CN109319932A - 一种用于尾水深度处理的人工湿地填料及人工湿地铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于尾水深度处理的人工湿地填料及人工湿地敷设方法，所述的人工湿地填料由以下体积百分比组成：沸石80%~85%、牡蛎壳5~10%、活性炭5~15%。人工湿地由防渗层、人工湿地碎石透水层、过渡层、上述的人工湿地填料层和覆盖层组成；其中，上述的人工湿地填料层的体积占透水层、过渡层、人工湿地填料层和覆盖层总体积的15~20%。本发明针对传统土壤、砂、碎石等填料吸附性能低、微生物附着能力差等缺点，重点针对污水中的氮、磷污染物，提供一种多组分人工湿地填料，该填料为人工湿地主体填料，其配比、粒径要求、铺设方法等有利于提高人工湿地污染物去除效率，防止湿地堵塞等。

Description

一种用于尾水深度处理的人工湿地填料及人工湿地铺设方法

技术领域

本发明涉及环境治理、水生态修复技术领域，特别涉及一种用于尾水深度处理的人工湿地填料及人工湿地敷设方法。

背景技术

人工湿地是通过人工模拟的方法所构造的湿地环境生态系统。作为一种新兴的污染水体修复技术，它利用透水性的填料基质、水生或沼生的植物和依附于填料基质生长的微生物所组成的复合生态系统中的物理（吸附、过滤、沉淀）、化学（离子交换）和生物（植物生长提取营养物质、微生物新陈代谢）的三者之间有机结合来达到对污水的净化效果，同时通过水分和可以作为营养物的污染物的循环，促进绿色植物和微生物群落的生长繁殖，增加整个生态环境的稳定性，从而最终实现有害污水的资源利用化与无害化。

人工湿地中的填料基质又称滤料、基质。湿地填料基质不仅为植物和微生物提供生长介质，还通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。

人工湿地填料基质的选择一般满足以下几个条件：（1）有足够的机械强度，能耐受长期污水的冲刷；（2）比表面积大，孔隙率高，孔径大，拥有很好的吸附能力；（3）化学稳定性良好，不能产生二次污染；（4）渗透性能好，水头损失小，不易产生阻塞问题；（5）有利于微生物附着和植物生长，增强污水处理效果；（6）价格合理，降低湿地造价。

传统的人工湿地的填料采用土壤、砂、砾石、碎石等，目前国内外正在积极挑选新型的材料作为湿地的基质填料，不同的基质材料对不同污染物的吸附性能、微生物附着性能不同，目前国内外在研究的基质填料主要有塑料、沸石、石灰石、石英砂、煤灰渣、高炉渣、草炭、粉煤灰、活性炭、陶瓷、蛙石、自然岩石与矿物材料等。每种填料性能各有优缺点，应根据具体原污水的水质和经济分析结论进行选择，以充分发挥填料的作用。为了综合发挥各填料优势，湿地填料往往由多种填料组成，填料级配十分重要，以有效去除各种污染物质，同时有效避免堵塞，提高运行周期。

目前，人工湿地在城镇污水处理中得到广泛的应用，但在填料的选择上仍然比较单一，填料的低孔隙度和易饱和的特点大大缩短了湿地的运行周期，限制了湿地的推广应用。因此，新型、廉价、高效的多组分填料应是今后人工湿地基质填料研究的发展方向。

发明内容

本发明克服了现有技术中的传统的人工湿地的填料主要采用土壤、砂、砾石、碎石等，填料吸附性能低、微生物附着能力差，导致人工湿地污染物去除效率低的缺点，提供一种新型、廉价、高效的用于尾水深度处理的人工湿地填料及利用这种填料敷设人工湿地方法。

本发明的技术方案是：一种用于尾水深度处理的人工湿地填料，所述的人工湿地填料由以下体积百分比组成：沸石80%~85%、牡蛎壳5~10%、活性炭5~15%。

进一步的，上述的用于尾水深度处理的人工湿地填料中：所述的沸石为天然绿沸石颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

进一步的，上述的用于尾水深度处理的人工湿地填料中：所述的牡蛎壳为经粉碎、筛分和改性后的均匀牡蛎壳颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜20%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

进一步的，上述的用于尾水深度处理的人工湿地填料中：所述的活性炭为不规则颗粒煤质活性炭，粒径质量分数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

本发明还提供一种用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法，包括以下步骤：

步骤1、在人工湿地防渗层上敷设一层人工湿地碎石透水层；

步骤2、在人工湿地碎石透水层上敷设一层厚度大于10cm的以砂、碎石填料为主的过渡层；

步骤3、在过渡层上敷设一层人工湿地填料层；

步骤4、在人工湿地填料层上面敷设一层10-20cm厚的以砂、碎石填料为主的覆盖层；

所述的人工湿地填料层的体积占过渡层、人工湿地填料层和覆盖层总体积的15~20%；

所述的人工湿地填料层中的填料是由以下体积百分比的成份混合均匀而成：

沸石80%~85%、牡蛎壳5~10%、活性炭5~15%。

进一步的，上述的用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法中：所述的沸石为天然绿沸石颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

进一步的，上述的用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法中：所述的牡蛎壳为经粉碎、筛分和改性后的均匀牡蛎壳颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜20%、3~5mm＞80%、5~8mm＜5%。

进一步的，上述的用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法中：所述的活性炭为不规则颗粒煤质活性炭，粒径质量分数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

本发明针对传统土壤、砂、碎石等填料吸附性能低、微生物附着能力差等缺点，重点针对污水中的氮、磷污染物，提供一种多组分人工湿地填料，该填料为人工湿地主体填料，其配比、粒径要求、铺设方法等有利于提高人工湿地污染物去除效率，防止湿地堵塞等。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。

附图说明

图1为本发明实施例1从工湿地结构图。

具体实施方式

本实施例提供一种用于尾水深度处理的人工湿地填料，包括一种多组分人工湿地填料，其填料组成为：沸石、牡蛎壳和活性炭。其组成体积百分比为：沸石：80%~85%，牡蛎壳：5~10%，活性炭：5~15%。

本实施例中人工湿地填料各组分的质量要求如下：

（1）沸石为天然绿沸石颗粒。

粒径分布为（质量分数）：

0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。另外允许小于1%粒径在0~0.075mm泥。

这里使用的沸石吸氨值为：＞100mmol/100g（测定方法：GB/T21695-2008）

（2）牡蛎壳为经粉碎、筛分和改性后的均匀牡蛎壳颗粒。

粒径分布为（质量分数）：

0~3mm＜20%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

本实施例中，经过改性的牡蛎壳中，CaCO₃＞90%、有机物＞3%。

（3）活性炭为不规则颗粒煤质活性炭。

粒径分布为（质量分数）：

0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

同样，允许小于1%粒径在0~0.075mm泥。

本实施例中，活性炭碘吸附值＞800mg/g（测定方法：GB/T 7702.7-2008）

3、按照上面的比例获取沸石、牡蛎壳和活性炭三种材料充分混合，均匀混合以后就可以用于人工湿地。

4、沸石、牡蛎壳和活性炭组成的人工湿地填料在总体积体积占人工湿地总填料体积的15~20%。

5、沸石、牡蛎壳和活性炭组成的人工湿地填料的铺设深度位于人工湿地完成面的10~20cm以下，采用混合后整层铺设，不与其他湿地填料混合。如图1所示。

6、沸石、牡蛎壳和活性炭组成的人工湿地填料的上层和下层填料粒径的80%以上的粒径应不超过8mm，厚度不少于10cm。

7、沸石、牡蛎壳和活性炭混合人工湿地填料适用于任何人工湿地类型，包括表面流人工湿地、垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地等。

人工湿地具体敷设步骤如下：

步骤1、在人工湿地防渗层1上敷设一层人工湿地碎石透水层2；

步骤2、在人工湿地碎石透水层2上敷设一层厚度大于10cm的以砂、碎石填料为主的过渡层3；

步骤3、在过渡层3上敷设一层人工湿地填料层4；

步骤4、在人工湿地填料层4上面敷设一层10-20cm厚的以砂、碎石填料为主的覆盖层5。如图1所示。

本实施例的方法敷设的人工湿地中，沸石、牡蛎壳和活性炭混合的人工湿地填料层4具有较高的污染物吸附能力，生物附着能力强，人工湿地填料层4表面形成的生物膜，对污染物有较高的吸附能力和生化去除功能；粒径分布保证了人工湿地填料的渗透性，同时又具有较大的比表面积，按一定比例添加到人工湿地主体填料后，可大大提高人工湿地系统对污染物的拦截、吸附和微生物的附着能力，从而可有效提高人工湿地的运行效率和单位面积的污染物处理能力。

一、各组分对污染物的去除效果

选择沸石、牡蛎壳和活性炭混合形成的人工湿地填料作为强化人工湿地污水处理效果的组合填料，是因为沸石、牡蛎壳和活性炭对不同的污染物有不同的去除效果，且相互之间兼容性强，其物理和化学形式有较强的生物适应性，适合于人工湿地处理系统。

（1）沸石

沸石对氨氮有较强的选择吸附性。沸石结构由硅氧四面体组成，构架中有一定的空腔和孔道，决定了其具有吸附和离子交换能力，可快速截流污水中的氨氮。沸石内部结构的松散程度是影响沸石吸附容量的主要因素，孔径大，结构松散且分布均匀的沸石吸附容量高。由于沸石的结构特点对氨氮等阳离子有很好的去除效果，且吸附饱和后的吸附位点可通过植物和微生物的协同作用得到再生，被广泛用做人工湿地填料。经过长期的研究表明，3~5mm粒径的天然沸石，对氨氮的实际饱和吸附量约为5mg/g。

（2）牡蛎壳

牡蛎壳是沿海水产养殖的废弃物，其主要成分为碳酸钙，是磷吸附的主要成分，因此应选择碳酸钙含量在80%以上牡蛎壳产品。本实施例中使用的牡蛎壳需经一定的物理和化学手段如锻烧或者酸洗等手段对其改性，改性后，牡蛎壳结构中含有大量互相连通的微孔，具有较强的吸附能力、离子交换能力和催化分解能力，能够更好地吸附固定水中的含磷污染物。此外，牡蛎壳有机质约占牡蛎壳质量3%～5%，可以为反硝化过程提供碳源，强大的比表面积有利于微生物的增殖和附着，经过长期的研究表明，3~5mm粒径的改性牡蛎壳产品，对TP的实际饱和吸附量约为4mg/g。

（3）活性炭

活性炭作为一种环境友好型吸附剂，含有大量微孔，比表面可达到1700m²/g，具有较强的吸附性和催化性能，具有材料简单易得，安全性高，易再生等优点，对水中溶解的有机污染物和某些有毒的重金属具有较强的吸附能力，而且对用生物法和其他化学法难以去除的有机污染物，如色度、亚甲基蓝表面活性物质、除草剂、杀虫剂、合成染料及许多人工合成的有机化合物都有较好的去除效果；此外，活性炭可以除去水中的异臭、异味，对细菌也有极好的过滤作用。经过长期的研究表明，3~5mm粒径的煤质颗粒活性炭产品，对COD的实际饱和吸附量约为40mg/g。

二、各组分配比的设计依据

本实施例人工湿地填料主要应用于污水处理厂尾水深度处理，出水水质达到地表水环境质量标准Ⅳ类以上，根据污染物在人工湿地中的去除特性：氨氮的去除约40%为填料吸附，60%为微生物和植物作用；TP的去除约90%为填料吸附，10%左右为微生物和植物作用；COD的去除约20%左右为填料吸附，80%左右为微生物和植物的作用。另外根据各组分对污染物的实际饱和吸附量计算得出各组分的配比关系。

三、粒径分布对渗透系数的影响

本实施例人工湿地填料有效粒径集中在3～5mm（质量比大于80%），且要求上下层填料80%以上的粒径不大于8mm，且厚度不低于10cm，因此，保证了整个湿地填料在粒径分布上的过度，避免出现短路或者填料层不均匀沉降的风险，保证了填料层保持均匀的渗透系统。

综上所述，在用于尾水深度处理的人工湿地系统中应用本专利产品，具有以下有益效果：

（1）本实施例提供的一种多组分人工湿地填料来源广、对污染物吸附能力强，便于加工和质量控制；

（2）多组分填料的配比、粒径要求、铺设方法能够提高人工湿地氮磷污染物的去除效率；

（3）选用的人工湿地填料具有多孔性、有较大比表面积，可以改善人工湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，增强系统对污染物去除效率的同时，也能防止湿地堵塞等。

如图1所示的一种用于尾水深度处理的多组分人工湿地填料敷设的人工湿地，从上到下包括覆盖层5, 人工湿地填料层4，过渡层3、透水层2及防渗层1。覆盖层5和过渡层3为人工湿地过渡层，根据人工湿地项目建设实际情况可选择选择砂、碎石等填料；人工湿地填料层4，包括沸石、牡蛎壳和活性炭，其体积比为：沸石：80%~85%，牡蛎壳：5%~10%，活性炭：5%~15%，各组分按比例混合均匀后填入湿地，其总体积占人工湿地总体积的的15~20%；3为人工湿地碎石透水层，厚度根据实际工程需要确定，透水层2为人工湿地防渗层。

实施例1

按照本实施例人工湿地填料组分建设2m×2m×1.5m的人工湿地试验池，并与普通以土壤、砂、碎石为填料的人工湿地对比，计算本实施例与普通填料对总磷氨氮的去除率，结果表1所示。

表1：

实施例2

表2为本实施例的人工湿地填料组分配比用于处理某城市面源污染污水进出水水质比较。

表2：

实施例3

将实施例人工湿地填料按上述组合配比组分用于某城市尾水深度处理，其污水进出水水质比较见表3。

表3：

Claims (8)

1.一种用于尾水深度处理的人工湿地填料，其特征在于：所述的人工湿地填料由以下体积百分比组成：沸石80%~85%、牡蛎壳5~10%、活性炭5~15%。

2.根据权利要求1所述的用于尾水深度处理的人工湿地填料，其特征在于：所述的沸石为天然绿沸石颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

3.根据权利要求1所述的用于尾水深度处理的人工湿地填料，其特征在于：所述的牡蛎壳为经粉碎、筛分和改性后的均匀牡蛎壳颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜20%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

4.根据权利要求5所述的用于尾水深度处理的人工湿地填料，其特征在于：所述的活性炭为不规则颗粒煤质活性炭，粒径质量分数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

5.一种用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在人工湿地防渗层(1)上敷设一层人工湿地碎石透水层(2)；

步骤2、在人工湿地碎石透水层(2)上敷设一层厚度大于10cm的以砂、碎石填料为主的过渡层(3)；

步骤3、在过渡层(3)上敷设一层人工湿地填料层(4)；

步骤4、在人工湿地填料层(4)上面敷设一层10-20cm厚的以砂、碎石填料为主的覆盖层(5)；

所述的人工湿地填料层(4)的体积占过渡层(3)、人工湿地填料层(4)和覆盖层(5)总体积的15~20%；

所述的人工湿地填料层(4)中的填料是由以下体积百分比的成份混合均匀而成：

沸石80%~85%、牡蛎壳5~10%、活性炭5~15%。

6.根据权利要求5所述的用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法，其特征在于：所述的沸石为天然绿沸石颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

7.根据权利要求5所述的用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法，其特征在于：所述的牡蛎壳为经粉碎、筛分和改性后的均匀牡蛎壳颗粒，粒径质量份数比为：0~3mm＜20%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。

8.根据权利要求5所述的用于尾水深度处理的人工湿地敷设方法，其特征在于：所述的活性炭为不规则颗粒煤质活性炭，粒径质量分数比为：0~3mm＜5%、3~5mm＞80%、5~8 mm＜5%。