CN106830338A - 一种基于锰循环的潜流人工湿地系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于锰循环的潜流人工湿地系统及应用，它解决了现有技术中被处理后的污水依然具有较高含量的有害微量元素的问题，能够达到洁净污水的效果。其技术方案主要包括湿地池体、进水管、出水管和湿地植物；进水管与湿地池体底部连通，湿地池体上部设有出水堰和出水管；其中，所述湿地池体自下至上依次包括砾石层、锰矿石层和沙层，沙层上具有湿地植物；污水由底部进水管经进水泵进入，自下至上流经湿地池体后从出水管流出。

Description

一种基于锰循环的潜流人工湿地系统及应用
技术领域
本发明涉及污水处理相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于锰循环的潜流人工湿地系统及应用。
背景技术
近年来，饮用水中的微量有毒有害物质引发了公众对水质安全的担忧。而污水处理厂的出水则是这些有毒有害物质最主要的来源。虽然污水处理厂在过去的几十年中对提高地表水水质方面起到重要作用，但是其在药物和个人护理品(PPCP)，农药和兽药等的去除中作用有限，在出水中仍然能够检测到ng/L到mg/L浓度的污染物，从而对水生生态系统造成危害，这类物质被称为微量有机污染物。为了尽量减少这类污染物进入地表水水体，一些深度净化工艺，包括吸附、光降解、膜过滤、微波与高级氧化等技术，被用于对污水处理厂出水进行再处理，但这些技术的应用均存在投资运营成本高、操作管理复杂、二次污染等局限性。
人工湿地作为一种投资少、操作简单、处理效果好、运行和维护费用低的污水处理工艺，已经在欧洲、美洲以及亚洲的韩国等地，尝试作为污水二级或者三级处理来降低出水中微量有机污染物的浓度，并取得了与成本相对较高的臭氧氧化和膜生物反应器方法相似的去除效果，并且还减少了降解产物二次污染的风险。因此，人工湿地在微量有机污染物去除中的作用及潜在应用引起了越来越广泛的关注。
人工湿地的工艺条件(湿地类型、底质深度、水力停留时间等)、污染物的物理化学性质及浓度等因素均对人工湿地中有机污染物的去除产生影响，但其最终去除主要依赖于基质-植物-微生物三要素，尤其是湿地基质中的有氧-缺氧-厌氧的微环境，导致微生物类群不同，进而形成不同的污染物去除机制，从而其对不同微量有机污染物的去除效果并不相同，有的可达到75％，有的则只有25％。
通过比较不同类型湿地对不同微量有机污染物的去除效果，发现去除率高于75％污染物和低于25％的污染物相比，虽有湿地工艺条件和规模的差异，但最重要的还是以下两点：
(1)湿地中氧气不足，而好氧降解比厌氧降解具有更高的效率；
(2)微量有机污染物的量太少，使得微生物难以有效发挥作用。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于锰循环的潜流人工湿地系统。本发明通过设计全新的结构，使其能够较好的去除污水中的微量有机污染物。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于锰循环的潜流人工湿地系统，包括湿地池体、进水管、出水管和湿地植物。
进水管与湿地池体底部连通，湿地池体上部设有出水堰和出水管；
其中，所述湿地池体自下至上依次包括砾石层、锰矿石层和沙层，沙层上具有湿地植物；
污水由底部进水管经进水泵进入，自下至上流经湿地池体后从出水管流出。
锰矿石层的主要组成为高价锰矿物，高价锰矿物具有很强的吸附能力和氧化能力，是一类活性很高的矿物。它可通过吸附、催化和氧化作用对有机污染物进行去除。
由于锰矿物的表面相界面效应和其表面的脱烷作用等多种化学机制，使其能在厌氧或者缺氧条件下促进大量有机物的降解，包括PCBs、苯酚和氯化苯酚、氯苯胺及药物等。
进一步的，所述湿地植物为芦苇。可以通过植物根系进一步实现微量元素去除。
高价锰矿物的添加能显著提高微量有机污染物在厌氧和缺氧区的去除效果，与此同时Mn(IV)还原为Mn(II)，Mn(II)在有氧条件下，在细菌和真菌等微生物作用下，进一步氧化成比高价锰矿具有更高的氧化活性和更大比表面积的生物氧化锰(BioMnOx)，通过化学氧化或在微生物锰还原酶作用下将复杂的微量有机污染物降解，形成低分子量能被微生物生长所利用的有机物。
同时，在湿地植物根系表面，在铁锰氧化菌和植物根系泌氧的作用下，溶解性的Mn(II)与铁离子会在根表面形成铁锰氧化物胶膜(含有BioMnOx)，该膜表面不仅具有较强的吸附能力，还具有较高的氧化性能，能够更高效氧化有机污染物。
进一步的，所述进水管通过进水泵与砾石层连通。依靠水泵的运行，可以决定进水速度及进水量。
进一步的，所述沙层的厚度为20cm。
进一步的，所述沙层中沙子的粒径为0.1cm。
进一步的，所述锰矿石层的厚度为20cm；锰矿石粒径为0.3cm。该粒径的矿石可以使锰矿石层在具有一定厚度情况下形成缺氧或厌氧锰矿石层。
进一步的，所述砾石层的厚度为10cm；砾石粒径为2cm。该粒径的砾石可以使砾石层在具有一定厚度情况下形成缺氧或厌氧砾石层。
通过在湿地缺氧和厌氧区发挥高价锰矿石的氧化作用，而在好氧和根系区域实现“Mn(II)-生物氧化锰”的循环，充分发挥根系泌氧、锰氧化还原菌、矿物及根系表面界面效应等协同作用，能有效解决背景技术中所涉及的污水中微量元素含量过高的问题。
进一步的，所述出水管位于湿地池体上部的沙层。即出水管的进水端位于沙层当中。
进一步的，所述湿地池体四周及底部进行防渗处理。
作为更佳的选择，本发明还提出了上述的潜流人工湿地系统在污水处理中的应用。
本发明的有益效果是：
添加的锰矿石可吸附进水中的微量有机污染物，并且在厌氧和缺氧条件下将其氧化降解去除，可显著提高湿地厌氧和缺氧区对微量有机污染物的去除效果。
在植物根系附近的好氧区，通过生物氧化锰和植物根系表面锰氧化物胶膜的吸附和氧化作用及微生物作用，污水中微量有机污染物得到进一步去除，同时实现Mn(II)和生物氧化锰的循环转变，减少二次污染，从而有效解决了人工湿地对微量有机污染物降解中存在的氧气不足和污染物量低微生物难以有效发挥作用两大难题，进而从源头解决了地表水微量有机污染物的安全问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明人工湿地对微量有机污染物处理效果图；
图3是本发明人工湿地对硝氮、氨氮、总磷及COD处理效果图；
图中：1为湿地池体，2为进水泵，3为进水管，4为砾石层，5为锰矿石层，6为沙层，7为湿地植物，8为出水堰，9为出水管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例：一种基于锰循环的潜流人工湿地系统，如图1所示，包括湿地池体1；
湿地池体1底部设有进水管3，进水管3通过进水泵2与湿地池体1连通；
湿地池体1中底层为砾石层4，砾石粒径为2cm，厚度为100mm；
砾石层4上为锰矿石层5，锰矿石粒径为0.3cm，厚度为200mm；
锰矿石层5上为沙层6，沙子粒径为0.1cm，厚度为200mm；
沙层6上种有湿地植物7；湿地池体1上部设有出水堰8和出水管9。锰矿石层5的矿石主要为锰矿砂。依靠粒径的控制，可以使得锰矿石层5和砾石层4成为缺氧锰矿石层和缺氧砾石层。
湿地池体1四周和底部添加防渗材料，进水管3进水速度由进水泵2控制。
污水由湿地底部的进水管3经进水泵2自下而上进入湿地池体1，经处理后由上部的出水管9排出。
本发明中，净水过程包括：
在进水泵2的作用下，进水为上行流，依次经过缺氧的砾石层4和锰矿石层5和好氧的沙层6。进水通过砾石层充分混合均匀，进入锰矿石层，在厌氧和缺氧条件下，污水中的微量有机污染物被吸附到锰矿砂表面并被氧化去除，锰矿砂还原溶解产生Mn(II)；溶解性的Mn(II)随污水进入湿地植物根系附近的好氧沙层，在锰氧化细菌作用下被氧化为生物氧化锰，同时在铁锰氧化菌和植物根系泌氧的作用下，与铁离子在植物根表面形成含有生物氧化锰的铁锰氧化物胶膜，污水中的微量有机污染物生物氧化锰的化学和生物氧化作用下被进一步去除，生物氧化锰转化为Mn(II)，从而实现“Mn(II)-生物氧化锰”的循环。最后，经处理后的污水经过沙层过滤后，从出水管9流出。
本发明具体处理效果见图2和图3。
在提供结构方案的同时，本发明还提供了上述的潜流人工湿地系统在污水处理行业中的应用。例如：适用于污水处理厂二级处理出水等等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于锰循环的潜流人工湿地系统，包括湿地池体、进水管、出水管和湿地植物。其特征在于：
进水管与湿地池体底部连通，湿地池体上部设有出水堰和出水管；
其中，所述湿地床体自下至上依次包括砾石层、锰矿石层和沙层，沙层上具有湿地植物；
污水由底部进水管经进水泵进入，自下至上流经湿地池体后从出水管流出。
2.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述湿地植物为芦苇。
3.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述进水管通过进水泵与砾石层连通。
4.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述沙层的厚度为20cm。
5.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述沙层中沙子的粒径为0.1cm。
6.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述锰矿石层的厚度为20cm；锰矿石粒径为0.3cm。
7.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述砾石层的厚度为10cm；砾石粒径为2cm。
8.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述出水管位于沙层。
9.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述湿地池体四周及底部进行防渗处理。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的潜流人工湿地系统在污水处理中的应用。
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