CN105060615B - 一种污染河道旁路修复人工湿地系统 - Google Patents

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    • Y02A40/22—Improving land use; Improving water use or availability; Controlling erosion

Abstract

本发明公开了一种污染河道旁路修复人工湿地系统，包括依次连接的氨氮硝化区(1)、固体碳源反硝化区(2)、深度净化区(3)、虹吸排水系统(4)和控制系统。本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统可实现污染河水的高效强化脱氮，有效的降低固体碳源消耗量，有效的对污染河水进行深度处理，保障出水水质。

Description

一种污染河道旁路修复人工湿地系统
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种污染河道旁路修复人工湿地系统。
背景技术
随着社会经济的高速发展以及城市化进程的加快，城市河道水受到了严重的污染和破坏。一方面城市污水收集、处理设施的建设落后于城市建设的步伐；另一方面，雨水径流污染导致城市河道遭受的面源污染日益加剧。有机物、氨氮和磷是城市河道的主要污染物。不同类型的方法被用于治理河道，保障水质。污染河道水旁路处理是目前值得关注的一条新思路，是在河岸带上建设处理系统，将河水分流其中进行处理的旁路处理法，如建于河岸上的人工湿地处理系统、氧化塘以及多种形式的生物床或生物反应器等。如何去除污染河道水中的氨氮一直是关注的热点。现有的方法通常是采用曝气的方式，使水中的有机物被好氧分解后，再由自养硝化菌将氨氮氧化为硝酸盐氮。这种方式存在两个问题，一是有机物好氧分解菌是异养菌，其对自养的硝化菌形成抑制；二是有机物降解后，氨氮硝化产生的硝酸盐因缺乏反硝化电子供体，导致不能被完全去除。
为此，根据城市污染河道的水质特征，针对性的开发具有强化氨氮去除功能的人工湿地系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种污染河道旁路修复人工湿地系统，所述湿地系统可实现污染河水的高效强化脱氮，有效的降低固体碳源消耗量，有效的对污染河水进行深度处理，保障出水水质。
一种污染河道旁路修复人工湿地系统，包括依次连接的氨氮硝化区、固体碳源反硝化区、深度净化区、虹吸排水系统和控制系统。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中所述氨氮硝化区包括第一基质区和第一排水区，所述第一基质区由下部的第一集水层和上部的沸石层构成，在所述第一集水层中设置有第一集水管，其出水口设置在所述第一排水区的下部，在所述沸石层的中设置有布水管，所述布水管的进水口端与外部连通。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中所述固体碳源反硝化区包括第二基质区和第二排水区，所述第二基质区由下部的第二集水层和上部的固体碳源填充层构成，在所述第二集水层中设置有第二集水管，其出水口设置在所述第二排水区的下部。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中所述深度净化区包括第三基质区和第三排水区，所述第三基质区由下部的第三集水层和上部的净化层构成，在所述第三集水层中设置有第三集水管，其出水口设置在所述第三排水区的下部。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中所述控制系统包括控制器、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一电磁阀设置在靠近所述布水管的进水口端；
所述虹吸排水系统的前端包括进水管，所述进水管设置在所述第一排水区内，所述进水管的下端为进水口，设置在所述第一排水区的下部，上端分别连接第一管道和第二管道的一端，所述第一管道的另一端设置在所述固体碳源填充层的上部，所述第二管道的另一端设置在所述净化层的上部，在所述第一管道和所述第二管道上分别设置有所述第二电磁阀和所述第三电磁阀；在所述第二排水区的上部设置有排水管，所述排水管与所述第二管道相连通，在所述第三排水区的上部设置有排放管。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中，在所述第一排水区的上部设置有液位控制器，所述液位控制器和所述进水管的上端的设置高度与所述布水管的底部高度一致，所述虹吸排水系统的进水管的进水口与所述氨氮硝化区的底部之间的距离为3cm。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中所述第一集水层、所述第二集水层和所述第三集水层的高度均为5cm，填充有粒径为1～2cm的砾石；所述沸石层的高度为30～50cm，填充有粒径为5～10mm的沸石；所述布水管设置在所述沸石层表层以下2cm的位置；所述固体碳源填充层填充的固体碳源为生物降解性能较差的热塑性可生物降解聚酯类，为聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基丁酸戊酸酯/聚乳酸共混物、聚碳酸酯中的一种或多种的混合，填充高度为20～40cm；所述热塑性可生物降解聚酯类的粒径为3～5mm，单独填充或与粒径为0.5～1cm的砾石按0.5～2:1的质量比混合均匀后填充。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中所述固体碳源填充层的孔隙的体积设置为首次进水体积的1.05～1.2倍；所述净化层采用的基质为红砖砖渣或高炉渣，粒径为5～20mm，填充厚度为40～60cm；在所述氨氮硝化区和所述深度净化区的表层分别种植有黑麦草和美人蕉。
一种采用所述的污染河道旁路修复人工湿地系统进行污水处理的方法，包括如下步骤：
所述湿地系统以间歇方式运行，单个运行周期包括进水期和静置期；进水前，控制器将第二电磁阀和第三电磁阀关闭；进水期，打开第一电磁阀进水，液位达到布水管底部时，由液位控制器发出信号，首次进水终止；氨氮硝化区首次进水结束后，控制器将第一电磁阀关闭，并于10min后将第二电磁阀打开，将氨氮硝化区的水排入固体碳源反硝化区；此次排水结束后，控制器将第二电磁阀关闭、第一电磁阀和第三电磁阀打开，进水经氨氮硝化区处理后直接进入深度净化区；
其中，在进水期，河水中的氨氮和部分有机物在氨氮硝化区被快速吸附，随后在静置期氨氮被微生物硝化及有机物被降解；氨氮硝化区在进水期由虹吸排水系统首次排放的水将氨氮硝化区在静置期产生的氧化态氮，即硝氮和亚硝氮带入至固体碳源反硝化区，被反硝化微生物以固体碳源为底物实现反硝化；在进水期，氨氮硝化区除首次排放的水外，其余由虹吸排水系统排放的水以及固体碳源反硝化区的出水均进入深度净化区进一步净化处理。
本发明所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其中所述固体碳源填充层孔隙的体积为首次进水体积的1.05～1.2倍；所述湿地单个运行周期内，静置期的时间不小于6h。
本发明污染河道旁路修复人工湿地系统与现有技术不同之处在于：
1、本发明针对污染河水的水质特征，将旁路修复人工湿地系统分为氨氮硝化区、固体碳源反硝化区和深度净化区，实现污染河水的高效强化脱氮。
2、氨氮硝化区在静置期产生的硝酸盐氮大部分均在进水期的第一次进水时被带走，固体碳源反硝化区仅处理运行周期内第一次的进水，可有效的降低固体碳源消耗量。
3、以生物降解性能较差的热塑性可生物降解聚酯类为固体碳源，可有效的降低出水中有机物的浓度。同时，深度净化区的设置可有效的对污染河水进行深度处理，保障出水水质。
下面结合附图对本发明的污染河道旁路修复人工湿地系统作进一步说明。
附图说明
图1为本发明污染河道旁路修复人工湿地系统的结构示意图；
图2为图1的俯视图。
其中，1：氨氮硝化区；2：固体碳源反硝化区；3：深度净化区；4：虹吸排水系统；5：第一集水层；6：沸石层；7：第一集水管；8：布水管；9：第二集水层；10：固体碳源填充层；11：第二集水管；12：第三集水层；13：净化层；14：第三集水管；15：第一电磁阀；16：第二电磁阀；17：第三电磁阀；18：进水管；19：第一管道；20：第二管道；21：排水管；22：排放管；23：液位控制器。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本发明污染河道旁路修复人工湿地系统包括依次连接的氨氮硝化区1、固体碳源反硝化区2、深度净化区3、虹吸排水系统4和控制系统。
氨氮硝化区包括第一基质区和第一排水区，第一基质区由下部的第一集水层5和上部的沸石层6构成，在第一集水层5中设置有第一集水管7，其出水口设置在第一排水区的下部，在沸石层6的中设置有布水管8，布水管8的进水口端与外部连通。固体碳源反硝化区2包括第二基质区和第二排水区，第二基质区由下部的第二集水层9和上部的固体碳源填充层10构成，在第二集水层9中设置有第二集水管11，其出水口设置在第二排水区的下部。深度净化区3包括第三基质区和第三排水区，第三基质区由下部的第三集水层12和上部的净化层13构成，在第三集水层12中设置有第三集水管14，其出水口设置在第三排水区的下部。
控制系统包括控制器、第一电磁阀15、第二电磁阀16和第三电磁阀17，第一电磁阀15设置在靠近布水管8的进水口端；虹吸排水系统4的前端包括进水管18，进水管18设置在第一排水区内，进水管18的下端为进水口，设置在第一排水区的下部，上端分别连接第一管道19和第二管道20的一端，第一管道19的另一端设置在固体碳源填充层10的上部，第二管道20的另一端设置在净化层13的上部，在第一管道19和第二管道20上分别设置有第二电磁阀16和第三电磁阀17；在第二排水区的上部设置有排水管21，排水管21与第二管道20相连通，在第三排水区的上部设置有排放管22。
在第一排水区的上部设置有液位控制器23，液位控制器23和进水管18的上端的设置高度均与布水管8的底部高度一致，虹吸排水系统4的进水管18的进水口与氨氮硝化区1的底部之间的距离为3cm。第一集水层5、第二集水层9和第三集水层12的高度均为5cm，填充有粒径为1～2cm的砾石；沸石层6的高度为40cm，填充有粒径为5～10mm的沸石；布水管8设置在沸石层6表层以下2cm的位置；固体碳源填充层10填充的固体碳源为聚乳酸，粒径为3～5mm，填充高度为30cm；固体碳源填充层10的孔隙的体积设置为首次进水体积的1.1倍；净化层13采用的基质为高炉渣，粒径为5～20mm，填充厚度为50cm；在氨氮硝化区1和深度净化区3的表层分别种植有黑麦草和美人蕉。
一种采用的污染河道旁路修复人工湿地系统进行污水处理的方法，包括如下步骤：
湿地系统以间歇方式运行，单个运行周期包括进水期和静置期；进水前，控制器将第二电磁阀16和第三电磁阀17关闭；进水期，打开第一电磁阀15进水，液位达到布水管8底部时，由液位控制器23发出信号，首次进水终止；氨氮硝化区1首次进水结束后，控制器将第一电磁阀15关闭，并于10min后将第二电磁阀16打开，将氨氮硝化区1的水排入固体碳源反硝化区2；此次排水结束后，控制器将第二电磁阀16关闭、第一电磁阀15和第三电磁阀17打开，进水经氨氮硝化区1处理后直接进入深度净化区3；
其中，在进水期，河水中的氨氮和部分有机物在氨氮硝化区被快速吸附，随后在静置期氨氮被微生物硝化及有机物被降解；氨氮硝化区1在进水期由虹吸排水系统4首次排放的水将氨氮硝化区1在静置期产生的氧化态氮，即硝氮和亚硝氮带入至固体碳源反硝化区2，被反硝化微生物以固体碳源为底物实现反硝化；在进水期，氨氮硝化区1除首次排放的水外，其余由虹吸排水系统4排放的水以及固体碳源反硝化区2的出水均进入深度净化区3进一步净化处理。
湿地单个运行周期内，静置期的时间不小于6h。
本实施例中湿地系统的工作过程为：
(1)按照上述旁路修复人工湿地系统的要求，构建单周期处理水量为1t的系统，单次进水量为200L，单次进水时间为15min。
(2)污染河水COD和氨氮的平均浓度分别为80和16mg/L。
(3)运行结果表明，系统能持续稳定的运行，出水COD和氨氮均低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的排放限值。
(4)运行1年后需补加100kg的聚乳酸。
实施例2
如图1和图2所示，本发明污染河道旁路修复人工湿地系统包括依次连接的氨氮硝化区1、固体碳源反硝化区2、深度净化区3、虹吸排水系统4和控制系统。
氨氮硝化区包括第一基质区和第一排水区，第一基质区由下部的第一集水层5和上部的沸石层6构成，在第一集水层5中设置有第一集水管7，其出水口设置在第一排水区的下部，在沸石层6的中设置有布水管8，布水管8的进水口端与外部连通。固体碳源反硝化区2包括第二基质区和第二排水区，第二基质区由下部的第二集水层9和上部的固体碳源填充层10构成，在第二集水层9中设置有第二集水管11，其出水口设置在第二排水区的下部。深度净化区3包括第三基质区和第三排水区，第三基质区由下部的第三集水层12和上部的净化层13构成，在第三集水层12中设置有第三集水管14，其出水口设置在第三排水区的下部。
控制系统包括控制器、第一电磁阀15、第二电磁阀16和第三电磁阀17，第一电磁阀15设置在靠近布水管8的进水口端；虹吸排水系统4的前端包括进水管18，进水管18设置在第一排水区内，进水管18的下端为进水口，设置在第一排水区的下部，上端分别连接第一管道19和第二管道20的一端，第一管道19的另一端设置在固体碳源填充层10的上部，第二管道20的另一端设置在净化层13的上部，在第一管道19和第二管道20上分别设置有第二电磁阀16和第三电磁阀17；在第二排水区的上部设置有排水管21，排水管21与第二管道20相连通，在第三排水区的上部设置有排放管22。
在第一排水区的上部设置有液位控制器23，液位控制器23和进水管18的上端的设置高度均与布水管8的底部高度一致，虹吸排水系统4的进水管18的进水口与氨氮硝化区1的底部之间的距离为3cm。第一集水层5、第二集水层9和第三集水层12的高度均为5cm，填充有粒径为1～2cm的砾石；沸石层6的高度为30cm，填充有粒径为5～10mm的沸石；布水管8设置在沸石层6表层以下2cm的位置；固体碳源填充层10填充的固体碳源为生物降解性能较差的热塑性可生物降解聚酯类，为聚羟基丁酸戊酸酯/聚乳酸共混物，填充高度为20cm；热塑性可生物降解聚酯类的粒径为3～5mm，与粒径为0.5～1cm的砾石按0.5:1的质量比混合均匀后填充。固体碳源填充层10的孔隙的体积设置为首次进水体积的1.05倍；净化层13采用的基质为红砖砖渣，粒径为5～20mm，填充厚度为40cm；在氨氮硝化区1和深度净化区3的表层分别种植有黑麦草和美人蕉。
一种采用的污染河道旁路修复人工湿地系统进行污水处理的方法，包括如下步骤：
湿地系统以间歇方式运行，单个运行周期包括进水期和静置期；进水前，控制器将第二电磁阀16和第三电磁阀17关闭；进水期，打开第一电磁阀15进水，液位达到布水管8底部时，由液位控制器23发出信号，首次进水终止；氨氮硝化区1首次进水结束后，控制器将第一电磁阀15关闭，并于10min后将第二电磁阀16打开，将氨氮硝化区1的水排入固体碳源反硝化区2；此次排水结束后，控制器将第二电磁阀16关闭、第一电磁阀15和第三电磁阀17打开，进水经氨氮硝化区1处理后直接进入深度净化区3；
其中，在进水期，河水中的氨氮和部分有机物在氨氮硝化区被快速吸附，随后在静置期氨氮被微生物硝化及有机物被降解；氨氮硝化区1在进水期由虹吸排水系统4首次排放的水将氨氮硝化区1在静置期产生的氧化态氮，即硝氮和亚硝氮带入至固体碳源反硝化区2，被反硝化微生物以固体碳源为底物实现反硝化；在进水期，氨氮硝化区1除首次排放的水外，其余由虹吸排水系统4排放的水以及固体碳源反硝化区2的出水均进入深度净化区3进一步净化处理。
湿地单个运行周期内，静置期的时间不小于6h。
实施例3
与实施例2的区别在于：沸石层6的高度为50cm，填充有粒径为5～10mm的沸石；布水管8设置在沸石层6表层以下2cm的位置；固体碳源填充层10填充的固体碳源为生物降解性能较差的热塑性可生物降解聚酯类，为聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚碳酸酯中的混合，填充高度为40cm；热塑性可生物降解聚酯类的粒径为3～5mm，与粒径为0.5～1cm的砾石按2:1的质量比混合均匀后填充。固体碳源填充层10的孔隙的体积设置为首次进水体积的1.2倍；净化层13采用的基质为高炉渣，粒径为5～20mm，填充厚度为60cm。其他同实施例2。
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 (6)

1.一种污染河道旁路修复人工湿地系统，其特征在于：包括依次连接的氨氮硝化区(1)、固体碳源反硝化区(2)、深度净化区(3)、虹吸排水系统(4)和控制系统；
所述氨氮硝化区包括第一基质区和第一排水区，所述第一基质区由下部的第一集水层(5)和上部的沸石层(6)构成，在所述第一集水层(5)中设置有第一集水管(7)，其出水口设置在所述第一排水区的下部，在所述沸石层(6)中设置有布水管(8)，所述布水管(8)的进水口端与外部连通；
所述固体碳源反硝化区(2)包括第二基质区和第二排水区，所述第二基质区由下部的第二集水层(9)和上部的固体碳源填充层(10)构成，在所述第二集水层(9)中设置有第二集水管(11)，其出水口设置在所述第二排水区的下部；
所述深度净化区(3)包括第三基质区和第三排水区，所述第三基质区由下部的第三集水层(12)和上部的净化层(13)构成，在所述第三集水层(12)中设置有第三集水管(14)，其出水口设置在所述第三排水区的下部；
所述控制系统包括控制器、第一电磁阀(15)、第二电磁阀(16)和第三电磁阀(17)，所述第一电磁阀(15)设置在靠近所述布水管(8)的进水口端；
所述虹吸排水系统(4)的前端包括进水管(18)，所述进水管(18)设置在所述第一排水区内，所述进水管(18)的下端为进水口，设置在所述第一排水区的下部，上端分别连接第一管道(19)和第二管道(20)的一端，所述第一管道(19)的另一端设置在所述固体碳源填充层(10)的上部，所述第二管道(20)的另一端设置在所述净化层(13)的上部，在所述第一管道(19)和所述第二管道(20)上分别设置有所述第二电磁阀(16)和所述第三电磁阀(17)；在所述第二排水区的上部设置有排水管(21)，所述排水管(21)与所述第二管道(20)相连通，在所述第三排水区的上部设置有排放管(22)。
2.根据权利要求1所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其特征在于：在所述第一排水区的上部设置有液位控制器(23)，所述液位控制器(23)和所述进水管(18)的上端的设置高度均与所述布水管(8)的底部高度一致，所述虹吸排水系统(4)的进水管(18)的进水口与所述氨氮硝化区(1)的底部之间的距离为3cm。
3.根据权利要求2所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其特征在于：所述第一集水层(5)、所述第二集水层(9)和所述第三集水层(12)的高度均为5cm，填充有粒径为1～2cm的砾石；所述沸石层(6)的高度为30～50cm，填充有粒径为5～10mm的沸石；所述布水管(8)设置在所述沸石层(6)表层以下2cm的位置；所述固体碳源填充层(10)填充的固体碳源为生物降解性能较差的热塑性可生物降解聚酯类，为聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基丁酸戊酸酯/聚乳酸共混物、聚碳酸酯中的一种或多种的混合，填充高度为20～40cm；所述热塑性可生物降解聚酯类的粒径为3～5mm，单独填充或与粒径为0.5～1cm的砾石按0.5～2:1的质量比混合均匀后填充。
4.根据权利要求3所述的污染河道旁路修复人工湿地系统，其特征在于：所述固体碳源填充层(10)的孔隙的体积设置为首次进水体积的1.05～1.2倍；所述净化层(13)采用的基质为红砖砖渣或高炉渣，粒径为5～20mm，填充厚度为40～60cm；在所述氨氮硝化区(1)和所述深度净化区(3)的表层分别种植有黑麦草和美人蕉。
5.一种采用权利要求2-4中任意一项所述的污染河道旁路修复人工湿地系统进行污水处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
所述湿地系统以间歇方式运行，单个运行周期包括进水期和静置期；进水前，控制器将第二电磁阀(16)和第三电磁阀(17)关闭；进水期，打开第一电磁阀(15)进水，液位达到布水管(8)底部时，由液位控制器(23)发出信号，首次进水终止；氨氮硝化区(1)首次进水结束后，控制器将第一电磁阀(15)关闭，并于10min后将第二电磁阀(16)打开，将氨氮硝化区(1)的水排入固体碳源反硝化区(2)；此次排水结束后，控制器将第二电磁阀(16)关闭、第一电磁阀(15)和第三电磁阀(17)打开，进水经氨氮硝化区(1)处理后直接进入深度净化区(3)；
其中，在进水期，河水中的氨氮和部分有机物在氨氮硝化区被快速吸附，随后在静置期氨氮被微生物硝化及有机物被降解；氨氮硝化区(1)在进水期由虹吸排水系统(4)首次排放的水将氨氮硝化区(1)在静置期产生的氧化态氮，即硝氮和亚硝氮带入至固体碳源反硝化区(2)，被反硝化微生物以固体碳源为底物实现反硝化；在进水期，氨氮硝化区(1)除首次排放的水外，其余由虹吸排水系统(4)排放的水以及固体碳源反硝化区(2)的出水均进入深度净化区(3)进一步净化处理。
6.根据权利要求5所述的污染河道旁路修复人工湿地系统进行污水处理的方法，其特征在于：所述固体碳源填充层(10)孔隙的体积为首次进水体积的1.05～1.2倍；所述湿地单个运行周期内，静置期的时间不小于6h。
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