CN109384315A - 一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统 - Google Patents

一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统。所述系统为底部连通的湿地I和湿地II，所述湿地I包括自上而下铺设的散水装置、第一填料层、第二填料层和第一碎石层；所述湿地II包括自下而上铺设的第二碎石层、第三填料层和第四填料层；所述人工湿地系统还设有集水布水管和排空管，所述集水布水管设置在第一碎石层和第二碎石层中，将左右两侧湿地的底部连通；所述集水布水管与排空管连接；所述湿地II的第四填料层底部设置有集水排水管；所述集水排水管设置有电动阀，控制系统排水时机。本发明结构简单，集成度高，水力负荷大，脱氮除磷效果好，供氧无能耗，不易堵塞，投资运行费用较低。

Description

一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统
技术领域
本发明属于环境工程中的污水处理技术领域，具体涉及一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统。
背景技术
为了保护生态环境，减少水体富营养化，我国污水排放标准日趋严格，这就需要对二级好氧单元出水(污水处理厂尾水)进行深度脱氮除磷。微生物的好氧硝化和缺氧反硝化作用被认为是污水脱氮最主要的途径。然而，在好氧去除NH3-N的同时，污水中的有机碳基本被去除，从而使后置反硝化单元由于缺少有机碳源被严重抑制。
因此，在对好氧单元出水进行后置反硝化脱氮时，需要添加有机碳源。目前解决方案包括：(1)在反硝化区设置固体碳源补充管(CN103274530B)；(2)将树枝或植物秸秆直接加入到人工湿地填料中(CN101525184B)；(3)将农业废弃物或湿地植物水解液作为碳源投加到人工湿地(CN103936161B)；(4)利用原污水有机碳源提高反硝化脱氮效果(CN101792228B)。这些有机碳源补充方式有效提高了反硝化脱氮效果，但仍存在一些问题：固体碳源水解需要时间，释放碳源不稳定，填料中的有机碳源将很快枯竭，高效反硝化持续时间短；添加水解液需要人工定期投加植物进行水解，对于大规模的工程劳动强度较大，而且植物水解残渣需要处置；利用原污水有机碳源最经济、方便，但是原污水也会带入NH3-N，在反硝化段又是缺氧环境，对NH3-N去除能力弱，易导致出水NH3-N超标。由此可见，高效、持续、低成本脱氮是污水处理技术工艺面临的难题，导致出水TN难以达标排放。
此外，二级好氧单元出水中通常含有较高浓度的总磷，添加絮凝剂除磷，虽然可以取得良好的除磷效果，但是成本高，在村镇等分散型生活污水实践中更加难以实施。因此，脱氮除磷效果好、占地面积小、不添加外加碳源、运营费用低、维护简便的二级好氧单元出水深度处理技术是我国当前所急需的。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，它具有结构简单，集成度高，水力负荷大，脱氮除磷效果好，供氧无能耗，不易堵塞，投资运行费用较低等优点。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，包括底部连通的湿地I和湿地II，其中：
所述湿地I和湿地II的面积比为1:1～4:1；
所述湿地I包括自上而下铺设的散水装置、第一填料层、第二填料层和第一碎石层；所述湿地II包括自下而上铺设的第二碎石层、第三填料层和第四填料层；
所述人工湿地系统还设有集水布水管和排空管，所述集水布水管设置在第一碎石层和第二碎石层中，将湿地I和湿地II的底部连通；所述集水布水管与排空管连接；
所述湿地II的第四填料层底部设置有集水排水管；所述集水排水管设置有电动阀，由其控制系统定时排水。
上述人工湿地系统处理污水时，污水从湿地I表层均匀进入系统，经过进水-淹水-第一和第四填料层排水吸气复氧，最终从湿地II第四填料层底部的集水排水管排出系统。本发明在单一系统内集成了两种类型湿地，上部第一和第四填料层为动态淹水层，类似潮汐流湿地，下部第二和第三填料层为持续淹水层，类似复合垂直潜流湿地。
优选的，所述第一填料层和第四填料层均由粒径为0.3～1.0cm的碎石、沸石和石灰石一种或两种以上组成，其厚度为20～40cm；所述第二填料层和第三填料层均由粒径为0.5～1.2cm的钢渣、碎石、石灰石、黄铁矿一种或两种以上组成，其厚度为40～80cm；所述第一碎石层和第二碎石层均由粒径为2～5cm的碎石组成，其厚度为10cm。
优选的，所述湿地I和湿地II表层均种植水生植物(如美人蕉、菖蒲、芦苇、香蒲等)。
优选的，所述排空管带球阀，在需要排空湿地时打开即可。
所述集水排水管由粒径为2～5cm的碎石包围，便于处理后的污水排出系统。
优选的，所述散水装置是穿孔PVC管或喷淋装置，能够将污水均匀散布于湿地I表面。
优选的，所述人工湿地系统的池体为砖混结构，底部做防渗处理。
本发明所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统一天运行6至12周期，每个周期2-4小时，每次进水量为0.05～0.12m3/m2，且每次进水后水位控制在距离第一和第六填料顶层5～15cm。每个周期包括进水10～30min，淹水30～90min，排水10～30min，落干30～90min；系统水力负荷为0.30～1.44m3/(m2·d)。
一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统污水处理方法，利用原污水中的有机碳源对二级好氧单元出水进行深度脱氮除磷处理，同时去除污水带入的氨氮等污染物，具体步骤及原理如下：
将二级好氧单元出水混入一定比例的原污水后，由潜污泵提升间歇性进入湿地I散水装置中；当人工湿地系统进水时，与湿地II集水排水管连接的电动阀关闭，不向外排水，此时，整个湿地的淹水面不断升高；布水完毕后，第一和第四填料层大部分被淹没，停留一段时间让污水与填料及其表面生物膜反应，此时，由于进水所含以及喷洒和在滤料中滴落过程中融入的氧气、植物根系泌氧等，使第一滤料层处于兼性好氧环境，有利于氨氧化和反硝化反应同时进行，第六滤料层处于兼性缺氧环境，有利于反硝化脱氮反应；淹水30～90min之后电动阀开启，人工湿地系统开始向外排水，第一和第六滤料层中的水位不断下降，同时吸入新鲜空气，使其中的残留氨氮和有机物等污染物被好氧分解转化；排水完毕后，湿地淹水面又回到第一填料层与第二填料层界面处，由于污水中的溶解氧已经耗尽，氧气在污水中的扩散速率很低，依次进入人工湿地I之第二填料层和人工湿地II之第三填料层的污水处于缺氧环境，有利于反硝化脱氮。残留的污染物通过第四填料层的好氧-厌氧交替反应进一步去除。
磷的去除机理除了填料吸附外，由于第二和第三填料层含有大量铁和钙等金属元素，它们与污水中的磷酸根化合形成金属磷酸盐沉淀。
此外，部分氮、磷还将通过植物吸收去除。
本发明具有以下优点及有益效果：
(1)利用污水中的碳源进行反硝化脱氮，同时去除污水中的氨氮，在保障处理效果的同时，具有运营费用低，维护简便的优点；
(2)将部分原污水用于反硝化脱氮，降低了二级好养生物处理的污水量，从而可减少二级生化处理系统的规模、投资和运营费用；
(3)通过分设人工湿地I和II，延长了污水的运移路径，更好地避免水力短路，保障处理效果。
附图说明
图1为本发明的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统结构示意图。
包括I和II底部连通的两侧湿地，其中，1-第一填料层，2-第二填料层，3-第一碎石层，4-第二碎石层，5-第三填料层，6-第四填料层，7-散水装置，8-集水布水管，9-集水排水管，10-电动阀，11-带球阀排空管，12-湿地植物。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供了一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，如图1所示，包括底部连通的湿地I和湿地II，其中：
所述湿地I与湿地II的面积比为1:1～4:1；
所述湿地I包括自上而下铺设的散水装置7、第一填料层1、第二填料层2和第一碎石层3；所述湿地II包括自下而上铺设的第二碎石层4、第三填料层5和第四填料层6；
所述人工湿地系统还设有集水布水管8和带球阀排空管11，所述集水布水管8设置在第一碎石层3和第二碎石层4中，将湿地I与湿地II的底部连通；所述集水布水管8与带球阀排空管11连接；
所述湿地II的第四填料层6底部设置有集水排水管9。
所述湿地I与湿地II表层均种植水生植物(如美人蕉、菖蒲、芦苇、香蒲等)；所述集水排水管9设置有电动阀10，由其控制系统定时排水。
所述散水装置7是穿孔PVC管或喷淋装置，能够将污水均匀散布于湿地I表面。
所述第一填料层1和第四填料层6均由粒径为0.3～1.0cm的沸石、碎石和石灰石一种或几种组成，其厚度为20～40cm；所述第二填料层2和第三填料层5均由粒径为0.5～1.2cm的钢渣、碎石、石灰石和黄铁矿一种或几种组成，其厚度为40～80cm；所述第一碎石层3和第二碎石层4由粒径为2～5cm的碎石组成，其厚度为10cm。
实施例1
本实施例的水力负荷为0.40m3/(m2·d)。使用的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统结构如图1所示。本实施例中湿地I和湿地II的面积比为1:1，湿地I为下向流，湿地II为上向流。所述人工湿地系统的池体为砖混结构，底部和池壁做防渗处理。集水布水管8将经过湿地I处理的污水收集起来再均匀的散布于湿地II中。其中集水布水管8连接通向池外的带球阀排空管11，用于放空湿地或排泥等。第四填料层6底部布设集水排水管9，用于将处理后的污水排出系统。集水排水管9在池外部分装有电动阀10，由时间控制器或者PLC控制其开闭。
本实施例中第一填料层1和第四填料层6厚度均为20cm，填料均为沸石和碎石的混合填料(体积比为1:1)，粒径范围为0.4～0.8cm。第二填料层2和第三填料层5厚度均为40cm，填料为钢渣和碎石的混合填料(体积比为1:1)，粒径范围为0.5～1.0cm。第一碎石层3和第二碎石层4厚度均为10cm，其碎石粒径范围为2～5cm。湿地I和湿地II表层均种植美人蕉，种植密度为9株/m2。
本实施例人工湿地系统的运行模式和污染物去除机理为：采用间歇性进水方式，每天进水8次，每次进水0.05m3/m2，水力负荷为0.40m3/(m2·d)。进水时集水排水管9上的电动阀10关闭，此时，第一填料层1和第四填料层6的水位升高。当进水完毕时，第一填料层1和第四填料层6淹水高度约为13cm，保持电动阀关闭状态30min，使新进入湿地的污水与填料及其表面生物膜发生氨氧化和反硝化反应。之后打开电动阀，由集水排水管9向外排水。排水完毕后，水面又回落到第一填料层1和第二填料层2界面处。第一填料层1和第四填料层6处于落干状态，使其中的残留氨氮和有机物等污染物被好氧分解转化，新进入湿地的污水先后进入第二填料层2和第三填料层5继续反硝化脱氮和吸附沉淀除磷。在下一个运行周期进水时，第三填料层5中的部分污水进入第四填料层6，其中的污染物被进一步去除。与此同时，部分氮和磷被美人蕉吸收利用。
试验装置进水为好氧地下渗滤系统出水和原污水的混合水，二者混合比为1:1，具体水质如下：COD浓度为40-50mg/L，氨氮浓度为14.8-18.6mg/L，硝态氮浓度为10.0-14.2mg/L，总氮浓度为26-35mg/L，总磷浓度为1.8-2.6mg/L。系统运行稳定后，经过装置处理后出水中的COD、氨氮、硝态氮、总氮和总磷分别为12-18mg/L、1.0-2.6mg/L、3.8-5.3mg/L、5.0-8.5和0-0.15mg/L。
实施例2
本实施例的水力负荷为1.20m3/(m2·d)。使用的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统结构如图1所示。本实施例的填料层布设次序与实施例1基本相同，主要区别是湿地I和湿地II的面积比为2:1，此外，各填料层组成和厚度也有差异。其中第一填料层1和第四填料层6厚度均为35cm，填料均为沸石和碎石的混合填料(体积比为2:1)粒径范围为0.4～0.8cm。第二填料层2和第三填料层5厚度均为80cm，填料均为钢渣、碎石和黄铁矿混合填料(混合比为4:2:1)，粒径范围为0.5～1.2cm。第一碎石层3和第二碎石层4厚度均为10cm，其碎石粒径范围为2～5cm。湿地I和湿地II表层均种植菖蒲，种植密度为16株/m2。
本实施例人工湿地的运行模式为：采用间歇性喷淋方式进水，每天进水12次，每次进水0.1m3/m2，水力负荷为1.20m3/(m2·d)。当进水完毕时，第一填料层1和第四填料层6淹水高度约为25cm。本实施例的污染物去除机理与实施例1相同，只是将电磁阀关闭时间从实施例1的30min调为60min。
试验装置进水为好氧地下渗滤系统出水和原污水的混合水，二者混合比为1:1，具体水质如下：COD浓度为40-50mg/L，氨氮浓度为14.8-18.6mg/L，硝态氮浓度为10.0-14.2mg/L，总氮浓度为26-35mg/L，总磷浓度为1.8-2.6mg/L。系统运行稳定后，经过装置处理后出水中的COD、氨氮、硝态氮、总氮和总磷分别为10-17mg/L、1.3-3.8mg/L、4.2-8.5mg/L、6.8-13.5和0-0.20mg/L。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，
包括底部连通的湿地I和湿地II，其中：
所述湿地I和湿地II的面积比为1:1～4:1；
所述湿地I包括自上而下铺设的散水装置、第一填料层、第二填料层和第一碎石层；所述湿地II包括自下而上铺设的第二碎石层、第三填料层和第四填料层；
所述人工湿地系统还设有集水布水管和排空管，所述集水布水管设置在第一碎石层和第二碎石层中，将湿地I和湿地II的底部连通；所述集水布水管与排空管连接；
所述湿地II的第四填料层底部设置有集水排水管，所述集水排水管设置有电动阀。
2.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，所述第一碎石层和第二碎石层厚度均为10cm，碎石粒径范围均为2～5cm；所述第二填料层和第三填料层厚度均为40～80cm，填料均为钢渣、碎石、石灰石和黄铁矿一种或两种以上的组合，粒径范围均为0.5～1.2cm；所述第一填料层和第四填料层厚度为20～40cm，填料均为沸石、碎石和石灰石一种或两种以上的组合，粒径范围均为0.3～1.0cm。
3.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，所述排空管带球阀。
4.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，所述散水装置是穿孔PVC管或喷淋装置。
5.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，所述湿地I和湿地II表层均种植水生植物。
6.根据权利要求5所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，所述水生植物为美人蕉、菖蒲、芦苇和香蒲一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统的池体为砖混结构，底部做防渗处理。
8.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统一天运行6至12个周期，每个周期2-4小时；系统水力负荷为0.30～1.44m3/(m2·d)，每次进水量为0.05～0.12m3/m2，且每次进水后水位控制在距离第一填料层和第四填料层顶部5～15cm。
9.根据权利要求1至8任一项所述的强化脱氮除磷高负荷人工湿地系统，其特征在于，该系统运行步骤为：
污水由潜污泵提升间歇性进入湿地I的散水装置中，从而进入系统；每次进水时，排水电动阀处于关闭状态；污水向下渗滤并经过底部集水布水管收集后流入湿地II，之后向上流，最终左右两侧湿地水位相同；进水完毕后30～90min，电动阀打开排水；排水完毕后，电动阀关闭。
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