CN109292995B

CN109292995B - 三相高效补氧人工湿地系统

Info

Publication number: CN109292995B
Application number: CN201811406875.6A
Authority: CN
Inventors: 庄林岚; 张建; 郑欣慧; 赵倩
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: CN109292995A; WO2020103270A1

Abstract

本发明公开了一种三相高效补氧人工湿地系统，其在构型上分为上下两部分子湿地，上下层子湿地之间通过连通管连通，并在下层子湿地侧部设置虹吸排水管，上层子湿地形成永久性固‑液‑气三相区，下层子湿地低于出水口处形成淹没缺氧区，下层子湿地高于出水口处处于周期性三相区，在污水经由整个系统流通过程中，可实现良好的COD、氨氮和总氮的去除，其技术方案为：包括上层子湿地和下层子湿地，所述上层子湿地设置于下层子湿地上方，且上层子湿地底部通过连通管与下层子湿地连通；所述下层子湿地侧部设置出水口与虹吸排水管连接，所述虹吸排水管顶部低于下层子湿地顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水。

Description

三相高效补氧人工湿地系统

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，涉及一种高效补氧高效水质净化人工湿地系统，特别是涉及一种三相高效补氧人工湿地系统。

背景技术

我国是一个严重缺水的国家，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。污水再生利用是缓解水资源供需矛盾和促进城市经济社会可持续发展的有效途径。人工湿地是一种安全有效的生物生态法污水再生处理技术，兼具水质净化、水体生态储存、美化景观、维持生态平衡等功能。人工湿地是对环境自净过程的模拟和强化，其对水中污染物的去除机理复杂，包含了微生物降解、植物吸收、物理性吸附和化学沉淀等多种作用，其中微生物的好氧呼吸是湿地对污水中有机污染物(以化学需氧量chemical oxygen demand，COD计)去除的重要途径，而总氮(totalnitrogen，TN)主要通过硝化细菌等特殊功能细菌的好氧硝化与缺氧反硝化作用和厌氧氨氧化作用等被去除。

目前，人工湿地技术在全球，尤其是发展中地区流域污染治理中具有突出的应用优势，已被广泛应用于污染河水、城市污水厂尾水、分散生活污水等多种类型污水的处理。然而，人工湿地在应用中仍然存在一些问题。

1)人工湿地对污染物的去除率低。其中，COD和TN的去除率基本在40％-80％之间。人工湿地中填料基质表面的生物膜需要在好氧环境中实现对COD的高效去除，然而人工湿地中自然补氧和植物根系泌氧作用不足以提供足够的溶解氧用于污水中有机物的去除。此外，对于总氮的去除需要好氧、厌氧环境交替。然而，水中溶解氧不足极大地限制氨氮的硝化作用，进而影响后续反硝化的进行，使得人工湿地对总氮的去除效果不佳。湿地中溶解氧浓度不足2mg/L，而生活污水中BOD及NH₄ ⁺-N的理论氧气需求量远高于此值。

2)人工湿地存在堵塞的现象，影响其对污水的净化效果和运行年限。我国存在大量设计年限在100年左右的湿地实际运行10年就产生了湿地大面积堵塞的现象，使其失去对污水的净化作用。人工湿地的堵塞包括颗粒物堵塞和有机堵塞。在水平潜流湿地中，大气中的氧气向湿地中扩散传递需要突破气液交界膜、大量液相主体、生物膜表面的液膜达到微生物表面，氧气传质困难。长期缺氧环境下，有机物不能充分降解，形成的腐殖质等物质沉积在填料基质表面，与微生物膜表面多聚物共同形成高粘度厌氧污泥，极易造成堵塞，影响湿地的运行效果。

可见，通过强化对人工湿地中氧气的调控可改善人工湿地运行中存在的COD、TN去除率低及有机堵塞问题，显著提高人工湿地对污水的去除效果，维持其高效、稳定运行，保障我国污水的再生与安全利用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种三相高效补氧人工湿地系统，其在构型上分为上下两部分子湿地，上下层子湿地之间通过连通管连通，并在下层子湿地侧部设置虹吸排水管，使得上层子湿地形成永久性固-液-气三相区，下层子湿地低于出水口处形成淹没缺氧区，下层子湿地高于出水口处处于周期性三相区，在污水经由整个系统流通过程中，可实现良好的COD、氨氮和总氮的去除；

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

三相高效补氧人工湿地系统，包括上层子湿地和下层子湿地，所述上层子湿地设置于下层子湿地上方，且上层子湿地底部通过连通管与下层子湿地连通；

所述下层子湿地侧部设置出水口与虹吸排水管连接，所述虹吸排水管顶部低于下层子湿地顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水。

进一步的，所述上层子湿地底部和下层子湿地顶部之间具有设定间隙。

进一步的，所述连通管延伸至下层子湿地内部，连通管距下层子湿地底部具有设定间距。

进一步的，所述连通管底部低于下层子湿地出水口的高度。

进一步的，所述连通管底部距下层子湿地底部的距离为10～20cm。

进一步的，所述上层子湿地混合填充有硬质填料和软性填料。

进一步的，所述下层子湿地填充硬质填料。

进一步的，所述出水口距下层子湿地顶部的距离为20～30cm。

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。

进一步的，所述虹吸排水管顶部与下层子湿地顶部之间的间距为8～12cm。

进一步的，所述连通管的横截面积小于上层子湿地、下层子湿地的横截面积二者之最小者的十分之一。

优选的，所述上层子湿地设置于下层子湿地正上方，连通管连接于上层子湿地底部中心处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的湿地系统实现了高效的氧气补给。与传统人工湿地相比，该系统的上层子湿地为水体中的污染物降解提供了固-液-气三相共存的氧气传质条件，增强了人工湿地系统的气体传质效率，有利于微生物膜的生长，从而实现更好的COD和氨氮等污染物去除效果。

本发明的湿地系统设置上下层子湿地，通过连通管连通，可以使水流依次流经上层子湿地三相区、下层子湿地淹没缺氧区和下层子湿地周期性三相区，可实现良好的COD、氨氮和总氮的去除。

本发明湿地系统的上层子湿地中软性填料提供了更多表面，有利于生物膜的生长及污染物的去除，同时软性填料亲水性好，可增加污水的水力停留时间，强化污染物转化与去除效果。

本发明湿地系统中设置的虹吸排水管进行阶段性排水，对湿地基质表面的生物膜起到一定冲刷效果，对于厌氧条件下基质污堵有很好的缓冲作用，降低湿地的有机堵塞风险。

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结构示意图；

图中，1上层子湿地，2下层子湿地，3连通管，4出水口，5虹吸排水管，6填料，7填料。

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COD、TN去除率低及有机堵塞问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种三相高效补氧人工湿地系统，将湿地床分隔成上下层两个子湿地，使得上层子湿地可以为待处理水体提供固-液-气三相共存的环境，实现高效的氧气补给，增强了氨氮氧化效率；之后流经下层浸没状态下的湿地，实现缺氧条件下的反硝化，进一步促进硝态氮的去除。通过虹吸周期性排水设计，减缓厌氧状态下污染物对基质的堵塞作用。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种三相高效补氧人工湿地系统，包括上层子湿地1和下层子湿地2，上层子湿地1设置于下层子湿地2上方，且上层子湿地1底部通过连通管3与下层子湿地2连通；上层子湿地1底部和下层子湿地2顶部之间具有设定间隙，保证下层子湿地2顶部与大气相通，处于富氧状态。

下层子湿地2侧部设置出水口4与虹吸排水管5连接，虹吸排水管5顶部低于下层子湿地2顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水。

本发明的湿地系统，上层子湿地形成永久性固-液-气三相区，下层子湿地低于出水口处形成淹没缺氧区，而在虹吸排水管的周期性排水下，下层子湿地高于出水口处则处于周期性三相区，在污水经由上层子湿地、下层子湿地下方、上层子湿地上方进而由虹吸排水管排出的整个过程中，能够更好的去除COD、氨氮和总氮。

上层子湿地1可以设置于下层子湿地2偏上方，连通管3也可以偏心设置在上层子湿地1底部，但在一更为优选的实施方案中，上层子湿地1设置于下层子湿地2正上方，连通管3连接于上层子湿地1底部中心处，由此可保证上下层子湿地各位置对污水净化效果的一致性。

连通管3延伸至下层子湿地2内部，连通管3距下层子湿地2底部具有设定间距。这一间距可以设置为10～20cm，本实施例中连通管底端距离下层子湿地底端15cm。

连通管3底部低于下层子湿地2出水口4的高度，保证污水在上层子湿地经由连通管进入下层子湿地时，由下层子湿地下方向上流通，进而在污水量达到出水口处时再进行排水。

出水口4距下层子湿地2顶部的距离为20～30cm，本实施例中将出水口设置在距离下层子湿地顶端25cm的位置。

虹吸排水管5为倒U型结构，倒U型结构一端与出水口4连通，另一端悬空。虹吸排水管5顶部与下层子湿地2顶部之间的间距为8～12cm，本实施例中虹吸排水管顶部与下层子湿地顶端之间距离设置成10cm。

上层子湿地1内的填料6为硬质填料和软性填料的混合。硬质填料可以采用砾石、石英砂等人工湿地常用基质；其中软性填料可以采用超细纤维等。本申请中填料6也可以直接采用接触氧化法填料中的组合填料。通过硬质填料和软性填料的混合，软性填料可以提供更多表面，有利于生物膜的生长及污染物的去除。

下层子湿地2内的填料7为硬质填料。硬质填料可以采用砾石、石英砂等人工湿地常用基质。

连通管3的横截面积小于上层子湿地1、下层子湿地2的横截面积二者之最小者的十分之一。通过这样设置，既能保证污水由上层子湿地向下层子湿地流通的顺畅性，又可以保证污水与上层子湿地填料充分接触后再流向下层子湿地，增加了污水的停留时间，强化了污染物的去除效果。

本实施例中，上层子湿地1和下层子湿地2均采用圆筒，两圆筒的直径一致，连通管采用直管，其管径为15cm，且小于上下层子湿地直径的10％；在圆筒内分别填充相应填料，上层圆筒通过支撑架支撑于下层圆筒上，且支撑架形成的整个一圈支撑结构并不封闭，保证上层子湿地和下层子湿地之间具有间隙，使下层子湿地上部处于周期性三相区。当然，上层子湿地和下层子湿地还可以采用其他结构，二者之间的连接支撑也可以采用其他结构形式(比如，可将上层子湿地、下层子湿地分别由单独的支撑架支撑)，只要保证上层子湿地位于下层子湿地上方，并保证上下层子湿地之间具有间隙即可。

本发明湿地系统的运行方式如下：

1)从顶端进水，在上层子湿地基质中间渗流过程中，处于固-液-气三相环境中，污水中的污染物充分与基质表面生物膜、基质间隙空气接触，促进氨的氧化和COD的初步去除。超细纤维等软性填料提供了更多表面，有利于生物膜的生长及污染物的去除，同时超细纤维填料亲水性好，可增加污水的水力停留时间，强化污染物转化与去除效果。

2)污水从上层子湿地底部经由连通管到达下层子湿地底部，下层子湿地下部(从底部到出水口处的)基质长期处于淹没状态，处于缺氧状态，利于氨氮氧化形成的硝态氮和原水中的硝态氮进行反硝化，进而从水中去除。

3)污水从下层子湿地底部往上流动，在下层子湿地顶部20cm范围内，属于大气富氧区，可实现残留COD的进一步氧化去除。

4)随着不断进水，下层子湿地内液位不断升高，在倒U形的虹吸排水管形成虹吸后开始排水，排至液位降低至倒U形管连接位置时断流，排水结束。

之后随着不断进水，液位逐步升高，重复上述过程。

阶段性的排水对湿地基质表面的生物膜起到一定冲刷效果，对于厌氧条件下基质污堵有很好的缓冲作用。出水流经上层子湿地三相区、下层子湿地淹没缺氧区和下层子湿地周期性三相区，可实现良好的COD、氨氮和总氮的去除。

基于本发明的湿地设计，构建了相应的小试湿地，该湿地在构型上分为上下两部分，均为直径1m的圆筒，高度分别为40cm和80cm。上层湿地填充粒径1-3cm的砾石及超细纤维软性填料，两材料均匀混合。下层湿地填充1-3cm砾石。上层湿地底端开口伸出10cm直径的PVC直管插入下层湿地近底端，将上下两部分湿地连通，下层湿地外壁连接倒置U形管，管长10cm，与下层湿地连接处距离下层湿地顶端20cm。

利用该小试湿地，从顶端进水，水力停留时间设计为24h，进水水质为污水厂二级出水水平，污水从上层湿地底部经由连接管到达下层湿地底部，污水从下层湿地底部往上流动。随着不断进水，下层湿地内液位不断升高，在倒U形管形成虹吸后开始排水，排至液位降低至倒U形管连接位置时断流，排水结束。之后随着不断进水，液位逐步升高，重复上述过程。该湿地运行15天后，测定出水水质，研究表明，COD去除率80％，TN去除率60％，氨氮去除率60％，氨氮去除率显著高于相同进水和水力停留时间下的传统湿地。

采用虹吸排水的方式设置另一人工湿地，虹吸排水可给该湿地提供固-液-气三相共存的环境，并另外设置了空白对照组和人工曝气对照组，通过对比来表明该湿地的污染物去除效果。该湿地在构型上为直径20cm，高71cm圆筒，其内填充了直径8～10mm的石英砂。湿地底端接有高度为70cm的倒U型虹吸排水管，其顶端略低于湿地基质顶端。该湿地系统上端进水，湿地系统的水力停留时间(HRT)均设计为24h，曝气组流量设计为0.2L/min。平均进水COD为90.52mg/L，NH₄ ⁺-N为22.13mg/L，TP为3.52mg/L。目前系统已经稳定运行，随机抽取若干组数据，计算出对污染物的平均去除率来评价该系统的应用效果：

表1污染物去除率

湿地类型	COD	NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N	TP
				实验组	90％	62％	27％
空白对照组	81％	14％	15％
				人工曝气对照组	90％	87％	24％

该案例的实验结果表明，虹吸排水式人工湿地可以在无曝气能耗的条件下有效补氧并提高COD、NH₄ ⁺-N及TP的去除率，也即表明了采用虹吸排水方式的本发明的湿地系统，可以更好的去除COD、氨氮和总氮。

采用上层设置固定不饱和区的方式设置另一人工湿地，固定不饱和区可给该湿地提供固-液-气三相共存的环境，另外设置了空白对照组和人工曝气对照组，通过对比来表明该湿地的污染物去除效果。该湿地在构型上分为上下两部分，上层为直径20cm、高度为70cm的污水不饱合区，填充粒径5～8mm的生物陶粒；下层为直径30cm、高度为50cm的污水饱和区，填充粒径2～5mm的石英砂。该湿地系统从顶端进水，水力停留时间(HRT)均设计为24h，曝气组流量设计为0.2L/min。平均进水COD为109.24mg/L，NH₄ ⁺-N为27.81mg/L，TP为2.99mg/L。目前系统已经稳定运行，随机抽取若干组数据，计算出对污染物的平均去除率来评价该系统的应用效果：

表2污染物去除率

湿地类型	COD	NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N	TP
				实验组	90％	60％	29％
空白对照组	77％	15％	19％
				人工曝气对照组	86％	87％	18％

该案例的实验结果表明，上层不饱和区式人工湿地可以在无曝气能耗的条件下有效补氧并提高COD、NH₄ ⁺-N及TP的去除率，也即表明了上层子湿地始终保持固-液-气三相的本发明的湿地系统，可以更好的去除COD、氨氮和总氮。

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

1.三相高效补氧人工湿地系统，其特征是，包括上层子湿地和下层子湿地，所述上层子湿地设置于下层子湿地上方，且上层子湿地底部通过连通管与下层子湿地连通；

所述上层子湿地底部和下层子湿地顶部之间具有设定间隙；

所述下层子湿地侧部设置出水口与虹吸排水管连接，所述虹吸排水管顶部低于下层子湿地顶部高度以形成压差进行周期性虹吸排水；

所述上层子湿地混合填充有硬质填料和软性填料；所述下层子湿地填充硬质填料；

所述上层子湿地形成永久性固-液-气三相区，所述下层子湿地低于出水口处形成淹没缺氧区，所述下层子湿地高于出水口处处于周期性三相区。

2.如权利要求1所述的三相高效补氧人工湿地系统，其特征是，所述连通管延伸至下层子湿地内部，连通管距下层子湿地底部具有设定间距。

3.如权利要求2所述的三相高效补氧人工湿地系统，其特征是，所述连通管底部距下层子湿地底部的距离为10～20cm。

4.如权利要求1所述的三相高效补氧人工湿地系统，其特征是，所述连通管底部低于下层子湿地出水口的高度。

5.如权利要求1所述的三相高效补氧人工湿地系统，其特征是，所述出水口距下层子湿地顶部的距离为20～30cm。

6.如权利要求1所述的三相高效补氧人工湿地系统，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；

所述虹吸排水管顶部与下层子湿地顶部之间的间距为8～12cm。

7.如权利要求1所述的三相高效补氧人工湿地系统，其特征是，所述连通管的横截面积小于上层子湿地、下层子湿地的横截面积二者之最小者的十分之一。

8.如权利要求1所述的三相高效补氧人工湿地系统，其特征是，所述上层子湿地设置于下层子湿地正上方，连通管连接于上层子湿地底部中心处。