CN109734190A - 一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，该装置包括反应器池体和与池体连接的曝气装置，反应器池体的顶部设有进水阀，底部设有出水阀，反应器池体内部设置的复合基质层，所述复合基质层由下至上分别为砾石层、沸石层、河砂层和陶粒层；所述陶粒层上部种植植物积雪草。本发明采用间歇式曝气手段，为人工湿地装置提供好氧/厌氧交替条件，增强脱氮效率。

Description

一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置。

背景技术

随着城市化进程的不断加速和人民生活水平日益提高，生活污水的处理问题日益凸显，乱排乱放现象不仅仅造成的是水资源浪费，更容易带来恶劣的环境污染问题。人工湿地是一种高效经济的污水处理技术，具有污染物去除效果好、氮磷去除率高、运行操作简便、处理费用较低且可作为景观等优点，在处理生活污水方面具有巨大的应用前景。

相较于水平流人工湿地，垂直人工湿地因具有占地面积少，氮、磷的处理效率高，运行性能稳定，受温度等环境因素影响小等优点而备受青睐。

人工湿地中氮的去除是一个复杂的过程，通常包括经典的生物降解途径(即硝化、反硝化)、植物吸收、基质储存。

常规人工湿地所选用的植物大多为芦苇、菖蒲、水芹菜、马蹄莲、美人蕉等，这些植物对于污染物有较好的吸收能力，但具有更强去除效果的新型植物有待于探索。

硝化/反硝化作用是人工湿地脱氮的主要途径之一。然而，常规人工湿地的供氧不足一直限制着硝化途径的完成。因此，提高溶解氧浓度对于调节硝化过程，提高生物脱氮效率是至关重要的。人工曝气被认为是获得高效硝化作用的方法，且大多数人工湿地采用连续人工曝气策略，但由于连续曝气会使抑制缺氧区的形成从而限制脱氮过程。与连续曝气相比，间歇式曝气是一种经济高效的提高硝化效率的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，其特征在于，包括反应器池体和与池体连接的曝气装置，池体的顶部设有进水阀，底部设有出水阀，池体内部设置复合基质层，所述复合基质层由下至上分别为砾石层、沸石层、河砂层和陶粒层；陶粒层上种植植物积雪草。

所述砾石层粒径为20-40mm，厚度为150mm；选用该粒径的的砾石层进行垫底，即充分保证了湿地装置的机械强度，又有足够的空隙防止了池底的阻塞，能够保证出水顺利。所述沸石层粒径为8-16mm，厚度为100mm；选用粒径较小则容易发生阻塞，粒径过大则孔隙率过大不能为微生物提供良好的附着环境。选所用的该粒径粒径适中，具有较大的比表面积，保证微生物有足够的附着场所的同时，对于氨氮有较强的吸附作用。所述河沙层粒径为1-2mm，厚度为50mm；该河砂粒径较小，能够有效的对进水中的悬浮物进行截留，若粒径较大会使其渗透到下部，导致湿地发生阻塞现象，所述陶粒层粒径为5-8mm，厚度为60mm。该粒径的陶粒大小适中，粒径过大容易积雪草出现扎根不稳的现象，粒径较小则密度过大，不能较好的发挥陶粒保水保肥作用，同时不利于积雪草的根部呼吸，从而影响其生长繁殖。

所述顶部敞口的圆柱形结构，池体高400mm，直径200mm，池体材料为透明有机玻璃，池体周围包裹黑色塑料布，用于避光，防止装置吸收光照热量影响微生物脱氮除磷性能。

所述曝气装置包括设置在反应池池体底部的曝气石；所述曝气石与内径R＝4mm的硅胶管相连接，硅胶管的另一端与转子流量计相连接，转子流量计通过内径R＝8mm的硅胶管与电磁式空机泵连接。电磁式空气泵提供曝气，转子流量计用于调节曝气量。

本发明采用间歇式曝气手段，为人工湿地装置提供好氧/厌氧交替条件，增强脱氮效率；使用黑塑料布包裹反应器四周，避免光线直射，减小装置因吸收大量光线照射所产生的能量而对微生物的脱氮除磷能力产生的影响，防止反应器内藻类大量生长而影响功能微生物生长繁殖；

本发明采用复合多层基质排列组合，砾石层位最下部，该层粒径最大且硬度较高，可承托装置，提升其机械强度并为微生物提供附着场所；中部采用活化沸石材料，该材料具有较大的比表面积且具有较强的离子交换能力，主要用于氨氮、COD及浊度的去除；中上部采用河砂材料，该层粒径较小且吸水性较弱，可主要用于过滤污水中大颗粒物，一定程度上防止湿地阻塞现象的发生，为下层沸石发挥作用提供便利；最上部采用陶粒材料，陶粒保水保肥能力较强，能较好地为积雪草根系提供养分及水分、有利于维护积雪草根系周围空气湿度，为其良好生长提供有力条件。

当废水自上而下进入湿地装置时，途经陶粒层会对一部分氨氮、磷等营养盐物质进行吸附，为植物的生长提供充足的营养，降低了污染物浓度；随后向下渗透到河砂层过滤，防止悬浮物渗透影响湿地运行；经活化沸石层沸石不但对氨氮有着较强的选择吸附作用，其表面更是有利于硝化细菌的富集，在水中溶解氧适中的条件下，通过微生物的硝化作用使氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮；最终达到砾石层，由于砾石层位于最下部其周围含氧量较小，表面附着的微生物多为厌氧微生物，其通过反硝化作用消耗水中COD，将沸石层反应产生的硝态氮及亚硝态氮转化为氮气，实现了氨氮的去除，此外，在砾石层附着的聚磷菌在厌氧状态下释放一部分磷，该营养盐随曝气流动至沸石层，该层附着的聚磷菌在好氧状态下大量吸收废水中的磷，合成磷酸盐聚集在体内，多余的磷经河砂流动到陶粒层，被植物吸收，用于自身的生长繁殖，待植物成熟后进行收割，实现磷元素的去除。最终废水通过本发明的复合多层基质实现了污染物的去除。

本发明创造性地选用积雪草作为湿地植物，其原因在于，将积雪草与本发明的复合基质组合用于人工湿地后，发现人工湿地出水水质更优，且积雪草生长得更好，而且积雪草全草可入药，具有清热利湿、消肿解毒等疗效。因此，将其应用于人工湿地，存在可观的资源生产潜力。

与现有技术相比，本发明还存在以下有益效果：

首先，采用遮光措施，防止光线直射，减少池体吸收光线照射的热量，对微生物脱氮性能影响较小，同时防止藻类过度生长，为功能性微生物繁殖提供了有利条件；其次，采用复合多层基质排列组合，使功能微生物在该组合间协同作用，达到氮、磷和COD的高效去除；采用转子流量计控制曝气量，可根据装置运行情况调节曝气量，操作简便；采用间歇式曝气策略，既可为池体营造好氧/厌氧的交替环境，增强微生物脱氮除磷性能，又可节约能源；将曝气石埋入池体底部，一方面可以为好氧微生物提供充足的溶解氧，另一方面有效的减少了因曝气而产生的沉淀物悬浮现象。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图中，1、人工湿地装置池体，2、砾石层，3、沸石层，4、河砂层，5、陶粒层，6、出水阀门，7、进水阀门，8、内直径R＝4mm硅胶管，9、内直径R＝8mm硅胶管，10、转子流量计，11、空气泵，12、积雪草，13、曝气石。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

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。

正如背景技术中所介绍，人工湿地中氮的去除是一个复杂的过程，通常包括经典的生物降解途径(即硝化、反硝化)、植物吸收、基质储存。硝化/反硝化是人工湿地脱氮的主要途径之一。然而，常规人工湿地的供氧不足一直限制着硝化的完成，因此，提高溶解氧浓度对于调节硝化过程，提高生物脱氮效率是非常重要的。

因此，本发明创造性的给出了一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，包括反应器池体、在反应器池体内部所排列的复合基质层以及所连接的曝气装置，所述的复合基质层由下至上分别为砾石、沸石、河砂、陶粒。

在本实施例中所述砾石层粒径为20～40mm，厚度为150mm；所述沸石层粒径为8～16mm，厚度为100mm；所述河沙层粒径为1～2mm，厚度为50mm；所述陶粒层粒径为5～8mm，厚度为60mm。

采用上述方案，装置底部采用粒径最大且硬度较高的砾石材料，其空隙较大对整个装置起到了重要的承托作用，有利于提升整个装置的机械强度，大大增强装置的稳定性。

采用上述方案，装置中部采用活化沸石材料，该材料比表面积较大，有益于微生物附着，具有很强的离子交换能力，能够有效去除COD、氨氮和浊度；

采用上述方案，装置中上部采用粒径较小、吸水性能较弱的河砂材料，主要功能用于过滤水中较大的颗粒物。

采用上述方案装置上部采用陶粒材料，美观大方，为植物扎根创造条件，同时陶粒保水保肥能力较强，能较好地为根系提供养分及水分、有利于维护根系周围空气湿度。

在本实施例中，所述人工湿地的池体的材料为有机玻璃，该装置为高400mm的顶部敞口、直径为200mm的圆柱形水槽；该装置四周使用黑色塑料布包裹。

通过采用以上方案，有机玻璃整体结构硬度高、弹性强，绝缘性能好以及稳定性、耐腐蚀性、耐热寒性、安全性能好，其装置透明易于观察水位及检查湿地内部是否堵塞。整个池体外围使用黑色塑料布进行包裹，如装置运行过程中发生阻塞现象可揭开观察水位及阻塞部位。通过采用上述方案，黑色塑料布能够对光线直射起到较好的阻隔作用，减弱池体内微生物因光线直射而带来的不利影响，也可以防止池体吸收光线直射所产生的热量，避免其对脱氮功能微生物带来的负面影响。同时阻隔光线可以防止池体内部藻类大量繁殖，既有效的避免了因藻类疯长造成人工湿地整体装置阻塞问题，又防止其与微生物大量竞争营养物质，致使功能性微生物生长繁殖受阻，影响装置整体污染物去除效率现象的发生。

正如背景技术介绍的，人工曝气是获得有效硝化的好方法。大多数人工湿地采用连续人工曝气策略。但由于缺乏缺氧区而抑制脱氮，从而降低了总氮的去除。与连续曝气相比，间歇式曝气是一种经济高效的提高硝化效率的方法。

因此，本实施例中采取曝气手段，将曝气石埋入人工湿地装置底部，使用内直径R＝4mm的硅胶管将曝气石和转子流量计连接起来，然后使用内直径R＝8mm的硅胶管将空气泵和转子流量计相连。采用上述方案，打开空气泵后可通过调节转子流量计旋钮，改变曝气量，操作简便、数值一目了然。一方面通过增加曝气为人工湿地装置池体内部好氧微生物提供充足的氧气，另一方面可以减轻因曝气引起的沉淀物重新悬浮现象。

本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验管材，可通过商业渠道直接购买得到。

为了更好的展示本发明的技术方案，现结合具体实施例进行详细说明。

参照图1，一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，包括人工湿地池体1、复合基质层以及曝气装置。人工湿地池体1与出水阀6和进水阀7相连接，复合基质层由下至上分别为砾石层2、沸石层3、河砂层4、陶粒层5，植物12种植在最上层陶粒层中。

本实施例中，各基质填料粒径及厚度如下所示：砾石层2粒径为20-40mm，厚度为150mm；所述沸石层3粒径为8-16mm，厚度为100mm；所述河沙层4粒径为1-2mm，厚度为50mm；所述陶粒层5粒径为5-8mm，厚度为60mm。植物12为积雪草，种植于陶粒层中，每个人工湿地装置栽种1株。

本实施例中，人工湿地池体1为厚度5mm的有机玻璃制成，该池体为长400mm，直径为200mm的顶部敞口圆柱体，整个池体容积为约为12.6L；整个池体1外部用厚度为1mm的黑色塑料布包裹，用于遮光。

本实例中采用定时器开关控制曝气时间，空气泵11提供曝气，转子流量计10调节曝气量；使用内直径＝8mm的硅胶管9将空气泵和转子流量计连接，使用内直径＝4mm的硅胶管8将转子流量计与底部曝气石13连接；

本实施例中曝气策略及运行方式为：曝气时间：0-1点、6-7点、12-13点、18-19点；气体流量：0.4L/min，水力停留时间为3天。

效果实验：

为证明积雪草的应用潜力，选用典型湿地植物芦苇种植并在同样条件下运行进行作为对照。表1和表2为该实施例及对照人工湿地装置进行污水处理检测得出的实验数据。

表1本实施例中各污染物进水水质、出水水质及其去除效果

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表2芦苇人工湿地装置中各污染物进水水质、出水水质及其去除效果

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通过两表对比可以发现，本发明中人工湿地出水水质更优：NH₄ ⁺-N去除率可达98.57％；TN去除率为89.63％；TP去除率为94％；对COD去除率为94.67％，达到《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A排放标准。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，其特征在于，包括反应器池体和与池体连接的曝气装置，池体的顶部设有进水阀，底部设有出水阀，池体的内部设置复合基质层，所述复合基质层由下至上分别为砾石层、沸石层、河砂层和陶粒层；所述陶粒层的上部种植植物积雪草。

2.如权利要求1所述的高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，其特征在于，所述砾石层粒径为20-40mm，厚度为150mm；所述沸石层粒径为8-16mm，厚度为100mm；所述河沙层粒径为1-2mm，厚度为50mm；所述陶粒层粒径为5-8mm，厚度为60mm。

3.如权利要求1所述的高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，其特征在于，所述池体为顶部敞口的圆柱形结构，池体高为400mm，直径为200mm，池体材料为透明有机玻璃，池体周围包裹黑色塑料布。

4.如权利要求1所述的高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置，其特征在于，所述曝气装置包括设置在反应池池体底部的曝气石；所述曝气石与内径R＝4mm的硅胶管相连接，硅胶管的另一端与转子流量计相连接，转子流量计通过内径R＝8mm的硅胶管与电磁式空机泵连接。