CN105174473A - 一种曝气强化人工湿地深度处理沼液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曝气强化人工湿地深度处理沼液的方法。该系统包括沼液固液生态分离及沼液渗滤液深度处理两个处理单元。沼液固液生态分离处理单元由污泥层(5)和填料层(6)组成，沼液渗滤液深度处理单元由填料层(8)砾石层(9)组成。沼液由布液管道(2)均匀分布到人工湿地表面，沼液中渗滤液通过两处理单元之后通过布气管道(4)排出系统。本发明采取人工曝气方式加强沼液处理效果，气体由气泵(3)通过布气管道(4)通入系统。本发明针对畜禽养殖场沼液的处理处置成本高、且难于处理的问题，根据优势互补的理念提出一种生态深度处理方法，构建一种新型的强化人工湿地。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种强化曝气人工湿地深度处理沼液的方法。
背景技术
随着现代畜牧产业体系的构建和经济的发展，畜牧业的生产方式已经发生重大转变，逐步由分散型、粗放型向规模化、集约化经营转变。近三四十年来，我国规模化畜禽养殖场得到了快速发展，数量迅速增加，随之而来的畜禽粪便排放量急剧增长的问题也日益突出。中国每年农业废弃物的产出量约有34亿t，其中畜禽粪便为21.5亿t，占全国农业废弃物产出量的63％。畜禽粪便随意堆放或者过量还田，会使一部分“资源”变为“污染源”，不仅危害畜禽的安全生产和人们的食品安全，同时严重污染土壤和水体环境。厌氧发酵产沼气技术由于其具备缓解畜禽粪便环境污染和缓解农村能源日益增长需求压力的双重功能近年来在世界范围内受到普遍关注和快速发展。我国自19世纪70年代开始发展建设户用沼气池，截止到2010年底我国户用沼气池已达到3850万口，年总气产量约138亿m3。我国的农村养殖模式在农村经济结构调整的框架下也逐渐由原始的农户散养向集约化养殖转变，因此农村户用沼气工程也逐渐被大中型沼气工程所逐渐替代。因此，国家出台了一系列政策加大规模化畜禽养殖场大中型沼气工程的建设。根据农业部2011年中国农业统计年鉴的数据显示，截止到2010年我国日产沼气量不低于150m3的大中型及特大型沼气工程达到13674座，年总产气量11亿m3。其中北京京郊地区特大型沼气工程1座，大中型沼气工程132座，年沼气总产量1879万m3。
规模化沼气工程为整个村镇及养殖场带来了大量的生物能源，增加了经济和环境效益，但与此同时也会产生大量沼液。沼液是厌氧发酵产沼气后的产物，含水率可高达90％以上，因其中含有丰富的氮、磷、钾等元素，常被当作肥料用于还田，但是长期、大量对土地进行沼灌，也存在较大的环境污染风险，不合理施用会污染土壤和地下水并损害作物产量和品质。规模化沼气工程在周年连续运行中，每天均会产生数十吨乃至数百吨沼液。一方面由于部分地区并没有合理的种养殖业结构规划匹配，使得大型沼气工程产生的大量沼液总量往往超过养殖场周围的土地承载能力。另外，虽然沼液农田土地消纳是一种低成本资源性利用方式，但真正愿意使用沼液作为农肥的农户比例仍然很低。因此，部分大中型沼气工程面对每日排出的大量沼液而无法消纳的问题感到苦不堪言，甚至无奈之下在一些偏僻的沟渠进行暗排，其不仅对地下水体环境造成了严重的污染，同时也是对于沼液中养分资源一种浪费。因此，沼液的减量化和无害化处置是制约当前规模化沼气工程可持续发展的重要因素。
目前国内外学者对沼液深度处理的研究热点主要集中在好氧生物降解的不同工艺上，如序批式反应器(SBR)、和膜生物反应器(MBR)等。好氧处理法虽具有处理能力强、适应性广等优点，但其工艺构筑物复杂、机械设备多、维护工作量大、投资大、能耗高、运行维护费用高，对于利润微薄的养殖场则往往难以承受，而且也与我国经济发展水平不相适应。人工湿地作为20世纪70年代开始发展起来的一种新型的污水处理技术，因其建设运行成本低、处理效果好等优点受到越来越广泛的应用，也被研究人员用来处理沼液，但沼液中各种污染物浓度较高，且悬浮固体含量较多，因此普通人工湿地处理沼液能力有限，且极易造成堵塞，进而影响人工湿地处理效果。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提出一种强化曝气人工湿地深度处理沼液的方法，用于对沼液进行深度固液分离及分离后沼液渗滤液的深度处理。
本套人工湿地系统包含沼液固液生态分离及沼液深度处理两个处理单元。沼液固液生态分离处理单元位于系统上部，主体部分是在人工构建的土壤、砾石等填料层，并种植能源作物。沼液由进水泵间歇式的投配到该处理单元表面，沼液中的沼渣(主要成分是固体悬浮物质)被截留在该单元床体表面，而渗滤液通过填料层的缝隙，继续垂直向下渗流到沼液深度处理单元。积存在固液生态分离处理单元表面的沼渣，在水分深度蒸腾蒸发的作用下充分矿化，达到沼液固液生态分离后沼渣减量化的目的。
本套人工湿地系统下部沼液深度处理单元采用间歇曝气的方式强化该单元处理效果。通过气泵将空气泵入人工湿地处理单元底部布气管道，在非曝气阶段，由系统上部渗入的沼液渗滤液经过下部的深度处理，通过曝气管道直接排至出水口。人工湿地底端选用吸附性能较好的沸石、炉灰渣、蛭石或陶粒等作为湿地基质，使淹水运行阶段渗滤液中的残留污染物能够最大程度地吸附在湿地基质上或被湿地中生长的微生物吸收去除。间歇曝入的空气不仅能够强化微生物活性，提高沼液渗滤液的深度处理效果。同时能够加快沼液固液生态分离单元水分的蒸发速率，维持良好的沼液渗滤通道。
实现上述方法的强化曝气人工湿地沼液深度生态处理系统包括进水泵1，布液管道2，气泵3，布气管道4，污泥层5，填料层6，填料层7，砾石层8，出水口9，出水口阀门10，防渗层11。该系统每个沼液处理周期分为进水阶段A和停歇阶段B两个阶段。进水阶段与停歇阶段持续时间长短取决于系统的运行年限，也包括干物质含量和在进水期间固液分离处理单元积存沼渣污泥厚度及沼液进水负荷强度。进水阶段之后是一个不进水的停歇阶段，在此阶段，固液生态分离处理单元中沼渣通过渗滤和蒸发作用进行深度脱水矿化。系统曝气贯穿进水阶段A和停歇阶段B始终，曝气方式为间歇曝气，曝气时间与间歇时间长短取决于沼液进水负荷高低。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明中，基于现有水平潜流人工湿地缺点，根据优势互补的生态处理理念，设计了一种由沼液生态固液分离单元和沼液渗滤液深度处理单元组成的强化曝气人工湿地沼液深度处理系统，为沼液的生态固液分离、沼渣脱水矿化、沼液深度处理创造了条件，可以实现沼液减量化处理。
(2)本发明中，为达到沼液低成本固液分离的目的，设置了沼液生态固液分离单元，利用该单元填料截留沼液中的悬浮沼渣，并利用种植的湿地植物通过蒸腾作用加速截留沼渣的水分流失，提高沼渣的脱水和矿化速率。同时，植物的根茎在自然风的作用下摇曳，使得累积截留的沼渣保持良好的透气和渗水性能。另外，植物通过根系组织可以向截留沼渣层传递氧气，从而为截留沼渣的好氧矿化提供了适宜的条件。
(3)本发明中，为达到沼液深度处理效果，在沼液固液分离单元下设置了强化曝气的沼液渗滤液深度处理单元。在传统水平潜流人工湿地的基础上搭建了强化人工曝气装置，改善人工湿地氧环境，大幅度提高人工湿地沼液处理效果，能有效解决传统人工湿地土地占用面积大的短板。
(4)本发明中，强化人工曝气管道充当多重角色，在系统曝气阶段，曝气管道末端阀门自动关闭，曝入空气会均匀分布至整个人工湿地床中，在非曝气阶段曝气管末端阀门自动开放，渗滤下的沼液可以通过管道自动排出人工湿地系统。曝气管道不仅能将大气中的氧气强化引入人工湿地床体中，改善人工湿地氧环境，同时可以加速沼渣脱水矿化和水分蒸发速率，并维持较好的沼液渗滤通道。
(5)本发明中，人工湿地植物可选取根茎发达的芦苇和能源植物。植物的蒸腾作用可加速系统截留沼渣的脱水性能，植物根系的机械运动可协助构建水力通道，促进沼渣矿化及液体渗滤进程。同时，每年收割的作物可经粉碎后进入沼气池，促进产气，推动沼气工程的循环发展。
(6)沼液生态固液分离单元长期截留的沼渣，经过充分的矿化分解，属于良好的有机肥，可用于还田施用。
(7)本发明中，人工湿地各填料层应采用不同粒径基质，也可根据系统需要采用不同理化特性基质。本方法提出一种优选方案：填料层6采用粒径3-5mm石英砂，填料层7采用粒径5-8mm沸石，砾石层8采用20-30mm砾石。
附图说明：
图1为本发明强化曝气人工湿地沼液深度处理系统的示意图。
附图标记：
1进水泵，2布液管道，
3气泵，4布气管道，
5污泥层，6填料层，
7填料层，8砾石层，
9出水口，10出水口阀门，
11防渗层。
具体实施方式：
下面结合附图以及标记，进一步详细说明本发明。
进水阶段，进水泵1将含水量在90％左右的沼液通过布液管道2均匀地分布在人工湿地表面，进水系统的设计和进水泵1的抽水能力要保证整个人工湿地表面的液压和沼液负荷率保持一致。在进水系统结束后要有一段时间间歇期，但间歇期在系统运行的早期不宜太长，因为较薄的污泥层5过快干化会对人工湿地植物的生长产生不利影响。人工湿地所种植物有助于沼液脱水及矿化，且能使积存沼渣的污泥层5和填料层6保持一定的孔隙率，此外通过植物的通气组织可以向污泥层5和填料层6中传递氧气，为好氧分解过程提供了适宜的条件。人工湿地植物在成熟后可收割进行粉碎回收至沼气工程，进一步加以利用，推动沼气工程的可持续发展。固液分离处理单元将沼液中沼渣截留后，沼液中未分解的沼渣逐渐形成污泥层5。沼液渗滤液通过污泥层5和填料层6渗入到下部处理单元。通过液态沼液深度处理单元填料层7的吸附以及附着微生物分解作用，达到沼液深度处理效果，进而通过布气管道4排放到出水口9。通过气泵3将空气泵入到系统中，可以显著改善液态沼液深度处理单元填料层7、固液分离单元填料层6及污泥层5的氧环境，进而提高人工湿地的污水处理效果，曝气时，出水口阀门10处于关闭状态，非曝气阶段，阀门10处于开启状态。
Claims (8)
1.一种强化曝气人工湿地深度处理沼液的方法，其特征在于：该系统包括上下连通的沼液固液分离及液态沼液深度处理两个处理单元；其中所述沼液固液分离处理单元由污泥层5和填料层6上下两层组成，污泥层5上种植湿地植物，待处理沼液由进水泵1通过布液管道2均匀分布到人工湿地表面；下部沼液渗滤液深度处理单元由填料层7和砾石层8组成，该处理单元底部布置布气管道4，通过气泵3往人工湿地底部曝气，布气管道4同时用作系统排水管道，尾部链接出水口阀门10，出水口9上抬，与填料层7顶部齐平。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：将沼液固液分离与沼液渗滤液深度处理结合为一个整体，充分利用湿地基质、微生物及植物及协同作用实现对沼液中沼渣的截留及沼液渗滤液的深度处理；所截留沼液中的沼渣逐渐累积形成污泥层5，经过长期充分的矿化分解，属于良好的有机肥，可用于还田施用。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述沼液固液分离处理单元基质处于非饱和状态，其良好的氧环境可以加速沼渣脱水矿化和水分蒸发速率；沼液渗滤液深度处理单元基质长期处于淹没状态，保证了湿地微生物的生存环境和沼液的处理效果。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述沼液固液分离处理单元利用填料截留沼液中的悬浮沼渣，并利用种植的湿地植物通过蒸腾作用加速截留沼渣的水分流失，提高沼渣的脱水和矿化速率；同时，植物根系在自然风作用的机械运动下可协助构建水力通道，促进沼渣矿化及沼液渗滤进程。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述沼液渗滤液深度处理单元底部布置了具有排水和曝气双重功能的多孔管道4，在系统曝气阶段，曝气管道末端阀门10自动关闭，曝入空气会均匀分布至整个人工湿地床中，在非曝气阶段曝气管末端阀门10自动开放，渗滤下的沼液可以自动排出人工湿地系统。湿地床底部管道4曝气不仅能将大气中的氧气强化引入人工湿地床体中，改善人工湿地氧环境，同时可以加速沼渣脱水矿化和水分蒸发速率，并维持较好的沼液渗滤通道。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述填料层6、填料层7和砾石层8分别采用不同粒径基质，填料层)采用粒径较小的基质保证了系统对沼液中沼渣的截留作用，最大限度地防止了下部深度处理单元的堵塞；填料层7采用粒径稍大的基质，既能减缓人工湿地堵塞，又能为微生物提供充分的附着面，保证人工湿地深度处理效果；砾石层8采用粒径较大的砾石，防止污泥、微生物堵塞人工湿地底部，保证经深度处理后沼液顺利通过布气管道4排出人工湿地。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统选取根茎发达的芦苇或能源植物，植物可协助人工湿地沼液渗滤，又能借助沼液中养分生长，每年收割的作物经粉碎后可进入沼气池促进产气，推动沼气工程的循环发展。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统底部构建防渗膜11，防止沼液渗入土壤后造成周围土壤或水体污染。
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