CN113307371A - 一种人工湿地系统的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种人工湿地系统的构建方法，其包括在垂直潜流的人工湿地系统中，设置湿地植物和填料基质，所述填料基质中分层添加铁碳微电解填料和沸石填料。本发明以铁碳微电解填料联合沸石填料，显著提高了人工湿地系统对含氮污染物的净化效果，明显减少了甲烷及氧化亚氮的排放。

Description

一种人工湿地系统的构建方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体地说，涉及一种人工湿地系统的构建方法。

背景技术

自20世纪60年代，国外学者便开始研究微电解技术在水处理中的应用，20世纪80年代铁碳微电解处理废水的方法在中国逐渐得到应用。铁碳微电解技术又称内电解、铁碳法、铁还原、零价铁法等。将铁碳微电解系统运用于人工湿地系统是一种化学耦合生物法去除废水中有机污染物的过程。当铁和活性炭进入水中时，活性炭和铁屑之间存在客观电位差(1.2V)，铁的电位较低，作为阳极，碳具有高电位，作为阴极，彼此相互作用，自发形成大量的微观原电池。利用阳极产生的电子，NO₃ ^-/NO₂ ^-将通过化学过程被直接还原为N₂；同时，铁碳微电解填料还为微生物的异养反硝化作用提供了碳源，进一步促进反硝化过程完全进行；另外，铁碳微电解填料产生[H]或Fe²⁺，可以作为电子供体用于微生物的自养反硝化过程。

沸石作为自然界中最常见的一种硅酸盐矿物，也逐渐作为湿地填料被用于污水处理的过程中。以硅和铝为中心，氧原子分布在四周形成的三维硅氧四面体和铝氧八面体是构成沸石的基本结构单元。其中，由于铝氧八面体结构整体带有负电荷，沸石骨架中通常存在大量正电离子。而对沸石的依附能力更强的NH₄ ⁺，能够通过离子交换作用置换出依附能力弱的离子(如Na⁺、K⁺和Ca²⁺等金属离子)。

尽管铁碳微电解填料和沸石都对污水具有良好的处理效果，但是将两者组合作为人工湿地填料处理污水的研究尚不多见。而由于传统人工湿地系统中碳源和溶解氧的匮乏，其对污水中总氮的去除效果仍然十分有限，将上述两株填料组合运用于曝气人工湿地的研究更是鲜有报道。因此，通过改变湿地基质以对人工湿地进行优化设计，实现最佳污水处理效果具有重要意义。

此外，尽管铁碳微电解和沸石在理论上都对减少温室气体排放具有一定的潜力，目前对二者的研究仍主要集中于污水控制方面，碳微电解和沸石对人工湿地温室气体排放影响的研究较为有限。而湿地对温室气体的排放量占据全球总排放量的20％～30％，规模化人工湿地工程具有一定的温室气体释放风险，总体表现为N₂O和CH₄的主要释放源。基于此，如果不对人工湿地温室气体的排放进行有效地控制，人工湿地的综合治理效果将会大打折扣。

发明内容

为了解决至少一个上述的技术问题，本发明提供了一种人工湿地系统的构建方法。

该人工湿地系统以铁碳微电解填料和沸石填料为组合填料，优化了人工湿地系统的性能，提升了水质净化效果的同时实现温室气体减排的目标。

一种人工湿地系统的构建方法，其特征在于，在垂直潜流的人工湿地系统中，设置湿地植物和填料基质，所述填料基质中分层添加铁碳微电解填料和沸石填料。

进一步地，作为一种方式，在所述人工湿地系统中进行间歇曝气。

优选地，作为一种方式，所述铁碳微电解填料和沸石填料的体积比为2:3。

作为一种方式，所述沸石填料分两层设置，所述铁碳微电解填料为一层且设置于两层沸石填料之间。

作为一种方式，所述湿地植物为菖蒲，种植密度为30株·m^-2。

作为一种方式，所述人工湿地系统的进出液方向为垂直流方向，液面比填料基质的表面低5cm。

作为一种方式，所述人工湿地系统在高度方向上，自下而上设置砾石层、第一沸石填料层、铁碳微电解填料层和第二沸石填料层。

作为一种方式，所述砾石层的高度为5cm、第一沸石填料层的高度为10cm、铁碳微电解填料层的高度为20cm和第二沸石填料层的高度为20cm。

作为一种方式，所述砾石为建筑用青石，主要成分为SiO₂，粒径为10～30mm，孔隙率为53.00％；所述沸石填料为天然斜发沸石，粒径为5～10mm，孔隙率为47.00％；所述铁碳微电解填料由包括废铁屑/铁钉和活性炭的原料制成，粒径为10～30mm，孔隙率为56.82％。

作为一种方式，在所述人工湿地系统的底部设置微孔曝气管，采用间歇曝气的方式曝气充氧。

作为一种方式，曝气充氧的曝气量为0.75～0.80L·min^-1，每日曝气2h。

采用本发明的人工湿地系统的构建方法得到的人工湿地系统具有如下的有益技术效果：

1)人工湿地系统的性能优异，提升了水质净化效果，其对污水中COD去除率达到95％以上，出水COD低于20mg·L^-1，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB3838-2002)一级A标准(50mg·L^-1)。

2)本发明人工湿地系统对污水中NH₄ ⁺-N平均去除率均达到76.90％，NO₃ ^--N的去除率超过99％，TN的平均去除率达到87.55％，较传统的砾石人工湿地系统高了9.29％。

3)本发明人工湿地系统进一步设置了间歇曝气的装置，可以同时实现温室气体减排的目标，能够明显减少温室气体(CH₄和N₂O)的排放，与传统的砾石人工湿地系统相比，平均实现CH₄减排54.31％，平均实现N₂O减排58.04％。

4)本发明采用的铁碳微电解填料主要由废铁屑/废铁定制成，实现了“以废治废”，做到了资源的充分化利用。

当然，实施本发明的人工湿地系统在构建时并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明实施例选用的铁碳微电解填料和沸石填料的形态图，其中，(a)为铁碳微电解填料的形态图，(b)为沸石填料的形态图。

图2是本发明构建的人工湿地系统的模拟结构示意图。

图3是本发明构建的人工湿地系统和对比湿地系统在长期运行过程中出水的各水质指标的变化情况图；其中，(a)为COD的变化情况图，(b)为TN的变化情况图，(c)为NH₄ ⁺-N的变化情况图，(d)为NO₃ ^--N的变化情况图。

图4是本发明构建的人工湿地系统和对比湿地系统在典型水力停留周期中各水质指标的变化情况图；其中，(a)为COD的变化情况图，(b)为TN的变化情况图，(c)为NH₄ ⁺-N的变化情况图，(d)为NO₃ ^--N的变化情况图，(e)为NO2^--N的变化情况图。

图5是本发明构建的人工湿地系统和对比湿地系统在处理污水过程中3种主要形态的氮污染物在典型水力停留周期的动态变化图；其中，(a)是本发明实施例的湿地系统的动态变化图，(b)是对比的湿地A的动态变化图，(c)是对比的湿地B的动态变化图，(d)是对比的湿地C的动态变化图。

图6是本发明构建的人工湿地系统和对比湿地系统在长期运行过程中的CH₄和N₂O月平均排放通量；其中，(a)是CH₄月平均排放通量，(b)是N₂O月平均排放通量。

图中标记和命名说明：

1-曝气泵；2-曝气导管；3-气体采样口；4-轴流风扇；5-菖蒲；6-开放式采气开放口；7-PVC穿孔管；8-水封槽；9-填料基质；10-曝气管。

组合填料人湿地：本发明实施例的人工湿地系统；

湿地A：以砾石为填料的对比湿地系统；

湿地B：以沸石为填料的对比湿地系统；

湿地C：以分层添加的体积比＝2:3铁碳微电解填料和砾石为填料的对比湿地系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

实施例

一种人工湿地系统的构建方法包括：在垂直潜流的人工湿地系统中，设置湿地植物和填料基质，所述填料基质中分层添加铁碳微电解填料和沸石填料。

作为一种示例，铁碳微电解填料和沸石填料的形态如图1所示。作为一种优选方式，人工湿地系统进一步利用微孔曝气管对人工湿地系统进行间歇曝气以改善湿地系统溶解氧环境，曝气量为0.75～0.80L·min^-1，每日曝气2h，得到铁碳微电解联合沸石的组合填料的人工湿地系统。

图2是构建的垂直潜流的人工湿地系统的一种优选模拟结构，在一个具体实施过程中，人工湿地系统包括PVC材料制成的圆柱形容器，其底面内径为30cm，高为60cm。在该圆柱形容器的内部高度方向上，自下而上逐层设置曝气管10、填料基质9和水封槽8。沿着该圆柱形容器的高度方向延伸设置若干的PVC穿孔管7。选取多年生的水生菖蒲(AcoruscalamusL.)为湿地植物，以30株·m^-2的种植密度种植于填料基质9上部。该圆柱形容器在水封槽8上方的部位设有开放式采气开放口6、轴流风扇4和气体采样口3。曝气管10经曝气导管2与外部的曝气泵1连接。该人工湿地系统在水质净化及温室气体减排方面均具有优越特性。

在该垂直潜流的人工湿地系统中，按体积比2:3的比例，分层添加铁碳微电解填料和沸石填料。该人工湿地系统在高度方向上，填料基质的组成由下至上分别为5cm高的砾石(仅作为承托层)，10cm高的沸石填料，20cm高的铁碳填料和20cm高的沸石填料。

作为一种方式，砾石为建筑用青石，主要成分为SiO₂，粒径为10～30mm，孔隙率为53.00％。

作为一种方式，沸石填料为天然斜发沸石，粒径为5～10mm，孔隙率为47.00％。

作为一种方式，铁碳微电解填料由包括废铁屑/铁钉和活性炭的原料制成，粒径为10～30mm，孔隙率为56.82％。

作为一种方式，人工湿地系统的进出液方向为垂直流方向，液面比填料基质的表面低5cm。

对比例

为明确铁碳微电解联合沸石组合填料的人工湿地系统(即本发明构建得到人工湿地系统)在改善污水处理及减排温室气体方面的能力，另设置3组不同填料的人工湿地系统作为对比。

3组人工湿地分别是：

人工湿地A，以砾石为填料；

人工湿地B，以沸石为填料；

人工湿地C，以体积比2:3分层添加铁碳微电解填料和砾石为填料。

上述人工湿地除填料设置不同外，其余构建方法均与本发明得到的铁碳微电解联合沸石组合填料人工湿地系统保持一致。

效果试验

使本发明实施例和对比例的人工湿地系统按照如下条件运行：

人工湿地系统水力停留时间为2d，进水C/N比约为5:1。进水包括：COD[(406±1.62)mg·L^-1]、NH₄ ⁺-N[(41.14±0.33)mg·L^-1]和NO₃ ^--N[(40.81±0.31)mg·L^-1]；此外，每升进水中还包括：KH₂PO₄(22.45mg)、MgSO₄·7H₂O(97.50mg)、CaCl₂(58.30mg)、蛋白胨(10.00mg)及微量元素溶液(0.1mL)。COD、NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N分别由蔗糖、NH₄Cl和KNO₃提供，每升微量元素溶液中包含：EDTA-Na₂(3.50g)、H₃BO₃(1.70g)、MnCl₂·4H₂O(1.08g)、ZnSO₄·7H₂O(1.30g)、CuSO₄·5H₂O(0.30g)和H₂MoO₄·4H₂O(0.049g)。进水pH控制在7.09±0.01。

应当指出的是，本发明仅选取了上述这一种污水水质作为举例来验证本发明构建的人工湿地系统在水质净化及温室气体减排方面的特性，但在实际运用中，本发明所公开的人工湿地系统所能够处理的水质并不仅限于此。

对本发明构建的非曝气人工湿地的出水中的各水质指标进行了分析测定，采用国家环保总局发布的《水和废水监测分析方法》中的方法测定的水样指标包括COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N和TN。非曝气人工湿地出水中各水质指标的平均浓度如表1所示。

表1非曝气人工湿地出水中各水质指标的平均去除率

从上表的实验结果分析可知，与对比例的3组人工湿地相比，本发明的实施例构建的铁碳微电解联合沸石的组合填料的人工湿地(表1中的组合填料湿地)显著促进了污水中含氮污染物的去除，TN、NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的去除率分别比湿地A高10.61％，18.39％和4.26％；比湿地B高8.38％，14.44％和4.16％；比湿地C高2.09％，4.63％和0.63％。

此外，铁碳微电解联合沸石的组合填料人工湿地出水中的平均COD浓度也略低于其他3组人工湿地。可见，尽管由于溶解氧匮乏，非曝气人工湿地对有机物和总氮的去除能力有限，铁碳微电解联合沸石组合填料仍能够明显改善污水的处理效果。

对本发明构建的曝气人工湿地的出水中的各水质指标进行了分析测定，采用国家环保总局发布的《水和废水监测分析方法》中的方法测定的水样指标包括COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N和TN。长期运行过程中曝气人工湿地出水中各水质指标的情况如图3，平均去除率如表2所示。曝气增氧后人工湿地对COD和TN的去除率有了显著的提升。

表2曝气人工湿地出水中各水质指标的平均去除率

分析上表的数据可知，与其他3组曝气人工湿地相比，铁碳微电解联合沸石的组合填料人工湿地显著促进了污水中含氮污染物的去除，TN、NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的去除率分别比湿地A高9.26％，12.89％和6.53％；比湿地B高5.50％，5.62％和5.26％；比湿地C高1.31％；3.00％和0.08％。此外，铁碳微电解联合沸石的组合填料人工湿地出水中的平均COD去除率也略高于其他3组人工湿地。

可见，铁碳微电解联合沸石组合填料对曝气的人工湿地污水处理效果有明显的改善作用。

本效果试验监测了典型水力停留周期内人工湿地的系统中污染物的迁移转化规律。即以进水时刻为计时零点，设置0、0.5、1、2、3、4、8、12、15、24、28、32、36、39和48h为时间节点采集水样进行分析测定，水样指标COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N和TN均采用国家环保总局发布的《水和废水监测分析方法》中的方法测定。

典型周期中各种污染物的变化如图4。分析图4可知，4组湿地系统各种N污染物的典型周期变化趋势相似，TN和NH₄ ⁺-N浓度均在进水后24h降低至最低水平，最终铁碳微电解联合沸石的组合填料人工湿地出水NH₄ ⁺-N为6.90mg·L^-1，均显著低于其他3组湿地系统。

不同湿地的NO₃ ^--N在进水1h后便迅速降低到较低的水平，之后在各曝气段的NO₃ ^--N浓度均略有升高，最终铁碳微电解联合沸石的组合填料人工湿地的NO₃ ^--N去除率较高。

图5反映了3种主要形态的氮污染物在典型周期内的动态变化，由图5可知，铁碳微电解联合沸石的组合填料人工湿地脱氮效果较好，且去除速度较快。

本效果试验还采用静态暗箱法对人工湿地系统的温室气体(CH₄和N₂O)进行采集，利用气体采样箱内的温度探头实时测定箱内温度，利用两个轴流风扇混合箱内空气。在监测气体的典型水力停留周期内设置13个时间节点，以进水时刻为0时刻，分别在0、2、6、12、14、18、24、26、30、36、38、42、48h采集气样，分析周期内人工湿地系统温室气体排放的变化，计算气体排放通量及累积排放量。

气体样品的采集分为非曝气段采样、曝气段采样两种情况。非曝气段气体样品的采集采用封闭式静态暗箱法进行，即在整个采气过程中关闭气体开放口，并在不采气时闭合气体采样口，保证气体采样箱始终处于封闭状态。罩扣好采样箱后立即采集第一个气体样品，之后每10min采集一次，每个湿地系统共采集4个气样。曝气段气体样品的采集采用开放式采气法进行采气，采集气体样品的过程中始终打开气体开放口及气体采样口以排气，曝气段采样频次是每15min一次，每个湿地系统在曝气段共采集4个气体样品。气体样品均利用带有三通阀的60mL注射器采集，样品采集后带回实验室，并在24h内利用Agilent7890A气相色谱仪进行分析，CH₄和N₂O的浓度分别采用FID和ECD检测器测定。

图6是各人工湿地系统在长期运行过程中的CH₄和N₂O月平均排放通量。由图6分析可知，铁碳微电解联合沸石组合填料显著降低了湿地系统CH₄和N₂O平均排放通量。与湿地A相比，组合填料人工湿地平均实现CH₄减排54.31％，N₂O减排58.04％；与湿地B相比，组合填料人工湿地对CH₄没有明显的减排作用，但实现N₂O减排48.10％；与湿地C相比，组合填料人工湿地平均实现CH₄减排30.19％，实现N₂O减排19.49％。

典型周期内，铁碳微电解联合沸石组合填料人工湿地释放温室气体产生的综合GWP分别比湿地A、B和C低60.84％、54.06％和37.53％(如表3)，可见铁碳微电解联合沸石的组合填料实现了人工湿地系统的温室气体减排。

表3典型周期内人工湿地CH₄及N₂O的排放量及综合GWP

上述说明示出并描述了本发明人工湿地构建方法的优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种人工湿地系统的构建方法，其特征在于，在垂直潜流的人工湿地系统中，设置湿地植物和填料基质，所述填料基质中分层添加铁碳微电解填料和沸石填料。

2.根据权利要求1所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，在所述人工湿地系统中进行间歇曝气；

优选地，所述铁碳微电解填料和沸石填料的体积比为2:3。

3.根据权利要求1所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，所述沸石填料分两层设置，所述铁碳微电解填料为一层且设置于两层沸石填料之间。

4.根据权利要求1所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，所述湿地植物为菖蒲，种植密度为30株·m^-2。

5.根据权利要求1所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，所述人工湿地系统的进出液方向为垂直流方向，液面比填料基质的表面低5cm。

6.根据权利要求1所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，所述人工湿地系统在高度方向上，自下而上设置砾石层、第一沸石填料层、铁碳微电解填料层和第二沸石填料层。

7.根据权利要求6所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，所述砾石层的高度为5cm、第一沸石填料层的高度为10cm、铁碳微电解填料层的高度为20cm和第二沸石填料层的高度为20cm。

8.根据权利要求6所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，所述砾石为建筑用青石，主要成分为SiO₂，粒径为10～30mm，孔隙率为53.00％；所述沸石填料为天然斜发沸石，粒径为5～10mm，孔隙率为47.00％；所述铁碳微电解填料由包括废铁屑/铁钉和活性炭的原料制成，粒径为10～30mm，孔隙率为56.82％。

9.根据权利要求1所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，在所述人工湿地系统的底部设置微孔曝气管，采用间歇曝气的方式曝气充氧。

10.根据权利要求9所述的人工湿地系统的构建方法，其特征在于，曝气充氧的曝气量为0.75～0.80L·min^-1，每日曝气2h。

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