CN109592791B - 一种复合人工湿地系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合人工湿地系统,属于环境工程技术领域。该复合人工湿地系统包括顺次相连的调节池、水平潜流人工湿地、好氧生物塘、垂直流人工湿地和回流泵;所述垂直流人工湿地通过回流泵与水平潜流人工湿地相连。本发明通过在垂直流人工湿地前端设置好氧生物塘,能够增强大气复氧作用,增强了垂直流人工湿地的充氧能力,有机物降解程度加快加大,进而缓解了湿地易堵塞的问题,延长了人工湿地使用寿命;通过将垂直流人工湿地出水回流至水平潜流人工湿地,能够增强水平潜流人工湿地的反硝化作用,提升脱氮效果。实施例结果表明,本发明的CODCr去除率可达56.4%~85.8%,总氮去除率达到38.2%~68.9%。

Description

一种复合人工湿地系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域,尤其涉及一种复合人工湿地系统及其运行方法。
背景技术
人工湿地技术是一种具有较好净水效果、工艺设备简单、构造简单且运行成本低廉的水处理工艺,近些年在污水处理过程中得到了越发广泛的应用,依据人工湿地的不同类型可主要分为表流人工湿地、垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地。通过借助于湿地系统中的基质、微生物以及水生植物,可对污水中的悬浮物、营养盐、有机污染物等进行有效的去除。
相对于传统的污水处理技术来说,人工湿地具有操作简单,投资成本低且具有较好的污染物去除效果。然而目前看来,单一的人工湿地系统的去氮效果通常较差。
脱氮作用主要依靠微生物的硝化和反硝化作用的联合效应来实现。水平潜流人工湿地通常易于处于缺氧或厌氧条件,适合有机物的氧化和含氮化合物的反硝化作用。相对于水平潜流湿地来说,垂直流人工湿地中氧气的传输过程相对较强,更有利于污水中含氮污染物的硝化作用。尽管垂直流人工湿地相较水平潜流来说氧气传输效果较好,但由于其充氧作用基本只包括植物和大气的复氧作用,湿地的溶解氧含量水平通常较低,进而影响湿地去除污染物的效果,尤其会通过影响微生物的硝化作用降低脱氮效果,此外,湿地的溶解氧含量水平较低,还会造成基质中有机物的降解作用减慢,容易出现基质堵塞,进而缩短湿地的运行寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合人工湿地系统及其运行方法,能够有效提升脱氮效率,改善湿地易堵塞问题、延长湿地的使用寿命。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种复合人工湿地系统,包括顺次相连的调节池、水平潜流人工湿地、好氧生物塘、垂直流人工湿地和回流泵;所述垂直流人工湿地通过回流泵与水平潜流人工湿地相连。
优选的,在所述水平潜流人工湿地和好氧生物塘之间还设置有集水渠,所述集水渠的进水口与水平潜流人工湿地相连,所述集水渠的出水口与好氧生物塘相连。
优选的,所述水平潜流人工湿地的出水端、集水渠最顶端与好氧生物塘的最高液面的相对海拔依次降低。
优选的,所述复合人工湿地系统还包括集水井,所述集水井的入水口与垂直流人工湿地相连通,出水口与回流泵相连。
优选的,所述复合人工湿地系统还包括集水沉淀池,所述好氧生物塘、集水沉淀池和垂直流人工湿地顺次连通。
本发明还提供了上述技术方案所述的复合人工湿地系统的运行方法,包括以下步骤:
污水进入调节池经过沉淀作用,进入水平潜流人工湿地进行反硝化;水平潜流人工湿地出水进入好氧生物塘进行复氧,得到复氧水;复氧水进入垂直流人工湿地进行硝化,垂直流人工湿地出水部分外排,部分通过回流泵回流至水平潜流人工湿地。
优选的,当所述复合人工湿地系统还包括集水井时,所述垂直流人工湿地的出水排入集水井,集水井出水部分外排,部分通过回流泵回流至水平潜流人工湿地。
优选的,所述回流的方式为间歇式回流。
优选的,所述水平潜流人工湿地的运行方式为间歇式运行。
优选的,所述垂直流人工湿地的运行方式为潮汐流运行。
本发明提供了一种复合人工湿地系统,包括顺次相连的调节池、水平潜流人工湿地、好氧生物塘、垂直流人工湿地和回流泵;所述垂直流人工湿地通过回流泵与水平潜流人工湿地相连。本发明在垂直流人工湿地前端设置好氧生物塘,能够增强大气复氧作用,增强了垂直流人工湿地的充氧能力,有机物降解程度加快加大,进而缓解了湿地易堵塞的问题,延长了人工湿地使用寿命;通过设置回流泵,将垂直流人工湿地出水回流至水平潜流人工湿地,能够为水平潜流人工湿地的反硝化作用提供更多的碳源,增强水平潜流人工湿地的反硝化作用,提升脱氮效果。实施例结果表明,本发明提供的复合人工湿地系统能将废水中的CODCr去除率达到56.4%~85.8%,总氮去除率达到38.2%~68.9%。
附图说明
图1为本发明提供的一复合人工湿地系统的示意图;
图2为本发明提供的另一复合人工湿地系统示意图;
其中,1-调节池,2-水平潜流人工湿地,3-好氧生物塘,4-垂直流人工湿地,5-回流泵,6-水平潜流集水区,7-集水渠,8-集水沉淀池,9-集水井。
具体实施方式
按水流方向,如图1所示,本发明提供了一种复合人工湿地系统,包括顺次相连的调节池1、水平潜流人工湿地2、好氧生物塘3、垂直流人工湿地4和回流泵5;所述垂直流人工湿地4通过回流泵5与水平潜流人工湿地2相连。
本发明的复合人工湿地系统包括调节池1。在本发明中,所述调节池的作用在于将污水中的杂质沉淀下来,防止进入水平潜流人工湿地2。本发明对所述调节池的池体材质没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的材质即可。本发明对所述调节池的尺寸没有特殊要求,能够满足污水的处理量要求即可。
本发明的复合人工湿地系统包括水平潜流人工湿地2,所述水平潜流人工湿地2的进水端与调节池1相连,出水端与好氧生物塘3相连。本发明所述水平潜流人工湿地2能够将污水中的硝态氮经反硝化作用从系统中去除。
如图2所示,在本发明中,所述水平潜流人工湿地2优选包括水平潜流集水区6,所述水平潜流集水区6用于汇集水平潜流人工湿地处理后的污水。当本发明的水平潜流人工湿地包括水平潜流集水区时,本发明所述水平潜流人工湿地的出水端指的是水平潜流集水区的最顶部敞口端。
在本发明中,所述水平潜流人工湿地种植的植物优选为水麦冬和芦苇;所述水平潜流人工湿地底部的填料包括石灰石和砾石。本发明优选从水平潜流人工湿地的进水到出水方向依次是交替层叠的石灰石和砾石,即在竖直方向上呈层状分布,每层石灰石和砾石的厚度(即水平方向的宽度)独立地优选为80~100cm;所述石灰石和砾石的粒径独立地优选为10~20mm。在本发明中,所述填料的高度优选为1~1.2m。
在本发明中,所述水平潜流人工湿地池体的材质优选为钢筋混凝土。本发明所述水平潜流人工湿地的周壁以及底部优选还铺设有防渗层,所述防渗层的组成优选为两布一膜。本发明对所述两布一膜的材质没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的材质即可。在本发明中,所述防渗层用于防止水平潜流人工湿地中的水渗入土壤。本发明底部的防渗层优选位于填料层和钢筋混凝土层之间,底部铺设的防渗层的上下优选还铺设有粗砂,所述粗砂的粒径优选为5~10mm,厚度优选为20~30cm。本发明所述粗砂的作用是充当垫层。
本发明对所述水平潜流人工湿地的尺寸没有特殊要求。在本发明的具体实施例中,所述水平潜流人工湿地的长度优选为10m、宽度优选为3m、高度优选为1.2m。在本发明中,所述高度指的是水平潜流人工湿地底部在铺设填料之前池体的高度。
本发明的复合人工湿地系统包括好氧生物塘3,所述好氧生物塘3的入水口与水平潜流人工湿地2相连,出水口与垂直流人工湿地4相连。本发明在垂直流人工湿地前端设置好氧生物塘,能够增强大气的复氧作用。
在本发明中,所述好氧生物塘的深度优选为1~1.2m,所述好氧生物塘的水深优选为0.4~0.8m;所述好氧生物塘内优选种植挺水植物、沉水植物和浮水植物。在本发明中,所述挺水植物优选种植于好氧生物塘的四周,所述挺水植物优选为香蒲、菱白和水麦冬中的一种或两种;所述沉水植物优选为苦草和/或狐尾藻;所述浮水植物优选为凤眼莲、浮萍和荇菜中的一种或两种。当所种植物为多种时,本发明对各植物的种植配比无特殊要求,任意比例均可。本发明通过在好氧生物塘种植多种水生植物可以补充垂直流人工湿地进水溶解氧含量,进一步增强垂直流人工湿地的污染物去除效果,缓解基质堵塞。
本发明对所述好氧生物塘池体的材质没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的材质即可。本发明对所述好氧生物塘的尺寸和形状没有特殊要求,在本发明的具体实施例中,所述好氧生物塘的四周与底部优选存在一定坡度,以便在好氧生物塘的四周种植挺水植物;所述好氧生物塘的面积优选为120m2。本发明所述好氧生物塘的面积指的是好氧生物塘的底面面积。本发明所述好氧生物塘的周壁以及底部优选还铺设有防渗层,所述防渗层的组成优选为两布一膜。本发明对所述两布一膜的材质没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的材质即可。
如图2所示,本发明优选在所述水平潜流人工湿地2和好氧生物塘3之间还设置有集水渠7,所述集水渠7的进水口与水平潜流人工湿地2相连,出水口与好氧生物塘3相连。在本发明中,所述集水渠的高度优选为15~20cm。本发明对集水渠的长度和宽度没有特殊限定。在本发明中,所述水平潜流人工湿地的出水端、集水渠最顶端与好氧生物塘的最高液面的相对海拔优选依次降低。
在本发明中,所述集水渠最顶端指的是沿水流方向,集水渠液面所能达到的最高水位海拔;所述水平潜流人工湿地2的出水端与集水渠7的最顶端的海拔差优选为20~35cm;所述集水渠7最顶端与好氧生物塘3的最高液面的海拔差优选为15~20cm。本发明通过在水平潜流人工湿地出水端、集水渠最顶端和好氧生物塘的最高液面之间设置海拔高度差,水平潜流人工湿地出水以溢流的形式进入集水渠,集水渠出水以跌水的形式进入好氧生物塘,能够增强大气的复氧作用,以进一步增强人工湿地对污染物的去除效果。本发明的复合人工湿地系统包括垂直流人工湿地4,所述垂直流人工湿地4的进水端与好氧生物塘3相连,出水端通过回流泵5与水平潜流人工湿地2相连。本发明所述垂直流人工湿地内主要发生硝化作用。
在本发明中,所述垂直流人工湿地的基质优选包括三层,自上而下分别为生物陶粒层、沸石-秸秆复合层和火山岩层。本发明所述生物陶粒层的厚度优选为20~30cm,生物陶粒的粒径优选为5~10mm。本发明所述沸石-秸秆复合层的厚度优选为10~20cm,所述秸秆的长度优选为20~30cm,沸石的粒径优选为10~20mm,本发明所述沸石用于填充秸秆形成的根孔。在本发明中,所述秸秆优选为芦苇和玉米破碎秸秆,本发明采用芦苇和玉米秸秆来构建根孔湿地,能够改善垂直流人工湿地的基质结构,提升氧气传输效果,进而增强人工湿地的污染物去除效果。在本发明中,所述火山岩层的厚度优选为30~40cm,火山岩的粒径优选为10~20mm。
在本发明中,所述基质的下面(即火山岩层的下面)优选还包括过渡层,所述过渡层的厚度优选为10~20cm,所述过渡层的材质优选为砾石,所述砾石的粒径优选为[10,20]mm。本发明所述过渡层下面优选还填充有10~20cm厚的排水层,所述排水层的材质为砾石,所述砾石的粒径优选为(20,30]mm。
本发明所述垂直流人工湿地的周壁以及底部优选还铺设有防渗层,所述防渗层的组成优选为两布一膜。本发明对所述两布一膜的材质没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的材质即可;当所述垂直流人工湿地的底部铺设防渗层时,所述防渗层的上下优选铺设有粗砂,所述粗砂的粒径优选为5~10mm,厚度优选为20~30cm。本发明所述防渗层优选位于排水层的下部。
本发明优选在垂直流人工湿地种植芦苇、香蒲、慈姑和菱白中的两种,以增强湿地的复氧效果和脱氮能力。
本发明对所述垂直流人工湿地的尺寸没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的垂直流人工湿地尺寸即可。在本发明的具体实施例中,所述垂直流人工湿地的长度优选为8m、宽度优选为3m、高度优选为1.5m。
如图2所示,本发明的复合人工湿地系统优选还包括集水沉淀池8,所述好氧生物塘3、集水沉淀池8和垂直流人工湿地4优选顺次连通。本发明在垂直流人工湿地4前端设置集水沉淀池8,进水在集水沉淀池经过一定的沉淀作用去除进水带入的好氧生物塘的土壤和植物残渣后再经由进水管进入至垂直流人工湿地中,该进水管上设置阀门,控制垂直流人工湿地进水。对于高磷进水,在复合人工湿地系统去磷效果有限时,所述集水沉淀池也可临时通过投加除磷剂作为除磷池以实现含磷污染物的高效去除。
本发明的复合人工湿地系统还包括回流泵5,所述回流泵5设置在垂直流人工湿地4与水平潜流人工湿地2之间。本发明所述回流泵用于将垂直流人工湿地出水回流至水平潜流人工湿地,能够为水平潜流人工湿地的反硝化作用提供更多的碳源,增强水平潜流人工湿地的反硝化作用,提升脱氮效果。
如图2所示,本发明的复合人工湿地系统优选还包括集水井9,所述集水井9的入水口优选与垂直流人工湿地4相连通,出水口优选与回流泵5相连。本发明所述集水井用来存储垂直流人工湿地出水,集水井内存水部分经管道或水渠直接外排,部分经回流泵回流至水平潜流人工湿地。
本发明还提供了上述技术方案所述复合人工湿地系统的运行方法,包括以下步骤:污水进入调节池经过沉淀作用,进入水平潜流人工湿地进行反硝化;水平潜流人工湿地出水进入好氧生物塘进行复氧,得到复氧水;复氧水进入垂直流人工湿地进行硝化,垂直流人工湿地出水部分外排,部分通过回流泵回流至水平潜流人工湿地。
如图1所示,本发明的污水进入调节池1。本发明所述污水优选为生活污水或河道污染水,所述污水的CODCr负荷优选为40~300mg/L,总氮优选为2~50mg/L。在本发明所述的调节池1内,污水中的杂质发生沉淀作用,经初步沉淀后,调节池出水优选经过管道进入水平潜流人工湿地2。
在水平潜流人工湿地2内,水平潜流人工湿地2内的微生物利用污水中的硝态氮进行反硝化,从而将硝态氮从系统中除去。本发明对所述微生物的种类和来源没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的种类和来源即可。
在本发明中,所述水平潜流人工湿地2优选采用间歇式运行模式,本发明进一步优选运行时间/排空时间为20:1~30:1;在具体运行过程中,优选每运行40~60天,落空2天。本发明采用间歇式运行模式,能够降低水平潜流人工湿地的运行负荷,减少水平潜流人工湿地发生堵塞现象,提升湿地的运行寿命。
污水经水平潜流人工湿地2处理后,优选从水平潜流水工湿地的集水区6进入好氧生物塘3,由于好氧生物塘3内种植有多种好氧植物,因此,能够增强大气复氧作用,在好氧生物塘3内得到复氧水。
经水平潜流人工湿地2处理后,本发明优选从水平潜流水工湿地的集水区3先进入集水渠7,当水位达到集水渠的高度时,发生溢流,水流从集水渠7再进入好氧生物塘3。由于水平潜流人工湿地集水区出水端、集水渠的最顶端和好氧生物塘的最高液面之间存在海拔差,水平潜流人工湿地2出水以溢流的形式进入集水渠7,集水渠7出水又以跌水的形式进入好氧生物塘3,能够进一步增加水中溶氧,有利于后续垂直流人工湿地的硝化作用。
得到复氧水后,好氧生物塘3内的复氧水通过管道进入垂直流人工湿地4,在垂直流人工湿地4内发生硝化作用。
当生物塘5与垂直流人工湿地4之间设置有集水沉淀池8时,由生物塘5得到的复氧水优选先通过管道汇集至集水沉淀池8,在沉淀池8内除去好氧生物塘带入的土壤和植物残渣,然后经由管道进入垂直流人工湿地4。
在本发明中,所述垂直流人工湿地4优选采用潮汐流运行模式,进一步优选运行时间/排空时间为4:1~5:1;在具体运行过程中,优选每运行8~10天,排空2天。本发明的垂直流人工湿地采用潮汐流运行模式,能够提高垂直流人工湿地的充氧能力,降低湿地单元运行负荷,可有效提升氮的去除效率,同时减少湿地堵塞现象的发生,延长湿地的运行寿命。
经垂直流人工湿地4处理后,本发明将垂直流人工湿地出水部分外排,部分经回流泵5回流至水平潜流人工湿地2。
当所述复合人工湿地系统还包括集水井8时,本发明优选将垂直流人工湿地4的出水排入集水井8,集水井8出水部分外排,部分通过回流泵5回流至水平潜流人工湿地2。
在本发明中,所述回流的方式优选为间歇式回流,单日回流的时间优选为8h,间歇时间为16h,回流期间,回流水量优选为垂直流人工湿地出水的20%~30%。本发明优选在水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地均处于运行状态下进行回流。本发明将垂直流人工湿地出水回流至水平潜流人工湿地,能够为水平潜流人工湿地的反硝化作用提供更多的碳源,增强水平潜流人工湿地的反硝化作用,提升脱氮效果。
需要说明的是,在本发明中,当所述水平潜流人工湿地2处于排空状态时,好氧生物塘3和垂直流人工湿地4正常运行;当垂直流人工湿地4处于排空状态时,调节池1至好氧生物塘3均正常运行,好氧生物塘3无出水进入垂直流人工湿地。
下面结合实施例对本发明提供的复合人工湿地系统及其运行方法进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用的复合人工湿地系统的结构如图1所示,复合湿地系统中水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地池体的材质均为钢筋混凝土,其中水平潜流人工湿地的池体的长、宽和高分别为10m、3m和1.2m,垂直流人工湿地池体的长、宽和高分别为8m、3m和1.5m,好氧生物塘的面积为120m2,水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地的水力停留时间为2.5天,垂直流人工湿地每运行8天,落空2天,水平潜流人工湿地每运行60天,落空2天。水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地充水运行时,垂直流人工湿地出水间歇回流,单日连续回流8h,间歇时间16h,回流期间回流水量为0.1m3/h~0.15m3/h。原污水当中CODCr负荷为200~300mg/L,总氮为10~20mg/L,CODCr去除率可达到56.4%~72.8%,总氮去除率可达到48.2%~54.3%。
实施例2
采用的复合人工湿地系统的结构如图2所示,复合湿地系统中水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地池体的材质均为钢筋混凝土,其中水平潜流人工湿地的池体的长、宽和高分别为10m、3m和1.2m,垂直流人工湿地池体的长、宽和高分别为8m、3m和1.5m,好氧生物塘的面积为120m2,水平潜流人工湿地的出水端与集水渠的最顶端的海拔差为20cm;集水渠最顶端与好氧生物塘的最高液面的海拔差优选为15cm。水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地的水力停留时间为2.5天,垂直流人工湿地每运行10天,落空2天,水平潜流人工湿地每运行50天,落空2天。水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地充水运行时,垂直流人工湿地出水间歇回流,单日连续回流8h,间歇时间16h,回流期间回流水量为0.1m3/h~0.15m3/h。水平潜流人工湿地处于排空状态时,好氧生物塘和垂直流人工湿地正常运行;当垂直流人工湿地处于排空状态时,调节池至好氧生物塘均正常运行,好氧生物塘无出水进入垂直流人工湿地。原污水当中CODCr负荷为200~300mg/L,总氮为10~20mg/L,CODCr去除率可达到67.2%~85.8%,总氮去除率可达到57.6%~68.9%。
此外,实施例1和实施例2的人工湿地系统在运行两年后,均无基质堵塞情况出现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合人工湿地系统,包括顺次相连的调节池、水平潜流人工湿地、好氧生物塘、垂直流人工湿地和回流泵;所述垂直流人工湿地通过回流泵与水平潜流人工湿地相连;所述垂直流人工湿地的基质包括三层,自上而下分别为生物陶粒层、沸石-秸秆复合层和火山岩层;在所述水平潜流人工湿地和好氧生物塘之间还设置有集水渠,所述集水渠的进水口与水平潜流人工湿地相连,所述集水渠的出水口与好氧生物塘相连;所述水平潜流人工湿地的出水端、集水渠最顶端与好氧生物塘的最高液面的相对海拔依次降低。
2.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统,其特征在于,所述复合人工湿地系统还包括集水井,所述集水井的入水口与垂直流人工湿地相连通,出水口与回流泵相连。
3.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统,其特征在于,所述复合人工湿地系统还包括集水沉淀池,所述好氧生物塘、集水沉淀池和垂直流人工湿地顺次连通。
4.权利要求1~3任一项所述的复合人工湿地系统的运行方法,包括以下步骤:
污水进入调节池经过沉淀作用,进入水平潜流人工湿地进行反硝化;水平潜流人工湿地出水进入好氧生物塘进行复氧,得到复氧水;复氧水进入垂直流人工湿地进行硝化,垂直流人工湿地出水部分外排,部分通过回流泵回流至水平潜流人工湿地。
5.根据权利要求4所述的运行方法,其特征在于,当所述复合人工湿地系统还包括集水井时,所述垂直流人工湿地的出水排入集水井,集水井出水部分外排,部分通过回流泵回流至水平潜流人工湿地。
6.根据权利要求4或5所述的运行方法,其特征在于,所述回流的方式为间歇式回流。
7.根据权利要求4所述的运行方法,其特征在于,所述水平潜流人工湿地的运行方式为间歇式运行。
8.根据权利要求4所述的运行方法,其特征在于,所述垂直流人工湿地的运行方式为潮汐流运行。
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