CN110407327A - 一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统及其处理尾水的方法 - Google Patents

一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统及其处理尾水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统及其处理尾水的方法，所述微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统包括垂直流人工湿地子系统、高效微曝气子系统和生态塘子系统；所述垂直流人工湿地子系统包括湿地基质和湿地植物；所述高效微曝气子系统沿平面平均分布设置于所述湿地基质中部；所述垂直流人工湿地子系统设有与底部连通且高于底部的出水口，垂直流人工湿地子系统的出水口与生态塘子系统的进水口连通；所述生态塘子系统包括依次串联的至少两级种植有沉水植物的生态塘。本发明的组合系统对有机质和氮磷具有较强的处理能力，去除率高，且处理效果稳定，成本较低，具有研究价值，适于广泛推广。

Description

一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统及 其处理尾水的方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，更具体地，涉及一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统及其处理尾水的方法。
背景技术
随着我国水资源短缺以及水环境受污染情况日益严峻，城市污水处理厂二级出水即污水厂尾水对环境的二次污染问题逐渐引起人们的广泛重视。开展对城市污水处理厂尾水深度处理与回用，能有效地解决我国水资源匮乏问题，实现水资源可持续发展。由于我国普遍采用的城市污水处理厂尾水再生处理技术存在设备投资和运行费用比较昂贵、净化效果不太理想等问题，尾水再生利用的发展受到了限制。因此，开发高效、低耗、低成本、占地面积需要不大且具有良好生态价值的工艺对实现尾水深度净化回用有重大意义。
人工湿地技术是一种经济有效，管理方便的生态技术，可用于尾水深度净化，然而其脱氮能力不强成为实际应用的限制性因素。人工湿地的富氧能力受水力负荷、进出水方式以及水力停留时间的影响较大，在处理高负荷、高浓度废水时湿地的好氧氧化和消化能力会严重不足，从而造成系统对有机质和氮磷去除率的下降。在现有的技术研究中，有对人工湿地系统进行改进的措施，专利201720071848.2《强化脱氮的太阳能曝气垂直流人工湿地系统》中提到在人工湿地中安装了曝气设施，增强了系统的富氧能力，有利于系统对有机质以及氨氮的去除效率。然而，系统整体脱氮能力依赖于厌氧阶段的反硝化能力，系统中厌氧、缺氧环境的缺失会造成系统整体脱氮能力的下降。
因此，针对现有的技术问题，需要开发出对有机质和氮磷去除率更高的人工湿地系统。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的有机质和氮磷去除率不高的缺陷，提供一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，提供的组合系统对有机质和氮磷具有较强的处理能力，且处理效果稳定，成本较低，具有研究价值，适于广泛推广。
本发明的另一目的在于提供上述微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统处理尾水的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，包括垂直流人工湿地子系统、高效微曝气子系统和生态塘子系统；所述垂直流人工湿地子系统包括湿地基质和湿地植物；所述高效微曝气子系统沿平面平均分布设置于所述湿地基质中部；
所述垂直流人工湿地子系统设有与底部连通且高于底部的出水口，垂直流人工湿地子系统的出水口与生态塘子系统的进水口连通；所述生态塘子系统包括依次串联的至少两级种植有沉水植物的生态塘。
本发明的组合系统设置了高效微曝气子系统、垂直流人工湿地子系统和至少两级种植有沉水植物的生态塘子系统。首先搭建垂直流人工湿地系统，可根据不同类型的污水选择填充需要的基质。湿地基质上部为好氧区，在湿地基质中上层安装沿平面平均分布的高效微曝气子系统，根据进水水质的情况以及出水要求进行可控制的曝气，最大程度的提高系统的富氧氧化能力和硝化反应的进行。湿地基质下部为厌氧区，垂直流人工湿地从底部出水，通过提升出水高度的方式，在湿地底部设置厌氧储水层，提供厌氧环境，减少曝气装置对厌氧环境的影响，进一步提高系统的脱氮性能。湿地植物根系发达且生长繁殖较快，能够极大程度的提高氧气传输速率，增强系统内部微生物系统的活性。
污水经过垂直流人工湿地处理后进入至少两级沉水植物生态塘组合系统，在生态塘中通过微生物的作用进一步氧化分解微生物，在两级生态塘中分别种植不同种类的沉水植物，沉水植物类型可根据气温、水质状况等进行选择，通过沉水植物的作用进一步净化水质，使最终出水水质达标排放。
综上，本发明通过曝气装置加强了垂直流人工湿地子系统的富氧能力，增强了系统的氧化反应和硝化能力，能够极大程度的提高系统对有机质和氨氮的去除效果；下部为厌氧区，通过提高出水口高度在系统内部形成储水层的方式营造厌氧环境，提高垂直流人工湿地子系统的反硝化能力，提高系统的脱氮性能；后续的至少两级生态塘进一步去除水质中的污染物，使最终出水水质达标排放。上述组合系统对有机质和氮磷具有较强的处理能力，且处理效果稳定，成本较低，具有研究价值，适于广泛推广。
优选地，所述高效微曝气子系统包括沿平面平均分布设置于所述湿地基质中部的曝气装置和用于控制所述曝气装置定时定量曝气的控制部件。通过该控制部件，湿地基质进行定时定量曝气。
优选地，所述垂直流人工湿地子系统中的湿地基质为传统基质、铁砂球基质或复合块状基质。
上述三种湿地基质的类型以及不同的填充方式，可供处理不同类型的污水选择填充。湿地基质采用不同类型以及上下分层的填充方式，增强系统的虹吸效应，不同的湿地基质对不同的污染物的去除效果存在差异，且受水力负荷和曝气方式、时间的影响较大，根据进水水质的不同采取不同的基质类型。
优选地，所述传统基质自下而上分别为层厚为15cm的碎石、层厚为35cm沸石、层厚为20cm的蛭石、层厚为15cm的粗砂、层厚为10cm的中砂和层厚为5cm的细砂。
优选地，所述铁砂球基质自下而上分别为层厚为15cm的碎石、层厚为20cm的沸石和层厚为65cm的铁砂球。所述铁砂球中的铁砂和水泥比例为1.5:1。
优选地，所述复合块状基质自下而上分别为层厚为15cm的碎石和层厚为85cm的块状基质。所述块状基质包括如下质量百分数的组分水泥10％、铁砂25％、蛭石15％、河沙10％、小沸石5％和红壤35％。
优选地，所述湿地植物为象草。垂直流人工湿地系统种植生物量大、根系发达的象草，最大程度的增强植物的影响作用。象草是一种多年生草本植物，植株高大，根系发达。喜温暖湿润气候，但其适应性强，耐短期轻霜、耐旱能力较强。因其分蘖多、使用年限长，是我国人工草场的优质牧草。此外，象草作为一种能源植物，能够替代煤炭石油发电。
优选地，位于水流方向上游的生态塘的水位高于下游的生态塘的水位。
优选地，所述沉水植物为黑藻、狐尾藻、耐污型苦草、耐寒型苦草、普通河流种苦草和眼子菜中的一种或两种以上的组合。
生态塘中的沉水植物类型可根据气温、水质状况等进行选择，可变换性强。在两级塘内分别种植不同类型的沉水植物，不同种类的沉水植物对不同污染物去除能力存在差异，在不同气候条件下，不同水力负荷条件下植物品种的影响也存在很大差异。
优选地，所述生态塘子系统包括串联的第一生态塘和第二生态塘，所述第一生态塘的进水口与垂直流人工湿地子系统的出水口连通。生态塘子系统中塘底填充富含大量物生物的塘泥，能够极大地提高塘内的微生物降解反应，并根据待处理水质种植生态塘中的沉水植物。
优选地，所述第一生态塘与第二生态塘中的沉水植物不同。
本发明还保护上述微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统处理尾水的方法，所述方法包括如下步骤：
S1.尾水进入垂直流人工湿地子系统，高效微曝气子系统进行曝气，水到达垂直流人工湿地子系统的底部；
S2.垂直流人工湿地子系统底部的水再进入生态塘子系统进行进一步处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的组合系统加强了垂直流人工湿地子系统的富氧能力，增强了系统的氧化反应和硝化能力，能够极大程度的提高系统对有机质和氨氮的去除效果；下部为厌氧区，提高垂直流人工湿地子系统的反硝化能力，提高系统的脱氮性能；后续的至少两级生态塘进一步去除水质中的污染物，使最终出水水质达标排放。
该组合系统对有机质和氮磷具有较强的处理能力，且处理效果稳定，成本较低，具有研究价值，适于广泛推广。
而且，该组合系统设计了三种湿地基质，可调控的曝气装置以及多种沉水植物类型，可供不同污水处理要求进行选择，可变换性强、适应范围广。
附图说明
图1为实施例1的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的示意图。
图2为实施例2的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的示意图。
图3为实施例3的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的示意图。
图4为实施例1～3的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的示意图处理尾水时氨氮的处理效果。
图5为实施例1～3的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的示意图处理尾水时TN的处理效果。
图6为实施例1～3的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的示意图处理尾水时TP的处理效果。
图7为实施例1～3的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的示意图处理尾水时COD的处理效果。
图中，1、垂直流人工湿地子系统，11、湿地基质，12、湿地植物，13、出水口；2、高效微曝气子系统；3、生态塘子系统，31、第一生态塘，32、第二生态塘。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例中的原料均可通过市售得到；
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，如图1所示，包括垂直流人工湿地子系统1、高效微曝气子系统2和生态塘子系统3。垂直流人工湿地子系统1包括湿地基质11和湿地植物12。高效微曝气子系统2沿平面平均分布设置于湿地基质11中部。垂直流人工湿地子系统1设有与其底部连通且高于底部的出水口13，垂直流人工湿地子系统1的出水口13与生态塘子系统3的进水口连通。生态塘子系统3包括依次串联的至少两级种植有沉水植物的生态塘。
构建方式：在网室内进行布置，采用硬质塑料按照垂直下行流方式构建小型人工湿地试验装置，作为垂直流人工湿地子系统：其尺寸长宽高为70cm×70cm×120cm，并填充经过人工配制的复合混合基质，安装曝气管、进出水管和碳源污水管；在湿地基质中上部(即离底部60cm处)均匀安装分布曝气管，另设置控制定时定量曝气的控制部件，以此构建高效微曝气子系统。湿地植物为象草，一种多年生草本植物，植株高大，根系发达；喜温暖湿润气候，但其适应性强，耐短期轻霜、耐旱能力较强；因其分蘖多、使用年限长，是我国人工草场的优质牧草；此外，象草作为一种能源植物，能够替代煤炭石油发电。进水水质按照城市污水厂排放标准一级B标准(GB 18918-2002)配置。
本实施例中，垂直流人工湿地的湿地基质高为1m，采用传统基质，自下而上分别为层厚为15cm的碎石、层厚为35cm沸石、层厚为20cm的蛭石、层厚为15cm的粗砂、层厚为10cm的中砂和层厚为5cm的细砂。
通过将两级栽种有沉水植物的独立水箱作为生态塘箱体分别与垂直流人工湿地串联组合，形成湿地-生态塘-生态塘复合系统，每一个生态塘箱体长宽高的规格均为100cm×50cm×50cm的PVC塑料箱，两级生态塘箱体用砖块进行不同程度的抬升，从而把各级系统形成一定的高度差，用于保持系统处理的进出水在重力作用下顺畅流动，形成一个低能耗污水处理复合系统。
本实施例中，靠近垂直流人工湿地的生态塘种植黑藻，另一个生态塘种植耐污型苦草。
实施例2
本实施例为微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统的第二实施例，与实施例1的区别在于，垂直流人工湿地的基质采用铁砂球基质，自下而上分别为层厚为15cm的碎石、层厚为20cm的沸石和层厚为65cm的铁砂球，铁砂球中的铁砂和水泥比例为1.5:1；
靠近垂直流人工湿地的生态塘种植河流型苦草，另一个生态塘种植耐寒型苦草；
其他部件及连接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，垂直流人工湿地的基质采用复合块状基质，自下而上分别为层厚为15cm的碎石和层厚为85cm的块状基质，块状基质包括如下质量百分数的组分水泥10％、铁砂25％、蛭石15％、河沙10％、小沸石5％和红壤35％；
靠近垂直流人工湿地的生态塘种植狐尾藻，另一个生态塘种植眼子菜；
其他部件及连接关系与实施例1相同。
试验例1
利用实施例1～3的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统进行尾水处理试验。
实施例1的组合系统处理尾水时的参数：(水力负荷：25cm/d，气水比：1/1，曝气方式：间歇曝气)；
实施例2的组合系统处理尾水时的参数：(水力负荷：25cm/d，气水比：1/1，曝气方式：间歇曝气)；
实施例3的组合系统处理尾水时的参数：(水力负荷：25cm/d，气水比：1/1，曝气方式：间歇曝气)。
试验结果如图4～7所示，其中，复合系统1表示实施例1，复合系统2表示实施例2，复合系统3表示实施例3。
试验结果
组合系统运行期间分别测定进出水中氮磷元素和COD的进出水浓度，实施例1～3的组合系统对污染物的去除效果如图4～7所示。依据重铬酸钾消解法、过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法、纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测试COD、TP、NH4 +-N、TN的浓度。
实施例1(传统基质湿地+黑藻+耐污型苦草)对COD、TP、NH4 +-N、TN的处理出水浓度分别是11.38mg/L、0.12mg/L、0.28mg/L、1.93mg/L，对COD、TP、NH4 +-N、TN的平均去除率分别达到了79.1％、88.2％、96.1％、85.3％；实施例2(铁砂球基质湿地+河流型苦草+耐寒型苦草)对COD、TP、NH4 +-N、TN的处理出水浓度分别是12.93mg/L、0.09mg/L、0.55mg/L、2.94mg/L，对COD、TP、NH4 +-N、TN的平均去除率分别达到了76.9％、91.7％、92.4％、78.5％；实施例3(复合块状基质湿地+狐尾藻+眼子菜)对COD、TP、NH4 +-N、TN的处理平均出水浓度分别是15.81mg/L、0.10mg/L、0.35mg/L、2.81mg/L，对COD、TP、NH4 +-N、TN的平均去除率分别达到了71.3％、90.2％、94.2％、81.2％。
可见，本发明提供的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统对有机质和氮磷具有较强的处理能力，且处理效果稳定。而且，成本较低，具有研究价值，适于广泛推广。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，包括垂直流人工湿地子系统(1)、高效微曝气子系统(2)和生态塘子系统(3)；所述垂直流人工湿地子系统(1)包括湿地基质(11)和湿地植物(12)；所述高效微曝气子系统(2)沿平面平均分布设置于所述湿地基质(11)中部；
所述垂直流人工湿地子系统(1)设有与其底部连通且高于底部的出水口(13)，所述垂直流人工湿地子系统(1)的出水口(13)与生态塘子系统(3)的进水口连通；所述生态塘子系统(3)包括依次串联的至少两级种植有沉水植物的生态塘。
2.根据权利要求1所述的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，所述高效微曝气子系统(2)包括沿平面平均分布设置于所述湿地基质(11)中部的曝气装置和用于控制所述曝气装置定时定量曝气的控制部件。
3.根据权利要求1所述的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，所述垂直流人工湿地子系统(1)中的湿地基质(11)为传统基质、铁砂球基质或复合块状基质。
4.根据权利要求1所述的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，所述湿地植物(12)为象草。
5.根据权利要求1所述的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，位于水流方向上游的生态塘的水位高于下游的生态塘的水位。
6.根据权利要求1所述的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，所述沉水植物为黑藻、狐尾藻、耐污型苦草、耐寒型苦草、普通河流种苦草和眼子菜中的一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，所述生态塘子系统包括串联的第一生态塘(31)和第二生态塘(32)，所述第一生态塘(31)的进水口与垂直流人工湿地子系统(1)的出水口(13)连通。
8.根据权利要求7所述的微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统，其特征在于，所述第一生态塘(31)与第二生态塘(32)中的沉水植物不同。
9.权利要求1～8任一项所述微曝高效垂直流人工湿地与沉水植物生态塘组合系统处理尾水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.尾水进入垂直流人工湿地子系统(1)，高效微曝气子系统(2)进行曝气，水到达垂直流人工湿地子系统(1)的底部；
S2.垂直流人工湿地子系统(1)底部的水再进入生态塘子系统(3)进行进一步处理。
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