CN109835987A - 一种表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面流‑垂直潜流人工湿地处理工艺，属于环保技术领域。所述人工湿地的构建包括以下步骤：1)选取人工湿地植物种的幼苗，先置于水中培养，再转移至不同浓度的NO3 ‑/NH4 +营养液中培养，筛选出偏NH4 +植物和偏NO3 ‑植物；2)利用步骤1)筛选偏NH4 +植物种植于表面流人工湿地，偏NO3 ‑的植物种植于垂直潜流人工湿地；3)将步骤2)构建的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联，将所述表面流人工湿地设置在系统进水端，垂直潜流人工湿地设置在系统出水端。本发明的方法根据人工湿地自身的溶氧特点和结构对植株进行定向筛选，对污水综合处理效率及氨氮去除效率均较为显著。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，更具体地说，涉及一种表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺。
背景技术
近十几年来发展起来的人工湿地污水处理系统是一种模拟自然湿地生态系统中的物理、化学和生物作用而人工建造的用来专门进行污水处理的生态工程技术，具有重要的生态服务功能。人工湿地能够利用基质-微生物-植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物的生长并使其增产，
目前在全球范围内已被利用且产生效果的人工湿地已有上百种。目前应用比较广泛的处理系统主要包括表面流人工湿地、垂直潜流人工湿地、水平潜流人工湿地以及复合人工湿地等。在人工湿地植物种类应用方面，早期的表面流人工湿地主要以采用水生植物类型为主，因为这种类型的人工湿地与自然湿地类似，废水从湿地表面流过且有积累，适于水生植物的生长。上世纪90年代开始，潜流人工湿地、复合垂直潜流人工湿地相继研发出现。这种类型人工湿地地表没有积水，杜绝了表面流人工湿地污水蚊虫滋生等负面效应，适合更多植物种类的生长，而且大部分面积接近中生环境，有助于中生植物的生长，从而提高了人工湿地植物多样性。
垂直潜流人工湿地通常采用较细的基质如砂等作为渗滤介质，污水在自表层向下的垂直渗滤过程进行处理，所采用的植物多为芦苇、风车草、美人蕉和香根草等，水平潜流人工湿地采用较粗的基质如砾石作为处理介质，污水在人工湿地的地表下呈水平流动，并在基质中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、香蒲、水葱、莺尾和菖蒲等，利用水生植物的泌氧能力为人工湿地基质上的生物膜分解污水中的有机物质提供氧气，表面流人工湿地床体采用普通土壤为处理介质，污水在人工湿地的地表呈水平流动，并在基质层中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、香蒲、灯心草和茭白等。
复合人工湿地包括几级串联的同种类型或不同类型的人工湿地，经检索，现有技术公开了相关的申请案，如中国专利申请号CN201710784913.0，公开日期为2017年11月24日的申请案公开了一种高效处理氨氮废水的复合人工湿地系统，所述复合人工湿地系统包括按水流方向依次设置的絮凝沉淀池、好氧表流人工湿地机构、树脂除氧设备、厌氧上行潜流人工湿地机构，所述好氧表流人工湿地机构包括铺设在底部的砾石层、设置在底部的曝气设备、铺设在所述砾石层上的生物炭-树脂层、种植在所述砾石层与生物炭-树脂层内的湿地植物，所述厌氧上行潜流人工湿地机构包括自下而上依次设置的布水层、反硝化层、种植层，所述种植层内种植有水生植物。该申请案的复合人工湿地系统在表流人工湿地机构底部增设通气管和曝气头以提高其溶氧的效果，促进硝化细菌在该湿地系统中进行硝化反应，然而表流人工湿地水流在地表呈水平流动，仅仅通过增加通气和曝气装置难以完全改善表流人工湿地的溶氧效果，且增加曝气等装置将会增加额外的处理成本。因此从人工湿地原有的结构特点出发来提高污水处理效果成为一个值得考虑的方向。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中的复合人工湿地串联系统通过增加通气和曝气装置改善人工湿地溶氧效果，运行成本较高，本发明将表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联，根据两种人工湿地的溶氧水平及结构特性通过选择不同氮偏好的植物分别促进其反硝化和硝化作用，运行成本较低，废水的氨氮去除效果显著，且本发明进一步的将表流人工湿地作为预处理沉淀池，整体处理效率高。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，所述人工湿地的构建包括以下步骤：
1)选取常见人工湿地植物物种的幼苗，先置于水中培养，再转移至不同浓度比例的NO3 -/NH4 +营养液中培养，筛选出偏NH4 +植物和偏NO3 -植物；
所述偏NH4 +的植物判断标准为：经过不同浓度的NO3 -/NH4 +营养液中培养后，植物在NH4 +浓度比例相对较高的条件下其体内氮浓度的积累量偏高。
所述偏NO3 -植物判断标准为：经过不同浓度的NO3 -/NH4 +营养液中培养后，植物在NO3 -浓度比例相对较高的条件下其体内氮浓度的积累量偏高。
2)利用步骤1)筛选偏NH4 +植物种植于表面流人工湿地，偏NO3 -的植物种植于垂直潜流人工湿地；
所述表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地的植物可种植一种或多种混种，间距以每平方米不超过10株为宜。
3)将步骤2)构建的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联，将所述表面流人工湿地设置在系统进水端，垂直潜流人工湿地设置在系统出水端。
所述表面流-垂直潜流人工湿地系统还包括一个配水箱，配水箱具有进水口和出水口，该配水箱位于系统的进水端，其出水口与表面流人工湿地的进水管连通。
所述偏NH4 +植物和偏NO3 -植物可以利用不同浓度的NO3 -/NH4 +(氮形态)营养液进行筛选，所述偏NH4 +的植物包括菖蒲、灯芯草、白茅、鸢尾；所述偏NO3 -的植物包括芦苇、芦竹、再力花、黄菖蒲、美人蕉、香蒲、菩提子、吉祥草、黑麦草。
作为本发明更进一步的改进，所述表面流人工湿地的填料床自下而上依次为石灰石基质层、陶粒基质层，且所述石灰石基质层中固体颗粒的粒径大于陶粒基质层中固体颗粒的粒径。，利用该基质组合能有效降低污水中的COD、BOD5、悬浮物、TN、氨氮和TP，调节水体pH，进行较好的预处理作用。
作为本发明更进一步的改进，所述垂直潜流人工湿地的填料床自下而上依次为陶粒层、沸石层和石灰石层。
所述营养液中根据NO3 -/NH4 +浓度比例设计总氮浓度恒定的多个氮形态溶液，设计的氮形态溶液种类越多越好，根据实际需要，所述氮形态溶液应不少于5种。
作为本发明更进一步的改进，所述营养液中NO3 -/NH4 +的浓度比分别为：1/0、3/1、1/1、1/3、0/1。
作为本发明更进一步的改进，营养液的pH值控制在6.0±0.2。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤1)所述幼苗的培养条件为：控制相对湿度为70～80％，光照强度为ca.280μmol photon m-2s-1。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤1)中根据植株株高、生物量、植物组织的氮浓度进行筛选。
所述步骤1)中植物的筛选方法为：每10天测量一次植株株高及生物量，采用凯氏定氮法测定植物组织的氮浓度。
氮浓度具体测定方法为：分别将植株的地上和地下的干物质磨碎烘干得到植物粉末，然后用硫酸和双氧水的混合液把植物粉末硝煮，制备成溶液，分别采用紫外分光光度法直接测定硝态氮的浓度，采用奈氏比色法测定铵态氮的浓度，并将硝态氮浓度和铵态氮浓度之和作为总的氮浓度。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，将表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联，利用表面流人工湿地的水流在地表流动，更适合厌氧反应的特点，在构建时选择偏NH4 +的植物，利用表面流人工湿地的厌氧环境促进偏NH4 +的植物反硝化作用进行，提高NH4 +的去除效率，同时利用垂直潜流人工湿地的水流由上至下纵向流入床底，因此具有保温性较好、氧气传输效率高的特点，在构建时选择偏NO3 -的植物，促进其硝化反应的进行，提高NO3 -的去除效率，本发明的方法针对性的去除废水中的NH4 +和NO3 -，整体上提高废水中氨氮的去除效率。
(2)本发明的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，将表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联，且构建时选择偏NH4 +的植物以有利的促进NH4 +的去除，另一方面根据废水在表面流人工湿地填料表面以下以一定深度推动式前进，流动较为缓慢的特点，将其作为废水处理的预处理沉淀池，利用填料表面生长的生物膜、丰富的根系及表层填料截留作用对进水有机物进行吸收、沉淀处理，以对废水中的污染物进行初步净化，去除废水中悬浮物、将高浓度的COD值降低，以降低垂直潜流人工湿地处理的负荷，利用垂直潜流人工湿地硝化能力强的特点，提高氨氮的去除率，表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地协同处理，最终提高废水整体的处理效率。
(3)本发明的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，所述的表面流人工湿地上至下依次设有第一基质层、第二基质层，第一基质层上方设有带植被的土壤层，第一基质层为陶粒层，第二基质层为石灰石层，且石灰石层中石灰石的粒径大于陶粒层粒径，利用该基质组合能有效降低污水中的COD、BOD5、悬浮物、TN、氨氮和TP，调节水体pH，进行较好的预处理作用。
(4)本发明的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，将沸石基质层作为填料床的一部分，具有以下优点：根据所述垂直潜流人工湿地水流垂直向下，充氧相对较好的特点，可以有效利用生物作用和自然充氧作用促进沸石吸附能力的再生，从而提高沸石对氨氮的去除率，进一步提高氨氮废水中氨氮的处理效果。
(5)本发明的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，在构建人工湿地时通过设计总氮浓度恒定的多个氮形态对植物进行筛选，定向培养适合硝化和反硝化作用的植物物种，并将对应物种种植于适合硝化作用和反硝化作用的人工湿地类型，一方面提高污水的去除效率，另一方面有利于植物生物量的增加，且人工湿地运行期间不需要增加任何曝气等设施，运行成本低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例
本实施例的复合人工湿地建于宁波市镇海区后聪园生活小区绿化带上，用于处理该小区311户的生活污水，湿地占地面积为1 600m2，该人工湿地由表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联而成，所述的表面流人工湿地设置于系统的进水端，垂直潜流人工湿地设置于系统的出水端，该系统还包括一个配水箱，配水箱具有进水口和出水口，该配水箱位于系统的进水端，其出水口与表面流人工湿地的进水管连通。
所述的表面流人工湿地处理池和垂直潜流人工湿地处理池均为长方体，所述表面流人工湿地处理池和垂直潜流人工湿地处理池的长宽比分别为2：1。
所述表面流人工湿地的填料床自下而上依次为石灰石基质层、陶粒基质层，且所述石灰石基质层中固体颗粒的粒径大于陶粒基质层中固体颗粒的粒径。所述垂直潜流人工湿地的填料床自下而上依次为陶粒层、沸石层和石灰石层。
所述的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地的植株构建之前首先进行定向植物筛选，具体步骤如下：
1)选取芦苇、白茅、香蒲、菖蒲、芦竹、灯芯草常见人工湿地植物种，采用Hoagland营养液水培培养植物，设计5个NO3 -/NH4 +的浓度比(氮形态)，所述的NO3 -/NH4 +的浓度比分别为：1/0、3/1、1/1、1/3、0/1，所述营养液的总氮浓度恒定，为8mmol/L，营养液的pH值保持6.0±0.2；
2)将植物幼苗用自来水冲洗干净(保证根部不受损)，选取有活力的、个体差异较小的植物幼苗，先置于水中培养7天，7天后再选择生长均一的植株幼苗，转移到2L容积的塑料桶中用步骤1)中五种不同NO3 -/NH4 +浓度比例的营养液培养；
3)实验控制植物生长光周期为14小时，日/夜温度为25/15℃，相对湿度为70～80％，光照强度为ca.280μmol photon m-2s-1。
每两天补充蒸馏水以维持每盆的初始营养液体积2L，实验每10天更换一次营养液。考虑到不同植物的植株情况及最适生长季节，本实验中各植物的培养时间约为40天。
4)每个物种实验开始后，每10天测量一次植株株高及生物量，采用凯氏定氮法测定植物组织的氮浓度，氮浓度具体测定方法为：分别将植株的地上和地下的干物质磨碎烘干得到植物粉末，然后用硫酸和双氧水的混合液把植物粉末硝煮，制备成溶液，分别采用紫外分光光度法直接测定硝态氮浓度，采用奈氏比色法测定铵态氮浓度，并将硝态氮浓度和铵态氮浓度之和作为总的氮浓度，40天后各植株类型的平均生长指标及氮浓度如表1所示，40天后各植株在不同NO3 -/NH4 +比例条件下的生长指标及氮浓度统计结果如表2～7所示。
表1 40天后各植株类型的平均生长指标及氮浓度
表2芦苇在不同的NO3 -/NH4 +比例条件下的生长指标及氮浓度
表3白茅在不同的NO3 -/NH4 +比例条件下的生长指标及氮浓度
表4香蒲在不同的NO3 -/NH4 +比例条件下的生长指标及氮浓度
表5菖蒲在不同的NO3 -/NH4 +比例条件下的生长指标及氮浓度
表6芦竹在不同的NO3 -/NH4 +比例条件下的生长指标及氮浓度
表7灯芯草在不同的NO3 -/NH4 +比例条件下的生长指标及氮浓度
根据表2～7所示，芦苇、芦竹和香蒲在NO3 -比例较高的条件下，不仅能达到最大的地上地下生物量，其组织氮积累量也最大，有利于通过合适的收获把氮移除出人工湿地系统，根据垂直潜流人工湿地供氧状态良好的特点，易发生硝化作用产生NO3 -，芦苇、芦竹和香蒲比较适合在垂直潜流人工湿地中种植应用。
灯芯草、菖蒲和白茅地上生物量在纯NO3 -条件下最低，且5个氮形态下灯芯草、菖蒲和白茅的根生物量相似，没有发现灯芯草、菖蒲和白茅根部在纯NH4 +条件下受抑制，因此表明灯芯草、菖蒲和白茅在混合NO3 -/NH4 +比例下生长最佳，且可以忍耐一定的NH4 +，可以用于反硝化作用强的表面流人工湿地，在该表面流人工湿地中我们选择种植偏NH4 +的植物以利于促进反硝化作用；
因此，本实施例将菖蒲、灯芯草、白茅组合种植于所述表面流人工湿地，将芦苇、芦竹、香蒲组合种植于所述垂直潜流人工湿地，表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地中植物的间距以每平方米8株进行种植。
本实施例的表面流-垂直潜流人工湿地系统在污水处理过程中采用全天连续式注水，设计处理水量为160m3/d，实际平均流入湿地的水量为123.5m3/d，使用该人工湿地系统对宁波市镇海区后聪园生活小区生活污水进行处理，经过本实施例的人工湿地系统后生活污水水质变化主要参数见表8。
表8经过本实施例的人工湿地系统后生活污水水质变化
根据表8可知，经过表面流人工湿地处理后，污水的COD和BOD5的去除率分别达到64.4％和64.5％，因此可知废水中的60％以上的有机物已被清除，因此经过表面流人工湿地处理后，显著降低了垂直潜流人工湿地有机物的处理负荷，进一步提高氨氮去除效果；经过垂直潜流人工湿地处理后，污水中总氮、氨氮和总磷的含量达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中规定的一级A标准。
对比例
本对比例的复合人工湿地系统基本同实施例的表面流-垂直潜流人工湿地系统，不同之处在于：将现有技术中常用的美人蕉、菖蒲、宽叶香蒲组合种植在表面流人工湿地，同时将常用的风车草、香根草、芦苇组合种植在垂直流人工湿地。
经过本对比例的人工湿地系统后生活污水水质变化如表9所示。
表9经过本对比例的人工湿地系统后生活污水水质变化
根据表8和表9的对比结果可知，两种复合人工湿地对污水中的有机物(COD、BOD5)的去除率相差不大，而采用不同的氮形态进行定向筛选的植株构建而成的复合人工湿地对NH3 -N、TN、TP的去除率分别为78.4％、57.6％、60.6％，而选用现有技术中常用植物进行构建的复合人工湿地对NH3 -N、TN、TP的去除率分别为44.1％、54.8％、53.3％。
本发明的方法将表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联，利用表面流人工湿地的水流在地表流动，因此更适合厌氧反应的特点，在构建时选择偏NH4 +的植物，利用表面流人工湿地的厌氧环境促进偏NH4 +的植物反硝化作用进行，提高NH4 +的去除效率，同时利用垂直潜流人工湿地的水流由上至下纵向流入床底，因此具有保温性较好、氧气传输效率高的特点，在构建时选择偏NO3 -的植物，促进其硝化反应的进行，提高NO3 -的去除效率，本发明的方法针对性的去除废水中的NH4 +和NO3 -，整体上提高废水中氨氮的去除效率。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述人工湿地的构建包括以下步骤：
1)选取人工湿地植物物种的幼苗，先置于水中培养，再转移至不同浓度比例的NO3 -/NH4 +营养液中培养，筛选出偏NH4 +植物和偏NO3 -植物；
2)利用步骤1)筛选偏NH4 +植物构建表面流人工湿地，偏NO3 -植物构建垂直潜流人工湿地；
3)将步骤2)构建的表面流人工湿地和垂直潜流人工湿地串联，将所述表面流人工湿地设置在系统进水端，垂直潜流人工湿地设置在系统出水端。
2.根据权利要求1所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述偏NH4 +植物包括菖蒲、灯芯草、白茅、鸢尾；所述偏NO3 -植物包括芦苇、芦竹、再力花、黄菖蒲、美人蕉、香蒲、菩提子、吉祥草、黑麦草。
3.根据权利要求1或2所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述表面流人工湿地的填料床自下而上依次为石灰石基质层、陶粒基质层，且所述石灰石基质层中固体颗粒的粒径大于所述陶粒基质层中固体颗粒的粒径。
4.根据权利要求3所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述垂直潜流人工湿地的填料床自下而上依次为陶粒层、沸石层和石灰石层。
5.根据权利要求4所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述营养液中NO3 -/NH4 +的浓度比分别为：1/0、3/1、1/1、1/3、0/1，所述营养液中的总氮浓度恒定。
6.根据权利要求1或2所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述营养液的pH值控制5.8～6.2。
7.根据权利要求6所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述步骤1)所述幼苗的培养条件为：控制相对湿度为70～80％，光照强度为280μmol m-2s-1。
8.根据权利要求7所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺其特征在于：所述步骤1)中根据植株株高、生物量、植物组织的氮浓度进行筛选。
9.根据权利要求5所述的表面流-垂直潜流人工湿地处理工艺，其特征在于：所述营养液的总氮浓度为8mmol/L。
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