CN109081446A - 一种脱氮除磷的复合填料人工湿地及污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种脱氮除磷的复合填料人工湿地及污水处理方法，包括按水流方向依次设置的调节池、垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地；调节池包括蓄水池与用于调节蓄水池出水量和流速的配水槽；配水槽进水端连通于蓄水池出水口；垂直流人工湿地的进水口连通于配水槽出水端；垂直流人工湿地的出水口连通于配水渠进水端；配水渠出水端连通于水平潜流人工湿地的进水端；配水渠出水端的位置高于配水渠进水端的位置；垂直流人工湿地自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层。有效解决人工湿地中微生物反硝化进程碳源不足、基质对磷吸附效果差的问题，缓解人工湿地基质堵塞问题，强化脱氮除磷效果。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种脱氮除磷的复合填料人工湿地及污水处理方法。
背景技术
当前湖泊流域氮、磷的过量输入成为导致湖泊水环境问题的主要原因之一。近年来随着城镇污水处理厂污水处理技术的改进与效率的提高，污水已达国家排放标准，但这些污水水质仍超仍高出地表水水质标准数倍，且污水水量巨大，直接排放对湖泊等天然水体造成巨大威胁。
人工湿地因其出水水质稳定、能耗低、维护管理方便等优点广泛应用。人工湿地对水质的净化主要通过湿地植物根茎的吸收、微生物的硝化和反硝化过程以及基质的吸附。针对城镇污水处理厂生化尾水，农村生活污水以及工业废水等，当前已研发的适用于尾水深度处理的人工湿地系统，通过基质改良、植物选种、系统优化等，提高了脱氮除磷效果，但由于人工湿地中碳源释放速率不稳定导致反硝化过程抑制、易产生二次污染以及人工湿地传统的填料对磷的吸附效果不理想且易堵塞，现有的工艺处理后的出水水质仍处于劣五类，处理效果并不显著，出水对天然水体仍有较大影响。湿地基质在其发挥脱氮除磷功能中有至关重要的作用，合理的人工湿地填料组合系统可以大大提高湿地的净化效果。
发明内容
本申请提供一种脱氮除磷的复合填料人工湿地及污水处理方法，有效解决人工湿地中微生物反硝化进程碳源不足、基质对磷吸附效果差的问题，缓解人工湿地基质堵塞问题，强化脱氮除磷效果。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，包括按水流方向依次设置的调节池、垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地；
调节池包括蓄水池与用于调节蓄水池出水量和流速的配水槽；配水槽进水端连通于蓄水池出水口；
垂直流人工湿地的进水口连通于配水槽出水端；垂直流人工湿地的出水口连通于配水渠进水端；配水渠出水端连通于水平潜流人工湿地的进水端；配水渠出水端的位置高于配水渠进水端的位置；
垂直流人工湿地自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层；
其中，缓释碳源填料包括如下重量份的各物质：
大孔物质40～60份
结合材料15-30份
改性玉米芯5～8份
牡蛎壳粉10～20份；
大孔物质包括多孔沸石、火山石或钢渣中的一种或多种；
结合材料包括硅酸盐水泥、赤土或粉煤灰中的一种或多种。
作为本发明改进的技术方案，蓄水池的池体自下而上依次设置有混凝土层、防渗层与碎石垫层。
作为本发明改进的技术方案，垂直流人工湿地自上至下流动；垂直流人工湿地中铝污泥填料层上还设有覆土层、以及种植于覆土层中的深根丛生型植物，深根丛生型植物的种植密度为25～30株/平方米。
作为本发明改进的技术方案，垂直流人工湿地的外壁包括自上至下设置的混凝土层和防渗层。
作为本发明改进的技术方案，垂直流人工湿地自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层；碎石填料层中填料的粒径30～50mm，铺设高度20～40cm；缓释碳源填料层中填料的粒径10～20mm，铺设高度15～35cm；铝污泥填料层中填料的粒径10～15mm，铺设高度10～30cm。
作为本发明改进的技术方案，水平潜流人工湿地的外壁包括自上至下设置的混凝土层和防渗层。
作为本发明改进的技术方案，水平潜流人工湿地中包括自下而上依次铺设的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层；铝污泥填料层的上方种植有深根散生型植物，深根散生型植物的种植密度为35～45株/平方米；
碎石填料层中填料的粒径20～40mm，铺设高度15～35cm；缓释碳源填料层中填料的粒径10～15mm，铺设高度15～40cm；铝污泥填料层中填料的粒径3～8mm，铺设高度10～25cm。
作为本发明改进的技术方案，蓄水池中设有粒径为40～50mm的砾石形成的碎石垫层。
作为本发明改进的技术方案，缓释碳源填料是采用如下步骤制备而成，称取配比量的各物质，在搅拌机先进行干混10～30min，直至混料完全混合均匀；将干混混料加水进行湿混20～40min，直至混料成色一致，材料间均匀分散，静置1～2h；将混料置于制备模具中定型、脱模后，放置于阴凉通风处进行养护3～10天即得缓释碳源填料。
本发明的另一目的在于提供脱氮除磷的复合填料人工湿地污水处理方法，包括：
调节池接于污水源，调节配水槽，控制配水槽流入垂直流人工湿地的污水流速以保证垂直流人工湿地的表面水力负荷为0.682～0.953m3/m2·d；
控制垂直流人工湿地的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层的填充量，使得孔隙率为0.33～0.52，同时设置垂直流人工湿地的长宽比为(1～2.5):1，污水在垂直流人工湿地上的水力停留时间为12～24h；
调节配水渠，控制配水渠流入水平潜流人工湿地的流速以保证水平潜流湿地的水力表面负荷为0.362～0.514m3/m2·d；控制水平潜流人工湿地的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层的填充量，使得孔隙率为0.45～0.68，长宽比为3：(1～2)，污水在水平潜流湿地表面的水力停留时间为18～30h。
有益效果
通过调节池的初步调节、垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地复合填料的强化处理，以及垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地参数的设置，污水处理厂生化尾水中COD、TN、TP得到有效去除，显著提高污水排放标准，大大降低污水对湖泊等天然水体的威胁。
具体的是，通过铝污泥填料和缓释碳源填料的组合，提高反硝化效率，降低总氮含量，且对磷有很强的吸附能力，明显削减生化尾水中污染物含量，使出水中COD、TN、TP削减率均达到60％以上。
附图说明
图1为本发明一种脱氮除磷的复合填料人工湿地的整体流程示意图，其中1代表调节池；2代表垂直流湿地(即文本中垂直流人工湿地)；3代表水平潜流湿地(即文本中水平潜流人工湿地)；
图2为本发明一种脱氮除磷的复合填料人工湿地中的调节池的结构示意图；其中11，进水管；12，防渗层；13，混凝土层；14，出水管；15，配水槽；
图3为本发明一种脱氮除磷的复合填料人工湿地中的垂直流人工湿地的结构示意图；其中21，布水管道；22，防渗层；23，混凝土层；24，深根丛生型植物；25，铝污泥填料层；26，缓释碳源填料层；27，碎石填料层；28，出水管；29，配水渠；210，进出水管。
图4为本发明一种脱氮除磷的复合填料人工湿地中的水平潜流人工湿地的结构示意图；其中31，进水管；32，防渗层；33，混凝土层；34，深根散生型植物，35，铝污泥填料层；36，缓释碳源填料层；37，碎石填料层；38，出水管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例1
如图1所示的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，包括按水流方向依次设置的调节池1、垂直流人工湿地2与水平潜流人工湿地3。
如图2所示，调节池用于调节上级出水量和流速；调节池的进水管11与出水管14相对设置；调节池包括蓄水池与用于调节蓄水池出水量和流速的配水槽15；配水槽进水端连通于蓄水池出水口(出水管14)；池体底部土壤压实，自下而上依次设置混凝土层13、防渗层12；池体中布设有碎石垫层，配水槽的出水口设置在池体顶部，通过设置的配水槽接入下一级系统；所述防渗层由两布一膜组成，规格为0.9mm以上；碎石垫层为40～50mm的砾石。
如图3所示，垂直流人工湿地自上向下流，即垂直流人工湿地的上部设有布水管道21，布水管道连通于配水槽的出水口，并向垂直流人工湿地均匀布水。
为方便水处理，表面的布水管道21设置在垂直流人工湿地顶部均匀布水，包括连通的进水管、主布水管及堵头；垂直流人工湿地底部设置多个出水口接入配水渠29。
垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地之间设有配水渠29。为了使得配水渠具有缓冲、辅助过滤等目的，配水渠出水端的位置高于配水渠进水端的位置。即垂直流人工湿地的出水管28位于垂直流人工湿地的下方，其连通于配水渠29下端；配水渠上端设有进出水管210；通过进出水管进水能实现对垂直流人工湿地逆向清洗。
垂直流人工湿地的进水口连通于配水槽出水端；垂直流人工湿地的出水口连通于配水渠进水端；配水渠出水端连通于水平潜流人工湿地的进水端；
垂直流人工湿地自下而上依次铺设有碎石填料层27、缓释碳源填料层26与铝污泥填料层25；垂直流人工湿地的外壁包括自上至下设置的混凝土层23和防渗层22；所述防渗层由两布一膜组成，规格为0.9mm以上。
其中，碎石填料层选用沸石、砾石中的一种或两种任意体积比的组合；
缓释碳源填料包括如下重量份的各物质：
大孔物质40～60份
结合材料15-30份
改性玉米芯5～8份
牡蛎壳粉10～20份；
大孔物质包括多孔沸石、火山石或钢渣中的一种或多种；
结合材料包括硅酸盐水泥、赤土或粉煤灰中的一种或多种。
所述缓释碳源填料为按重量份将渗透性较高的大孔物质，结合材料、改性玉米芯(中国发明专利201810674764.7方法制备，该专利为本单位申请)和牡蛎壳粉在搅拌机先进行干混10～30min，直至混料完全混合均匀；将干混混料加预定比例水(水量使得干混混料能完全湿润)进行湿混20～40min，直至混料成色一致，材料间均匀分散，静置1～2h；将混料置于制备模具中定型、脱模后，放置于阴凉通风处进行养护3～10天即得缓释碳源填料,其中所述改性玉米芯通过1％～2％体积浓度碱性双氧水在90～100℃恒温水浴2～3h改性制作而成；。
所述铝污泥填料成分(为现有技术)及制备方法为：沸石或钢渣与水厂铝污泥原料搅拌、造粒，在105～120℃下烘干2～3h以去除水分，在500～600℃无氧焙烧6～8h制造而成。
进一步地，垂直流人工湿地自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层；碎石填料层中填料的粒径30～50mm，铺设高度20～40cm；缓释碳源填料层中填料的粒径10～20mm，铺设高度15～35cm；铝污泥填料层中填料的粒径10～15mm，铺设高度10～30cm。其实现对垂直流人工湿地的孔隙率的控制，避免垂直流人工湿地的断流或堵塞。
为了为微生物提供附着场所以及氧气和少量碳源，垂直流人工湿地中铝污泥填料层上还设有覆土层、以及种植于覆土层中的深根丛生型植物24，深根丛生型植物24为芦竹和/或黄花鸢尾；深根丛生型植物的种植密度为25～30株/平方米。
污水从调节池进入垂直流人工湿地，依次过好氧-缺氧，依次发生硝化与反硝化脱氮，聚磷菌的吸磷、释磷，基质的吸附作用，其中反硝化脱氮占主导过程，污水经配水渠复氧进入二级水平潜流人工湿地，水平潜流人工湿地历经同样过程，而此过程除磷占主导，同时伴随着脱氮过程。
如图4所示，所述水平潜流人工湿地顶部设置进水管31，底部设置出水管38；进水管31连通配水渠管道出水端(进出水管210)；水平潜流人工湿地包括池体、池内填料、覆土层、种植在顶部的水生植物以及用于水平潜流人工湿地出水的出水管。池体的翅膀设有自下而上铺设有防渗层32与混凝土层33。
水平潜流人工湿地中池内填料包括自下而上依次铺设的碎石填料层37、缓释碳源填料层36与铝污泥填料层35；铝污泥填料层35的上方铺设覆土层，覆土层中种植有深根散生型植物34，深根散生型植物的种植密度为35～45株/平方米；
碎石填料层中填料的粒径20～40mm，铺设高度15～35cm；缓释碳源填料层中填料的粒径10～15mm，铺设高度15～40cm；铝污泥填料层中填料的粒径3～8mm，铺设高度10～25cm。
缓释碳源填料包括如下重量份的各物质：
大孔物质40～60份
结合材料15-30份
改性玉米芯5～8份
牡蛎壳粉10～20份；
大孔物质包括多孔沸石、火山石或钢渣中的一种或多种；
结合材料包括硅酸盐水泥、赤土或粉煤灰中的一种或多种。
如此，污水通过排水管11道进入调节池1，进行水量调节，同时起到缓冲的作用，避免水量过大对后续处理产生冲击作用，也能起到一定的沉淀效果，降低湿地堵塞风险；
调节池1出水经过配水槽通过垂直流人工湿地2表面布水管道21后进入垂直流人工湿地，垂直流人工湿地2中种植芦竹、黄花鸢尾，二者较深的根系分布可以为微生物提供附着场所以及氧气和少量碳源，有利于微生物生命活动的进行；垂直流人工湿地中的复合填料系统是微生物生命活动的主要场所，也是脱氮除磷的主要承担者，其中铝污泥填料层25和缓释碳源填料层26可以高效脱氮除磷，铝污泥填料是一种与沸石或钢渣活化再生复合材料，对磷有较好的吸附效果，同时对氮和有机物有一定去除效果。而缓释碳源填料不仅是填料，为微生物提供活动场所，而且所包裹的缓释碳源可以为反硝化菌反硝化作用提供碳源，同时制备的材料加入的其他材料兼备对磷较好的吸收效果；
经过垂直流人工湿地2的污水进入水平潜流人工湿地3进一步强化处理，水平潜流人工湿地种植的深根散生型植物34为香蒲、水葱等，根系入土也较深，植株间分散生长提供更多的地下分布；由于污水流动方式的差异，潜流湿地复合填料颗粒粒径相对垂直流湿地变小，增加污水与滤料的可接触面积，同时调整填料之间的填充比例，增加铝污泥填料层35的比例增强磷的吸收，适当降低缓释碳源填料层36的比例，最终达到净化水质的效果。
实施例2
本发明的另一目的在于提供脱氮除磷的复合填料人工湿地污水处理方法，包括：
调节池接于污水源，调节配水槽，控制配水槽流入垂直流人工湿地的污水流速以保证垂直流人工湿地的表面水力负荷为0.682～0.953m3/m2·d；
控制垂直流人工湿地的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层的填充量，使得孔隙率为0.33～0.52，同时设置垂直流人工湿地的长宽比为(1～2.5):1，污水在垂直流人工湿地上的水力停留时间为12～24h；
调节配水渠，控制配水渠流入水平潜流人工湿地的流速以保证水平潜流湿地的水力表面负荷为0.362～0.514m3/m2·d；控制水平潜流人工湿地的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层的填充量，使得孔隙率为0.45～0.68，长宽比为3：(1～2)，污水在水平潜流湿地表面的水力停留时间为18～30h。
具体应用为：
污水厂生化尾水通过排水管道进入调节池，进行水量调节，同时起到缓冲的作用，避免水量过大对后续处理产生冲击作用，也能起到一定的沉淀效果，降低湿地堵塞风险。调节池单元，长4m，下底宽1m，上底宽2m，高1m；调节池出水经过配水槽通过垂直流湿地表面布水管道后进入湿地填料，经三层湿地填料作用后出水进入下一级处理。垂直流人工湿地南方地区的表面水力负荷为0.752m3/m2.d，水力停留时间为18h，长3m，宽1.5m，高1.0m，填料孔隙率为0.42，采用污水厂活性污泥进行挂膜启动，湿地植物采用深根丛生型，种植密度为25株/平方米。水平潜流湿地的水力表面负荷为0.435m3/m2.d，水力停留时间为18h，单元长5m，宽2m，高0.6m，填料孔隙率为0.51，采用污水厂活性污泥进行挂膜启动，湿地植物选用深根散生型，种植密度为40株/平方米。
实施例2中，进水为某污水处理厂尾水，进水水质为COD 43.2mg/L，TN15.6mg/L，TP0.6mg/L，出水水质为COD 16.5mg/L，TN 4.3mg/L，TP 0.23mg/L。通过经强化脱氮除磷复合填料人工湿地的实施，尾水中的COD、TN、TP等污染物浓度显著下降，末端出水污染负荷削减率均达到60％以上，水质明显改善。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，包括按水流方向依次设置的调节池、垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地；
调节池包括蓄水池与用于调节蓄水池出水量和流速的配水槽；配水槽进水端连通于蓄水池出水口；
垂直流人工湿地的进水口连通于配水槽出水端；垂直流人工湿地的出水口连通于配水渠进水端；配水渠出水端连通于水平潜流人工湿地的进水端；配水渠出水端的位置高于配水渠进水端的位置；
垂直流人工湿地自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层；
其中，缓释碳源填料包括如下重量份的各物质：
大孔物质40～60份
结合材料15-30份
改性玉米芯5～8份
牡蛎壳粉10～20份；
大孔物质包括多孔沸石、火山石或钢渣中的一种或多种；
结合材料包括硅酸盐水泥、赤土或粉煤灰中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，蓄水池的池体自下而上依次设置有混凝土层、防渗层与碎石垫层。
3.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，垂直流人工湿地自上至下流动；垂直流人工湿地中铝污泥填料层上还设有覆土层、以及种植于覆土层中的深根丛生型植物，深根丛生型植物的种植密度为25～30株/平方米。
4.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，垂直流人工湿地的外壁包括自上至下设置的混凝土层和防渗层。
5.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，垂直流人工湿地自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层；碎石填料层中填料的粒径30～50mm，铺设高度20～40cm；缓释碳源填料层中填料的粒径10～20mm，铺设高度15～35cm；铝污泥填料层中填料的粒径10～15mm，铺设高度10～30cm。
6.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，水平潜流人工湿地的外壁包括自上至下设置的混凝土层和防渗层。
7.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，水平潜流人工湿地中包括自下而上依次铺设的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层；铝污泥填料层的上方种植有深根散生型植物，深根散生型植物的种植密度为35～45株/平方米；
碎石填料层中填料的粒径20～40mm，铺设高度15～35cm；缓释碳源填料层中填料的粒径10～15mm，铺设高度15～40cm；铝污泥填料层中填料的粒径3～8mm，铺设高度10～25cm。
8.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，蓄水池中设有粒径为40～50mm的砾石形成的碎石垫层。
9.根据权利要求1所述的一种脱氮除磷的复合填料人工湿地，其特征在于，缓释碳源填料是采用如下步骤制备而成，称取配比量的各物质，在搅拌机先进行干混10～30min，直至混料完全混合均匀；将干混混料加水进行湿混20～40min，直至混料成色一致，材料间均匀分散，静置1～2h；将混料置于制备模具中定型、脱模后，放置于阴凉通风处进行养护3～10天即得缓释碳源填料。
10.基于权利要求1-9任一所述的脱氮除磷的复合填料人工湿地污水处理方法，其特征在于，包括：
调节池接于污水源，调节配水槽，控制配水槽流入垂直流人工湿地的污水流速以保证垂直流人工湿地的表面水力负荷为0.682～0.953m3/m2·d；
控制垂直流人工湿地的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层的填充量，使得孔隙率为0.33～0.52，同时设置垂直流人工湿地的长宽比为(1～2.5):1，污水在垂直流人工湿地上的水力停留时间为12～24h；
调节配水渠，控制配水渠流入水平潜流人工湿地的流速以保证水平潜流湿地的水力表面负荷为0.362～0.514m3/m2·d；控制水平潜流人工湿地的碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层的填充量，使得孔隙率为0.45～0.68，长宽比为3：(1～2)，污水在水平潜流湿地表面的水力停留时间为18～30h。
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