CN112479477B - 人工湿地水处理系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理领域，尤其涉及一种人工湿地水处理系统及其运行方法。所述系统包括顺次相连的功能性处理单元和人工湿地单元，所述功能性处理单元包括电絮凝与沉淀单元，所述电絮凝与沉淀单元采用中孔结合微孔曝气的方式，有如下特点：所述电絮凝与沉淀单元采用中孔结合微孔曝气的方式，气水比为10:1‑20:1；所述电絮凝与沉淀单元的电流密度为10A/m²‑100A/m²。本发明所产生的有益的技术效果主要有：(1)提高人工湿地水处理系统污染物去除效率；(2)降低运行成本；(3)降低人工湿地堵塞风险；(4)提高系统整体降解污染物功效。

Description

人工湿地水处理系统及其运行方法

技术领域

本发明属于水处理领域，尤其涉及一种人工湿地水处理系统及其运行方法。

背景技术

人工湿地水处理指用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用使污水得到净化。由于人工湿地水处理技术将植物、微生物和填料耦合，该技术对污/废水中各类污染物均有一定去除效果，因此其适用范围较广，可用于处理生活污水、污水处理厂出水、受污染地表水以及工业废水等。除此之外，该技术还具有运行维护简单、运行成本低等优势，因此适合于在发展中国家推广。

人工湿地水处理技术的研发与应用最早可以追溯到20世纪60年代，德国科学家Kickuth和Seidel将芦苇种植在碎石层上，并用其处理生活污水，获得了较好的处理效果。随后，该技术逐渐在欧洲和北美推广开来。20世纪90年代，人工湿地水处理技术被引入中国。经过了20多年的发展，目前人工湿地在中国已广泛应用于各种污/废水的处理中。

虽然人工湿地水处理技术运行简单、成本较低，但是其污染物去除效率不高，在实际工程应用中，为了保障该技术的应用效果，人工湿地的占地面积往往较大，而中国的土地资源十分宝贵，这很大程度上限制了人工湿地水处理技术在发达地区的应用；其次，当人工湿地进水COD(化学需氧量)或SS(悬浮物)负荷过高时，人工湿地内部易于堵塞，出现表面壅水现象，这会恶化人工湿地内部水流的流态，可能降低其污染物处理能力，在严重时，甚至会导致人工湿地丧失水质净化能力；人工湿地虽然运行简单便捷，但是很难灵活调控，因此，其污染物去除效率和季节、温度、降雨量等密切相关，无法根据外界环境的变化做出相应的调整，且人工湿地本质属于生物膜法水处理技术，主要依靠微生物的作用去除水中的污染物，在寒冷的冬季，人工湿地内微生物活性较低，污染物去除效果较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人工湿地水处理系统及其运行方法，能够提高人工湿地水处理系统污染物去除效率、降低运行成本、降低人工湿地堵塞风险、延长人工湿地的生命周期、提高系统运行的稳定性。

一种人工湿地水处理系统，包括顺次相连的功能性处理单元和人工湿地单元，所述功能性处理单元包括电絮凝与沉淀单元，所述电絮凝与沉淀单元具有如下特点：

所述电絮凝与沉淀单元采用中孔结合微孔曝气的方式，气水比为10∶1-20∶1，电絮凝与沉淀单元曝气量根据来水水质和人工湿地单元的设计要求确定；

所述电絮凝与沉淀单元的电流密度为10A/m²-100A/m²。

进一步的，所述电絮凝与沉淀单元中出水溶解氧浓度不低于3mg/L。

进一步的，所述电絮凝与沉淀单元包括固液分离模块和电絮凝反应模块，所述固液分离模块和电絮凝反应模块集成一体化。

进一步的，所述固液分离模块和电絮凝反应模块分别以池体的形式通过配水渠和其余单元连接。

进一步的，所述人工湿地单元包括表面流人工湿地，表面流人工湿地可以在一定程度上恢复水体生态健康。

进一步的，所述电絮凝与沉淀单元和表面流人工湿地之间还连接有水平潜流人工湿地，水平潜流人工湿地单元借助微生物、填料、植物的共同作用下对污水进行进一步净化。

进一步的，所述电絮凝与沉淀单元和人工湿地单元通过管渠连接。

进一步的，所述电絮凝与沉淀单元产生的污泥排入污泥芦苇干化床，在植物蒸腾和太阳光照的作用下深度脱水。

进一步的，所述污泥芦苇干化床单独建造，或以池体的形式和人工湿地单元合建。

进一步的，对于小型的电絮凝与沉淀单元，可以选用非传统能源(太阳能、风能等)供电。

一种如上所述的人工湿地水处理系统的使用方法，污水依次经过所述电絮凝与沉淀单元和人工湿地单元。

进一步的，所述污水包括生活污水、污水处理厂二级出水、污染河水。生活污水经过电絮凝与沉淀单元(电流密度100A/m²)、水平潜流人工湿地单元和表面流人工湿地单元处理后排入自然环境；污水处理厂二级出水经过电絮凝与沉淀单元(电流密度 10A/m²)、水平潜流人工湿地单元和表面流人工湿地单元处理后排入自然环境；污染河水首先通过电絮凝与沉淀单元处理，然后通过管道进入表面流人工湿地，经过表面流人工湿地单元处理后排入自然环境。

本发明通过将功能性处理单元中的电絮凝与沉淀单元和人工湿地单元进行耦合，以期同时实现减少人工湿地的进水污染物负荷和提高人工湿地的污染物处理能力，在污染物去除的同时，提高了水中的溶解氧浓度，削减了人工湿地进水污染物负荷，为后续水中污染物，尤其是有机物、氨氮等在人工湿地中的去除创造了非常有力的水质条件。

电絮凝与沉淀单元与人工湿地单元的结合并非是简单技术叠加，而是针对彼此的不足进行技术的互补，单独采用人工湿地技术净化污水的效率太低，且易堵塞，处理效果受季节变化大，而单独采用电絮凝技术净化污水的运行成本较高，如果将两种技术/单元耦合用于处理污水，则可以实现优势互补，整体提升系统降解污染物功效和稳定性或韧性。本发明所产生的有益的技术效果主要有：

(1)提高人工湿地水处理系统污染物去除效率

人工湿地去除污染物效率偏低的一个重要原因在于其底部基本为厌氧环境，微生物降解有机物能力较弱。普通的工业废水处理很多不用曝气，或者曝气量很少，一般的气水比在1：50以上，本发明中该电絮凝与沉淀单元采用中孔结合微孔曝气的方式，气水比为 1∶10-20，曝气时通过空气的方向性搅动减缓和控制了电极的钝化，提高了电絮凝反应器的传质条件；另一方面，曝气还可以保障电絮凝处理单元出水的溶解氧浓度不低于3mg/L，提高了人工湿地进水的溶解氧浓度，同时提高了人工湿地处理有机物和氨氮的能力，进而提高了人工湿地污染物降解效率。

(2)降低运行成本

该电絮凝与沉淀单元选用较低的电流密度20～30A/m²。在已有水处理中，为了使电絮凝反应达到较高的污染物处理效率，电絮凝过程选用的电流密度通常较高，根据水质和浓度不同，有时可达到100A/m²，但是用于人工湿地预处理的电絮凝与沉淀单元主要去除水中的悬浮物和胶体污染物，溶解性有机物主要通过后续人工湿地单元得到去除，因此较低的电流密度即可达到处理要求，可显著降低电絮凝与沉淀单元的运行成本；

(3)降低人工湿地堵塞风险

人工湿地易于堵塞的主要原因在于进水有机污染物和悬浮物浓度过高，而功能性处理单元，尤其是电絮凝与沉淀单元降低了进入人工湿地的污染物负荷，减少了长期运行状态下人工湿地单元的堵塞，提高了人工湿地单元的工作周期，减少了填料置换的成本，降低了人工湿地进水有机污染物和悬浮物浓度，降低了人工湿地堵塞的风险，从而延长人工湿地工作的生命周期；

(4)提高系统运行的稳定性

功能性处理单元易于调控，可根据进水、气温、季节的不同调整运行参数。将功能性处理单元和人工湿地耦合，可保证耦合系统在不同外界条件下整体的处理效果。具体为，当水温降低后，人工湿地单元的污染物降解能力，尤其是去除有机物和氨氮的能力会受到极大影响，运营人员可通过调整电絮凝与沉淀单元的电流密度，在一定程度上弥补人工湿地单元处理有机物和氨氮的能力降低的不足；此外当运营人员对人工湿地进行维护(修)或更换人工湿地材料(管道、阀门、填料、植物等)时，其去除有机物和氨氮的能力会有所下降，此时可以通过调整电絮凝与沉淀单元的电流密度来强化人工湿地的处理能力，弥补人工湿地维护(修)时，处理有机物和氨氮的能力降低的不足的问题，提高系统污染物处理的可靠性。

附图说明

图1、2为本发明提供的人工湿地水处理系统的示意图；

1-电絮凝与沉淀单元，2-水平潜流人工湿地单元，3-表面流人工湿地单元，4-污泥芦苇干化床单元，5-超越管道系统

具体实施方式

下面参照附图和具体实施例对本发明进行解释说明。

如图1所示，本发明提供了一种电絮凝耦合人工湿地水处理系统，包括电絮凝与沉淀单元1、水平潜流人工湿地单元2、表面流人工湿地单元3以及污泥芦苇干化床单元4。除此之外，该系统还可以包括超越管道系统5，如图2所示，可以针对不同的来水灵活调整系统的运行方式。下面参照附图和具体实施例对各个单元的原理与功能、设计与运行方法进行简要介绍。

(1)电絮凝与沉淀单元1

电絮凝工艺对污水中的悬浮颗粒、胶体颗粒、疏水性污染物具有良好的去除效果，对亲水性、溶解性污染物也有一定的去除作用效果。因此，在耦合系统的最前端设置电絮凝与沉淀单元的主要作用是去除原水中悬浮类及胶体态的污染物，降低后续人工湿地进水中的污染物负荷，降低湿地堵塞风险，延长湿地使用寿命。除此之外，在电絮凝与沉淀单元内，为了达到良好的流态控制电极钝化，提高污染物去除效率，一般需要安装曝气设备，提高水中溶解氧浓度，增强后续人工湿地的处理能力。

本发明所述电絮凝与沉淀单元1由电絮凝反应模块和固液分离模块组成。电絮凝反应模块的主要组成包括电极、电源和微孔曝气装置，该模块可以让水体中的悬浮态和胶体态污染物聚集，以便在固液分离模块中得到分离。两个模块的布置形式优选一体化设备和连通式池体。电絮凝反应模块电极材料优选铁电极、铝电极和铁铝复合电极，极板连接方式优选单极并联和复极串联，待处理水与极板的接触时间平均不宜小于6～10min；电源类型优选恒压交流电源，占空比优化为0.4～0.6。固液分离模块沉淀池选自平流式沉淀池、竖流式沉淀池、辐流式沉淀池、斜管沉淀池中的任意一种。电絮凝与沉淀单元的最终尺寸由设计结果共同确定。

(2)水平潜流人工湿地单元2

在填料、植物和微生物三者的共同作用，水平潜流人工湿地单元2对污水中各类污染物均有一定的去除效果，但是其污染物去除效率偏低，占地面积较大。在此耦合系统中，水平潜流人工湿地单元设置于电絮凝与沉淀单元之后，主要用于污水的进一步净化。由于预处理降低了湿地的进水污染负荷，克服了其占地面积大的缺点。除此之外，由于预处理单元内设置有曝气装置，水平潜流人工湿地单元自身的污染物去除能力得到提高。

本发明所述的水平潜流人工湿地单元2优选芦苇和鸢尾两种植物，种植密度优选为15～25株/m²。所述植物用于吸收污水中的氮磷营养物质，根系可以为微生物生长提供附着位点，植物还可以起到一定的曝气功能；所述水平潜流人工湿地填料优选碎石和再生骨料，粒径优选为15～25mm，所述填料的高度优选为0.8～1.2m。在本发明中，所述水平潜流人工湿地池体的材质优选为钢筋混凝土，周壁以及底部优选铺设土工布，用于防止水平潜流人工湿地中的水渗入土壤。土工布的上下优选铺设砂土，所述砂土厚度优选为20～30cm，作用是充当垫层。所述水平潜流人工湿地单元的 BOD₅负荷优选为80～120kg/(ha²·d)，水力负荷优选小于0.5m/d，水力停留时间优选为1～3d。

(3)表面流人工湿地单元3

表面流人工湿地单元3内需要种植大量水生植物，其污染物降解能力有限，但对水体中微量有毒物质也有较好的去除效果。在耦合系统中，表面流人工湿地位于最后一个单元，其主要作用在于去除水中的微量有毒物质，恢复水生态健康。

在本发明中，所述表面流人工湿地单元3的深度优选为0.3～0.5m，水力坡度优选小于0.5％，长宽比优选控制在3∶1～5∶1。在所述表面流人工湿地单元3内优选混合种植挺水植物、沉水植物和浮水植物。挺水植物优选鸢尾和芦苇，种植于水平潜流人工湿地的两侧；沉水植物优选狐尾藻；浮水植物优选浮萍和睡莲。

(4)污泥芦苇干化床单元4

污泥芦苇干化床单元4借助植物的蒸腾作用和太阳光的照射作用干化污泥。在本系统中，污泥芦苇干化床单元4主要用于干化电絮凝与沉淀单元产生的化学污泥。所述污泥芦苇干化床单元4优选深度1～1.5m，优选污泥负荷50～75kg/(m²·a)，优选芦苇种植密度40～50株/m²。所述污泥芦苇干化床单元4可以以设备的形式单独建造，或以池体的形式和水平潜流人工湿地2合建。

根据上述所描述的发明方法，研究人员在河北省廊坊市某污水处理厂内搭建了一套中试规模的人工湿地水处理系统。

电絮凝与沉淀单元1由电絮凝反应模块和固液分离模块组成。两个模块通过集成组装以一体化设备的形式出现。电絮凝与沉淀单元1出水通过管道自流进入湿地，污泥通过管道自流进入污泥芦苇干化床4。电絮凝反应模块电极材料选择铝电极，极板连接方式为单极并联，污染河水与极板的设计接触时间为6min；电源类型选择恒压交流电源，占空比为0.5；微孔曝气装置气水比选择为20∶1。固液分离模块沉淀池选择斜管沉淀池。电絮凝反应模块长1.8m，宽1.2m，高3.8m，固液分离模块2.4m，宽1.2 m，高3.8m，反应器外壳为铸铁材质，外壳、设备、连接管道及搅拌机械均进行必要的防腐处理。水平潜流人工湿地单元2长15m，宽5m；湿地内种植挺水植物鸢尾，种植密度20株/m²；填料选择碎石填料，粒径范围为15～25mm，填料层高度为1m；池体材质为钢筋混凝土，周壁以及底部铺设土工布。表面流人工湿地单元3的深度0.5 m，水力坡度0.1％，长15m，宽5m，湿地内混合种植挺水植物鸢尾、沉水植物狐尾藻和浮水植物浮萍、睡莲。污泥芦苇干化床单元4深度1.5m，污泥负荷75kg/(m²·a)，芦苇种植密度50株/m²，污泥芦苇干化床单元4以设备的形式单独建造，长3m，宽 1m。

研究人员用该系统分别处理生活污水、污水处理厂二级出水和污染河水。

实施例1：

(1)生活污水

生活污水中各类污染物浓度均较高，如果仅用人工湿地处理，占地面积太大且易堵塞。因此，在处理生活污水时，研究人员采用了电絮凝与沉淀单元1(电流密度100 A/m²)+水平潜流人工湿地单元2+表面流人工湿地单元3的运行方式，电絮凝与沉淀单元1产生的污泥排入污泥芦苇干化床单元4干化脱水，如图1所示，所述污泥芦苇干化床单元4以设备的形式单独建造。

研究人员用上述系统处理河北省廊坊市某村庄产生的生活污水，对系统进出水水质进行了为期半年的监测。试验结果表明：组合系统出水达到一级A标准的天数占一年总天数的89％以上，年均处理效果如表1所示，而文献表明，单独的人工湿地单元处理生活污水达标可靠性仅为70％。因此，电絮凝人工湿地耦合水处理系统的稳定性相较于单独的人工湿地水处理系统有较大提升。经估算，相比于单独的人工湿地水处理系统，耦合系统的生命周期总成本可降低约27％。

表1 耦合系统处理生活污水效果

*注：一级A标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》中的相关水质指标。

实施例2：

(2)污水处理厂二级出水

污水处理厂二级出水由于已经得到了生物处理，污染物浓度较低，但是如果直接排放入天然水体也会造成一定程度的污染。因此，在处理污水处理厂二级出水时，研究人员采用了电絮凝与沉淀单元1(电流密度10A/m²)+水平潜流人工湿地单元2+表面流人工湿地单元3的运行方式，如图1所示，所述污泥芦苇干化床单元4以设备的形式单独建造。

研究人员用上述系统处理河北省廊坊市某污水处理厂二沉池出水，对系统进出水水质进行了为期半年的监测。试验结果表明：组合系统出水达到一级A水标准的天数占一年总天数的99％以上，年均处理效果如表2所示。除此之外，研究人员检测了系统进出水的浮游植物生态毒性，发现经过处理后，污水处理厂二级出水生态毒性削减 93％。

表2 耦合系统处理污水处理厂二级出水效果

*注：一级A标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》中的相关水质指标。

实施例3：

(3)污染河水

污染河水中悬浮物浓度较高，如果直接用人工湿地处理，易导致堵塞现象发生。除此之外，虽然污染河水有机物浓度不高，但其所含有机物以难降解的腐殖质为主，传统的人工湿地处理单元处理效果较差。而电絮凝技术对腐殖质和悬浮物有较好的去除效果。因此，在处理污染河水时，研究人员采用了电絮凝与沉淀单元1(电流密度 10A/m²)+表面流人工湿地单元3的运行方式，即所述电絮凝耦合人工湿地水处理系统包含超越管道系统5，使电絮凝与沉淀单元1的出水直接进入表面流人工湿地单元3 而不经过水平潜流人工湿地单元2的处理，电絮凝与沉淀单元1产生的污泥排入污泥芦苇干化床单元4干化脱水，如图2所示，所述污泥芦苇干化床单元4以池体的形式和水平潜流人工湿地2合建。

研究人员用上述系统处理河北省廊坊市某河流中的污染河水，对系统进出水水质常规指标进行了为期一个季度的监测，试验结果如表3所示。从表3可以看出，系统平均出水达到地表III类水标准。除此之外，研究人员检测了进出水中的浮游植物和浮游动物的数量，发现耦合系统可以去除90％以上的蓝绿藻和轮虫类浮游动物，提升水体生态健康程度，降低水华发生概率。

表3 耦合系统处理污水处理厂三级出水效果

*注：地表III类水标准为《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》中的相关水质指标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种人工湿地水处理系统，其特征在于，包括顺次相连的功能性处理单元和人工湿地单元，所述功能性处理单元包括电絮凝与沉淀单元，所述电絮凝与沉淀单元采用中孔结合微孔曝气的方式，气水比为10:1-20:1，且所述电絮凝与沉淀单元的电流密度为20A/m²-30 A/m²；所述人工湿地单元包括表面流人工湿地，且所述电絮凝与沉淀单元和表面流人工湿地之间还连接有水平潜流人工湿地。

2.根据权利要求1所述的人工湿地水处理系统，其特征在于，所述电絮凝与沉淀单元中出水溶解氧浓度不低于3mg/L。

3.根据权利要求2所述的人工湿地水处理系统，其特征在于，所述电絮凝与沉淀单元包括固液分离模块和电絮凝反应模块，所述固液分离模块和电絮凝反应模块集成一体化或者分别以池体的形式通过配水渠和其余单元连接。

4.根据权利要求1所述的人工湿地水处理系统，其特征在于，所述电絮凝与沉淀单元和人工湿地单元通过管渠连接。

5.根据权利要求1所述的人工湿地水处理系统，其特征在于，所述电絮凝与沉淀单元产生的污泥排入污泥芦苇干化床。

6.根据权利要求5所述的人工湿地水处理系统，其特征在于，所述污泥芦苇干化床单独建造，或以池体的形式和人工湿地单元合建。

7.一种如权利要求1-6之一所述的人工湿地水处理系统的运行方法，其特征在于，污水依次经过所述电絮凝与沉淀单元和人工湿地单元。

8.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，所述污水选自生活污水、污水处理厂二级出水和污染河水中的任意一种。

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