CN106986501B - 一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法及装置，步骤是：A、待处理污水经下行池表面进水管布水后进入湿地系统，通过下行池后由下行池底部进入上行池；B、部分污水通过下上行池间渗透反应墙直接流入上行池；C、湿地系统两侧设有EKR阴阳两极；D、污水在上行池汇合，经由基质表面的出水集水管收集后排出系统。该装置由电动渗透反应墙和人工湿地组成。湿地包括下行池、上行池、基质、植物、进出水管道；基质填充下上行池，植物种植于基质表面，进水与出水管道分别布置在下上行池基质表面。渗透反应墙位于湿地下上行池之间；电动修复阴阳电极分别置于湿地两侧。显著提高对污水净化效果，实现了污水处理的提量提标。

Description

一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法及装置

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，更具体涉及一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法。同时还涉及一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，可广泛用于各种受污染水体治理。

背景技术

当今，水污染问题已经严重威胁人们的生存与健康。随着人们对水污染问题的关注及对水污染治理的重视，我国水体治理的力度也日趋加大。当前污水处理技术与措施众多，然而单一的物理、化学、生物治理措施均存在一定的弊端和不足，多种技术的耦合联用可能是解决水污染问题的更好办法。

人工湿地系统是一种目前广泛应用的高效低耗污水处理技术，可用于处理生活污水、控制面源污染及湖泊富营养化等。复合垂直流人工湿地（Integrated Vertical-flowconstructed wetland, IVCW）与表面流或潜流人工湿地相比，首次采用了主滤层以下行、上行流为主要单元的污水处理系统工艺。湿地基质的拦截吸附，湿地植物的同化吸收，微生物降解作用是湿地去除水体氮、磷、重金属、有机物的重要机制。实践证明:人工湿地净化效果受污染负荷、温度、季节、运行情况等因素影响较大。在冬季或高负荷时，湿地受植物衰亡，微生物减少等因素限制，其净化效果不太理想。这也是人工湿地进一步发展和应用必须要解决的关键难题之一。

电动修复（Electrokinetic Remediation, EKR）和可渗透反应墙（Permeablereactive barrier, PRB）技术均是近三十年国际上新兴的土壤、地下水原位修复技术。EKR技术通过在污染土壤两侧施加直流电压，通过电迁移、电渗流和电泳的方式使土壤中的污染物质迁移到电极两侧从而修复土壤污染。PRB技术通过吸附、沉淀、离子交换、表面络合、氧化还原和生物降解等作用机理，可有效地去除硝酸盐、毒性较高的砷、镉、铬等重金属及三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）等含氯有机污染物等多种污染物。该技术在国外广泛应用于地下水原位处理，国内目前处于实验室基础理论研究阶段，实际应用的研究较少。而EKR-PRB耦合修复技术是近年新兴起的原位污染场地修复技术，结合了EKR与PRB技术两者的优点，可以有效提高污染物的去除效率，并降低修复成本。其基本原理是用电动力将重金属、有机污染物向电极两端移动，使污染物质与渗透性反应墙内的填料基质等充分反应。然而，单一的EKR修复污染土壤时，处理效果受溶解度的影响很大，对溶解性差和脱附能力弱的污染物以及非极性有机物的去除效果不好。PRB中的填充材料与污染物的作用以及无机矿物沉淀除污染物的方式容易导致PRB堵塞，限制了PRB技术在土壤修复的应用。

该方法结合了ERK、PRB和IVCW三种技术的优势，将新兴的EKR-PRB土壤修复技术与IVCW技术相耦合，综合利用了物理、化学、生物、生态、电化学等作用，一方面，拓展了EKR-PRB土壤修复技术在受污染地表水净化领域的应用，与IVCW技术耦合，也增强了对溶解性差和脱附能力弱的污染物以及非极性有机物的去除效果；另一方面也强化了湿地的净化能力。首先，在温度较低的冬季，耦合技术依靠EKR-PRB作用依然能够保持较高的净化效果。其次，耦合技术不仅能够依靠IVCW将氮、磷、重金属、有机质等拦截吸附，而且能够在EKR-PRB作用下，加速污染物的转化降解过程，实现了有毒物质的无害化，缩短了水力停留时间，强化了湿地在高水力负荷、高污染负荷运行条件下的净化效果。最后，耦合技术使湿地在处理含有高浓度有毒重金属或有机污染物的工业废水领域的广泛应用成为可能。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，该耦合方法不同技术间取长补短，不仅强化了人工湿地尤其是在冬季微生物活性较低时的净化能力，显著的提高了人工湿地重金属及极性有机污染物的去除效果，而且拓展了电动渗透反应墙在污水处理领域的应用。方法易行，操作简便，与单一技术相比，实现了污水处理的提量提标。

本发明的另一个目的是在于提供了一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，该装置充分利用了电动修复、可渗透反应墙和人工湿地的结构特点，将多种技术相互优化配置、显著提高对污水净化效果，节约污水处理的经济成本，结构简单，使用方便。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

其技术构思是：将新兴的EKR-PRB土壤修复技术与复合垂直流人工湿地技术相结合，拓展应用于污水处理领域，进一步强化人工湿地的净化功能，可在一定程度上克服湿地在高负荷、低温冬季处理效果降低的问题。耦合技术装置以复合垂直流湿地结构为基础，通过将下行池和上行池间的隔墙改造成可渗透性反应墙（PRB）并在两侧构建EKR电极，提高了污水的净化效果。

一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其步骤是：

A、待处理污水经下行池表面多孔布水管均匀布水进入湿地系统后，首先，部分污水依次通过下行池、下行池底部、上行池底部、上行池，最终由上行表面出水集水管道排出，污水中的N、P营养盐、有机污染物、重金属等污染物通过湿地基质的吸附截流、植物的同化吸收、微生物的分解等作用得以有效去除；

B、其余污水通过下行池、上行池间可渗透反应墙直接流入上行池，所经过污水通过可渗透反应墙中基质吸附、沉淀、离子交换、表面络合、氧化还原和生物降解等作用，强化污水中硝酸盐、重金属、有机污染物等多种污染物去除效果；

C、其次，湿地系统两侧设有EKR阴阳两极，阳极由电极、阳极控制液、阳极井组成；阴极由电极、阴极控制液、阴极井组成；在重力和外加低压直流电源作用下，重金属或极性有机污染物等在随水流运动或向两测电极移动时，或被湿地中基质吸附、植物吸收、微生物分解，或与渗透性反应墙内的填料基质反应、或发生电化学反应使其得以去除；

D、最终，两部分污水在上行池汇合，经由基质表面的多孔集水管均匀收集后排出系统；较单一的EKR、PRB或IVCW技术而言，出水中氮、磷营养负荷的去除率均达到80%以上；重金属、有机质等含量去除率均达到95%以上，较单一的EKR、PRB或IVCW技术而言，耦合装置出水中总氮、总磷、重金属、有机质等含量去除率均提高了10%-30%。

所述的水体可以是生活污水，受重金属、有机物等高污染水体或江、河、湖泊等不同富营养化程度的自然水体。

该耦合方法综合利用物理、化学、生物、生态、电化学等作用，通过步骤A、B、C将IVCW与EKR、PRB技术相耦合，既可以一定程度上克服人工湿地在冬季或高负荷时段净化能力低的问题，又可以显著提高人工湿地对硝酸盐、重金属及极性有机污染物的去除效果，实现重金属、含氯有机物等毒性较高的污染物无害化。此外，较单一的EKR、PRB或IVCW技术而言，多种技术耦合还能够实现污水处理的提量提标。

一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，该装置由EKR部分、PRB部分和IVCW部分组成，其中，PRB由传统IVCW中下行池与上行池之间的隔墙重新设计而成，EKR的阳、阴电极分别位于下行池和上行池的外侧；其特征在于：IVCW部分包括下行池、上行池、湿地基质、湿地植物、进水布水管道及出水集水管道；湿地基质填充下行池、上行池，湿地植物种植于基质表面，进水与出水管道分别布置在下行池和上行池基质表面。PRB部分位于湿地下行池、上行池中间，由外侧过滤层和内部填料基质组成，过滤层位于内部填料两侧，将湿地基质与内部填料基质隔开。EKR部分包括低压直流电源、导线、阳极井、阴极井、阳、阴电极及对应电极控制液；其中，阴阳电极通过导线分别与直流电源负极、正极相连；阴阳电极分别置于湿地下行池、上行池外侧的阴极井、阳极井内。阴、阳极控制液充满阴极井、阳极井。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的湿地基质为砂石、无烟煤、生物陶粒中的一种或一至三种任意一种；

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的湿地植物为千屈菜、茭白、美人蕉、水甜茅、风车草、野古草、菖蒲、芦苇、香蒲、花叶芦荻、鸢尾中的一种或一至十一种中任意组合。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的阴极电极和阳极电极为石墨、钛、铂、金或不锈钢中的任一种。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的阴极控制液和阳极控制液为KCl电解液、KNO₃溶液、醋酸/醋酸钠缓冲液中的任意一种。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的阴极井和阳极井是为黏土、细沙、活性炭中的一种或三种中任意组合而成的隔层。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的PRB填料基质为零价铁、氧化铁、氢氧化亚铁、活性炭、改性沸石、释氧材料、石灰石、活性炭、矾土、木屑、离子交换树脂中的一种或十一种中任意组合。

该装置在不改变IVCW构造的基础上，充分利用电动修复、可渗透反应墙和人工湿地的结构特点，仅通过埋入EKR电极并改造湿地下、上行池中间隔墙的创新手段，将多种技术相互优化配置、显著提高对污水净化效果，节约污水处理的经济成本，结构简单，管理使用方便。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、将IVCW与EKR、PRB技术相耦合，优势互补，较单一的EKR、PRB或IVCW技术而言，出水中总氮、总磷、重金属、有机质等含量去除率均提高了10%-30%，实现了污水处理的提量提标。

2、将物理、化学、电化学技术与生态方法相耦合，一定程度上克服了人工湿地在高负荷、冬季微生物活性较低时段净化能力低的问题。

3、显著地提高了人工湿地硝酸盐、重金属及极性有机污染物的去除效果，实现了重金属、含氯有机物等毒性较高的污染物无害化。

4、将新兴的EKR、PRB土壤修复技术与复合垂直流人工湿地技术相结合，拓展了电动修复技术、可渗透反应墙技术在地表污水处理领域的应用。

5、工艺操作简单，处理效果好，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置结构示意图。

其中：1-多孔布水管道、2-阳电极、3-阳极控制液、4-阳极井、5-阴电极、6-阴极控制液、7-阴极井、8-外侧过滤层、9-内部填料基质、10-低压直流电源、11-湿地基质、12- 湿地植物、13-出水集水管道、14-导线。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施例进行解释和说明，并不构成对本发明的限制。

实施例1：

一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其步骤如下：

A、构建电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水小试系统（2.5 m ×1 m ×1m）；

B、待处理污水经下行池表面多孔布水管均匀布水进入湿地系统后，首先，部分污水依次通过下行池、下行池底部、上行池底部、上行池，最终由上行表面出水集水管道排出，污水中的N、P营养盐、有机污染物、重金属等污染物通过湿地基质的吸附截流、植物的同化吸收、微生物的分解等作用得以有效去除；

C、其余污水通过下、上行池间可渗透反应墙直接流入上行池，所经过污水通过可渗透反应墙中基质吸附、沉淀、离子交换、表面络合、氧化还原和生物降解等作用，强化污水中硝酸盐、重金属、有机污染物等多种污染物去除效果；

D、其次，湿地系统两侧设有EKR阴阳两极，阳极由电极、阳极控制液、阳极井组成；阴极由电极、阴极控制液、阴极井组成；在重力和外加低压直流电源作用下，重金属或极性有机污染物在随水流运动或向两测电极移动时，或被湿地中基质吸附、植物吸收、微生物分解，或与渗透性反应墙内的填料基质反应、或发生电化学反应使其得以去除；

E、最终，两部分污水在上行池汇合，经由基质表面的多孔集水管均匀收集后排出系统；

所述的污水是湖北武汉某农村生活污水，其中TN平均含量为9.64 mg/L，TP平均含量为1.42 mg/L，CODcr平均含量为105.70 mg/L。

在本实施例中，污水在系统内停留3d后，出水TN、TP、CODcr去除率分别达到了85%、90%、80%以上，出水水质均达到了国家地表水环境质量Ⅴ类水以上。

实施例2：

一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，该装置（2.5 m ×1 m ×1m）由EKR部分、PRB部分和IVCW部分组成，其中，PRB部分（0.5 m ×1 m ×1 m）由传统IVCW中下行池(1 m ×1 m ×1 m)与上行池(1 m ×1 m ×1 m)之间的隔墙重新设计而成；EKR的阳、阴电极分别位于下行池和上行池的外侧；其特征在于：IVCW部分包括下行池与上行池中的基质11、湿地植物12、布水管道1及出水集水管道13；下行池与上行池串联，中间用可渗透反应墙（PRB）隔开；湿地基质11填满下行池、上行池，湿地植物12种植于基质表面，进水管道1与出水管道13分别布置在下行池和上行池基质表面。EKR部分包括低压直流电源10、导线14、阳电极2、阴电极5、阳极井4、阴极井7及其阳极控制液3、阴极控制液6；其中，阴电极5、阳电极2分别置于湿地下行池、上行池外侧的阴极井7、阳极井4内，通过导线14分别与直流电源10负极、正极相连。阴极控制液6、阳极控制液3充满阴极井5、阳极井2。PRB部分位于湿地下行池、上行池中间，由外侧过滤层8和内部填料基质9组成，过滤层8位于内部填料基质9两侧，将湿地基质11与内部填料基质9隔开。

在本实施例中，所述的污水是重金属粉剂与农村生活污水的实验配水。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的湿地基质11为砂石、无烟煤、生物陶粒中的一种或一至三种任意一种；

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，所述的湿地植物12为千屈菜、茭白、美人蕉、水甜茅、风车草、野古草、菖蒲、芦苇、香蒲、花叶芦荻、鸢尾中的一种或一至十一种中任意组合。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的阴极电极5和阳极电极2为石墨、钛、铂、金或不锈钢中的任一种。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的阴极控制液6和阳极控制液3为KCl电解液、KNO₃溶液、醋酸/醋酸钠缓冲液中的任意一种。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的阴极井7、阳极井4为黏土、细沙、活性炭中的一种或三种中任意组合而成的隔层。

所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，其特征在于：所述的内部（PRB）填料基质9为零价铁、氧化铁、氢氧化亚铁、活性炭、改性沸石、释氧材料、石灰石、活性炭、矾土、木屑、离子交换树脂中的一种或十一种中任意组合。

实验结果表明：较单一的EKR、PRB或IVCW技术而言，耦合装置出水中总氮、总磷、重金属、有机质等含量去除率均提高了10%-30%。

Claims (7)

1.一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其步骤是：

A、待处理污水经下行池表面多孔布水管均匀布水进入湿地系统后，部分污水依次通过下行池、下行池底部、上行池底部、上行池，最终由上行表面出水集水管道排出，污水中的N、P营养盐、有机污染物、重金属污染物通过湿地基质的吸附截流、植物的同化吸收、微生物的分解作用得以有效去除；

B、其余污水通过下行池、上行池间渗透反应墙直接流入上行池，经过污水通过渗透反应墙中基质吸附、沉淀、离子交换、表面络合、氧化还原和生物降解作用，强化污水中硝酸盐、重金属、有机污染物多种污染物去除效果；

C、湿地系统两侧设有电动修复阴阳两极，阳极由电极、阳极控制液、阳极井组成；阴极由电极、阴极控制液、阴极井组成；在重力和外加低压直流电源作用下，重金属或极性有机污染物在随水流运动或向两测电极移动时，被湿地中基质吸附、植物吸收、微生物分解，或与渗透性反应墙内的填料基质反应、或发生电化学反应使其得以去除；

D、两部分污水在上行池汇合，经由基质表面的多孔集水管均匀收集后排出系统，单一的电动修复、可渗透反应墙或复合垂直流人工湿地，出水中氮、磷营养负荷的去除率达到80%，重金属、有机质含量去除率均达到95%，电动修复、可渗透反应墙或复合垂直流人工湿地，耦合装置出水中总氮、总磷、重金属、有机质含量去除率均提高了10%-30%；

所述的污水是生活污水，受重金属、有机物高污染水体或江、河、湖泊不同富营养化程度的自然水体；

所述方法使用一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的装置，所述装置由电动修复、可渗透反应墙和复合垂直流人工湿地组成，其中：可渗透反应墙由传统复合垂直流人工湿地中下行池与上行池之间的隔墙组成，电动修复的阳电极、阴电极分别位于下行池和上行池的外侧，其特征在于：复合垂直流人工湿地包括下行池与上行池中的湿地基质（11）、湿地植物（12）、布水管道（1）及出水集水管道（13）；下行池与上行池串联，中间用渗透反应墙隔开；湿地基质（11）填满下行池、上行池，湿地植物（12）种植于基质表面，多孔布水管道（1）与出水集水管道（13）分别布置在下行池和上行池基质表面，电动修复包括低压直流电源（10）、导线（14）、阳电极（2）、阴电极（5）、阳极井（4）、阴极井（7）及阳极控制液（3）、阴极控制液（6），其中：阴电极（5）、阳电极（2）分别置于湿地下行池、上行池外侧的阴极井（7）、阳极井（4）内，通过导线（14）分别与低压直流电源（10）负极、正极相连，阴极控制液（6）、阳极控制液（3）充满阴极井（7）、阳极井（4），可渗透反应墙位于湿地下行池、上行池中，由外侧过滤层（8）和内部填料基质（9）组成，外侧过滤层（8）位于内部填料基质（9）两侧，将湿地基质（11）与内部填料基质（9）隔开。

2.根据权利要求1所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其特征在于：所述的湿地基质（11）为砂石、无烟煤、生物陶粒中的一种或一至三种任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其特征在于：所述的湿地植物（12）为千屈菜、茭白、美人蕉、水甜茅、风车草、野古草、菖蒲、芦苇、香蒲、花叶芦荻、鸢尾中的一种或一至十一种中任意组合。

4.根据权利要求1所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其特征在于：所述的阴电极（5）和阳电极（2）为石墨、钛、铂、金或不锈钢中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其特征在于：所述的阴极控制液（6）和阳极控制液（3）为KCl电解液、KNO₃溶液、醋酸/醋酸钠缓冲液中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其特征在于：所述的阴极井（7）、阳极井（4）为黏土、细沙、活性炭中的一种或三种中任意组合的隔层。

7.根据权利要求1所述的一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法，其特征在于：所述的内部填料基质（9）为零价铁、氧化铁、氢氧化亚铁、活性炭、改性沸石、释氧材料、石灰石、矾土、木屑、离子交换树脂中的一种或十种中任意组合。

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