。进水以“下行-上行-下行”的方式通过人工湿地床体。由于模拟的人工湿地床体的长度较短，因此未设置人工湿地床体的底部坡度，所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统放置在不锈钢架子上以保证水平。在模拟的人工湿地中种植花叶芦苇（Arundo donax var.versicolor），每单元种植2株。

自可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统的进水端至出水端依次进行平铺填充填料。所述的第一个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由上至下平铺填充的复合填料是沸石、无烟煤、钢渣和作为生物陶粒的火山岩，填充的沸石：无烟煤：钢渣：火山岩的体积比为1:1:1:1，平铺填充了上述复合填料的人工湿地系统的孔隙率为47~49%；所述的第二个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由下至上平铺填充的复合填料是作为生物陶粒的火山岩、镁橄榄石和无烟煤，填充的火山岩：镁橄榄石：无烟煤的体积比为2:1:1，平铺填充了上述复合填料的人工湿地系统的孔隙率为52~54%；所述的第三个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由上至下平铺填充的复合填料是沸石和作为生物陶粒的火山岩，填充的沸石：火山岩的体积比为3:1，平铺填充了上述复合填料的人工湿地系统的孔隙率为47~49%。填料填充的总高度为36cm。水流自第一个单元的进水端开始首先为下行流，水流自第一个单元的出水端进入到第二个单元后改为上行流，水流自第二个单元的出水端进入到第三个单元后改为下行流，试验所用的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统设置有溢流口以保证水位稳定。

所述的沸石的粒径为2~3mm；所述的无烟煤的粒径为3~4mm；所述的钢渣的粒径为3~5mm；所述的作为生物陶粒的火山岩的粒径为3~5cm；所述的镁橄榄石的粒径为2~3mm，富含MgO，Mg元素的质量百分比含量为26.02～27.31%。

利用上述的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统对污水厂二级生化出水进行了病原微生物去除的连续运行试验，进水病毒（f2噬菌体）浓度在10³~10⁶pfu/ml范围之间。考察了该系统在三种不同水力负荷条件下的去除效果（见图3）：在系统处理水量为18L·d^-1，水力负荷为0.1m·d^-1，理论水力停留时间为2天的条件下，试验运行期间，该系统对f2噬菌体的平均百分去除率为99.77±0.22%，平均对数去除率为2.82±0.42log pfu/ml；在系统处理水量为36L·d^-1，水力负荷为0.2m·d^-1，理论水力停留时间为1天的条件下，试验运行期间，该系统对f2噬菌体的平均百分去除率为97.09±8.1%，平均对数去除率为1.79±0.54log pfu/ml；在系统处理水量为72L·d^-1，水力负荷为0.4m·d^-1，理论水力停留时间为0.5天的条件下，试验运行期间，该系统对f2噬菌体的平均百分去除率为94.72±4.09%，平均对数去除率为1.39±0.34logpfu/ml。

利用上述的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统对污水厂二级生化出水同时进行了有机污染物及氮磷营养盐去除的连续运行试验（见图4）。当进水COD_Cr58±18.76mg/L，TP 2.099±0.504mg/L，NH₄ ⁺-N 16.5±6.5mg/L时，在系统处理水量为36L·d^-1，水力负荷为0.2m·d^-1，理论水力停留时间为1天的条件下，系统出水COD_Cr23±9.51mg/L，TP 0.287±0.142mg/L，NH₄ ⁺-N 0.8±0.2mg/L，其中NH₄ ⁺-N出水浓度低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的III类标准。

在实际应用中，可将该人工湿地系统用于深度处理污水厂二级生化出水或净化污染河流。对于污水厂二级生化出水的深度处理，因地制宜，根据实际水量、有机污染物浓度、氮磷营养盐浓度及病原微生物污染程度，设计建造适宜的人工湿地系统，如确定填料的填充比例及隔板数量，必要情况下构造成多个串联系统，可大幅削减二级生化出水的入河污染负荷。对于污染河流的净化，可基于旁路离线河流净化器的理念，构建塘-湿地组合系统，实现污染河流的水质改善。

实施例2

试验所用的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统基本上同实施例1，只是所述的第一个单元中平铺填充的沸石：无烟煤：钢渣：火山岩的体积比为1:2:1:1；所述的第二个单元中平铺填充的火山岩：镁橄榄石：无烟煤的体积比为1:1:1；所述的第三个单元中平铺填充的沸石：火山岩的体积比为4:1。

利用上述的可高效去除水中病原微生物的人工湿地系统对实施例1的污水厂二级生化出水同样进行了病原微生物去除的连续运行试验，结果同实施例1。

对污水厂二级生化出水同时进行实施例1的有机污染物及氮磷营养盐去除的连续运行试验，结果同实施例1。

Claims (8)

1.一种去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的人工湿地系统是用2块隔板将人工湿地床体分隔为3个单元，且第一块隔板与人工湿地床体的底部之间留有水流通过的水道，第二块隔板的顶部低于第一块隔板的顶部，且第二块隔板的底部与人工湿地床体的底部相连接；在由第一块隔板分隔出的第一个单元的上部设置有进水管，在由第二块隔板分隔出的第三个单元的底部设置有出水管；所述的第一个单元与所述的第三个单元之间为第二个单元；

所述的第一个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由上至下平铺填充的复合填料是沸石、无烟煤、钢渣和生物陶粒；所述的第二个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由下至上平铺填充的复合填料是生物陶粒、镁橄榄石和无烟煤；所述的第三个单元中平铺填充有复合填料，自进水端开始由上至下平铺填充的复合填料是沸石和生物陶粒。

2.根据权利要求1所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的第一个单元中平铺填充的沸石、无烟煤、钢渣和生物陶粒，其填充的沸石：无烟煤：钢渣：生物陶粒的体积比为1:1~2:1:1；所述的第二个单元中平铺填充的生物陶粒、镁橄榄石和无烟煤，其填充的生物陶粒：镁橄榄石：无烟煤的体积比为1~2:1:1；所述的第三个单元中平铺填充的沸石和生物陶粒，其填充的沸石：生物陶粒的体积比为3~4:1。

3.根据权利要求1或2所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的第一个单元中平铺填充有复合填料，其中平铺填充了复合填料的人工湿地系统的孔隙率为47~49%；

所述的第二个单元中平铺填充有复合填料，其中平铺填充了复合填料的人工湿地系统的孔隙率为52~54%；

所述的第三个单元中平铺填充有复合填料，其中平铺填充了复合填料的人工湿地系统的孔隙率为47~49%。

4.根据权利要求1或2所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的第一个单元、所述的第二个单元和所述的第三个单元中分别种植有芦苇。

5.根据权利要求1或2所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的复合填料中的沸石的粒径为2~3mm；所述的无烟煤的粒径为3~4mm；所述的钢渣的粒径为3~5mm；所述的生物陶粒的粒径为3~5cm；所述的镁橄榄石的粒径为2~3mm。

6.根据权利要求3所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的复合填料中的沸石的粒径为2~3mm；所述的无烟煤的粒径为3~4mm；所述的钢渣的粒径为3~5mm；所述的生物陶粒的粒径为3~5cm；所述的镁橄榄石的粒径为2~3mm。

7.根据权利要求1、2或6所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的镁橄榄石的粒径为2~3mm，富含MgO，Mg元素的质量百分比含量为26.02~27.31%。

8.根据权利要求5所述的去除水中病原微生物的人工湿地系统，其特征是：所述的镁橄榄石的粒径为2~3mm，富含MgO，Mg元素的质量百分比含量为26.02~27.31%。

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