CN108314186A - 好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种好氧‑厌氧‑好氧三相高效补氧湿地系统，它解决了人工湿地中的复氧效果差、能耗高等问题，通过虹吸排水管可进行周期性虹吸排水以使上部好氧区周期性处于气‑液‑固三相混合状态，可以实现高效补氧，增强了人工湿地系统的气体传质效率，其技术方案为：包括湿地床，所述湿地床侧部设置出水口与虹吸排水管连接，使得所述湿地床位于出水口上方的区域为上部好氧区，位于出水口下方的区域为下部厌氧区；所述虹吸排水管顶部低于湿地床顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水以使上部好氧区周期性处于气‑液‑固三相混合状态。

Description

好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统。

背景技术

我国是一个淡水资源十分匮乏的国家，人均水资源仅为世界平均水平的约30％，水资源短缺已经成为制约社会与经济发展的重要因素，污水的高效处理和水资源回用是当今社会必须攻克的一项难题。在经济飞速发展的大环境下，国民经济的各产业部门都得到了迅速发展，这些发展无疑伴随着大量的污水排放等问题。近年来，我国的污水排放量居高不下，并有逐年增长的趋势，随之而来的水环境问题亟待解决。随着科学技术的发展，我国的污水处理工艺日渐成熟，逐渐发展起来多种强化处理工艺。其中，“人工湿地”作为一种独具特色的生态污水处理技术，是实现河湖水质达标，全面提升水环境质量的重要措施。人工湿地具有处理效果稳定、投资低、管理方便和美化环境等优点，还可促进物质和生态环境的良好循环，在发展中地区流域污染治理中具有突出的技术优势和广阔的应用前景，目前，已被广泛应用于城市污水厂尾水、暴雨径流、污染河水等污水处理和水质深度净化领域。

人工湿地在实际工程运用过程中同样存在若干限制因素。湿地水质净化的机理分析和大量的实验室数据表明：溶解氧的限制是造成污染物去除率低和湿地有机物堵塞的重要原因。为了实现人工湿地高效复氧的目标，目前研究者提出了多种湿地增氧技术，如跌水式进水、底端曝气和潮汐流进水操作等。其中潮汐流进水操作凭借其低能耗、高效去污和简单易行等优势逐渐被应用到实际工程中。自上世纪七十年代起，潮汐式进水的概念开始被应用在人工湿地中，许多研究者在此方面开展了大量研究。潮汐流式人工湿地采用序批式水处理方式，周期性进水和排水，凭借其交替的淹水阶段和排空复氧阶段，为人工湿地中氨氮的硝化过程和有机物的氧化过程提供氧气，该技术相对于人工曝气，大大缩减了运行成本。然而，相关研究表明，潮汐式进水操作在进水后，湿地基质处于完全淹没状态，很短时间内可将排空复氧阶段补充的氧气消耗殆尽，单纯地将潮汐流人工湿地扩大，会造成明显的局部复氧能力缺失等问题。虽然该复氧方式相对于人工曝气缩减了运行成本，但其在污染物的去除效果上明显逊色于人工曝气。可见，目前的技术尚不能满足湿地大规模经济性应用中持续、高效的复氧需求。

综上所述，现有技术中对于人工湿地中的复氧效果差、能耗高、COD及氮磷去除率低、易发生短流现象及有机污堵等问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统，其通过布水结构和导流板的设置，实现中央区域集中布水，水体平推流由中央区域自上而下经由湿地床底部区域，流向外周区域，可有效避免系统短流，强化对水中COD及氨氮等污染物的去除；通过虹吸排水管可进行周期性虹吸排水以使上部好氧区周期性处于气-液-固三相混合状态，可以实现高效补氧，增强了人工湿地系统的气体传质效率；

进一步的，本发明采用下述技术方案：

好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统，包括湿地床，所述湿地床侧部设置出水口与虹吸排水管连接，使得所述湿地床位于出水口上方的区域为上部好氧区，位于出水口下方的区域为下部厌氧区；所述虹吸排水管顶部低于湿地床顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水以使上部好氧区周期性处于气-液-固三相混合状态。

进一步的，所述虹吸排水管为倒U型结构，倒U型结构一端与出水口连通，另一端悬空。

本发明通过虹吸排水管的设置，可以实现湿地床的连续进水和周期性排水，进而使得上部好氧区的基质周期性暴露于气相中，而下部厌氧区长期处于浸没状态，而上部好氧区域内基质在部分时段处于气-液-固三相混合状态，提供交替的好氧-厌氧环境，待处理水依次流经好氧-厌氧-好氧环境并流出湿地床，为填料表面生物膜高效去除总氮提供了必要条件，实现了更好的水质净化效果。

进一步，所述湿地床中部设置导流板，导流板将湿地床与导流板处于同一高度范围的上部区域分隔成中部区域和外周区域，所述湿地床上方设置布水结构，布水结构在湿地床中部区域布水量大于外周区域布水量；待处理水体经由布水结构流入湿地床，在湿地床中部由上至下流动，进而在湿地床底部由下至上流向外周区域，从而规避系统运行过程中的短流和流速失稳现象。

进一步的，所述导流板为环状筒体结构，环状筒体结构轴线竖直，所述环状筒体结构顶部与湿地床顶部平齐，或者，环状筒体结构顶部高出湿地床。

进一步的，所述导流板底端低于出水口高度。

进一步的，所述布水结构包括进水管，进水管延伸至湿地床中部区域上方与多个呈放射状的布水管连通。

进一步的，所述布水管设置多个布水孔，对应于湿地床中部区域的布水孔孔径大于对应于湿地床外周区域的布水孔孔径。

进一步的，由所述导流板隔开的湿地床中部区域面积大于外周区域面积。

进一步的，所述导流板底部与湿地床底部具有设定间距。

优选的，所述导流板底部与湿地床底部的间距等于湿地床外周区域宽度。

本发明通过导流板和布水结构的配合，达到对湿地床中央区域集中布水、外围区域保持湿润的效果，而待处理水体在导流板的导流限位下，以平推流尽可能自上而下接触湿地床底壁，而后自下而上流向外围区域，以规避系统运行过程中的短流和流速失稳现象。

进一步的，所述上部好氧区由导流板分隔成中央好氧区和外围好氧区，中央好氧区下部的填料粒径为0.3-0.5cm，中央好氧区上部和外围好氧区的填料粒径为1-3cm。

进一步的，所述下部厌氧区的填料粒径为1-3cm。

通过将湿地床不同区域的填料差异化设置，使得中央好氧区的传质阻力较大，进而能使净化效果较好的外围好氧区水体优先流出，提高了虹吸排水过程的选择性。

进一步的，所述中央好氧区下部的填料由水渣和石灰石混合而成，中央好氧区上部、外围好氧区和下部厌氧区的填料为砾石。

进一步的，所述湿地床顶部设置湿地植物。在湿地床顶部设置湿地植物，可以起到辅助净化作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现了高效的氧气补给。与传统人工湿地相比，该湿地的排水采用倒置U形虹吸排水的方式，利用虹吸原理实现周期性排水，使出水口液位以上基质可周期性暴露于气相中以实现良好的复氧效果，增强了人工湿地系统的气体传质效率，有利于生物生长，从而实现更好的水质净化效果。

本发明设置的导流板形成了内外管路，并在中央区域集中布水，使水流尽可能沿导流板引导的路径趋于平推流运动，可有效避免系统发生短流，提高了整体反应器的有效利用体积。在外围区域分散布水以保持填料湿度，有利于外围区域生物的生长，从而提高湿地床净化污水的能力。

本发明提出的O-A-O三相人工湿地中高效的氧补给，可以促进湿地中微生物对COD、NH₄ ⁺-N等污染物的去除。此外，溶氧速率的提升可有效降低厌氧环境下COD降解不彻底产生的腐殖质等有机物质含量，进而降低湿地的有机堵塞风险。

本发明规避了高能耗曝气，实现了低成本、自动化运行。其中提出的虹吸式排水管的设计，无需阀门，自动周期性排水，节约成本，且充氧效果更为稳定、持久和高效。

本发明设计的O-A-O三相人工湿地可提供交替的好氧-厌氧环境，为填料表面生物膜高效去除总氮提供了必要条件。通过合理设计虹吸排水管连接位置及高度等参数来调节长期淹没区域的体积，从而优化污水在好氧-厌氧区域的停留时间及比例。

本发明在污水平推流经过好/厌/好氧区域的过程中，通过设计一定的填料阻力梯度，使中央好氧区域的填料阻力最大且外围好氧区域的填料阻力最小，实现外围好氧区域优先排水的虹吸排水过程，进一步提高该湿地对污染物的去除效果。

本发明在湿地床表面种植的湿地植物，不仅可以起到辅助净化作用，从美学角度还为整个湿地系统带来了观赏价值。

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为本发明湿地系统的示意图；

图2为本发明湿地系统的俯视图；

图中，1：进水管，2：布水管，3：上部好氧区，4：下部厌氧区，5：湿地床底壁，6：导流板，7：出水口，8：虹吸排水管，9：外围好氧区，10：中央好氧区，11：湿地植物。

具体实施方式

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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在传统及部分改良型人工湿地中的复氧效果差、能耗高、COD及氮磷去除率低、易发生短流现象及有机污堵等问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-2所示，提供了一种好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统，包括湿地床，湿地床侧部设置出水口7与虹吸排水管8连接，使得湿地床位于出水口7上方的区域为上部好氧区3，湿地床位于出水口7下方的区域为下部厌氧区4；虹吸排水管8顶部低于湿地床顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水以使上部好氧区3周期性处于气-液-固三相混合状态。

虹吸排水管8为倒U型结构，倒U型结构一端与出水口7连通，另一端悬空。

虹吸排水管使湿地在连续进水的同时产生周期性的虹吸排水，使得出水口液位以上基质周期性处于气-液-固三相混合态，实现湿地的高效氧补给，且规避了高能耗曝气。

湿地床上方设置布水结构，布水结构在湿地床中部布水量大于外周布水量；湿地床中部设置导流板6，导流板将湿地床与导流板处于同一高度范围的上部区域分隔成中部区域和外周区域，待处理水体经由布水结构流入湿地床，在湿地床中部由上至下流动，进而在湿地床底部由下至上流向外周区域，从而规避系统运行过程中的短流和流速失稳现象。

虹吸排水管8顶端低于湿地床外周区域的最高水位，为湿地床内提供足够的压差以驱动虹吸排水。

导流板6为环状筒体结构(可为直筒状)，环状筒体结构轴线竖直(竖直设置的含义是指环状筒体结构轴线可垂直，可倾斜，但不能水平)，环状筒体结构顶部与湿地床顶部平齐。湿地床中部的导流板6将人工湿地床中与其处于同一高度范围的上部区域分隔成中部区域和外周区域，导流板以内称为中部区域，导流板以外称为外周区域，由导流板6隔开的湿地床中部区域面积大于外周区域面积。导流板底部与湿地床底部(即湿地床底壁5)之间具有设定间距，导流板6底部与湿地床底部的间距等于湿地床外周区域宽度(外周区域宽度即：沿水平方向，湿地床由导流板外侧至端部的距离；本实施例中湿地床为圆柱形，则外周区域宽度则为位于外周区域的湿地床的环宽)，使水体平推流尽可能自上而下接触湿地床底壁，而后自下而上流向外围区域，以规避系统运行过程中的短流和流速失稳现象，强化对水中COD及氨氮等污染物的去除。

导流板6底端高度设计为低于出水口7。

本发明通过中部导流板6和虹吸排水管8的配合可以优化水流路径并规避高能耗曝气。

布水结构包括进水管1，进水管1延伸至湿地床中部上方与多个呈放射状的布水管2连通。

布水管2设置多个布水孔，对应于湿地床中部的布水孔孔径大于对应于湿地床外周的布水孔孔径。通过设置特定的布水孔径在人工湿地床上方进行可控布水。将布水管2设计为辐射状，布水管的布水孔孔径呈中部大、外周小的规律分布，可以达到中央区域集中布水、外围区域保持湿润的效果。

湿地床顶部设置湿地植物11。在湿地床顶部设置湿地植物，可以起到辅助净化作用。

本发明的好氧-厌氧-好氧(O-A-O)三相高效补氧湿地系统，实现了连续进水和周期性排水，一次排水结束后至下一次虹吸排水结束前为一个处理周期。在每个周期内，主要在圆柱形湿地床中部区域进行布水，待处理水体的流动方式接近平推流运动，在中部区域自上而下经由湿地床底部区域，流向外周区域。待处理污水与暴露在气相中的基质表面生物膜由于接触作用得以净化，在连续布水的过程中，湿地床及虹吸排水管液位不断上升，当液面升至高于虹吸排水管顶端高度时，由于压差使得水瞬间将排水管填充形成虹吸出水。湿地床排水至出水口液位时液体断流，虹吸破坏，开始下一个水处理周期。

基于上述连续进水和周期性排水过程，湿地床中出水口7液位以上基质可周期性暴露于气相中，即形成上部好氧区3，湿地床下方处于长期浸没状态，即为为下部厌氧区4，好氧区域内基质在部分时段处于气-液-固三相混合状态。人工湿地床中的好氧/厌氧条件由出水口的高度决定，通过调节出水口高度可以调整好氧区和厌氧区的体积比。为了达到更好的处理效果，将上述湿地系统的出水口高度设计为湿地床高度的一半，且好氧区高度/厌氧区高度＝1。

上部好氧区3由导流板6分隔成中央好氧区10和外围好氧区9，圆柱形人工湿地床的外围好氧区9和中央好氧区10通过下部厌氧区4底部相互连通；待处理水体经布水管在中央区域集中布水，在中央导流板的导流作用下，待处理水在湿地床体内更趋向于平推流运动，依次流经中央好氧区10和下部厌氧区4，流向外围好氧区9。在中央好氧区内，待处理水体中氨氮被氧化成硝态氮，部分COD得以降解；在下部厌氧区内，仍含有部分COD作为反硝化细菌的碳源被利用，同时硝态氮得以还原为氮气排出系统，其间释磷菌释磷；最后污水在外围好氧区将剩余COD进一步降解，同时伴随着释磷菌超量吸磷。

为了提高虹吸排水过程的选择性，使净化效果较好的外围好氧区9水体优先流出，本发明在基质填料的传质性能方面作出以下设计：中央好氧区10为传质阻力较大的填料，在其他区域设置阻力较小的填料。中央好氧区下部的填料由粒径为0.3-0.5cm的水渣和石灰石混合而成；中央好氧区上部、外围好氧区和湿地床底部厌氧区的填料由粒径为1-3cm的砾石等较大粒径填料组成。因为处于进口处的污染物具有浓度高，微生物生长快、基质易堵塞的特性，在中央好氧区上部亦填充了粒径为1-3cm的砾石等较大粒径填料。

本发明的小试系统目前已经稳定运行，试验设置了空白对照组和人工曝气对照组，通过对比来表达本发明的污染物去除效果。本发明小试系统的进水流量设计为4_L/d，水力停留时间(HRT)设计为6_h，进水COD＝75.0_mg/L,NH₄ ⁺-N＝32.5_mg/L,TP＝4.0_mg/L。其中曝气组的曝气流量1_L/min。

实验结果表明，实验组COD及TP的去除效率与空白组和曝气组相当，分别稳定在70％和42％左右。根据运行结果可以看出实验组氨氮的去除效率约为45％，相对于对照组显著提高。实验组的氨氮去除效率为曝气组的130％，为空白组的160％，这是由于该好氧-厌氧-好氧(O-A-O)三相高效补氧湿地系统所提供的高效补氧效果，使得硝化反应进行得更加彻底。该小试系统的去除效果证实了好氧-厌氧-好氧(O-A-O)三相高效补氧湿地系统的高效补氧效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.好氧-厌氧-好氧三相高效补氧湿地系统，其特征是，包括湿地床，所述湿地床侧部设置出水口与虹吸排水管连接，使得所述湿地床位于出水口上方的区域为上部好氧区，位于出水口下方的区域为下部厌氧区；所述虹吸排水管顶部低于湿地床顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水以使上部好氧区周期性处于气-液-固三相混合状态。

2.如权利要求1所述的湿地系统，其特征是，所述虹吸排水管为倒U型结构，倒U型结构一端与出水口连通，另一端悬空。

3.如权利要求1所述的湿地系统，其特征是，所述湿地床中部设置导流板，导流板将湿地床与导流板处于同一高度范围的上部区域分隔成中部区域和外周区域，待处理水体流入湿地床，在湿地床中部区域由上至下流动，进而在湿地床底部由下至上流向外周区域。

4.如权利要求3所述的湿地系统，其特征是，所述湿地床上方设置布水结构，布水结构在湿地床中部区域布水量大于外周区域布水量。

5.如权利要求3所述的湿地系统，其特征是，所述导流板为环状筒体结构，环状筒体结构轴线竖直；所述环状筒体结构顶部与湿地床顶部平齐，或者，环状筒体结构顶部高出湿地床。

6.如权利要求4所述的湿地系统，其特征是，所述布水结构包括进水管，进水管延伸至湿地床中部区域上方与多个呈放射状的布水管连通。

7.如权利要求6所述的湿地系统，其特征是，所述布水管设置多个布水孔，对应于湿地床中部区域的布水孔孔径大于对应于湿地床外周区域的布水孔孔径。

8.如权利要求3所述的湿地系统，其特征是，由所述导流板隔开的湿地床中部区域面积大于外周区域面积；进一步的，所述导流板底部与湿地床底部具有设定间距；进一步的，所述导流板底部与湿地床底部的间距等于湿地床外周区域宽度；进一步的，所述导流板底端低于出水口高度。

9.如权利要求3所述的湿地系统，其特征是，所述上部好氧区由导流板分隔成中央好氧区和外围好氧区，中央好氧区下部的填料粒径为0.3-0.5cm，中央好氧区上部和外围好氧区的填料粒径为1-3cm；所述下部厌氧区的填料粒径为1-3cm。

10.如权利要求1所述的湿地系统，其特征是，所述湿地床顶部设置湿地植物。