CN112744921A - 一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统。所述人工湿地系统包括人工湿地池、布水系统、曝气系统、通风观察井、位于人工湿地池内的脱氮除磷基质以及液位控制系统；所述脱氮除磷基质内种植有湿地植物。本发明提供的人工湿地系统具有水质净化能力强、基建费用低、运行维护方便、景观效果好等特点，可满足垃圾回用和资源节约的需求。

Description

一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统
技术领域
本发明涉及污水治理技术领域，具体涉及一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统。
背景技术
人工湿地具有水质净化能力强、基建费用低、运行维护方便、景观效果好等特点，所以在农村生活污水治理、农业面源污水防控、尾水深度处理、河道微污染水体修复等方面得到广泛应用。人工湿地作为一个完整的生态系统，主要由基质、植物、微生物三大部分组成。其中，基质担任着净化水体、为植物提供生长载体以及提供营养物质、为微生物提供依附面、为水体流动提供良好的水力传导性等作用，它既是联系植物与微生物的纽带、也是植物与微生物发挥作用的基础以及湿地发挥良好水力传导性的重要条件。有研究表明，人工湿地对大部分的污染物去除过程都发生在基质填料层中，湿地基质填料种类繁多，根据应用场景可以选择具有特定功能的湿地填料，同时实验证明，多层基质结构人工湿地比单层基质人工湿地有延缓系统堵塞、提高污染物去除效果的功能。
据统计，我国的建筑废弃物已占城市固体废弃物总量的40％，体量庞大，建筑垃圾围城现象严重。有研究表明，混凝土块、碎砖块等建筑废弃物对污水中氮磷的吸附容量大，为建筑垃圾的资源化利用开辟了新的道路。
在中国专利ZL202010348667.6“一种人工湿地填料及其制备方法”中公开了由活性污泥、高炉渣、碳渣、膨润土、氮吸附剂和磷吸附剂制成的人工湿地填料，但制作工艺复杂。在中国专利ZL201710865549.0“一种处理海产养殖污水的人工湿地系统”中公开了应用红砖块、水泥砖块及滨海湿地沉积物定量比例构成的复合填料，但投加碳源和菌剂的成本较高，且普及范围有限。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其具有工艺简单、可操作性强、应用范围广、资源回用、氮磷去除效果好等特点，可以有效实现建筑垃圾的减量化和资源化利用，构建节约型社会。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，所述人工湿地系统包括人工湿地池、布水系统、曝气系统、通风观察井、位于人工湿地池内的脱氮除磷基质以及液位控制系统；
所述脱氮除磷基质内种植有湿地植物；
所述脱氮除磷基质包括上、中、下三层；所述脱氮除磷基质上层为保温层，中层为天然填料层，下层为建筑废弃物混合填料层；所述天然填料层包括上部的第一天然填料层以及下部的第二天然填料层，第一天然填料层的粒径小于第二天然填料层；所述建筑废弃物混合填料层从上至下包括粒径逐渐减小的第一建筑废弃物混合填料层、第二建筑废弃物混合填料层、第三建筑废弃物混合填料层；
人工湿地池两侧分别设有配水井和集水井；
布水系统包括进水管和布水支管，进水管位于配水井内，进水管穿过人工湿地池池壁，布水支管设置于脱氮除磷基质的保温层内；
曝气系统包括进气管和曝气支管，进气管位于配水井内，进气管穿过人工湿地池池壁，曝气支管设置于脱氮除磷基质的第一建筑废弃物混合填料层内；
液位控制系统包括出水管，出水管位于集水井内，出水管为L形，出水管一端穿过人工湿地池池壁，出水管另一端设有高度不同的出水阀；
通风观察井竖直设置于脱氮除磷基质内，通风观察井的一端与人工湿地池的池底相接触，另一端伸出脱氮除磷基质表面。
进一步地，所述人工湿地系统通过垂直潜流的模式运行。
进一步地，所述进水管上设有进水阀门，进水阀门前安装有管道过滤器。
进一步地，所述进气管与低噪音鼓风机相连，所述曝气支管上分布有直径为3～6mm的排气孔。
进一步地，所述湿地植物为芦苇、黄菖蒲和香蒲中的一种或多种。
进一步地，所述通风观察井采用40～100目孔径的不锈钢滤网与金属条围成，通风观察井高度为1.3～1.5m。
进一步地，所述保温层为粒径在8～32mm之间的陶粒。
进一步地，所述第一天然填料层为粒径小于3mm的河沙，第二天然填料层由粒径为3～6mm的沸石与粉煤灰按照体积比1:1～1.2:1混合制成；所述湿地植物种植于第一天然填料层内。
进一步地，所述建筑废弃物混合填料由混凝土块、水泥砖和红砖废料按照体积比1:1:1或1.2:1.5:1的比例混合破碎筛分后得到，所述第一建筑废弃物混合填料层的粒径为8～16mm、所述第二建筑废弃物混合填料层的粒径为4～8mm，所述第三建筑废弃物混合填料层的粒径为1～4mm。
进一步地，所述脱氮除磷基质中各填料层高度为15～25cm。
本发明的人工湿地系统具有以下优点：
(1)本发明的人工湿地系统应用河沙作为植物生长的固定床，具有截流污染物的作用，为直接吸收增加接触时间，且河沙较普通土壤作为固定床的优势是有机质等物质溶出较少，孔隙率大，微生物生长挂膜容易。
(2)本发明的人工湿地系统内的沸石与粉煤灰对氮的吸附效果较好，在处理农村生活污水的柱淋滤实验中，沸石和粉煤灰对氨氮的最大吸附量为0.915mg/g和0.634mg/g，同时两者对磷的去除效果也较好，理论最大磷吸附量分别为0.069mg/g和0.172mg/g。
(3)本发明的人工湿地系统利用建筑废弃物混凝土块、水泥砖和红砖废料作为强化脱氮除磷的保障。有研究证明，水泥砖和红砖的理论饱和磷吸附量分别为1.592mg/g和0.460mg/g，所述建筑废弃物为多孔结构，表面粗糙，有效增大了比表面积，Ca、Al和Fe元素含量高，有利于磷的去除和微生物着床；同时硬度大，抗腐蚀、耐磨损，廉价易得，有力地促进了资源回收利用和变废为宝。
(4)本发明的人工湿地系统具有曝气系统，将湿地基质与充氧方式优势结合，可有效促进硝化反应，强化硝化、反硝化作用，去除污水中氮含量。
附图说明
图1为本发明的实施例1中一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统的剖面图；
图2为本发明的实施例1中一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统的平面图；
图3、图4和图5分别为本发明的人工湿地系统进出水COD、氨氮和总磷含量及去除率的变化趋势图。
图中：1-布水系统；2-曝气系统；3-湿地植物；4-通风观察井；5.1保温层；5.2-第一天然填料层；5.3-第二天然填料层；5.4第一建筑废弃物混合填料层；5.5第二建筑废弃物混合填料层；5.6第三建筑废弃物混合填料层；6-液位控制系统；7-人工湿地池；8-配水井；9-集水井。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
如图1、图2所示，一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，包括人工湿地池7、布水系统1、曝气系统2、通风观察井4、位于人工湿地池内的脱氮除磷基质以及液位控制系统6；所述脱氮除磷基质内种植有湿地植物3。
所述脱氮除磷基质包括上、中、下三层，各填料层高度为20cm。所述脱氮除磷基质上层为保温层5.1，保温层为粒径在8～32mm之间的陶粒。中层为天然填料层，下层为建筑废弃物混合填料层。所述天然填料层包括上部的第一天然填料层5.2以及下部的第二天然填料层5.3，第一天然填料层5.2的粒径小于第二天然填料层5.3；所述建筑废弃物混合填料层从上至下包括粒径逐渐减小的第一建筑废弃物混合填料层5.4、第二建筑废弃物混合填料层5.5、第三建筑废弃物混合填料层5.6。第一天然填料层为粒径小于3mm的河沙，第二天然填料层由粒径为3～6mm的沸石与粉煤灰按照体积比1:1～1.2:1混合制成；所述湿地植物种植于第一天然填料层内。所述建筑废弃物混合填料由混凝土块、水泥砖和红砖废料按照体积比1:1:1的比例混合破碎筛分后得到，所述第一建筑废弃物混合填料层的粒径为8～16mm、所述第二建筑废弃物混合填料层的粒径为4～8mm，所述第三建筑废弃物混合填料层的粒径为1～4mm。
人工湿地池7两侧分别设有配水井8和集水井9，布水系统1包括进水管和布水支管，进水管位于配水井内8，进水管穿过人工湿地池池壁，布水支管设置于脱氮除磷基质的保温层5.1内；所述进水管上设有进水阀门，进水阀门前安装有管道过滤器。曝气系统2包括进气管和曝气支管，进气管位于配水井内8，进气管穿过人工湿地池池壁，曝气支管设置于脱氮除磷基质的第一建筑废弃物混合填料层5.4内。所述进气管与低噪音鼓风机相连，选用2.2kw的低噪音鼓风机，根据进水时间间歇充氧，所述曝气支管上下左右均间隔10cm分布着直径5mm的排气孔。所述通风观察井4采用40目孔径的不锈钢滤网与金属条围成，高度为1.3m。通风观察井4竖直设置于脱氮除磷基质内，通风观察井的一端与人工湿地池的池底相接触，另一端伸出脱氮除磷基质表面。
液位控制系统6包括出水管，出水管位于集水井内，出水管为L形，出水管一端穿过人工湿地池池壁，出水管另一端设有高度不同的出水阀。三个出水阀高度分别为：70cm、40cm和20cm。
建筑废弃物混合填料制备方式为：将体积比1:1:1的废弃混凝土块、水泥砖和红砖放入反击式破碎机中进行破碎，将破碎后的组分通过皮带传送至振动筛进行筛分，筛分后分别得到大粒径组分a(＞16mm)、8～16mm粒径的组分b和4～8mm粒径的组分c、1～4mm粒径的组分d和小于1mm的组分e，其中大粒径组分a需输送至反击式破碎机中进行二次破碎后再循环，小于1mm的组分e作为再生骨料原料用于构筑物用砖的制备。
所述人工湿地系统通过垂直潜流的模式运行，污水由布水系统1均匀喷洒至脱氮除磷基质上方，经由湿地植物3吸收、脱氮除磷基质过滤吸附以及微生物降解最终使污水得到净化，人工湿地的液位高度可通过液位控制系统6上的出水阀调节。
本实施例中，设计进水流量为40m3/d，进水时间2h，填料上方的湿地植物3为芦苇。打开低液位出水阀，保持湿地水位20cm运行。
通过本发明的人工湿地系统处理后的农村生活污水进出水状况跟踪分析发现，其对农村生活污水中COD的去除率为82.14％～93.95％，对氨氮的去除率为91.49％～99.30％，对总磷的去除率为91.44％～98.09％，具体进出水状况如图3～图5所示。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统包括人工湿地池、布水系统、曝气系统、通风观察井、位于人工湿地池内的脱氮除磷基质以及液位控制系统；
所述脱氮除磷基质内种植有湿地植物；
所述脱氮除磷基质包括上、中、下三层；所述脱氮除磷基质上层为保温层，中层为天然填料层，下层为建筑废弃物混合填料层；所述天然填料层包括上部的第一天然填料层以及下部的第二天然填料层，第一天然填料层的粒径小于第二天然填料层；所述建筑废弃物混合填料层从上至下包括粒径逐渐减小的第一建筑废弃物混合填料层、第二建筑废弃物混合填料层、第三建筑废弃物混合填料层；
人工湿地池两侧分别设有配水井和集水井；
布水系统包括进水管和布水支管，进水管位于配水井内，进水管穿过人工湿地池池壁，布水支管设置于脱氮除磷基质的保温层内；
曝气系统包括进气管和曝气支管，进气管位于配水井内，进气管穿过人工湿地池池壁，曝气支管设置于脱氮除磷基质的第一建筑废弃物混合填料层内；
液位控制系统包括出水管，出水管位于集水井内，出水管为L形，出水管一端穿过人工湿地池池壁，出水管另一端设有高度不同的出水阀；
通风观察井竖直设置于脱氮除磷基质内，通风观察井的一端与人工湿地池的池底相接触，另一端伸出脱氮除磷基质表面。
2.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统通过垂直潜流的模式运行。
3.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述进水管上设有进水阀门，进水阀门前安装有管道过滤器。
4.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述进气管与低噪音鼓风机相连，所述曝气支管上分布有直径为3～6mm的排气孔。
5.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述湿地植物为芦苇、黄菖蒲和香蒲中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述通风观察井采用40～100目孔径的不锈钢滤网与金属条围成，通风观察井高度为1.3～1.5m。
7.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述保温层为粒径在8～32mm之间的陶粒。
8.根据权利要求1或5所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述第一天然填料层为粒径小于3mm的河沙，第二天然填料层由粒径为3～6mm的沸石与粉煤灰按照体积比1:1～1.2:1混合制成；所述湿地植物种植于第一天然填料层内。
9.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述建筑废弃物混合填料由混凝土块、水泥砖和红砖废料按照体积比1:1:1或1.2:1.5:1的比例混合破碎筛分后得到，所述第一建筑废弃物混合填料层的粒径为8～16mm、所述第二建筑废弃物混合填料层的粒径为4～8mm，所述第三建筑废弃物混合填料层的粒径为1～4mm。
10.根据权利要求1所述的强化脱氮除磷与资源回用型人工湿地系统，其特征在于，所述脱氮除磷基质中各填料层高度为15～25cm。
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