CN110028159A - 构建强化脱氮人工湿地的方法、人工湿地及强化脱氮方法 - Google Patents

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CN110028159A CN201810024967.1A CN201810024967A CN110028159A CN 110028159 A CN110028159 A CN 110028159A CN 201810024967 A CN201810024967 A CN 201810024967A CN 110028159 A CN110028159 A CN 110028159A
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Abstract

本发明公开了一种C/N比污水强化脱氮处理的潜流人工湿地、其构建方法和低C/N比污水强化脱氮处理方法，该方法在待处理污水地挖掘潜流人工湿地床体，采用本发明人工湿地进行污水的强化脱氮处理，包括由顶层植物种植区均匀布水，接着通过玉米芯填料区进行异养反硝化处理；然后经过硫磺填料区进行自养反硝化处理，通过异氧、自养联合处理，达到深度脱氮，通过污水脱氮效率。本发明方法相比于传统垂直流人工湿地，无需设置曝气装置，脱氮效率高，对总氮、硝酸盐去除率高，尤其是对硝态氮的去除效率高；并且操作简单、易于管理，大幅度提高了人工湿地对污水厂尾水的深度脱氮性能。

Description

构建强化脱氮人工湿地的方法、人工湿地及强化脱氮方法
技术领域
本发明涉及对污水厂尾水中氮素的深度去除，属于污水深度处理技术应用领域，尤其涉及对水质中硝态氮(NO3-N)及氨氮(NH4-N)的去除。确切地说该系统分为好氧反硝化区和兼性厌氧自养反硝化区，好氧区微生物以C源为电子供体进行异养反硝化，；兼性厌氧区主要利用硫磺作为电子供体，硝态氮(NO3-N)及亚硝态氮(NO2-N)作为电子受体，通过硫自养反硝化菌对污水厂尾水进行深度脱氮。
背景技术
污水厂尾水具有低C/N比的特点，一般对污水厂尾水的深度处理包括，生物法、化学法、物理法、生化法、还有就是运用人工湿地进行深度处理。
传统的人工湿地脱氮微生物以异养菌为主，微生物生长需要进行间歇曝气，以调节系统内微生物的活性，发挥其最大脱氮效能，但增加曝气装置或者水位调节系统会增加运行成本和管理难度。研究人员在模拟人工湿地深度处理污水厂尾水发现，传统的人工湿地对TN的平均去除率仅为20-25％(温小鹏.(2010).污水厂升级改造人工湿地深度处理技术研究.武汉理工大学.)；可见，传统的人工湿地工艺对污水脱氮效果并不理想。
近年来，硫自养反硝化脱氮工艺因其脱氮效率高、工艺简单、运行管理方便等优点而倍受人们关注，在硫自养反硝化体系中主要以自养反硝化微生物为主，其中Thiobacillus denitrificans菌是代表性菌种。其脱氮原理(Moon,H.S.,Nam,K.,Kim,J.Y.,&Asce,A.M.(2006).Initial Alkalinity Requirement and Effect of AlkalinitySources in Sulfur-Based Autotrophic Denitrification Barrier System.Journal ofEnvironmental Engineering,132(9),971-975.)是硫自养反硝化菌群以CO2或H2CO3等无机碳作为碳源，将低价态硫(S)及硫化物氧化为硫酸盐的同时将硝态氮或亚硝态氮还原为氮气的自养脱氮过程。其化学方程式如下：
55S+50NO3 -+38H2O+20CO2+4NH4 +——→4C5H7O2N+25N2+55SO4 2-+64H+
硫自养反硝化工艺对硝酸盐(NO3-N)具有很好的去除效果，但是单独的硫自养反硝化应用于人工湿地构造成本较大、并且出水水质中SO4+-N含量较高，出水水质不容易控制，在实际工程应用中难以大规模的推广。
目前，异养反硝化耦合硫自养反硝化人工湿地组合工艺尚无报道。
基于异养反硝化技术的传统的潜流湿地，脱氮效率慢，且处理水力负荷量小，并且对于低C/N比的污水厂尾水而言，潜流湿地系统在工程应用上很难通过自然挂膜培养起异养反硝化菌，C源过多的添加并释放会导致出水COD偏高。
基于硫自养反硝化技术的自养脱氮系统的潜流湿地，具有耐水力冲击负荷、处理效率高、对水体中污染物的去除效果稳定，但潜流湿地整个系统添加硫磺，(因为硫自养反硝化生长环境适应于厌氧区或兼性厌氧区，潜流湿地系统上层填料DO高)，不仅会造成硫磺资源的浪费，整个潜流湿地整个空间不能得到有效的利用，而且一定程度上会导致出水硫酸盐含量偏高、与填料基质中含Ca+离子发生化学反应生成沉淀造成整个系统的堵塞。
因此本发明根据整个潜流湿地系统垂直空间DO的分布情况，合理布置硫磺含量，使出水污染物包括(氨氮、TN、COD等)填料达到地表水IV类标准。
发明内容
本发明的目的是针对现有低C/N比高硝态氮的污水厂尾水处理存在的技术难题，提供一种构建污水强化脱氮处理的人工湿地的方法，按照该方法构建的人工湿地和利用构建的人工湿地进行污水强化脱氮处理的方法。本发明以传统下行垂直潜流耦合硫自养反硝化人工湿地强化脱氮方法，结构简单，运行管理方便。本发明方法中采用的硫自养脱氮技术耦合异养反硝化脱氮技术，很好的保证了体系具有高效脱氮的效率，本发明的异氧、自养反硝化技术与垂直潜流人工湿地相结合的处理方法有效强化低C/N比尾水深度脱氮过程。
为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种构建污水脱氮处理潜流人工湿地的方法，包括如下顺序进行的步骤：
1)在待处理污水地挖掘潜流人工湿地床，并在床体内部从下至上依次铺设硫磺区填料、玉米芯区填料、植物种植土壤，依次形成硫磺填料区、玉米芯填料区和植物种植区；并在植物种植区内种植输氧植物；植物种植区的上部与污水进水管相连通，硫磺填料区的底部与出水管相连通，获得人工湿地床体；
2)将污水从人工湿地床体的上部引入潜流人工湿地床体中，水流下行，进行潜流人工湿地的挂膜处理，直至人工湿地出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在85％以上，即得污水脱氮处理潜流人工湿地。
其中，所述低C/N比污水为C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。
特别是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
其中，所述污水为C/N<2且NO3-N质量浓度≥16mg/L的污水。
特别是，所述污水为低C/N比、氮素以高硝态氮(NO3-N)为主的污水厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
尤其是，所述污水的硝态氮(NO3-N)浓度范围16～19mg/L。
其中，步骤1)中所述人工湿地床体呈长方体形或正方体形，优选为长方体形。
特别是，所述人工湿地床体的深度≤3m。
尤其是，所述潜流人工湿地为垂直潜流人工湿地。
其中，步骤1)中所述植物种植区容积与人工湿地总容积之比为5-15：100，优选为7-12：100，进一步优选为10：100；玉米芯填料区容积与人工湿地总容积之比为65-78：100，优选为65-75：100，进一步优选为70-78：100，更进一步优选为70：100；硫磺填料区容积与人工湿地总容积之比为15-25：100，优选为20：100。
特别是，所述硫磺区填料为硫磺，石灰石、沸石、火山岩颗粒的混合物；所述玉米芯区填料为玉米芯颗粒、石灰石、砾石的混合物。
尤其是，所述硫磺区填料中硫磺，石灰石、沸石、火山岩颗粒的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)，优选为1：1：1：1；所述玉米芯区填料中玉米芯颗粒、石灰石、砾石的体积比为1：(0.7-1.2)：(0.9-1.2)，优选为1：1：1。
特别是，所述硫磺区填料中硫磺，石灰石、沸石、火山岩颗粒的粒径为30～35mm；所述玉米芯区填料中玉米芯颗粒、石灰石、砾石的粒径为20-25mm。
其中，所述硫磺填料区的有效体积为0.2～0.25m3；所述玉米芯填料区的有效体积为0.27～0.3m3。
特别是，所述人工湿地内硫磺填料区的有效体积与人工湿地的体积之比为(0.2-0.25)：2；所述玉米芯填料区的有效体积与人工湿地的体积之比为(0.27～0.3)：2。
其中，所述植物种植区内种植的输氧植物选择西伯利亚鸢尾、芦苇、风车草、菖蒲中的一种或多种，优选为西伯利亚鸢尾。
特别是，所述植物的种植密度为10-30株/m2，优选为16株/m2。
植物种植区内种植的植物根系发达，具有一定的输氧能力，且等耐冲击负荷能力较强的植物。使根系周边部位形成好氧微环境，有利于好氧菌的生长，提供水体中的氨氮的去除效率。
其中，在所述植物种植区内还均匀铺设有与进水管相连通的布水管，为人工湿地均匀布水；在所述硫磺填料区的底部还均匀铺设与出水管相连通的集水管，均匀快速收集人工湿地处理后的水流，使得出水顺利排出人工湿地。
特别是，所述布水管的管径为10-30cm，优选为25cm。
尤其是，所述布水管上均匀布置的多个孔径为(10±1)mm的布水孔。
特别是，所述布水管在距离所述玉米芯填料区上表面7-15cm，优选为10cm处铺设，即布水管距离所述玉米芯填料区上表面的距离7-15cm，优选为10cm。
特别是，所述集水管的管径为10-30cm，优选为25cm。
尤其是，所述集水管上均匀布置的多个孔径为(10±1)mm的集水孔。
特别是，所述人工湿地床的高度为90-110cm，优选为100cm；玉米芯填料区的高度65-78cm优选为65-75cm，进一步优选为70cm；硫磺填料区的高度15-25cm优选为20cm；植物种植区的高度5-15cm优选为10cm。
其中，步骤2)中所述潜流人工湿地的挂膜处理包括如下步骤：
2-1)第一阶段挂膜处理
将污水处理厂的C/N比≤2、NO3-N质量浓度≥16mg/L污水从进水管引入人工湿地顶部植物种植区，水流下行，在温度为20-30℃的条件下保持水力停留时间≥15h，依次流经植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区，水流下行至人工湿地底部，从出水管排出人工湿地，进行第一阶段的挂膜处理；
2-2)第二阶段挂膜处理
第一阶段挂膜处理至少15天后，加大进水量，在温度为20-30℃的条件下保持水力停留时间≥5h，依次流经植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区，水流下行至人工湿地底部，从出水管排出人工湿地，进行第二阶段的挂膜处理；其中在第二阶段挂膜处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，直至总氮的去除率达到并维持在85％以上，且保持稳定。
其中，步骤2-1)中所述第一阶段挂膜处理至少15天，优选为15-30天。通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天；第一阶段挂膜处理过程中水力停留时间为15-24h，进一步优选为18h)；第一阶段挂膜处理过程中处理温度为26-29℃。
特别是，步骤2-2)中所述第二阶段挂膜处理至少15天，优选为15-30天。通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天；第二阶段挂膜处理过程中水力停留时间≥5h，优选为5-15h，进一步优选为9h)；第二阶段挂膜处理过程中处理温度为26-29℃。
本发明另一方面提供一种按照上述方法构建而成的强化脱氮处理潜流人工湿地。
本发明再一方面提供一种利用上述污水脱氮处理潜流人工湿地进行污水强化脱氮处理的方法，包括将低C/N比污水输送至污水脱氮处理的潜流人工湿地中，其中控制水力停留时间≥4h。
其中，所述低C/N比污水为C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。
特别是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
尤其是，所述污水为C/N<2且NO3-N质量浓度≥16mg/L的污水。
特别是，所述污水为低C/N比、氮素以高硝态氮(NO3-N)为主的污水厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
尤其是，所述污水的硝态氮(NO3-N)浓度范围16～22mg/L。
其中，所述控制水力停留时间为4-24h，优选为8-18h，进一步优选为11-12h。
特别是，控制玉米芯填料区的水力停留时间为5-11h；硫磺填料区的水力停留时间为3-7h。
尤其是，控制玉米芯填料区的水力停留时间为8h；硫磺填料区的水力停留时间为4h。
尤其是，输送至潜流人工湿地中的污水处理温度在10-35℃，优选为20-30℃，进一步优选为26-29℃。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点和效果：
1、本发明在不改变垂直流人工湿地结构的基础上，充分利用微生物优势种群在垂直流湿地的空间分布，以最低的建设成本实现对污水的深度脱氮。
2、本发明上层填料以废弃的玉米芯为碳源，下层填料以硫磺为电子供体，即达到了因全部硫磺填料填充而造成硫磺的浪费，同时达到了异养反硝化速率过慢造成人工湿地战地面积过大。
本发明的潜流湿地是污水从上进水，从下出水，尾水中本来就有一定的溶解氧，随着水流方向，DO含量逐渐递减，在以添加玉米芯为碳源的填料区，水力停留时间HRT为8h，足够对水中的DO消耗，在玉米芯填料区进行异养反硝化，DO的足够硝化，为下层填料区硫自养反硝化菌提供了良好的生存环境。
3、本发明运行及管理方便，耐冲击负荷能力强、耐低温、出水总氮(TN)稳定等特点。
4、本发明装置脱氮处理，脱氮效率高，对总氮、硝酸盐去除率高，尤其是对硝态氮的去除效率高，在冬天，气温的条件下硝态氮的去除率达到85％以上，在夏天，气温高的条件下硝态氮的去除率达到92％以上，甚至达到99％。
本发明是基于传统的潜流湿地系统工艺，继承本工艺的优点，如潜流湿地的布水方式、但是传统的通过添加碳源来为反硝化提供电子供体的方式反硝化速率并不是很高，并且耐温度的适应性差、水力负荷小。
而硫自养反硝化技术进行反硝化深度脱氮，其脱氮效率是异养反硝化深度脱氮的6～8倍，能够处理量大的污水厂尾水，因此也大大减少了传统人工湿地的战地面积，节约一定的经济成本。
本发明通过自养与异养反硝化相结合，共同实现对污水厂尾水的深度脱氮。根据潜流湿地不同深度溶解氧的分布情况，充分利用该湿地空间，下层填料区反硝化的进行以硫磺作为电子供体，通过硫自养反硝化对污水进行深度脱氮，上层填料区反硝化的进行以消耗C源，通过异养反硝化作用对尾水进行深度脱氮。
附图说明
图1为本发明下行垂直潜流耦合硫自养反硝化人工湿地示意图；
图2为本发明人工湿地布水管结构剖视示意图；
图3为本发明人工湿地集水管结构剖视示意图。
附图标记说明：
1、进水管；11、布水管；12、布水孔；2、人工湿地；21、植物种植层；22、玉米芯填料区；23、硫磺填料层；24、植物；3、出水管；31、集水管；32、集水孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1，本发明采用污水脱氮处理垂直潜流人工湿地进行低C/N比污水的强化脱氮处理，通过进水管1将低C/N比污水输送至本发明的污水脱氮潜流人工湿地2，通过出水管3将经过本发明的污水脱氮潜流人工湿地强化脱氮处理后的出水排出人工湿地。进水管1设置在本发明的人工湿地的上部，出水管3设置在本发明的人工湿地的底部，污水从人工湿地的上部均匀向下流经本发明的人工湿地，本发明的具体实施方式中进水管和出水管分别设置在本发明的人工湿地的竖直方向的两端。
本发明的污水强化脱氮潜流人工湿地2为下行式潜流人工湿地，包括从上至下依次排列的植物种植区21、玉米芯填料区22、硫磺填料区23，玉米芯填料区由玉米芯颗粒、石灰石、砾石混合组成，硫磺填料区由硫磺，石灰石、沸石、火山岩混合组成，玉米芯填料区的填料颗粒粒径小于硫磺填料区的填料颗粒粒径。植物种植区位于湿地的顶部，其上均匀种植根系发达的输氧植物24，为下层的玉米芯填料区输氧。
植物种植区容积与人工湿地总容积之比为(7-12)：100(优选为10：100)；玉米芯填料区容积与人工湿地总容积之比为(65-78)：100(优选为70：100)；硫磺填料区容积与人工湿地总容积之比为(15-25)：100(优选为20：100)。
本发明具体实施例中以人工湿地高度100cm为例进行说明，其中植物种植区高度10cm，玉米芯填料区高度70cm，硫磺填料区高度20cm。其他人工湿地高度也适用于本发明，其中的植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区高度按照相应比例设置。
本发明污水强化脱氮潜流人工湿地2还包括均匀铺设在植物种植区内部的多根布水管11，均匀铺设在硫磺填料区下部(人工湿地底部)多根的集水管31。布水管11水平铺设在植物种植区内，其管径10-30cm(优选为25cm)，且布水管上均匀布置布水孔12(如图2)，布水孔孔径为(10±1)mm。污水从布水孔均匀流出，利于污水均匀流入人工湿地；集水管31水平铺设在硫磺填料区的底部，其管径10-30cm(优选为25cm)，且集水管上均匀布置多个集水孔32(如图3)，集水孔孔径为(10±1)mm。脱氮处理后水流通过集水孔收集，汇流至集水管内，经出水管顺利排出。
布水管11水平铺设在距离玉米芯填料区上层表面(10±1)cm处，且进水管1与布水管11连接，污水厂尾水通过进水管1引入本发明潜流人工湿地的上部，通过均匀铺设在潜流人工湿地的植物种植区内部的布水管11将引入人工湿地的污水均匀分布，污水由上至下、均匀向下流动，依次流经下层的玉米芯填料区、硫磺填料区依次进行异氧反硝化、自养反硝化处理，然后经过脱氮处理的水流通过在硫磺填料区的底部均匀分布的集水管均匀收集，流入出水管3后排出人工湿地。
植物种植区内种植根系发达的植物，使得玉米填料区的表面具有根系的植物生长，玉米芯填料区的上表面(10±1)cm处于DO较高的状态，为硝化菌提供了有利的生存环境，水体先流经以玉米芯为C源的异养反硝化区，水体中的硝态氮得到初步的去除，之后水体再经过硫自养反硝化区，最终对水体中的硝态氮得到进一步的深度去除。
本发明植物种植区的高度与人工湿地的总高度之比为5-15：100，优选为7-12：100(进一步优选为10：100)。植物种植区内种植的植物选择西伯利亚鸢尾、芦苇、风车草、菖蒲等耐冲击负荷能力较强的植物中的一种或多种，植物的种植密度为10-30株/m2(优选为16株/m2)。
玉米芯填料区的高度与人工湿地的总高度之比为65-78：100，优选为65-75：100，进一步优选为70-78：100，更进一步优选为70：100)。玉米芯填料区由玉米芯颗粒、石灰石、砾石混合组成，其中玉米芯颗粒、石灰石、砾石的粒径均为20-25mm，有效体积为0.27～0.3m3；玉米芯为颗粒状，粒径为20-25mm；石灰石为颗粒状，粒径为20-25mm；砾石的粒径均为20-25mm；砾石为颗粒状，粒径为30～35mm；玉米芯填料区内玉米芯颗粒、石灰石、砾石的体积比为1：(0.7-1.2)：(0.9-1.2)，优选为1：1：1。
硫磺填料区的高度与人工湿地的总高度之比为15：100(优选为20：100)。硫磺填料区由硫磺，石灰石、沸石、火山岩颗粒混合组成，其中硫磺，石灰石、沸石、火山岩的粒径均为30～35mm，有效体积为0.2～0.25m3；石灰石为颗粒状，粒径为30～35mm；沸石为颗粒状，粒径为30～35mm；火山岩为颗粒状，粒径为30～35mm；硫磺为颗粒状，粒径为30～35mm。硫磺填料区内硫磺，石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)，优选为1：1：1：1。
本发明中植物种植区的高度(即厚度)为5-15cm优选为10cm，玉米芯填料区的高度为65-78cm优选为70cm，硫磺填料区的高度为15-25cm优选为20cm。
硫磺填料区中硫磺上吸附的脱氮硫杆菌利用溶解在水中的单质硫还原硝酸盐，单质硫被氧化成硫酸盐，而混合基质中的沸石可以防止反硝化过程中的pH下降。
本发明污水脱氮人工湿地的工作原理如下：
市政污水处理厂的外排尾水具有硝酸盐含量较高的特点，通过进水管1被输送进入潜流湿地顶部的植物种植区内，经过布水管均匀分配进入垂直潜流人工湿地，从上至下依次流经玉米芯填料区和硫磺填料区，在玉米芯填料区与玉米芯颗粒/石灰石/砾石混合基质接触，在该区域附着生长的微生物异氧菌(如反硝化杆菌、斯氏杆菌、萤气极毛杆菌等)以添加的玉米芯为固体碳源，进行异氧反硝化反应，以投加的玉米芯作为能源及电子供体，其化学方式式如下：
5(CH2O)+4H++4NO3 --------2N2+7H2O+5CO2
在硫磺填料区与硫磺，石灰石、沸石、火山岩混合基质接触，在该区域附着生长的微生物脱氮硫杆菌利用溶解在水体中的单质硫哦日电子供体，将进水中的硝酸盐还原成氮气，而硫磺反应生成硫酸根，通过沸石将水体中残余的氨氮吸附，并将进水中含有的细小悬浮颗粒物截留下来；硫自养反硝化产生的酸被石灰石中和，多孔性材料沸石和火山岩为自养反硝化菌提供附着良好的生长环境；此外对系统的pH具有缓冲能力，降低反应；该区域的中上部通过植物的作用可以对氮磷进行去除。
硫自养反硝化菌通过自养反硝化会产生大量的酸，通过添加石灰石、沸石等填料，可有效地控制出水pH。随着处理区微生物与污水的反应，pH下降，加入沸石后，添加的沸石对水中的阳离子具有较强的吸附性能，沸石表面的阳离子极易与水中的阳离子发生离子交换，消耗硫自养反硝化过程中产生的H+，加强系统对pH的缓冲能力。
植物对污染物的去除主要分为直接作用和间接作用，植物丰富的根系具有庞大的吸附表面，能从土壤溶液中吸收一部分无机氮作为自身营养成分，用于合成植物蛋白等有机氮，此外无机磷可以通过植物吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分，这部分就可以通过植物的收割得以去除，但是这一部分去除率很小，不超过20％，这一部分属于直接作用；另外植物根系将氧气输送到根区，使根表面呈现氧化状态，氨可以被这一区域的硝化细菌硝化。
脱氮硫杆菌进行硫自养的反应方程式为
1.06NO3 -+1.11S+0.3CO2+0.785H2O→0.06C5H7O2N+0.5N2+1.11SO4 2-+1.16H+
本发明的垂直潜流人工湿地以硫磺、玉米芯、沸石、砾石、石灰石、火山岩作为反应底物及生物膜载体，添加在人工湿地内，污水从进水管经布水管均匀流入人工湿地，水体呈下行式流动，污水首先经过植物根系的土壤层，污水中的大杂质颗粒得到初步去除，并且植物的生长使得对污水中的N、P等元素得到部分去除，与此同时，植物根部的硝化菌对水体中的NH4+进行去除，将其转化为NO3--N，为后续的异养与硫自养反硝化做充分的准备；水体流经玉米芯填料层时，以异养反硝化菌为优势菌种进行异养反硝化，对NO3--N的去除大约在40％～45％左右，并且异养菌的新陈代谢促进了水体中COD的去除，填料对污染物起到了物理吸附截留作用；水体流到硫磺填料层时，因异养反硝化菌对水体中的NO3--N进行了部分去除，为硫自养反硝化体系减轻了水力负荷，硫自养反硝化菌的高效脱氮，使得出水对NO3--N的去除基本达到了99％，最终出水有装置底部布置的收集管进行收集后排出整个系统。整个反应体系需要维持pH在7.2～8左右，反应最佳温度为26-29℃。
实施例1组建下行垂直潜流耦合硫自养反硝化人工湿地
1、搭建潜流人工湿地
1-1)挖掘人工湿地床
在待处理污水地，挖掘深度为2m(通常<3m)的潜流人工湿地床，在人工湿地床的上部开设进水口，与进水口相连接，将污水引入人工湿地；底部开设有出水口，与出水管相连接，将强化脱氮处理后的出水引出人工湿地；
1-2)配制填料
1-2A)将粒径为30～35mm的硫磺，石灰石、沸石、火山岩混合均匀，配制成硫磺填料区填料，即硫磺/石灰石/沸石/火山岩填料，其中硫磺，石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)(优选为1：1：1：1)；
1-2B)将粒径为20～25mm的玉米芯、石灰石、砾石混合均匀，配制成玉米芯填料区填料，即玉米芯/石灰石/砾石填料，其中玉米芯、石灰石、砾石的体积之比为1：(0.7-1.2)：(0.9-1.2)，优选为1：1：1。
1-3)铺设人工湿地床体
1-3A)在人工湿地床的底部均匀铺设集水管31，集水管的管径为10-30cm(优选为25cm)，且集水管上均匀布置的多个集水孔孔径为(10±1)mm；
1-3B)在人工湿地床内部从下至上依次装填硫磺填料区填料、玉米芯填料区填料，获得人工湿地床体，其中，硫磺填料区的高度与人工湿地床的高度之比为(15-25)：100(优选为20：100)；玉米芯填料区的高度与人工湿地床的高度之比为(65-78)：100(优选为65-75：100，进一步优选为70：100)；
1-3C)在玉米芯填料区的顶部铺设土壤，并铺设土壤的厚度为(10±1)cm时，在土壤上均匀铺设布水管11，即在距离玉米芯填料区顶部(10±1)cm的高度均匀铺设布水管11，布水管的管径为10-30cm(优选为25cm)，且布水管上均匀布置的多个布水孔孔径为(10±1)mm；
1-3D)再铺设土壤，形成植物种植区，并在植物种植区上栽种根系发达的输氧植物24，其中植物种植区的高度与人工湿地床的高度之比为(7-12)：100(优选为10：100)；输氧植物选择西伯利亚鸢尾、芦苇、风车草、菖蒲等耐冲击负荷能力较强的植物中的一种或多种，植物的种植密度10-30株/m2为(优选为16株/m2)。
植物混合种植有利于污染物的去除，此外适当增加顶部植物种植密度，有利于根系分泌物中更多氧气的释放，从而有效将氨硝化。
本发明实施例中以人工湿地床的高度为100cm(通常为90-110cm)，玉米芯填料区的高度70cm(通常为65-75cm)，硫磺填料区的高度20cm(通常为15-25cm)；植物种植区的高度10cm(通常为5-15cm)为例进行说明；其他人工湿地床的高度≤2m的湿地均适用于本发明。
人工湿地床的高度＝植物种植区的高度+玉米芯填料区的高度+硫磺填料区的高度。
本发明人工湿地的植物种植区：①土壤为植物根系提的生长环境，为其保温，保湿，同时能够辅助根部对植株的固定作用。②可以储存植物生长所必需的水分、空气、矿质元素。③土壤内含有大量的微生物和无脊椎动物。微生物能够分解有机质使之变成植物能够直接利用的无机物，为植物的生长提供营养；无脊椎动物如蚯蚓，能够通过其生理作用(运动等)达到翻土的目的，使土壤空隙加大，增大空气的含量，同时蚯蚓粪便能够为植物提供直接营养。
其中植物种植区中的输氧植物的根系发达，耐冲击，负荷能力强，对玉米芯填料区的异养硝化层具有一定输氧作用，还有就是植物生长能够对水体中的TN、TP进行部分的去除。
硫磺填料区：硫磺作为自养反硝化的主要物质，是硫自养反硝化的电子供体，沸石起到调节pH的作用，石灰石降低成本同时其选择的粒径较大，为了防堵。设置硫磺/石灰石/沸石/火山岩构建自养反硝化系统，以利于高硝态氮的去除。
玉米芯-石灰石-砾石层：玉米芯的添加是为了为异养菌的反硝化提供固体碳源，添加石灰石和砾石的目的就是为了微生物生长提供附着载体
异养反硝化主要是通过向系统投加有机碳作为能源及电子供体，其化学方式式如下：5(CH2O)+4H++4NO3 --------2N2+7H2O+5CO2
2、人工湿地挂膜处理
2-1)第一阶段挂膜处理
将污水处理厂的C/N比≤2、NO3-N质量浓度≥16mg/L的污水从进水管引入本发明的人工湿地顶部的布水管，均匀布水，水流下行，流经植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区，水流下行至人工湿地底部，集水管收集脱氮处理后的水流，从与集水管相连的出水管排出人工湿地，通过调整进水量、控制水力停留时间为18h(通常为15-24h)，连续运行15天(通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天，本实施例以夏季)，进行第一阶段挂膜处理，其中污水挂膜处理过程中水温在26～29℃；
挂膜处理第一阶段对污水厂尾水污染物的去除主要分为填料的吸附阶段、微生物优势菌种的初步培养阶段。
2-2)第二阶段挂膜处理
加大进水量，控制水力停留时间为9h(通常为5-15h)，进行第二阶段挂膜处理，连续运行15天(通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天，本实施例以夏季)，直至出水水质稳定，即得本发明的挂膜成功的污水强化脱氮人工湿地，其中污水挂膜处理过程中水温在26～29℃；
在第二阶段挂膜处理过程中每天监测装置出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮、总磷、硝态氮、铵态氮、亚硝态氮浓度的平均值，计算相应的去除率，本发明装置的出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在85％以上，保持稳定，本发明的污水强化脱氮人工湿地组建完成。
潜流人工湿地微生物挂膜成功之后，在玉米芯填料区附着的大量的异氧反硝化菌以玉米芯提高的碳源进行一样反硝化脱氮生物处理，C6H12O6+12NO3 -→6H2O+6CO2+12NO2 -+能量，CH3COOH+8NO3 -→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量，该过程中产生的二氧化碳有利于厌氧环境的形成，同时可以为脱氮反应提供一定的碱度，对于反硝化过程中产生的硫酸盐有一定的去除效果，可以保证装置内污水pH的稳定，更有利于装置的脱氮。
在硫磺填料区自养反硝化填料(硫磺/石灰石/沸石/火山岩)层附着大量的Thiobacillus，Sulfurimonas，Halothiobacillus等脱氮硫杆菌利用溶解在水中的单质硫还原硝酸盐，将进水中的硝酸盐还原成氮气，单质硫被氧化成硫酸盐；人工湿地内的沸石将水体中残余的氨氮吸附，并将进水中含有的细小悬浮颗粒物截留下来，此外对系统的pH具有缓冲能力，可以防止反硝化过程中的pH下降；
脱氮硫杆菌进行硫自养的反应方程式为
1.06NO3 -+1.11S+0.3CO2+0.785H2O→0.06C5H7O2N+0.5N2+1.11SO4 2-+1.16H+
本发明将潜流湿地与硫自养反硝化相结合，脱除进水中的硝酸盐，由于脱氮硫杆菌生长缓慢，增殖速率远远低于异养菌，因此，该潜流湿地系统在高效反硝化脱氮的同时，也不会由于微生物的大量繁殖而造成潜流湿地系统堵塞。同时利用湿地床中种植的植物，实现对进水中氮磷的去除。
本发明植物种植区内种植的输氧植物对污染物的去除主要分为直接作用和间接作用，植物丰富的根系具有庞大的吸附表面，能从土壤溶液中吸收一部分无机氮作为自身营养成分，用于合成植物蛋白等有机氮，此外无机磷可以通过植物吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分，这部分就可以通过植物的收割得以去除(属于直接作用)；另外植物根系将氧气输送到根区，使根表面呈现氧化状态，氨可以被这一区域的硝化细菌硝化。另外，种植的是一定量的经济植物，具有一定的经济性。
实施例2
以长葛市某污水处理厂的滤布滤池间出水为例进行强化脱氮处理，污水水量、水质如表2所示。
1、搭建潜流人工湿地
1-1)挖掘人工湿地床
在长葛市某污水处理厂的滤布滤池车间构建潜流人工湿地床，湿地床的尺寸为：长×宽×高(80cm×30cm×100cm)，湿地床深度为100cm(即湿地植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区高度之和为100cm)。
1-2)配制填料
1-2A)将粒径为30～35mm的硫磺，石灰石、沸石、火山岩混合均匀，配制成硫磺填料区填料，即硫磺/石灰石/沸石/火山岩填料，其中硫磺，石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：1：1：1；
1-2B)将粒径为20～25mm的玉米芯、石灰石、砾石混合均匀，配制成玉米芯填料区填料，即玉米芯/石灰石/砾石填料，其中玉米芯、石灰石、砾石的体积之比为1：1：1。
1-3)铺设人工湿地床体
在湿地床内从下至上依次装填硫磺填料区填料硫磺/石灰石/沸石/火山岩填料、玉米芯填料区填料玉米芯/石灰石/砾石填料，植物种植区的土壤，并在土壤上种植输氧植物；植物种植区内铺设的布水管的管径为25cm，其上的布水孔孔径为(10±1)mm；湿地床底部铺设的集水管的管径为25cm，其上的集水孔孔径为(10±1)mm；植物种植区的高度与人工湿地床的高度之比为10：100；硫磺填料区的高度与人工湿地床的高度之比为20：100；玉米芯填料区的高度与人工湿地床的高度之比为70：100；输氧植物为西伯利亚鸢尾，种植密度16株/m2。
2、人工湿地挂膜处理
2-1)第一阶段挂膜处理
将市政污水处理厂的尾水(C/N比≤2、NO3-N质量浓度为19-22mg/L)通过进水管引入本发明的人工湿地的顶部，由布水管均匀布水，水流下行，流经植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区，通过调整进水量、控制水力停留时间为18h，在温度为25-28℃的条件下运行，进行第一阶段挂膜处理，水流下行至人工湿地底部，集水管收集脱氮处理后的水流，从与集水管相连的出水管排出人工湿地；
第一阶段挂膜处理15天后，加大进水量，控制水力停留时间为9h，在温度为26～29℃的条件下运行，进行第二阶段挂膜处理，直至出水水质稳定，第二阶段挂膜处理15天。
在第二阶段挂膜处理过程中每天监测装置出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮、总磷、硝态氮、铵态氮、亚硝态氮浓度的平均值，计算相应的去除率，本发明装置的出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在85％以上，保持稳定，测定结果如表1。
表1第二阶段挂膜处理过程中水质测定结果
第二阶段挂膜处理15天后COD的去除率达到20～40％以上；总氮去除率达到85％以上；氨氮去除率最高达到75％以上，检测指标基本不变，检测指标基本不变，去除率基本维持稳定，本发明的污水强化脱氮人工湿地组建完成。
3、系统运行
将滤布滤池的出水(水质如表2所示)通过进水管引入挂膜成功的潜流人工湿地，进过布水管向人工湿地的内均匀布水，进水流量为1042mL/min，污水在潜流人工湿地的水力停留时间为8h(其中，玉米芯填料区的水力停留时间为5h，硫磺填料区的水力停留时间为3h)，系统运行过程中温度维持为26-29℃，进水pH基本维持在7.52-8.65，DO基本维持在4.2-6.0之间。
污水经过潜流人工湿地处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总磷)测定结果的见表2。其中，按照HJ/T 399-2007《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》检测水中的化学需氧量(COD)；按照GB 13200-1991《水质浊度的测定》检测水的浊度；按照GB11894-89《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》检测水中总氮(TN)；按照GB11893-89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》检测水中总磷(TP)；按照HJ 535-2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》检测水中氨氮(NH4 +-N)；按照HJ/T 346-2007《水质硝酸盐测定紫外分光光度法》检测水中硝酸盐氮(NO3 --N)；按照GB 7493-87《水质亚硝酸盐的测定分光光度法》检测水中亚硝酸盐氮(NO2 --N)；水中溶解氧的测定采用哈希的隔膜电极法检测水中溶解氧(DO)。
表2污水水量以及污水处理前后水质测定结果
从表2的水质测定结果可知：采用本发明的潜流人工湿地处理市政污水，去除效果显著，脱氮效果明显，其中NO3-N的去除率可达到93.63％；氨氮去除率为19.64％；总氮去除率为92.7％，出水pH基本维持在7.05。
实施例3
除了步骤3)系统运行过程中进水流量为555mL/min，污水在潜流人工湿地的水力停留时间为15h(其中，玉米芯填料区的水力停留时间为10h，硫磺填料区的水力停留时间为5h)，进水pH基本维持在7.42～7.45，DO基本维持在2.15～2.45之间，其余与实施例2相同。
污水经过潜流人工湿地处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总磷)测定结果的见表2。从表2的水质测定结果可知：采用本发明的潜流人工湿地处理市政污水，去除效果显著，脱氮效果明显，其中NO3-N的去除率可达到97.38％；总氮去除率为93.9％，出水pH基本维持在7.07。
实施例4
除了步骤5)系统运行过程中温度维持为10-15℃，进水pH基本维持在7.78-8.57，DO基本维持在4.27-5.85之外，其余与实施例2相同。
污水经过潜流人工湿地处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总磷)测定结果的见表3。从表3的水质测定结果可知：采用本发明的潜流人工湿地处理市政污水，在温度10-15℃脱氮效果明显下降了，其中NO3-N的去除率可达到78.87％；氨氮去除率为19.64％；总氮去除率为74.42％，出水pH基本维持在7.23～7.42。
实施例5
除了步骤5)系统运行过程中温度维持为10-15℃，系统运行过程中进水流量为347mL/min，污水在潜流人工湿地的水力停留时间为18h(其中，玉米芯填料区的水力停留时间为11h，硫磺填料区的水力停留时间为7h)之外，其余与实施例2相同。
污水经过潜流人工湿地处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总磷)测定结果的见表3。从表3的水质测定结果可知：采用本发明的潜流人工湿地处理市政污水，脱氮效果较实施例4有了明显提升，其中NO3-N的去除率可达到85％；氨氮去除率为42.85％；总氮去除率为83.91％，出水pH基本维持在7.18-7.42。
表3污水水量以及污水处理前后水质测定结果
实施例6
除了步骤1-2)中配制填料中硫磺填料区填料硫磺、石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：0.8：0.9：0.7；玉米芯填料区填料玉米芯、石灰石、砾石的体积之比为1：0.8：0.9；步骤1-3)铺设人工湿地床体中植物种植区的高度与人工湿地床的高度之比为10：100；硫磺填料区的高度与人工湿地床的高度之比为20：100；玉米芯填料区的高度与人工湿地床的高度之比为70：100；输氧植物为西伯利亚鸢尾和芦苇混合种植，种植密度25株/m2；步骤2)人工湿地挂膜处理中第二阶段挂膜处理的水力停留时间为15h(其中，玉米芯填料区的水力停留时间为10h，硫磺填料区的水力停留时间为5h)，运行20天，直至TN的去除率达到一定值并维持稳定，去除率达到75％以上之外，其余与实施例2相同。
污水经过潜流人工湿地处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总磷)测定结果的见表4。
实施例7
除了步骤1-2)中配制填料中硫磺填料区填料硫磺、石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：0.9：0.8：1；玉米芯填料区填料玉米芯、石灰石、砾石的体积之比为1：0.7：1；步骤1-3)铺设人工湿地床体中植物种植区的高度与人工湿地床的高度之比为10：100；硫磺填料区的高度与人工湿地床的高度之比为20：100；玉米芯填料区的高度与人工湿地床的高度之比为70：100；输氧植物为西伯利亚鸢尾和芦苇混合种植，种植密度15株/m2；步骤3)系统运行过程中水力停留时间为12h之外，其余与实施例2相同。
污水经过潜流人工湿地处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总磷)测定结果的见表4。
表4污水水量以及污水处理前后水质测定结果

Claims (10)

1.一种构建污水脱氮处理潜流人工湿地的方法，其特征是，包括如下顺序进行的步骤：
1)在待处理污水地挖掘潜流人工湿地床，并在床体内部从下至上依次铺设硫磺区填料、玉米芯区填料、植物种植土壤，依次形成硫磺填料区、玉米芯填料区和植物种植区；并在植物种植区内种植输氧植物；植物种植区的上部与污水进水管相连通，硫磺填料区的底部与出水管相连通，获得人工湿地床体；
2)将污水从人工湿地床体的上部引入潜流人工湿地床体中，水流下行，进行潜流人工湿地的挂膜处理，直至人工湿地出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在85％以上，即得污水脱氮处理潜流人工湿地。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述污水为C/N<2且NO3-N质量浓度≥16mg/L的污水。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，步骤1)中所述植物种植区容积与人工湿地总容积之比为(7-12)：100；玉米芯填料区容积与人工湿地总容积之比为(65-78)：100；硫磺填料区容积与人工湿地总容积之比为(15-25)：100。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述硫磺区填料为硫磺，石灰石、沸石、火山岩颗粒的混合物；所述玉米芯区填料为玉米芯颗粒、石灰石、砾石的混合物。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述硫磺区填料中硫磺，石灰石、沸石、火山岩颗粒的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)；所述玉米芯区填料中玉米芯颗粒、石灰石、砾石的体积比为1：(0.7-1.2)：(0.9-1.2)。
6.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述硫磺区填料中硫磺，石灰石、沸石、火山岩颗粒的粒径为30～35mm；所述玉米芯区填料中玉米芯颗粒、石灰石、砾石的粒径为20-25mm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是，步骤2)中所述潜流人工湿地的挂膜处理包括如下步骤：
2-1)第一阶段挂膜处理
将污水处理厂的C/N比≤2、NO3-N质量浓度≥16mg/L污水从进水管引入人工湿地顶部植物种植区，水流下行，在温度为20-30℃的条件下保持水力停留时间≥15h，依次流经植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区，水流下行至人工湿地底部，从出水管排出人工湿地，进行第一阶段的挂膜处理；
2-2)第二阶段挂膜处理
第一阶段挂膜处理至少15天后，加大进水量，在温度为20-30℃的条件下保持水力停留时间≥5h，依次流经植物种植区、玉米芯填料区、硫磺填料区，水流下行至人工湿地底部，从出水管排出人工湿地，进行第二阶段的挂膜处理；其中在第二阶段挂膜处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，直至TN的去除率达到并维持在85％以上，且保持稳定。
8.一种污水脱氮处理的潜流人工湿地，其特征是，按照如权利要求1-7任一所述方法构建而成。
9.一种污水脱氮处理方法，其特征是，包括将低C/N比污水输送至如权利要求8所述的污水脱氮处理的潜流人工湿地中，控制水力停留时间≥4h。
10.如权利要求9所述的方法，其特征是，污水脱氮处理过程中控制污水处理温度为10-35℃。
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