CN111517587A - 低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺 - Google Patents

Abstract

一种低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，是将污水依次流经表面流人工湿地和深床水平潜流湿地，所述表面流湿地包括一级表面流湿地和二级表面流湿地，一级表面流湿地中投加硝化细菌菌剂，一级表面流湿地的末端设置曝气跌水堰，所述深床水平潜流湿地自下至上依次铺设透气防渗砂层、过滤层、反硝化菌剂复合碳源层和生态砾石填料层，所述表面流湿地的尾水经过集水堰和过水涵管进入深床水平潜流湿地，再经过深床水平潜流湿地的布水渠、潜流湿地主体和集水渠排出。本发明解决了潜流湿地硝化反应曝气问题、反硝化缺少碳源、潜流湿地水力负荷低占地面积大的问题，确保了人工湿地系统稳定运行，使低污染污水得到深度强化脱氮处理。

Description

低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺

技术领域

本发明涉及一种用于对低污染污水深度处理的深床潜流方法，属于潜流人工湿地技术领域。

背景技术

人工湿地是一种利用自然过程实现废水净化的生态处理技术，具有基建运行费用低、管理方便、美化环境等优点，在发展中地区流域污染治理中具有突出的应用优势。人工湿地可以用不同的水力方式运行，包括表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地。人工湿地可有效处理水质浓度介于《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918二级标准至《地表水环境质量标准》GB3838Ⅳ类水标准之间的水，包括污水处理厂出水、重污染河水、重污染湖水等。

表面流人工湿地为开放水域，外观类似于自然湿地，表面流湿地具有良好的生态效益和景观效应。但是表面流湿地易受冬期气温的影响，低气温导致水面结冰，污染物去除效果会受到影响；并且夏季滋生蚊蝇，病原体也会暴露出来，对于人类的健康造成威胁。

潜流人工湿地从流态上可以分为水平和垂直潜流人工湿地。其特点是以水生植物作为表面植被，碎石土壤作为基质填料，令水面保持在滤床之下，水体以水平或垂直流动方式在基质中渗透流出。垂直流湿地分为上行和下行流两类，这是由进水口和出水口的位置决定的。潜流湿地具有污水没有暴露在空气中，不易滋生蚊蝇，降低人类接触病原微生物的优点。同时，潜流人工湿地也具有建设和维护的成本要高、氨氮有去除效果有限的问题。

氮是污水中主要污染物之一，氮超标会造成水体富营养化，影响溶解氧含量，并可能产生毒性物质伤害水生生物。人工湿地对氮的去除途径主要分为以下几个方面：

(1)氨化作用

即有机氮转化成氨氮的生物反应，人工湿地进水中的有机氮需要在酶的作用下转化为氨氮，这一过程是好氧反应，湿地深度增加则氨化作用减弱，在湿地上层区域氨化反应最强烈。

氨基酸→亚氨基酸→酮酸→NH₃

(2)硝化和反硝化作用

这是人工湿地中氨氮向硝酸盐转化的过程，首先氨氮在亚硝化菌的作用下产生亚硝态氮，然后在硝酸菌的作用下生成硝态氮。最终经过反硝化细菌的作用下生成N₂、N₂O或NO。反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O₂为电子受体进行呼吸；在无氧而有NO₃-或NO₂存在时，则以NO₃ ^-或NO₂ ^-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。

(3)硝酸盐异化作用

即人工湿地中硝态氮和亚硝态氮向氨氮转化的作用。这种反应的条件为环境中富含碳源而缺少硝酸盐，并且存在兼性或专性厌氧菌，甲酸盐为电子供体的情况下，利于硝酸盐和亚硝酸盐去除。

目前湿地系统的运行过程中主要有以下问题亟待解决：

1.潜流湿地硝化反应不充分、曝气系统费用较高的问题

污水生物处理技术上通行的曝气方法主要有：鼓风曝气、机械曝气和两者联合的鼓风-机械曝气。如何从节能角度采取合理的曝气充氧方式成为提升硝化反应、去除污水中氨氮的重要解决途径。

2.水平潜流人工湿地占地面积大、水力负荷低的问题

水平潜流人工湿地工艺常用来对污水处理厂的低污染尾水进行深度处理，而水平潜流湿地的水力负荷一般为0.3-1m/d，对于流量动辄上万方/天的污水处理厂，需要几十亩甚至上百亩的土地建立湿地。如何提升工艺、提高水平潜流湿地的水力负荷成为有效减少项目用地、提高土地利用率的重要解决途径。

3.水生植物资源化的问题

水生植物在秋冬季收割后，每年产生数以吨计的枯枝、败叶和死根。上述植物质除极少一部分具有经济效益可以再运输买卖，大部分植物质运输成本大于再利用价值，如何就地处理并将之资源化，成为人工湿地运营后的重要经济问题。

4.潜流人工湿地缺少碳源的问题

碳源是影响人工湿地系统反硝化作用的限制性因素，添加碳源能够有效提高脱氮效率。当污水中有机碳源充足，既BOD₅/TN＜3或COD_Cr/TN＜6时，可认为系统中反硝化碳源不足需要外加碳源进行补充。污水处理厂尾水COD/TN通常小于3，人工湿地系统因缺乏反硝化作用所需的碳源导致脱氮效果较差。所以需要通过向湿地系统补充碳源，强化人工湿地系统的反硝化作用，从而提高人工湿地系统的脱氮效率。如何高效快速地补充碳源成为提高人工湿地系统脱氮效率的重要解决途径。

发明内容

本发明针对现有潜流人工湿地存在的不足，提出一种能够对低污染污水强化脱氮深度处理、确保稳定运行的深床潜流工艺。

本发明的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，采用以下技术方案：

该工艺，是将污水依次流经表面流人工湿地和深床水平潜流湿地；所述表面流湿地包括一级表面流湿地和二级表面流湿地，一级表面流湿地中投加硝化细菌菌剂，一级表面流湿地的末端设置曝气跌水堰；所述深床水平潜流湿地自下至上依次铺设透气防渗砂层、过滤层、反硝化菌剂复合碳源层和生态砾石填料层；在线监测深床水平潜流湿地进水(表面流湿地的出水)水质，当BOD₅/TN＜3或COD_Cr/TN＜6时，在深床水平潜流湿地中补充碳源。

所述表面流湿地的尾水经过集水堰和过水涵管进入深床水平潜流湿地，再经过深床水平潜流湿地的布水渠、潜流湿地主体和集水渠排出。

所述一级表面流湿地前端设置好氧稳定塘；所述好氧稳定塘的有效水深设计为0.5-1.2m。所述好氧稳定塘末端设置生态砾石床，以加强稳定过滤能力。

所述一级表面流湿地的设计水深为0.5-2.0m，二级表面流湿地的设计水深为0.2-1.0m，水力负荷为0.1-0.5m/d。所述一级表面流湿地与二级表面流湿地的长度比为1：1～1：3，每级表面流湿地的长宽比为3：1～5：1。所述曝气跌水堰的设计参数如下：跌水高度(两级表面流湿地的水平高程差)为30-80cm，跌水深度(二级表面流湿地跌水处的池深)为20-40cm。所述硝化细菌菌剂的投加量在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)下投加量应为0.2-0.5kg/m³。

所述深床水平潜流湿地的池深为1.6-1.8m，水力负荷为0.4-1.2m/d。

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0.25-0.35cm的细沙构成。所述反硝化菌剂复合碳源的投加量在深床水平潜流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，水力负荷为0.4～1.2m/d时，反硝化菌剂复合碳源的投加量为2.5-3.0kg/(m³/d)。反硝化菌剂复合碳源层是先根据当地湿地进水水质推算需要添加的碳源量，直接铺设好。

所述深床水平潜流湿地的布水渠中投加反硝化菌剂复合碳源。所述反硝化菌剂复合碳源由固体碳源和反硝化菌粉按照质量比15：1至5：1的比例混合而成。所述固体碳源为收割的湿地水生植物加工而成。所述固体碳源的制备过程为：收割已运行湿地中的水生植物，将含水量控制在15％±0.2％(14.8％-15.2％)，打碎、混合和压实，形成颗粒状的固体碳源(长度为1-1.5cm宽度为0.3-0.5cm)。

本发明解决了潜流湿地硝化反应曝气问题、反硝化缺少碳源、潜流湿地水力负荷低占地面积大的问题，并且能够解决人工湿地植物收割后再利用的问题，确保了人工湿地系统稳定运行，使低污染污水得到深度强化脱氮处理。

附图说明

图1是本发明低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺的原理示意图。

图中：1.巴氏计量槽，2.过水涵管，3.泵站，4.好氧稳定塘，5.过水涵管，6.一级表面流湿地，7.曝气跌水堰，8.二级表面流湿地，9.过水涵管，10.潜流湿地布水渠，11.透气防渗砂，12.过滤层，13.反硝化菌剂复合碳源层，14.集水渠，15.排水口，16.生态砾石填料层。

具体实施方式

本发明用于低污染污水强化脱氮深度处理，将污水依次流经表面流人工湿地和深床水平潜流湿地，其具体运行过程如图1所示。

1.制备反硝化菌剂复合碳源

收集已运行湿地中纤维素含量较高的水生植物，如芦苇、风车草、芦竹经过收割、自然晾晒后，控制水生植物的含水量，将水生植物的含水量控制在15％±0.2％以内，若干燥后含水量超过15％±0.2％，可加入相应质量的淀粉控制在要求范围内。经过造粒机打碎、混合、压实，形成长度为1-1.5cm宽度为0.3-0.5cm的固体碳源。

将采购的反硝化菌剂粉碎，固体碳源和成品反硝化菌粉按照质量比15：1至5：1的比例搅拌混合均匀，制备为反硝化菌剂复合碳源。

2.构建表面流湿地及曝气跌水堰

将表面流湿地为两级结构，一级表面流湿地的设计水深为0.5-2.0m，并在一级表面流湿地中投加硝化细菌菌剂，菌剂的投加量在人工湿地系统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，硝化细菌菌剂的投加量应为0.2-0.5kg/m³。一级表面流湿地的长度与二级表面流湿地的长度比在1：1至1：3之间。每级表面流湿地的长宽比为3：1至5：1之间。在一级表面流湿地的末端设置曝气跌水堰7，曝气跌水堰7的设计参数如下：跌水高度(两级水平高程差)为30-80cm，跌水深度(第二级跌水处池深)为20-40cm。二级表面流湿地的设计水深为0.2-1.0m，表面流湿地表面水力负荷为0.1-0.5m/d的范围内。

按照水流方向，将需要经过水质提升的水源经过管道引入湿地。可在湿地前端设计好氧稳定塘4以沉沙过滤。好氧稳定塘4的设计参数依据《污水稳定塘设计规范》(CJJT54-93)，将好氧稳定塘的有效水深设计为0.5-1.2m。必要时可在好氧稳定塘4的末端设计生态砾石床，加强稳定过滤能力。经过生态砾石床过滤后，污水经过涵管进入表面流湿地。由上游污水处理厂的尾水经过管道流入表面流湿地，无需经过好氧稳定塘的沉沙过滤。

根据项目区地理条件，计算项目设计高程，若不满足湿地出水条件，可考虑在项目区域内增加提升泵站3。通常情况下，人工湿地的整体高程水头损失为50-70cm，采取曝气跌水堰7应额外增加30-80cm水头损失。泵站3应考虑到整体的高程水头损失，选取相应的提升扬程。

图1中，污水处理厂的尾水经过出水巴氏计量槽1与过水涵管2进入泵站3进行提升，再进入好氧稳定塘4进行沉沙稳定，然后由过水涵管5进入一级表面流湿地6，一级表面流湿地尾水经过曝气跌水堰7进入二级表面流湿地8深层净化。

3.构建深床水平潜流湿地

深床水平潜流湿地的设计深度为1.6-1.8m，其主体的进水和排水两侧分别设置布水渠10和集水渠14。主体自下至上依次铺设透气防渗砂层11、过滤层12、反硝化菌剂复合碳源层13和生态砾石填料层16。反硝化菌剂复合碳源层13在湿地铺设填料的时候就直接铺好了。

透气防渗砂层11的厚度为5-15cm，透气量为90mL/(cm·s)，2米高水压下渗透速率＜0.3kg/m2/h。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12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。在透气防渗砂层11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。

在线监测二级表面流湿地8的尾水(出水)水质，根据检测结果分析水质中的BOD₅、COD_Cr、TN的数据，当BOD₅/TN＜3或COD_Cr/TN＜6时，可认为深床水平潜流湿地中反硝化碳源不足需要外加碳源进行补充，是在过滤层12上铺设反硝化菌剂复合碳源层13，再在反硝化菌剂复合碳源层13上覆设生态砾石填料层16。反硝化菌剂复合碳源的投加量在深床水平潜流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，潜流湿地表面水力负荷为0.4-1.2m/d的范围内，反硝化菌剂复合碳源的投加量为2.5-3.0kg/(m³/d)。

二级表面流湿地8的尾水经过其集水堰和过水涵管9进入深床水平潜流湿地的布水渠10，由布水渠10均匀分散到深床水平潜流湿地主体的内部，出水经过集水渠14收集，由集水渠14的排水口15排向河道。

以下给出具体实施例

处理的污水处理厂尾水的流量为20000m³/d，其中好氧稳定塘4平均水深为0.8m，水力停留时间为0.6d。

一级表面流湿地与二级表面流湿地之间的曝气跌水堰7分开，曝气跌水堰7设计跌水高度为60cm、设计跌水深度为20cm，表面流湿地总占地面积为12000m²。一级表面流湿地的长度与二级表面流湿地的长度比为1：2。每级表面流湿地的长宽比为3：1。

一级表面流湿地的设计平均水深为0.6m，并在一级表面流湿地中投加硝化细菌菌剂，菌剂的投加量在人工湿地系统进水指标为城镇污水处理厂一级A标准下为0.4kg/m³。

二级表面流湿地的平均设计水深为0.8m，表面流湿地表面水力负荷为0.2m/d。

深床水平潜流湿地占地面积为35000m²，表面水力负荷为0.8m/d。深床水平潜流湿地填料床自下而上依次为：10cm厚的透气防渗砂层、30cm厚度且粒径为0.25-0.35cm的细沙过滤层、8cm厚的反硝化菌剂复合碳源层(顺水布置长度为5m)和180cm厚的生态砾石填料层。

利用上述深床潜流人工湿地强化脱氮工艺系统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，COD≤50mg/L；NH₃-N≤5mg/L；TN≤15mg/L；TP≤0.5mg/L。

Claims (10)

1.一种低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：将污水依次流经表面流人工湿地和深床水平潜流湿地；

所述表面流湿地包括一级表面流湿地和二级表面流湿地，一级表面流湿地中投加硝化细菌菌剂，一级表面流湿地的末端设置曝气跌水堰；

所述深床水平潜流湿地自下至上依次铺设透气防渗砂层、过滤层、反硝化菌剂复合碳源层和生态砾石填料层；在线监测深床水平潜流湿地进水水质，当BOD₅/TN＜3或COD_Cr/TN＜6时，在深床水平潜流湿地中补充碳源。

2.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述表面流湿地的尾水经过集水堰和过水涵管进入深床水平潜流湿地，再经过深床水平潜流湿地的布水渠、潜流湿地主体和集水渠排出。

3.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述一级表面流湿地前端设置好氧稳定塘；所述好氧稳定塘的有效水深设计为0.5-1.2m。

4.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述一级表面流湿地的设计水深为0.5-2.0m，二级表面流湿地的设计水深为0.2-1.0m，水力负荷为0.1-0.5m/d；所述一级表面流湿地与二级表面流湿地的长度比为1：1～1：3，每级表面流湿地的长宽比为3：1～5：1。

5.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述曝气跌水堰的设计参数如下：跌水高度为30-80cm，跌水深度为20-40cm。

6.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述硝化细菌菌剂的投加量在进水指标为城镇污水处理厂一级A标准下投加量应为0.2-0.5kg/m³。

7.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述深床水平潜流湿地的池深为1.6-1.8m，水力负荷为0.4-1.2m/d。

8.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：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0.25-0.35cm的细沙构成。

所述反硝化菌剂复合碳源的投加量在深床水平潜流湿地进水指标为城镇污水处理厂一级A标准下，水力负荷为0.4～1.2m/d时，反硝化菌剂复合碳源的投加量为2.5-3.0kg/(m³/d)。

9.根据权利要求1所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述深床水平潜流湿地的布水渠中投加反硝化菌剂复合碳源；所述反硝化菌剂复合碳源由固体碳源和反硝化菌粉按照质量比15：1至5：1的比例混合而成。

10.根据权利要求9所述的低污染污水强化脱氮深度处理的深床潜流工艺，其特征是：所述固体碳源为收割的湿地水生植物加工而成，制备过程为：收割已运行湿地中的水生植物，将含水量控制在15％±0.2％，打碎、混合和压实，形成颗粒状的固体碳源。

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