CN107381966B - 一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统 - Google Patents

一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统，所述复合人工湿地系统包括按水流方向依次设置的絮凝沉淀池、好氧表流人工湿地机构、树脂除氧设备、厌氧上行潜流人工湿地机构，所述好氧表流人工湿地机构包括铺设在底部的砾石层、设置在底部的曝气设备、铺设在所述砾石层上的生物炭‑树脂层、种植在所述砾石层与生物炭‑树脂层内的湿地植物，所述厌氧上行潜流人工湿地机构包括自下而上依次设置的布水层、反硝化层、种植层，所述种植层内种植有水生植物。本发明在好氧表流人工湿地机构与厌氧上行潜流人工湿地机构的综合作用下，使得污水中的氨氮去除率得到了极大地提高，具有结构简单、净水效果好、运行管理便捷等特点。

Description

一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统
技术领域
本发明涉及一种人工湿地，特别是涉及一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统。
背景技术
人工湿地处理技术是节能降耗型水处理技术的典型代表，目前已在世界各国受到高度重视。十几年来人工湿地迅速发展，除了应用于城市污水处理外，还应用于农业面源污染、暴雨径流、富营养化河湖水等的处理。与传统污水处理相比，人工湿地系统的合理应用，对于改善生态环境，促进城市的可持续发展都具有重要意义。
目前，多数污水处理厂仍普遍采用活性污泥法处理污水，而经该方法处理的污水有相当含量的氨氮排入水体中，亦导致水体的富营养化。氨氮浓度过高会引起水体中藻类及微生物的大量繁殖，使水中溶解氧急剧降低，导致鱼类及其他水生生物缺氧死亡，致使水质恶劣。尤其当所排入的水体为河流、湖泊等水源时，将增加给水处理的难度和成本，因此二级处理的出水需要进行脱氮处理。
氨氮的去除有多种方法，其中生物法是利用各种微生物的协同作用，将水中的氨态氮转化为N2和NxO的过程，包括硝化、反硝化两个过程。硝化反应是在好氧条件下，将NH4 +转化为NO2 -和NO3 -的过程，该过程由自养型微生物亚硝酸菌和硝酸菌两种菌共同完成；硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。而反硝化反应是在无氧条件下，反硝化细菌将硝酸盐氮(NO3 -)和亚硝酸盐氮(NO2 -)还原为氮气的过程。反硝化细菌在无氧条件时，以NO2 -和NO3 -为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。
人工湿地便是较为典型的利用生物法去除氨氮的水处理技术。从生物法去除氨氮的机理可知，溶解氧影响着微生物的硝化和反硝化反应，是水中氨氮得以去除的关键性因素。因此严格控制好硝化反应层和反硝化反应层的溶解氧浓度，并且在硝化反应层促使溶解氧能够被硝化细菌充分利用，可以大大提高人工湿地对氨氮废水的去除效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统，针对溶解氧这一影响氨氮去除效果的关键性因素，构建好氧表流人工湿地与厌氧上行潜流人工湿地联用的复合人工湿地系统，用以高效去除氨氮废水。
为实现上述目的，本发明提供了一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统，所述复合人工湿地系统包括按水流方向依次设置的絮凝沉淀池、好氧表流人工湿地机构、树脂除氧设备、厌氧上行潜流人工湿地机构，所述好氧表流人工湿地机构包括铺设在底部的砾石层、设置在底部的曝气设备、铺设在所述砾石层上的生物炭-树脂层、种植在所述砾石层与生物炭-树脂层内的湿地植物，所述厌氧上行潜流人工湿地机构包括自下而上依次设置的布水层、反硝化层、种植层，所述树脂除氧设备与所述布水层相连通，所述种植层内种植有水生植物。
优选地，所述曝气设备包括呈S形设置在所述好氧表流人工湿地机构底部内的通气管，所述通气管直径为40～50mm，所述通气管一端为设置在空气中的进气口，所述通气管上通过立管间隔设有曝气头。
优选地，所述曝气头的位置设置在所述生物炭-树脂层与所述好氧表流人工湿地机构内水位之间，且刚好高于所述生物炭-树脂层上部；相邻两个曝气头之间的距离为50～80mm，并且在所述曝气设备工作时，所述好氧表流人工湿地机构的水中溶解氧的浓度在2mg/L以上。
优选地，所述絮凝沉淀池内添加有絮凝剂，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺。
优选地，所述絮凝沉淀池内添加有絮凝剂，所述絮凝剂为铁盐、铝盐絮凝剂时，所述絮凝沉淀池出水中Fe3+与Al3+浓度小于0.3mol/L。
优选地，所述砾石层为粒径20～30mm的砾石铺设而成，铺设厚度为300～500mm；所述生物炭-树脂层的铺设厚度100～150mm。
优选地，所述种植层铺设高度为150～250mm，由10～20mm的碎石基质覆盖种植土铺设而成；所述反硝化层由粒径为5～10mm的陶粒铺设而成，铺设高度为1000～1200mm；所述布水层由30～50mm的鹅卵石铺设而成，铺设高度为300～400mm。
优选地，所述树脂除氧设备的出水溶解氧含量≤0.05mg/L。
优选地，所述生物炭-树脂层由生物炭-树脂材料铺设而成，所述生物炭-树脂材料的制备步骤如下：
A、将湿地植物使用去离子水洗净后晾干，放入粉碎机中过150～200目晒网后至于真空管式电阻炉中，在氮气氛围中以10℃/min速度升温至700℃后恒温炭化2h，自然冷却至室温后取出，将炭化后的产物洗净、烘干、研磨，得到生物炭粉末；
B、选用D61大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，粒径范围为0.3mm～1.25mm，并用15％的NaCl溶液将所述氢型阳离子交换树脂转化为钠型阳离子交换树脂；
C、将步骤A中制得的生物炭粉末20体积份、步骤B得到的钠型阳离子交换树脂10体积份、偶联剂0.5体积份加入到100体积份的丙烯酸酯乳液中，在常温下低速搅拌均匀后，倒入到模具中，真空干燥得到生物炭-树脂材料。
优选地所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述模具为圆形网状孔格，孔径大小为10～15mm。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统针对溶解氧这一要素，构建好氧表流和厌氧上行流人工湿地系统，其中，好氧表流湿地选用特殊基质—生物炭-树脂材料，并配合湿地曝气设备，使得硝化细菌在该湿地系统中高效进行硝化反应；好氧表流湿地的出水，在除氧树脂作用下去除水中的溶解氧，然后进入厌氧上行潜流湿地中，在此水流依次经过布水层，反硝化层和种植层后流出，反硝化细菌在无氧条件下进行反硝化作用，从而去除水中氨氮。本发明在好氧表流人工湿地机构与厌氧上行潜流人工湿地机构的综合作用下，使得污水中的氨氮去除率得到了极大地提高，具有结构简单、净水效果好、运行管理便捷等特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统示意图；
图2为曝气设备结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统，如图1、图2所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。具体地，所述复合人工湿地系统包括按水流方向依次设置的絮凝沉淀池1、好氧表流人工湿地机构2、树脂除氧设备3、厌氧上行潜流人工湿地机构4，所述好氧表流人工湿地机构2包括铺设在底部的砾石层10、设置在底部的曝气设备、铺设在所述砾石层10上的生物炭-树脂层7、种植在所述砾石层10与生物炭-树脂层7内的湿地植物9，所述厌氧上行潜流人工湿地机构4包括自下而上依次设置的布水层13、反硝化层12、种植层11，所述种植层11内种植有水生植物14。
如图1所示，所述复合人工湿地系统包括按水流方向依次设置的絮凝沉淀池1、好氧表流人工湿地机构2、树脂除氧设备3、厌氧上行潜流人工湿地机构4。当进水污水的有机物含量较高时，应首先进入絮凝沉淀池1，去除水中大分子有机颗粒和固体悬浮物。因为硝化菌是自养菌，若进水中有机污染物含量过高，将有助于异氧菌的迅速繁殖，从而降低微生物中硝化菌的比例。
优选地，所述絮凝沉淀池1内添加有絮凝剂，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺。优选地，所述絮凝沉淀池1内添加有絮凝剂，所述絮凝剂为铁盐、铝盐絮凝剂时，所述絮凝沉淀池1出水中Fe3+与Al3+浓度小于0.3mol/L，以防止因Fe3+、Al3+浓度过高，造成生物炭-树脂材料中的离子交换树脂受到污染，降低了树脂交换容量，最终将导致材料功能失效。
所述好氧表流人工湿地机构2设置高度较浅，一般为0.8～1m。所述砾石层10为粒径20～30mm的砾石铺设而成，铺设厚度为300～500mm。砾石层10的上部铺设一层生物炭-树脂7，粒径约10～15mm，铺设厚度100～150mm。湿地中种有美人蕉、芦竹等净水效果较好的湿地植物9。
湿地底部设置一组曝气设备，如图2所示，所述曝气设备包括呈S形设置在所述好氧表流人工湿地机构2底部内的通气管6，所述通气管6直径为40～50mm，所述通气管6一端为设置在空气中的进气口5，所述通气管6上通过立管间隔设有曝气头8。曝气头8可选用旋混式曝气器，曝气头8所在高度应刚刚高于所铺生物炭-树脂层8的高度，在其上方，相邻两个曝气头之间的距离约50～80mm，即所述曝气头8的位置设置在所述生物炭-树脂层7与所述好氧表流人工湿地机构2内水位之间。为保证较好的处理效果，可调整曝气设备的曝气量，在所述曝气设备工作时，所述好氧表流人工湿地机构2的水中溶解氧的浓度在2mg/L以上。
如图1所示，因所述好氧表流人工湿地机构2的出水中含有部分溶解氧，在进入厌氧上行潜流人工湿地机构4前，可将水通过树脂除氧设备3，去除水中的溶解氧。所述树脂除氧设备3可在常温下实现除氧，无需加热，且除氧效果稳定可靠，出水溶解氧含量≤0.05mg/L。
水流经过树脂除氧设备3降低水中溶解氧后，进入厌氧上行潜流人工湿地机构4。所述树脂除氧设备(3)与所述布水层(13)相连通，使得水流自下而上依次流动，具体流向如图1中箭头所标示方向。所述厌氧上行潜流人工湿地机构4包括自下而上依次设置的布水层13、反硝化层12、种植层11，所述种植层11内种植有水生植物14，水生植物14宜选用水韭、水麦冬等根系较浅的水生植物。优选地，所述种植层11铺设高度为150～250mm，由10～20mm的碎石基质覆盖种植土铺设而成；所述反硝化层12由粒径为5～10mm的陶粒铺设而成，铺设高度为1000～1200mm；所述布水层13由30～50mm的鹅卵石铺设而成，铺设高度为300～400mm。其中反硝化层12中的陶粒为反硝化反应进行的主要场所。优选地，可于陶粒中固定反硝化细菌，以增强反硝化效率，提高氨氮去除效果。由于反硝化反应过程中常常出现碳源不足现象，可添加缓释碳源以达到提高氨氮去除效果的作用。
优选地，所述生物炭-树脂层7由生物炭-树脂材料铺设而成，所述生物炭-树脂材料的制备步骤如下：
A、将湿地植物使用去离子水洗净后晾干，放入粉碎机中过150～200目晒网后至于真空管式电阻炉中，在氮气氛围中以10℃/min速度升温至700℃后恒温炭化2h，自然冷却至室温后取出，将炭化后的产物洗净、烘干、研磨，得到生物炭粉末。
由于人工湿地中的水生植物若不能及时去除，任其自然腐烂分解，污染物级营养物质又被释放到湿地系统中的话，会造成二次污染，因此本发明优先选用收割湿地植物所得秸秆进行所需生物炭材料的制备，当然亦可从其他地方获得秸秆采用上述方法进行生物炭材料的制备。
B、选用D61大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，粒径范围为0.3mm～1.25mm，并用15％的NaCl溶液将所述氢型阳离子交换树脂转化为钠型阳离子交换树脂。
大孔型树脂存在永久性的孔径，内部为多孔海绵结构，比表面积大，因此交换扩散速度也加快，能够更加迅速的吸附交换水中的阳离子，且具有良好的稳定性。优选地，本发明选用D61大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，粒径范围0.3mm～1.25mm，并用15％的NaCl溶液将该氢型阳离子交换树脂转化为钠型阳离子交换树脂。若使用氢型树脂，当树脂中的H+与NH4+交换后，H+脱落下来进入到水中，容易引起水溶液pH的降低，不利于硝化细菌进行硝化反应，因此需要将氢型树脂转化为钠型树脂。
C、将步骤A中制得的生物炭粉末20体积份、步骤B得到的钠型阳离子交换树脂10体积份、偶联剂0.5体积份加入到100体积份的丙烯酸酯乳液中，在常温下低速搅拌均匀后，倒入模具中，真空干燥得到生物炭-树脂材料。
微生物固定化技术具有大幅度提高参加反应的微生物浓度，增强耐环境冲击性，保持高效优势种等特点，能够有效提高氨氮的去除效率，因此优选地，可将步骤A得到的生物炭粉末与硝化细菌悬浊液均匀混合，静置18～24h直至生物炭粉吸附硝化细菌达到饱和，过滤后于15～20℃进行鼓风干燥，得到改性生物炭粉末。优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所用模具内可设有圆形网状孔格，孔径大小可选用10～15mm，以制备符合要求的粒径。
由于生物炭具有巨大的比表面积和发达的空隙结构，对水中的溶解氧具有很强的吸附特性；钠型离子交换树脂则能通过离子交换作用吸附水中的NH4 +；固定在生物炭上的硝化细菌能够利用生物炭吸附的溶解氧和树脂经离子交换吸附的NH4 +进行硝化反应从而将氨氮转化为硝态氮。此外，硝化反应过程中伴随着碱度的降低，如果系统中的碱度不足以缓冲消化过程中产生的质子，那么会导致系统的pH值降低，从而影响硝化反应。而生物炭含有一定量的碱性物质，其表面的碳酸盐是碱的主要存在形态，这些碳酸盐能够缓冲硝化反应中产生的质子，使系统的pH保持稳定。本发明还在该层基质上方设置曝气设备，增加了水中溶解氧浓度，综合效应下使得好氧表流人工湿地机构2中的硝化反应效率得到了极大地提高。
本发明的高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统针对溶解氧这一要素，构建好氧表流和厌氧上行流人工湿地系统，其中，好氧表流湿地选用特殊基质—生物炭-树脂材料，并配合湿地曝气设备，使得硝化细菌在该湿地系统中高效进行硝化反应；好氧表流湿地的出水，在除氧树脂作用下去除水中的溶解氧，然后进入厌氧上行潜流湿地中，反硝化细菌在无氧条件下进行反硝化作用，从而去除水中氨氮。本发明在好氧表流人工湿地机构与厌氧上行潜流人工湿地机构的综合作用下，使得污水中的氨氮去除率得到了极大地提高，具有结构简单，净水效果好，运行管理便捷等特点。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统，其特征在于：所述复合人工湿地系统包括按水流方向依次设置的絮凝沉淀池（1）、好氧表流人工湿地机构（2）、树脂除氧设备（3）、厌氧上行潜流人工湿地机构（4），所述好氧表流人工湿地机构（2）包括铺设在底部的砾石层（10）、设置在底部的曝气设备、铺设在所述砾石层（10）上的生物炭-树脂层（7）、种植在所述砾石层（10）与生物炭-树脂层（7）内的湿地植物（9），所述厌氧上行潜流人工湿地机构（4）包括自下而上依次设置的布水层（13）、反硝化层（12）、种植层（11），所述树脂除氧设备（3）与所述布水层（13）相连通，所述种植层（11）内种植有水生植物（14）;
所述生物炭-树脂层（7）由生物炭-树脂材料铺设而成，所述生物炭-树脂材料的制备步骤如下：
A、将湿地植物使用去离子水洗净后晾干，放入粉碎机中过150~200目筛网后至于真空管式电阻炉中，在氮气氛围中以10℃/min速度升温至700℃后恒温炭化2h，自然冷却至室温后取出，将炭化后的产物洗净、烘干、研磨，得到生物炭粉末；
B、选用D61大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，粒径范围为0.3mm~1.25mm，并用15%的NaCl溶液将氢型阳离子交换树脂转化为钠型阳离子交换树脂；
Ｃ、将步骤Ａ中制得的生物炭粉末20体积份、步骤B得到的钠型阳离子交换树脂10体积份、偶联剂0.5体积份加入到100体积份的丙烯酸酯乳液中，在常温下低速搅拌均匀后，倒入到模具中，真空干燥得到生物炭-树脂材料。
2.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述曝气设备包括呈S形设置在所述好氧表流人工湿地机构（2）底部内的通气管（6），所述通气管（6）一端为设置在空气中的进气口（5），所述通气管（6）上通过立管间隔设有曝气头（8）。
3.根据权利要求2所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述曝气头（8）的位置设置在所述生物炭-树脂层（7）与所述好氧表流人工湿地机构（2）内水位之间；相邻两个曝气头（8）之间的距离为50~80mm，并且在所述曝气设备工作时，所述好氧表流人工湿地机构（2）的水中溶解氧的浓度在2mg/L以上。
4.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述絮凝沉淀池（1）内添加有絮凝剂，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺。
5.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述絮凝沉淀池（1）内添加有絮凝剂，所述絮凝剂为铁盐、铝盐絮凝剂时，所述絮凝沉淀池（1）出水中Fe3+与Al3+浓度小于0.3mol/L。
6.根据权利要求2所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述砾石层（10）为粒径20~30mm的砾石铺设而成，铺设厚度为300~500mm；所述生物炭-树脂层（7）的铺设厚度100~150mm；所述通气管（6）直径为40~50mm。
7.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述种植层（11）铺设高度为150~250mm，由10~20mm的碎石基质覆盖种植土铺设而成；所述反硝化层（12）由粒径为5~10mm的陶粒铺设而成，铺设高度为1000~1200mm；所述布水层（13）由30~50mm的鹅卵石铺设而成，铺设高度为300~400mm。
8.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述树脂除氧设备（3）的出水溶解氧含量≤0.05mg/L。
9.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述模具为圆形网状孔格，孔径大小为10~15mm。
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