CN108975625A - 一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明在于提供一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统，回收利用富营养化水体中氮磷，在水平流湿地和垂直流湿地前端设置填充有颗粒型复合吸附剂的吸附区，对氮磷进行吸附回收，制备出具有缓释作用的有机肥料，显著提高了氮磷回收效率。

Description

一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统

技术领域

本发明属于环境保护领域，特别涉及一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统。

背景技术

城市污水人工湿地处理方法主要有水平流人工湿地和垂直流人工湿地两种。水平潜流人工湿地床体高约60～80cm，采用较粗基质如砾石作为处理介质，污水在人工湿地的地表下呈水平流动，并在基质层中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、香蒲和水葱等，利用水生植物的泌氧能力为人工湿地基质上的生物膜分解污水中的有机物质提供氧气。垂直流人工湿地床体高100cm以上，通常采用较细的基质如砂等作为渗滤介质，污水在自表层向下的垂直渗滤过程中得到处理，其所采用的植物大多数为芦苇、风车草和香根草等。存在的不足之处有：(1)水平流人工湿地存在好氧条件不足等缺点，它虽能很好地去除SS，并且也能去除一些BOD。但是，它通常对氨氮的去除效果不好。由于它不能完成大部分废水的硝化过程，即使其具有较强的反硝化作用能力，因而也不能独立完成废水的硝化和反硝化两个处理过程，以达到废水脱氮处理的目的。(2)垂直流人工湿地对废水中耗氧有机物的处理能力和硝化能力较强，它比水平流人工湿地具有更好的好氧条件，且对废水中BOD5和COD的去除效果都较好，但对SS的去除效果较水平流人工湿地差；虽然它对废水的硝化处理能力很强，但是其反硝化作用能力也较水平流人工湿地差，因而也不能单独完成废水的硝化和反硝化两个处理过程，以达到废水脱氮处理的目的。(3)垂直流和水平流两种人工湿地系统对城市污水中磷的去除能力都较差(＜30-40％)，而且现行广泛采用的砂、砾石等基质对磷的吸附饱和使用寿命都较短，一般为2～3年；即使将水平流人工湿地与垂直流人工湿地串联起来组成复合系统，如仍采用砂、砾石基质，其对磷的去除率仍小于60％。

同时值得注意的是，地球上有限的、不可再生的磷资源的可持续利用问题也正急迫地摆在世人面前。而随着城市污水排放流失的磷不仅导致陆地磷资源的浪费、而且还加剧水体富营养化进程，在这种情况下，城市污水中磷的回收和再循环利用就变得尤为重要。所谓磷回收就是将污水中的磷以能被磷酸盐工业或肥料工业利用的形式回收的过程，而不是将磷转移到污泥中。因此，如何实现城市污水中磷以非剩余污泥的形式被富集回收，也是一个亟待解决的技术难题。

发明内容为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统，可实现对景观水体的氮、磷污染物的深度回收处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统，回收利用富营养化水体中氮磷，并将产出污泥与其中的氮磷制备出适于应用的污泥缓释肥，既解决了大量污泥无法合理处置的问题，又将氮磷合理资源化，不仅减少了环境污染，还为企业带来了新的收益。

一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统，城市污水首先经过格栅1除去污水中的杂物，污水进入集水井2，由清水泵将集水井2污水抽出，污水进水管进入生物富磷装置3，然后经生物富磷装置3处理后的出水进入水平流人工湿地的前端的吸附配水区4，经过吸附配水区处理后，均匀进入水平流人工湿地。污水经过水平流人工湿地后，利用水平流人工湿地中基质孔隙的过滤作用，去除污水中的SS，避免了SS对垂直流人工湿地的堵塞。污水经过水平流人工湿地，利用水平流人工湿地的石灰石、大理石或白云石等高磷吸附基质的吸附作用及植物根系摄取作用去除污水中的COD、BOD₅和部分氨氮。水平流人工湿地的污水经过排水管进入集水池6，集水池6的污水利用水平流人工湿地与垂直流人工湿地8的落差，经过污水排水管进入布水主管和布水支管进入垂直流人工湿地，在垂直流人工湿地前端设置氮磷吸附区，污水在垂直流人工湿地中向下潜流，经过表土覆盖层、砾石配水层、人工湿地基质，污水经过垂直流人工湿地后由基质的吸附作用和植物根系的摄取作用完成对耗氧有机物的彻底去除和完全硝化，垂直流人工湿地的污水利用垂直流人工湿地床体与清水池具有落差，污水经过排水管流入清水池9，排水管上设有阀门，控制污水的流量和垂直流人工湿地的储水量。

所述生物富磷装置包括好氧池3-1、二沉池3-2、厌氧池3-3，集水井出水进入好氧池中后，好氧池3-1内的污泥对其进行除碳、摄磷反应，吸收水体中大量磷，而后污泥随着水体进入二沉池3-2，进行泥水分离，分离后的水回流至景观水体，污泥进入厌氧池3-3进行释磷，完成释磷反应后进一步进行泥水分离，污泥回流至好氧池3-1进行反应，厌氧池3-3出水进入吸附配水区4中。

所述吸附配水区及氮磷吸附区中均填充的是颗粒型复合吸附剂，所述颗粒型复合吸附剂是按照如下步骤制备：

1)将含磷污泥进行污泥脱水，得到脱水污泥；将脱水污泥进行破壁处理，所述破壁处理采用超声波破壁、高压蒸汽破壁或高压压裂破壁方式进行，将破壁后的混合物通入分离装置进行固液分离，得到固态物质和液态物质；

2)使用约650℃的温度对所述固态物质进行快速热解以产生热解气和炭，对热解气进行回收或进行进一步的加工；

优选的，在所述固态物质在热解前混入作物秸秆，所述作物秸秆在混入前进行了风干、破碎处理，粒径为1cm以下，混合体积比例为固态物质：秸秆＝1-5：3-6；

3)炭改性，将所述炭与含镁溶液混合，浓缩，使镁离子固定在所述炭微孔内制备得到改性炭，所述含镁溶液为氯化镁溶液、海水、盐卤或灰烬溶液中的一种或多种；

4)将所述改性炭按照一定比例与铁屑混合，所述铁屑质量份数为20-40％，所述改性炭质量份数为60-80％，制备出铁碳微球；再将铁碳微球与沸石按照1-5：1-5的体积比混合，制备出颗粒型复合吸附剂。

铁碳微电解会降低污水中COD，同时释放镁离子，与污水中的氮磷发生反应，在炭孔隙中形成鸟粪石。然后将铁碳微球取出，冲洗、烘干后即得到污泥缓释肥。

所述颗粒型复合吸附剂采用网兜包装，直接投加至吸附配水区中，待镁离子耗费完后，取出后重新添加，取出后的网兜采用清水清洗，并烘干后即可作为缓释肥料使用，所述表土中添加所述缓释肥料。

进一步的，在厌氧池3-3出水进入吸附配水区前，进入调节池3-4进行调节，使进入吸附装置的水满足鸟粪石反应条件，所述调节池中投加石灰石、碳酸氢钠、贝壳粉中的一种或多种。

进一步的，厌氧池出水进入调节池前，采用曝气装置对水体进行曝气，其中，曝气气体为二氧化碳气体。

进一步的，基于景观水体中氮磷含量，可以将经过初滤装置过滤后的景观水或外源水体直接通入吸附反应装置，以满足鸟粪石反应氮磷镁的反应比例。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明充分发挥现有技术中生物吸磷、释磷原理，采用生物富磷原理，利用聚磷菌在好氧池中聚磷，厌氧池中进行磷的释放，实现污水中磷的富集，然后将鸟粪石氮磷回收原理与磷富集原理有机结合，实现了污泥减量化的同时实现了氮磷回收；

2、本发明中颗粒型复合吸附剂的制备，利用污水处理过程中的剩余污泥制备出高吸附能力的炭，采用含磷污泥最为原料，在碳化过程中，其中的磷可以直接附着在炭孔中，在后续鸟粪石反应中，鸟粪石产物可以更牢靠的附着在炭孔中，进一步提升鸟粪石缓释效果，可以制备出长效肥料；

3、本发明对城市污水中氮、磷的同步去除效果，利用海水、盐卤或灰烬溶液作为吸附剂的镁源，成本低、效果好，变废为宝，且释放的镁离子与景观水体中的氮磷发生反应，有效回收氮磷。

此外，对现有人工湿地进行简单改进，不仅解决了人工湿地对氮磷去除效率不高的缺陷，还可以充分回收城市污水中氮磷，并制备出可以施加到土壤中的富含有机质、氮磷的缓释肥料。

附图说明

图1为人工湿地系统示意图；

图2为生物富磷装置示意图。

具体实施方式

实施例1：

日设计处理水量0.9～3.5m³/d。

设计参数：

格栅：采用1cm×1cm铁丝网。

集水井：设计尺寸为2.0m×1.8m×2.0m，有效水深1.0m，有效容积3.6m³，砖结构水泥抹面。

生物富磷装置：设置好氧池、二沉池和厌氧池；

水平流人工湿地：设计内径尺寸长×宽×高为3.0m×4m×1m的矩形池一个，分两部分。前一部分为吸附配水区，后一部分为水平流湿地。水平流床分砾石配水区、基质区和砾石集水区，各占床体长度的1/4、1/2、1/4，分别填充的是石灰石、大理石、石灰石。其上覆盖一层厚10cm的石英砂。集水池收集三块水平流床处理出水混合后，通过管道、阀门借助静水压力向三块垂直流床自流配水。

垂直流人工湿地设计外径尺寸长×宽×高为2m×4m×1.3m，分两部分。前一部分为氮磷吸附区，后一部分为垂直流湿地。垂直流床垫层由砾石组成，厚15cm；人工湿地基质为高炉渣、火山灰基质层厚90～100cm；布水层由砾石和豆石组成，厚6～15cm；表土覆盖层由自然土壤组成，厚5～10cm。

所述吸附配水区及氮磷吸附区中均填充的是颗粒型复合吸附剂，取污水处理厂和/或生物除磷装置中产生的剩余污泥，其为含磷污泥，将该含磷污泥进行污泥脱水，得到脱水污泥；

将所述脱水污泥进行超声破壁处理，将破壁后的混合物通入分离装置进行固液分离，得到固态物质和液态物质；

将固态物质与粉碎后粒径为1cm的秸秆按照质量比为2:1的比例混合，并在120℃下干燥，将干燥后的样品碾碎，并在650℃的炉体中热解，热解前采用惰性气体将炉体内的空气排出，热解后的产物为热解气和炭。

对所述的炭进行改性处理，将所述炭与含镁溶液混合，浓缩，使镁离子固定在所述炭微孔内制备得到改性炭，所述含镁溶液为盐卤和海水的混合物；

将改性炭作为碳源，与铁屑混合，采用本领域常用方式制备铁碳微球，所述铁屑质量份数为30％，所述改性炭质量份数为70％。再将铁碳微球与沸石按照1-5：1-5的体积比混合，制备出颗粒型复合吸附剂。

其中，对所述炭进行测定显示，其吸附容量及多孔性质显著高于普通碳，采用所述炭作为缓释肥载体，可以为肥料提供更多的吸附位置，提高肥料缓释周期。

城市污水经过该装置处理后，从清水池9内直接排放到河流或者被用于景观用水。

实施例2：

在生物富磷装置与吸附配水区之间设置调节池，使进入吸附装置的水满足鸟粪石反应条件，所述调节池中投加贝壳粉，厌氧池出水进入调节池前，采用曝气装置对水体进行曝气，其中，曝气气体为二氧化碳气体。

通过通入二氧化碳气体与贝壳粉反应，可以有效提高污水pH，以满足鸟粪石反应，提高吸附反应效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种具有氮磷回收作用的人工湿地系统，其特征在于，城市污水首先经过格栅除去污水中的杂物，污水进入集水井，由清水泵将集水井污水抽出，污水通过进水管进入生物富磷装置，然后经生物富磷装置处理后的出水进入水平流人工湿地的前端的吸附配水区，经过吸附配水区处理后，均匀进入水平流人工湿地，污水经过水平流人工湿地，利用水平流人工湿地的石灰石、大理石或白云石等高磷吸附基质的吸附作用及植物根系摄取作用去除污水中的COD、BOD₅和部分氨氮，水平流人工湿地的污水经过排水管进入集水池的污水经过污水排水管进入布水主管和布水支管进入垂直流人工湿地，污水在垂直流人工湿地中向下潜流，经过表土覆盖层、砾石配水层、人工湿地基质，污水经过垂直流人工湿地后由基质的吸附作用和植物根系的摄取作用完成对耗氧有机物的彻底去除和完全硝化，最后污水经过排水管流入清水池，所述吸附配水区中填充的是颗粒型复合吸附剂。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述生物富磷装置包括好氧池、二沉池、厌氧池，集水井出水进入好氧池中后，好氧池内的污泥对其进行除碳、摄磷反应，吸收水体中大量磷，而后污泥随着水体进入二沉池，进行泥水分离，分离后的水回流至景观水体，污泥进入厌氧池进行释磷，完成释磷反应后进一步进行泥水分离，污泥回流至好氧池进行反应，厌氧池出水进入吸附配水区中。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述颗粒型复合吸附剂是按照如下步骤制备：

1)将含磷污泥进行污泥脱水，得到脱水污泥；将脱水污泥进行破壁处理，所述破壁处理采用超声波破壁、高压蒸汽破壁或高压压裂破壁方式进行，将破壁后的混合物通入分离装置进行固液分离，得到固态物质和液态物质；

2)使用约650℃的温度对所述固态物质进行快速热解以产生热解气和炭，对热解气进行回收或进行进一步的加工；

3)炭改性，将所述炭与含镁溶液混合，浓缩，使镁离子固定在所述炭微孔内制备得到改性炭，所述含镁溶液为氯化镁溶液、海水、盐卤或灰烬溶液中的一种或多种；

4)将所述改性炭按照一定比例与铁屑混合，所述铁屑质量份数为20-40％，所述改性炭质量份数为60-80％，制备出铁碳微球；再将铁碳微球与沸石按照1-5：1-5的体积比混合，制备出颗粒型复合吸附剂。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，在所述固态物质在热解前混入作物秸秆，所述作物秸秆在混入前进行了风干、破碎处理，粒径为1cm以下，混合体积比例为固态物质：秸秆＝1-5：3-6。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述颗粒型复合吸附剂采用网兜包装，直接投加至吸附配水区中，待镁离子耗费完后，取出后重新添加，取出后的网兜采用清水清洗，并烘干后即可作为缓释肥料使用，所述表土中添加所述缓释肥料。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在厌氧池出水进入吸附配水区前，进入调节池进行调节，使进入吸附装置的水满足鸟粪石反应条件，所述调节池中投加石灰石、碳酸氢钠、贝壳粉中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，厌氧池出水进入调节池前，采用曝气装置对水体进行曝气，其中，曝气气体为二氧化碳气体。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，基于景观水体中氮磷含量，可以将经过初滤装置过滤后的景观水或外源水体直接通入吸附反应装置，以满足鸟粪石反应氮磷镁的反应比例。