CN112047477B - 一种复合流人工湿地生活污水净化系统 - Google Patents

一种复合流人工湿地生活污水净化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合流人工湿地生活污水净化系统，包括：预处理区(1)、水平流人工湿地(2)以及垂直流人工湿地(3)三部分；所述预处理区(1)包括入水口(4)和过滤板(8)；所述水平流人工湿地(2)包括由上到下依次垂直设置的第一层基质(10)、第二层基质(11)和第三层基质(12)；所述垂直流人工湿地(3)包括由上到下依次垂直设置的第四层基质(13)和第五层基质(14)以及出水口(7)。本发明可实现生活污水的深度处理，实现人工湿地的高效净化，且系统方法简单，成本低，不易堵塞，推广价值高。

Description

一种复合流人工湿地生活污水净化系统
技术领域
本发明涉及环境生态技术领域，具体涉及一种复合流人工湿地生活污水净化系统。
背景技术
目前生活污水产生量大，处理费用高，特别是目前的工厂化处理模式，运行成本高，且处理后的低污水排放到河流或湖泊中，加速河流或湖泊的污染，这种低污染水被二次处理将大大增加处理成本。人工湿地在处理污水方面成本低已经被大家公认，但是人工湿地易堵塞、处理效率低、占地面积大、堵塞后处理难度大和运行不稳定等缺点限制了人工湿地的发展。因此，建立复合流人工湿地生活污水净化系统，对克服净化系统易堵塞及提高净化效率具有重要价值及意义。
生活污水被高效净化后可作为农作物种植用水、城市绿化用水、城市地面洒水、补给公园湖泊水和补给城市河流等。生活污水处理后的中水利用是解决水资源短缺的一个重要途径。人工湿地处理生活污水成本低，污染物被植物吸收后，获得生物量，作为动物饲料或生物质气体制备原料，能够实现资源化利用。因此，克服人工湿地易堵塞、占地面积大和效率低的缺点，实现生活污水高效利用是当前研究的重点。
按水流方向，人工湿地分为水平流人工湿地和垂直流人工湿地。两种形式各有自己的缺点和优点，将两种形式结合能够克服人工湿地形式的缺点。另外，开发新型人工湿地基质，对避免堵塞，提高净化效率和效果具有重要意义。目前与人工湿地有关的主要授权或公开的专利都是关于人工湿地的建设方法和基质选取，这些方法对生活污水和低污染水的处理具有一定的效果，但是因存在方法操作复杂、占地面积大、成本高、易堵塞、堵塞后处理难度大、净化效率低等一种或多种缺陷，推广应用难度大。
因此，开发一种工艺简单，成本低、维护和维修方便、不易堵塞、且能有效的净化生活污水的复合人工湿地技术，对推进人工湿地建设水平的提高以及生活污水处理技术的进步都将具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合流人工湿地生活污水净化系统，实现复合流人工湿地高效净化生活污水，进而推动人工湿地处理生活污水技术的进步。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：本发明提供一种复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，包括：预处理区(1)、水平流人工湿地(2)以及垂直流人工湿地(3)三部分；
所述预处理区(1)与所述水平流人工湿地(2)之间设有隔水板(16)，所述隔水板(16)上开设有第一过水口(5)，所述水平流人工湿地(2)与所述垂直流人工湿地(3)之间设有隔水板(16)，所述隔水板(16)上开设有第二过水口(6)；
所述预处理区(1)包括入水口(4)和过滤板(8)；
所述水平流人工湿地(2)包括由上到下依次垂直设置的第一层基质(10)、第二层基质(11)和第三层基质(12)，所述第一层基质(10)、第二层基质(11)和第三层基质(12)分别采用含泥量均低于1％的中砂、砾砂和圆砾，并分别添加污泥生物炭；
所述垂直流人工湿地(3)包括由上到下依次垂直设置的第四层基质(13)和第五层基质(14)以及出水口(7)，所述第四层基质(13)及所述第五层基质(14)分别采用粒径为1～3mm的石英砂和秸秆生物炭与沸石混合的复合基质；
所述预处理区(1)、所述水平流人工湿地(2)及所述垂直流人工湿地(3)均设置防水层(15)。
优选地，所述第一层基质(10)、所述第二层基质(11)和所述第三层基质(12)的污泥生物炭的添加量分别为混合后总质量的35～45％、25～35％、8～15％；
在所述第一层基质(10)中添加的污泥生物炭的粒径为1～3mm，在所述第二层基质(11)中添加的污泥生物炭的粒径为2～5mm，在所述第三层基质(12)中添加的污泥生物炭的粒径为4～8mm。
优选地，所述污泥生物炭采用城市净水厂的污泥高温炭化制备，炭化过程分两个阶段：第一阶段温度为250～300℃，炭化时间为20～30分钟；第二阶段温度为400～500℃，炭化时间为30～35分钟；所述炭化第一阶段升温速度为5～8℃/秒，所述炭化第二阶段升温速度为10～15℃/秒，两阶段的炭化过程均在无氧条件下进行。
优选地，所述复合基质中的秸秆生物炭的粒径为5～8mm，沸石粒径为1～3mm，两者混合质量比例为22:78～45:55。
优选地，所述秸秆生物炭采用玉米秸秆高温制备，其制备过程为：
玉米秸秆去掉叶，并进行加工，加工后的长度为30～80mm；
将加工后的玉米秸秆放置于气化炉中进行炭化，设置炭化温度为350～450℃，炭化时间为30～50分钟，升温速度为5～10℃/秒，炭化环境为无氧炭化；
将炭化后的玉米秸秆加工成粒径为5～8mm的秸秆生物炭。
优选地，所述垂直流人工湿地(3)面积为所述水平流人工湿地(2)面积的1/10～1/15，所述垂直流人工湿地(3)的边长大于1m；
所述水平流人工湿地(2)和所述垂直流人工湿地(3)均种植湿地植物(9)。
优选地，所述湿地植物(9)为具有对污染物较强吸附能力的挺水植物。
优选地，所述第一层基质(10)、所述第二层基质(11)和第三层基质(12)的厚度分别为150～200mm、200～250mm和250～300mm；
所述第四层基质(13)和所述第五层基质(14)的厚度分别为200～300mm和300～500mm。
优选地，所述过滤板(8)的孔径为0.5～1.5mm。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明的各层基质均加入了生物炭，有效的解决人工湿地净化过程中微生物碳源不足的问题，大大提高净化效果；采用的污泥生物炭为城市净水厂的污泥，金属含量主要为铝和铁，生产的污泥生物炭强度高、吸附性强，且物理性能稳定、耐酸和碱腐蚀，适合长期运行；秸秆生物炭密度小，且具有多孔结构，具有一定的压缩性，过滤和吸附性能高于其它生物炭，沸石和秸秆生物炭结合使用，显著提高湿地微生物活性，能够实现对低污染水的深度净化，作为复合人工湿地系统的垂直流人工湿地中，来水为被水平流人工湿地净化后的水质，其污染物含量相对较低，且不易引起堵塞；
(2)本发明复合流人工湿地系统中的水平流人工湿地设置的面积为垂直流人工湿地的10～15倍，以充分发挥微生物的分解和提高植物的吸收效果；由于基质的下部生物降解慢，而顶层生物降解快，所以本发明中的第一层基质、第二层基质和第三层基质中的污泥生物炭粒径分别设置为1～3mm、2～5mm和4～8mm，可有效防止下部堵塞；
(3)本发明复合人工湿地系统较单一的水平流人工湿地和垂直流人工湿地净化效果提高65～85％，较其它复合人工湿地净化效果提高35～52％；净化后的生活污水COD、BOD5、SS、NH4 +-N、TN和TP指标分别在≤35、≤8.5、≤8、≤5、≤12和≤0.35，脱氮和除磷效果非常明显；
(4)本发明能够有效的提高人工湿地对生活污水的净化效果，减少占地面积；降低垂直流人工湿地的建造成本，减少垂直流人工湿地堵塞问题；本发明方法简单，维护方便，使用寿命长，可操作性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种复合流人工湿地生活污水净化系统平面图；
图2是本发明的一种复合流人工湿地生活污水净化系统剖面图。
图中，1、预处理区，2、水平流人工湿地，3、垂直流人工湿地，4、入水口，5、第一过水口，6、第二过水口，7、出水口，8、过滤板，9、湿地植物，10、第一层基质，11、第二层基质，12、第三层基质，13、第四层基质，14、第五层基质，15、防水层，16、隔水板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例针对城市生活污水，对城市生活污水进行净化处理。
参照图1-2所示，本实施例提供一种复合流人工湿地生活污水净化系统，包括：预处理区1、水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3。
预处理区1与水平流人工湿地2之间设有隔水板16，隔水板16上开设有第一过水口5，水平流人工湿地2与垂直流人工湿地3之间设有隔水板16，隔水板16上开设有第二过水口6。
预处理区1包括入水口4和过滤板8。
水平流人工湿地2包括由上到下依次垂直设置的第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12。
垂直流人工湿地包括由上到下依次垂直设置的第四层基质13和第五层基质14以及出水口7。
预处理区1、所述水平流人工湿地2及所述垂直流人工湿地3均设置防水层15。
预处理区1、水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3，垂直流人工湿地3面积为水平流人工湿地2面积的1/10，垂直流人工湿地3边长5m和8m；生活污水经过入水口4进入预处理区1，污水被过滤板8过滤后通过第一过水口5进入水平流人工湿地2，生活污水依次经过第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12后经过第二过水口6进入垂直流人工湿地3，被净化的生活污水在垂直流人工湿地3中依次经过第四层基质13和第五层基质14，最后通过出水口7排出；水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3的水力停留时间分别为7天和2天。
水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3均种植湿地植物9香蒲，过滤板8的孔径为0.5mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12分别采用中砂、砾砂和圆砾，按《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009年版)第3.3.2条和第3.3.3条的标准要求，且含泥量不高于1％，第四层基质13采用粒径1～3mm的石英砂，第五层基质14采用复合基质为秸秆生物炭和沸石混合制备，秸秆生物炭的粒径为5～8mm，沸石粒径为1～3mm，两者混合质量比例为22:78。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12中的中砂、砾砂和圆砾中加入污泥生物炭，其中中砂中添加量为混合后总质量的45％，砾砂添加量为其混合后总质量的25％，圆砾添加量为其混合后总质量的8％，中砂中添加的污泥生物炭的粒径为1～3mm，砾砂中添加的污泥生物炭的粒径为2～5mm，圆砾中添加的污泥生物炭的粒径为4～8mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12中的中砂、砾砂和圆砾中添加的污泥生物炭采用城市净水厂的污泥高温炭化制备，炭化分两个阶段；第一阶段温度为250℃，炭化时间为30分钟；第二阶段温度为500℃，炭化时间为30分钟；第一阶段升温速度为8℃/秒，第二阶段升温速度为10℃/秒，两个阶段的炭化过程均在无氧条件下进行。
秸秆生物炭采用玉米秸秆高温制备，玉米秸秆去掉叶并进行加工，加工后的长度为30～80mm，将加工后的玉米秸秆放置于气化炉中进行炭化，设置炭化温度为350℃，炭化时间为50分钟，升温速度为10℃/秒，炭化环境为无氧环境；炭化后加工成粒径为5～8mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12的厚度分别为150mm、200mm和300mm，第四层基质13和第五层基质14的厚度分别为200mm和500mm。
采用上述复合流人工湿地系统对城市生活污水进行处理，处理后水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准。
实施例2
本实施例针对城市生活污水，对城市生活污水进行净化处理。
参照图1-2所示，本实施例中的复合流人工湿地生活污水净化系统的垂直流人工湿地3面积为水平流人工湿地2面积的1/12，垂直流人工湿地3边长为6m和7m，水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3的水力停留时间分别为6天和3天，湿地植物9采用芦苇，过滤板8的孔径为1.0mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12分别采用中砂、砾砂和圆砾，含泥量低于1％，第四层基质13采用粒径1～3mm的石英砂，第五层基质14采用复合基质为秸秆生物炭和沸石混合制备，秸秆生物炭的粒径为5～8mm，沸石粒径为1～3mm，两者混合质量比例为35:65。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12中的中砂、砾砂和圆砾中加入污泥生物炭，分别为混合后总质量的40％、30％和10％，中砂、砾砂和圆砾中添加的污泥生物炭的粒径分别为1～3mm、2～5mm和4～8mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12中的中砂、砾砂和圆砾中添加的污泥生物炭采用城市净水厂的污泥高温炭化制备，炭化分两个阶段；第一阶段温度为280℃，炭化时间为25分钟；第二阶段温度为450℃，炭化时间为32分钟；第一阶段升温速度为6℃/秒，第二阶段升温速度为12℃/秒，两个阶段的炭化过程均在无氧条件下进行。
秸秆生物炭采用玉米秸秆高温制备，玉米秸秆去掉叶并加工，加工后的长度为30～80mm，将加工后的玉米秸秆放置于气化炉中进行炭化，设置炭化温度为400℃，炭化时间为40分钟，升温速度为8℃/秒，炭化环境为无氧环境；炭化后加工成粒径为5～8mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12的厚度分别为180mm、220mm和280mm，第四层基质13和第五层基质14的厚度分别为250mm和400mm。
实施例3
本实施例针对城市生活污水，对城市生活污水进行净化处理。
参照图1-2所示，本实施例中的复合流人工湿地生活污水净化系统的垂直流人工湿地3面积为水平流人工湿地2面积的1/14，垂直流人工湿地3边长均为8m，水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3的水力停留时间分别为7天和3天，湿地植物9采用睡莲，过滤板8的孔径为1.2mm。
各基质层中的中砂、砾砂和圆砾含泥量低于1％，第四层基质13采用粒径1～3mm的石英砂，第五层基质14采用复合基质为秸秆生物炭和沸石混合制备，秸秆生物炭的粒径为5～8mm，沸石粒径为1～3mm，两者混合质量比例为40:60。
各层的中砂、砾砂和圆砾中加入污泥生物炭的比例分别为混合后总质量的42％、28％和9％，中砂、砾砂和圆砾中添加的污泥生物炭的粒径分别为1～3mm、2～5mm和4～8mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12中的中砂、砾砂和圆砾中添加的污泥生物炭采用城市净水厂的污泥高温炭化制备，炭化分两个阶段；第一阶段温度为290℃，炭化时间为24分钟；第二阶段温度为480℃，炭化时间为31分钟；第一阶段升温速度为5.5℃/秒，第二阶段升温速度为11.5℃/秒，两个阶段的炭化过程均在无氧条件下进行。
秸秆生物炭采用玉米秸秆高温制备，玉米秸秆去掉叶并加工，加工后的长度为30～80mm，将加工后的玉米秸秆放置于气化炉中进行炭化，设置炭化温度为420℃，炭化时间为38分钟，升温速度为6℃/秒，炭化环境为无氧环境；炭化后加工成粒径为5～8mm。
实施例4
本实施例针对农村生活污水，对农村生活污水进行净化处理。
参照图1-2所示，本实施例中的复合流人工湿地生活污水净化系统的垂直流人工湿地3面积为水平流人工湿地2面积的1/15，垂直流人工湿地3边长3m和5m，水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3的水力停留时间分别为5天和3天。
水平流人工湿地2和垂直流人工湿地3种植的湿地植物9为慈姑，过滤板8的孔径为1.5mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12的厚度分别为200mm、250mm和250，第四层基质13和第五层基质14的厚度分别为300mm和300mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12分别采用中砂、砾砂和圆砾，按《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009年版)第3.3.2条和第3.3.3条的标准要求，含泥量低于1％，第四层基质13采用粒径1～3mm的石英砂，第五层基质14采用复合基质为秸秆生物炭和沸石混合制备，秸秆生物炭的粒径为5～8mm，沸石粒径为1～3mm，两者混合质量比例为45:55。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12中的中砂、砾砂和圆砾中加入污泥生物炭，其中中砂中添加量为混合后总质量的35％，砾砂添加量为其混合后总质量的25％，圆砾添加量为其混合后总质量的15％，中砂中添加的污泥生物炭的粒径为1～3mm，砾砂中添加的污泥生物炭的粒径为2～5mm，圆砾中添加的污泥生物炭的粒径为4～8mm。
第一层基质10、第二层基质11和第三层基质12中的中砂、砾砂和圆砾中添加的污泥生物炭采用城市净水厂的污泥高温炭化制备，炭化分两个阶段；第一阶段温度为300℃，炭化时间为20分钟；第二阶段温度为400℃，炭化时间为35分钟；第一阶段升温速度为5℃/秒，第二阶段升温速度为15℃/秒，两个阶段的炭化过程均在无氧条件下进行。
秸秆生物炭采用玉米秸秆高温制备，玉米秸秆去掉叶并加工，加工后的长度为30～80mm，将加工后的玉米秸秆放置于气化炉中进行炭化，设置炭化温度为450℃，炭化时间为30分钟，升温速度为5℃/秒，炭化环境为无氧炭化；炭化后加工成粒径为5～8mm。
采用上述复合流人工湿地系统对城市生活污水进行处理，处理后水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，包括：预处理区(1)、水平流人工湿地(2)以及垂直流人工湿地(3)三部分；
所述预处理区(1)与所述水平流人工湿地(2)之间设有隔水板(16)，所述隔水板(16)上开设有第一过水口(5)，所述水平流人工湿地(2)与所述垂直流人工湿地(3)之间设有隔水板(16)，所述隔水板(16)上开设有第二过水口(6)；
所述预处理区(1)包括入水口(4)和过滤板(8)；
所述水平流人工湿地(2)包括由上到下依次垂直设置的第一层基质(10)、第二层基质(11)和第三层基质(12)，所述第一层基质(10)、第二层基质(11)和第三层基质(12)分别采用含泥量均低于1％的中砂、砾砂和圆砾，并分别添加污泥生物炭；污泥生物炭的添加量分别为混合后总质量的35～45％、25～35％、8～15％；且分别添加的污泥生物炭的粒径为1～3mm，2～5mm,4～8mm；
所述垂直流人工湿地(3)包括由上到下依次垂直设置的第四层基质(13)和第五层基质(14)以及出水口(7)，所述第四层基质(13)及所述第五层基质(14)分别采用粒径为1～3mm的石英砂和秸秆生物炭与沸石混合的复合基质；所述复合基质中的秸秆生物炭的粒径为5～8mm，沸石粒径为1～3mm，两者混合质量比例为22:78～45:55；
所述预处理区(1)、所述水平流人工湿地(2)及所述垂直流人工湿地(3)均设置防水层(15)。
2.根据权利要求1所述的复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，所述污泥生物炭采用城市净水厂的污泥高温炭化制备，炭化过程分两个阶段：第一阶段温度为250～300℃，炭化时间为20～30分钟；第二阶段温度为400～500℃，炭化时间为30～35分钟；所述炭化第一阶段升温速度为5～8℃/秒，所述炭化第二阶段升温速度为10～15℃/秒，两阶段的炭化过程均在无氧条件下进行。
3.根据权利要求1所述的复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，所述秸秆生物炭采用玉米秸秆高温制备，其制备过程为：玉米秸秆去掉叶，并进行加工，加工后的长度为30～80mm；将加工后的玉米秸秆放置于气化炉中进行炭化，设置炭化温度为350～450℃，炭化时间为30～50分钟，升温速度为5～10℃/秒，炭化环境为无氧炭化；将炭化后的玉米秸秆加工成粒径为5～8mm的秸秆生物炭。
4.根据权利要求1所述的复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，所述垂直流人工湿地(3)面积为所述水平流人工湿地(2)面积的1/10～1/15，所述垂直流人工湿地(3)的边长大于1m；
所述水平流人工湿地(2)和所述垂直流人工湿地(3)均种植湿地植物(9)。
5.根据权利要求4所述的复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，所述湿地植物(9)为具有对污染物较强吸附能力的挺水植物。
6.根据权利要求1所述的复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，所述第一层基质(10)、所述第二层基质(11)和第三层基质(12)的厚度分别为150～200mm、200～250mm和250～300mm；
所述第四层基质(13)和所述第五层基质(14)的厚度分别为200～300mm和300～500mm。
7.根据权利要求1所述的复合流人工湿地生活污水净化系统，其特征在于，所述过滤板(8)的孔径为0.5～1.5mm。
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