CN104291445B - 一种人工湿地脱氮污水处理装置及污水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工湿地脱氮污水处理装置，包括污水处理池，所述污水处理池包括反硝化层(3)和土壤层(4)；所述土壤层(4)位于所述反硝化层(3)上方或下方；所述污水处理池长度≥1m，并且长宽比≥3；所述污水处理池设有进水口和出水口；所述土壤层(4)上种植有植物；所述反硝化层(3)由硫磺颗粒、植物茎叶碎段和碎石组成。本发明还公开了一种脱氮污水处理的方法。本发明人工湿地脱氮污水处理装置具有成本低、污水脱氮效果好的优点。

Description

一种人工湿地脱氮污水处理装置及污水处理方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理实验装置及污水处理方法，特别是涉及一种人工湿地脱氮污水处理装置及污水处理方法。
背景技术
氮污染是地表水体污染的主要问题之一，城市污水厂尾水、农田退水等高比例NOx低C/N比污水是地表和地下水体氮污染的主要来源之一，亟需对其进行处理，以防止水体污染和富营养化，同时也有利于上述种类污水的回用。
城市污水厂尾水、农田退水等高比例NOx低C/N比污水具有水质水量波动大、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮占比高的特点，由于该种类污水中有机碳源缺乏，制约了其中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的有效去除；如何经济有效地去除高比例NOx低C/N比污水中的硝酸盐和亚硝酸盐，成为国内外的研究热点和难点。
去除NOx的常用生物方法有异养反硝化和自养反硝化法。异养反硝化是异养反硝化菌利用甲醇、乙酸等有机物为碳源，将NOx还原为氮气，同时产生碱度，需要消耗H+，但其存在碳源投加成本高、出水水质容易有残留碳源的问题；自养反硝化中的硫石灰石反硝化系统因其经济性和出水水质好成为去除NOx的常用方法，其中硫反硝化菌利用单质硫将NOx还原为氮气，同时产生H+，需要消耗碱度(石灰石)，但存在出水硬度和硫酸根增加的问题；因此将二者结合，研究者开发出了异养-硫自养混养反硝化工艺用于去除污水中的硝酸盐，二者之间可以起到相互调节pH值的作用，能够避免碱度(石灰石)的添加和减少硫酸根的产生，同时异养和硫自养反硝化占比能够根据碳源的供给在一定范围内波动，有利于NOx的有效去除。
为强化低C/N比污水脱氮，多采取外加碳源的方式，碳源种类有三种，一是甲醇、乙酸等传统液体碳源，但有添加成本高的缺点；二是可生物降解多聚物碳源，也有成本高的缺点；三是含纤维素类物质的天然植物碳源，因其廉价易得、操作简单逐渐被用作强化脱氮的碳源，但其存在碳源释放不能有效控制、需要较长的水力停留时间(HRT)，出水水质易受外界温度影响等，植物碳源释放较多时，出水水质易受残余植物释放碳源的影响。
异养-硫自养混养反硝化工艺中异养反硝化供给的碳源多为甲醇和乙酸等传统液体碳源，还未见有植物碳源异养-硫自养混养反硝化处理高比例NOx低C/N比污水的报道。
人工湿地具有经济、简单等优点，成为低成本污水处理的主要技术之一。除了生物亚硝化、硝化和反硝化是人工湿地脱氮的主要途径之外，人工湿地对氮的去除还包括填料吸附、植物吸收和氨的挥发等。因此如果将植物碳源异养-硫自养混养反硝化耦合于人工湿地中，不仅可以充分发挥植物碳源异养-硫自养混养反硝化作用，而且也可以发挥湿地的其它脱氮作用。
采用植物碳源异养-硫自养混养反硝化人工湿地处理高比例NOx低C/N比污水，可以实现异养反硝化和硫自养混养反硝化的耦合，针对植物碳源释放不能有效控制的问题，当植物碳源释放较多时，异养反硝化占比增多，硫自养反硝化占比减少；当碳源释放较少时，异养反硝化占比减少，硫自养反硝化占比增多，从而有效保障脱氮效果和出水水质，同时由于与硫自养反硝化的耦合，可以有效缩短HRT；植物碳源异养反硝化和硫自养反硝化可以相互消耗碱度，从而保持pH在生物脱氮的有效范围内，实现高比例NOx低C/N比污水的有效脱氮。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种成本低廉，脱氮效果理想的人工湿地高NOx低C/N比污水处理装置。
一种人工湿地脱氮污水处理装置，包括污水处理池，所述污水处理池包括反硝化层和土壤层；所述土壤层位于所述反硝化层上方或下方；污水处理池长度为≥1m，并且长宽比≥3；所述污水处理池两端分别设有进水口和出水口；所述土壤层上种植有植物；所述反硝化层由硫磺颗粒、植物茎叶碎段和碎石组成。
本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置，其中，所述污水处理池的高度为65～90cm，所述污水处理池还包括下填料层，所述下填料层位于所述反硝化层下方；所述土壤层位于所述反硝化层上方；所述进水口位于所述污水处理池前端上部，所述出水口位于所述污水处理池末端下部，所述污水处理池前端设有布水区，末端设有集水区；所述布水区和所述集水区均占所述污水处理池总长度的1/15～1/10，所述布水区和所述集水区均由粒径为20～30mm的碎石填充；所述下填料层高度为10～15cm，所述反硝化层高度为20～30cm，所述土壤层高度为20～25cm；所述土壤层内种植有挺水植物；所述下填料层由粒径为10～15mm的碎石填充而成；所述挺水植物为芦苇、香蒲、纸莎草、茭草、梭鱼草中的至少一种。
本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置，其中，所述污水处理池的高度为65～101cm，所述污水处理池包括植物污水处理层和碎石层；所述土壤层位于所述反硝化层下方，所述碎石层位于所述反硝化层上方，所述植物污水处理层为碎石层和进水口之间的空间，其内充满待处理的污水；所述植物污水处理层高度为30～50cm，所述碎石层高度为1cm，所述反硝化层高度为10～20cm，；所述土壤层高度为20～25cm；所述植物污水处理层内种植有浮水植物；所述土壤层内种植有挺水植物和沉水植物；所述进水口位于所述污水处理池前端上部，所述出水口位于所述污水处理池末端上部。
本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置，其中，所述挺水植物为芦苇、香蒲、纸莎草、茭草、梭鱼草中的至少一种；所述沉水植物为苦草、狐尾藻、黑藻、金鱼藻、黄丝草、马来眼子菜、海菜花中的至少一种；所述浮水植物为风眼莲、睡莲槐叶萍沉水植物中的至少一种。
本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置，其中，所述土壤层由砖红壤、赤红壤、红壤、棕壤中的至少一种组成。
本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置，其中，所述反硝化层为植物碳源异养-硫自养反硝化填料层，所述植物碳源异养-硫自养反硝化填料由粒径为3～5mm的硫磺颗粒、1～2cm的植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石按体积比为1:1:1～4:4:1均匀混合而成。
本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置，其中，所述反硝化层为植物碳源异养-硫自养反硝化填料层，所述植物碳源异养-硫自养反硝化填料是由1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石均匀混合后与粒径为3～5mm的硫磺颗粒沿推流方向等间距交替填充而成，所述间距为10cm；所述1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石的混合是按照体积比1:1～4:1均匀混合的，所述碎石层是由粒径为3～5mm的碎石组成。
本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置，其中，所述污水处理池的外壁为PVC材质或砖混结构。
一种本发明所述人工湿地脱氮污水处理装置的使用方法，包括如下步骤：
首先进行细菌的接种和培养，植物碳源异养-硫自养耦合强化脱氮水平潜流或表面流人工湿地装置以逐渐增加进水NOx和适量甲醇的方式培养，有机质碳与NOx-N的比C:N(mg/mg)＝3.5，以磷酸盐缓冲维持体系pH在中性，约14天后可在反应器填料表面观察到层状生物膜，逐渐减少甲醇为0；进水逐渐稳定为城市污水厂尾水或农田退水等高比例NOx低C/N比污水模拟水，植物碳源异养-硫自养耦合强化脱氮水平潜流人工湿地随后按附图1-2所示的方式进水：污水由进水口进入本发明所述污水处理池，处理一段时间后，到达出水口，从出水口溢出；其中HRT≥4h，HRT为水力停留时间。
本发明中NOX为NO2或NO3。
本发明的有益效果为：
资源利用合理，成本低廉：将植物碳源异养和硫自养反硝化耦合运用，当植物碳源释放较多时，异养反硝化占比增多，硫自养反硝化占比减少；当碳源释放较少时，异养反硝化占比减少，硫自养反硝化占比增多，有效解决了植物碳源释放不能有效控制的问题；
操作简便：可根据被处理水的情况调节植物碳源和硫填料体积比例，满足出水水质要求
整个反应过程无需投加有机碳源和碱度；
处理效果理想：植物碳源异养-硫自养混养反硝化耦合处理高比例NOx低C/N比污水脱氮效率高，出水水质好；出水水质可以达到地表水III类或II标准。
下面结合附图对本发明人工湿地脱氮污水处理装置作进一步说明。
附图说明
图1为混合型植物碳源异养硫自养耦合强化脱氮水平潜流人工湿地脱氮污水处理装置；
图2为交替型植物碳源异养硫自养耦合强化脱氮水平潜流人工湿地脱氮污水处理装置；
图3为混合型植物碳源异养硫自养耦合强化脱氮表面流人工湿地脱氮污水处理装置；
图4为交替型植物碳源异养硫自养耦合强化脱氮表面流人工湿地脱氮污水处理装置。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种人工湿地脱氮污水处理装置，包括污水处理池，所述污水处理池包括反硝化层3和土壤层4；土壤层4位于所述反硝化层3上方或下方；污水处理池长度≥1m，并且长宽比为≥3；污水处理池两端分别设有进水口和出水口；所述土壤层4上种植有植物；反硝化层3由硫磺颗粒、植物茎叶碎段和碎石组成。
实施例2
如图1所示，与实施例1不同之处在于：
其中所述土壤层4位于所述反硝化层3上方；污水处理池还包括下填料层2，所述下填料层2位于所述反硝化层下方；所述进水口位于所述污水处理池前端上部，所述出水口位于所述污水处理池末端下部，所述污水处理池前端设有布水区1，末端设有集水区5；所述布水区1和所述集水区5均占所述污水处理池总长度的1/15～1/10，所述布水区1和所述集水区5均由粒径为20～30mm的碎石填充；所述下填料层2高度为10～15cm，所述反硝化层3高度为20～30cm，所述土壤层4高度为20～25cm；所述土壤层4内种植有挺水植物；所述下填料层2由粒径为10～15mm的碎石填充而成；
所述挺水植物为芦苇、香蒲、纸莎草、茭草、梭鱼草中的至少一种；碎石层7由粒径为3～5mm的碎石填充而成，土壤层4内填充土壤为砖红壤、赤红壤、红壤、棕壤中的至少一种；所述反硝化层3为植物碳源异养-硫自养反硝化填料层，所植物碳源异养-硫自养反硝化填料由粒径为3～5mm的硫磺颗，1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石按体积比为1:1:1～4:4:1均匀混合而成。
实施例3
如图2所示，本实施例与实施例2不同之处在于
植物碳源异养-硫自养反硝化填料层是由1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石均匀混合后与粒径为3～5mm的硫磺颗粒沿推流方向等间距交替填充而成，所述间距为10cm；所述1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石的混合是按照体积比1:1～4:1均匀混合的。
实施例4
如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：
污水处理池还包括植物污水处理层6，碎石层7，其中所述土壤层4位于所述反硝化层3下方；植物污水处理层6为碎石层7和进水口之间的空间，其内充满待处理的污水，植物污水处理层6高度为30～50cm，反硝化层3高度为10～20cm，土壤层4高度为20～25cm；碎石层7高度为1cm；所述污水处理层6内种植有浮水植物，所述土壤层4内种植有挺水植物和沉水植物；所述进水口位于所述污水处理池前端上部，所述出水口位于所述污水处理池末端上部；
所述挺水植物为芦苇、香蒲、纸莎草、茭草、梭鱼草中的至少一种；所述沉水植物为苦草、狐尾藻、黑藻、金鱼藻、黄丝草、马来眼子菜、海菜花中的至少一种；所述浮水植物为风眼莲、睡莲槐叶萍沉水植物中的至少一种；碎石层7由粒径为3～5mm的碎石填充而成，土壤层4内填充土壤为砖红壤、赤红壤、红壤、棕壤中的至少一种；所述反硝化层3为植物碳源异养-硫自养反硝化填料层，植物碳源异养-硫自养反硝化填料由粒径为3～5mm的硫磺颗，1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石按体积比为1:1:1～4:4:1均匀混合而成。
实施例5
如图4所示，本实施例与实施例4的不同之处在于：
本实施例中植物碳源异养-硫自养反硝化填料是由1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石均匀混合后与粒径为3～5mm的硫磺颗粒沿推流方向等间距交替填充而成，所述间距为10cm；所述1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石的混合是按照体积比1:1～4:1均匀混合的。
实施例6
采用如图1所示人工湿地脱氮污水处理装置进行污水处理试验，具体操作如下：
进水为农田模拟水，进水由自来水配制，TN浓度为8.08±0.14mg/L，NOX浓度为7.33±0.13mg/L，在下述条件下进行脱硝处理：
HRT：4h，pH：7.0～8.3；
下填料区2：层高15cm，粒径为10～15mm的碎石；
植物碳源异养-硫自养反硝化区3：层高25cm，填料区由粒径为3～5mm的硫磺颗、1～2cm芦苇和香蒲茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石组成，三者体积比为1:1:1；
土壤区4：层高15cm，土壤为红壤，其上种植芦苇和香蒲，二者分别为4株；
最大NOX负荷：60kg NOX/(hm2·d)，温度：15～30℃；处理后水质如表1所示。
表1实施例1处理后的水质
实施例7
采用如图3所示人工湿地脱氮污水处理装置进行污水处理试验，具体参数和操作如下：
植物碳源异养-硫自养耦合强化脱氮表面流装置由PVC制成(总体积为384L,有效体积为288L)，面积为0.48m2。进水为农田模拟水，进水由自来水配制，TN浓度为5.08±0.14mg/L，NOX的浓度为4.83±0.12mg/L。在下述条件下进行脱硝处理：
HRT：12h，pH:7.0～8.3；
植物碳源异养-硫自养反硝化区3：层高25cm，填料区由粒径为3～5mm的硫磺颗、1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石组成，三者体积比为1:1:1；
上填料区4：层高30cm，土壤为红壤，其上种植芦苇和香蒲，二者分别为3株，水中有沉水植物苦草和金鱼藻各4株，水葫芦浮水植物2株；
碎石层7高度为1cm，由粒径为3～5mm的碎石组成；
最大NOX负荷：58kg NOX/(hm2·d)，温度：15～30℃；处理后水质如表2所示。
表2实施例1处理后的水质
实施例8
采用如图2所示人工湿地脱氮污水处理装置进行污水处理试验，具体参数和操作如下：
植物碳源异养-硫自养耦合强化脱氮水平潜流装置由PVC制成(总体积为220L,有效体积为88L)，面积为0.4m2。进水为城市污水厂一级A出水模拟水，进水由自来水配制，TN浓度为5.08±0.14mg/L，NOX的浓度为4.93±0.12mg/L，并添加适量的磷源。在下述条件下进行脱硝处理：
HRT：8h，pH:7.0～8.3；
植物碳源异养-硫自养反硝化区3：层高30cm，填料区由粒径为3～5mm的硫磺颗、1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石组成，三者体积比为2:2:1；
上填料区4：层高15cm，土壤为红壤，其上种植芦苇和香蒲，二者分别为4株；
最大NOX负荷：36kg NOX/(hm2·d)，温度：15～30℃；处理后水质如表3所示。
表3实施例1处理后的水质
实施例6-8采用本发明人工湿地脱氮污水处理装置进行污水试验处理得到的污水处理结果表明：该人工湿地脱氮污水处理装置适合城市污水厂尾水、农田退水等高比例NOx低C/N比污水的处理，处理污水时脱氮效率高，NOx去除率达96％以上，TN去除率达94％以上；NOX负荷为36～60kg NOX/(hm2·d)；出水水质好，出水水质可以达到地表水III类或II标准；
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，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种人工湿地脱氮污水处理装置，其特征在于，包括污水处理池，所述污水处理池包括反硝化层(3)和土壤层(4)；所述土壤层(4)位于所述反硝化层(3)上方或下方；所述污水处理池长度≥1m，并且长宽比≥3；所述污水处理池两端分别设有进水口和出水口；所述土壤层(4)上种植有植物；所述反硝化层(3)由硫磺颗粒、植物茎叶碎段和碎石组成。
2.根据权利要求1所述人工湿地脱氮污水处理装置，其特征在于，所述污水处理池的高度为65～90cm，所述土壤层(4)位于所述反硝化层(3)上方；所述污水处理池还包括下填料层(2)，所述下填料层(2)位于所述反硝化层(3)下方；所述进水口位于所述污水处理池前端上部，所述出水口位于所述污水处理池末端下部；所述污水处理池前端设有布水区(1)，末端设有集水区(5)；所述布水区(1)和所述集水区(5)均占所述污水处理池总长度的1/15～1/10，所述布水区(1)和所述集水区(5)均由粒径为20～30mm的碎石填充；所述下填料层(2)高度为10～15cm，所述反硝化层(3)高度为20～30cm，所述土壤层(4)高度为20～25cm；所述土壤层(4)内种植有挺水植物；所述下填料层(2)由粒径为10～15mm的碎石填充而成；所述挺水植物为芦苇、香蒲、纸莎草、茭草、梭鱼草中的至少一种。
3.根据权利要求1所述人工湿地脱氮污水处理装置，其特征在于，所述污水处理池的高度为65～101cm，所述污水处理池包括植物污水处理层(6)和碎石层(7)；所述土壤层(4)位于所述反硝化层(3)下方，所述碎石层(7)位于所述反硝化层上方；所述植物污水处理层(6)为碎石层(7)和进水口之间的空间，其内充满待处理的污水；所述植物污水处理层(6)高度为30～50cm，所述碎石层(7)高度为1cm，所述反硝化层(3)高度为10～20cm，；所述土壤层(4)高度为20～25cm；所述植物污水处理层(6)内种植有浮水植物；所述土壤层(4)内种植有挺水植物和沉水植物；所述进水口位于所述污水处理池前端上部，所述出水口位于所述污水处理池末端上部。
4.根据权利要求3所述人工湿地脱氮污水处理装置，其特征在于，所述挺水植物为芦苇、香蒲、纸莎草、茭草、梭鱼草中的至少一种；所述沉水植物为苦草、狐尾藻、黑藻、金鱼藻、黄丝草、马来眼子菜、海菜花中的至少一种；所述浮水植物为风眼莲、睡莲、槐叶萍沉水植物中的至少一种，所述碎石层(7)是由粒径为3～5mm的碎石组成。
5.根据权利要求4所述人工湿地脱氮污水处理装置，其特征在于，所述土壤层(4)由砖红壤、赤红壤、红壤、棕壤中的至少一种组成。
6.根据权利要求5所述人工湿地脱氮污水处理装置，其特征在于，所述反硝化层(3) 为植物碳源异养-硫自养反硝化填料层，所述植物碳源异养-硫自养反硝化填料由粒径为3～5mm的硫磺颗粒、1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石按体积比为1:1:1～4:4:1均匀混合而成。
7.根据权利要求5所述人工湿地脱氮污水处理装置，其特征在于，所述反硝化层(3)为植物碳源异养-硫自养反硝化填料层，所述植物碳源异养-硫自养反硝化填料是由1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石均匀混合后与粒径为3～5mm的硫磺颗粒沿推流方向等间距交替填充而成，所述间距为10cm；所述1～2cm植物茎叶碎段和粒径为3～5mm的碎石的混合是按照体积比1:1～4:1均匀混合的。
8.一种采用权利要求6或7所述人工湿地脱氮污水处理装置处理污水的方法，其特征在于，污水由所述进水口进入所述人工湿地脱氮污水处理装置，经处理后的污水由出水口排出，其中HRT≥4h。
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