CN112028246A

CN112028246A - 一种人工湿地填料及人工湿地系统

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Publication number: CN112028246A
Application number: CN202010718978.7A
Authority: CN
Inventors: 王淼; 李岩凌; 周红波; 何强; 于家琳
Original assignee: BCEG Resources Recycling Co Ltd
Current assignee: BCEG Resources Recycling Co Ltd
Priority date: 2020-07-23
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明一方面公开了一种人工湿地填料，所述人工湿地填料包括：砖再生骨料、混凝土再生骨料、沸石以及粉煤灰，其中，以所述人工湿地填料的重量为基准，所述砖再生骨料的含量大于等于50％。本发明另一方面公开了一种包含上述人工湿地填料的人工湿地系统。本发明将建筑垃圾再生骨料作为人工湿地填料，充分利用建筑垃圾再生骨料过滤性能好、吸附能力强的特点，有效去除污水中的污染物，降低人工湿地的建设和维护费用，实现以废治废，实现了资源化利用，降低了建筑垃圾带来的环境压力。

Description

一种人工湿地填料及人工湿地系统

技术领域

本发明涉及水体净化技术领域，具体涉及一种主要由建筑垃圾再生骨料制成的人工湿地填料，以及包含该填料的人工湿地系统。

背景技术

伴随着经济的发展，大至各行各业，小至社区家庭的污水排放量与日俱增。污水净化技术多种多样，其中人工湿地系统可以将污水处理和生态环境有机结合，是一种经济有效的生态处理技术。人工湿地系统具有耐冲击负荷，工艺简单，投资少，净化效果好，兼具生态景观效益等优点。在该系统中，填料是重要组成部分，一般会根据水质要求选择一种或多种填料，工程用量庞大。近年来，一些通透性好、比表面积大、具有较强吸附能力的多孔介质如沸石、石灰石、碎石、砾石、陶粒、火山岩、粉煤灰等被广泛应用到人工湿地系统中，一定程度上提高了污染物的去除效果。但存在对于水中多种污染物协同控制效能差、易发生淤堵、价格昂贵等目前困扰人工湿地填料介质选择和应用的问题。

同时，随着人们对城镇化质量要求的提高，建筑业在快速发展的同时，产生的建筑垃圾数量也在不断上升。大量的建筑垃圾无处堆放，对城市大气、水、土壤等环境造成了严重污染，已对人们的生产和生活造成了影响。据统计，2015年我国建筑垃圾产量为24亿吨，约占城市垃圾总量的40％。2017年以来，北京的建筑垃圾产生量一年最多增至9000万吨，目前北京市建筑垃圾存量已达到3亿吨，给环境治理带来了极大挑战。近年来，建筑垃圾资源化利用得到了高度关注。2018年底，国务院颁布了《“无废城市”建设试点工作方案》，强调要持续推进固体废物的源头减量和资源化利用，最大限度减少填埋量。但目前建筑垃圾再生骨料主要通过加工成道路材料、水泥制品等实现资源化，对于目前资源化产品量消纳空间不足的现实情况，亟需开拓建筑垃圾资源化方向和领域。

建筑垃圾再生骨料具有丰富的多孔结构，相比于价格较高的常规填料，再生骨料价格低廉、拥有丰富的孔隙结构、孔隙率高、比表面积大、富含铁、铝元素及火山灰组分，这些优点使其在水处理领域具有应用潜力。因此，如何发挥建筑垃圾再生骨料的优势，将其应用于水体净化成为目前函待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，以建筑垃圾再生骨料为原料作为人工湿地填料，充分实现废弃物的资源化利用，同时提升水体净化效果。

一方面，本发明提供了一种人工湿地填料，所述人工湿地填料包括：砖再生骨料、混凝土再生骨料、沸石以及粉煤灰，其中，以所述人工湿地填料的重量为基准，所述砖再生骨料的含量大于等于50％。

可选地，根据本发明的人工湿地填料，以所述人工湿地填料的重量为基准，所述砖再生骨料的含量为50％-85％，所述混凝土再生骨料的含量为10％-35％，所述沸石的含量为3％-5％、所述粉煤灰的含量为2％-10％。

可选地，根据本发明的人工湿地填料，所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为10mm-40mm，所述沸石的粒径为4mm-8mm。

可选地，根据本发明的人工湿地填料，所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm。

可选地，根据本发明的人工湿地填料，所述砖再生骨料经过清洗。

可选地，根据本发明的人工湿地填料，所述人工湿地填料上负载有微生物菌种。

另一方面，本发明还提供了一种人工湿地系统，所述人工湿地系统包括由上述人工湿地填料组成的填料层。

可选地，根据本发明的人工湿地系统，所述填料层包括上层填料层和下层填料层，其中，所述上层填料层中所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm，所述下层填料层中所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为20mm-40mm。

可选地，根据本发明的人工湿地系统，所述填料层的孔隙率为58％-70％。

可选地，根据本发明的人工湿地系统，所述人工湿地系统中种植有湿地植物。

本发明将建筑垃圾再生骨料作为人工湿地填料，充分利用建筑垃圾再生骨料过滤性能好、吸附能力强的特点，有效去除污水中的污染物，降低人工湿地的建设和维护费用，实现以废治废，实现了资源化利用，降低了建筑垃圾带来的环境压力。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

上述填料组成中，砖再生骨料和混凝土再生骨料是由建筑垃圾中的废弃砖块和混凝土块经破碎、按粒径筛选分级后制成的。废弃砖块主要为高温烧结成型，内部结构疏松，孔隙率高，比表面积大，废混凝土作为二次成型材料，同样具有孔隙率大特点，将该两种建筑垃圾再生骨料作为人工湿地填料，能够充分发挥其优异的吸附性能和过滤性能，实现水体净化。另一种填料材料沸石具有独特的铝氧四面体，周围存在着大量Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等金属离子，使得沸石不仅具有良好的过滤性能，而且对诸如氨氮能污染物具有良好的去除能力。粉煤灰表面呈多孔结构，具有很强的物理吸附和化学吸附性能，对废水中的重金属离子、有机物、悬浮物等都有很好的去除效果。将该几种物质混合制成复合填料，能够发挥协同作用，对多种污染物实现良好的去除效果，且建筑垃圾再生骨料价格低廉，由此能够大大降低人工湿地运行的成本。

申请人经研究发现，砖再生骨料对于总氮、总磷、有机物等均具有良好的去除效果，而混凝土再生骨料则对总氮具有优异的去除效果，因此，上述人工湿地填料中砖再生骨料的含量大于等于50％，辅以一定量的混凝土再生骨料和沸石，加强氨氮的处理效果，实现各种污染物的协同处理效果。优选地，以所述人工湿地填料的重量为基准，所述砖再生骨料的含量为50％-85％，所述混凝土再生骨料的含量为10％-35％，所述沸石的含量为3％-5％、所述粉煤灰的含量为2％-10％。

再生骨料的粒径对水体净化效果也有一定的影响，申请人经研究发现，所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径以10mm-40mm为宜；所述沸石的粒径则以4mm-8mm为宜，粉煤灰的粒径没有特殊要求，一般20～100μm之间粒径的均适用。此外，研究还发现，小粒径再生骨料对污染物的总体去除效果较好，因此，所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径优选为10mm-20mm。

优选地，所述砖再生骨料经过清洗。不经过清洗的砖再生骨料在低浓度进水条件下，去除总氮的效果较好，这可能是由于不经过清洗的砖再生骨料上附着的粘土更有利于吸附氮素。但并不适合长期运行，随着吸附、沉淀、微生物作用的进行，导致孔隙被堵塞，所以在高浓度条件下，总氮去除效果变差，因此，从整体去除污染物效果考虑，将砖再生骨料进行清洗。混凝土再生骨料和沸石也可以进行清洗。一般将需要经过清洗的填料清洗5-6遍，烘干后备用。

优选地，所述人工湿地填料上负载有微生物菌种。通过将微生物固定在所述人工湿地填料上形成微生物膜，将填料本身的过滤、吸附作用与微生物的降解作用相结合，进一步提高对水体的净化效果。可采用现有技术中任意一种实现挂膜的方式，只要能够将微生物附着在填料上即可。微生物可采用水体净化中经常使用的微生物菌种，例如硝化细菌属、反硝化细菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属等。

另一方面，本发明还提供了一种人工湿地系统，所述人工湿地系统包括由上述人工湿地填料组成的填料层。将上述填料置于湿地填料系统中形成填料层，污水经过填料层的过滤、吸附等作用，实现净化。

可在人工湿地系统中装填同一粒径的再生骨料。优选地，可将再生骨料按照粒径分层装填。例如，本发明的一个实施例中，所述填料层包括上层填料层和下层填料层，其中，所述上层填料层中所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm，所述下层填料层中所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为20mm-40mm。相较于同一粒径的装填方式，按照粒径分层装填的方式使得填料层的孔隙率更高，从而使得污水与填料能够接触的更为充分，从而提高净化效果。优选地，所述填料层的孔隙率为58％-70％。

优选地，所述人工湿地系统中种植有湿地植物，例如芦苇、蒲草等根系发达且泌氧能力强的草本植物。湿地植物对污水中的氮磷等污染物也有一定的去除效果，同时，湿地植物根系泌氧能力较强，可提升水体中微生物的活性，加速有机物的分解，植物与微生物实现了有氧和缺氧同时存在的环境，更好发挥了协同作用。

为了具体的描述本发明，申请人通过以下示例对本申请的人工湿地系统进行说明。应当理解的是，下述具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

实施例1

本实施例中，人工湿地填料由以下重量比的组分组成：砖再生骨料的50％，混凝土再生骨料35％，沸石5％，粉煤灰10％。其中，砖再生骨料和混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm，沸石的粒径为4mm-8mm。

实施例2

本实施例中人工湿地填料的组成与实施例1相同，唯一区别在于砖再生骨料和混凝土再生骨料的粒径为20mm-40mm。

实施例3

本实施例中，人工湿地填料由以下重量比的组分组成：砖再生骨料的70％，混凝土再生骨料20％，沸石2％，粉煤灰8％。其中，砖再生骨料和混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm，沸石的粒径为4mm-8mm。

实施例4

本实施例中人工湿地填料的组成与实施例3相同，唯一区别在于砖再生骨料和混凝土再生骨料的粒径为20mm-40mm。

实施例5

本实施例中，人工湿地填料由以下重量比的组分组成：砖再生骨料的85％，混凝土再生骨料10％，沸石3％，粉煤灰2％。其中，砖再生骨料和混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm，沸石的粒径为4mm-8mm。

实施例6

本实施例中人工湿地填料的组成与实施例5相同，唯一区别在于砖再生骨料和混凝土再生骨料的粒径为20mm-40mm。

实施例7

本实施例中，人工湿地系统属于垂直流人工湿地系统，主要由进水箱(2m×2m×1.5m)、湿地床(0.5×1m×2m)构成。其中，湿地床中的填料层由上填料层和下填料层构成，其中，上填料层高800mm，由实施例5中的人工湿地填料装填而成；下填料层高700mm，由实施例6中的人工湿地填料装填而成，填料孔隙率为70％。湿地床中种植芦苇，株、行距为30cm×30cm。

实施例8

本实施例中，人工湿地系统属于垂直流人工湿地系统，主要由进水箱(2m×2m×1.5m)、湿地床(0.5×1m×2m)构成。其中，湿地床中的填料层高1500mm，由实施例5中的人工湿地填料装填而成，填料孔隙率为59％。湿地床中种植芦苇，株、行距为30cm×30cm。

实施例9

本实施例中，人工湿地系统属于垂直流人工湿地系统，主要由进水箱(2m×2m×1.5m)、湿地床(0.5×1m×2m)构成。其中，湿地床中的填料层高1500mm，由实施例1中的人工湿地填料装填而成，填料孔隙率为58％。湿地床中种植芦苇，株、行距为30cm×30cm。

实施例10

本实施例与实施例9基本相同，唯一的区别在于本实施例中的湿地床中没有芦苇。

对比例

本对比例中，人工湿地系统属于垂直流人工湿地系统，主要由进水箱(2m×2m×1.5m)、湿地床(0.5×1m×2m)构成。其中，湿地床中的填料层高由4层填料装填而成，按照由上到下的顺序依次为：粒径为4-8mm的沸石层，层高300mm；粒径为4-8mm的石灰石层，层高200mm；粒径为8-16mm火山岩层，层高500mm；粒径为16-32mm石灰石层，层高500mm。该湿地床中填料孔隙率为44％。湿地床中种植芦苇，株、行距为30cm×30cm。

为了对本发明的人工湿地填料的水体净化效果进行说明，申请人对上述实施例7-10以及对比例进行了水体净化效果测试。实验进水为清河再生水厂出水，采用上进下出式连续进水，每个湿地系统的水力停留时间均为27h。该实验运行59天，运行期间，对每日运行水温进行监控。每隔5天对进水和出水进行采集，并测定水质。监测水质指标包括pH、NH₄ ⁺-N、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)。其中，实验进水的平均pH值为8.10，平均NH₄ ⁺-N浓度为0.43mg/L，平均TN浓度为6.32mg/L，平均TP浓度为0.13mg/L，COD平均浓度为19.15mg/L，BOD平均浓度为2.30mg/L。

具体检测指标所用方法以及检测仪器如下表1所示。

表1监测水质指标及检测仪器

实验出水的各项检测指标的具体检测结果如下表2所示。

表2水质指标检测结果

检测指标	实施例7	实施例8	实施例9	实施例10	对比例
						pH	8.26	8.24	8.34	8.28	7.96
NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N(mg/L)	0.09	0.10	0.07	0.08	0.11
						TN(mg/L)	5.362	5.36	5.25	5.30	5.53
TP(mg/L)	0.07	0.05	0.08	0.09	0.10
						COD(mg/L)	10.39	9.50	7.76	8.02	7.56
BOD<sub>5</sub>(mg/L)	1.62	1.54	1.34	1.32	1.32

由上述检测结果可以看出：

(1)各湿地床出水的pH值均存在较小幅度的波动，但相对稳定。实施例9湿地床导致出水的pH值略有上升，这与该填料层中混凝土再生骨料的含量稍高有关。整体而言，各湿地床的出水均满足地表水环境质量标准中对水体pH的要求，建筑垃圾再生骨料经过运行调试后，可安全应用于实际地表水的湿地处理工艺中。

(2)经比较，实施例7-10的湿地床对NH₄ ⁺-N的去除效果均比对比例好。其中，实施例9的去除效果最好，这与实施例9的混凝土再生骨料含量较多，有利于磷酸铵镁沉淀的形成，从而降低出水的NH₄ ⁺含量有关。由此可知，混凝土再生骨料的含量提高有利于NH₄ ⁺-N的去除。

实施例7和实施例8的湿地床中，虽然填料的组分相同，但是实施例7的NH₄ ⁺-N去除效率比实施例8高，这也说明采用两种不同粒径和分层装填的方式后导致孔隙率变大，从而为NH₄ ⁺-N的吸附提供了更多的吸附位点，从而提高了吸附效率。

(3)由实验结果可以看出，实施例7-10的湿地床对TN的去除效果均比对比例好，这是由于实施例7-10的填料层孔隙率均比对比例大，一方面为氮素的沉积提供了适宜场所，另一方面孔隙率越大，介质中的氧扩散越快，越有利于硝化作用的进行。

实施例9和实施例10的湿地床中，虽然填料的组分及填料层结构均相同，但实施例9的湿地床对TN的去除效果相较而言更好，说明芦苇的种植有利于氮素的去除。在人工湿地系统中，湿地植物能够与填料共同发挥作用，提高TN的去除效果。

(4)在人工湿地系统中，对于磷素的去除，主要通过填料吸附、化学沉淀、植物吸收等作用。本发明中，实施例7-10对TP的去除效果均优于对比例，这可能一方面建筑垃圾再生骨料拥有丰富的Fe、Al、Ca等金属元素，这些元素易于和水中的磷素形成沉淀或络合物，另一方面建筑垃圾再生骨料的孔隙率较大，提供了更多的吸附位点有关。而且，粉煤灰颗粒和废水中的磷酸盐之间存在静电吸引作用，对磷元素的去除也有促进作用。

实施例7和8的砖再生骨料含量均高于实施例9，从的除磷效果来看，砖再生骨料含量越高，除磷效果越好。

(5)对COD与BOD去除结果表明，各实施例和对比例的去除效果相差无几。

许多研究认为，人工湿地对污水中有机污染物质净化机理主要是填料的过滤作用和微生物分解作用。在有植物情况下，植物根系微生物能促进有机污染物质分解，提高湿地对有机物的净化能力。实施例9中的砖再生骨料含量虽然较实施例7和8偏低，但该实施例中芦苇长势较好，植物根系泌氧能力较强，提升了水体中微生物的活性，加速有机物的分解，说明植物的作用在一定程度上提高了对有机物的去除效果。

为了综合评价上述实施例湿地床对水体的净化效果，运用内罗梅污染指数法对实施例7-10以及对比例的出水进行综合评价。在计算评价过程中，将地表III类水的标准值作为基准。评级公式为：

其中，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m

式中，C_i为i类污染因子实测的浓度值，mg/L；

l_ij为i类污染因子的j类的标准浓度值，mg/L；

F_max为F_i中的最大值；

F_ave为F_i的平均值；

P为内梅罗污染指数。

根据各污染指标的标准浓度，计算各级标准对应的内梅罗标准污染指数，见表3。

表3内梅罗标准污染指数(地表III类水为基准计算)

等级	指数
		I	P<sub>标准</sub>＜0.614
II	0.614≤P<sub>标准</sub>＜0.690
		III	0.690≤P<sub>标准</sub>＜1.000
IV	1.000≤P<sub>标准</sub>＜1.500
		V	1.500≤P<sub>标准</sub>＜2.320

根据实测浓度计算各监测断面的内梅罗污染指数，见表4。

表4实测水体内梅罗污染指数

湿地床	内梅罗污染指数	水质等级
			进水	1.171	IV
实施例7	0.746	III
			实施例8	0.751	III
实施例9	0.694	III
			实施例10	0.703	III
对比例	0.786	III

以地表III类水的标准值作为基准，经过计算后发现，进水水质为IV类水，各模型出水均满足III类水标准。此时，各湿地床净化效果从优到劣的顺序依次为：实施例9>实施例10>实施例7>实施例8>对比例。说明砖骨料含量少、填料分层、分粒径装填有利于水质净化。

综上，建筑垃圾再生骨料对水体的净化效果均优于天然骨料，进一步证明了建筑垃圾再生骨料作为湿地填料的可行性，且水质净化效果优良。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种人工湿地填料，其特征在于：所述人工湿地填料包括：砖再生骨料、混凝土再生骨料、沸石以及粉煤灰，其中，以所述人工湿地填料的重量为基准，所述砖再生骨料的含量大于等于50％。

2.根据权利要求1所述的人工湿地填料，其特征在于：以所述人工湿地填料的重量为基准，所述砖再生骨料的含量为50％-85％，所述混凝土再生骨料的含量为10％-35％，所述沸石的含量为3％-5％、所述粉煤灰的含量为2％-10％。

3.根据权利要求1或2所述的人工湿地填料，其特征在于：所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为10mm-40mm，所述沸石的粒径为4mm-8mm。

4.根据权利要求3所述的人工湿地填料，其特征在于：所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm。

5.根据权利要求1或2所述的人工湿地填料，其特征在于：所述砖再生骨料经过清洗。

6.根据权利要求1或2所述的人工湿地填料，其特征在于：所述人工湿地填料上负载有微生物菌种。

7.一种人工湿地系统，其特征在于：所述人工湿地系统包括由权利要求1-6任一项所述的人工湿地填料组成的填料层。

8.根据权利要求7所述的人工湿地系统，其特征在于：所述填料层包括上层填料层和下层填料层，其中，所述上层填料层中所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为10mm-20mm，所述下层填料层中所述砖再生骨料和所述混凝土再生骨料的粒径为20mm-40mm。

9.根据权利要求7所述的人工湿地系统，其特征在于：所述填料层的孔隙率为58％-70％。

10.根据权利要求7所述的人工湿地系统，其特征在于：所述人工湿地系统中种植有湿地植物。