CN108439734A - 一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统 - Google Patents

一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，涉及污水处理技术领域。一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，包括处理区、强化除氮区、吸附过滤区、稳定出水水质区和超越区五个分区，每个分区又划分为不同的单元，每个单元中又种植不同类型的植物。本发明提供的基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，针对传统人工湿地氮去除速度慢、效率低的缺点，基于植物筛选优化配置，具有处理效果好、制备简单、基建与运行费用低等优点。

Description

一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统。
背景技术
人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。
人工湿地处理废水与传统废水处理工艺相比有以下优点：需要的构筑物和设备较少，不需人工曝气供氧，基建投资和运行费用较低，一般只需常规处理的1/2-1/5左右；人工湿地处理系统不设二沉池，产泥量较少等。目前，我国自然水体中氮污染日趋严重，因此人工湿地在脱氮方面的应用也逐步受到重视。现有的废水人工湿地处理系统中，氮的去除主要有两个方式：一是有机氮经生化分解转化为氨氮，氨氮在好氧区被硝化菌氧化成为硝酸盐和亚硝酸盐，硝酸盐和亚硝酸盐在缺氧区又被反硝化菌还原成氮气而最终脱除；二是通过植物吸收得到去除。而存在的问题是，人工湿地仅靠植物的吸收作用，对氮、磷的去除有限，并且，吸收去除速度较慢。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，有效处理废水及其中的氮含量。
一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，包括处理区、强化除氮区、吸附过滤区、稳定出水水质区和两个超越区；
所述处理区、强化除氮区、吸附过滤区和稳定出水水质区由上至下依次设置，所述超越区，分为左右两个部分，设置在处理区和强化除氮区的两侧，每个部分的长度等于处理区与强化除氮区的长度之和，宽度为吸附过滤区与强化除氮区的宽度之差的1/2；
所述处理区，为水平流潜流式人工湿地，用于去除水中的有机污染物和部分氮、磷污染物；
所述强化除氮区，为水平流潜流式人工湿地，用于去除废水中超标的氮类污染物质；
所述吸附过滤区，为垂直流潜流式人工湿地，用于去除废水中的悬浮污染物；
所述稳定出水水质区，为表流式人工湿地，用于去除废水中低浓度的溶解性污染物质；
所述超越区，区内水流流速为1.0-1.5m/s，用于使未处理的废水直接进入强化除氮区，补充脱氮反应所需的碳源。
优选地，所述处理区包括6个单元，水力停留时间为10d，水力负荷为3-4cm/d，布水深度为30cm，有机负荷为20-40kgBOD/(hm2·d)。
优选地，所述处理区包括的6个单元分别为：处理区第一单元、处理区第二单元、处理区第三单元、处理区第四单元、处理区第五单元和处理区第六单元单元；其中处理区第二单元-处理区第五单元均由并联的两个平行区组成，作为主处理区，同时去除COD、氮、磷和重金属物质；
所述处理区第一单元为进水布水系统；所述处理区第二单元的水力停留时间为2d，选用植物为水莎草；所述处理区第三单元的水力停留时间为2d，选用植物为薏米；所述处理区第四单元的水力停留时间为4d，选用植物为风车草；所述处理区第五单元的水力停留时间为2d，选用植物为菖蒲；所述处理区第六单元为集水出水系统。
优选地，所述强化除氮区，水力停留时间为6d，水力负荷为4-6cm/d，布水深度为30-60cm，氮负荷为1.0-3.0kgN/(hm2·d)；所述强化除氮区包括8个串联的单元，其中单元2-单元7均由并联的两个平行区组成，间隔放置泌氧速率有明显差异的植物，形成串联的多级A0形式，主要去除废水中超标的氮类污染物质。
优选地，所述强化除氮区包括的8个单元，分别为：强化除氮区第一单元、强化除氮区第二单元、强化除氮区第三单元、强化除氮区第四单元、强化除氮区第五单元、强化除氮区第六单元、强化除氮区第七单元和强化除氮区第八单元；
所述强化除氮区第一单元为进水配水系统；所述强化除氮区第二单元的水力停留时间为1.5d，选用植物为李氏禾；所述强化除氮区第三单元的水力停留时间为0.5d，选用植物为香蒲；所述强化除氮区第四单元的水力停留时间为1.25d，选用植物为李氏禾；所述强化除氮区第五单元的水力停留时间为0.75d，选用植物为野茭草；所述强化除氮区第六单元的水力停留时间为1d，选用植物为李氏禾；所述强化除氮区第七单元的水力停留时间为1d，选用植物为菖蒲；所述强化除氮区第八单元为出水集水系统。
优选地，所述吸附过滤区为垂直流潜流式人工湿地，从上至下包括5层，水力停留时间为6d，水力负荷为15-20cm/d，布水深度为60-100cm，有机负荷为60-100kgBOD/(hm2·d)。
优选地，所述吸附过滤区包括的5层分别为：吸附过滤区第一层、吸附过滤区第二层、吸附过滤区第三层、吸附过滤区第四层和吸附过滤区第五层；
所述吸附过滤区第一层为植物层，选择深根丛生型挺水植物；所述吸附过滤区第二层为进水配水系统；所述吸附过滤区第三层为粗砂层，占10％的最大粒度为50mm，高度为30cm；所述吸附过滤区第四层为卵石层，占10％的最大粒度为80mm，高度为20cm；所述吸附过滤区第五层为集水出水系统。
优选地，所述稳定出水水质区为表流式人工湿地，包括4个单元，水力负荷为200-260m3/(hm2·d)，有机负荷为50-70kgBOD/(hm2·d)。
优选地，所述稳定出水水质区包括的4个单元分别为：稳定出水水质区第一单元、稳定出水水质区第二单元、稳定出水水质区第三单元和稳定出水水质区第四单元；
所述稳定出水水质区第一单元选用植物为水葫芦，面积占此区总面积的30％；所述稳定出水水质区第二单元选用植物为水芹菜，面积占此区总面积的30％；所述稳定出水水质区第三单元选用植物为金鱼藻，面积占此区总面积的20％；所述稳定出水水质区第四单元选用植物为水车前，面积占此区总面积的20％。
优选地，所述超越区内还包括两对对称设置的连通口M1和M2；所述第一对连通口M1连接超越区和B4单元，第二对连通口M2连接超越区和B6单元。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，处理区域为四个区串联，每个区均有重点的去除对象，特别是针对氮的强化去除，具有良好的去除效果；同时，每个区筛选不同种类不同属性的植物，利用植物的本身特性营造出不同的湿地环境，无需额外配置水泵和曝气设备，方法简单，基建和运行费用低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统分区的平面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统分单元的平面结构示意图。
图中，1、处理区；2、强化除氮区；3、吸附过滤区；4、稳定出水水质区；5、超越区；A1、处理区第一单元；A2、处理区第二单元；A3、处理区第三单元；A4、处理区第四单元；A5、处理区第五单元；A6、处理区第六单元；B1、强化除氮区第一单元；B2、强化除氮区第二单元；B3、强化除氮区第三单元；B4、强化除氮区第四单元；B5、强化除氮区第五单元；B6、强化除氮区第六单元；B7、强化除氮区第七单元；B8、强化除氮区第八单元；C1、吸附过滤区第一层；C2、吸附过滤区第二层；C3、吸附过滤区第三层；C4、吸附过滤区第四层；C5、吸附过滤区第五层；D1、稳定出水水质区第一单元；D2、稳定出水水质区第二单元；D3、稳定出水水质区第三单元；D4、稳定出水水质区第四单元；M1、超越区第一连通口；M2、超越区第二连通口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，如图1所示和图2所示，包括处理区1、强化除氮区2、吸附过滤区3、稳定出水水质区4和超越区5；
处理区1、强化除氮区2、吸附过滤区3和稳定出水水质区4由上至下依次设置，超越区5分为左右两个部分，设置在处理区1和强化除氮区2的两侧，每个部分的长度等于处理区1与强化除氮区2的长度之和，宽度为吸附过滤区3与强化除氮区2的宽度之差的1/2。
处理区1，为水平流潜流式人工湿地，用于去除水中的有机污染物和部分氮、磷污染物；水力停留时间为10d，水力负荷为3-4cm/d，布水深度为30cm，有机负荷为20-40kgBOD/(hm2·d)。同时，处理区由6个单元串联而成，分别为：处理区第一单元A1、处理区第二单元A2、处理区第三单元A3、处理区第四单元A4、处理区第五单元A5和处理区第六单元A6；其中处理区第二单元A2-处理区第五单元A5均由并联的两个平行区组成，作为主处理区，同时去除COD、氮、磷和重金属物质。
处理区第一单元A1为进水布水系统；
处理区第二单元A2的水力停留时间为2d，选用植物为水莎草；水莎草为深根散生型挺水植物，块茎的萌发需要充足的氧气供应，因此，选择种植在迎水的第一区，此处水中溶解氧未被植物消耗，较高的氧气浓度有利于水莎草的萌发，另外，水莎草种皮坚硬，地下块茎无休眠期，设置在迎水第一区可有效对抗水流冲击负荷，还有，水莎草属于散生型挺水植物，缓解水流冲击负荷的同时还可以让携带氧气的水流较多的通过，保证后续植物的氧供应量。
处理区第三单元A3的水力停留时间为2d，选用植物为薏米；薏米为深根丛生型挺水植物，根系分布深度较大，根系接触面广而分布面积不广，植株的地上部分丛生，具有发达的地下块根或块茎，对磷P的吸收量较大，为预处理区主要去除磷P元素的处理区，以防止磷P元素对后续氮N处理的影响。
处理区第四单元A4的水力停留时间为4d，选用植物为风车草；风车草为深根丛生型挺水植物，具有完全泌氧屏障的耐涝性植物，因此，在此区形成一个好氧区趋于缺氧区，COD在好氧区被好氧微生物分解，氨氮在好氧区被好氧除氮微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧区被兼氧微生物转化成氨氮。
处理区第五单元A5的水力停留时间为2d，选用植物为菖蒲；菖蒲为深根散生型挺水植物，是沁氧速率较高的植物，其根部具有发达的通气组织，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，有氧区域会改变根区土壤及水体中重金属的氧化还原状态及溶解性，促进湿地植物对重金属的吸收，同时好氧微生物吸磷将废水中的磷去除。
处理区第六单元A6为集水出水系统。
强化除氮区，为水平流潜流式人工湿地，设计水力停留时间为6d，水力负荷为4-6cm/d，布水深度为30-60cm，氮负荷为1.0-3.0kgN/(hm2·d)，由8个单元串联而成，其中单元2-单元7均由并联的两个平行区组成，间隔放置泌氧速率有明显差异的植物，形成串联的多级A0形式，主要去除废水中超标的氮类污染物质。
强化除氮区包括的8个单元分别为：强化除氮区第一单元B1、强化除氮区第二单元B2单元、强化除氮区第三单元B3单元、强化除氮区第四单元B4单元、强化除氮区第五单元B5单元、强化除氮区第六单元B6单元、强化除氮区第七单元B7单元和强化除氮区第八单元B8单元；
强化除氮区第一单元B1为进水配水系统；
强化除氮区第二单元B2的水力停留时间为1.5d，选用植物为李氏禾；李氏禾为禾本科杂草，为多年生草本植物，具有完全泌氧屏障的耐涝性植物，在此区形成一个好氧区趋于缺氧区，由于其泌氧速率低于风车草，因此，缺氧区的作用更强，COD在处理区基本被消耗殆尽，因此，在超越区设置阀门，部分COD较高的未处理水直接超越预处理区进入本区，氨氮在好氧区被好氧除氮微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧区被兼氧微生物转化成氨氮。
强化除氮区第三单元B3的水力停留时间为0.5d，选用植物为香蒲；香蒲为深根散生型挺水植物，是沁氧速率较高的植物，其根部具有发达的通气组织，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，有氧区域会改变根区土壤及水体中重金属的氧化还原状态及溶解性，促进湿地植物对重金属的吸收，同时向水中释放氧气，此区由缺氧区逐渐趋向好氧区。
强化除氮区第四单元B4的水力停留时间为1.25d，选用植物为李氏禾；
强化除氮区第五单元B5的水力停留时间为0.75d，选用植物为野茭草；野茭草为深根丛生型挺水植物，是沁氧速率较高的植物，其根部具有发达的通气组织，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，有氧区域会改变根区土壤及水体中重金属的氧化还原状态及溶解性，促进湿地植物对重金属的吸收，同时向水中释放氧气，此区由缺氧区逐渐趋向好氧区；
强化除氮区第六单元B6的水力停留时间为1d，选用植物为李氏禾；
强化除氮区第七单元B7的水力停留时间为1d，选用植物为菖蒲；此区由缺氧区逐渐趋向好氧区。
强化除氮区第八单元B8为出水集水系统。
强化除氮区选择的三种泌氧速度低的植物均为泌氧速率很低的李氏禾，而三种泌氧速度高的植物分别为香蒲、野茭草和菖蒲，并且泌氧速率由高到低分别为：菖蒲＞野茭草＞香蒲，试验证明，这种布置方式对氮的去除效果最好，优于其它两种形式：李氏禾-菖蒲-李氏禾-野茭草-李氏禾-香蒲和李氏禾-菖蒲-李氏禾-菖蒲-李氏禾-菖蒲。
吸附过滤区，为垂直流潜流式人工湿地，用于去除废水中的悬浮污染物；水力停留时间为6d，水力负荷为15-20cm/d，布水深度为60-100cm，有机负荷为60-100kgBOD/(hm2·d)。在纵向流的过程中，污水依次经过植物区和不同介质的截留区，废水中的悬浮污染物被吸附和过滤，进一步提高出水水质。
吸附过滤区从上至下包括5层，分别为：吸附过滤区第一层C1、吸附过滤区第二层C2、吸附过滤区第三层C3、吸附过滤区第四层C4和吸附过滤区第五层C5；
吸附过滤区第一层C1为植物层，选择深根丛生型挺水植物，包括黄竹草、芦竹、旱伞竹或纸莎草，此类植物的根系入土深度较大，因此适用于垂直流潜流式人工湿地，并且具有良好的吸附处理性能；
吸附过滤区第二层C2为进水配水系统；
吸附过滤区第三层C3为粗砂层，占10％的最大粒度为50mm，高度30cm，主要作为细颗粒滤料，起到过滤作用；
吸附过滤区第四层C4为卵石层，占10％的最大粒度为80mm，高度20cm，主要作为粗颗粒滤料及支撑填料，起到过滤及支撑作用；
吸附过滤区第五层C5为集水出水系统。
稳定出水水质区为表流式人工湿地，设计水力负荷为200-260m3/(hm2·d)，有机负荷为50-70kgBOD/(hm2·d)，主要去除废水中低浓度的溶解性污染物质，进一步提高出水水质。
稳定出水水质区包括4个单元，分别为：稳定出水水质区第一单元D1、稳定出水水质区第二单元D2、稳定出水水质区第三单元D3和稳定出水水质区第四单元D4；
稳定出水水质区第一单元D1选用植物为水葫芦，漂浮植物，生命力强，对环境适应好，冬季休眠，面积占此区总面积的30％；
稳定出水水质区第二单元D2选用植物为水芹菜，漂浮植物，生命力强，生育周期短，耐寒，夏季休眠，面积占此区总面积的30％；
稳定出水水质区第三单元D3选用植物为金鱼藻，沉水植物，用作人工湿地系统中最后的强化稳定植物以提高出水水质，面积占此区总面积的20％；
稳定出水水质区第四单元D4选用植物为水车前，沉水植物，用作人工湿地系统中最后的强化稳定植物以提高出水水质，并且由于可结花果，还具有良好的景观效果，面积占此区总面积的20％。
水葫芦和水芹菜分别具有冬季和夏季季节性休眠特性，互为补充，保证水处理效果。
超越区，用于使未处理的废水直接进入强化除氮区的缺氧区，补充脱氮反应所需的碳源；分为左右两个部分，每个部分的长度等于处理区与强化除氮区的长度之和，每个部分的宽度为吸附过滤区与强化除氮区的宽度之差的1/2，区内水流流速为1.0-1.5m/s。超越区内还包括两对对称设置的连通口M1和M2；第一对连通口M1连接超越区和B4单元，第二对连通口M2连接超越区和B6单元。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：包括处理区、强化除氮区、吸附过滤区、稳定出水水质区和两个超越区；
所述处理区、强化除氮区、吸附过滤区和稳定出水水质区由上至下依次设置，所述超越区，分为左右两个部分，设置在处理区和强化除氮区的两侧，每个部分的长度等于处理区与强化除氮区的长度之和，宽度为吸附过滤区与强化除氮区的宽度之差的1/2；
所述处理区，为水平流潜流式人工湿地，用于去除水中的有机污染物和部分氮、磷污染物；
所述强化除氮区，为水平流潜流式人工湿地，用于去除废水中超标的氮类污染物质；
所述吸附过滤区，为垂直流潜流式人工湿地，用于去除废水中的悬浮污染物；
所述稳定出水水质区，为表流式人工湿地，用于去除废水中低浓度的溶解性污染物质；
所述超越区，区内水流流速为1.0-1.5m/s，用于使未处理的废水直接进入强化除氮区，补充脱氮反应所需的碳源。
2.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述处理区包括6个单元，水力停留时间为10d，水力负荷为3-4cm/d，布水深度为30cm，有机负荷为20-40kgBOD/(hm2·d)。
3.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述处理区包括的6个单元分别为：处理区第一单元、处理区第二单元、处理区第三单元、处理区第四单元、处理区第五单元和处理区第六单元单元；其中，处理区第二单元-处理区第五单元均由并联的两个平行区组成，作为主处理区，同时去除COD、氮、磷和重金属物质；
所述处理区第一单元为进水布水系统；所述处理区第二单元的水力停留时间为2d，选用植物为水莎草；所述处理区第三单元的水力停留时间为2d，选用植物为薏米；所述处理区第四单元的水力停留时间为4d，选用植物为风车草；所述处理区第五单元的水力停留时间为2d，选用植物为菖蒲；所述处理区第六单元为集水出水系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述强化除氮区，水力停留时间为6d，水力负荷为4-6cm/d，布水深度为30-60cm，氮负荷为1.0-3.0kgN/(hm2·d)；所述强化除氮区包括8个串联的单元，其中单元2-单元7均由并联的两个平行区组成，间隔放置泌氧速率有明显差异的植物，形成串联的多级AO形式，主要去除废水中超标的氮类污染物质。
5.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述强化除氮区包括的8个单元分别为：强化除氮区第一单元、强化除氮区第二单元、强化除氮区第三单元、强化除氮区第四单元、强化除氮区第五单元、强化除氮区第六单元、强化除氮区第七单元和强化除氮区第八单元；
所述强化除氮区第一单元为进水配水系统；所述强化除氮区第二单元的水力停留时间为1.5d，选用植物为李氏禾；所述强化除氮区第三单元的水力停留时间为0.5d，选用植物为香蒲；所述强化除氮区第四单元的水力停留时间为1.25d，选用植物为李氏禾；所述强化除氮区第五单元的水力停留时间为0.75d，选用植物为野茭草；所述强化除氮区第六单元的水力停留时间为1d，选用植物为李氏禾；所述强化除氮区第七单元的水力停留时间为1d，选用植物为菖蒲；所述强化除氮区第八单元为出水集水系统。
6.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述吸附过滤区为垂直流潜流式人工湿地，从上至下包括5层，水力停留时间为6d，水力负荷为15-20cm/d，布水深度为60-100cm，有机负荷为60-100kgBOD/(hm2·d)。
7.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述吸附过滤区包括的5层分别为：吸附过滤区第一层、吸附过滤区第二层、吸附过滤区第三层、吸附过滤区第四层和吸附过滤区第五层；
所述吸附过滤区第一层为植物层，选择深根丛生型挺水植物；所述吸附过滤区第二层为进水配水系统；所述吸附过滤区第三层为粗砂层，占10％的最大粒度为50mm，高度为30cm；所述吸附过滤区第四层为卵石层，占10％的最大粒度为80mm，高度为20cm；所述吸附过滤区第五层为集水出水系统。
8.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述稳定出水水质区为表流式人工湿地，包括4个单元，水力负荷为200-260m3/(hm2·d)，有机负荷为50-70kgBOD/(hm2·d)。
9.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述稳定出水水质区包括的4个单元分别为：稳定出水水质区第一单元、稳定出水水质区第二单元、稳定出水水质区第三单元和稳定出水水质区第四单元；
所述稳定出水水质区第一单元选用植物为水葫芦，面积占此区总面积的30％；所述稳定出水水质区第二单元选用植物为水芹菜，面积占此区总面积的30％；所述稳定出水水质区第三单元选用植物为金鱼藻，面积占此区总面积的20％；所述稳定出水水质区第四单元选用植物为水车前，面积占此区总面积的20％。
10.根据权利要求1所述的一种基于植物优化配置的强化脱氮人工湿地系统，其特征在于：所述超越区内还包括两对对称设置的连通口M1和M2；所述第一对连通口M1连接超越区和B4单元，第二对连通口M2连接超越区和B6单元。
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