CN109970205B - 一种高效脱氮的透气防渗潜流人工湿地及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效脱氮的透气防渗潜流人工湿地及其运行方法，该潜流人工湿地自下至上依次铺设透气防渗砂层、过滤层和石笼模块。开始运行时在石龙模块内的填料层上种植水生植物，在植物生长初期阶段投加反硝化菌剂、硝化菌剂和芽孢杆菌的联合菌剂保障湿地正常运行，在植物生长成熟阶段在湿地中投加木质纤维素分解菌。本发明具有高效脱氮、防渗漏、易实施的特点，能有效防止潜流湿地植物烂根，促进根系的生长，提高潜流水生植物的存活率；将石笼模块应用到潜流湿地填料的铺设工艺中，能采用机械装填提高效率；收割植物的加入能有效提升脱氮效果，为反硝化进程提供可利用的碳源；木质纤维素分解菌的加入能有效控制植物的分解效率，实现碳源的释放可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于污水深度处理的潜流人工湿地，尤其是一种高效脱氮的透气潜流人工湿地及其运行方法，属于潜流人工湿地技术领域。
背景技术
人工湿地处理技术具有高效、低投资、低维护费用的特点。人工湿地不但可以促进废水中植物营养素的循环，使废水中有机物得以再利用，而且又能绿化环境，使区域内的生态环境不断得到改善。人工湿地作为一种污水深度处理技术，能够将污水处理厂的尾水从污水一级A的排放标准提升为稳定排放的地表水环境质量标准四类水水平，满足一般工业用水、农业用水和景观用水的要求，并且人工湿地在景观改造上能给人带来美的享受，能够显著提升生活质量和满足群众的景观需求。
人工湿地的对污染物的去除机理主要体现在将基质填料、微生物和植物结合为一体，并采取物理、化学、生物的综合方法处理污水中的污染物。在潜流湿地中，污水在填料层表面下渗流，微生物得以在基质层中挂膜生长截留吸附污染物，并为植物根系提供小分子营养物质，如，单糖、硝酸盐等物质促进植物生长，实现污水的资源化和无害化处理。
潜流湿地对污水处理的能力主要体现在对低浓度污水脱氮除磷的效果。潜流湿地对总磷的去除主要体现在填料对污水中总磷的吸附和沉淀，总量有限，而且植物对磷元素的利用率并不高。然而潜流湿地对于氮元素有着显著的去除效果，主要依赖微生物对氮元素的氨化、硝化和反硝化作用。在潜流湿地中，由于湿地水生植物的根系具有独特的汲氧能力，在潜流湿地上部分以及水生植物根部附近，溶解氧的含量较高，并且处于好氧状态。在水中硝化细菌的参与下，将氨氮转化为硝酸盐；当在潜流湿地填料床的下部较深的地方溶解氧的含量较低，处于缺氧的状态，在反硝化细菌的参与下将硝态氮转化为氮气。
目前潜流湿地的建设过程中主要有以下问题亟待解决：
1.在潜流人工湿地的建设中，填料的使用往往会达到上千万立方米，填料的装填铺设工作成为一个难题。目前已经有将宾格石笼网应用于潜流湿地的案例，但是石笼网格与填料的大小匹配问题、石笼网装卸变形问题都影响到工程的成本与施工难度。因此潜流湿地的填料铺设问题依然需要创新改进。
2.潜流湿地反硝化效果有待提升。在潜流湿地填料床深处的厌氧区是反硝化反应的主要位置。低浓度污水由于有机物的含量比较低，在反硝化反应中缺少充足的碳源，导致人工湿地脱氮效果不好。人为加入碳源也必须满足稳定、易降解、长久有效的要求。
3.目前潜流湿地的潜流池采取三七灰土浇筑，工艺简便成本低廉，但是不透气，容易造成植物根系缺氧并且烂根，导致植物存活下降。如何能选取一种新型材料解决潜流池的透气性能同时又能防水成为潜流池当前工程的技术难点。
4.潜流湿地植物收割再利用问题。当前潜流湿地每年秋冬季节都需要对植物进行收割，而收割后的植物通常被运输再加工作为饲料或者直接当做垃圾处理。如何能将这一部分收割植物有效利用起来，成为潜流湿地一个可以减少成本的重点。
发明内容
本发明针对现有潜流人工湿地存在的不足，提出一种高效脱氮的透气防渗潜流人工湿地及其运行方法，能够有效提高潜流人工湿地的脱氮效果，同时解决三七灰土作为潜流池底构筑材料带来的植物烂根问题，并且能够解决人工湿地植物收割后再利用的问题，保障潜流湿地能够高效运行。
本发明的高效脱氮的透气防渗潜流人工湿地，采用以下技术方案：
该潜流人工湿地，自下至上依次铺设透气防渗砂层、过滤层和石笼模块；所述透气防渗砂层的透气量为90mL/(cm·s)，2米高水压下渗透速率＜0.3kg/m2/h；所述过滤层由粒径为0.25-0.35cm的细沙构成；所述石笼模块包括石笼网，石笼网的底部铺设植物层，植物层上装填填料层。
透气防渗砂能够防止潜流池中的污水进入周围土壤，并且不会阻碍土壤与潜流池之间气流的通过，有利于植物生长，防止烂根。在透气防渗砂表层上增加一层细沙过滤层能有效过滤污水中的杂质，增加透气防渗砂的使用寿命。
所述植物层中的植物为收割下的湿地植物或其他富含纤维素的材料(如：秸秆、稻草等)。所述植物层的厚度为5-15cm。所述填料层中的填料为石料、火山岩或煤渣。所述填料层的厚度为80-90cm。
上述高效脱氮的透气防渗潜流人工湿地的运行过程如下所述：
开始运行时在石龙模块内的填料层上种植水生植物，在植物生长初期阶段，投加菌剂保障湿地正常运行，投加的菌剂为反硝化菌剂、硝化菌剂和芽孢杆菌的联合菌剂；在植物生长成熟阶段，在湿地中投加木质纤维素分解菌，参与分解石笼网的底部铺设植物层填料以及植物生长过程中脱落的落叶，为潜流湿地反硝化反应提供碳源。
所述联合菌剂中反硝化细菌、硝化细菌和芽孢杆菌的质量配比为3：1：1～4：1：1。
所述联合菌剂在以下条件下的投加量为1-1.5kg/m3，该条件是：湿地的进水指标为城镇污水处理厂一级A标准(COD≤50mg/L；NH3-N≤5mg/L；TN≤15mg/L；TP≤0.5mg/L)，且潜流湿地表面水力负荷为0.3-1m/d。所述联合菌剂在5-15天分次投加。
所述木质纤维素分解菌与反硝化菌剂的质量配比为1：1-1：2。当水生植物的种植密度＞15株/m2时，木质纤维素分解菌与反硝化菌剂的质量配比为1：1；当水生植物的种植密度≤15株/m2时，木质纤维素分解菌与反硝化细菌的质量配比为1：2。木质纤维素分解菌在植物生长适应后投加。
所述木质纤维素分解菌在以下条件下的投加量应为0.2-0.5kg/m3，该条件是：湿地的进水指标为城镇污水处理厂一级A标准(COD≤50mg/L；NH3-N≤5mg/L；TN≤15mg/L；TP≤0.5mg/L)下，且湿地的表面水力负荷为0.3-1m/d。所述木质纤维素分解菌在5-15天分次投加。
本发明具有高效脱氮、底部透气、防渗漏、易实施的特点。用透气防渗砂代替三七灰土，能有效防止潜流湿地植物烂根，促进根系的生长，提高潜流水生植物的存活率；将石笼模块应用到潜流湿地填料的铺设工艺中，能采用机械装填提高效率；收割植物的加入能有效提升脱氮效果，为反硝化进程提供可利用的碳源；木质纤维素分解菌的加入能有效控制植物的分解效率，从而实现碳源的释放可控。
附图说明
图1是本发明潜流人工湿地的横断面图。
图2是本发明中的石笼模块示意图。
图中：1.池壁，2.土壤层，3.透气防渗砂层，4.过滤层，5.石笼模块，6.填料层，7.植物层，8.宾格石笼网。
具体实施方式
本发明是针对潜流湿地的水生植物容易烂根、存活率低、脱氮效率低、施工不便等问题，提出的一种能够透气防水的潜流人工湿地，同时能够提升脱氮效率，促进反硝化进程，提升潜流湿地的出水水质。
如图1所述，本发明的高效脱氮的透气防渗潜流人工湿地，潜流池的两侧池壁1由混凝土浇筑，厚度为5-15cm。潜流池内在土壤层2上自下至上依次铺设透气防渗砂层3、过滤层4和石笼模块5。
透气防渗砂层3的形状为层状。透气防渗砂层3的厚度为5-15cm，透气防渗砂依靠特制的表面形状增强与水接触的表面张力从而起到防水透气的作用，能够防止潜流池中的污水进入周围土壤，并且不会阻碍土壤与潜流池之间气流的通过，有利于植物生长，防止烂根。
过滤层4选择粒径为0.25-0.35cm的细沙。透气防渗砂是依靠特殊的表面形状增强与水接触的表面张力，所以杂质会对透气防渗砂的防水性能有着直接影响。在透气防渗砂表层上增加一层细沙组成的过滤层4能有效过滤污水中的杂质，增加透气防渗砂的使用效果和使用寿命。
潜流人工湿地填料的铺设可选取用石笼模块5，提高施工效率。石笼模块5包括石笼网8，石笼网8的底部铺设植物层7，植物层7上装填填料层6。石笼网8选取100*100*100cm的无盖宾格石笼网。石笼网8可选用普通镀锌钢丝、镀锌-5％铝合金钢丝、镀锌-10％铝合金钢丝、聚酯膜镀锌钢丝等材料。植物层7可由收割的人工湿地植物组成,也可由含有较高木质素和纤维素的秸秆、木屑组成。植物层7的厚度为5-15cm。植物层7可为收割下的湿地植物，也可用其他富含纤维素的材料代替(如：秸秆、稻草等)。将宾格石笼网由折叠态拉起，在底部放入由湿地收割植物组成的填埋植物层7。此举也可防止宾格石笼网网眼孔径大于填料直径带来的填料泄露问题。将宾格石笼网8中首先填入收割下的湿地植物(也可以是秸秆或者其他含有木质素和纤维素的植物，达到二次利用并减少垃圾排放)，并在其上装填填料层6，填料可为石料或可根据出水指标和工程成本选择填料，如火山岩、煤渣等。填料层6的厚度为80-90cm。石笼模块5可由机械装填铺设，可显著提升潜流湿地的铺设任务。该模块可满足潜流湿地反硝化反应对碳源的需求。
上述构筑的湿地，将透气防渗砂替代三七灰土应用到潜流池的构筑中，在透气防渗砂上铺设一层细沙作为过滤层；将填料填充到宾格石笼网中并以其作为单元模块，可大规模机械操作便于施工；同时为提升脱氮效率，将收割后的湿地植物作为一种可持续释放的碳源，在水质不稳定、或者大量需要碳源的时候，可在潜流湿地中投加木质纤维分解菌加速植物木质素纤维素的分解，从而提高反硝化进程促进脱氮的效率。
上述湿地开始运行时，在石龙模块内的填料层上种植水生植物，在植物生长初期阶段，投加菌剂保障湿地正常运行，投加的菌剂为反硝化菌剂、硝化菌剂和芽孢杆菌的联合菌剂，其中反硝化细菌与硝化细菌和芽孢杆菌的质量配比为3：1：1-4：1：1。在湿地的进水指标为城镇污水处理厂一级A标准，即COD≤50mg/L；NH3-N≤5mg/L；TN≤15mg/L；TP≤0.5mg/L，且潜流湿地表面水力负荷为0.3-1m/d的条件下，联合菌剂投加量为1-1.5kg/m3，可分5-15天分次投加。
在植物生长成熟阶段，在湿地中投加木质纤维素分解菌，参与分解石笼网的底部铺设植物层填料以及植物生长过程中脱落的落叶，为潜流湿地反硝化反应提供碳源。木质纤维素分解菌在植物生长适应后投加，木质纤维素分解菌与反硝化细菌的质量配比为1：1-1：2。当潜流湿地水生植物的种植密度＞15株/m2时，建议选取木质纤维素分解菌与反硝化细菌的质量配比为1：1。当潜流湿地水生植物的种植密度≤15株/m2时，建议选取木质纤维素分解菌与反硝化细菌的质量配比为1：2。在湿地进水指标为城镇污水处理厂一级A标准(COD≤50mg/L；NH3-N≤5mg/L；TN≤15mg/L；TP≤0.5mg/L)下，且潜流湿地表面水力负荷为0.3-1m/d的条件下，木质纤维素分解菌的投加量为0.2-0.5kg/m3，可分5-15天分次投加。
以下给出具体实施例
潜流湿地的流量为1000m3/d，占地面积为3000m2，表面水力负荷为0.33m/d。
混凝土潜流池壁1厚度为10cm。透气防渗砂3的厚度为10cm。细沙过滤层4选择粒径0.3cm的细沙。石笼模块5选取100*100*100cm的无盖宾格石笼网。填埋植物层7可选人工湿地植物或秸秆、木屑等。填埋植物层7的厚度为10cm。填料层6选取90cm厚度粒径为3-5cm粒径的级配砾石。
在该湿地开始运行阶段，人为投加菌剂保障湿地正常运行，投加反硝化菌剂、硝化菌剂和芽孢杆菌的联合菌剂，投加量质量配比为4：1：1。三种菌剂都是现有菌剂，投加量为420kg/d连续投加10天。当湿地植物生长适应后时，投加木质纤维素菌剂，投加量为175kg/d，连续投加10天。
利用上述潜流人工湿地处理某污水厂排放尾水。污水厂尾水水质为国家污水排放一级标准，pH在7.5-9.0之间，COD在60mg/L以内，氨氮在15mg/L以内，总磷在0.5mg/L以内，SS在10mg/L以内。
本发明中所涉及的透气防渗砂、反硝化菌剂、硝化菌剂、芽孢杆菌和木质纤维素分解菌等均为本领域技术人员公知的现有常规原料，不再赘述。
Claims (1)
1.一种高效脱氮的透气防渗潜流人工湿地，其特征是：自下至上依次铺设透气防渗砂层、过滤层和石笼模块；所述透气防渗砂层的透气量为90mL/(cm·s)，2米高水压下渗透速率＜0.3kg/m2/h；所述过滤层由粒径为0.25-0.35cm的细沙构成；所述石笼模块包括石笼网，石笼网的底部铺设植物层，植物层上装填填料层；
所述植物层的厚度为5-15cm；所述填料层的厚度为80-90cm；
开始运行时在石笼模块内的填料层上种植水生植物，在植物生长初期阶段，投加菌剂保障湿地正常运行，投加的菌剂为反硝化菌剂、硝化菌剂和芽孢杆菌的联合菌剂；在植物生长成熟阶段，在湿地中投加木质纤维素分解菌，参与分解石笼网的底部铺设植物层填料以及植物生长过程中脱落的落叶，为潜流人工湿地反硝化反应提供碳源；
所述联合菌剂中反硝化细菌、硝化细菌和芽孢杆菌的质量配比为3：1：1～4：1：1；
所述联合菌剂在以下条件下的投加量为1-1.5kg/m3，该条件是：湿地的进水指标为城镇污水处理厂一级A标准，且潜流湿地表面水力负荷为0.3-1m/d；所述联合菌剂在5-15天分次投加；
所述木质纤维素分解菌与反硝化菌剂的质量配比为1：1-1：2；当水生植物的种植密度＞15株/m2时，木质纤维素分解菌与反硝化菌剂的质量配比为1：1；当水生植物的种植密度≤15株/m2时，木质纤维素分解菌与反硝化细菌的质量配比为1：2；
所述木质纤维素分解菌在以下条件下的投加量应为0.2-0.5kg/m3，该条件是：湿地的进水指标为城镇污水处理厂一级A标准，且湿地的表面水力负荷为0.3-1m/d；所述木质纤维素分解菌在5-15天分次投加。
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