CN109574233A - 一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统 - Google Patents

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Abstract

一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，属环境保护技术领域。包括水平潜流湿地池体和折流板式湿地池体的填料区、种植在填料区顶层的植物。水平潜流湿地中填料由上至下依次为草炭与细砂混合层、石灰石碎石层、生物陶粒层、石灰石碎石层，在池体中部沿垂向还布置了沸石负载纳米零价铁；折流板是湿地中填料为草炭与细砂混合层、石灰石碎石层与细砂上下交错布置。其中草炭和细砂混合层主要用于植物生长，截留固体污染物；采用石灰石碎石去除污水中磷素；采用生物陶粒去除污水中氮素，并为微生物提供生长繁殖的场所；采用沸石负载纳米零价铁在去除氨氮的同时去除水中有毒难降解有机污染物，在加强脱氮除磷的同时，能够去除水中难降解有机污染物。

Description

一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统
技术领域
本发明涉及一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地污水处理系统，属环境保护技术领域。
背景技术
人工湿地是用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质层，并种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用使污水得到净化。因其具有结构简单、处理效果好、具有景观效益且造价较低，而被广泛使用在水处理工程中。
在人工湿地中起到关键作用之一的为其填料，是保证人工湿地去除效果的必要条件。一方面，一些填料本身可以与水中污染物发生物理或化学反应，吸附污染物或生成沉淀，从而达到直接去除污染物的作用；另一方面，填料可以为微生物提供生长、繁殖的场所，促使微生物与污染物发生生化反应，间接去除水中污染物；最后，填料可以为水生植物提供载体和营养物质，保证植物稳定生长，通过植物根系吸收达到净化水质的目的。在人工湿地中不可忽略的还包括水流方式，是保证人工湿地稳定运行的条件。目前常见的包括水平潜流湿地中水平流动方式，垂直流人工湿地中自下由上或自上而下的水流方式。但易出现死水区、水中溶解氧含量不充足的问题。
传统应用较多的填料主要包括砾石、石灰石、细砂、活性炭、沸石等材料。考虑到经济性，目前人工湿地中填料大多数为砾石、细砂，其对氮磷吸附能力低，去除效果差。近年来研发使用了高效吸附氮磷的填料，包括沸石、陶粒、煤渣等等，虽提高了对氮磷的吸附效果，但对一些有机难降解污染物，如2，4-二氯酚等难降解有机物很难去除。目前应用较多的为复合垂直流人工湿地，但需要曝气装置，配合提高溶解氧浓度，从而提高对氨氮去除效果。
因此，需要对现有人工湿地填料布置进行改进，在保证对污水中氮磷去除效果的同时，要提高对污水中难降解有机物的去除效果，寻找一种去除氨氮的同时能够去除难降解有机污染物且适用于人工湿地的填料，并探索寻找出一种经济高效的人工湿地系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种人工湿地污水处理系统，实现有效去除污水中氮磷的同时，增强其对污水中难降解有机污染物的去除效果。
为了达到上述目的，本发明提出了一种技术方案如下，一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，沿水流方向，依次包括如下板块进行水流连接连通：第一监测井(15)、第一石灰石碎石层板块(11)、第一水平潜流人工湿地板块、沸石负载的纳米零价铁层板块(6)、第二水平潜流人工湿地板块、第二石灰石碎石层板块(12)、第二监测井(16)、第三石灰石碎石层板块(13)、折流板式人工湿地板块、第四石灰石碎石层板块(18)、第三监测井(17)；第一监测井(15)、第二监测井(16)、第三监测井(17)采用管路进行与其他板块进行水流连接，每个监测井的内的管路均设有控制阀门和流量计；第一石灰石碎石层板块(11)、第二石灰石碎石层板块(12)、第三石灰石碎石层板块(13)、第四石灰石碎石层板块(18)中的石灰石碎石的粒径均为32-64mm；上述板块除了监测井，各板块均在防水层(14)的上面；第一石灰石碎石层板块(11)、第一水平潜流人工湿地板块、沸石负载的纳米零价铁层板块(6)、第二水平潜流人工湿地板块、第二石灰石碎石层板块(12)等高；第三石灰石碎石层板块(13)、折流板式人工湿地板块、第四石灰石碎石层板块(18)等高；
其中第一水平潜流人工湿地板块、第二水平潜流人工湿地板块分别自上而下依次为：第一细砂与草炭混合层(2)、第五石灰石碎石层(3)，生物陶粒层(4)、第六石灰石碎石层(5)；其中第五石灰石碎石层(3)中的石灰石碎石粒径4-8mm，生物陶粒层(4)中的生物陶粒粒径为8-16mm，第六石灰石碎石层(5)中的石灰石碎石粒径16-25mm，在细砂与草炭混合层(2)的上面种植有水平潜流人工湿地植物(1)；
折流板式人工湿地板块自防水层(14)向上依次为第七石灰石碎石层(10)、第二细砂与草炭混合层(8)，在防水层(14)上表面且在第七石灰石碎石层(10)中沿水流方向均分分散布置有第一细沙层(9)，在第二细砂与草炭混合层(8)的下表面且在第七石灰石碎石层(10)中沿水流方向均分分散布置有第二细沙层(19)，第一细沙层(9)和第二细沙层(19)的高度均小于第七石灰石碎石层(10)的高度，且第一细沙层(9)和第二细沙层(19)在水流方向交错分布，形成折流；在第二细砂与草炭混合层(8)的上表面种植有折流板式人工湿地植物(7)；第七石灰石碎石层(10)中石灰石碎石的粒径为4-8mm。
进一步地，沸石负载纳米零价铁材料采用液相还原法制备。取一定量沸石加入硫酸亚铁溶液搅拌30min，逐滴加入硼氢化钠溶液，继续搅拌，整个过程持续通入氮气；反应结束后，用无水乙醇洗涤，再用去离子水冲洗，置于干燥箱中干燥，取出备用。
进一步地，草炭和细砂混合层中草炭和细砂混合且体积比为1:1。
进一步地，沸石负载的纳米零价铁，沸石粒径为8mm。
本发明所述的细沙粒径优选为2mm；
进一步地，水管布置包括布置在人工湿地进水区中的穿孔管，布置在水平潜流人工湿地出水区中的穿孔管和集水管。
本发明的有益效果是，对水平潜流人工湿地填料采用自下向上填料粒径依次变小的填充方式可以保证水流畅通、污水与基质能够充分接触，减少湿地堵塞的几率；草炭和细砂混合层主要用于植物生长，截留固体污染物；折流板式人工湿地中既有底部反硝化过程，又有顶部硝化过程，提高除氮效率；石灰石用来去除磷；生物陶粒具有较大的比表面积且表面粗糙多孔，用来吸附氨氮，有利于微生物附着；沸石负载的纳米零价铁在吸附氨氮的同时去除污水中难降解有机物。本发明采用从上至下粒径逐层减小填充方式，上层粒径小于等于下层基质粒径，基质之间不会相互混合，有效防止小粒径填料落入大粒径填料孔隙中造成堵塞。
附图说明
上述说明只是本发明技术方案的概述，为了能够更清晰了解本发明的技术手段，并可按照说明书的内容予以实施，以下以本发明较好的实例并配合附图详细说明如后。
附图1为本发明人工湿地污水处理系统的结构示意图。
图中标号为：
1、水平潜流人工湿地植物；2、第一细砂与草炭混合层；3、第五石灰石碎石层；4、生物陶粒层；5、第六石灰石碎石层；6、沸石负载纳米零价铁层板块；7、折流板式人工湿地植物；8、第二细砂与草炭混合层；9、第一细砂层；10、第七石灰石碎石层；11、第一石灰石碎石层板块；12、第二石灰石碎石层板块；13第三石灰石碎石层板块；14、防水层；15、第一监测井；16第二监测井；17、第三监测井；18第四石灰石碎石层板块；19第二细沙层。
具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参照附图1，本实例中的人工湿地污水处理系统，包括进水区、反应区、出水区。具体的，人工湿地由外围池壁构成一个长方形的处理区，两端分别由大粒径石灰石碎石构成进水区和出水区，进水区和出水区中间为填料区，填料区分别为水平潜流池体和折流板式池体。
水平潜流池体由上至下依次设置草炭和细砂混合层、碎石层、生物陶粒层、碎石层，填料中部布置垂直水平面的沸石负载纳米零价铁层。折流板式池体上下交替布置细砂层和石灰石碎石。
水平潜流池体中，草炭和细砂混合层中，细砂粒径为2mm，按体积比1：1混合。
碎石层采用4～8mm粒径石灰石碎石。石灰石碎石遇水后产生的钙离子可以和水中的磷反应生成难溶的羟基磷酸钙沉淀，通过化学反应达到去除磷的目的。
生物陶粒层选用8～16mm生物陶粒，表面多孔，且二氧化硅与氧化铝比值越高，越有利于对氨氮的去除，本次选择的陶粒硅铝比为4；同时生物陶粒遇水产生铝离子可以污水中磷反应生成磷酸铝沉淀，达到同步脱氮除磷的效果；
沸石负载的纳米零价铁层，选用8mm粒径沸石。沸石负载纳米零价铁通过液相还原法制作，取一定量沸石加入硫酸亚铁溶液中搅拌30min，逐滴加入硼氢化钠溶液，继续搅拌，整个过程持续通入氮气。反应结束后，用无水乙醇洗涤，再用去离子水冲洗，置于干燥箱中干燥，取出备用。纳米零价铁具有较强的还原性，可以用来去除难降解有机物，而采用沸石负载可以有效缓解纳米零价铁易团聚、易氧化的问题，且达到在吸附氨氮的同时去除污水中难降解有机污染物的目的。
湿地植物，包括芦苇、菖蒲等。
湿地中水管的布置，在进水区上端布置进水管和穿孔布水管，集水区布置穿孔管和集水管，将水平潜流湿地中的出水引入折流板式湿地进水区穿孔布水管中，水流自动上下交错流至集水区，最终由集水管将尾水收集并排出，水管材质均为PVC。
工作原理：
水流先进入水平潜流人工湿地池体，沿水平方向经过草炭和细砂混合层、石灰石碎石层、生物陶粒层、碎石层，并穿过沸石负载纳米零价铁层，通过植物根系拦截、吸收部分污染物，碎石层通过产生化学沉淀去除水中磷素，生物陶粒通过吸附、化学沉淀以及生长在生物陶粒表面的微生物去除水中氮磷污染物，沸石负载的纳米零价铁通过利用纳米零价铁强还原性将2，4-二氯酚中氯脱下，生成苯酚，而后出水流由出水管与折流板式人工湿地进水管相连接，污水在折流板式人工湿地池体中，上下交错并向出水口方向流动，经过细砂折流板和石灰石碎石区，通过植物根系拦截、吸收部分污染物，碎石层通过产生化学沉淀去除水中磷素，水中溶解氧含量交替变化，创造交替的好氧-厌氧环境，提高对污染物去除效率。
本组合流人工湿地污水处理系统，以石灰石碎石除磷，沸石除磷，生物陶粒脱氮除磷，沸石负载的纳米零价铁在除氮的同时去除水中难降解有毒有机物，通过消除有毒有机物对湿地微生物和植物的抑制，有利于基质生物膜的形成。结合填料、微生物、湿地植物共同作用达到对污染物的去除效果。结合美国EPA湿地设计手册，当处理规模为250m3/d，水力停留时间为2.6天时，理论上可保证氨氮由进水28.56mg/L降到10.05mg/L；COD由进水52mg/L降到出水18mg/L；总磷由进水1.53mg/L降为0.53mg/L。

Claims (9)

1.一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，沿水流方向，依次包括如下板块进行水流连接连通：第一监测井(15)、第一石灰石碎石层板块(11)、第一水平潜流人工湿地板块、沸石负载的纳米零价铁层板块(6)、第二水平潜流人工湿地板块、第二石灰石碎石层板块(12)、第二监测井(16)、第三石灰石碎石层板块(13)、折流板式人工湿地板块、第四石灰石碎石层板块(18)、第三监测井(17)；第一监测井(15)、第二监测井(16)、第三监测井(17)采用管路进行与其他板块进行水流连接，每个监测井的内的管路均设有控制阀门和流量计；上述板块除了监测井，各板块均在防水层(14)的上面；第一石灰石碎石层板块(11)、第一水平潜流人工湿地板块、沸石负载的纳米零价铁层板块(6)、第二水平潜流人工湿地板块、第二石灰石碎石层板块(12)等高；第三石灰石碎石层板块(13)、折流板式人工湿地板块、第四石灰石碎石层板块(18)等高；
其中第一水平潜流人工湿地板块、第二水平潜流人工湿地板块分别自上而下依次为：第一细砂与草炭混合层(2)、第五石灰石碎石层(3)，生物陶粒层(4)、第六石灰石碎石层(5)；在细砂与草炭混合层(2)的上面种植有水平潜流人工湿地植物(1)；
折流板式人工湿地板块自防水层(14)向上依次为第七石灰石碎石层(10)、第二细砂与草炭混合层(8)，在防水层(14)上表面且在第七石灰石碎石层(10)中沿水流方向均分分散布置有第一细沙层(9)，在第二细砂与草炭混合层(8)的下表面且在第七石灰石碎石层(10)中沿水流方向均分分散布置有第二细沙层(19)，第一细沙层(9)和第二细沙层(19)的高度均小于第七石灰石碎石层(10)的高度，且第一细沙层(9)和第二细沙层(19)在水流方向交错分布，形成折流；在第二细砂与草炭混合层(8)的上表面种植有折流板式人工湿地植物(7)。
2.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，第一石灰石碎石层板块(11)、第二石灰石碎石层板块(12)、第三石灰石碎石层板块(13)、第四石灰石碎石层板块(18)中的石灰石碎石的粒径均为32-64mm。
3.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，其中第五石灰石碎石层(3)中的石灰石碎石粒径4-8mm，生物陶粒层(4)中的生物陶粒粒径为8-16mm，第六石灰石碎石层(5)中的石灰石碎石粒径16-25mm。
4.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，第七石灰石碎石层(10)中石灰石碎石的粒径为4-8mm。
5.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，沸石负载纳米零价铁材料采用液相还原法制备。取一定量沸石加入硫酸亚铁溶液搅拌30min，逐滴加入硼氢化钠溶液，继续搅拌，整个过程持续通入氮气；反应结束后，用无水乙醇洗涤，再用去离子水冲洗，置于干燥箱中干燥，取出备用。
6.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，草炭和细砂混合层中草炭和细砂混合且体积比为1:1。
7.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，沸石负载的纳米零价铁，沸石粒径为8mm。
8.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，细沙粒径优选为2mm。
9.按照权利要求1所述的一种添加沸石负载纳米零价铁的人工湿地系统，其特征在于，管布置包括布置在人工湿地进水区中的穿孔管，布置在水平潜流人工湿地出水区中的穿孔管和集水管。
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