CN108101222B - 一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地及其对尾水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地及其对尾水处理方法。所述尾水深度脱氮除磷的人工湿地，包括填料不同的湿地基质床体A和床体B，床体A是常规的人工湿地砾石床，以砾石作为填料，顶部加盖封闭或种植植物，床体B是有机无机混合填料床，顶部加盖封闭；床体A和床体B均采用下部进水上部出水的垂直流运行方式。本发明使用的材料容易获得，成本低廉，可以持续提供脱氮所需要的电子供体，以及除磷所需要的吸附剂，使尾水中的氮磷降低至更低的水平。

Description

一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地及其对尾水处理方法
技术领域
本发明属于环保领域，具体涉及一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地及其对尾水处理方法。
背景技术
在一些水资源较匮乏的区域，城市生活污水处理后的尾水正在成为地表水体主要补给水源。但目前我国城市污水处理即使执行最严格的排放标准：《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)》一级A标准，尾水中氮磷浓度仍然比较高(TP：0.5～1.0mg/L、TN：15～20mg/L、NH4+-N：5～8mg/L)，高于《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》Ⅳ类标准，更高于导致水体富营养化的氮磷浓度上限，由此可知，尾水直接排入地表水体，特别是流动性较差的地表水体时，会造成水中氮磷的逐渐积累，为地表水体带来潜在的富营养化风险。因此，尾水作为主要水源补给地表水体时，为了防止富营养化需要对其进行深度脱氮除磷。
对于尾水进行深度处理，目前应用较为广泛的是人工湿地技术。人工湿地技术具有构建简单投资低、运行及维护成本低等特点，并且具有一定的景观价值，可用于排放量较大的规模化城市污水处理厂尾水深度处理。但是，目前的人工湿地技术仍存在一定的限制因素，使得以氮、磷为主的污染物去除效率不高。尾水中的氮主要以硝酸盐氮的形式存在，在人工湿地中主要去除方式是反硝化，但尾水进入人工湿地前，有机物已被大量去除，进入人工湿地后由于缺乏充足的有机碳源使得反硝化作用减弱，导致硝酸盐氮的去除效果降低。人工湿地技术对于磷的去除主要是通过基质的吸附与沉淀作用，常规的填料吸附能力有限，磷吸附易达到饱和，使得人工湿地磷去除能力持续下降。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述人工湿地对尾水深度脱氮除磷的方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地，包括填料不同的湿地基质床体A和床体B，床体A是常规的人工湿地砾石床，以粒径较大的砾石等作为填料，顶部加盖封闭或可种植根系较浅的矮生型植物；床体B是有机无机混合填料床，顶部加盖封闭；有机材料是植物碎屑等以植物生物质为主的材料，无机材料是富铁基质，包含富铁的土壤和矿物等；床体A和床体B均采用下部进水上部出水的垂直流运行方式。
优选的，两段床体的连接方式是尾水进入床体A底部，从床体A顶部排出，其中部分出水回流至床体B，从床体B底部进入，在床体B顶部排出；床体B的出水与尾水混合一同进入床体A，形成部分循环。
优选的，床体A在启动时期，从顶部喷洒一次富集的具有亚铁氧化硝酸盐还原功能的菌液，该菌液含有的菌群具有异养反硝化和亚铁反硝化功能。种植植物，通水后基质床体内完全浸满水形成厌氧的环境，发生亚铁氧化硝酸盐还原过程，亚铁离子被氧化，硝酸盐氮还原成氮气排出。
优选的，床体B在启动初期，从顶部喷洒一次富集的具有异化铁还原功能的菌液，加盖封闭。床体B填料整体浸没在水中，形成厌氧状态。固体有机物部分厌氧水解，而铁氧化物在还原菌的作用下，与有机物发生异化铁还原反应，反应产生大量亚铁，使得床体B的出水中携带溶出的有机物和亚铁，一同进入床体A。
优选的，所述砾石粒径为0.5-1.5cm。
优选的，所述的有机无机混合填料为处理过的富铁基质和植物碎屑按照一定比例混合，以无纺布包裹，形成可更换的组合填料块。植物碎屑和富铁基质质量比例优选为1：3-1：4。
更优选的，所述富铁基质为铁含量较高的赤红壤、砖红壤或铁矿物等材料，经过研磨过20-40目筛的颗粒大小；植物碎屑为烘干的枯枝落叶等材料，破碎成直径0.1-0.5cm的叶片大小。
优选的，所述床体A顶部种植的植物是矮生型植物，根系较为短小，植物收割后可用于混合填料。
优选的，所述的尾水是生活污水经过二级生化处理后出水，氮以硝酸盐氮为主，磷以无机磷为主，氮磷浓度分别在10-20mg/L、0.5-1.5mg/L。
一种利用上述人工湿地对尾水深度脱氮除磷的方法，包括以下步骤：
(1)将床体B和床体A分别填入有机无机混合填料和砾石，然后充满自来水；从床体B的顶部加入一次异化铁还原菌液，在床体A的顶部加入一次亚铁氧化硝酸盐还原菌液；同时启动尾水处理，将尾水从床体A下部通入，床体处理后出水部分回流到床体B，其余排放；
(2)床体A的排水部分回流至床体B，床体B从下往上的垂直流使有机无机混合填料完全浸入水中形成厌氧的环境，固体有机物发生水解；铁氧化物在厌氧酸化的条件下，被异化铁还原细菌利用有机物发生还原反应，形成大量亚铁离子溶出；床体B的出水中携带着部分未被利用的有机物和大量亚铁离子，与尾水混合，进入填料为砾石的床体A；
(3)未被利用的有机物进入床体A，为反硝化脱氮提供部分碳源，实现硝酸盐氮部分脱除；同时，床体A也是从下往上的垂直流形成厌氧的环境，在亚铁氧化硝酸盐还原菌的作用下，亚铁氧化硝酸盐还原使部分硝酸盐氮被脱除；而尾水中的磷酸根离子可以与亚铁离子反应形成沉淀，沉积在砾石表面；同时，被硝酸盐氮氧化形成的无定型三价铁氧化物，也会沉积在砾石表面，对尾水中的无机磷具有较强的吸附作用。
步骤(1)中加入的异化铁还原菌液和亚铁氧化硝酸盐还原菌液的量均为100ml左右，具体视人工湿地面积而定。
步骤(2)和(3)的反应持续进行，有机无机混合填料床体B内溶出的亚铁离子和有机物与尾水中的氮磷反应，进水中硝酸盐氮最终以氮气的形式去除，磷酸根离子则被沉积固定在砾石表面，达到深度脱氮除磷的效果。
所述的有机无机混合填料为处理过的富铁基质和植物碎屑按照一定比例混合、以无纺布包裹、形成可更换的组合填料块，当富铁基质中的三价铁被完全还原利用，或植物碎屑中的有机物被完全利用后，通过更换新的有机无机混合填料或富铁基质或植物碎屑，继续发挥脱氮除磷的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本技术可以持续提供脱氮所需要的电子供体，以及除磷所需要的吸附剂，改善常规人工湿地技术脱氮除磷中缺乏可利用的碳源和吸附饱和的问题，使尾水中的氮磷降低至更低的水平。
(2)本技术使用的材料容易获得，成本低廉，可以持续有效的对尾水进行深度脱氮除磷。
附图说明
图1为本发明一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地的主视图。
其中：1-砾石床体A；2-有机无机混合填料床体B；3-尾水进水口(1)；4-处理后出水(2)；5-出水部分回流(3)。
图2为实施例1中系统进出水总磷的变化情况。
图3为实施例1中系统进出水硝酸盐氮的变化情况。
图4为实施例2中系统进出水总磷的变化情况。
图5为实施例2中系统进出水硝酸盐氮的变化情况。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
所述异化铁还原菌液为文献“典型富氧化铁土壤基质中铁异化还原的特性[J].李弘，种云霄，余光伟，龙新宪，环境科学学报2017，37(3)：1092～1097”中所述的接种菌液，通过以下步骤得到：选取华南农业大学试验基地水稻土作为菌种来源。取100g风干水稻土于1L烧杯，加入500mL蒸馏水，充分搅拌后用保鲜膜封口在30培养箱培养1天，临用前取上清液作为接种菌液(即本发明所述异化铁还原菌液)。
所述亚铁氧化硝酸盐还原菌液为文献“污染河流底泥亚铁氧化硝酸盐还原菌分离及代谢特性[J].谢小兰，余光伟，种云霄，龙新宪，中国环境科学2015,35(5)：1554～1562”中所述的混合异养反硝化菌液，通过以下步骤得到：选取广州市天河区车陂涌河道底泥作为菌种来源。取100g底泥于1L的四口瓶中，加入900mL常规异养反硝化细菌培养液，通氮气形成无氧环境，在30℃振荡培养箱中培养至硝酸盐浓度下降，取100mL上述培养液进行第2次富集，共重复3次，得到混合异养反硝化菌液(即本发明所述亚铁氧化硝酸盐还原菌液)。
实施例1
实验初期，构建人工湿地两部分床体。由两个PVC管并列而放构成，两段管直径为20cm，高度分别为：床体A是75cm和床体B是50cm，保持床体顶部高度一致，床体加盖暂无种植植物。床体A顶部和底部的10cm高均为直径2cm的石块，中间55cm高为直径0.5cm的砾石。将砖红壤研磨过20目筛，枯枝落叶烘干粉碎成约0.5cm大小，得到的植物碎屑和砖红壤按质量比1:3混合，混合均匀后加入至床体B。
两段床体内均形成从下往上的人工湿地垂直流，床体A一侧的底部有两个并列的进水口，一个是尾水的入口，另一个是床体B出水的入口，一同进入床体A，在另一侧的顶部出水。出水有一部分回流至床体B，从床体B一侧的底部进入，形成部分循环。实验开始，向两段床体内充满自来水，从床体B顶部加入一次100ml的异化铁还原菌液，床体A的顶部加入一次100ml的亚铁氧化硝酸盐还原菌液。进水流量在实验开始前28天是20m/min，后面根据实际处理情况，调节为15ml/min，回流流量则一直保持为2ml/min。进水是模拟的城市污水处理厂尾水，其中硝酸盐氮浓度约为15mg/L，总磷浓度为0.5mg/L。启动装置，每天监测进水和出水的pH值、COD浓度、亚铁离子浓度、总磷浓度和硝酸盐氮浓度。
实验一共进行了90天，进水的pH值维持在7.5左右，COD和亚铁离子浓度几乎为零，而总磷和硝酸盐氮的浓度，除了偶有异常点以外，分别维持在0.5mg/L和15mg/L。实验开始后，床体A出水的COD和亚铁离子浓度有所上升，20天后，出水的COD浓度保持在20mg/L以下，亚铁离子浓度在1.5mg/L以下，pH值保持在7.5左右。总磷和硝酸盐氮浓度，随着COD和亚铁的溶出逐渐下降。实验开始，床体A出水中总磷的去除率从20％逐渐上升，30天时达到70％，之后持续上升最高可达到95％。即总磷浓度从0.4mg/L，下降至0.1mg/L以下。有大约60天，总磷浓度在0.3mg/L以下，达到地表水Ⅲ标准。而床体A出水中的硝酸盐氮在12天时去除率就达到80％，即硝酸盐氮浓度为3mg/L。之后偶有波动，到实验60天时，去除率逐渐上升，最高达到92％，即硝酸盐氮的浓度为1.2mg/L。
实施例2
实验初期，构建人工湿地两部分床体。床体规模、床体内容物以及启动运行方式，与实施案例1相同，只改变了床体B中有机无机混合填料比例，植物碎屑和砖红壤为质量比1:4。
实验进行60天，进水的pH值维持在7.5左右，亚铁离子和有机物浓度几乎为零，而总磷和硝酸盐氮的浓度，除了偶有异常点以外，分别维持在0.5mg/L和15mg/L。实验开始后，床体A出水的亚铁离子和有机物浓度有所上升，25天之后，出水的有机物浓度保持在20mg/L以下，亚铁离子浓度在1mg/L以下，均能达到地表水Ⅲ标准，pH值保持在7.5左右。总磷和硝酸盐氮浓度，随着有机物和亚铁的溶出逐渐下降。实验开始，床体A出水中的总磷有部分上升，是因为床体B内溶出少量可溶性磷，去除率从最低的20％开始上升，18天达到80％，即总磷浓度从0.4mg/L下降至0.1mg/L，之后有波动，总磷浓度维持在0.2mg/L左右，可以达到地表水Ⅲ标准。床体A出水中的硝酸盐氮在实验开始就有大量的去除，第5天达到80％的去除率，即硝酸盐氮浓度在4mg/L以下，持续了30天以上，之后去除率逐渐下降，此时床体B溶出的有机物浓度也逐渐减少。
相比实施例1中，实施例2中改变了混合填料的比例，即增加了富铁基质的含量，使总磷和硝酸氮的去除效果更稳定。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地，其特征在于，包括填料不同的湿地基质床体A和床体B，床体A是常规的人工湿地砾石床，以砾石作为填料，顶部加盖封闭或种植植物；床体B是有机无机混合填料床，顶部加盖封闭；床体A和床体B均采用下部进水上部出水的垂直流运行方式；
两段床体的连接方式是尾水进入床体A底部，从床体A顶部排出，其中部分出水回流至床体B，从床体B底部进入，在床体B顶部排出；床体B的出水与尾水混合一同进入床体A，形成部分循环；
床体A在启动时期，从顶部喷洒一次富集的具有亚铁氧化硝酸盐还原功能的菌液；床体B在启动初期，从顶部喷洒一次富集的具有异化铁还原功能的菌液，加盖封闭；
所述的有机无机混合填料为处理过的富铁基质和植物碎屑按照一定比例混合，以无纺布包裹，形成可更换的组合填料块；所述富铁基质为赤红壤、砖红壤或铁矿物，经过研磨过20-40目筛的颗粒大小；植物碎屑为烘干的枯枝落叶，破碎成直径0.1-0.5cm的叶片大小；所述砾石的粒径为0.5-1.5cm。
2.根据权利要求1所述的一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地，其特征在于，所述床体A顶部种植的植物是根系较浅的矮生型植物。
3.根据权利要求1所述的一种尾水深度脱氮除磷的人工湿地，其特征在于，所述的尾水是生活污水经过二级生化处理后出水，氮以硝酸盐氮为主，磷以无机磷为主，氮磷浓度分别在10-20mg/L、0.5-1.5mg/L。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的人工湿地对尾水深度脱氮除磷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将床体B和床体A分别填入有机无机混合填料和砾石，然后充满自来水；从床体B的顶部加入一次异化铁还原菌液，在床体A的顶部加入一次亚铁氧化硝酸盐还原菌液；同时启动尾水处理，将尾水从床体A下部通入，床体处理后出水部分回流到床体B，其余排放；
(2)床体A的排水部分回流至床体B，床体B从下往上的垂直流使有机无机混合填料完全浸入水中形成厌氧的环境，固体有机物发生水解；铁氧化物在厌氧酸化的条件下，被异化铁还原细菌利用有机物发生还原反应，形成大量亚铁离子溶出；床体B的出水中携带着部分未被利用的有机物和大量亚铁离子，与尾水混合，进入填料为砾石的床体A；
(3)未被利用的有机物进入床体A，为反硝化脱氮提供部分碳源，实现硝酸盐氮部分脱除；同时，床体A也是从下往上的垂直流形成厌氧的环境，在亚铁氧化硝酸盐还原菌的作用下，亚铁氧化硝酸盐还原使部分硝酸盐氮被脱除；而尾水中的磷酸根离子可以与亚铁离子反应形成沉淀，沉积在砾石表面；同时，被硝酸盐氮氧化形成的无定型三价铁氧化物，也会沉积在砾石表面，对尾水中的无机磷具有较强的吸附作用。
5.根据权利要求4所述的利用人工湿地对尾水深度脱氮除磷的方法，其特征在于，所述的有机无机混合填料为处理过的富铁基质和植物碎屑按照一定比例混合、以无纺布包裹、形成可更换的组合填料块，当富铁基质中的三价铁被完全还原利用，或植物碎屑中的有机物被完全利用后，通过更换新的有机无机混合填料或富铁基质或植物碎屑，继续发挥脱氮除磷的作用。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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