CN111115836A - 一种多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多级缺氧‑厌氧‑好氧一体化复合人工湿地，包括人工湿地的主床体，主床体横向分为第一区域、第二区域，主床体由三个不同的处理单元组成，分别为好氧处理单元、缺氧处理单元、厌氧处理单元，第一区域或第二区域由上下两个处理单元组成，分别是上处理单元、下处理单元，下处理单元为厌氧处理单元，上处理单元为厌氧处理单元或缺氧处理单元，污水从第一区域或第二区域的床体高度较高的一个区域进入，上单元与厌氧单元之间相通，第一区域或第二区域的底部相通。好氧单元内同时种植挺水植物、沉水植物和漂浮植物。从而使得微生物的硝化‑反硝化作用、生物除磷作用进行得更为彻底，以降低出水中氮磷的含量，提高出水质量。
Description
技术领域
本发明属于污水生态净化技术领域，具体涉及一种多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
人工湿地技术在发展中国家和地区流域面源污染治理中具有突出的优势，由于其管理便捷、低耗高效等优点，已被广泛用于生活污水、工业废水处理以及河流湖泊的治理和生态修复等领域。人工湿地系统是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统。它是一个完整的生态系统，通过形成内部的良好循环，充分发挥资源的生产潜力，获得污水处理与资源化的最佳效益，实现较好的经济效益和生态效益。人工湿地技术投资和运行费用低，并且还具有操作简单，出水水质好，抗冲击力强，能够改善和美化生态环境等优点，因此具有极其广阔的应用前景。
提高脱氮除磷是当前水处理技术提升的核心问题，进一步提高人工湿地系统的脱氮除磷能力，对保障下游水体的水环境质量有重要意义。人工湿地的综述分析表明，表面流人工湿地系统对总氮的平均去除效率不足50％，当冬季温度降低或进水碳氮比下降时，系统对氮的去除率还将进一步下降。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，包括人工湿地的主床体，主床体横向分为第一区域、第二区域，主床体由三个不同的处理单元组成，分别为好氧处理单元、缺氧处理单元、厌氧处理单元，第一区域或第二区域由上下两个处理单元组成，分别是上处理单元、下处理单元，下处理单元为厌氧处理单元，上处理单元为厌氧处理单元或缺氧处理单元，污水从第一区域或第二区域的床体高度较高的一个区域进入，上单元与厌氧单元之间相通，出水口位于相邻的另一个区域，第一区域或第二区域的底部相通。
本发明中创新设计了复合结构的人工湿地，将床体溶解氧含量分为好氧、缺氧、厌氧三个梯度，而构筑出区域化的氧梯度区，并通过水力沿程实现溶解氧不同梯度的三级湿地微系统，从而使得微生物的硝化-反硝化作用、生物除磷作用进行得更为彻底，以降低出水中氮磷的含量，提高出水质量。相比于现有的人工湿地，合理分配了缺氧、好氧、厌氧三个床体的位置，协同工作，提高了处理效果，
本发明中整体结构的布置有利于各个处理单元种群的划分，保证完整的脱氮路径，去除效果更好。
在本发明中实现溶解氧梯度变化实现微生物的硝化-反硝化作用、生物除磷作用进行得更为彻底的关键技术点为通过植物种植以及系统内部单元设计，构造出缺氧-厌氧-好氧的处理单元，从而能够为需要不同溶氧环境的硝化菌、反硝化菌、聚磷菌提供各自适宜的条件，有效提升系统脱氮除磷效果。
作为本发明的一些实施方式，好氧单元设置为表面流人工湿地单元，好氧单元内的下部由砾石组成，中部为土壤层，上部为水层，砾石层由上至下砾石的直径依次增大。表面流人工湿地单元是一种表层有水流动的人工湿地类型，系统内可种植多种类型的湿地植物，污水在好氧单元中缓慢流动，设置成表面流人工湿地单元的目的是通过植物的搭配及增加植物种植密度，结合表层水体的大气复氧过程，提升系统内溶解氧水平，实现系统内部的好氧条件。
作为本发明的一些实施方式，好氧单元的长宽比为3：1～5：1。好氧单元的规格影响好氧单元的污水停留的时间和水力条件，减少死区及缓流区的形成，使系统内溶解氧水平更加均衡。
作为本发明的一些实施方式，好氧单元内同时种植挺水植物、沉水植物和漂浮植物，在温度较低的季节种植菹草、伊乐藻等。优选的，芦苇、香蒲、水葱、金鱼藻、黑藻、浮萍、凤眼莲、睡莲等；优选的，挺水植物的种植密度为10～25株/m2；优选的，漂浮植物和沉水植物的种植密度为3～10株/m2。
作为本发明的一些实施方式，好氧单元的水力坡度为小于0.5％。
作为本发明的一些实施方式，缺氧单元为水平潜流型人工湿地单元，缺氧单元的下部是砾石层，上部是土壤层，砾石层由上至下砾石的直径依次增大，水在单元基质表面以下流动。
作为本发明的一些实施方式，缺氧单元的长宽比为2：1～3：1，深度为0.4～1.0m。
作为本发明的一些实施方式，缺氧单元的水力坡度为0.5％～1％。缺氧单元和好氧单元水力坡度设计的原因为优化系统内部水力条件，避免短流死区，避免湿地堵塞。
作为本发明的一些实施方式，缺氧单元种植挺水植物，所述挺水植物为根系较小泌氧能力较弱的植物，如菖蒲、菰草、水芹，并适当减少种植密度，5～10株/m2。
作为本发明的一些实施方式，厌氧单元由粗砾石组成，厌氧单元的水力坡度为2％～5％及以上。厌氧单元内部设置粗砾石的目的是，粗砾石层孔隙率较大，而且不种植植物，污染物的去除主要通过砾石表面负载的厌氧生物膜，缺氧单元或好氧单元流动过来的污水进行厌氧处理，较大的孔隙率能够提供较多的厌氧反应空间，避免生物膜富集过程造成湿地系统的堵塞。
作为本发明的一些实施方式，厌氧单元与上处理单元之间设置单元隔板，单元隔板为波浪板，厌氧单元与上处理单元之间通过单元隔板一侧的通水口相通。优选的，单元隔板为不锈钢、四氟乙烯、超高分子量的聚乙烯等材质。单元隔板的材质不易腐蚀、抗低温、刚度高，表面具有一定的粗糙度。厌氧单元与上处理单元之间不是完全相通的，通过隔离可以起到分隔两个处理区域的作用。
作为本发明的一些实施方式，厌氧单元与上处理单元之间设置隔墙，隔墙为混凝土或砖石结构，隔墙完全封闭厌氧单元与上处理单元，上处理单元与厌氧单元直接通过溢水口相通，溢水口位于上处理单元的侧壁。通过溢水口污水进入厌氧单元。
作为本发明的一些实施方式，人工湿地主床体的底部铺设防渗隔水层，防渗隔水层自下而上依次设置大粒径砾石、小粒径砾石、砂土和田土构成；优选的，大粒径砾石、小粒径砾石、砂土和田土的构筑比例为1：1：1：1.5-2.5。
本发明中厌氧、缺氧、好氧单元内部结构的设置和植物的种植密度都对氧的含量及细菌的繁殖、生物脱氮及除磷路径有影响。发明人利用上述的复合人工湿地，相比于现有的布置方式，生物脱氮率提高30～50％，除磷率提高20～40％。
本发明的有益效果：
1、通过植物种类及种植密度的控制，实现了不同类型湿地的立体组合结构，并分隔了不同的溶解氧分区。
2、各溶解氧分区能够满足不同功能微生物对代谢环境的要求，相比传统人工湿地，其微生物的种群更加丰富，数量更多，每个分区对应的优势种群能够分别在污染物去除过程中发挥优势。
3、相对于传统湿地，分别具有了针对硝化和反硝化过程的处理单元，能够保证完整的生物脱氮路径，对氮的去除效率更高，去除更彻底更稳定。
4、前置缺氧湿地单元处理残留的有机物，及其代谢的中间产物及小分子有机产物，可以为后续的厌氧处理单元反硝化提供碳源，从而不需要外加碳源，能够保证反硝化的顺利进行。
5、系统集成化程度高，立体性好，可以根据地形地势进行多种变形，景观化效果好，处理效果好，具有较好的环境经济价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合湿地剖面图；
图2为实施例1的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合湿地俯视图；
图3为单元隔板示意图；
图4为实施例2的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合湿地实施例二剖面示意图；
图5为实施例2的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合湿地实施例二俯视示意图；
图6为实施例3的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合湿地实施例三剖面示意图；
其中，1、进水口；2、湿地基质；3、单元隔板；4、挺水植物；5、沉水植物；6、漂浮植物；7、出水口；8、溢水口；9、好氧单元出水口；10、出水储水池。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如背景技术中所述现有的人工湿地脱氮率较低，生物脱氮作用是依靠微生物的硝化及反硝化过程。硝化过程是在有氧的环境下进行，硝化细菌在自身的代谢过程中将水中的氨氮转化成亚硝酸盐氮并进一步转化成硝酸盐氮；反硝化过程则依靠反硝化菌，在缺氧或厌氧的条件下将硝酸盐氮逐步转化成氮气，从而将氮从系统中脱除。生物除磷则是通过聚磷菌的好氧释磷和厌氧吸磷过程，完成磷从水处理系统中的去除。在人工湿地系统中，氧气的主要来源包括大气富氧和植物的根系泌氧，其对溶解氧的分区并不明显，反硝化过程容易受到抑制，其对磷的去除也无法依靠聚磷菌的生物特性，反而更多的通过基质吸附与植物的吸收作用达到去除效果。
本发明通过人工分区技术将床体分出氧梯度区，通过溶解氧的梯度变化，使缺氧-厌氧-好氧各区域分别适宜不同功能微生物的生长，从而促进生物脱氮及生物除磷过程的进行，进一步提高系统出水水质。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例一：
如图1和图2所示，多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地的结构为：厌氧单元上方的上处理单元为缺氧单元，好氧单元位于横向的另一个区域内。进水口由缺氧单元进入，厌氧单元和好氧单元的底部相通。
污水经过布水系统后通过进水口1进入缺氧生物单元，这一单元为水平潜流人工湿地系统，长宽比为2.5：1，深度为0.6m，水力坡度0.7％。种植挺水植物4，如水芹，种植密度为5株/m2。湿地内部基质2自上而下基质粒径依次增大。在这一单元内溶解氧浓度较低，通过微生物的好氧分解、植物的吸附吸收、填料的吸附拦截，污水中的有机物被部分去除，一些大分子有机物被降解成小分子有机物，同时发生含氮物质的氨化硝化过程。
处理后污水沿单元隔板3，从缺氧湿地单元末端流入厌氧单元。厌氧单元内无植物，水力坡度3％，基质全部设置为大粒径砾石，表面生长有一定数量的厌氧的微生物。由于污水经过缺氧单元的生物反应过程，水中分子态溶解氧已经全部耗尽，在单元隔板下方的区域由于没有大气富氧及植物根系泌氧，从而形成一个完全的厌氧区域。在这里反硝化细菌利用缺氧湿地单元的硝化产物，以未完全降解的有机物作为碳源，进行反硝化作用，最终产生氮气，完成氮的去除。在这一单元，同时还发生了聚磷菌的厌氧释磷过程，聚磷菌在吸收利用水体中有机磷合成细胞所需能量物质的同时，将代谢产生的无机态磷释放到水体中并随水流运动进入到下一单元。单元隔板3采用超高分子量的聚乙烯材质，厚度为2cm，单元隔板表面构造沟壑，增加粗糙度，使其易于挂膜增强水质净化效果。
污水随后进入好氧单元，其长宽比为4：1，水力坡度为0.4％，水深0.4m，在好氧单元同时种植挺水植物4，如芦苇和香蒲，沉水植物5，如金鱼藻和黑藻，漂浮植物6，如凤眼莲和睡莲，挺水植物的种植密度为25株/m2，漂浮植物和沉水植物的种植密度为10株/m2。在这一单元，由于水体表面的大气复氧作用以及植物根系的泌氧作用，系统内溶解氧水平较高，该处湿地存在较多的好氧细菌，能够进一步对污水进行好氧生物降解，去除污水中残留的有机物，同时这一单元植物种植密度较高，植物生长过程需要大量的氮磷营养物质，厌氧单元释放的无机磷在这里被植物所吸收，从而同时降低了水体中的磷浓度。处理后水最终从出水口7排出。
污水的生物脱氮率为85～95％，除磷率为85～95％。
实施例二：
如图4和图5所示，实施例二与实施例一的厌氧单元构筑方式不同，本实施例中不采用单元隔板，而是通过湿地的立体构置形成厌氧单元。厌氧单元的上方设置好氧单元，缺氧单元位于横向的另一个区域内。进水口由缺氧单元进入，厌氧单元和好氧单元通过溢水口相通。
污水经过布水系统后通过进水口1进入缺氧生物单元。污水经过缺氧生物处理后，继续向前流入厌氧单元，厌氧单元基质全部设置为大粒径砾石，表面生长有一定数量的厌氧的微生物。在厌氧单元污染物进行代谢转化及去除过程。处理后出水通过厌氧单元侧边溢水口8进入到好氧单元中。好氧单元能够进一步对污水进行好氧生物降解，去除污水中残留的有机物，同时这一单元植物种植密度较高，植物生长过程需要大量的氮磷营养物质，厌氧单元释放的无机磷在这里被植物所吸收，从而同时降低了水体中的磷浓度。处理后水通过好氧单元出水口9进入出水储水池10中，并最终排出。
污水的生物脱氮率为85～95％，除磷率为85～95％。
实施例三：
如图6所示，实施例三的构筑方式为厌氧单元的上方设置好氧单元，缺氧单元位于横向的另一个区域内。进水口由好氧单元进入，厌氧单元和好氧单元通过溢水口相通。适用于高浓度废水的处理过程。当进水浓度较高时，缺氧单元设置水流方向的最前端，容易造成缺氧单元的厌氧，从而使系统腐化严重，降低去除效果，影响系统景观效果。好氧段设置在在最前，系统内溶解氧水平较高，好氧微生物丰富，植物种植密度高，通过好氧过程及植物的作用能够首先将污水中大量的有机物进行去除而不会发生腐化厌氧，去除后残留的有机物还可作为后续厌氧单元、缺氧单元的碳源，进一步通过后续单元将污染物彻底去除。
高浓度废水先进入好氧单元，在这里先发生有机物的好氧生物降解过程以及含氮有机物的氨化和硝化过程，由于废水中有机物浓度较高，经过好氧段的处理后，水体中仍含有一定量的有机碳源，可满足后续厌氧单元反硝化及厌氧释磷过程对碳源的需求，处理后废水进入缺氧段，进一步完成残留有机物以及氮磷的去除过程。
污水的生物脱氮率为80～90％，除磷率为80～90％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：包括人工湿地的主床体，主床体横向分为第一区域、第二区域，主床体由三个不同的处理单元组成，分别为好氧处理单元、缺氧处理单元、厌氧处理单元，第一区域或第二区域由上下两个处理单元组成，分别是上处理单元、下处理单元，下处理单元为厌氧处理单元，上处理单元为厌氧处理单元或缺氧处理单元，污水从第一区域或第二区域的床体高度较高的一个区域进入，上单元与厌氧单元之间相通，出水口位于相邻的另一个区域，第一区域或第二区域的底部相通。
2.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：好氧单元设置为表面流人工湿地单元，好氧单元内的下部由砾石组成，中部为土壤层，上部为水层，砾石层由上至下砾石的直径依次增大；
或，好氧单元的长宽比为3：1～5：1。
3.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：好氧单元内同时种植挺水植物、沉水植物和漂浮植物，在温度较低的季节种植菹草、伊乐藻；
优选的，芦苇、香蒲、水葱、金鱼藻、黑藻、浮萍、凤眼莲、睡莲；
优选的，挺水植物的种植密度为10～25株/m2；
优选的，漂浮植物和沉水植物的种植密度为3～10株/m2。
4.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：好氧单元的水力坡度为小于0.5％。
5.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：缺氧单元为水平潜流型人工湿地单元，缺氧单元的下部是砾石层，上部是土壤层，砾石层由上至下砾石的直径依次增大，水在单元基质表面以下流动。
6.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：缺氧单元的长宽比为2：1～3：1，深度为0.4～1.0m；
或，缺氧单元的水力坡度为0.5％～1％。
7.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：缺氧单元种植挺水植物，所述挺水植物为根系较小泌氧能力较弱的植物；优选的，植物为菖蒲、菰草、水芹；
优选的，种植密度为5～10株/m2。
8.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：厌氧单元由粗砾石组成，厌氧单元的水力坡度为2％～5％及以上。
9.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：厌氧单元与上处理单元之间设置单元隔板，单元隔板为波浪板，厌氧单元与上处理单元之间通过单元隔板一侧的通水口相通；
或，厌氧单元与上处理单元之间设置隔墙，隔墙为混凝土或砖石结构，隔墙完全封闭厌氧单元与上处理单元，上处理单元与厌氧单元直接通过溢水口相通，溢水口位于上处理单元的侧壁。
10.根据权利要求1所述的多级缺氧-厌氧-好氧一体化复合人工湿地，其特征在于：人工湿地主床体的底部铺设防渗隔水层，防渗隔水层自下而上依次设置大粒径砾石、小粒径砾石、砂土和田土构成；
优选的，大粒径砾石、小粒径砾石、砂土和田土的构筑比例为1：1：1：1.5-2.5。
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